路基路面工程材料特性

本章的結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)一個(gè)中心

兩個(gè)特點(diǎn)三種材料四種主要參數(shù)BEAConfidential.|1一個(gè)中心兩個(gè)特點(diǎn)一個(gè)中心：材料特性兩個(gè)特點(diǎn)：1：方法實(shí)驗(yàn)多2：經(jīng)驗(yàn)公式較多三種材料：1：瀝青以及瀝青混合料2：粒狀材料以及細(xì)粒土3：鋼筋混凝土四種主要參數(shù)：回彈模量、動(dòng)模量、疲勞特性、永久變形參數(shù)BEAConfidential.|2材料特性的概念梳理回彈模量：就是用于彈性理論的彈性模量。若荷載比之于材料強(qiáng)度小得多，且重復(fù)作用許多次，每次荷載作用下的變形幾乎完全可以恢復(fù)，而變形與荷載又呈正比，則可以看作是彈性的。動(dòng)模量：動(dòng)模量又分為動(dòng)復(fù)合模量和動(dòng)勁度模量。疲勞特性永久變形參數(shù)：隨著交通荷載和胎壓的增加，多數(shù)永久變形出現(xiàn)在上層，而不是在土基。為了計(jì)算車轍深度，必須確定各層材料的永久變形參數(shù)。BEAConfidential.|37.1回彈模量

BEAConfidential.|4σd在無(wú)側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)中為軸向應(yīng)力，而在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中為超過(guò)側(cè)限壓力的那部分軸力。

會(huì)彈模量是非破損實(shí)驗(yàn)7.1.1加載波形BEAConfidential.|5豎向應(yīng)力脈沖再考慮慣性和粘性作用后，應(yīng)力脈沖時(shí)間與車速和深度有關(guān)巴克斯達(dá)（Barksdale）

馬克林（Mclean）BEAConfidential.|6注意：KENLAYER中采用的結(jié)果得到了脈沖時(shí)間較長(zhǎng)的反向曲線，這和路面中的實(shí)際應(yīng)力脈沖較為吻合。由于車速變化很大，且在設(shè)計(jì)階段材料的深度也是未知的，為此建議采用歷時(shí)為0.1S和間歇時(shí)間為0.9S的半正弦荷載。應(yīng)該指出，荷載歷時(shí)對(duì)粒狀材料的回彈模量影響很小，對(duì)細(xì)粒土視其含水量多少有一些影響，而對(duì)瀝青材料影響很大。不清楚間歇時(shí)間有何影響，但可能影響不大。BEAConfidential.|77.1.2設(shè)備BEAConfidential.|8此為FHMA所推薦的實(shí)驗(yàn)裝置。瀝青混合料的回彈模量也可以用重復(fù)荷載間接拉伸試驗(yàn)確定。粒狀材料和細(xì)粒土的回彈模量可用重復(fù)荷載的三軸試驗(yàn)確定。BEAConfidential.|97.1.3粒狀材料7.1.4細(xì)粒土AASHTO規(guī)定了對(duì)粒狀材料和細(xì)粒土的回彈模量實(shí)驗(yàn)作了各種規(guī)定。試件的準(zhǔn)備可用不同側(cè)限壓力和偏應(yīng)力的不同組合完成。200次BEAConfidential.|107.1.5瀝青混合料本身的性質(zhì)壓縮實(shí)驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)間接拉伸試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用馬歇爾試件，它很容易在實(shí)驗(yàn)室制備或從路面中鉆取。壓縮實(shí)驗(yàn)回彈模量由式7.1確定。間接拉伸試件回彈模量用式7.2計(jì)算，荷載歷時(shí)為0.1S，每隔3S加載一次。BEAConfidential.|117.1.6各種實(shí)驗(yàn)之間的相互關(guān)系

一地基土

回彈模量的實(shí)驗(yàn)與土承載力的實(shí)驗(yàn)區(qū)別加州R值實(shí)驗(yàn)：加州承載比CBR實(shí)驗(yàn)德克薩斯三周實(shí)驗(yàn)分級(jí)分組指數(shù)BEAConfidential.|12加州R值實(shí)驗(yàn)BEAConfidential.|13加州CBR承載比實(shí)驗(yàn)是一種貫入實(shí)驗(yàn)。BEAConfidential.|14德克薩斯三軸實(shí)驗(yàn)分級(jí)分組指數(shù)德克薩斯三軸實(shí)驗(yàn)是根據(jù)莫爾包絡(luò)線的位置對(duì)土進(jìn)行分級(jí)。分組指數(shù)：在AASHTO土的分類方法中，分組指數(shù)變化為0-20，該值隨通過(guò)200號(hào)篩的百分?jǐn)?shù)、塑性指數(shù)和液限而變化。BEAConfidential.|15各種實(shí)驗(yàn)的關(guān)系圖BEAConfidential.|16其他的關(guān)系式除圖7.10之外，MR、

CBR和R值還有其他相關(guān)的關(guān)系式。BEAConfidential.|17二：熱拌瀝青結(jié)構(gòu)層系數(shù)：AASHTO設(shè)計(jì)方法中，HMA，基層和底基層的質(zhì)量用其結(jié)構(gòu)層系數(shù)表示，這些相互關(guān)系圖本來(lái)是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)層系數(shù)的，但是也可以用來(lái)確定回彈模量。馬歇爾實(shí)驗(yàn)：直徑102mm和高64mm的圓柱形試件，溫度為60度和加載速率為每分鐘51mm時(shí)進(jìn)行。量測(cè)兩個(gè)值：穩(wěn)定度，即試件破壞時(shí)所需的荷載；流值，即破壞時(shí)的豎向變形。由于加載速率很快，穩(wěn)定度就是粘聚力，流值就是內(nèi)摩阻力。粘聚力儀器：測(cè)量HMA的粘聚力。BEAConfidential.|18BEAConfidential.|19三：基層BEAConfidential.|20未穩(wěn)定基層瀝青穩(wěn)定基層BEAConfidential.|21水泥穩(wěn)定基層回彈模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的相互關(guān)系7.2瀝青混合料的動(dòng)模量

7.2.1動(dòng)復(fù)合模量動(dòng)復(fù)合模量和動(dòng)勁度模量瀝青混合料的回彈模量實(shí)驗(yàn)和復(fù)合模量試驗(yàn)的區(qū)別實(shí)數(shù)與虛數(shù)部絕對(duì)值來(lái)表示動(dòng)模量?？捎脺y(cè)定回彈模量同樣的設(shè)備進(jìn)行復(fù)合模量實(shí)驗(yàn)。動(dòng)模量隨著加載頻率而變化，應(yīng)選用與實(shí)際交通荷載最接近的頻率進(jìn)行試驗(yàn)，這樣確定的動(dòng)模量相當(dāng)于設(shè)計(jì)用的回彈模量。BEAConfidential.|227.2.2動(dòng)勁度模量實(shí)驗(yàn)方法：類似于疲勞試驗(yàn)。三分點(diǎn)小梁實(shí)驗(yàn)，在三分點(diǎn)上施加半正弦重復(fù)荷載，荷載歷時(shí)為0.1s,間歇為0.4s。BEAConfidential.|23BEAConfidential.|24與動(dòng)模量的關(guān)系由于勁度模量隨應(yīng)力水平而變化，它不能在線彈性層狀體系中用做動(dòng)模量。為了得到E0

和【E*】的相互關(guān)系，威茨克和魯特根據(jù)17種不同瀝青混合料和溫度組合用兩種方法實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，進(jìn)行了回顧分析，確定動(dòng)模量所用荷載半正弦壓縮荷載，對(duì)勁度模量為半正弦加載0.1s，間歇0.5s?；貧w公式是：BEAConfidential.|257.2.3shell諾饃圖和AI公式實(shí)驗(yàn)確定瀝青混合料的動(dòng)模量耗費(fèi)時(shí)間，還需要專門的設(shè)備。最好的方法是根據(jù)瀝青性質(zhì)和集料的密度，用諾饃圖和公式計(jì)算模量。Shell諾饃圖有兩個(gè)，第一個(gè)是根據(jù)溫度、加載時(shí)間（加載頻率）、瀝青的某些性質(zhì)來(lái)推斷瀝青的勁度模量。第二個(gè)諾饃圖則根據(jù)瀝青勁度模量、瀝青含量和礦料的體積百分含量確定瀝青混合料的勁度模量。BEAConfidential.|26第一步瀝青的性質(zhì)t與f的關(guān)系BEAConfidential.|27例題7.7從混合料中回收的瀝青，25度時(shí)針入度為22，環(huán)球法軟化點(diǎn)為64度。求溫度為11度和加載時(shí)間為0.02s時(shí)的瀝青勁度模量。由式子7.18由式子7.16，PI=(20-500*0.04)/(1+50*0.04)=0低于標(biāo)準(zhǔn)針入度時(shí)的溫度為64-11=53度。如圖7.19所示，由于加載時(shí)間為0.02s。如圖所示:BEAConfidential.|28BEAConfidential.|29第二步：例7.8有一瀝青混合料，瀝青含量為重量的5.5%毛體積比重為2.43.瀝青的比重為1.02，集料的比重為2.85.若瀝青的勁度模量為2*108N/m2,

計(jì)算混合料的勁度模量。

由公式

集料的體積百分率為80.6%，再由

瀝青的體積百分率為13.1%，然后在圖里面得到混合料的勁度模量。BEAConfidential.|30BEAConfidential.|31二、AI地瀝青學(xué)會(huì)公式黃先生和威茨克用回歸公式得到BEAConfidential.|32諾饃圖與AI公式方法的比較Shell諾饃圖不考慮細(xì)顆粒通過(guò)200號(hào)篩的百分率。Shell所考慮的瀝青粘度和針入度是用回收瀝青或混合料中實(shí)際有的瀝青確定的。Shell采用環(huán)球標(biāo)準(zhǔn)溫度的針入度。AI公式考慮細(xì)顆粒通過(guò)200號(hào)篩的百分率。AI用原狀瀝青。AI考慮得是瀝青的溫度和粘度。BEAConfidential.|33有例題說(shuō)明，動(dòng)模量隨著細(xì)粒含量的增加而增加，但是與其他因素比（溫度，粘度、頻率等），影響是很小的。三常用范圍給出HMA模量的常用范圍。BEAConfidential.|347.3疲勞特性

一、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法采用三分點(diǎn)加載小梁彎曲實(shí)驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)?？刂萍虞d的方式：常應(yīng)力方法和常應(yīng)變法。

常應(yīng)力加載：主要承重層的較厚的路面；破壞發(fā)生快

常應(yīng)變加載：小于2in的薄層路面；必須要人為假設(shè)的破壞準(zhǔn)則，如應(yīng)力等于初始應(yīng)力的50%。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，通常采用半正弦加載，歷時(shí)0.1s和間歇0.4s，而不用回單模量實(shí)驗(yàn)的0.9s。應(yīng)力范圍選擇應(yīng)使試件在重復(fù)作用1000至1000000次以內(nèi)破壞。BEAConfidential.|35BEAConfidential.|36諾饃圖及方程式原因：疲勞試驗(yàn)是一種破壞實(shí)驗(yàn)，它比非破損回彈模量實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)更多的試件，為了得到合適的結(jié)果，需要24個(gè)以上的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這就需要簡(jiǎn)單的諾饃圖和方程式。來(lái)計(jì)算疲勞性質(zhì)，無(wú)需要再做疲勞實(shí)驗(yàn)。Shell:

對(duì)于常應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：對(duì)于常應(yīng)變實(shí)驗(yàn)：BEAConfidential.|37例題7.12已知：Vb=13%，PI=-0.7和Sm=3.3*108Pa,用方程式和諾饃圖求常應(yīng)力106和常應(yīng)變作用105次出現(xiàn)破壞的初始應(yīng)變。BEAConfidential.|38諾饃圖及方程式BEAConfidential.|397.3.2波特蘭水泥混凝土BEAConfidential.|40波特蘭水泥混凝土的疲勞壽命取決于應(yīng)力比，即彎拉應(yīng)力與抗彎拉強(qiáng)度之商。專門為某一項(xiàng)目做疲勞試驗(yàn)是不實(shí)際的，因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果的變異性要求大量的實(shí)驗(yàn)和需要大量的費(fèi)用，幸虧有大量數(shù)據(jù)可以用于設(shè)計(jì)。PCA設(shè)計(jì)準(zhǔn)則十分保守，結(jié)果使疲勞壽命比年均壽命低很多。BEAConfidential.|417.4永久變形參數(shù)永久變形是柔性路面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。隨著交通荷載和胎壓的增加，多數(shù)永久變形出現(xiàn)在上層，而不是在土基。為了計(jì)算車轍深度，必須確定各層材料的永久變形參數(shù)。多數(shù)方法是用重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)，它與會(huì)彈實(shí)驗(yàn)相似，知識(shí)荷載重復(fù)作用取10萬(wàn)次，并記錄作用一定次數(shù)之后的永久變形。BEAConfidential.|42直接法VESYS法BEAConfidential.|437.4.2實(shí)驗(yàn)種類增量靜載試驗(yàn)：僅適用于粘滯流動(dòng)其主要作用的混合料和細(xì)粒土。動(dòng)載試驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)（后面兩種實(shí)驗(yàn)適用于所有材料）BEAConfidential.|447.5其它性質(zhì)

7.5.1地基反應(yīng)模量BEAConfidential.|45BEAConfidential.|46P為作用在板上的壓力，為板的撓度由于承載版實(shí)驗(yàn)既費(fèi)事，又費(fèi)錢，所以經(jīng)常用