CN101122597A - 道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，包括以下步骤：1)、将试料加入试验试筒；2)、试样静压成型；3)、将小型承载板置于试样表面；4)、加载、卸载，进行回弹模量试验；5)、读取变形量；6)、回弹模量取值；7)、处理试验数据，获得回弹模量值；其特征在于：1)试验试筒取值为：试筒直径与粒料最大粒径的比值R_d＝D/d_max大于5；2)承载板直径为粒料最大粒径的3倍；3)回弹模量试验的方式为：在承载板上放置千斤顶，通过反力架逐级加载卸载进行回弹模量试验，并用测力环控制加载量。本发明还公开了回弹模量室内测试装置。本发明的技术效果是：具有适用性强，操作简便，测试结果可信，能够适用于一般性的科研院校、设计与施工单位。

Description

道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种材料参数的测试技术，尤其是涉及一种道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法及装置。

背景技术

1、粒料混合料作为道路基层的广泛性

粒料混合料是指砂砾石、砂卵石、碎石、石渣、石粉等不同粒径颗粒组成的无粘性混合料，不仅具有良好温度稳定性和湿度稳定性，粒料颗粒间嵌锁作用形成的非线性结构层具有较大的承载能力和较强的抵抗疲劳破坏能力，还可以有效吸收裂缝尖端应力，防止半刚性沥青路面早期开裂和反射裂缝的产生。因此，采用优质级配粒料混合料作为沥青路面基层得到了工程界的关注。

国外高等级公路柔性路面应用中，广泛将粒料混合料作为道路基层、底基层材料。一般来说，将粒料混合料作为道路基层或底基层时，各国对粒料的技术性能作出了相应的要求。如美国纽约州交通运输部门对粒料混合料作为路面、路面基层、路面底基层的级配、压碎值、塑性指数和砂当量制定了相应的规范。地沥青学会对未处理的粒料混合料的CBR、液限、塑性指数、含砂当量、通过200号筛的百分数等也作出了相应的技术要求。此外，瑞士、芬兰、法国等一些国家针对将非粘结粒料混合料用于基层还给出了交通量的限制。

国内公路建设中，对粒料混合料作为道路基层采用的通常做法是：将粒料按一定的级配组成，然后掺加一定比例的粘结料(石灰、粉煤灰或水泥)，将这种掺加了无机结合料并满足级配要求的混合料作为高等级公路的基层。不掺加无机结合料的级配粒料混合料则仅用于中、低等级的公路和城市道路的基层或底基层。

2、粒料混合料回弹模量现行测定方法

在高等级公路柔性路面设计方法中普遍采用路基回弹模量，并引入相应的季节影响因素。美国AASHTO设计规范中根据一年或某几个月内路基回弹模量及其相对损失，计算路基的平均有效回弹模量，并根据不同的交通量对粒料混合料基层的最小厚度给出了相应的建议值。在AI法中根据土基材料填筑的路基进行回弹模量试验，获得至少6～8个试验值，取小于所有试验值60％，75％或87.5％的模量值作为土基的设计回弹模量；对于粒状混合料则采用与AASHTO法类似的方法。在欧洲，对于粒料混合料材料多采用基于室内三轴试验获得的数据建立的非线性模型和随季节的相对损失计算其有效回弹模量，并引入排水系数、修正层位系数得到粒料混合料的回弹模量。在国内，对于不掺结合料的粒料混合料由于受测试方法与手段的限制，其重要力学参数-回弹模量数值的确定比较困难，取值与实际试验路段实测模量偏小，给设计与施工带来很多的不确定因素和问题，从而限制了粒料混合料的应用范围。

国内外许多研究表明：粒料类材料的回弹模量随作用应力状态而变化，其应力应变的非线性使得混合料的回弹模量在很大程度上受竖向和侧向应力大小的影响，众多研究采用基于重复三轴试验的方法，并建立粒料混合料回弹模量与应力状态相互关系模型。

在国内，常用来测定土基回弹模量的方法主要有：①现场承载板法；②贝克曼梁法；③换算法；④CBR法；⑤室内试验测定法；⑥路表弯沉盆反算法(FWD法)；⑦查表法。

按照道路基层粒料混合料回弹模量测定方法的特点，上述方法可分为以下几类：

一是以经验型为主，如CBR法、查表法、换算法等。此类方法均建立在经验积累的基础上，得出的回弹模量在某一范围内是可信的，但在其它条件下其适用性有所限制。

二是以现场测试为主，如现场承载板法、贝克曼梁法等，此类测试方法所受影响因素较多，各测设点的模量测试值有较大的变异，测定结果往往较难应用于指导路面设计。

三是基于大型试验条件和一定理论分析为基础，如路表弯沉盆反算法、重复三轴试验方法。这类方法对试验测试条件、人员要求比较高，且需要具有一定的理论作为分析基础，受此特点影响，该类方法的全面推广应用有一定难度。

四是室内模拟试验方法：回弹模量室内模拟试验法就是以野外的含水量和压实度，在室内静压成型做小型承载板试验。试验所采用的试筒尺寸为D×H＝152mm×170mm，静压成型后试样尺寸为D×H＝152mm×120mm，承载板压头直径D为50mm。

测试粘土或细粒土体回弹模量时，采用目前的室内模拟试验方法的测试结果较为可信。用来测试大粒径粗粒土混合料时，相比较粗粒料颗粒最大粒径而言，由于实验仪器尺寸小，试筒侧壁对粗粒料混合料的变形产生较大的约束作用；另一方面，相对较小的试筒尺寸也使得粒料混合料的均匀性相对变差。这表明，现有的室内模拟试验方法用来测定粒料混合料的回弹模量是不适用的。

粒料混合料作为基层时，《公路土工试验规程》规定的粒料颗粒最大粒径为37.5mm，而在实际工程应用中采用的粒料颗粒最大粒径甚至达到10cm。这表明，与粒料颗粒最大粒径相比，室内测试方法采用的试筒及承载板压头尺寸明显偏小，试筒对混合料的变形将产生较大的约束力，这种约束力会造成测试结果偏高，从而使试验结果失真。

发明内容

本发明克服了现有室内测试方法的缺陷，提供了一种能方便、快捷、有效地测定粒料混合料的回弹模量的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法及装置，其技术方案为：道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，包括以下步骤：1)、将试料加入回弹模量试验试筒；2)、试样静压成型；3)、将小型承载板置于试样表面；4)、加载、卸载，进行回弹模量试验；5)、读取变形量；6)、回弹模量取值；7)、处理试验数据，获得回弹模量值；其特征在于：1)加大试验试筒尺寸，试验试筒尺寸取值为：试筒直径与粒料最大粒径的比值R_d＝D/d_max大于5，最佳比值为R_d＝D/d_max＝8；2)加大承载板尺寸，承载板直径为粒料最大粒径的3倍；3)回弹模量试验的方式为：在承载板上放置千斤顶，通过反力架逐级加载卸载进行回弹模量试验，并用测力环控制加载量。

读取变形量的方法为：每级荷载施加后，通过反力架施加的力慢慢减小，这时用千斤顶慢慢加力使测力环读数回到预定荷载处，待重复几次后，力慢慢稳定在预定荷载处，读取千分表读数作为加载读数；卸载后，待千分表读数1min内不变，以此读数作为卸载读数。

回弹模量的取值方式为：采用同一试样第二遍加载卸载后所得的回弹模量值的平均值作为预定各级荷载作用下的回弹模量。

处理试验数据的方法为：

(1)计算每级荷载下的回弹变形l：

l＝加载读数-卸载读数

(2)将各级计算回弹变形值点绘于标准计算纸上，排除显著偏离的异常点并绘出顺滑的p-l曲线，如曲线起始部分出现反弯，修正原点O，O′则是修正后的原点。

(3)按下式计算每级荷载下的回弹模量：

$E_i=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{p}{l}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E_i-相应于各级荷载下的粒料混合料回弹模量(MPa)；

p-承载板上的单位压力(MPa)

D-承载板直径(mm)；

l-相应于单位压力的回弹变形(mm)；

μ₀-混合料的泊松比，取

为内摩擦角。

(4)取结束试验前的各回弹变形值按线性回归方法由下式计算粒料混合料的回弹模量E₀值：

$E_0=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{\mathrm{\Σ}{p}_i}{{\mathrm{\Σl}}_i}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E₀-粒料混合料的回弹模量(MPa)；

μ₀-混合料的泊松比，取

为内摩擦角；

I_i-结束试验前的各级实测回弹变形值；

p_i-对应于l_i的各级压力值。

(5)计算E₀平均值，均方差为S_n-1：

$E_0={\stackrel{-}{E}}_0-Z_a\×S_{n-1}$

式中：

E₀-室内粒料混合料回弹模量的确定值(MPa)；

-室内粒料混合料回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1-标准差(MPa)；

Z_α-标准正态分布表中随保证率(或置信度)而变的系数，

(6)任意压实度、含水量情况下粒料混合料的回弹模量

以前述方法测定某一特定含水量和压实度情况下粒料混合料的回弹模量，再以压实度、含水量为中间函数，建立室内回弹模量与压实度、含水量的函数关系式：

E＝f(w，r₀)

式中：w-含水量，r₀-压实度。

根据现场基层的压实度和含水量即可得到基层回弹模量。

(7)极限含水量情况下粒料混合料回弹模量值的测定：砌筑一个水槽，将试筒放置在水中，水位在试筒高度的3/4左右浸水24小时后按前述方法测定粒料混合料的回弹模量值，作为极限含水量情况下的回弹模量值。

道路基层粒料混合料回弹模量室内测试装置，包括试筒、承载板、垫块，其特征在于：试筒的尺寸为D×H＞300mm×200mm；承载板由上下两个圆柱体构成，上面圆柱体的尺寸为：直径＞150mm，高＞40mm；下面圆柱体的尺寸为：直径＞100mm，高＞60mm；承载板的上面放置千斤顶，在试筒的底部放置有一块厚度不小于10mm的钢板。

在试筒的两侧设置有水平支板，在靠近筒顶处设置有提手。

本发明的有益技术效果是：具有适用性强，操作简便，测试结果可信，能够适用于一般性的科研院校、设计与施工单位。

附图说明

图1为回弹模量试验试筒结构图；

图2为承载板结构图；

图3为回弹模量测试过程示意图；

图4为回弹变形与荷载压强关系图。

具体实施方式

道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，包括以下步骤：1)、将试料加入回弹模量试验试筒；2)、试样静压成型；3)、将小型承载板置于试样表面；4)、加载、卸载，进行回弹模量试验；5)、读取变形量；6)、回弹模量取值；7)、处理试验数据，获得回弹模量值。

《公路土工试验规程》回弹模量试验试筒直径与高度的尺寸为D×H＝152mm×170mm，筒内垫块直径与高度的尺寸为D×H＝151mm×50mm，静压成型后试样尺寸为D×H＝152mm×120mm。砂砾石作为基层时，最大粒径达到37.5mm。试料粒径过大或试筒尺寸过小，必将在试料变形过程中，给颗粒带来较大的约束力，这种约束力会造成测试结果偏高，从而使试验结果失真。

《公路土工试验规程》回弹模量试验小型承载板直径D为50mm，砂砾石作为基层时，对于这种最大粒径达到37.5mm的混合料来说，混合料的均匀性直接影响到承载板下所压的是一个大粒径砾石还是细粒径砂砾，若是大粒径砾石，则所测的回弹变形偏小，回弹模量偏大；反之，若是细粒径砂砾，则所测的回弹变形偏大，回弹模量偏小。

本发明首先对试验试筒的尺寸进行了改进，加大了试验试筒的尺寸。采用室内承载板试验时，试筒直径与粒料颗粒最大粒径之比R_d，其容许值以能消除仪器约束影响为依据。发明人通过大量三轴实验测试结果表明，当试样直径与所用土体颗粒最大粒径的比值R_d＝D/d_max大于5时，土体颗粒最大粒径与仪器尺寸之间处于合理关系，可以避免仪器约束的影响，获得良好的测试结果。在本发明实施例中，设计的试验试筒尺寸D×H＞308mm×200mm，试筒直径与粒料最大直径的比值R_d＝D/d_max＝308/37.5≈8，试样尺寸对试验结果的影响可以忽略，与粒料混合料的实际受力情况更为接近，这样可以认为测定的结果是可信的。

加大了试筒尺寸，可用压力机将试样静压成型，一般2000KN压力机可满足要求。在将试料成型前，按照下述方法使试料均匀：第一，拌和：加水前先把干料拌和至粗细颗粒分配均匀，加水分为几次加，每次加水后从各个方向反复拌料，直至混合料吸水均匀；第二，加料：将拌好的混合料按四分法细分为若干小份，加料时用和试筒直径差不多的小盆装料，装料时注意粗细颗粒大致搭配均匀，将混合料摇动几下，将盆反扣倒入试筒，再用勺子将混合料摊平，使大粒径颗粒均匀分布，不致集中在一起；第三，加料完后用刮尺振捣混合料使其密实。

本发明还对承载板尺寸进行了改进，承载板下部圆柱体(压头)直径为粒料最大粒径的3倍，达100mm。

回弹模量试验的方式为：在承载板上放置千斤顶，通过反力架逐级加载卸载进行回弹模量试验，并用测力环控制加载量。试筒放置在刚性地面上或在试筒底部放置一块厚度不小于10mm的钢板以防止底部变形对测试结果的影响。

读取变形量的方法为：每级荷载施加后，通过反力架施加的力慢慢减小，这时用千斤顶慢慢加力使测力环读数回到预定荷载处，待重复几次后，力慢慢稳定在预定荷载处，读取千分表读数作为加载读数；卸载后，待千分表读数1min内不变，以此读数作为卸载读数。千分表通过磁性表架架在承载板支杆上，由于千分表对位移振动很敏感，磁性表架底座是否平稳对千分表读数影响较大。判断千分表是否安装好可以通过轻轻摇动磁性表架支杆，看千分表指针是否摆动剧烈，如果摆动幅度很小，在10小格以内，说明表架平稳，对千分表没有影响。如果摆动比较剧烈，说明底座下不平，可以在底座下面垫薄纸来调平。如果千分表没有安装好，千斤顶加载卸载时的轻微摇动就会使千分表摆动数格，造成本可以避免的试验误差。

回弹模量的取值方式为：采用同一试样第二遍加载卸载后所得的回弹模量值的平均值作为预定各级荷载作用下的回弹模量。

由于试验过程中水分的蒸发和损失，试验测得的回弹模量所对应的含水量以试验完后脱模测得的含水量为准。为了进一步分析含水量对砂砾石材料回弹模量的影响，砌筑了一个水槽，将试筒放置在水中，水位在试样高度的3/4左右浸水24小时后测定粒料混合料的回弹模量值，作为极限含水量情况下的回弹模量值。

处理试验数据可采用以下方法：

(1)计算每级荷载下的回弹变形l：

l＝加载读数-卸载读数

(2)将各级计算回弹变形值点绘于标准计算纸上，排除显著偏离的异常点并绘出顺滑的p-l曲线，如曲线起始部分出现反弯，应按图4所示修正原点O，O′则是修正后的原点。

(3)按下式计算每级荷载下的回弹模量：

$E_i=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{p}{l}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E_i-相应于各级荷载下的土基回弹模量(MPa)；

p-承载板上的单位压力(MPa)

D-承载板直径(mm)；

l-相应于单位压力的回弹变形(mm)；

μ₀-混合料的泊松比，取

为内摩擦角。

(4)取结束试验前的各回弹变形值按线性回归方法由下式计算土基回弹模量E₀值：

$E_0=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{\mathrm{\Σ}{p}_i}{\mathrm{\Σ}{l}_i}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E₀-粒料混合料的回弹模量(MPa)；

μ₀-混合料的泊松比，取

为内摩擦角；

l_i-结束试验前的各级实测回弹变形值；

p_i-对应于l_i的各级压力值。

(5)计算E₀平均值，均方差为S_n-1：

$E_0={\stackrel{-}{E}}_0-Z_a\×S_{n-1}$

式中：

E₀-室内粒料混合料回弹模量的确定值(MPa)；

-室内粒料混合料回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1-标准差(MPa)；

Z_α-标准正态分布表中随保证率(或置信度)而变的系数，高速公路、一级公路上应取保证率95％，此时Z_α＝1.645，其它公路取保证率90％，即Z_α＝1.282；

(6)以压实度或含水量为中间函数，建立室内回弹模量与压实度、含水量的函数关系式：

E＝f(w，r₀)

式中：w-含水量，r₀-压实度

根据现场基层的压实度和含水量即可得到基层回弹模量。

道路基层粒料混合料回弹模量室内测试装置，包括试筒1、承载板2，垫块3，试筒1的直径和高度的尺寸为D×H＞300mm×200mm；承载板2由上下两个圆柱体构成，上面圆柱体的尺寸为：直径＞150mm，高＞40mm；下面圆柱体的尺寸为：直径＞100mm，高＞60mm；承载板2的上面放置千斤顶，在试筒1的底部放置有一块厚度不小于10mm的钢板。在试筒1的两侧设置有水平支板4，在靠近筒顶处设置有提手5。

Claims (7)

1.一种道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，包括以下步骤：1)、将试料加入回弹模量试验试筒；2)、试样静压成型；3)、将承载板置于试样表面；4)、加载、卸载，进行回弹模量试验；5)、在加载、卸载过程中读取相应变形量；6)、回弹模量取值；7)、处理试验数据，获得回弹模量值；其特征在于：1)加大试验试筒尺寸，试验试筒尺寸取值为：试筒直径与粒料最大粒径的比值R_d＝D/d_max大于5；2)加大承载板尺寸，承载板直径为粒料最大粒径的3倍；3)回弹模量试验的方式为：在承载板上放置千斤顶，通过反力架逐级加载卸载进行回弹模量试验，并用测力环控制加载量。

2.根据权利要求1所述的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，其特征在于：试筒直径与粒料最大粒径的比值R_d＝D/d_max＝8。

3.根据权利要求1所述的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，其特征在于：读取变形量的方法为：每级荷载施加后，通过反力架施加的力慢慢减小，这时用千斤顶慢慢加力使测力环读数回到预定荷载处，待重复几次后，力慢慢稳定在预定荷载处，读取千分表读数作为加载读数；卸载后，待千分表读数1min内不变，以此读数作为卸载读数。

4.根据权利要求1所述的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，其特征在于：回弹模量的取值方式为：采用同一试样第二遍加载卸载后所得的回弹模量值的平均值作为预定各级荷载作用下的回弹模量。

5.根据权利要求1所述的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试方法，其特征在于：处理试验数据的方法为：

(1)计算每级荷载下的回弹变形l：

l＝加载读数-卸载读数

(2)将各级计算回弹变形值点绘于标准计算纸上，排除显著偏离的异常点并绘出顺滑的p-l曲线，如曲线起始部分出现反弯，修正原点O，O′则是修正后的原点。

(3)按下式计算每级荷载下的回弹模量：

$E_i=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{p}{l}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E_i-相应于各级荷载下的粒料混合料回弹模量(MPa)；

p-承载板上的单位压力(MPa)

D-承载板直径(mm)；

l-相应于单位压力的回弹变形(mm)；

μ₀-混合料的泊松比，取；为内摩擦角。

(4)取结束试验前的各回弹变形值按线性回归方法由下式计算粒料混合料的回弹模量E₀值：

$E_0=\frac{\mathrm{\πD}}{4}\·\frac{\mathrm{\Σ}{p}_i}{\mathrm{\Σ}{l}_i}(1-{{\mathrm{\μ}}_0}^2)$

式中：

E₀-粒料混合料的回弹模量(MPa)；

μ₀-混合料的泊松比，取；为内摩擦角；

l_i-结束试验前的各级实测回弹变形值；

p_i-对应于l_i的各级压力值。

(5)计算E₀平均值，均方差为S_n-1：

$E_0={\stackrel{-}{E}}_0-Z_a\×S_{n-1}$

式中：

E₀-室内粒料混合料回弹模量的确定值(MPa)；

-室内粒料混合料回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1-标准差(MPa)；

Z_a-标准正态分布表中随保证率(或置信度)而变的系数，

(6)任意压实度、含水量情况下粒料混合料的回弹模量

以前述方法测定某一特定含水量和压实度情况下粒料混合料的回弹模量，再以压实度、含水量为中间函数，建立室内回弹模量与压实度、含水量的函数关系式：

E＝f(w，r₀)

式中：w-含水量，r₀-压实度。

根据现场基层的压实度和含水量即可得到基层回弹模量。

(7)极限含水量情况下粒料混合料回弹模量值的测定：砌筑一个水槽，将试筒放置在水中，水位在试筒高度的3/4左右浸水24小时后按前述方法测定粒料混合料的回弹模量值，作为极限含水量情况下的回弹模量值。

6.一种道路基层粒料混合料回弹模量室内测试装置，包括试筒(1)、承载板(2)、垫块(3)，其特征在于：试筒(1)的直径和高度的尺寸为D×H＞300mm×200mm；承载板(2)由上下两个圆柱体构成，上面圆柱体的尺寸为：直径＞150mm，高＞40mm；下面圆柱体的尺寸为：直径＞100mm，高＞60mm；承载板(2)的上面放置千斤顶，在试筒(1)的底部放置有一块厚度不小于10mm的钢板。

7.根据权利要求6所述的道路基层粒料混合料回弹模量室内测试装置，其特征在于：在试筒(1)的两侧设置有水平支板(4)，在靠近筒顶处设置有提手(5)。

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