CN101576461A - 粒料基层承载力冻融稳定性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，分别在不冻融情况下、冻融循环多次情况下，检测相同规格的试件在各级荷载下的回弹模量变化值。本发明的有益技术效果是：提出了一种能有效检测粒料基层回弹模量变化值的方法，为后续的粒料基层承载力冻融稳定性评价提供了可靠的依据，该方法简单易行，测量结果可靠，适用面广。

Description

粒料基层承载力冻融稳定性试验方法

技术领域

本发明涉及一种粒料基层承载力冻融稳定性评价技术，尤其涉及一种粒料基层承载力冻融稳定性试验方法。

背景技术

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。

修筑在季节性冰冻地区或冰冻地区的公路路面结构，要经受冻融循环的影响，因此，需要对路面材料提出抗冻要求，即经过多个冻融循环后，材料的力学指标应满足的路面结构要求，否则就会影响路面的耐久性。对于设置在薄沥青面层下的粒料基层，受气温影响较大，冻融循环作用较强，其抗冻性能应予以重视。

常用的测定土基回弹模量的方法主要有现场承载板法、贝克曼梁法、换算法、路表弯沉盆反算法(FWD法)、查表法。

现场承载板法虽然适用于在现场土基表面测试其回弹模量，但该方法操作烦琐，费时费力，整个过程为人工操作，受人为因素和环境影响较大、精度低，操作员工作量大，效率低。且现行规范中对于试验应当加载至什么时候结束存在争议，在实际测试中采用不同的最大荷载或最大应变，均可能使测得的结果产生较大的偏差。

贝克曼梁法利用杠杆工作原理，由载重汽车对路面加载通过百分表观测路面回弹弯沉，但该方法所测弯沉是最大回弹弯沉值，测定结果受轮载、轮压和加压时间(行驶速度)影响，由于影响承载能力的变量较多，各测设点的弯沉值会有较大的变异，测定结果往往较难应用于指导路面设计。

路表弯沉盆反算法(FWD法)采用落锤式弯沉仪测量的路基回弹模量值需要复杂的理论计算和程序进行修正；而且落锤式弯沉仪大多为进口国外产品，价格非常昂贵，要求操作人员的技术水平很高，设备维护成本昂贵；其测量数据需要进行动静模量之间的换算，而目前对于换算方法的研究并未形成定论，有待进一步研究；故在要在大范围内推广使用路表弯沉盆反算法是不现实的。

查表法所采用的规范表推荐值主要是根据50年代至70年代末道路施工条件和修筑材料标准确定的公路路基回弹模量推荐值。显然，随着我国以高速公路为主的高等级公路的大力发展，公路路基填筑材料的多样化，查表法已不能适应当今的路面设计要求了。

换算法是对查表法的修正，但由于不同地形、地质、水文、气候等条件的影响，使该方法所需要的相关关系式难以统一。

发明内容

本发明提出了一种粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，该方法包括：分别在不冻融情况下、冻融循环多次情况下，检测相同规格的试件在各级荷载下的回弹模量变化值，根据不同情况下粒料材料的回弹模量变化值对粒料材料的路用承载能力进行评价。

具体步骤为：粒料材料每个级配1)在相同制备条件下制备多个试件，将试件分为多组，2)其中一组试件不经冻融循环，直接检测该组试件在各级荷载下回弹模量的变化值；3)其余各组试件分别进行多次冻融循环，且各组试件的冻融循环次数都不相同，检测各组试件冻融循环后在各级荷载下回弹模量的变化值；4)对数据进行处理，根据处理结果对粒料基层承载力的冻融稳定性进行评价。

试件制备方法为：1)在试筒底部铺设垫块，在垫块上铺设待测粒料，在最佳干密度和最佳含水量条件下，采用2000KN压力机按压实度98％将待测粒料静压成型；2)在试筒顶部铺设滤纸，再套上透水筛；将试筒倒置并取出垫块，在待测粒料表面铺设滤纸后放上透水板，试件制备完毕。

冻融循环的方法为：将试件1)在水中浸泡20-30小时，2)在-40℃～0℃条件下冰冻10-20小时，3)然后再放入水中浸泡6-10小时；进行多次冻融循环时将步骤1)至3)重复多次；最后一次冻融循环过程中，步骤1)和3)在水中浸泡的时间相同均为20～30小时。多次冻融循环的次数不低于5次，且各组试件的冻融循环次数的差值不低于5。

本发明采用的一种优选参数设计为：试筒尺寸为D×H＝152mm×170mm；垫块和透水板的外径与试筒内径匹配，透水筛内径与试筒外径匹配；粒料材料每个级配制备9个试件，按数量将其平均分为3组，其中一组不经冻融循环，直接检测试件在各级荷载下回弹模量的变化值；其余2组分别进行5次和10次冻融循环后，检测试件在各级荷载下回弹模量的变化值。

数据处理包括：采用线性回归方法计算单个试件的土基回弹模量值；分别计算冻融、未冻融情况下试件的土基回弹模量平均值；

计算单个试件土基回弹模量值的步骤如下：

1)对试件进行逐级加载卸载，根据下式计算试件在每级荷载下对应的回弹变形l，

l＝加载时读数-卸载后读数

2)根据步骤1)中得到的l值和与之对应的承载板上的单位压力p，排除显著偏离的异常点，绘制p-l曲线；如p-l曲线起始部分出现反弯，则按图8所示对p-l曲线起始部分和曲线起点进行修正，即对l进行修正；修正前原点为O，修正后原点为O′；

3)根据下式计算每级荷载下的回弹模量E_i：

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

式中：E_i为各级荷载条件下对应的土基回弹模量(MPa)；i为加荷级数的序数；

p为承载板压力(MPa)；

D为承载板直径(mm)；

l为该级荷载作用下的回弹变形(mm)；

μ₀为粒料混合料的泊松比，取

为内摩擦角。

4)采用线性回归方法对各级荷载下与加载级数对应的回弹变形l_i进行线性回归，并根据下式计算土基回弹模量E₀，

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

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

l_i为各级荷载条件下单位压力对应的回弹变形(mm)

p_i为对应于l_i的承载板压力值(MPa)；

5)重复步骤1)至4)，将每个试件对应的土基回弹模量E₀都计算出来；

根据下式计算经冻融循环后的所有试件的土基回弹模量平均值和未经冻融的所有试件的土基回弹模量平均值E₀，

E₀＝E₀-Z_a×S_n-1

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

E₀土基回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1为标准差(MPa)；

Z_a为标准正态分布表中随保证率而变的系数，高速公路、一级公路上应取保证率95％，此时Z_a＝1.645，其它公路取保证率90％，即Z_a＝1.282；

本发明的有益技术效果是：提出了一种能有效检测粒料基层回弹模量变化值的方法，为后续的粒料基层承载力冻融稳定性评价提供了可靠的依据，该方法简单易行，测量结果可靠，适用面广。

附图说明

图1、试件静压成型后实物照片；

图2、透水筛实物照片；

图3、透水筛安装位置实物照片；

图4、透水板安装位置实物照片；

图5、试件泡水状态实物照片；

图6、试件冰冻装置实物照片；

图7、冻融状态后测定试件的回弹变形示意图；

图8、p-l曲线修正原点示意图；

具体实施方式

为了有效评价砂砾材料在季节性冰冻地区及冰冻地区的路用承载能力，本发明提出了一种粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，该方法不仅满足车辆作用路面上粒料基层瞬时受力的实际状况，而且能反映出粒料材料冻融状态后承载能力及衰减程度的变化。特别是该方法的冻融过程充分考虑了水对冻融状态的影响，采用饱水冻融，试验条件较为苛刻，试验结果偏于保守。

试件制备：参见图1至4，采用室内承载板回弹模量试验的试验设备，选用的试筒尺寸为D×H＝152mm×170mm，其步骤如下：粒料材料每个级配1)在试筒底部铺设垫块，在垫块上铺设待测粒料(粒料铺设高度小于试筒高度50mm)，在最佳干密度和最佳含水量条件下，采用2000KN压力机按压实度98％将待测粒料静压成型；2)在试筒顶部铺设滤纸，再套上透水筛；将试筒倒置并取出垫块，在待测粒料表面铺设滤纸后放上透水板，试件制备完毕(此时试件为自然状态)。

实验过程：在相同制备条件下粒料材料每个级配制备多个试件(制备时要保证试件成型后不脱膜)，将试件分为多组，2)其中一组试件不经冻融循环，直接检测该组试件在各级荷载下回弹模量的变化值；3)其余各组试件分别进行多次冻融循环，且各组试件的冻融循环次数都不相同，检测各组试件冻融循环后在各级荷载下回弹模量的变化值；4)对数据进行处理，根据处理结果对粒料基层承载力的冻融稳定性进行评价。其中，冻融循环的方法为：参见图5至7，将试件1)在水中浸泡20-30小时，2)在-40℃～0℃条件下冰冻10-20小时，3)然后再放入水中浸泡6-10小时；进行多次冻融循环时将步骤1)至3)重复多次；最后一次冻融循环过程中，步骤1)和3)在水中浸泡的时间相同均为20～30小时。

试件回弹模量测定：

(1)试件安装

采用压头尺寸为D×H＝50mm×80mm的承载板，采用测力环控制加载量，用磁性表架控制千分表，通过逐级加载卸载进行回弹模量试验。加载方式如图7所示，加载前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。

(2)变形量的读取

每级荷载施加后，试样表面由于变形缘故，施加的力慢慢减小，这时需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，减小幅度很小。这时，安放在磁性表架上的两个于分表读数基本稳定，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，认为读数稳定，以此读数作为卸载读数。这样测得的加载读数和卸载读数能较准确地表征总变形和残余变形，所得的回弹变形认为可信。

(3)回弹模量的取值

实际设计中关心的回弹模量是重复加载后路面材料的回弹模量，而不是第一遍加载时的模量。反复加载后，基层粒料混合料被进一步压密，颗粒之间趋于稳定，所测的回弹模量才是理论分析时认为可信的回弹模量。因此，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。

(4)数据处理

根据如下步骤计算单个试件的土基回弹模量值：

1)对试件进行逐级加载卸载，根据下式计算试件在单荷载下对应的回弹变形l，

l＝加载时读数-卸载后读数

2)根据步骤1)中得到的l值和与之对应的承载板上的单位压力p，排除显著偏离的异常点，绘制p-l曲线；如p-l曲线起始部分出现反弯，则按图8所示对p-l曲线起始部分和曲线起点进行修正，即对l进行修正；p-l曲线绘制和l的修正按照国家相关规范进行；

3)根据修正后的p-l曲线，按下式计算每级荷载下的回弹模量E_i：

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

式中：E_i为各级荷载条件下对应的土基回弹模量(MPa)；i为加荷级数的序数；加荷级数和荷载大小，可从0.1MPa～1.2MPa，设定共计12个级数；

p为承载板上的单位压力(MPa)

D为承载板直径(mm)；

l为该级荷载作用下的回弹变形(mm)；

μ₀为粒料混合料的泊松比，取

为内摩擦角。

4)采用线性回归方法对各级荷载下与加载级数对应的回弹变形l_i进行线性回归，并根据下式计算土基回弹模量E₀，

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

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

l_i为各级荷载条件下单位压力对应的回弹变形(mm)

p_i为对应于l_i的承载板压力值(MPa)；

5)重复步骤1)至4)，将每个试件对应的土基回弹模量E₀都计算出来；

根据下式计算经冻融循环后的所有试件的土基回弹模量平均值和未经冻融的所有试件的土基回弹模量平均值E₀，

E₀＝E₀-Z_a×S_n-1

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

E₀土基回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1为标准差(MPa)；

Z_a为标准正态分布表中随保证率而变的系数，高速公路、一级公路上应取保证率95％，此时Z_a＝1.645，其它公路取保证率90％，即Z_a＝1.282；

得到的两个E₀，比较其粒料基层承载力在冻融前后的变化，以此作为评价粒料基层承载力冻融稳定性的依据。

实施例：

粒料材料每个级配制备9个试件，按数量将其平均分为3组，其中一组不经冻融循环，直接检测试件在各级荷载下回弹模量的变化值；其余2组分别进行5次和10次冻融循环后。

冻融循环条件：将试件1)在水中浸泡24小时，2)在-20℃条件下冰冻16小时，3)然后再放入水中浸泡8小时；最后一次冻融循环过程中，步骤1)和3)在水中浸泡的时间相同均为24小时，以使冻融前、后泡水时间相等。

按上述各种参数进行实验所得的数据和实测参数的误差就已经在允许范围内了，为了满足一些更高标准的路面设计要求，可以适当增加试件数(组数也相应增加)和冻融循环次数(泡水和冰冻时间也可以适当延长)，势必将使实验结果更加严谨可靠，为后续的粒料基层承载力的冻融稳定性评价提供更加准确的实验依据。

Claims (10)

1、一种粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：分别在不冻融情况下、冻融循环多次情况下，检测相同规格的试件在各级荷载下的回弹模量变化值，根据不同情况下粒料材料的回弹模量变化值对粒料材料的路用承载能力进行评价。

2、根据权利要求1所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：该方法包括：粒料材料每个级配1)在相同制备条件下制备多个试件，将试件分为多组，2)其中一组试件不经冻融循环，直接检测该组试件在各级荷载下回弹模量的变化值；3)其余各组试件分别进行多次冻融循环，且各组试件的冻融循环次数都不相同，检测各组试件冻融循环后在各级荷载下回弹模量的变化值；4)对数据进行处理，根据处理结果对粒料基层承载力的冻融稳定性进行评价。

3、根据权利要求2所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：试件制备方法为：1)在试筒底部铺设垫块，在垫块上铺设待测粒料，在最佳干密度和最佳含水量条件下，采用2000KN压力机按压实度98％将待测粒料静压成型；2)在试筒顶部铺设滤纸，再套上透水筛；将试筒倒置并取出垫块，在待测粒料表面铺设滤纸后放上透水板，试件制备完毕。

4、根据权利要求3所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：试筒尺寸为D×H＝152mm×170mm；垫块和透水板的外径与试筒内径匹配，透水筛内径与试筒外径匹配。

5、根据权利要求2所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：冻融循环的方法为：将试件1)在水中浸泡20-30小时，2)在40℃～0℃条件下冰冻10-20小时，3)然后再放入水中浸泡6-10小时；进行多次冻融循环时将步骤1)至3)重复多次；最后一次冻融循环过程中，步骤1)和3)在水中浸泡的时间相同均为20～30小时。

6、根据权利要求5所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：多次冻融循环的次数不低于5次，且各组试件的冻融循环次数的差值不低于5。

7、根据权利要求2所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：粒料材料每个级配制备9个试件，按数量将其平均分为3组，其中一组不经冻融循环，直接检测试件在各级荷载下回弹模量的变化值；其余2组分别进行5次和10次冻融循环后，检测试件在各级荷载下回弹模量的变化值。

8、根据权利要求2所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：数据处理包括：采用线性回归方法计算单个试件的土基回弹模量值；分别计算冻融、未冻融情况下试件的土基回弹模量平均值；

9、根据权利要求8所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：计算单个试件土基回弹模量值的步骤如下：

1)对试件进行逐级加载卸载，根据下式计算试件在每级荷载下对应的回弹变形l，

l＝加载时读数-卸载后读数

2)根据步骤1)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，绘制p-l曲线；如p-l曲线起始部分出现反弯，则按规范对原点O和曲线起始部分进行修正，O′是修正后的原点。

3)根据下式计算每级荷载下的回弹模量E_i：

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

式中：E_i为各级荷载条件下对应的土基回弹模量(MPa)；i为加荷级数的序数；

p为承载板压力(MPa)；

D为承载板直径(mm)；

l为该级荷载作用下的回弹变形(mm)；

μ₀为粒料混合料的泊松比，取

为内摩擦角。

4)采用线性回归方法对各级荷载下与加载级数对应的回弹变形l_i进行线性回归，并根据下式计算土基回弹模量E₀，

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

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

l_i为各级荷载条件下单位压力对应的回弹变形(mm)；

p_i为对应于l_i的承载板压力值(MPa)；

5)重复步骤1)至4)，将每个试件对应的土基回弹模量E₀都计算出来；

10、根据权利要求8所述的粒料基层承载力冻融稳定性试验方法，其特征在于：根据下式计算经冻融循环后的所有试件的土基回弹模量平均值和未经冻融的所有试件的土基回弹模量平均值E₀，

E₀＝E₀-Z_a×S_n-1

式中：E₀为土基回弹模量(MPa)；

E₀土基回弹模量平均值(MPa)；

S_n-1为标准差(MPa)；

Z_a为标准正态分布表中随保证率而变的系数，高速公路、一级公路上应取保证率95％，此时Z_a＝1.645，其它公路取保证率90％，即Z_a＝1.282；

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