CN102095682A - 道路结构抗剪强度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路结构抗剪强度测试方法，包括(1)根据实际路面结构成型试件；(2)根据现场气候条件确定试验温度；(3)根据接触面深度确定竖向加载值；(4)设定试验参数进行剪切试验；(5)根据试验曲线评价层间抗剪性能。本发明的方法是以GF多功能层间力测试仪为平台，在现有试验方法的基础上，提出了新的试验参数和相关的评价指标，本试验方法可以用来评价水稳碎石与沥青混合料、沥青混合料下面层与上面层、桥面铺装等大多数道路结构的层间抗剪性能，既可以用于室内新制试件，也可以用于不同使用年限的现场钻芯试件，试件成型方法包括旋转压实法、车辙板钻芯取样、击实法等多种方式。

Description

道路结构抗剪强度测试方法

技术领域：

本发明属于测试领域，涉及一种道路结构抗剪强度测试方法，尤其是一种使用测试仪器的道路结构抗剪强度测试方法.

背景技术：

一般的路面破坏行为有剪切破坏、拉伸破坏和扭转破坏三种。通常的层间试验均是基于这三种基本的破坏行为而设计的。国内外对与道路层间性能的试验仪器有多种，有些仪器精度太低，有些在试验操作上不太方便，还有些因为价格昂贵无法得到普及，本仪器总结同类型产品的优缺点，能够满足大多数同领域的试验内容，操作简单易行，其试模尺寸能够满足大多数道路用试件，且价格上具有很大优势。

佛罗里达州公路运输部于2003年开发了一种评估粘结层强度的测试方法，试验使用了标准马歇尔稳定度试验机，作为对该仪器的二次开发，试验对稳定度试验仪作出了一些改进，增大了抗剪切面积，以减小试验数据的不稳定性。试验过程中存在剪涨变形作用。

扭矩粘结试验最初为瑞典发明的一种用来测试现场层间粘结强度的方法，它将压板与粘层紧密接触，并施加一定时间的荷载作用，在通过拉拔试验来评价粘结层的粘结效果。

法国J Rosier与荷兰Delf大学自行开发设计了模拟剪切型破坏的疲劳试验机，可以模拟路面拉裂和剪裂的联合作用。

西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚科技大学提出了一种LCB剪切试验机，在建成的路面，以及实验室制作试模中分别取芯，通过对试件的剪切试验比较二者的抗剪效应。

美国SHRP公路计划开发的测定路面夹层抗剪性能和抗疲劳性能的试验机，该仪器可以使用不同高度的试件，可以同时测量试件上下表明的应变，具有较高的测试精度，并能实现较高频率的横向加载。

长安大学研制的“DLG-A”剪切试验仪，剪切时将试件轴向同竖直方向成45°角，在竖向进行加载，观察试件层间破坏状况。这样在施加一个荷载力的情况下就可以使试件同时受到水平和竖直方向上的作用力，能测得剪切过程中的最大荷载。

目前现有的层间试验方法多采用试件破坏时的抗剪强度作为评价指标，这样忽略了剪切过程中，层间接触状态已经发生变化，同时由于仪器的限制，破坏时的抗剪强度也并非能反映真实的路面受力情况。

发明内容：

本发明的方法是以GF多功能层间力测试仪为平台，在现有试验方法的基础上，提出了新的试验参数和相关的评价指标，本试验方法可以用来评价大多数路面结构的层间抗剪性能，既可以用于室内新制试件，也可以用于不同使用期限的现场钻芯试件。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种道路结构抗剪强度测试方法，包括下述步骤：

(1)根据实际路面结构成型试件；

(2)根据现场气候条件确定试验温度；

(3)根据接触面深度确定竖向加载值；

(4)设定试验参数进行剪切试验；

(5)根据试验曲线评价层间抗剪性能。

所述试件是直径150mm的圆柱体，通过击实、旋转压实和钻芯取样的方法得到，上下层结构的厚度均为6cm。

所述试验温度是常温试验温度和高温试验温度，其中常温试验温度为23-27℃，高温试验温度为43-57℃。

所述剪切试验中的剪切速率为1-1.4mm/min

本发明的方法是以GF多功能层间力测试仪为平台，在现有试验方法的基础上，提出了新的试验参数和相关的评价指标，本试验方法可以用来评价大多数路面结构的层间抗剪性能，既可以用于室内新制试件，也可以用于不同使用期限的现场钻芯试件。

附图说明：

图1为本发明的测试方法示意图；

图2为本发明的荷载中心下方不同深度处压应力值示意图；

图3为本发明的粘层剪切试验荷载-变形曲线图；

图4为GF多功能道路层间力试验机外部构造示意图；

图5为剪切过程示意图。

其中：1为调节竖向液压缸高度的立柱；2为竖向荷载液压缸；3为水平荷载的液压缸；4为电热设备；5为温控仪表；6为竖向液压缸配套控制系统；7为水平液压缸配套的控制系统；8为微机伺服控制系统；9为液压源。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，一种道路结构抗剪强度测试方法，包括下述步骤：

(1)根据实际路面结构成型试件；

(2)根据现场气候条件确定试验温度；

(3)根据接触面深度确定竖向加载值；

(4)设定试验参数进行剪切试验；

(5)根据试验曲线评价层间抗剪性能。

所述试件是直径150mm的圆柱体，通过击实、旋转压实和钻芯取样的方法得到，上下层结构的厚度为4-8cm。

所述试验温度是常温试验温度和高温试验温度，其中常温试验温度为23-27℃，高温试验温度为43-57℃。

所述剪切试验中的剪切速率为1-1.4mm/min

本仪器可实现的主要试验项目包括：直剪试验、拉拔试验、疲劳试验等。动力源为计算机液压伺服系统控制，具有较高的精确度，各个参数通过操作软件输入，自动生成试验报告，配套模具在使用过程中也相当方便，能够适用于多种尺寸、多种方式成型的试件，满足不同客户群体的要求。

仪器的主体部分如图4所示，包括可以调节温度的环境箱，分别产生水平荷载和竖向荷载的液压伺服动力系统，电信号处理设备，计算机数据处理软件，以及适用于不同试验的多种模具；所述环境箱上部设置有竖向液压缸，可控制竖向传力杆作上下往返运动；所述环境箱外侧面设置有水平液压缸，可控制水平传力杆作水平往返运动。

试验温度：试验温度是沥青混合料设计中的重要因素，层间粘结的性能很大程度上取决于温度的高低，为了简化试验过程，根据现有的试验数据，可以将试验温度定为25℃和45℃，分别作为常温和高温下的代表温度。

在高温季节里，路面实际温度会达到50℃以上。为了能够准确评价一些极限条件下路面结构抗剪性能，必须使得模拟试验温度最大程度的符合现场实际情况。美国战略公路研究项目SHRP为计算一年中最热的7d高温平均值，建立了以下热平衡式：

$422a{\mathrm{\γ}}_a^{1/\cos Z}\cos Z+0.7\mathrm{\σ}{T}_a^4-90k-h_c(T_s-T_a)-\mathrm{\ϵ\σ}{T}_s^4=0---\left(1.1\right)$

式中：Z——太阳角度，纬度22°以上时为纬度减去20°；

γ_a——空气热传导因素，晴天为0.81，阴天为0.62；

a——太阳光吸收率为0.90；

σ——波茨曼常数，0.174×10^-8Btu/(h·ft^2R4)；

h_c——热交换表面常数，3.5Btu/h·ft²F；

k——热传导率，0.8Btu/h·ft²F；

ε——表面辐射能为0.9；

T_a——最高气温(°R，°R＝°C+273)；

T_s——最高路表温度(°R)。

路表温度与空气温度的换算，可通过纬度建立如下关系：

T_surf＝T_air-0.00618L_at ²+0.2289L_at+24.4    (1.2)

 式中：T_surf——路表温度(℃)；

T_air——空气温度(℃)；

L_at——现场所处的纬度(°)。

由于试验均为层间接触面或夹层的力学特性，因此有必要根据现场实测数据计算出层间接触面深度处的温度情况，可以根据以下公式计算得到：

T_d＝T_surf×(1-0.063×d+0.007×d²-0.0004×d³)    (1.3)

式中：T_surf——路表温度(℃)；

T_d——路表以下特定深度处的温度(℃)；

d——路表以下特定深度(inch)。

将利用公式得到的路表下特定深度的稳定，与利用LTTPBIND路面温度软件计算得到数据进行比较，发现软件计算得到结果大约比公式计算得到的结果小3℃，因此如果有条件搜集现场气候数据，建议采用和现场一致的试验温度。

按照标准轴载规定，轮胎与路面间的压强应为700。力在向下传递的过程中，会产生一定的扩散，点位深度不同，产生的竖向压力也不同，因此实际作用在层间上的压应力会小于700。通过计算可知，压应力的大小与以下三种参数相关：

点位深度：当被测点位处于地表以下越深，竖向压应力的值也会越小，下图为使用BISAR3.0软件计算得到，随深度增加竖向压应力的变化情况。

车辆荷载：随着车辆轮载的增加，作用于点位处的压应力值也会相应增大，越是接近路表，这种增大的效果越是明显。本文中只考虑了标准轴载作用下的受力情况，如果需要测定一些超重车辆通过路段的抗剪性能，可利用软件自行进行计算。

材料强度：上次结构层模量的大小，对压应力的传递会产生影响，其模量越大，则应力扩散现象越明显，传递至下方接触面上的压应力值越小。但从力学计算结果来看，该因素的影响很小，可以忽略不计。

在试验过程中，采用限制侧向变形的方法，压力无法向四周扩散，从理论上来讲试件内部的压应力是均匀传递的，而实际上载试件发生剪切变形的过程中，会发生体积膨胀，由于径向的变形受到限制，竖向压强会急剧增大，一般低温条件下进行剪切时，试件的剪胀作用比较明显，竖向荷载的变化值较大，而高温情况下剪胀作用较小。为了达到和现场类似的加载条件，在计算不同深度接触面上抗剪强度时，采取的竖向加载大小也是有差异的。为了统一试验规程，在选取室内试验中竖向加载值时，应根据实际接触面的深度，按下表进行：

表1竖向加载压强值

竖向加载：一般的有侧限剪切试验均会碰到这样一个现象，在剪切试验过程进行的同时，沥青混合料受到外力作用发生膨胀变形，以此来释放内部的能量，而竖向液压缸内液压油来不及回流，会产生巨大的反作用力来限制其变形，通过竖向加载的电液伺服控制系统可以看到，加载值会有较明显的增加。

随着竖向压强的增大，层间摩阻力会发生相应的提高，从外部表现出抗剪强度提高。这与实际的路面结构响应类型是不同的，现实中车辆荷载的加载方式应当是半正弦波形式，由于侧向压力较小，剪胀作用会发生在轮胎与路表接触面之外，这是路面造成壅包破坏的根本原因。因此试件破坏时的竖向压强远远大于真实路面结构受到的压强，而此时的抗剪强度很大程度上是由于竖向压强升高而引起层间摩阻力增大。

通过试验可以得到荷载-变形曲线通过观察曲线的变化趋势，可以反映出层间接触状态的情况。如图所示，前期两条曲线一致性较好，说明此时层间接触状态较好，随着变形的继续增大，剪胀作用愈加明显，竖向压强开始增大，当变形到达0.3mm的时候，开始发生分离，层间状态完全破坏，抗剪强度开始下降。

按照上述试验步骤，通过调整混合料级配、层间粘结料类型和撒布率，可以确定合适的层间接触状态，从而达到最佳的道路结构抗剪性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种道路结构抗剪强度测试方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据实际路面结构成型试件；

(2)根据现场气候条件确定试验温度；

(3)根据接触面深度确定竖向加载值；

(4)设定试验参数进行剪切试验；

(5)根据试验曲线评价层间抗剪性能。

2.如权利要求1所述一种道路结构抗剪强度测试方法，其特征在于：所述试件是直径150mm的圆柱体，上下两层的厚度均为6cm，通过击实、旋转压实、静压、钻芯取样的方法成型PCC+AC结构、AC+AC结构以及CTB+AC结构，其中CTB+AC结构需通过静压法成型。

3.如权利要求1所述一种道路结构抗剪强度测试方法，其特征在于：所述试验温度是常温试验温度和高温试验温度，其中常温试验温度为23-27℃，高温试验温度为43-57℃；并根据各地区的气候以及路面结构情况，使用相关公式计算得到所需的试验温度。

4.如权利要求1所述一种道路结构抗剪强度测试方法，其特征在于：所述剪切试验中的剪切速率为1-1.4mm/min。

5.如权利要求1所述一种道路结构抗剪强度测试方法，其特征在于：运用多功能层间力测试仪在计算机上直接得到荷载-时间、荷载-变形曲线，在评价试验结果时，应考虑以下三点：(1)结构破坏时的最大抗剪强度，该值越大，说明层间的抗剪性能越好；(2)荷载-变形曲线的斜率，该斜率越大，说明结构的抗剪性能越好；(3)试件发生破坏时的最大变形，该变形值越大，说明道路结构在剪切作用下的自我恢复能力越好。

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