CN104749041A - 一种沥青路面强度校核方法 - Google Patents

Abstract

一种沥青路面强度校核方法，所述方法基于沥青混合料三轴试验系统及方法进行平面等压/轴向压缩、平面等压/轴向拉伸、平面拉压、平面受压/轴向压缩、平面拉压/轴向压缩、平面拉压/轴向拉伸和平面不等压/轴向压缩试验，得到沥青混合料多轴强度试验结果，根据复杂应力状态下沥青混合料破坏准则进行沥青路面强度校核的新方法，解决了现有一维强度理论不能客观反映路面结构的破坏特征和抗力的问题，提高了沥青路面设计的精细化水平。

Description

一种沥青路面强度校核方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，特别涉及一种沥青路面强度校核方法。

技术背景

沥青路面具有舒适、安全、施工与养护维修简便、开放交通快等优点，被广泛用作现代公路的路面材料。至2014年底，我国已建成通车高速公路里程突破10万公里，居世界第二位，其中90％以上为沥青路面。按照发展规划，未来两年，我国高速公路总里程有望超过美国，成为世界第一；此后十几年内还要新建数万公里高速公路和百万公里普通公路。在高等级公路沥青路面的施工建设过程中，道路工作者解决了大量的技术难题、积累了丰富的实践经验。但从近年来已投入运营的沥青路面使用状况来看，许多沥青路面结构未达到设计寿命，便出现了不同程度的病害，造成了巨大的经济损失。在研究这些问题时，对沥青路面结构进行强度校核是基础。目前，我国沥青路面设计以最大拉应力强度理论作为破坏准则，不能客观反映路面的破坏特征；普通的拉、压、弯和劈裂等简单应力状态下的强度不能客观表征沥青混合料的抗力；实际路面在轮载作用下处于三维应力状态，一维强度理论不能真实反映结构的抗力，无法考虑各破坏因素之间的协同作用。因此，有必要通过复杂应力试验建立沥青混合料的破坏准则，并提出相应的沥青路面强度校核方法，为沥青路面设计提供科学依据。

发明内容

基于以上技术问题，本发明公开了一种沥青路面强度校核方法，所述方法基于沥青混合料三轴试验系统，具体步骤如下：

S100.对沥青路面结构进行力学分析：计算出沥青路面危险点位的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L；根据 ${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2},$ 计算出危险点位等倾面上的等效应力；

S200.对沥青路面材料进行室内试验：

S201、按上述沥青路面的级配成型沥青混合料或对上述沥青路面钻芯取样，然后采用三轴试验系统对所述沥青混合料或钻芯取样的样品进行测试，从而得到不同实验条件下样本的多轴强度试验结果σ₁、σ₂、σ₃。

S202、计算样本的八面体抗剪强度τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin⁶1.5θ；

S300.按照σ_i≤τ_oct(θ)/K进行强度校核，K为强度折减系数。

附图说明

图1中空圆柱体试件受力示意图；

图2等倾面上强度包络线形状(σ_oct为0.286MPa)。

具体实施方式

实际路面在轮载作用下处于三维复杂应力状态，我国沥青路面设计以最大拉应力强度理论作为破坏准则，显然，一维强度理论不能客观反映路面结构的破坏特征和抗力。此外，普通的拉、压、弯和劈裂等简单应力状态下的强度不能客观表征沥青混合料的抗力。因此，有必要通过三轴试验研究沥青混合料在复杂应力状态下的强度变化规律和破坏准则。然而，受到试验条件的限制，国内外鲜有关于沥青混合料破坏准则的研究成果，也就难以在三维应力状态下进行沥青路面强度校核，影响着沥青路面设计的水平。

所述方法基于沥青混合料三轴试验系统，具体步骤如下：

S100.对沥青路面结构进行力学分析：计算出沥青路面危险点位的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L；根据 ${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2},$ 计算出危险点位等倾面上的等效应力；

S200.对沥青路面材料进行室内试验：

S201、按上述沥青路面的级配成型沥青混合料或对上述沥青路面钻芯取样，然后采用三轴试验系统对所述沥青混合料或钻芯取样的样品进行测试，从而得到不同实验条件下样本的多轴强度试验结果σ₁、σ₂、σ₃。

S202、计算样本的八面体抗剪强度τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin⁶1.5θ；

S300.按照σ_i≤τ_oct(θ)/K进行强度校核，K为强度折减系数。

在本发明进一步地实施方案中，步骤S202中，τ_oct(θ)通过以下步骤计算获得：

对σ₁、σ₂、σ₃的试验结果进行回归，计算出拉、压子午线上的八面体剪应力τ_ot和τ_oc的回归公式：

$\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ot}}}{f_c}=a-b\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}-c{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}\right)}^2;$

$\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oc}}}{f_c}=a_1-b_1\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}-c_1{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}\right)}^2;$

上式中：τ_ot为θ＝0°的τ_oct；τ_oc为θ＝60°的τ_oct；

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2}$

2)计算出步骤a中沥青混合料样本的Lode角

式中： ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2};$

3)将步骤a中得到的σ_1L、σ_2L、σ_3L代入步骤1)的回归公式，并结合步骤2)，计算出步骤a中路面沥青混合料样本的八面体抗剪强度：

τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin⁶1.5θ

在以上公式中：f_c为沥青混合料的单轴抗压强度。

所述不同的实验条件分别为平面等压/轴向压缩、平面等压/轴向拉伸、平面拉压、平面受压/轴向压缩、平面拉压/轴向压缩、平面拉压/轴向拉伸及平面不等压/轴向压缩试验；在优选的实施方案中，优选进行平面等压/轴向拉伸、平面等压/轴向压缩和平面拉压/轴向拉伸试验；这是因为这三种试验条件分别对应拉子午线、压子午线和等倾面上的强度包络线，且平面拉压/轴向拉伸试验的受力状况与路面实际受力状态比较接近。

所述三轴试验系统为沥青混合料三轴试验系统；所述沥青混合料三轴试验系统主要由材料试验机、气囊组件、气压控制系统及数据采集系统组成；气囊组件包括内气囊组件和外气囊组件。

所述沥青混合料三轴试验系统的实验条件为：试件为圆柱体沥青混合料试件，试件静压成型或旋转压实成型后，对试件钻取芯样，得到空心圆柱体试件；实验的轴向加载速度、试验温度可控；试验前，需将试件放入温控箱内保温6小时以上；并在试件表面涂抹润滑油、加垫塑料薄膜减摩垫层减小摩擦；沥青混合料三轴试验方法是对空心圆柱体试件的内圆柱表面和外圆柱表面分别施加气压，对试件的上、下表面施加轴向荷载，使试件内表面最先在轴向应力、径向应力和环向应力的共同作用下发生破坏的试验方法。

所述沥青混合料三轴试验系统的加载方式为先通过气囊对试件表面施加恒定的气压，然后用MTS试验机对试件表面施加轴向荷载，直至试件破坏。

所述沥青混合料三轴试验系统进行实验时利用MTS材料试验机提供轴向荷载。

在本发明中，所述强度折减系数K既可进行试验通过计算可到；也可以当作一个安全系数，按经验取值。在本发明中除非特别说明，所述K值均为1。

在本发明中，步骤1对沥青路面的危险点位分析通过以下方法进行：按照公路沥青路面设计规范中的规定，采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论对路面结构进行力学响应分析，计算得到沥青路面各点的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L；根据 ${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2},$ 计算出等效应力，等效应力σ_i数值较大的点位为危险点位。

由于采用以上技术方案，本发明具有以下有益的技术效果：

提出了根据复杂应力状态下沥青混合料的破坏准则进行沥青路面强度校核(设计)新方法，突破了一维强度理论不能客观反映路面结构的破坏特征和抗力、不能考虑各破坏因素之间协同作用的问题，提高了设计的精细化水平。

实施例1

步骤a.对典型沥青路面结构进行力学分析，按照公路沥青路面设计规范中的规定，采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论对路面结构进行力学响应计算，得到沥青路面危险点位的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L分别为-0.278MPa、-0.443MPa、-0.682MPa；根据 ${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2},$ 计算出危险点位等倾面上的等效应力为0.352MPa。

步骤b.进行室内试验，得到沥青路面材料的抗力模型：

(1)沥青混合料三轴试验系统主要由材料试验机、气囊组件、气压控制系统及数据采集系统组成；气囊组件包括内气囊组件和外气囊组件；所述沥青混合料三轴试验系统的实验条件为：试件为AC13+SBS圆柱体沥青混合料试件(其与路面沥青材料级配相同；或直接钻芯取样)，试件静压成型或旋转压实成型后，对试件钻取芯样，得到空心圆柱体试件；实验的轴向荷载加载速度、试验温度可控；试验前，需将试件放入温控箱内保温6小时以上；并在试件表面涂抹润滑油、加垫塑料薄膜减摩垫层减小摩擦；本次试验采用的试件是外径R为100mm、内径r为20mm，高为100mm的空心圆柱体试件；实验的加载速度为2mm/min；实验温度为15℃。

(2)沥青混合料三轴试验方法是对空心圆柱体试件的内表面和外圆柱表面分别施加气压，对试件的上、下表面施加轴向荷载，使试件内表面最先在轴向应力、径向应力和环向应力的共同作用下发生破坏的试验方法。如图1所示，中空圆柱体试件内表面和外表面承受的气压分别为P_r和P_R，试件上表面受到轴向荷载P的作用。由弹性力学可知，内半径为r、外半径为R、横截面积为A的中空圆柱体，在距试件中心ρ处，受到的径向应力σ_ρ、环向应力和轴向应力σ_z分别为：

径向应力： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ρ}}=\frac{\frac{R^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}-1}{\frac{R^2}{r^2}-1}{P}_r-\frac{1-\frac{r^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}}{1-\frac{r^2}{R^2}}{P}_R$

环向应力：

轴向应力： ${\mathrm{\σ}}_z=\frac{P}{A}$

试件内表面的边界条件为(σ_ρ)_ρ＝r＝-P_r，外表面的边界条件为(σ_ρ)_ρ＝R＝-P_R。空心圆柱体试件受到的轴向应力σ_z、径向应力σ_ρ和环向应力即为三个主应力，按大小顺序排列即为σ₁、σ₂、σ₃。改变内气压和外气压的大小，能在试件内部形成不同的应力场，实现平面等压/轴向压缩、平面等压/轴向拉伸、平面拉压、平面受压/轴向压缩、平面拉压/轴向压缩、平面拉压/轴向拉伸及平面不等压/轴向压缩应力状态，当试件发生破坏时，记录气压数据并计算σ₁、σ₂、σ₃。

(3)进行各种受力状态下的强度试验，得到相应的试验结果。下面列举平面等压/轴向压缩、平面等压/轴向拉伸、平面拉压/轴向拉伸试验结果：

表1沥青混合料极限强度数据结果

在上述试验中，σ₂和σ₃根据沥青混合料的具体情况确定，根据对我国多种沥青混合料的综合考察，本发明优选取表1中数值。

(4)根据步骤3的结果，得到拉子午线和压子午线的回归公式：

拉子午线

压子午线

式中： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3);$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2};$

f_c为沥青混合料单轴抗压强度，由公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的沥青混合料单轴压缩试验获得。

将σ_1L、σ_2L、σ_3L代入上述回归式中，按照下述方法计算τ_oct(θ)，危险点位τ_oct(θ)的值为1.396MPa.

等倾面上的强度包络线τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin⁶1.5θ；

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{2{\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L}}{3\sqrt{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}};$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\σ}}_{1L}+{\mathrm{\σ}}_{2L}+{\mathrm{\σ}}_{3L}).$

拉、压子午线和等倾面上强度包络线的形状分别如图2所示。

3.按照σ_i≤τ_oct(θ)/K进行强度校核，K为1。按照本领域常规计算方法，实施例中危险点位等倾面上的等效应力σ_i为0.352Mpa，而根据本发明的校核方法，实际上路面结构这一位置的八面体上的抗剪强度τ_oct(θ)为1.396MPa，在车辆重复荷载作用下，该点最容易发生破坏。在后续的测试中发现该沥青路面在实施例1计算得到的危险点位上最先发生了破坏。

而在现有技术中，采用最大拉应力强度理论进行校核。按照这种方法，沥青混合料的单轴抗拉强度为0.952Mpa，沥青路面结构内部σ_1L、σ_2L、σ_3L分别为-0.278Mpa、-0.443MPa、-0.682MPa的位置不存在主拉应力，因此，该位置不会发生破坏。实际上，路面结构在这种受力状态下已经发生了破坏。显然，现有技术是不科学的。

由此可见，本发明的沥青路面强度校核方法较为准确。

Claims (7)

1.一种沥青路面强度校核方法，所述方法基于沥青混合料三轴试验系统，具体步骤如下：

S100.对沥青路面结构进行力学分析：计算出沥青路面危险点位的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L；根据 ${\mathrm{\σ}}_i=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2},$ 计算出危险点位等倾面上的等效应力；

S200.对沥青路面材料进行室内试验：

S201、按上述沥青路面的级配成型沥青混合料或对上述沥青路面钻芯取样，然后采用三轴试验系统对所述沥青混合料或钻芯取样的样品进行测试，从而得到不同实验条件样本的多轴强度试验结果σ₁、σ₂、σ₃；

S202、计算样本的八面体抗剪强度τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin^λmθ；

S300.按照σ_i≤τ_oct(θ)/K进行强度校核，K为强度折减系数。

2.根据权利要求1所述的校核方法，其特征在于，优选的，步骤S202中，τ_oct(θ)通过以下步骤计算获得：

1)对σ₁、σ₂、σ₃的试验结果进行回归，计算出拉、压子午线上的八面体剪应力τ_ot和τ_oc的回归公式：

$\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ot}}}{f_c}=a-b\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}-c{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}\right)}^2;$

$\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oc}}}{f_c}=a_1-b_1\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}-c_1{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}}{f_c}\right)}^2;$

上式中：τ_ot为θ＝0°的τ_oct；τ_oc为θ＝60°的τ_oct；f_c为沥青混合料的单轴抗压强度；

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2}$

2)计算出步骤a中沥青混合料样本的Lode角

式中： ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{1L}-{\mathrm{\σ}}_{2L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{2L}-{\mathrm{\σ}}_{3L})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{3L}-{\mathrm{\σ}}_{1L})}^2};$

3)将步骤a中得到的σ_1L、σ_2L、σ_3L代入步骤1)的回归公式，并结合步骤2)，计算出步骤a中路面沥青混合料样本的八面体抗剪强度：

τ_oct(θ)＝τ_ot-(τ_ot-τ_oc)sin⁶1.5θ。

3.根据权利要求1所述的校核方法，其特征在于，所述不同的实验条件分别为平面等压/轴向压缩、平面等压/轴向拉伸、平面拉压、平面受压/轴向压缩、平面拉压/轴向压缩、平面拉压/轴向拉伸及平面不等压/轴向压缩试验。

4.根据权利要求3所述的校核方法，其特征在于，所述不同的实验条件优选进行平面等压/轴向拉伸、平面等压/轴向压缩和平面拉压/轴向拉伸试验。

5.根据权利要求1所述的校核方法，其特征在于，所述沥青混合料三轴试验系统主要由材料试验机、气囊组件、气压控制系统及数据采集系统组成；气囊组件包括内气囊组件和外气囊组件。

6.根据权利要求3-5任一所述的校核方法，其特征在于，所述沥青混合料三轴试验系统的实验条件为：试件为圆柱体沥青混合料试件，试件静压成型或旋转压实成型后，对试件钻取芯样，得到空心圆柱体试件；实验的轴向加载速度、试验温度可控；试验前，需将试件放入温控箱内保温6小时以上；并在试件表面涂抹润滑油、加垫塑料薄膜减摩垫层减小摩擦；沥青混合料三轴试验方法是对空心圆柱体试件的内圆柱表面和外圆柱表面分别施加气压，对试件的上、下表面施加轴向荷载，使试件内表面最先在轴向应力、径向应力和环向应力的共同作用下发生破坏的试验方法。

7.根据权利要求6所述的校核方法，其特征在于，所述沥青混合料三轴试验系统的加载方式为先通过气囊对试件表面施加恒定的气压，然后用MTS试验机对试件表面施加轴向荷载，直至试件破坏。