CN108318323A - 一种基于pdi指标的级配碎石塑性变形性能控制方法 - Google Patents

一种基于pdi指标的级配碎石塑性变形性能控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，包括以下步骤：首先，根据试模体积、最大干密度和最佳含水率配制级配碎石混合料，拌匀后装入试模，采用轮碾仪对试模内的级配碎石混合料进行碾压，直至与试模同高，形成级配碎石试件；然后，将级配碎石试件连同试模放置于试验台上进行塑性变形试验，每隔10min记录一次塑性变形量；最后，利用基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能评价模型计算出PDI指标大小；并按高速、一级公路和二级公路分别制定级配碎石塑性变形性能控制标准。本发明试验过程操作容易，数据采集方便，能够更为合理地指导级配碎石的材料设计和施工质量控制。

Description

一种基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法
技术领域
本发明属于公路工程领域，具体为一种基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法。
背景技术
级配碎石是一种取材容易、造价低廉的路用材料，早期常用于低等级公路的路面基层，目前也用于高等级公路的路面结构中，设置于沥青面层与半刚性基层之间。
级配碎石基层与半刚性基层一起形成组合式基层，起到过渡层作用，用以抑制半刚性基层收缩裂缝引起的沥青面层反射裂缝。级配碎石属颗粒材料，易产生塑性变形，其破坏也主要由塑性变形过大引起的，控制其变形是级配碎石应用的关键。目前仅采用加州承载比CBR值单一指标来控制级配碎石性能，但CBR值表征的是级配碎石抵抗局部荷载压入变形的能力，反映级配碎石的承载能力，难以合理对其变形性能进行评价和控制。因此需制定级配碎石塑性变形性能控制标准，用于指导材料设计和施工质量控制。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，以级配碎石塑性变形指数PDI为指标，简单、方便地对级配碎石的塑性变形性能作出定量评价，进而更为合理地指导级配碎石的材料设计和施工质量控制。
为了实现上述目的，本发明基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法包括：
首先，根据试模体积、最大干密度和最佳含水率配制级配碎石混合料，拌匀后装入试模，采用轮碾仪对试模内的级配碎石混合料进行碾压，直至与试模同高，形成级配碎石试件；
然后，将级配碎石试件连同试模放置于试验台上进行塑性变形试验，每隔10min记录一次塑性变形量，即记录第10min、20min、30min、40min、50min和60min的塑性变形量，分别记为d10、d20、d30、d40、d50和d60，其中d10＝0；
最后，利用基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能评价模型计算出PDI大小；
所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能评价模型以塑性变形指数PDI为评价指标，定义为级配碎石塑性变形曲线与荷载作用次数轴所围的面积，亦即级配碎石塑性变形曲线和时间轴所围面积与试验轮往返行走速度的乘积；近似梯形面积法的计算表达式如下：
PDI＝(d10/2+d20+d30+d40+d50+d60/2)×Δt×Nd (1)
式中：PDI为塑性变形指数,mm·次；
d10、d20、d30、d40、d50、d60为级配碎石分别在第10min、20min、30min、40min、50min、60min的塑性变形量；
Δt为塑性变形量记录间隔时间，min；
Nd为试验轮往返行走速度，次/min；
按高速、一级公路和二级公路分别制定级配碎石塑性变形性能控制标准。
对于高速公路或者一级公路的PDI值≤1900mm·次，对于二级公路的PDI值≤2200mm·次。
制定控制标准时对级配碎石塑性变形进行预估，级配碎石基层塑性变形预估模型为：
式中：d为级配碎石基层塑性变形量，mm；
di为级配碎石基层第i分层的塑性变形量，mm；
hi为级配碎石基层第i分层厚度，mm；
d60为试验轮轮压0.7MPa下级配碎石第60min的塑性变形量，mm；
pi为级配碎石基层第i分层层中竖向压应力，MPa；
ps为试验轮轮压，ps＝0.7MPa；
N为作用于级配碎石基层的当量轴次，次。
所述试模的内侧尺寸长度为300mm、宽度为300mm、厚度为100mm。
所述级配碎石试件的密度为最大干密度的100％±1％。
进行塑性变形试验时，将试验轮置于级配碎石试件的中央部位，其行走方向与级配碎石试件的碾压方向一致，试验持续60min，其中前10min为预压，后50min为正式试验。
塑性变形试验在塑性变形试验机中进行，塑性变形试验机的设定参数为：
试验轮行走距离为230mm±10mm、试验轮往返行走速度为42次/min±1次/min；试验轮的轮压为0.7MPa±0.05MPa；试验轮往返行走时间为60min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：以塑性变形指数PDI作为评价指标，综合考虑了级配碎石试件在塑性变形试验中多个时刻的塑性变形情况，反映了级配碎石在荷载作用下的塑性变形发展趋势，能够准确地对级配碎石的塑性变形性能进行评价。通过塑性变形试验，记录规定时刻级配碎石的塑性变形量，然后计算其塑性变形指数PDI，根据此指标是否符合级配碎石塑性变形性能控制标准的要求，以此来指导级配碎石材料设计和施工质量控制。本发明试验过程操作容易，数据采集方便，塑性变形指数PDI概念清晰、直观、计算简单，能够更为合理地指导级配碎石的材料设计和施工质量控制。
附图说明
图1本发明塑性变形指数PDI按作用次数定义图；
图2本发明塑性变形指数PDI按作用时间定义图；
图3本发明塑性变形指数PDI近似梯形面积计算示意图。
图4组合式基层沥青路面结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
级配碎石塑性变形性能控制标准的制定；总体思路为：以塑性变形试验和塑性变形预估模型为基础，以4％的级配碎石塑性应变为破坏标准，通过级配碎石基层的受力状况分析，确定级配碎石基层在累计当量轴次作用下，达到破坏的塑性变形量，并推算不同公路等级对级配碎石的塑性变形指数PDI的要求，以此制定级配碎石的塑性变形性能控制标准。
1.级配碎石基层压应力计算；
(1)典型路面结构选取；
本实施例主要考虑组合式基层沥青路面结构，即半刚性底基层+级配碎石基层沥青路面，如图4所示，相应的基本计算参数如表2所示。
表2 路面结构基本计算参数
注：①结构A、B主要可适用于二级公路，结构C、D、E、F主要适用于一级公路、高速公路；
②半刚性底基层厚度，以设计弯沉为指标，根据累计当量轴次按规范方法计算确定。
半刚性底基层的厚度与累计当量轴次有关，各路面结构适应的公路等级和累计当量轴次如表3所示。将各结构适宜的累计当量轴次分为三档，进而以设计弯沉为指标，根据累计当量轴次按规范方法确定半刚性底基层的厚度，结果如表3所示。
表3 设计弯沉值和底基层厚度
(2)级配碎石基层竖向压应力计算
塑性变形主要由竖向压应力p引起，为此以下仅计算级配碎石基层的竖向压应力p。根据三档累计当量轴次确定的底基层厚度，同时考虑面层厚度和基层模量变异性的影响，将其分为三档。然后计算各路面结构的级配碎石基层竖向压应力p，结果从略。
2.级配碎石基层塑性变形量计算；
计算级配碎石基层塑性变形量，并由此推算级配碎石的塑性变形指数PDI要求，为建立级配碎石的塑性变形性能控制标准提供依据。
(1)计算级配碎石基层发生塑性变形破坏时的塑性变形量；
级配碎石基层发生塑性变形破坏时的塑性变形量，按式(3)计算，
dPH,p＝εPHp,·h (3)
式中：dPH,p为级配碎石发生塑性变形破坏时的塑性变形量，mm；
εPH,p为级配碎石塑性破坏应变。结合国内外研究成果，取εPH,p＝4％；
h为级配碎石基层厚度，mm。
各路面结构级配碎石基层发生塑性破坏时的塑性变形量如表4所示。
表4 各结构级配碎石基层厚度对应的dPH,p值(mm)
结构 结构A 结构B 结构C 结构D 结构E 结构F
级配碎石基层厚度h(cm) 15 15 18 18 18 20
破坏变形量dPHp(mm) 6 6 7.2 7.2 7.2 8
(2)计算级配碎石基层破坏时对应的d60,p；
根据式(1)，计算塑性变形指数PDI采用的是塑性变形试验中试验轮轮压ps(0.7MPa)下级配碎石前60min的塑性变形量数据，这说明对于实际路面结构，准确测定级配碎石基层达到破坏标准时前60min的塑性变形量是获取PDI值的关键。因此先按式(4)计算级配碎石基层达到破坏时对应的第60min的塑性变形量，记为d60,p(即当级配碎石基层在第60min的塑性变形量达到相应值时，则认为级配碎石基层发生破坏)，然后再换算为应力0.7MPa(相当于试验轮轮压ps)下第60min的塑性变形量需要说明的是记为d60(后文等同)。
dPH,p＝F(N)·d60p, (4)
F(N)＝0.02087·N0.315+(1.078×10-9·N+0.8341)(1-e-0.00122·N) (5)
F(N)是轴载作用次数的函数，各路面结构对应的F(N)值按式(5)计算，如表5所示。由表4、表5和式(4)，计算各路面结构级配碎石基层破坏时对应的d60,p，如表6所示。
表5 各路面结构对应的F(N)值
表6 各路面结构对应的d60,p值
(3)d60,p换算为应力0.7MPa(相当于试验轮轮压ps)下的d60；
由于塑性变形预估模型和塑性变形指数PDI是级配碎石在试验轮轮压ps下进行塑性变形试验建立的，且级配碎石基层在不同路面结构中受力状况各异，为了简化计算，按式(6)将d60,p换算为d60，结果如表7所示，表中仅列出结构A的结果。
表7 结构A的d60值
(4)计算与d60对应的规定时刻的塑性变形量；
将结构A、B、C、D、E、F对应的d60代入式(2)中计算规定时刻的塑性变形量d10、d20、d30、d40、d50、d60，其中N值分别取为0、420、840、1260、1680、2100，结果如表8所示，同样表中仅列出结构A的规定时刻的塑性变形量。
表8 结构A的不同时刻的塑性变形量d(mm)
3.级配碎石塑性变形性能控制标准建立；
根据各结构规定时刻的塑性变形量，按式(1)计算各结构对级配碎石的塑性变形指数PDI的要求，结果如表9～表14所示。
表9 结构A对PDI值(mm.次)的要求
表10 结构B对PDI值(mm.次)的要求
表11 结构C对PDI值(mm.次)的要求
表12 结构D对PDI值(mm.次)的要求
表13 结构E对PDI值(mm.次)的要求
表14 结构F对PDI值(mm.次)的要求
根据表9～表14六种路面结构对级配碎石的塑性变形指数PDI值的要求，应用数理统计方法，按高速、一级公路和二级公路，分别计算级配碎石塑性变形指数PDI值要求的平均值和标准差，然后计算其一定保证率下的代表值，结果如表15所示。
表15 PDI值的代表值
项目 二级公路 高速公路、一级公路
平均值(mm·次) 2714.0 2352.3
标准差(mm·次) 372.5 252.5
变异系数(％) 13.7 10.7
样本容量 54 108
保证率系数 1.35 1.65
代表值(mm·次) 2211.1 1935.7
将表15中的PDI代表值作适当的调整和取整处理后，作为级配碎石塑性变形性能控制标准，结果如表16所示。
表16 级配碎石PDI值标准
公路等级 高速、一级公路 二级公路
PDI(mm·次) ≤1900 ≤2200
实施例2
级配碎石塑性变形性能控制标准的应用；
经优化的级配碎石集料级配见表17，振动击实试验结果显示，最佳含水率为3.40％，最大干密度为2.47 g/cm3。
表17 集料级配
筛孔(mm) 31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
通过率(％) 100 64 47 36 28 17.5 7.5
1.试件成型；
试模内侧尺寸采用长为300mm、宽为300mm、厚为100mm，按试模体积、最大干密度和最佳含水率配制级配碎石混合料(实际用量一般应较计算用量多3％)，拌匀后装入试模，用轮碾仪对试模内的级配碎石混合料进行碾压，直至与试模同高，形成级配碎石试件，试件密度应为最大干密度的100％±1％。
2.塑性变形试验；
试验参数为：试验轮行走距离为230±10mm、试验轮往返行走速度为42次/min±1次/min；试验轮轮压为0.7MPa±0.05MPa；试验轮往返行走时间为60min。
将试件连同试模放置于试验台上进行塑性变形试验，试验轮位于试件的中央部位，其行走方向与试件碾压方向一致，试验持续60min，其中前10min为预压，后50min为正式试验，每隔10min记录塑性变形量，即记录第10min、20min、30min、40min、50min和60min的塑性变形量，分别记为d10、d20、d30、d40、d50和d60，其中d10＝0。结果见表18。
表18 各时刻级配碎石的塑性变形量
3.塑性变形指数PDI计算；
将表18中各规定时刻级配碎石的塑性变形量，分别代入式(1)中计算该级配碎石的塑性变形指数PDI，结果见表19。
表19 级配碎石的PDI计算结果
4.塑性变形性能评价；
由表19可知，该级配碎石的PDI值为1893(mm·次)，满足各级公路的对级配碎石性能要求，说明该级配碎石既能用于二级公路，也可应用于高速公路和一级公路。需要说明的是，当该级配碎石应用于高速公路和一级公路时，需慎重，应加强质量控制。

Claims (7)

1.一种基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据试模体积、最大干密度和最佳含水率配制级配碎石混合料，拌匀后装入试模，采用轮碾仪对试模内的级配碎石混合料进行碾压，直至与试模同高，形成级配碎石试件；
然后，将级配碎石试件连同试模放置于试验台上进行塑性变形试验，每隔10min记录一次塑性变形量，即记录第10min、20min、30min、40min、50min和60min的塑性变形量，分别记为d10、d20、d30、d40、d50和d60，其中d10＝0；
最后，利用基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能评价模型计算出PDI大小；
所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能评价模型以塑性变形指数PDI为评价指标，定义为级配碎石塑性变形曲线与荷载作用次数轴所围的面积，亦即级配碎石塑性变形曲线和时间轴所围面积与试验轮往返行走速度的乘积；近似梯形面积法的计算表达式如下：
PDI＝(d10/2+d20+d30+d40+d50+d60/2)×Δt×Nd
式中：PDI为塑性变形指数，mm·次；
d10、d20、d30、d40、d50、d60为级配碎石分别在第10min、20min、30min、40min、50min、60min的塑性变形量,mm；
Δt为塑性变形量记录间隔时间，min；
Nd为试验轮往返行走速度，次/min；
按高速、一级公路和二级公路分别制定级配碎石塑性变形性能控制标准。
2.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于：对于高速公路或者一级公路的PDI值≤1900mm·次，对于二级公路的PDI值≤2200mm·次。
3.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于，制定控制标准时对级配碎石塑性变形进行预估，级配碎石基层塑性变形预估模型为：
式中：d为级配碎石基层塑性变形量，mm；
di为级配碎石基层第i分层的塑性变形量，mm；
hi为级配碎石基层第i分层厚度，mm；
d60为试验轮轮压0.7MPa下级配碎石第60min的塑性变形量，mm；
pi为级配碎石基层第i分层层中竖向压应力，MPa；
ps为试验轮轮压，ps＝0.7MPa；
N为作用于级配碎石基层的当量轴次，次。
4.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于：所述试模的内侧尺寸长度为300mm、宽度为300mm、厚度为100mm。
5.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于：所述级配碎石试件的密度为最大干密度的100％±1％。
6.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于：进行塑性变形试验时，将试验轮置于级配碎石试件的中央部位，其行走方向与级配碎石试件的碾压方向一致，试验持续60min，其中前10min为预压，后50min为正式试验。
7.根据权利要求1所述基于PDI指标的级配碎石塑性变形性能控制方法，其特征在于：塑性变形试验在塑性变形试验机中进行，塑性变形试验机的设定参数为：
试验轮行走距离为230mm±10mm、试验轮往返行走速度为42次/min±1次/min；试验轮的轮压为0.7MPa±0.05MPa；试验轮往返行走时间为60min。
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