CN108319760A - 一种级配碎石基层塑性变形预估模型及预估方法 - Google Patents
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Abstract
一种级配碎石基层塑性变形预估模型及预估方法，预估模型在建立时考虑了级配碎石的集料级配、含水状况和应力水平，模型参数包含级配碎石基层厚度、级配碎石基层承受的竖向压应力水平和作用于级配碎石基层的当量轴次，预估方法根据级配碎石基层承受的竖向压应力和作用于级配碎石基层的当量轴次，按分层总和法计算级配碎石基层塑性变形量，能够准确预估不同当量轴次作用下沥青路面级配碎石基层的塑性变形量或者确定一定的塑性变形量所能承受的当量轴次，能够为路面结构的设计提供依据，指导级配碎石材料设计。本发明的预估方法能够较为合理、方便和准确地预估级配碎石基层塑性变形量。
Description
技术领域
本发明属于公路工程领域，具体涉及一种级配碎石基层塑性变形预估模型及预估方法。
背景技术
级配碎石已在高等级公路中得到一定的应用，设置于半刚性基层与沥青面层之间的级配碎石基层可有效抑制半刚性基层收缩裂缝引起的沥青面层反射裂缝。然而级配碎石基层的破坏主要是由其自身的塑性变形过大引起的，而且级配碎石基层的塑性变形也会累积到沥青路面结构中，使其形成过大的车辙变形，从而影响级配碎石基层在高等级公路中的应用。而目前尚无有效、准确的确定级配碎石基层塑性变形量的方法，因此提出一种合理的级配碎石基层塑性变形预估方法具有现实必要性和重要的现实意义，可用于指导级配碎石的材料设计和级配碎石基层沥青路面的结构设计，也有助于级配碎石基层沥青路面的养护计划的制定。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种级配碎石基层塑性变形预估模型及预估方法，简化计算过程，能更加合理、方便和准确地预估出级配碎石基层塑性变形量。
为了实现上述目的，本发明级配碎石基层塑性变形预估模型的计算表达式如下：
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。
本发明基于级配碎石基层塑性变形预估模型的预估方法包括：首先，采用轮碾仪成型级配碎石试件并进行塑性变形试验，根据不同条件下的塑性变形试验结果，标定级配碎石基层塑性变形预估模型系数；在塑性变形试验中确定试验轮轮压0.7MPa下级配碎石第60min的塑性变形量；然后，根据级配碎石基层承受的竖向压应力以及作用于级配碎石基层的当量轴次，按分层总和法并利用级配碎石基层塑性变形预估模型计算出级配碎石基层塑性变形量。
采用轮碾仪成型级配碎石试件的具体步骤为：根据试模体积、最大干密度以及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；级配碎石试件的密度为最大干密度的100％±1％。
级配碎石试件进行塑性变形试验的具体步骤为：
试验轮位于级配碎石试件的中央部位，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，记录第60min的塑性变形量，记为d60。
采用塑性变形试验机对级配碎石试件进行塑性变形试验，试验参数如下：
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；试验轮的轮压为0.7MPa±0.05MPa；试验轮往返行走时间为60min。
采用轮碾仪成型级配碎石试件的试模内侧尺寸长度为300mm、宽度为300mm、厚度为100mm；所述分层总和法计算级配碎石基层塑性变形量，当级配碎石基层厚度大于100mm时分层计算，分层厚度hi不大于100mm。级配碎石基层承受的竖向压应力按标准轴载作用下级配碎石基层各分层层中的竖向压应力分别计算。级配碎石基层各分层的塑性变形量分别计算，再将各分层的塑性变形量相加得到总的级配碎石基层塑性变形量。
与现有技术相比，本发明的级配碎石基层塑性变形预估模型，在建立模型时考虑了级配碎石的集料级配、含水状况和应力水平，模型参数包含级配碎石基层厚度、级配碎石基层承受的竖向压应力水平和作用于级配碎石基层的当量轴次，其预估模型具有较高的可靠性，计算简便、快捷。
与现有技术相比，本发明基于级配碎石基层塑性变形预估模型的预估方法，根据级配碎石基层承受的竖向压应力和作用于级配碎石基层的当量轴次，按分层总和法计算级配碎石基层塑性变形量，能够准确预估不同当量轴次作用下沥青路面级配碎石基层的塑性变形量或者确定一定的塑性变形量所能承受的当量轴次，能够为路面结构的设计提供依据，指导级配碎石材料设计。本发明的预估方法采用具有较高可靠性的预估模型，解决了以往参数繁多、计算复杂的问题，能够更加合理、方便和准确地预估级配碎石基层塑性变形量。
附图说明
图1最佳含水率下级配碎石初始塑性应变曲线图；
图2饱水状态下级配碎石初始塑性应变曲线图；
图3塑性变形比系数α与应力水平p的关系线性图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
级配碎石基层塑性变形预估模型的建立；
1.塑性应变预估模型的选择；
选用如式(2)所示的塑性应变预估模型：
式中：εp为初始塑性应变；
dt,p为塑性变形试验中级配碎石各时刻的塑性变形量，mm；
d60,p为塑性变形试验中级配碎石第60min的塑性变形量，mm；
N为作用于级配碎石的当量轴次，次；
A、B、C、D、E为模型系数；
h为级配碎石厚度，mm。
2.模型系数A、B、C、D、E的标定；
模型系数A、B、C、D、E的标定基于塑性变形试验。
选用的级配碎石集料级配如表1所示，振动击实试验结果显示，GM级配的最佳含水率为3.40％，最大干密度为2.47g/cm3；GF级配的最佳含水率为3.60％，最大干密度为2.44g/cm3。
表1集料级配
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
开展不同级配(包括GM级配和GF级配)、不同试验状态(包括最佳含水率状态和饱水状态)、不同应力水平(包括0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa)的塑性变形试验。其中最佳含水率状态指试件成型后(不脱模)在室内放置4h～5h，即进行塑性变形试验(此时试件含水率接近最佳含水率，故称之为最佳含水率状态)；饱水状态指试件成型后(不脱模)在室内放置4h～5h，再将试件连同试模在水中浸饱24h，然后进行塑性变形试验(由于浸饱24h，试件含水率达到饱和状态，故称之为饱水状态)。
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，根据需要可调整；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，记录各时刻的塑性变形量。由于数据较多，无法具体列出，因此通过式(2)计算后下面仅列出GM级配碎石在最佳含水率状态和饱水状态下各一个试件的初始塑性应变曲线，如图1和图2所示，并且图中还给出了按式(2)拟合的预估曲线。
③模型系数标定
模型系数包括A、B、C、D、E，分别取不同试验状态、级配、应力下的塑性变形试验结果进行标定，按式(2)进行回归，由于数据较多，以下仅列出部分标定结果。
如表2、表3、表4和表5所示。
表2最佳含水率状态下GM级配碎石模型系数标定结果
表3饱水状态下GM级配碎石模型系数标定结果
表4最佳含水率状态下GF级配碎石模型系数标定结果
表5不同应力下GM级配碎石模型系数标定结果
综合GM级配碎石和GF级配碎石在最佳含水率状态和饱水状态下，不同应力下的塑性变形试验结果，模型系数标定结果如表6所示。
表6级配碎石模型系数标定结果
| 模型系数 | A | B | C | D | E |
| 标定结果 | 0.02087 | 0.3150 | 1.078E-9 | 0.8341 | 0.00122 |
3.d60,p以为标准进行换算确定；
d60,p表示塑性变性试验中级配碎石第60min的塑性变形量；表示塑性变形试验中试验轮轮压ps(0.7MPa)下级配碎石第60min的塑性变形量，需说明的是记为d60(下同)。而根据式(1)可知，预估模型建立的参数之一为d60，因此需将各试验轮轮压下的d60,p以试验轮轮压ps下的d60为标准进行换算。理论研究表明，级配碎石在不同应力作用下，其塑性变形比与应力比存在一定的关系，如式(3)所示。
式中：α为塑性变形比系数；
pr、pm为作用于级配碎石的应力水平，MPa；
dr、dm为不同应力作用下对应的级配碎石塑性变形量，mm。
为确定塑性变形系数比α，以第15min、30min、45min、60min的塑性变形量为指标，分别进行0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa和0.9MPa作用的塑性变形试验，结果如表7所示。需说明的是由于塑性变形试验的前10min为预压，即第10min作为级配碎石塑性变形量正式记录的起始时间，则作用次数N按试验总时间减去10min后得到的正式试验时间t乘以试验轮往返行走速度Nd进行计算，即N＝Nd*t。其中Nd取为42次/min±1次/min。
表7不同应力、作用次数的塑性变形量
以试验轮轮压ps(0.7MPa)为标准，计算不同应力下的塑性变形比及其对应的塑性变形比系数α，结果如表8和表9所示。
表8不同应力、作用次数的塑性变形比
表9塑性变形比系数α
由表9可知，塑性变形比系数α与应力水平p呈线性关系，如图3所示。
按线性关系进行回归，结果如表10所示。
表10塑性变形比系数α与应力水平p回归结果
平均地，塑性变形比系数α与应力水平p的回归关系为：
α＝1.430p+0.261 (4)
将式(3)中dr、pr分别取为d60,p、p，dm、pm分别取为d60、ps，把式(4)代入式(3)中，即建立塑性变形比与应力比的换算关系：
则：
根据式(6)可知，p作用下级配碎石第60min的塑性变形量均可由ps作用下级配碎石第60min的塑性变形量进行换算。
4.塑性变形预估模型的建立
将式(6)、表6中各模型系数代入式(2)中，且dt,p取为d；
即得塑性变形预估模型为：
当级配碎石基层厚度大于100mm时，采用分层总和法计算级配碎石基层塑性变形量，分层厚度hi不大于100mm。最终的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。
实施例2
级配碎石基层塑性变形预估方法的应用；
某公路级配碎石基层沥青路面结构如表11所示。试预估级配碎石基层在1.0×107当量轴次作用下的塑性变形量。其中，本实例中级配碎石基层采用的级配为表1的GM级配。
表11路面结构
1.级配碎石基层分层；
由于级配碎石基层厚度为18cm，划分为两层，上分层h1＝10cm、下分层h2＝8cm。
2.级配碎石基层各分层的层中竖向压受力pi计算；
计算标准轴载作用于沥青面层表面时，级配碎石基层两分层的层中竖向压应力pi,结果如表12所示，表中还给出了各分层层顶、层底竖向压应力。
表12级配碎石竖向压应力pi值(MPa)
根据表12可知，由于级配碎石基层层中竖向压应力与其层顶和层底平均值十分接近，故采用级配碎石基层层中竖向压应力作为该分层的竖向压应力。
由此，本实例中，p1＝0.200MPa、p2＝0.142MPa。
3.试验轮轮压0.7MPa下级配碎石第60min的塑性变形量d60的确定
采用塑性变形试验确定级配碎石第60min的塑性变形量d60。
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塑性变形试验及数据记录
其试验参数为：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，记录第60min的塑性变形量，记为d60，由表7可知，d60为1.460mm。
4.级配碎石基层的塑性变形量计算
将hi、pi、d60和N代入式(1)中，得到各分层的塑性变形量分别为：上分层d1＝2.473mm，下分层d2＝1.601mm，则级配碎石基层总的塑性变形量d＝d1+d2＝4.074mm。
Claims (8)
1.一种级配碎石基层塑性变形预估模型，其特征在于，表达式如下：
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。
2.一种基于权利要求1所述级配碎石基层塑性变形预估模型的预估方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，采用轮碾仪成型级配碎石试件并进行塑性变形试验，根据不同条件下的塑性变形试验结果，标定级配碎石基层塑性变形预估模型系数；在塑性变形试验中确定试验轮轮压0.7MPa下级配碎石第60min的塑性变形量；
然后，根据级配碎石基层承受的竖向压应力以及作用于级配碎石基层的当量轴次，按分层总和法并利用级配碎石基层塑性变形预估模型计算出级配碎石基层塑性变形量。
3.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于，采用轮碾仪成型级配碎石试件的具体步骤为：根据试模体积、最大干密度以及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；
级配碎石试件的密度为最大干密度的100％±1％。
4.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于，级配碎石试件进行塑性变形试验的具体步骤为：试验轮位于级配碎石试件的中央部位，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，记录第60min的塑性变形量，记为d60。
5.根据权利要求2或4所述的预估方法，其特征在于：采用塑性变形试验机对级配碎石试件进行塑性变形试验，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；试验轮的轮压为0.7MPa±0.05MPa；试验轮往返行走时间为60min。
6.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于：采用轮碾仪成型级配碎石试件的试模内侧尺寸长度为300mm、宽度为300mm、厚度为100mm；所述分层总和法计算级配碎石基层塑性变形量，当级配碎石基层厚度大于100mm时分层计算，分层厚度hi不大于100mm。
7.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于：级配碎石基层承受的竖向压应力按标准轴载作用下级配碎石基层各分层层中的竖向压应力分别计算。
8.根据权利要求2所述的预估方法，其特征在于：级配碎石基层各分层的塑性变形量分别计算，再将各分层的塑性变形量相加得到总的级配碎石基层塑性变形量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111270564A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-06-12 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 | 用于高速铁路基床表层的级配碎石配制方法及级配碎石 |
| CN116070317A (zh) * | 2023-01-05 | 2023-05-05 | 四川公路桥梁建设集团有限公司 | 一种刚柔倒装沥青路面级配碎石层厚度设计方法 |
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