CN109253924B - 一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法 - Google Patents

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    • G01N2203/0256—Triaxial, i.e. the forces being applied along three normal axes of the specimen

Abstract

本发明提供一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法，仅需开展传统的单轴压缩试验、劈裂试验及单轴拉伸试验；将试验结果代入线性化的沥青混合料三维强度模型方程组，即可得到沥青混合料三维破坏准则的表达式。该方法仅需进行常规的强度试验，不需要开展三轴试验，故简单易行、便于推广，一般的工程院所及设计部门均有能力完成相关的试验及分析工作。此外，该模型精度较高，能通过沥青混合料的三向加载试验结果进行验证。该方法的提出，为沥青路面材料及结构按三维应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，提升了沥青路面设计的精细化水平。

Description

一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，特别地，涉及一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法。
技术背景
至2017年底，中国高速公路通车里程13.6万公里，位列世界第一，其中90％以上为沥青路面结构。目前，在路面实践中遇到的主要问题是路面的实际寿命低于设计寿命，造成很大的浪费。许多沥青路面结构的使用寿命为10～12年，与15年以上的设计寿命有较大差距。甚至出现了许多前期修建的高速公路在半年至两年内就发生了严重的破坏，损失十分惊人。
路面实践中所暴露的大量问题促使学者对路面设计理论、设计方法等方面进行了大量的研究以及改进工作。实际上，理论研究表明，在轮载和环境等因素的作用下，沥青路面结构的工作环境是一个三维复杂应力状态；而我国现行公路沥青路面设计规范采用最大拉应变理论作为沥青面层的设计指标，显然无法考虑各应力分量之间的协同破坏作用。欧美国家沥青路面设计也是采用最大拉应力或最大拉应变破坏准则，亦无法客观反映路面材料的破坏特征和对三维荷载的抗力，影响路面设计的可靠性和合理性。
为了提出沥青混合料的三维破坏准则，一些道路工作者研发了适合沥青混合料的三向加载试验设备，其能够进行三轴破坏试验，再根据三轴试验结果建立沥青混合料的破坏准则。但是，三轴试验设备通常花费昂贵、对操作人员的要求高；而且通过三轴试验结果确定三维破坏准则的过程也较为复杂，工程设计单位难以完成相关工作。
为此，现有技术中，有研究提出了“一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法”(申请号201610316346.1)，提出了一种通过单轴压缩试验、围压三轴压缩试验及单轴拉伸试验建立沥青混合料三维破坏准则的方法。较之于进行三向加载试验，简化了试验的过程。但是，这一方法仍然需要进行传统的三轴试验，在进行试验操作及理论分析时，仍然较为复杂。因此对沥青混合料的三维强度模型的确定方法，有待进一步完善，以便大面积地推广应用。
为此，本发明提出一种通过常规的单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验确定沥青混合料三维强度模型的方法。该方法不需要进行传统的三轴试验，故极大的简化了对试验设备和操作人员的要求，便于路面设计时推广应用。此外，在路面结构所受的应力范围内，与通过三向加载试验确定的三维强度模型误差较小，且偏于安全。而且，通过该方法确定的三维强度模型能考虑各个应力分量对路面材料及结构的破坏作用，为路面结构及材料按三维复杂应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，提升了沥青路面设计的精细化水平。
发明内容
本发明提供一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法，所述强度模型基于常规的单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验得到，且计算简便，便于推广应用。本发明确定沥青混合料三维强度模型的方法，能够解决现有技术方法设备昂贵、理论计算复杂以及所需破坏试样较多的不足。
本发明提供的一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法，通过单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验来确定沥青混合料的三维强度模型，具体步骤包括如下步骤：
S1.按沥青混凝土面层的原材料成型沥青混合料试件，或对沥青混凝土面层钻芯取样，在同一加载速度下进行沥青混合料的单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验，分别得到单轴压缩强度Sc，单轴拉伸强度St和劈裂强度Sd；
S2.根据上述三种强度试验结果，在八面体应力空间中计算得到八面体正应力σoct、八面体剪应力τoct和应力角θ参数；
S3.在八面体应力空间建立，包括拉子午线、压子午线、八面体抗剪强度在内的线性化的沥青混合料三维强度模型；
S4.将三组不同应力状态下的强度试验结果，代入线性化的沥青混合料三维强度模型的三组方程即可求得模型参数。
优选的，S3步骤中，所述三维强度模型包括如下模型：
拉子午线：
Figure BDA0001851823250000021
压子午线：
Figure BDA0001851823250000022
八面体抗剪强度：
Figure BDA0001851823250000031
其中：a、b、m为模型参数；
fc为沥青混合料单轴抗压强度的绝对值；
σoct为八面体正应力；
τoct为八面体剪应力；
θ为应力角；
Figure BDA0001851823250000032
和τoct(θ)分别表示拉子午线、压子午线和强度包络线上的八面体剪应力，即八面体抗剪强度。
优选的，σoct、τoct、应力角θ的计算公式为：
Figure BDA0001851823250000033
和/或
Figure BDA0001851823250000034
和/或
Figure BDA0001851823250000035
其中，σ1、σ2、σ3分别表示第一主应力、第二主应力、第三主应力。
优选的，模型参数a、b、m的计算表达式分别为：
Figure BDA0001851823250000036
Figure BDA0001851823250000037
Figure BDA0001851823250000038
其中参数k1、k2、k3的表达式分别为：
Figure BDA0001851823250000039
Figure BDA00018518232500000310
Figure BDA0001851823250000041
上述试验条件是常规的单轴压缩试验、单轴拉伸试验和劈裂试验，避免了开展三轴试验所需要的昂贵试验设备及复杂的操作过程，故简单易行、便于推广，一般的工程院所及设计部门均有能力完成相关的试验及分析工作。
在本发明中，所涉及到的计算仅需要将单轴压缩强度Sc，单轴拉伸强度St和劈裂强度Sd代入计算公式，即可得到沥青混合料拉、压子午线和强度包络线的计算公式和三维强度模型的表达式。此外，由本发明方法建立的三维强度模型精度较高，能通过沥青混合料的三向加载试验结果进行验证。该方法的提出，为沥青路面材料及结构按三维应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，能够提升沥青路面设计的精细化水平。
由于采用以上技术方案，本发明具有以下有益的技术效果：
通过常规的单轴压缩试验、单轴拉伸试验和劈裂试验确定沥青混合料三维强度模型的方法，该方法简单易行，便于推广，避免了开展三轴试验所需的昂贵的试验设备和复杂的操作过程，一般的工程院所及设计部门均有能力完成相关的试验及分析工作。根据上述三种应力状态下的强度试验结果，能够直接建立沥青混合料的三维强度模型；而且该模型精度较高，能通过沥青混合料的三向加载试验结果进行验证。该方法的提出，为沥青路面材料及结构按三维应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，能够提升沥青路面设计的精细化水平，提升沥青路面结构的耐久性。
附图说明
图1为八面体应力空间中沥青混合料的三维强度模型。
图2为路面结构的强度校核点示意图。
具体实施方式
以下，将结合说明书附图及具体实施方式，对本发明的技术方案及优点做出更加详细的解释和说明。应当理解的是，说明书、具体实施方式及说明书附图中所呈现的内容，仅仅为了更加清楚地说明本发明的技术方案及其优点，并不对本发明的保护范围构成限制。本领域技术人员能够在说明书公开内容的基础上，针对各种合理的变换得到变化后的技术方案，只要不脱离本发明的精神，各种变化后的技术方案均包括在本发明的保护范围之内。
<本发明确定三维强度模型的方法>
包括如下具体步骤：
1.按沥青混凝土上面层的原材料成型沥青混合料或对沥青路面进行钻芯取样，得到试验所需的沥青混合料试件或钻芯取样的样品。
2.对上述的沥青混合料试件或钻芯取样的样品进行单轴压缩试验、单轴拉伸试验和劈裂试验(采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的试验方法)。所述单轴压缩和单轴拉伸样品均是直径为100mm，高为100mm的圆柱体试件；所述劈裂样品是直径为100mm，高为40mm的圆柱体试件。然后，在相同的轴向加载速度及温度条件下进行上述三种试验，本次试验的轴向加载速度选为2mm/min，试验温度为15℃。所述试验温度及加载速度也可以按照所在区域路面的温度状况，车辆通行速度以及不利状况确定。进行单轴压缩试验时在试件表面采取减小摩擦的措施，防止试件端部因为摩擦效应限制试件变形；进行单轴拉伸试验时，试件表面与加载板之间需要粘结牢固，以保证测试过程中试件发生破坏而不是在粘胶处被拉断。进行三次平行试验后，得到单轴压缩强度Sc，单轴拉伸强度St和劈裂强度Sd的平均值，并根据本领域常用的弹塑性力学中八面体正应力、八面体剪应力和应力角的计算公式得到其强度参数，如表1所示。
表1沥青混合料单轴压缩、单轴拉伸及劈裂试验结果及强度参数
Figure BDA0001851823250000051
3.将表1中的三种应力状态下的八面体正应力、八面体剪应力和应力角的数值代入线性化的沥青混合料三维强度模型：
拉子午线：
Figure BDA0001851823250000061
压子午线：
Figure BDA0001851823250000062
八面体抗剪强度：
Figure BDA0001851823250000063
其中：a、b、m为模型参数；
fc为沥青混合料单轴抗压强度的绝对值；
σoct为八面体正应力，
Figure BDA0001851823250000064
τoct为八面体剪应力，
Figure BDA0001851823250000065
应力角
Figure BDA0001851823250000066
Figure BDA0001851823250000067
和τoct(θ)分别表示拉子午线、压子午线和强度包络线上的八面体剪应力，即八面体抗剪强度；
将表1所示的模型参数代入上述方程组后，可得模型参数a、b、m的表达式分别为：
Figure BDA0001851823250000068
Figure BDA0001851823250000069
Figure BDA00018518232500000610
其中参数k1、k2、k3的表达式分别为：
Figure BDA00018518232500000611
Figure BDA0001851823250000071
Figure BDA0001851823250000072
由此，可得到模型参数a＝0.091，b＝0.787，m＝1.232；故沥青混合料三维强度模型的表达式为：
拉子午线：
Figure BDA0001851823250000073
压子午线：
Figure BDA0001851823250000074
八面体抗剪强度：
Figure BDA0001851823250000075
根据上述方法得到的沥青混合料三维强度模型在八面体应力空间中形状为锥体，如图1所示；
4.为了验证上述采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型方法的科学性，在加载速度为2mm/min，试验温度为15℃条件下，进行沥青混合料的三向加载试验，三次平行试验结果后的平均值如下表2所示：
表2 15℃沥青混合料三向加载试验结果
Figure BDA0001851823250000076
Figure BDA0001851823250000081
采用专利文件“一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法”(申请号201610316346.1)，确定沥青混合料三维强度模型的表达式为：
拉子午线：
Figure BDA0001851823250000082
压子午线：
Figure BDA0001851823250000083
八面体抗剪强度：
Figure BDA0001851823250000084
按本发明方法的确定沥青混合料三维的强度模型与通过三向加载试验建立的沥青混合料三维强度模型之间的误差在11％以内，充分验证了本发明方法的准确性。
较之于专利文件(申请号201610316346.1)“一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法”，本发明的优势体现在以下几个方面：从试验方法来说，本发明仅需通过本领域最常用的单轴压缩试验、单轴拉伸试验和劈裂试验确定三维强度模型，而之前的发明在确定压子午线时需要进行传统的三轴试验，而三轴试验设备昂贵，操作较为复杂。显然，本发明确定三维强度模型的试验方法简单易行、成本低廉、便于推广应用。从试验效果来说，仅需根据单轴压缩试验、单轴拉伸试验和劈裂试验结果，直接进行计算即可唯一地确定沥青混合料的三维强度模型，一般的工程院所及设计部门均有能力完成相关的试验及分析工作。此外，该模型精度较高，能通过沥青混合料的三向加载试验结果进行验证。该方法的提出，为沥青路面材料及结构按三维应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，提升了沥青路面设计的精细化水平。
<对模型计算的数据的验证>
本章节对本发明前述三维强度模型理论计算得到的值与实际测量得到的数据进行比较验证。
具体包括如下步骤：
1.对典型的半刚性基层路面结构(如表3所示)，采用本领域常用的弹性层状体系理论进行力学分析，得到路面结构内部各点的应力场。
表3典型半刚性基层高速公路结构及材料参数
Figure BDA0001851823250000091
2.对路面结构进行力学分析时，强度校核点示意图如图2所示，水平方向选取A、B、C、D、E、F、G、H八个点位，竖直方向以上面层层顶为原点，以0.5cm为步长，依次选取相应点位。以行车方向为Y方向，路面横向为X方向，竖直方向为Z方向，如图2所示，着重考虑这些点位的主应力。
3.按照前述实施方式中的三维强度模型对路面结构的上面层进行强度校核，将路面结构中的材料抗力(即破坏准则)除以路面结构内部一点主应力，即为该点的安全系数K(不考虑疲劳等其他因素的影响，不进行强度折减)，安全系数越小则越容易发生破坏。具体来说，上面层层顶A0(轮隙中心处)和B0(1/4R位置)处的K值较小分别为11.1和10.4，处于相对危险的位置；上面层层顶下0.5cm A1(轮隙中心处)和B1(1/4R位置)处的K值分别为15.4和15.7，处于相对危险的位置；上面层层顶下1cm B2(1/4R位置)、H2(单圆荷载外缘外1/4R)位置处的K值分别为14.3、15.0，处于相对危险的位置；上面层层顶下1.5cmB3(1/4R位置)、H3(单圆荷载外缘外1/4R)位置处的K值分别为16.6、17.3，处于相对危险的位置；上面层层顶下2cm B4(1/4R位置)、D4(单圆荷载中心与单圆荷载内缘的中点)和F4(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处的K值分别为15、14.3、14.3，处于相对危险的位置；上面层层顶下2.5cm F5(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处的K值为12.0，处于相对危险的位置；上面层层顶下3cm D6(单圆荷载中心与单圆荷载内缘的中点)和F6(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处的K值分别为10.8和10.6，处于相对危险的位置；上面层层顶下3.5cm D7(单圆荷载中心与单圆荷载内缘的中点)、E7(单圆荷载中心)和F7(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处的K值较小，分别为9.8、9.8和9.6，处于相对危险的位置；上面层层顶下4cm D8(单圆荷载中心与单圆荷载内缘的中点)、E8(单圆荷载中心)和F8(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处的K值小，分别为9.1、9.5和8.9，处于相对危险的位置；综合各层相对危险点来看，上面层层底的F8(单圆荷载中心与单圆荷载外缘的中点)位置处K值最小为8.9，是整个上面层最危险的点位，即破坏源的位置。同时，在加速加载试槽中铺设相同的路面结构，在路面结构内部埋设传感器，在加速加载荷载的作用下，该点最先发生破坏。由此可知理论分析得到的破坏源与实测结果较为吻合，进一步验证了本发明方法的准确性。
4.按照上述步骤，可对中面层、下面层、基层及底基层材料采用本发明所述的常规试验方法确定强度模型，并对路面结构进行计算及校核，并可确定各个层位的破坏源。在沥青路面设计时应重点考虑这些点位可能发生的损坏，并采用优质的原材料及科学合理的施工工艺，根据三维应力状态的特点对路面结构及材料进行一体化设计，确保沥青路面结构三维荷载作用下不出现损坏，保证路面结构的耐久性。同时，本发明的方法也可以用于半刚性基层和其他路面材料。该方法的提出，为沥青路面材料及结构按三维应力状态进行设计提供了试验手段及理论参考，推动了沥青路面设计方法的进步与发展。
虽然本发明内容包括具体的实施例，但是对本领域的技术人员明显的是在不偏离本权利要求和其等同技术方案的发明要点和范围的情况下，可以对这些实施例做出各种形式上和细节上的替换或变动。本文中描述的实施例应被认为只在说明意义上，并非为了限制的目的。在每一个实施例中的特征和方面的描述被认为适用于其他实施例中的相似特征和方面。因此，本发明的范围不应受到具体的描述的限定，而是受权利要求技术方案的限定，并且在本权利要求和其等同物的范围内的所有变化被解释为包含在本发明的技术方案之内。
在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。
在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用“仅”，否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。
应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。
此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。
在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。
本发明的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此组合或者拼接，并且可以如本领域技术人员可以充分理解的以各种不同地构造来执行。本发明的实施方案可以彼此独立地执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行。

Claims (2)

1.一种常规方法确定沥青混合料三维强度模型的方法，其特征在于，通过单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验来确定沥青混合料的三维强度模型，具体步骤包括如下步骤：
S1.按沥青混凝土面层的原材料成型沥青混合料试件，或对沥青混凝土面层钻芯取样，在同一加载速度下进行沥青混合料的单轴压缩、单轴拉伸和劈裂试验，分别得到单轴压缩强度Sc，单轴拉伸强度St和劈裂强度Sd；
S2.根据上述三种强度试验结果，在八面体应力空间中计算得到八面体正应力σoct、八面体剪应力τoct和应力角θ参数；
S3.在八面体应力空间建立包括拉子午线、压子午线、八面体抗剪强度在内的线性化的沥青混合料三维强度模型；
S4.将三组不同应力状态下的强度试验结果，代入线性化的沥青混合料三维强度模型的三组方程即可求得模型参数；
其中，所述S3步骤中，所述三维强度模型包括如下模型：
拉子午线：
Figure FDA0002432132440000011
压子午线：
Figure FDA0002432132440000012
八面体抗剪强度：
Figure FDA0002432132440000013
其中：a、b、m为模型参数；
fc为沥青混合料单轴抗压强度的绝对值；
σoct为八面体正应力；
τoct为八面体剪应力；
θ为应力角；
Figure FDA0002432132440000014
和τoct(θ)分别表示拉子午线、压子午线和强度包络线上的八面体剪应力，即八面体抗剪强度；
其中，模型参数a、b、m的计算表达式分别为：
Figure FDA0002432132440000021
Figure FDA0002432132440000022
Figure FDA0002432132440000023
其中参数k1、k2、k3的表达式分别为：
Figure FDA0002432132440000024
Figure FDA0002432132440000025
Figure FDA0002432132440000026
2.根据权利要求1所述的一种常规方法确定沥青混合料三维强度模型的方法，其特征在于，σoct、τoct、应力角θ的计算公式为：
Figure FDA0002432132440000027
和/或
Figure FDA0002432132440000028
和/或
Figure FDA0002432132440000029
其中，σ1、σ2、σ3分别表示第一主应力、第二主应力、第三主应力。
CN201811298862.1A 2018-11-02 2018-11-02 一种采用常规试验确定沥青混合料三维强度模型的方法 Active CN109253924B (zh)

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