CN110489923B - 一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法 - Google Patents

一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法 Download PDF

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Abstract

一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，包括：步骤一、对不同粒径单粒径碎石进行重复荷载试验，获取单粒径的塑性应变；步骤二、进行不同工况下单粒径碎石的重复荷载试验，分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响，确定单粒径碎石塑性应变模型的主要影响因素和修正影响因素；建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型；步骤三、根据粗集料颗粒粒径组成、骨架结构及其空隙、细集料级配组成对级配碎石塑性变形的影响，基于单粒径碎石塑性应变模型，建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型；计算不同工况级配碎石混合料的塑性应变。本发明能确定出不同工况条件下、不同粒径碎石组成的级配碎石混合料在重复荷载作用下的塑性应变。

Description

一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法。
背景技术
级配碎石是国内外道路工程常用的柔性路面结构基层或底基层材料，能够有效避免路面反射裂缝、减少水损害、提高耐久性、实现完全再生等诸多优点而被广泛采用。而在实际应用过程中，级配碎石在重复荷载作用下产生过大塑性变形，会引起柔性基层沥青路面出现车辙、波浪变形、表面不平整等问题，严重影响路面的服务水平。因此，准确把握级配碎石的塑性变形行为，科学预估级配碎石结构层的塑性变形，对路面结构优化设计至关重要。
级配碎石混合料主要以最大密度曲线理论和粒子干涉理论这两种理论进行级配组成设计，形成骨架密实结构。以干涉理论为指导，通过填充试验完成粗集料的组成设计，根据最大密度曲线理论确定细集料组成；使粗集料形成嵌锁骨架结构，而细集料主要填充粗集料空隙，使混合料达到致密状态。根据泰波公式，通过集料的最大粒径及筛孔尺寸，便可以计算出密实度最大的级配。而根据干涉理论，以集料颗粒最大尺寸﹑每档集料的捣实密度及集料视密度，计算最大密实度的混合料。在已有的研究中，马骉、田尔布、王科等依据干涉理论和填充嵌挤原则建立了嵌锁骨架结构粗集料级配组成设计方法，其设计思想是：
根据不同粒径规格成品粗集料的筛分结果、毛体积密度、振动密度等性质，利用集料填充比参数，计算确定不同粒径粗集料颗粒所占的比例，使粗集料颗粒之间紧密相接、相互嵌锁，且相互不干涉或少干涉，混合料的振动空隙率较小，形成稳定的嵌锁骨架结构。
无论采用何种级配组成设计方法和设计原则，级配碎石混合料均是由不同比例的不同粒径碎石粒料所构成；不同粒径碎石粒料的组成比例不同，混合料的性能也会具有差异。
单粒径碎石作为级配碎石混合料组成设计的基本元素，单粒径碎石粒料的结构性能与混合料整体性能具有相关性，从单粒径碎石结构的空间分布结构、结构密度、颗粒摩擦角、颗粒嵌挤程度、颗粒配位等情况，在一定程度上能够体现其对混合料整体性能的影响，单粒径碎石与填充碎石填料和碎石混合料在结构特性和力学强度方面的关系。单粒径碎石粒料的变形行为对级配碎石混合料的变形行为具有重要影响，单粒径碎石结构在不同条件下的塑性应变与填充碎石混料和级配碎石混合料的塑性应变存在紧密的关联。因此，从单粒径碎石的塑性应变研究出发，考虑荷载强度、荷载次数、荷载频率、结构密实度等因素，建立级配碎石混合料塑性应变预估模型，分析不同级配组成的级配碎石在不同工况条件下的塑性应变，能够为级配碎石的组成设计优化和级配碎石基层路面的设计施工提供研究基础。
发明内容
本发明的目的在于针对级配碎石在重复荷载作用下的塑性应变问题，从碎石混合料的级配组成与单粒径碎石在重复荷载作用下的塑性应变特点入手，结合不同结构类型的结构特性，并考虑了不同工况条件对塑性应变的影响，提供一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，为级配碎石混合料的级配组成优化设计和路面结构设计施工提供依据和基础。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，包括以下步骤：
步骤一、对不同粒径单粒径碎石进行重复荷载试验，获取单粒径的塑性应变；
步骤二、进行不同工况下单粒径碎石的重复荷载试验，分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响，确定单粒径碎石塑性应变模型的主要影响因素和修正影响因素；
建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型；
步骤三、根据粗集料颗粒粒径组成、骨架结构及其空隙、细集料级配组成对级配碎石塑性变形的影响，基于单粒径碎石塑性应变模型，建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型；
计算不同工况条件下级配碎石混合料的塑性应变。
所述的步骤一采用不同荷载强度进行单粒径碎石重复荷载试验，荷载试验的围压为10kPa～50kPa，对不同粒径单粒径碎石荷载作用次数均在20000次以上。
按照下式对单粒径碎石重复荷载试验的塑性应变进行计算：
εp＝aNb (1)
式中，εp为塑性应变，即第N次加载时塑性应变累计值；a和b为塑性应变模型参数。
所述的步骤二单粒径碎石的重复荷载试验工况包括不同的荷载强度、荷载频率和结构密实度，采用方差分析法分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响。
进一步的，以荷载强度为主要影响因素，以荷载频率和密实度为修正影响因素，建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型，其表达式如下：
Figure BDA0002186989290000031
式中：
Figure BDA0002186989290000032
为荷载频率对塑性应变的修正系数，
Figure BDA0002186989290000033
为密实度对塑性应变的修正系数；a和b为荷载强度对塑性应变的影响参数，其中a＝f1(σd)、C＝f3(σd)，σd为轴向荷载偏应力。
步骤三按照如下表达式建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型：
Figure BDA0002186989290000034
式中，εp为级配碎石混合料的塑性应变；
FI为粗集料骨架结构的骨架指数；
df为细集料填充作用影响系数；
Mf为细集料的质量百分比；
ρi为不同粒径粗集料的振实密度，单位为g/cm3，
ρ0为粗集料结构的振实密度，单位为g/cm3；
εpi为不同粒径粗集料的塑性应变，单位为με；
εpf为细集料的塑性应变，单位为με。
进一步的，FI作为粗集料的结构贡献度，由粗集料骨架结构分析确定；
FI＝∑(SiMi)；
其中，Si为不同粒径集料的综合影响系数，Mi为不同粒径粗集料的质量百分比。
进一步的，df的计算表达式为：
df＝|n-0.5|/0.5；
其中，n为细集料级配以最大密度理论的n法的值。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
本发明依据不同工况下单粒径碎石在重复荷载作用下的塑性应变，分析了不同因素对单粒径碎石塑性应变影响显著性，建立不同因素下单粒径碎石塑性应的计算模型。本发明能够为进行级配碎石的组成设计优化和路面结构设计和施工提供依据和基础。本发明的级配碎石混合料塑性应变预估方法具有试验方法及参数获取方法方便、模型组成部分代表意义明确，首次建立了单粒径碎石塑性应变与级配碎石混合料塑性应变的关系，能够确定出不同工况条件下、由不同粒径碎石组成的级配碎石混合料在重复荷载作用下的塑性应变。
进一步的，本发明以骨架指数作为粗集料结构对级配碎石混合料的贡献度，以最大密度理论作用的n法作为细集料填充作用对级配碎石混合料的贡献度，建立了以粗细集料塑性应变和结构组成特点为基础的级配碎石混合料塑性应变预估方法。
附图说明
图1为本发明方法具体实施过程的流程图；
图2为13.2&4.75mm填充碎石混料的塑性应变试验值与预估值对比图
图3为19&9.5&4.75mm填充碎石混料的塑性应变试验值与预估值对比图；
图4为级配中值混合料的塑性应变试验值与预估值对比图；
图5为设计级配A混合料的塑性应变试验值与预估值对比图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提还可以进行若干简单的修改和润饰，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明的级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，包括以下步骤：
步骤一、采用不同荷载强度进行单粒径碎石重复荷载试验，荷载试验围压为10kPa～50kPa，对不同粒径单粒径碎石荷载作用次数均在20000次以上，获取单粒径的塑性应变；
按照下式对单粒径碎石重复荷载试验的塑性应变进行计算：
εp＝aNb (1)
式中，εp为塑性应变，即第N次加载时塑性应变累计值；a和b为塑性应变模型参数。
步骤二、按荷载强度、荷载频率和结构密实度进行不同工况下单粒径碎石的重复荷载试验，采用方差分析法分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响，确定单粒径碎石塑性应变模型的主要影响因素和修正影响因素；以荷载强度为主要影响因素，以荷载频率和密实度为修正影响因素，建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型，其表达式如下：
Figure BDA0002186989290000051
式中：
Figure BDA0002186989290000052
为荷载频率对塑性应变的修正系数，
Figure BDA0002186989290000053
为密实度对塑性应变的修正系数；a和b为荷载强度对塑性应变的影响参数，其中a＝f1(σd)、C＝f3(σd)，σd为轴向荷载偏应力。
步骤三、根据粗集料颗粒粒径组成、骨架结构及其空隙、细集料级配组成对级配碎石塑性变形的影响，基于单粒径碎石塑性应变模型，建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型；
按照如下表达式建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型：
Figure BDA0002186989290000061
式中，εp为级配碎石混合料的塑性应变；
FI为粗集料骨架结构的骨架指数，作为粗集料的结构贡献度，由粗集料骨架结构分析确定：FI＝∑(SiMi)，Si为不同粒径集料的综合影响系数，Mi为不同粒径粗集料的质量百分比。
df为细集料填充作用影响系数；df的计算表达式为：df＝|n-0.5|/0.5；
其中，n为细集料级配以最大密度理论的n法的值；
Mf为细集料的质量百分比；
ρi为不同粒径粗集料的振实密度，单位为g/cm3，
ρ0为粗集料结构的振实密度，单位为g/cm3；
εpi为不同粒径粗集料的塑性应变，单位为με；
εpf为细集料的塑性应变，单位为με。
计算不同工况条件下级配碎石混合料的塑性应变。
实施例
本发明以六种单粒径碎石形成的级配碎石混合料为实施例，围压为10kPa，按照轴向荷载强度分别为80kPa、160kPa、240kPa和320kPa，荷载频率分别为1Hz、5Hz、8Hz和10Hz，密实度为96％、98％和100％，进行20000次重复荷载试验。
根据塑性应变的计算模型，计算不同荷载强度和荷载作用次数下六种单粒径碎石的塑性应变，如表1所示；分析荷载频率和密实度对塑性应变的影响，建立六种单粒径碎石塑性应变的荷载频率和密实度修正系数，如表2所示。根据粗集料骨架结构研究成果，可得骨料粒径影响系数如表3所示，作为建立粗集料贡献度的计算依据；根据最大密度理论的级配组成设计方法，通过细集料级配组成的n值计算细集料填充作用系数df。
表1
Figure BDA0002186989290000071
表2
Figure BDA0002186989290000072
表3
Figure BDA0002186989290000073
当13.2&4.75mm和19&9.5&4.75mm分别以78:22和73:20:7质量填充比形成两种填充碎石混料，采用与级配碎石层在实际路面结构中相似的工况，当荷载强度为80kPa、荷载频率为5Hz、密实度为96％时，两种填充碎石混料在20000次荷载作用下塑性应变的试验值和预估值如图2和图3所示。13.2&4.75mm填充碎石塑性应变的试验值与预估值最大相差为7％，19&9.5&4.75mm填充碎石塑性应变的试验值与预估值最大相差为5.7％。
当以级配中值混合料和设计级配A混合料为检验对象时，级配中值和设计级配A混合料的级配组成如表4所示。
表4
Figure BDA0002186989290000081
根据级配碎石在典型柔性基层路面的工况，采用荷载强度为80kPa、荷载频率为5Hz、96％密实度和最佳含水率下进行20000次重复荷载次作用通过级配碎石混合料的塑性应变预估模型对塑性应变进行预估，两种级配碎石混合料的塑性应变的试验值和预估值如图4和图5所示。在20000次荷载作用下，级配中值混合料塑性应变的试验值与预估值的最大相差10.4％，级配中值混合料塑性应变的试验值与预估值的最大相差13.8％，而差异较大的点位于前1000次荷载作用，在1000次荷载作用后，级配中值和级配A混合料塑性应变的试验值与预估值最大相差分别为7.7％和4.7％，塑性应变预估模型对级配碎石混合料具有足够的预估精度。
以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。

Claims (8)

1.一种级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对不同粒径单粒径碎石进行重复荷载试验，获取单粒径的塑性应变；
步骤二、进行不同工况下单粒径碎石的重复荷载试验，分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响，确定单粒径碎石塑性应变模型的主要影响因素和修正影响因素；
建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型；
步骤三、根据粗集料颗粒粒径组成、骨架结构及其空隙、细集料级配组成对级配碎石塑性变形的影响，基于单粒径碎石塑性应变模型，建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型；
计算不同工况条件下级配碎石混合料的塑性应变。
2.根据权利要求1所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于：
所述的步骤一采用不同荷载强度进行单粒径碎石重复荷载试验，荷载试验的围压为10kPa～50kPa，对不同粒径单粒径碎石荷载作用次数均在20000次以上。
3.根据权利要求1或2所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于，按照下式对单粒径碎石重复荷载试验的塑性应变进行计算：
εp＝aNb (1)
式中，εp为塑性应变，即第N次加载时塑性应变累计值；a和b为塑性应变模型参数。
4.根据权利要求1所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于：所述的步骤二单粒径碎石的重复荷载试验工况包括不同的荷载强度、荷载频率和结构密实度，采用方差分析法分析不同因素对单粒径碎石塑性应变的影响。
5.根据权利要求4所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于：
以荷载强度为主要影响因素，以荷载频率和密实度为修正影响因素，建立重复荷载作用下的单粒径碎石塑性应变模型，其表达式如下：
Figure FDA0002186989280000011
式中：
Figure FDA0002186989280000021
为荷载频率对塑性应变的修正系数，
Figure FDA0002186989280000022
为密实度对塑性应变的修正系数；a和b为荷载强度对塑性应变的影响参数，其中a＝f1(σd)、C＝f3(σd)，σd为轴向荷载偏应力。
6.根据权利要求1所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于，步骤三按照如下表达式建立级配碎石混合料的塑性应变预估模型：
Figure FDA0002186989280000023
式中，εp为级配碎石混合料的塑性应变；
FI为粗集料骨架结构的骨架指数；
df为细集料填充作用影响系数；
Mf为细集料的质量百分比；
ρi为不同粒径粗集料的振实密度，单位为g/cm3，
ρ0为粗集料结构的振实密度，单位为g/cm3；
εpi为不同粒径粗集料的塑性应变，单位为με；
εpf为细集料的塑性应变，单位为με。
7.根据权利要求6所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于：
FI作为粗集料的结构贡献度，由粗集料骨架结构分析确定；
FI＝∑(SiMi)；
其中，Si为不同粒径集料的综合影响系数，Mi为不同粒径粗集料的质量百分比。
8.根据权利要求6所述级配碎石混合料重复荷载作用下塑性应变预估方法，其特征在于：
df的计算表达式为：
df＝|n-0.5|/0.5；
其中，n为细集料级配以最大密度理论的n法的值。
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