CN1873390A - 一种确定沥青混合料抗剪强度的方法 - Google Patents

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张宏超
邵显智
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Abstract

一种确定沥青混合料抗剪强度的方法，首次采用了单轴贯入试验方法确定沥青混合料的抗剪强度，方法为：即在沥青混合料试件上端放置一钢压头后加压，以此来模拟路面中的实际受力状态，通过三维有限元计算和力学公式的推导，求出沥青混合料的抗剪强度。先按照粒径9.5mm石料直径的1.5、3及4倍确定了三种压头直径，通过理论和试验分析对比定出了钢制压头的直径为28.5mm；同理确定了沥青混合料试件的尺寸(100×100mm)。利用三维有限元进行力学分析，可以得到在贯入强度为1MPa、泊松比为0.35时的抗剪强度参数；然后利用单轴贯入试验采集到的力，通过下面的公式计算出试件的抗剪强度值：τ＝强度参数×贯入压强，其中贯入压强取贯入强度曲线的破坏拐点值。

Description

一种确定沥青混合料抗剪强度的方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及沥青混合料抗剪强度的确定。
背景技术
目前，用于研究沥青混合料抗剪强度的设备，主要是三轴试验和等高度剪切试验等常规方法，没有其他的实验设备，这些设备一般造价昂贵，同时这些设备在测试性能方面不能很好的模拟道路在实际轮载下的路面受力状况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定沥青混合料抗剪强度的方法，具有经济实用、可操作性强的特点。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：一种确定沥青混合料抗剪强度的方法，包括以下步骤：
A、进行单轴贯入试验方法，确定贯入强度曲线；
B、采用有限元方法确定抗剪强度参数；
C、沥青混合料的剪应力值通过下面的公式确定：τ＝强度参数×贯入压强。其中，A步骤所述的单轴贯入试验方法是：在沥青混合料试件上端放置一钢压头后加压，以此来模拟路面中的实际受力状态。可以先按照粒径9.5mm石料直径的1.5、3及4倍确定了三种压头直径，定出钢制压头的直径为28.5mm；同理确定了沥青混合料试件的尺寸为100×100mm。
步骤B是按照贯入强度为1MPa、泊松比为0.35时进行的。
步骤C中贯入压强取贯入强度曲线的破坏拐点值。
对单轴贯入试验，强度参数取值为0.339。
本发明首次采用了单轴贯入试验方法确定沥青混合料的抗剪强度，方法为：即在沥青混合料试件上端放置一钢压头后加压，以此来模拟路面中的实际受力状态，通过三维有限元计算和力学公式的推导，求出沥青混合料的抗剪强度。先按照粒径9.5mm石料直径的1.5、3及4倍确定了三种压头直径，通过理论和试验分析对比定出了钢制压头的直径为28.5mm；同理确定了沥青混合料试件的尺寸(100×100mm)。利用三维有限元进行力学分析，可以得到在贯入强度为1MPa、泊松比为0.35时的抗剪强度参数；然后利用单轴贯入试验采集到的力，通过下面的公式计算出剪应力值：τ＝强度参数×贯入压强，其中贯入压强取贯入强度曲线的破坏拐点值。如图1所示。
该试验方法较之传统的三轴试验具有以下优越性：
1、设备简单便宜，测试过程简便；
2、测试结果稳定；
3、能够更加接近于路面的实际受力情况。
为了求出具有代表性的剪切参数，对于不同的混合料，其剪切参数应该是不一样的，但是，在混合料的弹性范围内，混合料的强度主要受两个参数的影响：弹性模量E和泊松比μ的影响。对于泊松比，由于在运用弹性理论分析路基路面结构时，其数值对应力和位移的计算结果影响较小，所以常取用其代表值。在本次分析中，采用μ＝0.35。而对于弹性模量，由弹性力学的知识可以证明，沿深度方向为半无限体的表面圆形区域内受均布压力作用时，其应力大小与弹性模量无关。
首先建立单轴贯入试验的有限元模型，由于是对称结构，在此采用1/4建模。模型参见图2所示。
通过计算，对不同的模量条件下的最大剪应力处的主应力汇总如表1所示。
表1  不同的模量条件下的最大剪应力处的主应力
  MODULE   ELEM   S1   S3   CENTX   CENTY   CENTZ   SHEAR
  100   5682   -87244   -0.76467E+06   0.72544E-02   0.78044E-02   -0.75000E-02   0.33871E+06
  500   5682   -87244   -0.76467E+06   0.72544E-02   0.78044E-02   -0.75000E-02   0.33871E+06
  1000   5682   -87244   -0.76467E+06   0.72544E-02   0.78044E-02   -0.75000E-02   0.33871E+06
  1500   5682   -87244   -0.76467E+06   0.72544E-02   0.78044E-02   -0.75000E-02   0.33871E+06
  2000   5682   -87244   -0.76467E+06   0.72544E-02   0.78044E-02   -0.75000E-02   0.33871E+06
注：对于模量，单位是MPa，对于力，单位是Pa，对于位置，单位是m
由上表的计算结果可以看出，对于不同模量的计算结果没有变化，也就是说，单轴贯入试验有限元模型的计算结果不受模量的影响。因此，可以把该计算结果用于不同混合料的计算中。强度参数按下表2中的τmax取值。
表2有限元计算的基本抗剪强度参数
  参数名称   泊松比   σ1   σ3   τmax
  抗剪强度参数值   μ＝0.35   0.765   0.087   0.339
本发明由于其简单快速，试验结果稳定，因此，对将来沥青混合料的设计施工具有重大的应用价值。
附图说明
图1是本发明的的贯入强度曲线图示意图。
图2是本发明的单轴贯入三维有限元模型示意图。
图3是应用本发明的某沥青混合料试件贯入强度曲线示意图。
具体实施方式
应用本发明的实例可以是：
(1)采用旋转压实的成型方式，成型至少四个平行试件，其尺寸为：高度和直径均为100mm；
(2)将试件和压头控温于60℃环境箱中，确保试件的保温时间在4小时以上；
(3)进行单轴贯入试验，采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，试验温度为60℃，加载速率为1mm/min，加载至破坏，采集试验过程中的压力和变形数据；
(4)将采集到的数据进行分析，如下图所示，找出应力-变形曲线中的破坏拐点，记录拐点的数据，将平行试件的数据进行平均；
(5)计算沥青混合料试件抗剪强度：将单轴贯入试验中拐点应力乘以强度参数(如表2中τmax值)，得到试件抗剪强度。
如图3所示一例：由单轴贯入试验，得到某试件的贯入强度曲线，由图得知其拐点强度读数为2.25MPa，则
τmax＝2.25×0.339＝0.7628MPa       此即为该试件的抗剪强度。
上述的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于包括以下步骤：
A、进行单轴贯入试验方法，确定贯入强度曲线；
B、采用有限元方法确定抗剪强度参数；
C、沥青混合料的剪应力值通过下面的公式确定：τ＝强度参数×贯入压强。
2、根据权利要求1所述的确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于：A步骤所述的单轴贯入试验方法是：在沥青混合料试件上端放置一钢压头后加压，以此来模拟路面中的实际受力状态。
3、根据权利要求2所述的确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于：先按照粒径9.5mm石料直径的1.5、3及4倍确定了三种压头直径，定出钢制压头的直径为28.5mm；同理确定了沥青混合料试件的尺寸为100×100mm。
4、根据权利要求1所述的确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于：步骤B是按照贯入强度为1MPa、泊松比为0.35时进行的。
5、根据权利要求1所述的确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于：步骤C中贯入压强取贯入强度曲线的破坏拐点值。
6、根据权利要求1所述的确定沥青混合料抗剪强度的方法，其特征在于：强度参数取值为0.339。
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