CN1873391A - 一种确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法，先利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验测得沥青混合料的两组强度值，依据以下算式确定C、φ的值(见公式)，其中值σu表示无侧限抗压试验中试件的抗压强度，σ1和σ3表示单轴贯入的强度乘以抗剪强度参数后所得的第一和第三主应力。该方法可以很好的模拟沥青路面的实际受力情况，并且简单易行，物理意义明确；可以通过该系统确定沥青混合料的C、φ值，用来研究和评价沥青混合料的抗剪性能。

Description

一种确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及沥青混合料抗剪参数C、φ值的确定方法。

背景技术

C、φ值是两个研究沥青混合料抗剪性能不可或缺、十分重要的参数。但目前的试验方法和手段很难简便的求出这两个指标；且试验原理是基于土力学的力学模式，无论是材料还是受力状况均不能反映沥青路面和沥青混合料的实际情况。现有技术中有采用贯入试验测试混合料强度的试验方法，但未给出C、φ值的确定方法。

可参考文献包括：

1、Mahmoud Ameri-Gaznon and Dallas N.little，Octahedral shear stress analyses of an ACP overlay on a rigidbase，Proceeding of association of asphalt paving technology vol.58，1989，pp 443-479

2、W.H.Goetz，and C.C.Chen，1950，Vacuum triaxial technique applied to bituminous aggregate mixtures，Proceedings of association of asphalt paving technologists，Vol.19，February

3、Superpave performance graded asphalt binder specification and testing，Asphalt institute superpave seriesN1(SP-1)，1997 printing

4、V.A.Endersby，The history and theory of triaxial testing and preparation of realistic test specimens，A.S.T.M.，San Francisco，October，1949

5、V.R.Smith，Triaxial stability method for flexible pavement design，Proceedings A.A.P.T.，Volume 19，1950

6、W.S.Housel，Interpretation of triaxial compression tests on granular mixture，Proceedings A.A.P.T.，Volume19，1950

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法，该方法可以很好的模拟沥青路面的实际受力情况，并且简单易行，物理意义明确；可以通过该系统确定沥青混合料的C、φ值，用来研究和评价沥青混合料的抗剪性能。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：先利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验测得沥青混合料的两组强度值，然后根据力学的原理并依据以下算式确定C、φ的值：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{g1}-{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}{{\mathrm{\σ}}_{g1}+{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}\right);$

$C=\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{2}\·\left(\frac{1-\sin \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\φ}}\right);$

其中值σ_u表示无侧限抗压试验中试件的抗压强度，σ₁和σ₃表示单轴贯入的强度乘以抗剪强度参数后所得的第一和第三主应力。

对单轴贯入试验，为得到σ₁和σ3还需用两个强度参数来乘贯入强度；其中σ₁所乘强度参数为0.765、σ₃所乘强度参数为0.087。

对于不同的沥青混合料，其抗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。即沥青混合料内部各应力的大小只是与泊松比和所施加的荷载以及所求应力位置有关，而与弹性模量无关。这样就可以通过有限元建模，无需考虑混合料的类型来分析沥青混合料的抗剪性能。

对于单轴贯入试验，不能简单地认为其为三轴受力模式，通过有限元建立符合实际受力的贯入模型，进而求解出在荷载为1MPa时模型中最大剪应力处的主应力值，以此作为基本的抗剪强度参数；然后利用这些基本的强度参数乘以单轴贯入试验测得的强度值，也就求出了沥青混合料中最大剪应力处的各主应力值和剪应力值，进而画出一个莫尔圆。

但是由力学原理可知，仅有一个莫尔圆是不够的，为了求解出沥青混合料的粘聚力C和内摩擦角φ，还需要进行了一组无侧限抗压强度试验。对于无侧限抗压试验，其受力模式可以完全等效为侧限为零的三轴抗压试验；若记其抗压强度为σ_u，则可知其主应力σ₁＝σ_u、σ₃＝0，这样便可以画出另一个莫尔圆。根据力学原理，用这两个莫尔圆就可以求解出沥青混合料的粘聚力C和内摩擦角φ。图1给出了利用两个莫尔圆求解C、φ的过程图示。

图中，σ_u表示无侧限抗压试验中试件的抗压强度，σ₁和σ₃表示单轴贯入的强度乘以抗剪强度参数后所得的第一和第三主应力。C、φ就是沥青混合料的粘聚力和内摩擦角值。

由图示，利用简单的几何关系，可以推导出基于贯入试验和无侧限抗压试验强度的C和φ值公式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{2}\cos \mathrm{\φ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{2}(1-\sin \mathrm{\φ})\·\tan \mathrm{\φ}=C\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_{g1}-{\mathrm{\σ}}_{g3}}{2}\cos \mathrm{\φ}-(\frac{{\mathrm{\σ}}_{3g}+{\mathrm{\σ}}_{1g}}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_{1g}-{\mathrm{\σ}}_{3g}}{2}\·\sin \mathrm{\φ})\·\tan \mathrm{\φ}=C\end{array}\right.---\left(1\right)$

由公式(1)两个方程，可以求解出公式如下：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{g1}-{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}{{\mathrm{\σ}}_{g1}+{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}\right)---\left(2\right)$

$C=\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{2}\·\left(\frac{1-\sin \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\φ}}\right)$

有了上面公式(2)，可以先利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验测得沥青混合料的两组强度值，之后结合有限元求解得出的抗剪强度参数，就可以求解出沥青混合料的两个重要抗剪切参数：粘聚力C和内摩擦角φ。然而对于公式中无侧限抗压强度，其可以看成侧限为零的三轴试验，因此通过抗压试验的具体数值，即可定出莫尔圆中的σ₁＝σ_u，σ₃＝0，这样便可以画出第一个莫尔圆。而对单轴贯入试验，由于其不是单纯的三轴受力方式，因此，如何确定出σ₁、σ₃成了问题的关键。

通过有限元的分析，提出的抗剪强度基本参数如下表所示，由于单轴贯入试验中应力的大小与材料的强度参数无关，因此，此参数可以通用。

	泊松比	σ1	σ3	τmax
					所乘强度参数	μ＝0.35	0.765	0.087	0.339

通过后续的一系列试验，验证了本方法具有简单方便、快捷稳定的特点，试验数据稳定，效果十分显著。

附图说明

图1是本发明实施例利用两个莫尔圆求解C、φ的过程示意图。

图2是本发明实施例贯入试验和抗压试验的典型变形应力示意图。

具体实施方式

为了明确以上系数和处理方法的应用方法，现结合一个典型的试验加以说明。图2为贯入试验和抗压试验的典型变形应力图。在图中把整个过程分成了几个阶段，我们取直线段作为沥青混合料的正常工作阶段，认为超过破坏拐点混合料即进入了破坏阶段；取破坏拐点处强度作为混合料的强度；然后利用该强度值乘以上表中的抗剪强度参数值，分别得到σ₁、σ₂；同时，结合无侧限抗压强度所对应得破坏拐点处的强度值，利用公式(2)，就可以求解出沥青混合料粘聚力C和内摩擦角φ的数值。

现举例如下：由单轴贯入试验，得到试件的拐点强度为1.5Mpa，无侧限抗压强度拐点处强度为0.5Mpa则：

σ₁＝1.5×0.765＝1.1475Mpa，

σ₃＝1.5×0.0872＝0.1308Mpa

σ_u＝0.5Mpa

由公式(2)可以求得：

$C=\frac{0.5}{2}\·\left(\frac{1-\sin \left(41.6\right)}{\cos \left(41.6\right)}\right)=0.1124\mathrm{MPa}$

Claims (3)

1、一种确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法，其特征在于：先利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验测得沥青混合料的两组强度值，依据以下算式确定C、φ的值：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{g1}-{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}{{\mathrm{\σ}}_{g1}+{\mathrm{\σ}}_{g3}-{\mathrm{\σ}}_u}\right);$

$C=\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{2}\·\left(\frac{1-\sin \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\φ}}\right);$

其中值σu表示无侧限抗压试验中试件的抗压强度，σ1和σ3表示单轴贯入的强度乘以抗剪强度参数后所得的第一和第三主应力。

2、根据权利要求1所述的确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法：其特征在于：对于公式中无侧限抗压强度，σ1＝σu，σ3＝0。

3、根据权利要求2所述的确定沥青混合料抗剪参数C、φ值的方法：其特征在于：对单轴贯入试验，σ1和σ3还需各自乘以一个参数，其中σ1所乘强度参数为0.765；σ3所乘强度参数为0.087。

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