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1、第五章第五章 路面材料的路面材料的 力学特性分析力学特性分析第五章第五章 路面材料的力学特性分析路面材料的力学特性分析n n 第一节 强度特性 n n 第二节 疲劳特性n n 第三节 变形特性第一节第一节 强度特性强度特性n n强度强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大荷载（或应力）。受的最大荷载（或应力）。n n路面材料可能出现的强度破坏通常为：路面材料可能出现的强度破坏通常为：因剪切因剪切应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑移或相对变位；移或相对变位；因拉应力或弯拉应力过大而引因拉应力或弯拉应
2、力过大而引起的断裂。起的断裂。 一、抗剪强度 n n抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。n n抗剪强度由两部分组成，其一是抗剪强度由两部分组成，其一是摩擦阻力摩擦阻力部分，部分，同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一是同同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一是同法向应力无关的法向应力无关的粘粘结力结力部分，即部分，即n n= =c ctgtg 式中：式中：c c材料的粘结力，材料的粘结力，kPakPa； 材料的摩阻角，材料的摩阻角，。 n n沥青混合料的粘结力取决于许多因素：1 1沥青的粘度：沥青的粘度：粘度越高，混合料粘结力也越大。粘度越高，混合料
3、粘结力也越大。下图为沥青针入度同粘结力的试验关系：下图为沥青针入度同粘结力的试验关系：n n 2 2沥青用量沥青用量：过少时，不足以充分涂敷矿质颗粒，过少时，不足以充分涂敷矿质颗粒，用量过多时，又将使颗粒被挤开，两种情况都会用量过多时，又将使颗粒被挤开，两种情况都会使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使粘结力达到最大，如图粘结力达到最大，如图：3.3.温度和剪切速率温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作沥青的粘度受温度和应力作用时间的影响很大，随温度的升高和剪切速率的用时间的影响很大，随温度的升高和剪切速率的下降，混合料的粘结力下降，下降，混合料
4、的粘结力下降， 如图：如图：4.4.细料细料：含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同沥青的吸附性好等因素，都有助于提高粘结力。沥青的吸附性好等因素，都有助于提高粘结力。二、抗拉强度n n材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供。其大小可采用所提供。其大小可采用直接拉伸直接拉伸或或间接拉伸试验间接拉伸试验，由所测到的应力由所测到的应力应变曲线上的最高应力或破坏应变曲线上的最高应力或破坏应力值确定。应力值确定。 n n在常温下，沥青混合料的抗拉强度，在一定范围在常温下，沥青混合料的抗拉强度，在一定范围内随沥青含量和施荷
5、速率的增加而增加，随针入内随沥青含量和施荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而下降。而在低温（负温）下，度和温度的增加而下降。而在低温（负温）下，其强度随各影响因素变化的规律略有不同，如下其强度随各影响因素变化的规律略有不同，如下图所示：图所示： 沥沥青混合青混合料料抗拉强度同各影响因素的关系抗拉强度同各影响因素的关系：n na)a)同沥青同沥青针针入度的关系入度的关系;b);b)同沥青含量的关系同沥青含量的关系( (沥青针入度为沥青针入度为40-50);40-50);n nc)c)同空隙率的关系同空隙率的关系( (沥青沥青针针入度为入度为40-70);d)40-70);d)同温度的关系同
6、温度的关系( (沥青针入沥青针入度为度为60-70)60-70)n n间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单：间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单：将材料做成较矮的圆柱形试件（直径将材料做成较矮的圆柱形试件（直径D D，长度，长度h h），测试时沿着试件的直径方向，经试件两侧的垫条测试时沿着试件的直径方向，经试件两侧的垫条按一定速率施加压力，见右图所示，直到试件开按一定速率施加压力，见右图所示，直到试件开裂破坏。抗拉强度便由下式决定：裂破坏。抗拉强度便由下式决定：三、抗弯拉强度n n整体性材料整体性材料 （如水泥混凝土、水泥稳定土或工业（如水泥混凝土、水泥稳定土或工业废渣）及常温下和
7、低温下的沥青混合料，在超过废渣）及常温下和低温下的沥青混合料，在超过允许荷载的作用下，有可能在结构层底面产生较允许荷载的作用下，有可能在结构层底面产生较大的拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现大的拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现断裂破坏。断裂破坏。n n抗弯拉强度大多通过抗弯拉强度大多通过简支小梁试验简支小梁试验评定。弯曲试评定。弯曲试验如下图：验如下图： 水泥稳定类材料的弯曲试验 ：采用三分点加荷 第二节第二节 疲劳特性疲劳特性n n 材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现象称之为疲劳。象称之为疲劳。 材料在经受低于其一次作用下的极限应力值材料在
8、经受低于其一次作用下的极限应力值的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为疲劳破坏。疲劳破坏。 疲劳极限：在应力作用一定次数后，材料的疲劳极限：在应力作用一定次数后，材料的疲劳强度不再下降而趋于稳定，此稳定值称为疲疲劳强度不再下降而趋于稳定，此稳定值称为疲劳极限劳极限一、沥青混合料的疲劳特性n n（一）试验方法和疲劳方程n n沥青混合料疲劳特性常采用沥青混合料疲劳特性常采用控制应力控制应力或或控制应变控制应变试验。试验。 n n疲劳方程疲劳方程: :式中：A、b、由试验得到回归常数。 沥青混合料疲劳特性试验沥青混合料疲劳特性试验n na)a)三轴压缩三
9、轴压缩 b)b)间接拉伸间接拉伸 c)c)小梁弯曲小梁弯曲n n控制应力试验是在试验过程中保持荷载或应力值始终不变。控制应力试验是在试验过程中保持荷载或应力值始终不变。由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度不断下降，因由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度不断下降，因而荷载或应力量虽然未变，而应变量的增长速率却不断增而荷载或应力量虽然未变，而应变量的增长速率却不断增大大 n n控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载或应力，控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载或应力，使应变量始终保持不变。在试验中材料的劲度仍不断下降，使应变量始终保持不变。在试验中材料的劲度仍不断下降，维持相同应变量所
10、需要的应力值也不断减小维持相同应变量所需要的应力值也不断减小 控制应力和控制应力和 控制应变疲劳试验控制应变疲劳试验 n na)a)应力控制应力控制;b);b)应变控制应变控制n n采用控制应力试验方法得到的一组应力采用控制应力试验方法得到的一组应力r r（或者（或者按初始劲度值按初始劲度值S Sm m转变成应变转变成应变r r）和疲劳破坏时作）和疲劳破坏时作用次数用次数NfNf的数据，在双对数坐标上可以相当满意的数据，在双对数坐标上可以相当满意地回归成直线方程，如图：地回归成直线方程，如图： 控制应力条件下热碾压沥青混凝土的疲劳试验结果：控制应力条件下热碾压沥青混凝土的疲劳试验结果：n n
11、采用控制应变试验方法采用控制应变试验方法 ，具有同控制应力试验法相反的，具有同控制应力试验法相反的规律，即随着温度的升高（劲度降低），材料的疲劳寿命规律，即随着温度的升高（劲度降低），材料的疲劳寿命反而增加。如图：反而增加。如图：n n两种试验方法得到不同的疲劳性状，原因可以用破坏机理两种试验方法得到不同的疲劳性状，原因可以用破坏机理的差异来说明的差异来说明 （二）混合料组成对疲劳性状的影响因因 素素因素因素变变化化劲劲度度疲疲劳劳寿命寿命应应力控制力控制应变应变控制控制荷荷 载载加荷速率加荷速率增增增增增增减减加荷加荷时间时间增增减减减减增增材料材料组组成成沥沥青含量青含量增增增增增增/ /
12、沥沥青青针针入度入度增增减减减减增增集料集料类类型型增粗糙和棱增粗糙和棱角角增增增增减减集料集料级级配配由开式到密由开式到密式式增增增增影响可忽略影响可忽略空隙率空隙率增增减减减减减减环环境境温度温度增增减减减减增增二、水硬性材料的疲劳特性n n可通过可通过对小梁试件施加重复应力对小梁试件施加重复应力来进行。来进行。n n应力比应力比 ：重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯：重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯拉应力（抗折强度）值之比拉应力（抗折强度）值之比 。n n疲劳曲线疲劳曲线 ：应力比与重复作用次数的关系曲线：应力比与重复作用次数的关系曲线 。n n水泥稳定类材料的疲劳特性同水泥混凝土的相
13、似，水泥稳定类材料的疲劳特性同水泥混凝土的相似，但疲劳方程的系数但疲劳方程的系数 和和 则有所不同。则有所不同。 水泥混凝土疲劳试验曲线水泥混凝土疲劳试验曲线 ：n n规律：规律：（1 1）随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数降低。降低。（2 2）相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数变）相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数变动幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布动幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布（3 3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程的疲劳方程
14、三、Miner定律n n要把室内单一施荷方式得到的疲劳方程应用于路要把室内单一施荷方式得到的疲劳方程应用于路面结构分析，还须解决如何考虑不同荷载的综合面结构分析，还须解决如何考虑不同荷载的综合疲劳作用问题。疲劳作用问题。n n假设：假设：各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲劳损坏可以线性叠加。劳损坏可以线性叠加。n n荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为：荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为：第三节第三节 变形变形特性特性n n一、应力一、应力应变关系应变关系1.1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型
15、试件测试应力应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明显的非线性特征。显的非线性特征。2. 2. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试。单轴加压进行测试。3.3.沥青混合料的应力应变特性测试也相同。在低温下，沥青混合料的应力应变特性测试也相同。在低温下，可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试验测定。验测定。 由于沥青混合料中的结合料由于沥青混合料中的结合料沥青具有依赖于温度和沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘加
16、荷时间的粘弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的应力来表征沥青混合料的应力应变特性关系。应变特性关系。 沥青混合料压缩蠕变试验沥青混合料压缩蠕变试验n na)a)1=30kPa;b)1=30kPa;b)1=480kPa(1=480kPa(温度温度60;60;侧限应力侧限应力3=0)3=0)n n当沥青混合料受力较大，且力的作用时当沥青混合料受力较大，且力的作用时较较长时，应力一应变关系呈现长时，应力一应变关系呈现出弹性，弹一粘性和弹一粘一塑性等不同性状。出弹性，弹一粘性和弹一粘一塑性等不同性状。 沥沥青劲度随时间和温度的变化曲线青劲度随时间和
17、温度的变化曲线：n n由由上上图可以看出，当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明图可以看出，当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明材料处于弹性状态；而加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性材料处于弹性状态；而加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性状态；中间过渡段兼有弹一粘性状态。各种温度条件下的曲线形状有状态；中间过渡段兼有弹一粘性状态。各种温度条件下的曲线形状有相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。这表明温度对劲度的影响相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。这表明温度对劲度的影响与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。 二、累积变形n n1
18、 1、碎、砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律碎、砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律同细粒土相似。同细粒土相似。n n2 2、级配良好的颗粒材料在偏应力较小时，随着重复作用、级配良好的颗粒材料在偏应力较小时，随着重复作用次数次数N N的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值同的大小有关：但偏应力较大时，则永久应变随作用次数同的大小有关：但偏应力较大时，则永久应变随作用次数不断增长，直到破坏，见下图：不断增长，直到破坏，见下图： n n2 2、沥青混合料、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷温度越高、作用应力越大和总加荷时间越长，永久应变的累积量就越大。密实型沥时间越长，永久应变的累积量就越大。密实型沥青碎石混合料的变形累积如图青碎石混合料的变形累积如图: :
