路面材料的應力——應變特性

康艷萍

(黑龍江省呼蘭養路總段)

用于基層和底基層的無結合料碎、礫石材料無法通過成型試件直接測試應力－應變特性，可以由三軸壓縮試驗所得到的應力—應變關系曲線求得表征其應力—應變特性的回彈模量值Ero。經試驗發現，它的應力—應變特性具有明顯的非線性特征，即彈性模量Er隨偏應力σd=(σ1－σ3)的增大而減小，隨側壓力σ3的增大而增大。根據大量試驗，碎、礫石材料的回彈模量值可以用下列形式表示:

式中:θ為三向主應力之和，kPa;K1、K2為回歸常數，同材料性質有關。

由回歸分析得到，一般情況下碎石集料的K1變動于7.0～15.7;K2變動于0.46～0.64之間。

碎、礫石材料的回彈模量值同材料的級配、顆粒形狀、密實度等因素有關，取值范圍為100～700MPa。通常，密實度越高，模量值越大;顆粒棱角多，模量高;細料含量不多時，含水率的影響很小。

水泥混凝土以及用無機結合料處治的混合料，經搗實成型，并養護一定期限之后，具有一定的強度，因此研究這一類材料的應力－應變特性，可以采用規則試件進行測定。常用的試驗方法有三種，即單軸試驗、三軸試驗以及小梁試驗。

水泥混凝土混合料抗壓強度和抗壓彈性模量測定用的單軸試驗150mm×150mm×300mm的直角棱柱體試件。先測定抗壓強度，然后取同樣的試件施加40%的抗壓強度用于測定抗壓回彈模量，用傳感器或千分表記錄軸向壓縮變形量。混凝土的抗壓彈性模量按式(2)計算

式中:PA為終荷載，kN;P0為初荷載，kN;▽a為加載P0及PA作用下之變形差，m;L為試件軸向標距長度，m;F為試件橫截面積，m2。

無機結合料混合料早期強度低，后期強度高。在早期，測定其應力－應變特性關系，不宜采用無側限單軸試驗方法。最理想、最符合路面結構實際工作狀態的試驗方法為三軸壓縮試驗。通過試驗發現，這一類材料的應力一應變關系曲線呈現出非線性特征，同土一樣，其彈性模量是三向主應力的函數。然而，在應力級位較低時(低于極限應力50%)，應力－應變曲線可近似看作是線性的。按回彈應變量確定的回彈模量值，可以近似看作為常數。

在不具備三軸壓縮試驗條件時，可以采用室內承載板法測定無機結合料混合料早期抗壓回彈模量。用于承載板法試驗的試件取直徑×高=150mm×150mm，承載板直徑37.4mm，面積11cm2。試驗時取承載板的單位壓力為200～700kPa，分級加載，同時記錄承載板的沉降量，回彈模量值按式(3)計算

式中:p為承載板單位壓力，kPa;D為承載板直徑，m;l為相應于單位壓力p的回彈變形，m;μ為泊松系數，可取0.25。

水泥混凝土路面與無機結合料處治的混合料基層，在車輪荷載作用下處于彎曲受力狀態，在結構分析時，采用相應的計算參數抗折彈性模量。測量抗折彈性模量所用的試件尺寸與測量抗折強度時所用的小梁試件相同，加載方法也相同。取抗折強度對應荷載的50%，作為最大荷載，加載時同時記錄小梁跨中的撓度。

抗折彈性摸量按式(4)計算

瀝青混合料應力－應變特性的測試方法與以上各種材料所用的方法相類似，在低溫條件下可以用單軸試驗或小梁試驗，在高溫條件下，由于瀝青材料的溫度敏感性強，用三軸壓縮試驗更能符合實際受力狀態。

瀝青混合料的應力一應變特性同上述材料有很明顯的不同。由于混合料中的瀝青材料具有依賴于溫度和加荷時間的黏一彈性性狀，因此，瀝青混合料在荷載作用之下的應力一應變也具有隨溫度和荷載作用時間而變化的特性。

對瀝青混合料進行三軸壓縮試驗，在不變應力的作用下，可以得出應變同應力作用時間的關系曲線，如圖1所示。其中圖1a)為施加應力比較小的情況，一部分應變在施荷的同時立即產生，而卸荷后這部分應變又立即消失，這是瀝青混合料的彈性應變，應力同應變成正比關系。另一部分應變(ε0)隨加荷時間延長而增加，卸荷后隨時間而逐漸消失，這是瀝青混合料的黏彈性應變。這種現象說明，當瀝青混合料受力較小，且力的作用時間十分短暫時，基本上處于彈性狀態并兼有彈黏性性質。圖1b)為施加應力較大的情況，這時，除了瞬時彈性應變及滯后彈性應變之外，還存在著隨時間而發展的近似直線變化的秸性和塑性流動，卸荷后這部分應變不再能恢復而成為塑性應變。這說明，當瀝青混合料受力較大，且力的作用時間較長時，應力－應變關系呈現出彈性，彈－黏性和彈－黏－塑性等不同性狀。

圖1 瀝青混合料壓縮蠕變試驗