第八章路面材料的力学性质
(三) 本次研究主要成果
参加此专题研究的有七个省、四院校，共计十一个单位，重点对十种半刚性材料和沥青混合料进行了测试和研究工作，根据这些资料汇总取得下列成果。
1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律
将全国资料汇总分析，总结了石灰土、二灰土、二灰碎石，水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度ζ、劈裂模量E随龄期(日)d而增长的规律，它们之间具有良好的直线型或幂函数关系，以幂函数的相关性更好。
表6-1、6-2汇总了半刚性材料ζ～d、E～d的相关关系。
表6-3、6-4表示了水泥碎石、二灰碎石的E～d、R～d、E～d、ζ～d的增长规律。由表可知，水泥碎石的力学参数在28天时，平均可达到180天的54%，90天平均可达到80%；二灰碎石的力学参数在28天仅平均达到38%，90天平均达到64%，由此可见原规范对水泥碎石采用90天的龄期，二灰碎石力学参数初期增长缓慢，为充分发挥材料的潜力，采用180天龄期是合理的。
水泥碎石90天龄期的抗压强度E、R可达到180天的E、R的80%和88%，而劈裂参数E、ζ却为78%和72%，二灰碎石90天龄期的抗压参数E、R可达到180天的70%，而劈裂参数E、ζ仅达到56%和59%。所以，劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。
表6-1-1 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律
表6-1-2 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律
表6-2-1 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律
表6-2-2 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律
表6-3 水泥碎石
表6-4 二灰碎石
2、半刚性材料参数汇总及变异性分析
表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度δ。
将表6-5的各种半刚性材料按力学指标——R，E，ζ，E并按大小进行排列，分别计算其平均值，均方差，按98%的保证率计算代表值，并将排列序号相加得到合计分，分数最少的为第一名，分数最多则在排序为最后。表6-6为力学指标排序表。
由表可知，抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好，这与回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看，仍能将十种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析：①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉煤灰碎石是最好的基层材料；②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳定类；③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅3%，石灰5%，实际上属于石灰稳定类，故强度、模量稍低；④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高，这说明这类材料只要拌和均匀，是可以获得良好的强度和刚度，作为底基层用是一种好材料；有的省在缺乏砂石料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层，路面的弯沉值也较小，但裂缝发展较快，应进一步观察，总结经验；⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料，因此，随着当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下，石灰土不宜作为高等级公路的基层用。
表6-6 半刚性材料按力学特性排列名次
表6-7汇总了十种材料参数的变异系数。
由表可知，各种半刚性材料的变异系数变化范围均在5-55%左右，多数为5-30%。这样大的变异性是与材料类型、各地原材料的质量差异、配合比差异有关，与制件和测试的操作和养生设备等人为因素有关，因此，设计时应根据各地区的材料、实测材料设计参数，考虑施工的实际情况确定采用的设计参数值。
表6-7 半刚性基层材料参数变异系数C(%)
3、材料模量与强度关系
根据测试结果，按抗压模量与抗压强度的均值，劈裂模量与劈裂强度的均值进行回归分析得到如下相关关系：
基按抗压模量与抗压强度的代表值，劈裂模量与劈裂强度的代表值进行回归，可得(6-2-1)、(6-2-2)相关关系：
由数理统计可知，对于样本容量n=10的回归，若要求95%可靠性，则最小相关系数为0.632；若要求90%可靠性，则相关系数最小应达到0.549。因此，除(6-2-1)式外，其他公式均可利用作为模量值的估算。
4、抗压、劈裂、弯拉参数之间对比关系
(1) 标准条件下设计龄期各种力学参数对比关系，无论是用均值，还是代表值，同类材料的R/ζ，E/E比值，其变异性均较大，且模量比值的变异性大于强度比值。各半刚性材料R/ζ，E/E，其变化范围强度比一般为5-11，模量比1.2-6。详见分报告五。
半刚性材料抗压参数与劈裂参数均值比：
半刚性材料抗压参数与劈裂参数代表值比
(2) 十种半刚性材料抗压参数与劈裂参数之间相关关系：
以上四个公式中，除抗压模量均值与劈裂模量均值间建立的回归公式(6-3-2)其相关性较差外，其他三个统计公式均成立。
(3) 弯拉参数与劈裂参数的比值
石灰土
二灰碎石
石灰土稳定碎石
水泥碎石
5、现场制件与室内标准制件对比
在标准养生条件下，规定龄期时现场制件与室内制件的设计参数对比，从本次测定结果来看，尚未得出明确的规律，分散性较大。对同一种材料而言，抗压强度的变异性较小。石灰土的对比情况与其他材料不同，广西、湖北、吉林三省的资料表明，现场制件测定值大于室内制件测定值，而同济大学在苏州试验路上测得的结果是现场制件测定值小于室内制件测定值。
表6-8为现场制件与室内标准制件的设计参数统计表，仅供推荐材料设计参数时参考。
表6-8 现场制件与室内标准制件参数的关系统计表
6、半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系
半刚性基层材料的强度和模量在某种温度范围内随着龄期增加而增长在工程实践中采用一个标准龄期作为确定材料设计参数的标准：即室内养生温度20℃±2℃，相对湿度大于90%条件下，水泥稳定类以三个月龄期(90d)，灰土和二灰稳定类以六个月龄期(180d)为标准。
由于龄期长，给工程设计和施工技师检验带来不便，因此，采用快速养生法预测半刚性基层材料的强度和模量参数值是十分必要的。
经研究表明，养生龄期天数d与养生温度T存在式(6-6)所示的关系(a为试验系数，即材料系数)：
即能在较短的时间内以较高的温度获得相当于标准养生温度20℃±2℃下较长龄期(设计标准龄期)的结果。为了在较短的时间内获得标准养生条件下规定设计龄期强度，则养生温度越高越能节省时间。但从国外资料表明，高于60℃后规律性较差，所以选用60℃作为快速养生的标准温度。
为了建立半刚性基层材料的时-温换算关系，同济大学道路与交通工程研究所对二灰碎石、水泥碎石两种典型半刚性基层材料在五种养生温度(15、20、40、50、60℃)下和不同养生龄期时的抗压强度和模量以及劈裂强度和模量进行了测试研究。现将其最后成果汇总于下。
(1) 二灰碎石
1) 抗压参数时-温换算关系
对于二灰碎石抗压强度和模量得到如下时-温换算关系：
这就表明，在60℃的养生温度条件下养生一天，相当于标准养生温度20℃下养生20天。即在60℃的养生温度条件养生9d测得的抗压强度和模量值，就相当于标准养生条件(温度20℃、龄期180d)下的设计参数。
2) 劈裂参数的时-温换算关系
对于二灰碎石劈裂强度和模量得到如下时-温换算关系：
式(6-8)表明，在60℃的养生温度条件下养生6d测得的劈裂强度和模量，就相当于标准养生条件 (温度20℃，龄期180d)下的设计参数。
(2) 水泥碎石
对于水泥碎石在不同养生温度下和不同龄期时的抗压强度和模量、劈裂强度和模量的研究表明，它们存在一个通用的时-温换算表达式：
式(6-9)表明，60℃的养生温度条件下，养生11.25d(11天6小时)所测得的水泥碎石的抗压强度和模量、劈裂强度和模量即可作为龄期90d水泥碎石的设计参数值。
(3) 进一步验证
表6-9 半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系汇总表
为了验证同济大学的上述成果，山西省交通科研所、广西交通设计院和交通科研所对二灰碎石和水泥碎石也进行了快速养生与标准养生对比试验研究。根据其测试数据，我们按同样的数据整理方法进行整理分析，其结果与同济大学建立的d/d值对比分析见表6-9。由表6-9可知，12组数据有4给数据误差达40%以外，其余8组数据的误差均小于15%，只要在快速养生过程中严格按试验规程进行，则按快速养生法测试的试验数据，是可以用于预测设计参数值。因此，快速养生方法对加快设计配合比周期，对施工质量控制和质量检验具有重要意义，是一项具有较大实用性的技术。快速养生法可在生产中进一步推广应用。
7、沥青混合料材料设计参数与温度的关系
由于弯沉设计指标是以20℃为标准温度，层底拉应力验算是以15℃为设计温度，因此，沥青混合料的抗压参数以20℃为标准温度，劈裂参数以15℃为标准温度，分别建立材料设计参数与温度的相关关系，表6-10-1为沥青混合料抗太强度和抗压模量与温度T间的关系
式汇总表，表6-10-2为沥青混合料劈裂强度、劈裂模量与温度T的关系式汇总。
根据山西省交科所的研究表明：对同一级配类型的沥青混凝土，抗压参数、劈裂参数与标准温度之比值同温度T的关系式与沥青标号无关；表6-10中表明，中粒工沥青砼的密级配与开级配的相关公式很接近；同济大学与公规院的成果也表明，级配类型对设计参数与温度的影响不大。因此，将表6-10的资料汇总，综合得到如下表达式
根据上述公式，只要测得20℃或15℃以下的抗太参数或劈裂参数，就可推算-10℃～+30℃范围内的相应设计参数。
表6-10-1 沥青混合料抗压强度R和模量E与温度T的关系式汇总
表6-10-2 沥青混合料劈裂强度ζ和模量E与温度T的关系式汇总
8、沥青混合料劈裂参数与加荷速度关系
同济大学对单家寺沥青AH-70，采用中粒式沥青混凝土(LH-20I)进行了温度(T)为0、7.5、15、25℃时，加荷速度(V)为2、6、20、50mm/min的劈裂强度、劈裂模量的测试，经整理分析得到如下关系：
①以代表值回归结果
②在标准温度为15℃时，可简化为：
③当沥青标号小于100的沥青混凝土：
④当沥青标号大于100的沥青混凝土：
9、沥青混合料抗压、劈裂、弯拉设计参数的关系
根据《路面材料抗弯拉设计参数简化测定方法》研究，曾对中粒式沥青混凝土CH-20I 和粗粒式沥青混凝土CH-30II在15℃条件下的抗压强度、模量，劈裂强度、模量以及弯拉强度，模量之间进行对比测试分析结果汇总于表6-11。
表6-11 各设计参数对比
在公路路面中，首先应考虑材料抵抗车辆荷载压碎的抗压强度。通常，材料的抗压强度越高，荷载支承能力也越高。另一方面，高强度材料的修建成本总量较高。此外，还应研究材料在荷载作用下的变形特性，即应力-应变性质问题。普通的建筑材料，其应力-应变关系分为三个阶段。在加载的最初阶段，材料的变形是与施加荷载的强度成比例的。在这一阶段应力-应变函数是线弹性的。在第二阶段，应变增加较应力快，材料处于平衡的塑性状态。第三阶段，材料发生破坏之前，应力增加速率快于应变。
公路路面必须维持较长的使用寿命，并在经受荷载的反复作用后仍保持表面的平整。因此，线性应力状态是设计中最关心的问题。表示材料线性应力-应变状态的参数，称为弹性模量。在地面有沉降的地方，较高的弹性模量会引起路面较大的挠度和附加应力。因此，路面材料的弹性模量并非越高越好，它应该与其设计的地基的物理性质相适应。
公路路面试验结果表明，在活动荷载作用下，路面经常处于拉应力之下。为些，对路面结构的面层应具有足够的抗弯拉强度，以克服轮载、温度及沉降作用引起的弯拉应力。
所有的材料在受拉或高温下伸长，在受压或较低温度下收缩，路面材料必须能承受这种往处处地伸缩作用。材料的这种延展性常用拉应力下的拉伸百分率表示。在道路建筑中，为改善材料的延展性，可通过增加细料的含量或降低其弹性模量值。但较低的弹性模量又不能提供较高的荷载支承能力，所以，设计时应在材料的延展性与适当的弹性模量之间取得平衡。
公路路面必须在其预计的使命寿命期间经受设计荷载的重复作用。材料抵抗重复荷载作
用的能力叫作疲劳强度。影响路面使用寿命的主要因素有：工作应力的大小；应力波动范围及超载作用情况等。
公路道路面所使用的材料，可大致分为三类：(1) 颗粒型材料；(2) 沥青类；(3) 水硬性结合料类。这些材料按不同方式(密实型、嵌挤型和稳定型)组成各种路面结构层。随着材料性质和组成方式的不同，各种道结构层在力学性能上表现出很大的差异。
道路面材料在车辆荷载和环境因素的影响下所表现出的力学性质，对路面的使用品质和使用寿命有决定性的作用。对路面材料力学性质的分析和认识，有助于设计出符合使用要求的道路面结构。同时，用解析法分析路面结构内力和位移的结果是否符合实际，在很大程度上也取决于对材料力学性质的正确了解，和反映材料力学性质的各项参数的合理选用。
下面着重讨论上述三种类型材料同路面结构设计相关的两方面力学性质，即变形性(包括应力-应变特性和变形累积)和强度特性(包括抗压强度和疲劳强度)，以及表征这些性质的指标和其确定方法。
§8-1 应力-应变特性
荷载作用下在路面结构内产生的应力、应变和位移量，不仅同加荷状况有关，还取决于路面材料的应力-应变特性。进行路面结构分析时，必须知道材料的这一重要特性。
一、颗粒材料的应力-应变特性
对于用作基层和垫层的无结合料的碎(砾)石材料，由三轴试验所得的应力-应变关系曲线，具有同粘性土相似的非线性特性，因而，表征其应力-应变关系的回弹模量E，也随偏应力ζ(即ζ-ζ)的增大而减小，随侧限应力ζ的增大而增大，但侧限应力的影响要比粘性土的情况大得多。
根据大量试验结果，碎(砾)石材料的回弹模量值可用下列形式表示：
式中，θ——主应力之和(MPa)，三轴试验中，
K、K——同材料性质有关的系数，由试验确定。
图8-1所示为某一碎石材料的试验结果。由回归分析可以得到，K=3.77，K=0.71。一般情况下，K大体上可取为3.05～4.57，K取为0.5。
除了受应力状况的影响外，碎(砾)石材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关，变动在100～700MPa范围内。通常，级配越好，密实度越高，则模量值越大；颗粒棱角多者有较高的模量；当细料含量不多时，含水量对模量的影响很小。
材料的泊松比取决于主应力比或偏应力ζ和平均法应力(即θ/3)的比值，随其比值的增加而增加。但变动范围不大，设计计算时，可近似取用0.30～0.35。
在进行路面结构设计时，碎(砾)石材料模量值的取用较为复杂。面层结构较厚时，传递给粒料层的应力级位较小，碎(砾)石材料的应力-应变关系可近似地看成为线性。但当面层结构薄时，则必须考虑材料层的非线性特性。碎(砾)石基(垫)层所能达到的密实度，依赖于其下面的支承结构的刚度。同时，由于其非线性特性和抗拉强度较小，粒料层底部的模量值往往很小，所以，碎(砾)石层材料在路面结构层中的实有模量值，随结构层组合及其毗邻结构层的刚度而异，不宜在应力和应变计算中简单地应用单独试验时得到的模量值。按材料层受到的应力状况采用迭代法确定的模量值，比较符合实际情况。这个模量值可取为土基模量值的一定倍数，此倍数同粒料层的厚度和土基模量有关，大体上变动在1.5～7.5范围内，一般情况下采用2.5较合适。
表8-1是根据《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》整理的颗粒材料抗压回弹模量的建议值，可作为公路路面设计时的参考。
颗粒材料抗压回弹模量建议值表8-1
二、水泥稳定类材料的应力-应变特性
一般说来，水泥稳定土的应力-应变关系也呈现非线性特性。图8-2所示即为由三轴试验得出的水泥稳定细粒土和砾石土的一些典型应力-应变关系曲线。可以看出，表征应力-应变关系的模量值同土一样，是应力(偏应力ζ和侧应力ζ)的函数。然而，在应力级位较低(低于极限荷载的50%～60%)时，应力-应变曲线可近似地看成是线性的。
水泥稳定土也具有蠕变性状，在荷载作用下会出现少量塑性变形。但塑形变形量随加荷次数增加而很快趋于稳定，因而，按回弹应变量确定的回弹模量值基本上可看作一个常数。
影响水泥稳定土弹性(回弹)模量值的主要因素有：土的类别、水泥含量、龄期和侧限压力等，其值变化范围较大。水泥稳定细粒土的模量大致为(0.7～7)³10MPa，泊松比变动于0.15～0.35之间；而水泥稳定砾石的模量为(7～28)³10MPa，泊松比为0.10～0.20。
石灰稳定土和各种工业废渣的应力-应变特性，同水泥稳定土相似。
表8-2是《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》推荐的水泥稳定类材料的回弹模量建议值。
水泥稳定类材料抗压回弹模量建议值(MPa) 表8-2
三、沥青混合料的应力-应变特性
沥青混合料的应力-应变特性同粘性土和颗粒材料有很大差别。由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘-弹性性状，沥青混合料在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特性。
(一) 应力-应变关系
对沥青混合料进行三轴试验，在固定的应力作用下，可得到应变和应力作用时间的关系曲线，如图8-3所示。其中，图8-3(1)为施加应力相当小的情况，一部分应变(ε)在施加荷载后立即产生，而卸荷后这部分应变又立即消灭。这是混合料的弹性应变，应力和应变成正比例关系。另一部分应变(ε)随加荷时间的增加而增加，卸荷后则随时间增长而逐渐消失(或基本消失)，这是混合料的粘弹性应变。这一现象说明，沥青混合料在受力较小时，特别是受荷时间短促时，处于或基本上处于弹性状态并兼有粘弹性的性质。图8-3(2)表示应力足够大的情况。这时，除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变外，还存在着随时间而发展的近似直线变化的粘性和塑性流动，卸荷后这部分应变不再恢复而成为塑性应变。这说明沥青混合料受荷达一定值，特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且有随时间而发展的塑性应变。对比左右两图可以看出，随施加应力的级位和作用时间的不同，沥青混合料的应力-应变关系分别呈现出弹性、弹-粘性和弹-粘-塑性等不同性状。
沥青材料的粘滞度受温度影响很大，因而温度对沥青混合料的性状也有较大的影响。其它条件相同时，同一混合料在高温和低温时的应变量(反映在模量上)可相差几十倍(见图5-1)。在低温时，混合料基本上属于弹性体，而在常温和高温时，则可能相应变为弹-粘性或弹-粘-塑性体。
(二) 劲度
反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，称作劲度S，也即
式中的脚标t和T分别表示加荷时间和温度。
加荷时间和温度对沥青劲度S的影响情况，可由图8-4所示的试验曲线看出。加荷时间短时，曲线接近水平，表明材料处于弹性性状；加荷时间很长时，便表现为粘滞性性状；处于二者之间时则兼有弹-粘性性状。各种温度下的S-t关系曲线具有相似的形状，如果将曲
线作水平向移动，则将可将它们重合在一起。这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间对劲度的影响效果相当。温度和加载时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一个重要性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。
Vander Poel对47种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载时间和温度范围内做了大量试验，得出了能预估不同加荷时间和温度下沥青劲度的诺谟图，见图8-5。
此诺谟图根据影响沥青劲度的三项参数查用：
1、加荷时间t；
2、温度T同沥青材料软化点S的差值，即温差S-T；
3、针入度指数PI，表明沥青对温度的敏感性，按25℃时的针入度P和软化点S的大小由下式确定：
大部分道路用沥青的PI值变化在-1到+1范围内。PI越小，沥青材料的温度敏感性越高。煤沥青的PI值可低到-3，比绝大部分沥于容易受到温度变化的影响。
沥青混合料的劲度可通过三轴压缩、梯形悬臂弯曲、小梁弯曲或旋转弯曲试验，在控制温度和加荷时间条件下，测定应力和相应的应变值后，按式(8-2)确定。对各种混合料在不同加荷时间和温度条件下测得相应的劲度值后，可点绘出该种混合料的劲度曲线图，见图8-6，以供结构设计时使用。
当沥青的劲度高于10MPa时，沥青混合料的劲度是沥青劲度及混合料中集料数量和沥青含量的函数。壳牌的研究者们使用劲度大于5MPa的各种沥青材料组成了适用于不同场合的12种沥青混合料，对此进行了参数变化范围较广的大量劲度试验(梯形悬臂弯曲试验)。由试验结果得出了可以根据沥青劲度(按图8-5求出)和混合料中集料的体积V(%)预估沥青混合料劲度的诺谟图，见图8-7。图中集料含量用V表示，沥青含量用V表示，S表示沥青劲度，S表示混合料劲度。
当温度较高或加荷时间长时，沥青劲度低于10MPa。这时，沥青的作用减弱，混合料的劲度除了受S、V和V的影响外，下列因素逐渐显得重要：(1) 集料的类型、形状、结构和级配；(2) 压实方法和空隙率；(3) 侧限条件。当沥青劲度极低时，混合料的劲度，即抵抗变形的能力，便完全由集料骨架承担。
(三) 泊松比
沥青混合料的泊松比受温度的影响较大，见图8-8。这是根据实测结果归纳出的μ值随温度的变化情况。当温度低时(E值高)，μ值低；温度升高，μ值随之增大，平均处于0.25～0.50范围内，可根据面层的温度条件取用。
§8-2 变形累积
公路沥青路面在车辆荷载的反复作用下会因塑性变形累积而产生沉陷或轮辙，这是沥青路面的一种重要病害。路面的这种永久变形，是土基和路面各结构层材料塑性变形的综合结果。它不仅同荷载大小、作用次数和土基的性状有关，也受路面各结构层材料的变形特性的影响。
一、颗粒材料
碎(砾)石材料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。图8-9中绘示了一种级配良好的颗粒材料的重复加载试验结果。由图可见，当偏应力ζ低于某一数值时，随应力重复作用次数而增加的塑性变形量逐渐趋于稳定，重复次数大于10次后，达到一平衡应
变量，此平衡应变量的大小同ζ/ζ的比值大小有关。但偏应力较大时，则塑性变形量随作用次数的增加而不断增长，直到破坏。
级配差、尺寸单一的粒料，即便在应力重复作用很多次以后，塑性变形仍然继续发展，因此，这种材料不宜用于公路路面。含有细料的颗粒材料，如果细料含量过多，影响到混合料的密实度，将使变形累积量增大。
二、沥青混合料
当沥青稠度低、加载时间长或温度较高时，沥青混合料表现为弹-粘-塑性体，应力重复作用下将会出现较大数量的累积变形。
对沥青混合料永久变开特性的研究，可利用静态蠕变(单轴受压)试验或重复三轴压缩试验进行。前一种试验较简单，而后一种试验同实际受力状况相符，但二者所得到的累积应变-时间关系的规律基本一致，因为重复应力下塑性应变的逐步累积实质上也是一种蠕变现象。
图8-10为一密实型沥青碎石混合料经受重复三轴试验的结果。由图可见，塑性应变量承重复作用次数而增加，温度越高，塑性应变累积量越大。许多试验结果表明，在同一温度条件下，控制累积应变量是总加荷时间，而不是重复作用次数；加荷频率以及应力循环间的停歇时间对累积应变-时间关系的影响都不大。
影响累积量的因素，除了温度、作用应力大小和加荷时间外，还同集料的情况有关。有棱角的集料比圆形集料能提供较高的劲度，即塑性变形累积量较低；密级配沥青碎石，由于集料具有良好的级配特性，其变形累积量低于含沥青较多的沥青混凝土。压实的方法和程度会影响混合料的空隙率和结构，因而也会影响变形累积规律。此外，侧限应力的大小也有影响，可由图8-10中看出。
§8-3 强度特性
强度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)。构成公路路面各结构层的材料，一般都具有较高的抗压强度，而抗拉或抗剪强度较弱。这在颗粒材料中或结合料粘结力较低的结构中尤为突出。控制路面材料极限破坏状态的往往不是抗压强度，可能出现的强度破坏通常为：(1) 因剪切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；(2) 因拉应力或弯拉应力过大而引起的断裂。
一、抗剪强度
当面层厚度较薄刚度较低时，传给土基的应力较大，有可能出现因土基承载力不足而引起的剪切破坏。这一般发生在低等级的路面上。在面层较厚但刚度较低(如高温下的沥青类路面)时，如果受到较大的水平力(如紧急制动)，就有可能因抗剪强度不足而出现面层推移(拥包)等破坏。
抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。由摩尔-库仑强度理论可知，抗剪强度由两部分组成，一部分是摩阻力，同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一部分是与法向应力无关的粘结力，即
η=c+ζtgθ (8-4)
式中，c——材料的粘结力；
θ——材料的摩阻角；
ζ——作用在剪切面上的法向应力。
土的抗剪力问题是比较复杂的，如果试验时试件可以完全控制排水，水分可以从孔隙流入或排出，则土的抗剪性质以式(8-4)表达。软的及饱和的粘土几乎没有内摩阻力，上式变为：
η=c (8-5)
无粘结性材料的抗剪强度可以写成：
η=c+ζtgθ (8-6)
c和θ是表征材料抗剪强度的两项参数，可以通过直剪试验，绘出η～ζ曲线，按(8-4)式确定。也可由三轴压缩试验，完成两个或两个以上不同侧压力下所取得的三轴试验资料，绘出摩尔圆和相应的包络线，可以确定适当的粘结力和摩阻角。对于道(路)面设计，侧压力ζ为0，1.45，2.9kPa可以取得满意的结果。如图8-11(2)，点出侧限压力的破坏时的垂直总压力的各点，并通过这些点绘出各个圆。然后绘出与各个圆相切的一条直线，即为摩尔破坏包络线，进而定出粘结力和摩阻角。
由于三轴试验接近实际受力状况，目前大多采用这种方法确定材料的c和θ值。三轴试验试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍，试件高度和直径之比不应小于2。集料最大粒径小于2.5cm时，目前大都采用试件直径10cm，高20cm。
干砂的内摩阻角大约变化在28°～35°之间，粉土和粉质砂土约为15°～25°，软的饱和粘土的内摩阻角等于。对于部分饱和粘土，其内摩阻角变化于0～30°之间。
沥青混合料经受剪切时，既存在矿质颗粒间的相互位移和错位阻力，又有裹敷在颗粒表面上的沥青膜之间的粘滞阻力。因而，沥青混合料的抗剪强度不仅同粒料的级配组成、形状和表面特性有关，也同所采用沥青的粘结力和用量有关。
大量试验结果表明，沥青混合料的粘结力取决于许多因素：
1、沥青的粘度粘度越高，混合料受剪时的粘滞阻力就越大，因而粘结力也越大。图8-12所示为沥青针入度同粘结力的试验关系。
2、沥青用量用量过少时，不足以充分裹敷矿质颗粒间过多的沥青会将矿料挤开，两种情况都会使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使粘结力达到最大，如图8-13所示。
3、温度和剪切速率沥青的粘度受温度和应力作用时间影响很大。随温度的升高和剪切速度的下降，混合料的粘结力下降，见图8-14。
4、细料细料(特别是矿粉)的含量增多，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。
混合料中的矿质颗粒因为沥青裹敷，其摩阻角比纯粒料有所降低。沥青含量越多，θ值下降越甚，见图8-13。而集料级配良好，富有棱角时，有助于增加摩阻角。
二、抗拉强度
车辆着陆滑跑制动时，机轮后侧的路面将受到很大的径向应力；面层温度随气温骤降，其收缩受下卧层的摩阻约束时，也会产生较大的拉应力。当面层材料的抗拉强度不足以抵抗上述荷载或非荷载应力时，面层将会出现断裂。
材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验，则所测到的应力-应变曲线上的最高应力或破坏应力值确定。直接拉伸试验，是将混合料做成圆柱形试件，其两端用环氧树脂粘于金属盖帽上，通过安置在试件上的变形传感器，测定试件在各级拉应力下的应变值，见图8-15。间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单：将材料做成较短的圆柱形试件(直径D，长度t)，测试时沿着试件的直径方向，以由试件两则的垫条按一定速率施加压力，见图8-16，直到试件开裂破坏。抗拉强度由下式确定：
劈裂试验传递荷载的两端垫条，对试件中的应力分布和极限强度O有显著影响，通常垫条宽为1.27cm，由其一面的弧度与试件相同的硬质橡皮或金属做成。
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速率而增加，随针入度和温度的增加而下降。此外，增加混合料拌和及压实温度，增加矿粉含量，都有助于提高
其抗拉强度。而在低温(负温)下，其抗拉强度随各影响因素变化的规律略有不同。图8-17为中粒式沥青混凝土，加荷时间0.5s的一些试验结果。由图可以看出，在负温下抗拉强度随沥青针入度和温度降低而下降。劈裂试验也可以用于测定水泥混凝土和水泥稳定土(或粒料)的抗拉强度。
三、抗弯拉强度
整体材料(如水泥混凝土、水泥稳定土或工业废渣)及常温下的沥青混合料，具有一定的抗弯刚度，在过大荷载的作用下，在结构层的底面可能产生较大的拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现断裂破坏。
路面材料的抗变拉强度，大多通过简支小梁试验评定。小梁截面的边长应不低于混合料中集料最大粒径的4倍。根据材料组成情况，可做成三种小梁：
1、5cm³5cm³24cm，测试时跨度15cm，用于石灰(或水泥)稳定土和沥青砂的试验；
2、10cm³10cm³40cm，测试时跨度为30cm，用于最大粒径为2.5cm的稳定类材料和中、细粒沥青混合料的试验；
3、15cm³15cm³55cm，测试时跨度为45cm，用于最大粒径达3.5cm的粗粒式沥青混合料、稳定类材料和水泥混凝土的试验。
试验时通常采用三分点加荷，材料的抗弯拉强度按下式计算：
式中 P——破坏时荷载(kN)；
l——支点间距(mm)；
b、h——试件宽度和高度(m)。
试验时，可根据需要，同时测取材料的极限弯拉应变、弯拉回弹模量和形变模量等。
影响沥青混合料抗弯拉强度的因素，同抗拉强度相似。由于沥青材料的抗弯拉强度值随其所处环境的温度而异，根据我国的气候情况，弯拉强度测定时通常选用的温度为10～15℃。
《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》提出的各种材料的抗弯强度和弯拉回弹模量参考值，见表8-3。
抗弯拉强度和弯拉回弹模量参考值表8-3
影响水泥混凝土抗弯拉强度的因素主要有：水泥的标号、用量、水灰比、集料的强度和级配，以及施工养护条件及龄期等。《军用公路水泥混凝土路面高计规范(GJB1278-91)》规定，水泥混凝土设计抗弯拉强度，采用28d龄期的强度，且不得低于4.5MPa，见表8-4。
水泥混凝土设计弯拉强度和弯拉弹性模量表8-4
对于水泥(石灰)稳定和工业废渣类材料来说，影响抗弯拉强度的因素，除了集料(或土)组成、结合料含量和活性，以及拌制均匀性和压实程度等以外，还有龄期。
§8-4 疲劳特性
材料承受重复应力作用时，会在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏。材料强度的这种降低现象，称作疲劳。疲劳的出现，是由于材料内部存在局部缺陷或不均质，荷载作用下在该处发生应力集中而出现微裂隙；应力的重复作用使微裂隙逐渐扩展，从而使承受应力的有效面积不断减小，终于在反复作用一定次数后导致破坏。
出现疲劳破坏的重复应力大小(或称疲劳强度)，随应力重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力反复作用一定次数(例如10～10次)后，出现破坏时的反复应力值不再下降或
趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限，见图8-18。反复应力低于此值时，材料可经受多次的作用而不出现破坏。
路面材料要经受车辆荷载的多次重复作用。研究其疲劳特性的目的主要是：(1) 了解影响材料疲劳特性的因素，以便改进材料的组成，提高其使用寿命；(2) 寻求材料的疲劳强度同反复应力作用次数间的定量关系(好建立疲劳方程)，以便估计路面的使用寿命。
一、水泥混凝土的疲劳特性
水泥混凝土疲劳性有的研究，大多在室内通过对小梁试件施加不变的反复应力进行的。把反复弯拉应力值ζ同该试的弯拉强度值ζ相比(称作应力比)，以此比值同试件达到破坏时所经受的重复作用次数N点绘成一曲线图，见图8-19。
由图8-19可以发现以下规律：
1、随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数N降低。
2、相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数N变动幅度较大，也即试验结果的分散性较大，但其概率分布近似服从对数正态分布。这说明要达到一可靠的平均值必须进行大量的试验。
3、通过回归分析，可以得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程。它在半对数坐标纸上N=10～10次之间一般呈现线性关系，可用下式表征：
式中α、β——由试验确定的系数。
α和β随混凝土的性质(类型和不均匀性等)和试验条件而定。Kesler得到的结果为α=0.954，β=0.049；Tepfer得到的α=1.0，β=0.0685；我国浙江省交通设计院则取得α=1.02 1，β=0.077的试验结果。
4、当作用次数N=10次时，ζ一般约为ζ的55%，此时尚未发现有疲劳极限。
5、在ζ<0.75ζ的范围内，反复应力施加的频率对试验结果(所得到的疲劳方程)影响很微小。
上述试验是在反复应力由ζ最大变动到零的循环内进行的。如果反复应力的低值不是零，则随着低应力的增大，达到疲劳破坏时的作用次数也相应增长。R²Tepfer通过大量试验得出了如图8-20所示的关系，证实了考虑反复应力变化幅度的疲劳方程可用下式表示：式中 R——高低应力比，即R=(ζ)/(ζ)；
α、β——由试验确定的系数，与R=0时得到的数值一样。
室内试验条件同水泥混凝土路面的野外实际工作状况有较大出入。虽然车辆荷载不会象室内反复应力那样不停顿地连续施加，因而对混凝土路面的疲劳寿命有利，但野外自然环境对混凝土的不利影响，往往使室内试验得出的疲劳方程偏于不安全。
二、沥青混合料的疲劳特性
(一) 实验方法
沥青混合料疲劳试验常用的方法有：控制应力试验和控制应变试验。控制应力和控制应变是两种完全不同的控制方式，试件的疲劳状态也是完全不同的。
控制应力试验又称常值应力或常荷载试验，试验时保持作用应力(或荷载)不变，随着荷载重复作用次数的增加，混合料强度逐渐减小，因而应变增大，应变增加到一定程度时，材料发生疲劳破坏。
控制应变试验是在试验过程中，不断调节所施加的荷载应力，使应变量始终保持不变。在试验中材料的劲度不断下降、维持相同应变量所需的应力值也不断减小，因此这种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只能主观发以劲度下降到初始劲度的某一个百分率(例如50%或40%)作为疲劳破坏的标准，同时，在采用同一初始应力和应变的条件下，控制应变法所得到的材料疲劳寿命要比控制应力法的大得多。
就沥青路而言，层状弹性体系的分析表明，小于5cm厚度的沥青混凝土路面，因为面层较薄，基层厚度和刚度较大，在荷载作用下，应变的增长较慢，不致发生突然断裂的情况，符合应变控制条件；当面层厚度大于12.6cm时，由于面层较厚、基层刚度相应较小，荷载重复作用使面层应变增长较快，以致最后迅速增大而出现路面破裂，比较符合应力控制模式。
鉴于我国近年来已建及在建或设地中的高等级公路，其路面厚度大约在15cm左右。因此采用应力控制方式研究沥青混合料疲劳特性，比较接近于实际路面结构的疲劳是可行、合适的。
本研究在应力控制式下进行的劈裂疲劳试验。试验中采用MTS试验机，选用标准马歇尔试件，进行间接拉伸(劈裂)疲劳试验，加载频率为10赫兹，这大致相当于60km/h的行车速度，在相邻波形间未插入间歇时间。
(二) 实验用材料及混合料性能
1、原材料
试验采用比较有代表性的国产沥青：茂名70＃，胜利100＃，辽河140＃，按针入度及路用性能，已基本包括了硬、中、软等三个等级沥青，其三大指标试验结果见表4-1。除胜利10＃采用张家口粗集料、海砂外，其余的集料及矿粉采用黑龙江省石灰岩及松花江产砂。中粒式沥青混凝土集料级配按LH-15-1型范围取中值，如表4-2所示。粗粒式沥青混凝土集料级配按LH-30Ⅱ型范围取中值，如表4-3所示。
表4-1 沥青三大指标试验结果
表4-2 中粒式沥青混凝土集料级配
表4-3 粗粒式沥表混凝土集料级配
六种沥青混合料马歇尔试验结果如表4-4所示。
表4-4 沥青混合料马歇尔试验结果
2、沥青混合料的抗拉强度
按交通部部颁标准进行了15℃劈裂强度试验，加荷速率分别采用了50mm/min，和2mm/min。
试验结果见表4-5。
表4-5 沥青混合料劈裂试验结果
(三) 疲劳试验结果与分析
以应力控制的疲劳试验，其疲劳寿命与应力成双对数线性关系，即其疲劳方程的形式一般为：
表4-6给出了不同温度条件下疲劳试验结果。
表4-6 沥青混合料疲劳试验结果
上述疲劳方程相关系数显著性检验结果表明，所获得的回归方程在a=0.01水平上是显著的，也就是说，上述疲劳方程是高显著度的回归方程。
为了便于比较，本报告列出了部分采用应力控制方式，使用与本研究接近的沥青含量、针入度和试验温度的一些著名学者的研究成果，汇总于表4-7(应力单位均为MPa)。
表4-7 部分沥青混合料疲劳试验结果比较
由表4-7可见，劈裂疲劳方程指数B值范围随温度的不同变化很大，从0.2722～7.07³10，n值范围为2.56～11.58。沥青混合料随温度的降低，越来越表现为弹性、模量和
强度亦有较大的提高，这与实际结果是一致的。
将表4-6、表4-7的试验结果绘于图4-1、图4-2。
由图4-1可见，在基本相同条件下，哈尔滨建筑大学的试验结果与日本北海道结果接近，从图上看，几条曲线虽略有差异，这反映了沥青品种、集料类型的差异，但在同一温度条件下，不论是弯曲疲劳还是劈裂类型疲劳，其疲劳方程的斜率n非常接近，这意味着通过试验找到弯曲和间接拉伸两个试验结果之间的相互关系后，有可能通过平移间接拉伸试验的疲劳曲线来获得相应的弯曲试验疲劳曲线，从而利用间接拉伸这一相对简单、易于实施的试验方法，来代替相对较复杂的弯曲试验方法的效果。
Porter和Kennedy分析了其他试验方法所得的结果，并把这些试验的特殊性作了比较，认为如果所施加的应力以应力差表示，以考虑间接拉伸试验中所存在的双轴应力状态，那么，重复荷载间接拉伸试验的结果与其他方法一致。图4-2显示两种试验方法所得疲劳寿命和应力差之间的关系，其中虚线表示间接拉伸疲劳曲线平移后，疲劳寿命与应力差之间的关系。就间接拉伸试验而言，应力差约等于4ζ，而单轴试验时的应力差为所施加的应力，由图可以看出国产沥青混合料两种试验结果差别很小，说明亦可以用间接拉伸疲劳试验结果获得弯曲疲劳试验结果。15℃条件下，各混合料间接拉伸的疲劳寿命与应力差表示的结果见表4-8。
表4-8 沥青混合料疲劳方程指数(N=B△ζ)
根据前而后试验结果可以外推得到沥青混合料在1次加载下的应力强度值，表4-9示出了15℃下各混合料一次荷载下的应力值及其50mm/min加载速度下劈裂抗拉强度值。
表4-9 强度比较结果
(四) 沥青混合料抗拉结构系数
据分报告三“沥青混合料疲劳规律的研究”中，计算了全国各省会疲劳当量温度，除海口市外，其他城市的疲劳当量温度多在13°～15°的范围内。对于不同城市来说，其疲劳损伤程度视不同材料、不同气温情况有较大的差异。13-15℃气温恰好是北方大部分地区春融期温度，南方地区的春天梅雨季节的温度，而此季节路面结构强度有较明显的减弱，路面结构抗疲劳能力也减小。这说明原规范对沥青混合料的弯拉应力计算时，采用15℃的设计参数是合理的。
1、疲劳方程
鉴于大多数地区疲劳当量温度为12-13℃，适当考虑较低温度的状态，采用5-15℃的12种混合料疲劳方程指数n的平均值为4.44，均方差0.65更符合实际，A值变化范围虽然较大，但是它对确定抗拉强度结构系数无影响。15℃时疲劳方程中系数A的均值为280。所有点均分布在一狭长带。疲劳方程中的指数n和系数A，主要与沥青性质、级配、温度有关，综合考虑推荐的疲劳方程：
2、修正问题
将室内疲劳试验结果运用于实际公路路面结构的疲劳规律一般需要进行若干修正，使其更接近于实践经验。根据本次试验研究的结果，并参考国内外资料进行修正。
(1) 间歇时间的影响
S.F.Brown认为，由于室内疲劳试验的荷载脉冲间没有设置间歇时间，与实际道路相比，可导致室内外材料试验的疲劳寿命相差5倍。K.D.拉西和A.B.史泰林试验了间歇时间对疲劳寿命的影响，结果表明即使很短的间歇时间如80ms，对疲劳寿命也有相当大的影响，
当间歇时间大于0.5秒时，有间歇时间与无间歇时间的疲劳寿命比值趋于稳定；40℃时比值为25；10℃和25℃时比值高达15-25。W.V.迪克指出，当间歇时间T与加荷时间T之比大于10时，寿命比可达10。H.H.穆勒指出，当T/T时，寿命比率为2-7。考虑到国内的交通状况比较复杂，一般高速公路T/T远大于10，而城市的混合交通T/T却又较小，结合当量温度，这里取比值为7。
(2) 交通量折减系数
根据分报告研制疲劳损坏概念，分析各月分交通量对路面疲劳破坏程度，按破损率大小计其交通量影响，如破损率太小则不考虑其交通量影响。计算的结果已表明，疲劳破坏主要集中在当量温度附近，30个省会城市的计算结果是：大部分城市约为2个月份(极少部分约3个月份)，其交通量对路面疲劳破损较大。
因此，取交通量折减系数为2/12=1/6。
(3) 裂纹传播速率影响
由于劈裂试验方法与上述两法不同，根据我们对各种温度下试件疲劳裂缝的观察，在不同的温度条件下，试件断裂时的疲劳寿命与开裂时加载次数的比值有较大变化。根据国外文献介绍，https://www.doczj.com/doc/bf19140416.html,ffman在室内悬臂梅形梁的挠曲疲劳试验中观察到当温度在-6.4℃和-6.4℃以上时裂缝在荷载作用到N/2次左右时产生。Browb认为由于裂纹传播影响，可便得室内弯拉疲劳试验结果与实际公路比较其寿命相差20倍。从国内设计参数测试结果可知，沥青混合料的劈裂强度仅为弯拉强度的二分之一。因此，建议裂纹扩展影响的修正取40倍。
(4) 横向分布系数
对于设分车道单向行驶的50cm宽的轨迹，荷载横向分布频率最高57%，取其值为0.57。
(5) 沥青品种的影响
由于劈裂疲劳曲线与沥青品种有关系，同等应力下针入度较大即较“软”的沥青其疲劳寿命较短，针入度较小即较“硬”的沥青其疲劳寿命较长。但采用相反的试验方式即应变控制方式时，根据多数研究成果，沥青硬度将对于疲劳寿命表现出相反的影响，即软沥青具有比较长的疲劳寿命，硬沥青的疲劳寿命则较短。鉴于我国在应变控制方式的研究工作甚少，待今后进一步研究之后再予以修正。
(6) 混合料级配类型影响
劈裂疲劳曲线亦与级配类型有关系，与沥青品种影响相类似，建议考虑混合料级配影响，采用混合料级配系数A为：
对于细粒式、中粒式沥青混凝土：A=1.0
粗粒式沥青混凝土： A=0.9
沥青碎石： A=0.8
3、抗拉强度结构系数
由疲劳方程N
即：
式中ζ——作用N次造成疲劳损坏的初始拉应力，即容许间接抗拉应力ζ；
当N=1时，即一次动载作用下造成损坏的应力ζ=3.454(MPa)
令
即：
根据前述修正因素的影响，则室内重复荷载作用次数N与路上实际累计当量轴次N之间有如下关系：
由于15℃、50mm/min加载条件测得沥青混合料劈裂抗拉强度是疲劳试验一次荷载下
强度，两者平均值约为1/1.82，方差为1/14.24，即两者强度比值差1.82倍，即强度修正关系为0.54。
考虑沥青混合料级配和公路等级的影响，抗拉强度结构系数为：
式中：A——为沥青混合料级配系数；
细粒式、中粒式沥青混凝土：A=1.0
粗粒式沥青混凝土： A=0.9
沥青碎石： A=0.8
A——公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1。
4、论证
若采用当量温度15℃时，疲劳方程指数n为4.0，则疲劳方程为：
按上述方法推算可得：
考虑沥青混合料的级配系数A和公路等级系数A，可得抗拉强度结构系数：
现将式(4-6)与式(4-7)和现行规范进行比较，计算结果列入表4-12。
表4-12 沥青混合料抗拉强度结构系数比较
由表4-12可知，式(4-7)的抗拉强度结构系数K最大，变化范围由2.406-5.92；现行规范K值变化范围为2.185-3.755；式(4-6)的K值变化范围1.75-3.947；介于两者之间。推荐的抗拉强度结构系数在交通量较小时，与原规范K值很接近；交通量增大后，K值有所提高，安全性也有所提高。经各种典型结构试算，推荐的K值是合理的，若用式(4-7)，则因K值增大过多，在很多情况下出现面层底部拉力通不过而需加厚面层的现象，与实际不符。故推荐下式：
容许弯拉应力：
式中：S——按部颁试验规程测得的沥青混合料15℃时的劈裂强度(MPa)
A——公路等级系数。
(一)试验方法和疲劳方程
沥青混合料疲劳特性的室内研究，是在简支小梁、梯形悬臂式或旋转弯曲试件上施加正弦或脉冲式变化的反复应力进行的。由于沥青混合料的弹性模量(劲度)较低，应力反复施加过程中，试件的实际应力状态和应变量不断发生变化。为此，常采用两种试验方法：控制应力或控制应变试验。
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。这时，由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度也不断下降，因而荷载或应力虽然未变，而应变量的增长速率地不断增大，见图8-21(1)。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，由于在试验中材料的劲度不断下降，维持相同应变量所需要的应力值也不断减小，见图8-21(2)。因而，在前一种试验中材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标志，而后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只有主观地以劲度下降到初始劲度的某一百分率
(例如50%或40%)作为疲劳破坏的统一标准。同时，在采用同一初始应力和应变条件下，控制应变法所得到的材料疲劳寿命要比控制应力法的大得多。
采用控制应力试验方法得到的一组应力ζ和疲劳破坏时作用次数N的数据，在双对数坐标上可以相当满意地回归成直线方程，见图8-22。也即，可以用下述方程来估计材料的疲劳寿命：
式中 K、——由试验得到的回归常数。
K和C取决于材料性质、温度和其它试验条件。许多试验结果表明，至少在应力重复作用10次前，没有出现疲劳极限的迹象。
图8-22中显示了同一种材料在不同试验温度下得到的几条疲劳曲线。可以看出，随着温度的增加(也即随劲度的降低)，材料的疲劳寿命不断下降。然而，Pell等人研究发现，在混合料的应力-应变性状保持为线性(温度在25℃以下)的范围内，如果把控制应力值ζ通过劲度S转换成初始应变ε，以此来代替应力坐标，则不同试验温度(或者不同加荷速度)下得到的疲劳曲线可以重合在一起。由此，可以把温度和加荷速度的影响统一在一个单一的用应变表示的疲劳方程内：
式中 K、——由试验得到的回归常数。
K和C仅随材料类型和性质而变。值一般变协在2.5～5.9之间。显然，这种唯一的疲劳方程对于设计来说是较为方便的。
采用控制应变的试验方法，也可以得到同式(8-11)相似的疲劳方程，见图8-23，但从图8-23中几条不同试验温度下的疲劳曲线可以看出，它们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)，材料的疲劳寿命反而增加。
两种试验方法得到沥青混合料的不同疲劳特性，其原因可以用破坏机理的差异来说明。应力集中点产生微裂隙后，在应力控制试验中，随材料劲度的降低，裂隙迅速扩展，导致疲劳寿命下降。而在应变控制试验过程中，应力不断减小，裂隙的扩展便延续很长时间。材料的劲度越低，延续的时间越长，于是劲度低的材料，疲劳寿命长。
车辆荷载是以机轮的接触压力施加于路面上，而不是变形。从这个意义上说，整个路面结构是受到应力控制的加荷体系。因而，地于厚的面层，其结构强度在整个路面体系中起主要作用，应采用控制应力试验方法；而对于较薄的面层，本身结构强度不大，基本上是跟着下面各结构层一起位移的，宜采用控制应变试验方法。C.L.Monismith等人提出厚面层的下限约为15cm，薄面层的上限约为5cm，处于两者之间的厚度，可了用两种试验方法之间的某一加荷形式。
室内试验的条件同路面在野外的工作状况有很大差别，因而所得到的疲劳方程在定量上会同实际有出入。例如，作用在路面上的车辆荷载不会象在试验室中加载那样连续重复作用，而实际间隔时间的增大，将会延长材料的疲劳寿命(据观测分析，可为室内试验的5倍)，同时，室内试验是以试件底面出现裂缝作为疲劳破坏的标准，而在路面上，从结构导底面出现裂缝到它沿层厚度逐渐扩展到表面，还可经爱轮载多次重复作用(据估计，约可增多7倍)。此外，考虑到轮迹在路面上的模向分布，所能承受的重复作用次数又要比室内多1～倍。因此，应在考虑上述情况后，对室内试验的结果给予适当调整，对回归常数K、C经过现场验证后进行修正。以减少可能造成的误差。
(二)混合料组成对疲劳性状的影响
从疲劳方程式(8-11)可以明显地看出，决定沥青路面寿命长短的关键因素是材料所承受的最大主拉应变值。主拉应变越大，出现疲劳破坏时所能经受的反复作用次数就越少。在相
同荷载级位下，材料的劲度大小地于所产生的主拉应变值往往有决定性影响。因而，混合料的劲度地于材料的疲劳性状也有关键性作用，任何影响混合料劲度的因素也同样会影响一材料的疲劳性状。表8-5汇总列示了影响混合料劲度的各方面因素(如混合料组成、施荷条件和环境等)对疲劳性状的影响。
影响沥青混合料疲劳寿命的因素表8-5
一般来说，沥青含量多、针入度低的密实型沥青混合料，其劲度高，地疲劳开裂的抵抗能力强，使用寿命长；而空隙含量多、沥青含量少的沥于碎石混合料，疲劳寿命低。
三、Miner定律
在疲劳试验中，为简化试验条件和便于分析试验结果，都采用单一不变的荷载(应力)或应变作为反复荷载的模式，而在路面上实际受到的是轻重不一的车辆荷载。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疲劳作用问题。
目前，常借用Miner在研究金属材料疲劳特性时所作出的假设来处理这个问题，即各级荷载(应力)作用下材料所出现的疲劳损坏可以线性迭加。例如某一荷载P作用N次后使材料达到疲劳损坏，则此荷载作用一次就相当于耗去了材料疲劳寿命的1/N。现有P、P…P个荷载，各作用N、N…N次后达到疲劳破坏；而如果这些荷载实际作用n、n…n次，则相应地各消耗材料疲劳寿命的份额为n/N、n/N…n/N。这些荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为：
五、半刚性材料疲劳规律的研究
半刚性材料的疲劳试验是一种较复杂的研究课题，因刚度大、变形小，具有脆性破坏的特征，需较精密、复杂的设备才能进行。本次研究工作重点：梁试件弯曲疲劳和圆柱体劈裂疲劳的对比；收集已有的疲劳试验资料进行综合分析研究，提出修订规范抗拉强度结构系数的依据。
(一) 劈裂疲劳试验和弯曲疲劳试验对比
1、试验方法
早期的材料疲劳试验多采用梁试件的弯曲疲劳，这种主法受力状态明确，试验方法相对较简单；圆试件劈裂疲劳是近几年国内外研究较多的方法之一，因它是二维受力状态，与路面实际受力状态较接近，试验方法较简单，故交通部重庆公路所进行了半刚性材料劈裂疲劳和弯曲疲劳的对比试验，作了有益的探索。
本次试验两种方法都采用控制应力方式，根据经验可知达到规定龄期的半刚性材料力学性能与试验温度的关系不密切，对加载时间的反映也不敏感，因这类材料更接近于弹性材料，故采用固定试验温度和加载频率的非强迫振动方式。试验工作是在MTS试验机上进行，加载频率为10赫兹，大致相当于60km/h的行车速，加载波形为连续式正弦波无间歇时间，试验温度25℃，整个试验过程的控制和试验数据采集及处理均用计算机进行。
2、试验材料
研究中采用了二灰稳定砂砾和水泥稳定砂砾两种学用的半刚性基层材料，每种材料均制备了小梁、中梁和圆柱三种试件。试件尺寸、成型方法、养生条件等均以交通部部颁标准为依据。
半刚性材料配合比：
二灰稳定砂砾：二灰：砂砾=20:80
石灰：粉煤灰=1:4
砂：砾石=1：1
水泥稳定砂砾：砂：砾石=1：1
外掺水泥=6%
以重型击实试验确定的最佳含水量和最大干密度如表5-1所示：
表5-1 半刚性混合料重型击实试验结果
两种稳定粒料中，小梁试件最大粒料为15mm，圆柱试件无侧限抗压强度和劈裂强度试验，小梁试件尺寸为50³50³200mm，中梁试件尺寸为100³100³400mm，圆柱试件尺寸为θ100³100mm，均为压制成型。
试验方法均符合交通部部颁标准。试验结果见表5-2。
表5-2 半刚性材料力学性能试验结果
4、疲劳试验结果与分析
根据上述试验方法和两种半刚性材料，分别对小梁、中梁和圆柱进行了弯曲疲劳和劈裂疲劳试验。
因半刚性材料的模量界于柔性和刚性材料之间，但是表现出的变形特性、力学性能和破坏状态则更接近于弹性材料，小梁试件在接近破坏应力时，应力应变曲线仍具有很好的线性特性，在疲劳试验中也无明显的裂缝扩展过程，表现为脆性断裂。劈裂疲劳试验则可观察到一个比较明显的裂缝发展过程。这与半刚性基层沥青路面结构的环道疲劳所观察到的现象一致，因此与梁试件疲劳试验相比，显然劈裂疲劳与实际路面的疲劳破坏状态更为接近，半刚性材料疲劳破坏判据定义为试件完全断裂。
疲劳试验结果见分报告四。根据荡总结果进行统计分析，半刚性材料的疲劳寿命与应力强度比之间存在着双对数关系，同时用单对数表示其相关性也很好。
双对数疲劳方程：
二灰砂砾小梁：
二灰砂砾中梁：
二灰砂砾圆柱：
水泥砂砾小梁：
水泥砂砾中梁：
水泥砂砾圆柱：
疲劳曲线如图5-1所示。
单对数疲劳方程：
二灰砂砾小梁：
二灰砂砾中梁：
二灰砂砾圆柱：
水泥砂砾小梁：
水泥砂砾中梁：
水泥砂砾圆柱：
疲劳曲线如图5-2所示：
由试验结果可知：
①上述的12个疲劳回归方程是成活率为50%的均值方程，无论是双对数式或单对数式其规律性均一致。从图5-1和图5-2清楚地表明了两种半刚性材料两种疲劳试验方法得到的结果相同。二灰稳定粒料的劈裂疲劳曲线在小梁、中梁的弯曲疲劳曲线之上；水泥稳定粒料的劈裂疲劳曲线在中梁与小梁弯曲疲劳之间而接近于梁疲劳曲线，其真实规律有待进一步试验研究。
②水泥砂砾圆柱试件疲劳曲线的斜率与水泥砂砾小梁试件的疲劳曲线斜率接近，两条曲
线基本平行，但小于中梁试件的疲劳曲线斜率，而二灰砂砾圆柱试件疲劳曲线的斜率则小于梁试件疲劳曲线的斜率。
③由于圆柱试件的劈裂强度比梁试件的抗弯拉强度低得多，因此在相同疲劳寿命的情况下，施加于圆柱试件的拉应力也比施加于梁试件的弯拉应力小得多，对于二灰砂砾，小梁是圆柱的2.4倍，中梁是圆柱的2.5位；对于水泥砂砾，小梁是圆柱的3.0倍，中梁是圆柱的2.6倍，这与沥青混合料的情况类似，但数值不同，沥青混合料约4倍的关系，而半刚性材料平均为2.6倍，大概为沥青混合料两种试件应力关系的0.65倍，如图5-3所示。因此，当采用N=K(1/ζ)的形式表示疲劳结果时，可参照沥青混合料的方法，以应力倍数移动疲劳曲线以推得相应的弯曲疲劳曲线。由于采用的梁试件和圆柱试件的材料相同，配合比相同，控制密度十分接近，仅小梁中的砂砾最大粒径小一些，因此试验结果有一定可比性。然而国内其他单位发表的试验结果，或者只有弯曲疲劳，或者只有劈裂疲劳，因此不足以统计出更可靠的规律，本研究所提出的数据仅供参考。
(二) 半刚性材料的疲劳规律
近年来我国在半刚性材料的疲劳特性方面开展了大量研究工作，研究水平也不断提高。为了节约人力、财力，充分发挥已有科技成果的效益，收集了湖南大学、交通部公路所、西安公路学院、重庆交通学院、哈尔滨建筑大学、广东省交科所、山西省交科所及交通部重庆公路所等单位发表的二十多条疲劳曲线及其疲劳方程，将有代表性的21个疲劳方程汇总于表5-4，并将21个疲劳方程给于图5-4。
表5-4 半刚性材料疲劳方程汇总表
表5-4汇总的21条疲劳曲线，有小梁疲劳方程12个，中梁疲劳方程2个，劈裂疲劳方程6个；加载频率由2.5Hz至10Hz。半刚性材料种类也很多，二灰稳定类有二灰碎石、二灰砂砾、二灰钢渣、二灰土、二灰砂；水泥稳定类有水泥砂砾、水泥石屑(含特种水泥、塑化水泥)水泥土，还有碎石灰土等约十种。这些疲劳方程具有较广泛的代表性，是宝贵的资料。
由于21条疲劳方程分布较集中，将21条疲劳曲线汇总整理出两个综合方程(5-1)，(5-2)。(5-1)为双对数方程，(5-2)为单对数方程，这两个方程均为21条疲劳曲线的中值方程。
21条方程的疲劳曲线如图5-4所示：
疲劳方程的分析：
1、疲劳方程的公式形式
由图可见，所有疲劳曲线的大趋势都是一致的。但是当应务强度比ζ/S≥1时除方程11、12、13外，其余的大部分方程仍有100以上的疲劳寿命，这显然有违于ζ/S=1则N=1的概念。由21个方程综合得到的单对数方程(5-2)，当ζ/S=1时，N=2；双对数方程(5-1)，当ζ/S=1时，N=58，就此而言，单对数方程比双对数方程略具优越性。
2、疲劳极限
理论研究认为，当荷载应力低于某一数值时，材料将不会发生疲劳破坏，通常把这个数值称为疲劳极限或耐久极限。对于半刚性材料，一般用应力与材料强度的比值来表示。英国著名学者P.S.Pell教授在“第六届沥青路面结构设计国际会议”上的报告指出：“对贫混凝土的研究表明，存在着一个接近拉伸强度的60%的耐久极限”；在第十八届世界道会议上，奥地利、比利时、法国和前捷克斯洛伐克提供的极限值是10加载周期时应力与强度的比值，
法国在研究高炉渣用于铺筑基层时认为：对于N=10周期，应务与强度的比值在0.55～0.7之间；美国普渡大学E.J.约德和马里兰大学M.W.韦特捷在“路面设计原理”一书中认为：弯曲应力与材料的抗弯强度之比，如果小于0.55，则水泥混凝土可以抵抗无数次应力反复，对于水泥稳定材料，若其应力为混凝土的一半时，则其寿命至少是10次循环；R.I.T.Williams认为，水泥稳定材料的10寿命一般可在静态强度的约50%的应力水平处获得。事实上，国内有关疲劳试验也得出了类似的结论。鉴于表5-4给出的疲劳方程都是未经修正的，在考虑裂缝扩展，荷载间歇时间的影响以及室内试验与现场路面的差异等因素后，疲劳寿命将提高数十倍，为此以室内试验的10周期作为其疲劳寿命是可以充分满足使用要求的。
由表5-4给出的21个半刚性材料疲劳方程对疲劳寿命为10周期所对应的ζ/s值进行统计分析后，可得到ζ/s的平均值为0.510，标准差为0.117，偏差系数为22.9%。
表5-5给出了收集到的国外几种半刚性材料疲劳试验结果在10周期的ζ/s值(国外发表的半刚性材料疲劳试验结果中是没有以ζ/s表示的，没有给出材料组成情况，有的在定义上有差异，均未纳入表5-5中)：
表5-5 国外半刚性材料疲劳试验结果
由表5-5中数据可得0650/s的平均值为0.507，标准差为0.082，偏差系数为16.1%。
国内和国外的半刚性材料的疲劳试验结果说明，作用次数为10所对应的应力强度比ζ/s都十分接近，仅因为收集国内的疲劳方程多于国外的，仅两者之间的均方差、变异性有差异。若按不同的保证率和对应的应力强度比绘成图5-5可知，保证率为ζ/s不是成线性关系，而是成抛物线分布。当保证率大于84.1%或90%时，ζ/s随保证率增大而迅速减小。因此，当以室内试验10为疲劳极限时，对半刚性材料的疲劳寿命取一倍均方差或取90%的保证率是较合理的。换句话说，即半刚性基层材料所承受的最大拉应力不应大于抗拉强度的40%，比取50%保证率时的ζ/s值约低0.1。
3、梁试件与园试件
汇总于表5-4中的21条疲劳曲线中，有不同试件形状和尺寸，不同材料配合比及不同试验方法，现以试件形状和尺寸进行归类分析，将小梁试件，中梁试件、园试件的疲劳曲线分别进行回归，可得下列疲劳方程，并将三个方程组于图5-6。
小梁弯曲试验：
中梁弯曲试验：
圆柱体劈裂试验：
根据三个方程，分别计算N=10时的应力强度比值：
小梁：
中梁：
圆柱体：
无论从疲劳方程，还是从10周期所对应的应力强度比值来看，中梁与圆柱体的疲劳规律十分接近，而小梁稍有偏离，这可能与小梁试件的最大粒径比中梁和圆柱体小有关。这一问题有待进一步研究。
4、半刚性材料疲劳方程
将表5-4中列举的21个疲劳方程，按半刚性材料性质划分为二灰稳定粒料类、水泥稳定粒料类，稳定土类进行分别统计回归，得到如下三个疲劳方程，并将三个方程绘于图5-7。
二灰稳定粒料类
水泥稳定粒料类
第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质 §2-1 行车荷载 一、车辆的类型 小客车：车速大，重量轻，120km—200km/h 客车中客车：6～20个座位 1、汽车车辆大客车：速度较快，重量大；长途客运，城市公共交通 货车整车（固定车身类）：货箱与发动机一体 牵引式挂车（挂车类）：牵引车与挂车分离 牵引式半挂车（牵引车类）：牵引车与挂车分离，但通过铰接装置，牵引车后附加 挂车，牵引车后轴担负部分货车重量 2、路面结构的设计中：主要考虑大客车、重型货车的重量，以轴重作为荷载标准，我国规定100KN。 评定路面表面特性时：以小汽车为主要对象。 二、汽车的轴型（对整车形式的客、货车） 单前轴：1/3 汽车总重绝大部分 前轴双前轴：1/2 汽车总重极少数 1、轴单后轴： 后轴双后轴：每根后轴轴载约为前轴轴载的2倍 三后轴： 前轴——单轮组 2、轮后轴单轮组（轻型货车） 双轮组（大部分） 3、一般的后轴轴载在60—130KN范围内，大部分在100KN以下，我国轴限为100KN。 货车载重增加，又有轴限规定，须增加轴数来提高载重，采用多轴多轮，减少单位面积路面的压力。 三、汽车对道路的静态压力 1、静态压力：当汽车处于停驻状态下，轮胎传给路面的垂直作用力，用p表示。 影响因素：（1）汽车轮胎的内压力p i标准静内压力p i=0.4～0.7MPa;通常p=(0.8～0.9) p i 滚动的车轮p=(0.9～1.1) p i （2）轮胎的刚度、轮胎与路面接触形状、轮胎的花纹 （3）轮载的大小超载p＞p i 工程设计中：取p= p i，假定接触面上压力是均匀分布的 2、接触面积
工程设计中：近似为圆形接触面积。车轮荷载简化为当量的圆形均布荷载 （2）接触圆半径（当量圆半径）： 单圆荷载：对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载，直径D 双圆荷载：对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用两个圆表示，称为双圆荷载，直径d D=p P π8 d= p P π4 我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZ Z —100，轮载P=25KN ，p=700KPa ，用以上公式计算 得：D=0.302m, d=0.213m 四、运动车辆对道路的动态影响 1、行使的汽车施加于路面的水平力 汽车：静止 等速、上坡、加速行使、启动 下坡、减速、制动 转弯、弯道上行使 路面：垂直压力 向后的水平力 向前的水平力 侧向水平力 （1）各种水平力：Q max ≤P ?（?p q ≤max ） ?—车轮与路面间的附着系数 路面结构相同，干燥状态?＞潮湿状态 路面结构、干湿状态相同：车速越高，?越小 附着系数过小，不能保证正常的行车；?过大，路面结构层易遭受水平荷载的破坏，如： 推挤、拥包、波浪等。 2、轮载的动态变动 由于车身自身的振动和路面的不平整而产生的车轮跳动，跳动的频繁程度和剧烈程度用以下 指标衡量：见p18图2-3，p32图2-4 （1）变异系数=标准离差 / 静载 ，一般＜0.3 影响变异系数的因素：① 车速越大，系数越大 ② 平整度越差，系数越大 ③ 轮胎刚度低， 减振装置效果好，系数小 （2）冲击系数（动荷系数）：振动轮载的最大峰值/静载 一般＜1.30 在设计刚性路面时，其承受的荷载大，对振动冲击敏感，所以有时以静轮载×冲击系数作为 设计荷载。
10.2 沥青路面材料的力学特性与温度稳定性——这三个你仔细看一下吧 10.2.1 沥青混合料的强度特性 表征沥青混合料力学强度的参数是：抗压强度、抗剪强度和抗拉（包括抗弯拉）强度。一般沥青混合料均具有较高的抗压强度，而抗剪和抗拉强度则较低。因此，沥青路面的损坏，往往是由拉裂或滑移开始而逐渐扩展。 1、抗剪强度(shearing strength) 沥青混合料的剪切破坏可按摩尔一库仑原理进行分析。材料在外力作用下如不产生剪切破坏，则应具备下列条件： τmax< σ tg φ+c （2-4） 式中：τmax — 在外荷载作用下，某一点所产生最大的剪应力； σ — 在外荷载作用下，在同一剪切面上的正应力； c — 材料的粘结力； φ — 材料的内摩阻角； 在沥青路面的最不利位置取一单元体，设其三个方向的主应力为σ1、σ2和σ3，且σ1>σ2>σ3。由于单元体中最不利的剪切条件取决于σ1和σ3，故仅根据σ1和σ3分析单元体的应力状况。图2-17为单元体应力状况的摩尔圆。 图2-17 应力状况摩尔圆图 图2-18 三轴剪切实验装置 1-压力环；2-活塞；3-出水口；4-保温罩；5-进水口；6-接压力盒；7-试件；8-接水银压力计 从图2-17可得： ()φσστcos 2131-= （2-5） ()φφφσσσ2231sin cos 21tg c -+= （2-6）
将式(2-5)、(2-6)代人式(2-4)得： ()()[]c ≤+--φσσσσφsin cos 213131 （2-7a ） ()c tg ≤--φτσφτmax max cos (2-7b) 式(2-7a)或(2-7b)为沥青路面材料强度的判别式。 式左端称为活动剪应力，当活动剪应力等于粘结力c 时，材料处于极限平衡，若大于粘结力c ，材料出现塑性变形。 根据式(2-7a)或(2-7b)可求得沥青路面材料应具有的c 和Φ值。 c 和Φ值可通过三轴剪切试验取得。三轴剪切试验的装置如图2-18所示。 三轴剪切试验所用试件的直径应大于矿料最大粒径的4倍，试件的高与直径之比应大于 2。矿料最大粒径小于25cm 时，试件直径为10cm ，高为20m 。试验时，将一组试件分别在不同侧压力下以一定加荷速度施加垂直压力，直至试件破坏。此时测得的最大垂直压力，即为沥青混合料的最大主应力σ1 ,侧压力即为最小主应力σ3(σ1=σ3)。根据各试件的侧压力和最大垂直压力给出相应的摩尔圆，这些圆的公切线称为摩尔包线，切线与τ轴相交的截距即为粘结力，切线的斜率即为内摩阻角Φ（见图2-19)。 由于温度对沥青混合料的抗剪强度有很大的影响，故试件应在高温条件(65℃或50℃)下进行测试。 粘结力c 和内摩阻角Φ值，也可根据无侧限抗压和轴向拉伸试验取得的抗压强度和抗拉强度来计算： 抗压强度 ??? ??+=242φπctg R （2-8） 抗拉强度 ??? ??+= 242φπtg c r （2-9） 从式（2-8）或（2-9）可得： ??? ??+-=r R r R －1sin φ （2-10） Rr c 5.0= （2-11）
一、路基路面工程基本概念与知识 路基路面的基本要求。 答：1.承载能力：包括强度和刚度两个方面，路面应具有足够的强度以抵抗行车荷载引起各种应力；路基路面结构应具有足够的刚度使得在行车荷载下不发生过量变形。 2.稳定性：路基路面结构应具有足够的稳定性，以保持在大气、温度、湿度以及其他条件下路基路面几何形态和物理力学性质的温定。 3.耐久性：精心设计，精心施工，精选材料，以保证路基路面结构在长期的侵蚀下保持稳定性。 4.表面平整度：是影响行车安全、舒适以及运输效益的重要是使用性能。 5.表面抗滑特性：路面表面要求平整，但不宜光滑，并提供足够的附着力和摩擦力。路基土的分类：根据土颗粒的粒径组成、矿物成分或其余物质的含量、土的塑性指标划分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊图四类。作为建筑材料，砂性土最优，粘性土次之，粉性土属不良材料，最易引起路基病害。 路基土的应力—应变特性。 答：路基土是非线性弹——塑性变形体。表征其应力——应变关系的参数：形变模量和回弹模量，是一项随应力取值方法和范围而变的条件性指标。从应变的瞬时性和可恢复性的意义上，可以把回弹模量看作是反映路基土在动轮载作用下弹性性质的一项指标，但它仍然是一个同重复应力大小有关的变量。进行结构分析时，应按路基土实际受到的应力级位来选取回弹模量值。同时，试验条件还应符合路基的实际湿、密度状态。 路基工作区：在路基的某一深度处，，车辆荷载引起的应力与路基自重引起的应力相比只占一小部分（1/5～1/10），在此深度以下，车辆荷载对土基的作用影响很小，可以忽略不计。将此深度Za范围内的路基称为路基工作区。 路基基本受力情况。 答：路基承受路基自重和汽车轮重两种荷载，靠近路面结构主要承受车辆荷载，路基内任一点处受的垂直应力由车轮荷载引起的垂直应力和突击自重引起的垂直压应力两者共同作用。 路基干湿类型的判断方法。 答：路基干湿类型与路基的强度及稳定性有密切的关系，并在很大程度上影响路面的结构及厚度的设计。 路基干湿类型划分为四类：干燥、中湿、潮湿和过湿。 为了保证路基路面结构的稳定性，一般要求路基处于干燥或中湿状态。潮湿、过湿状态的路基必须经处理后方可铺筑路面。 路基干湿类型判别的方法： （1）以分界稠度划分路基干湿类型 （2）以路基临界高度判别路基干湿类型 临界高度：与分解稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度。 荷载对路基路面的影响。 答：每次荷载作用后，土基回弹变形消失，塑性变形残留，随着作用次数的增加塑性变形不断积累，可能导致两种情况：1.土体逐渐压密，塑性变形越来越小，直至稳定。2.重复作用造成土体破坏，产生剪切变形，形成破裂面，最后达到破坏阶段。 环境对路基路面的影响。 答：路基路面设计所考虑的环境因素主要指温度和湿度。路基土和路面材料的体积随路
研究行车荷载的原因：1）汽车是路基路面的服务对象。路基路面的主要功能是心之所向，所向披靡 1.保证车辆快速、安全、平稳地通行。2） 汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主 要原因。要做好路基路面结构设计，必须 对行车荷载进行分析。 2.对行车荷载的研究内容：汽车的轮重 与轴重；不同车型的车轴布置；设计期限 内，汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐 年变化；汽车的静态荷载与动态荷载特性 比较。 3.车辆的种类：道路上通行的车辆主要 分为客车与货车两大类；客车：小客车、 中客车、大客车；货车：整车、牵引式半 挂车、牵引式挂车。 4.汽车的总重量通过车轴和车轮传递给 路面，所以路面结构设计主要以轴重作为 荷载标准。因此，在众多的车辆组合中， 重型货车和大客车起决定作用。对于小客 车，则主要对路面的表面特性如：平整性、 抗滑性等，提出较高的要求。 5.汽车的轴型：轴重的大小直接关系到 路面结构的设计承载力与结构强度，各个 国家均对轴重的最大限度有明确的规定。 我国公路与城市道路设计规范中均以 100kN作为标准轴重。目前我国公路上行 驶的车辆，后轴轴载一般在60～130kN 范围内。汽车货运朝大型重载方向发展， 货车的总重量有增加趋势，超载运输问题 在我国日益突出。对超载的定义：2000 年2月，交通部《超限运输车辆行驶公路 管理条例》规定：“单轴（每侧单轮胎） 载质量6000kg，单轴（每侧双轮胎）载 质量10000kg，双联轴（每侧双轮胎）载 质量18000kg。”附则第二十九条规定， 单轴轴载最大不得超过13000kg。 6.静态压力P的影响因素：汽车轮胎内 压；轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形 态；轮载的大小。 7.轮胎与路面的接触形状近似于椭圆， 在设计中以圆形接触面积来表示。该圆称 为当量圆。标准轴载BZZ－100的设计参 数：轮载P＝100／4kN，p=700kPa，双圆 均布荷载的当量圆直径为：0.213m。 8.运动车辆对道路的动态影响：1）水平 力：前进方向上的水平力和转弯时的侧向 水平力。水平力对路面造成的影响：当路 面面层材料抗剪强度不足时，在水平荷载 作用下，会产生推移、拥包、波浪、车辙 等破坏。2）轮载的动态（振动）：影响因 素：车速、路面平整度、车辆的振动特性。 3）轮载作用的瞬时性：车轮通过路面上 任意一点的时间，约为0.01～0.1s左右， 由于路面结构中应力传递是通过相邻的 颗粒完成的，当应力出现的时间很短时，则来不及传递分布，其变形特性不能像静 载作用那样完整表现出来。动载作用下， 路面变形量的减小，可以理解为路面结构 刚度的相对提高，或者路面结构强度的相 对增大。4）车辆荷载作用的重复性：路 面材料产生疲劳破环的主要原因 9.冲击系数：振动轮载的最大值与静载 的比值。在较平整的路面上，行车速度不 超过50㎞∕ｈ时，冲击系数不超过1.30. 车速增加，或路面平整度不良，则冲击系 数还要增大。在路面设计时，有时以静态 荷载乘以冲击系数作为设计荷载。 10.标准离差与轮载荷载之比为变异系 数，一般均小于0.3.其影响因素有1）行 车速度：车速越高，变异系数越大；2） 路面的平整度：平整度越差，变异系数越 大；3）车辆的振动特性：轮胎的刚度低， 减振装置的效果越好，变异系数越小。 11.交通量：指一定时间间隔内，各种车 辆通过某一道路断面的数量。 12.年平均日交通量，考虑月分布不均匀 系数、日分布不均匀系数等。 13.不同轴载大小的车辆通过一次对路面 造成的损失大小是不一样的。路面结构设 计中，除了知道 N e外，还必须知道各 级轴载所占的比例，即轴载组成或轴载 谱。轴载谱是指各级轴载所占的比例。 14.轴载换算：道路上行驶的车辆轴载与 通行次数可以按照等效原则换算为某一 标准轴载的当量通行次数。我国的标准轴 载为BZZ-100。轴载等效换算的原则：同 一种路面结构在不同轴载作用下达到相 同的损伤程度。 15.轮迹横向分布：由于轮迹的宽度远小 于车道的宽度，因而总的轴载通行次数既 不会集中在横断面上某一固定位置，也不 回平均分配到每一点上，而是按一定规律 分布在车道横断面上。 16.轮迹横向分布频率的影响因素：交通 量、交通组成、车道宽度、交通管理规则 等。 17.在路面结构设计中，用横向分布系数 η来反映轮迹横向分布频率的影响。通常 取宽度为两个条带的宽度，即50厘米， 因为双轮组每个轮宽20厘米，轮隙宽10 厘米。这时的两个条带频率之和称为轮迹 横向分布系数。 18.各种自然环境因素中，温度和湿度对 路基路面结构有着重要的影响，路基路面 体系的性质与状态随着温度和湿度的变 化而会发生变化。 19.温度的影响机理：路基土和路面材料 的体积会随着路基路面结构内部的温度 和湿度的升降而产生膨胀和收缩。由于温 度和湿度在路基路面结构内部的变化沿 深度方向是不均匀的，所以不同深度处胀 缩的变化也是不同的，但这种不均匀胀缩 受到某种原因的约束而不能实现时，路基 路面结构内部就会产生附加应力，即温度 应力和湿度应力。进而对路基路面产生破 坏 20.影响温度变化的因素：内部：路面各 结构层材料的热物理参数，如热传导率、 热容量、对辐射热的吸收能力等；外部： 主要是气象条件：如太阳辐射、气温、风 速、降水、蒸发量等。其中太阳辐射和气 温是决定路面温度状况的两项最主要的 因素。 21.路面结构内部的温度状况预估：统计 方法（在条件相似地区参考使用）和理论 方法（结果与实测结果有一定的差距） 22.湿度的影响作用:1)通过降水、地面积 水和地下水浸入路基路面结构，影响路基 土土湿度的变化，使路基产生各种不稳定 状态，对路面结构也有许多不利影响；2） 路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很 大程度上取决于路基的湿度变化。如在北 方季节性冰冻地区，冰冻开始时，路基水 分向冻结线积聚形成冻胀，春暖融冻初期 形成翻浆的现象较为普遍。而在南方非冰 冻地区，当雨季来临时，未能及时排除的 地面积水和离地面很近的地下水将使路 基土浸润而软化；3）面层的透水性对路 基路面的湿度也有很大影响。4）路肩以 下路基湿度的季节性变化对路面结构以 下的路基也有影响。通常在路面边缘以内 1米左右，湿度开始增大，直至路面边缘 与路肩下的湿度相当，路肩如果经过处 治，防止雨水渗入，则路面下的土基湿度 将趋于稳定，与路基中心湿度相当。 23.保持路基干燥的主要方法是设置良好 的地面排水设施和路面结构排水设施，经 常养护、保持通畅。地下水对路基湿度的 影响随地下水位的高低与土的性质而异。 粘质土为6米，粉质土约为3米，砂类土 为0.9米. 24.路基的受力状况:路基承受路基自重 和汽车荷载。在路基上部靠近路面结构的 一定深度内，路基土主要承受车辆荷载的 影响。正确的设计应保证路基所受的力在 路基弹性限度以内，当车辆驶过后，路基 能立即恢复原状，以保证路基的相对稳 定，路面不致引起破坏。 25.路基土在车轮荷载作用下所引起的垂 直应力σz的近似计算：σz＝ 2 Z P K P： 一侧轮重荷载（kN）;K:系数，一般取0.5； Z：荷载中心下应力作用点的深度（m）. 路基土本身自重在路基内深度为Z处所 引起的垂直应力σB：σB＝γZ;γ：土的容重 （kN/m3）Z:应力作用点深度（m）。路基 内任一点垂直应力包括由车轮引起σz的 和由土基自重引起的σB两者共同作用。 26.路基工作区:在路基某一深度处，当车 轮荷载引起的垂直应力σz与路基土自重 引起的垂直应力σz相比所占比例很小， 仅为1/10～1/5时，该深度Zα范围内的路 基称为路基工作区。在工作区范围内的路
第八章路面材料的力学性质 (三) 本次研究主要成果 参加此专题研究的有七个省、四院校，共计十一个单位，重点对十种半刚性材料和沥青混合料进行了测试和研究工作，根据这些资料汇总取得下列成果。 1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律 将全国资料汇总分析，总结了石灰土、二灰土、二灰碎石，水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度ζ、劈裂模量E随龄期(日)d而增长的规律，它们之间具有良好的直线型或幂函数关系，以幂函数的相关性更好。 表6-1、6-2汇总了半刚性材料ζ～d、E～d的相关关系。 表6-3、6-4表示了水泥碎石、二灰碎石的E～d、R～d、E～d、ζ～d的增长规律。由表可知，水泥碎石的力学参数在28天时，平均可达到180天的54%，90天平均可达到80%；二灰碎石的力学参数在28天仅平均达到38%，90天平均达到64%，由此可见原规范对水泥碎石采用90天的龄期，二灰碎石力学参数初期增长缓慢，为充分发挥材料的潜力，采用180天龄期是合理的。 水泥碎石90天龄期的抗压强度E、R可达到180天的E、R的80%和88%，而劈裂参数E、ζ却为78%和72%，二灰碎石90天龄期的抗压参数E、R可达到180天的70%，而劈裂参数E、ζ仅达到56%和59%。所以，劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。 表6-1-1 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律 表6-1-2 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律 表6-2-1 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律 表6-2-2 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律 表6-3 水泥碎石 表6-4 二灰碎石 2、半刚性材料参数汇总及变异性分析 表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度δ。 将表6-5的各种半刚性材料按力学指标——R，E，ζ，E并按大小进行排列，分别计算其平均值，均方差，按98%的保证率计算代表值，并将排列序号相加得到合计分，分数最少的为第一名，分数最多则在排序为最后。表6-6为力学指标排序表。 由表可知，抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好，这与回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看，仍能将十种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析：①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉煤灰碎石是最好的基层材料；②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳定类；③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅3%，石灰5%，实际上属于石灰稳定类，故强度、模量稍低；④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高，这说明这类材料只要拌和均匀，是可以获得良好的强度和刚度，作为底基层用是一种好材料；有的省在缺乏砂石料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层，路面的弯沉值也较小，但裂缝发展较快，应进一步观察，总结经验；⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料，因此，随着当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下，石灰土不宜作为高等级公路的基层用。 表6-6 半刚性材料按力学特性排列名次
第二篇路基路面工程 第九章路基路面材料的力学性质 1．路基的变形可区分为哪三种类型？ 答：路基的变形可区分为三种类型：行车荷载反复作用下产生的塑性累积变形；填土自重荷载作用在短期内产生的压密沉降；填土自重荷载作用下随时间而增长的固结沉降。 2．路面所用的材料，可大致分为哪三大类型？ 答：路面所用的材料，可大致分为三大类型：（1）颗粒型材料及块料；（2）沥青类；（3）水硬性结合料类。 3．按土基应力——应变曲线上应力取值方法的不同，赋以模量哪些不同的定义？ 答：按土基应力——应变曲线上应力取值方法的不同而赋以不同的模量定义如下： （1）初始切线模量：应力值为零时的应力——应变曲线的斜率，代表加荷开始时的应力——应变状况。 （2）切线模量：某一应力级位处应力——应变曲线斜率，反映该级位应力——应变变化的关系。 （3）割线模量：反映土在某一工作应力范围内应力——应变的平均状况。 （4）回弹模量：应力卸除阶段应力——应变曲线的割线模量。 前三种模量中的应变量为包括塑性（永久）和回弹（可恢复）应变部分在内的总应变。这三项模量指标，特别是割线模量（又称作形变模量），常用于路基沉降计算。 回弹模量则仅包括可恢复应变，它部分反映了土的弹性性质。由于采用弹性理论分析路基和路面结构内的应力和应变，并且由于在沥青路面中回弹应变量的大小同面层的疲劳损坏有关，回弹模量便成为路面结构分析与设计中一项重要的参数。 4．土基的应力—应变特性如何？ 答：路基土是非线性弹——塑性变形体。表征其应力——应变关系的参数：形变模量和回弹模量，是一项随应力取值方法和范围而变的条件性指标。从应变的瞬时性和可恢复性的意义上，可以把回弹模量看作是反映路基土在动轮载作用下弹性性质的一项指标，但它仍然是一个同重复应力大小有关的变量。进行结构分析时，应按路基土实际受到的应力级位来选取回弹模量值。同时，试验条件还应符合路基的实际湿、密度状态。 5．影响路基土回弹模量的因素有哪些？ 答：路基土的回弹模量值除了随作用压力大小而变外，显然还取决于路基土本身的类型和湿密状态。回弹应变值随重复应力值的增大而增加。回弹模量值通常随密实度增加而增大，而随含水量增加而减小。其中，含水量对模量值的影响特别大。路面结构分析时，应采用按照路基土的实际湿密状态制备的试件测定的回弹模量值。 6．如何处理“土基各点模量值是各不相同”给路面结构分析带来的复杂性？ 答：比较可行的办法是选取一个均一的当量模量值（可称为平均模量值）以代表变化的模量，使二者得到相同的路基顶面变形量，这个平均模量值可通过在路基顶面进行承载板试验得到，也即直接研究路基顶面在局部荷载作用下的荷载——弯沉关系，据此确定代表整个路基的模量值。 7．颗粒类材料的应力——应变特性如何？ 答：颗粒类材料的应力——应变特性具有同路基土相似的非线性特性。除了受应力状况的影响外，颗粒类材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关，变动在100～700MPa范围内。通常，密实度越高，模量值越大；颗料棱角多者较高的模量；当细料含量不多时，含水量的影响很小。
混凝土的力学性能及其应用 一、引言 混凝土是一种常用的建筑材料，具有广泛的应用前景。混凝土的力学 性能是其应用的重要基础，本文将就混凝土的力学性能及其应用进行 详细探讨。 二、混凝土的组成 混凝土主要由水泥、骨料、砂、水等组成。其中，水泥是混凝土的主 要胶凝材料，具有很强的粘结力，能够将骨料、砂等材料紧密地粘结 在一起。骨料是混凝土的主要骨架材料，具有很强的抗压、抗拉强度，能够承受混凝土的荷载。砂是混凝土的填充材料，可以填充骨料之间 的空隙，使混凝土的密实性更好。水是混凝土的重要成分，能够使混 凝土充分反应，形成坚固的结构。 三、混凝土的力学性能 1. 抗压强度 混凝土的抗压强度是指混凝土在受到压力时，能够承受的最大压力。
混凝土的抗压强度是决定混凝土承受荷载能力的重要因素。混凝土的 抗压强度与水泥的品种、配合比、养护条件等因素有关。一般情况下，混凝土的抗压强度在20-60MPa之间。 2. 抗拉强度 混凝土的抗拉强度是指混凝土在受到拉力时，能够承受的最大拉力。 混凝土的抗拉强度通常很低，一般只有抗压强度的1/10左右。因此，在混凝土结构设计中，需要采取一些措施来增加混凝土的抗拉强度， 如增加钢筋的使用量等。 3. 抗折强度 混凝土的抗折强度是指混凝土在受到弯曲力时，能够承受的最大弯曲 力矩。混凝土的抗折强度与混凝土的抗压强度密切相关，一般情况下，混凝土的抗折强度是其抗压强度的1/10左右。 4. 压缩弹性模量 混凝土的压缩弹性模量是指混凝土在受到压力时，单位应变下的应力 变化率。混凝土的压缩弹性模量是决定混凝土承受荷载能力和变形性 能的重要因素。
5. 抗剪强度 混凝土的抗剪强度是指混凝土在受到剪力时，能够承受的最大剪力。 混凝土的抗剪强度通常很低，一般只有抗压强度的1/3左右。因此， 在混凝土结构设计中，需要采取一些措施来增加混凝土的抗剪强度， 如增加钢筋的使用量等。 四、混凝土的应用 混凝土是一种广泛应用的建筑材料，具有很强的承载能力和变形性能，适用于各种建筑结构的施工。以下是混凝土的一些应用： 1. 混凝土框架结构 混凝土框架结构是一种广泛应用的建筑结构，具有很强的承载能力和 变形性能。混凝土框架结构一般采用钢筋混凝土，能够承受很大的荷载，适用于高层建筑、大型工业厂房等建筑。 2. 混凝土路面 混凝土路面是一种广泛应用的道路建设材料，具有很强的承载能力和 耐久性。混凝土路面一般采用水泥混凝土，能够承受车辆的重量和磨损，适用于各种道路。
水泥混凝土路面的力学特征(一) 水泥混凝土路面的力学特征 引言 •路面是交通运输的基础设施之一，其质量直接影响了交通的安全与效率。 •水泥混凝土路面作为常见的路面材料之一，具有良好的耐久性和承载能力。 原材料 •水泥：作为主要胶结材料，水泥参与了混凝土的硬化过程。•骨料：用于填充水泥中的空隙，增加混凝土的强度和稳定性。•砂：作为骨料的一种，砂的粒度与骨料互相补充，提高混凝土的流动性。 混凝土的制备 1.配料：将水泥、骨料和砂按一定比例进行配料，以保证混凝土的 质量。 2.搅拌：通过搅拌设备将配料充分搅拌均匀，形成混凝土浆状物。 3.浇筑：将混凝土浆状物倒入模具或路面，进行初步成型。
力学特征 压缩强度 •水泥混凝土具有较高的抗压强度，能够承受来自车辆、行人等各种静力和动力荷载。 •压缩强度可通过压力试验进行测量，用于评估路面的承载能力和耐久性。 抗拉强度 •尽管水泥混凝土在抗拉方面相对较弱，但其足够满足路面施工和使用的要求。 •抗拉强度可通过拉伸试验进行测量，用于评估路面在受拉应力下的变形和破坏情况。 疲劳性能 •水泥混凝土路面需要具备良好的疲劳性能，即在反复荷载的作用下不易发生破坏。 •疲劳性能可通过循环试验进行测试，用于评估路面在长时间运输中的耐久性。 抗冻性能 •水泥混凝土路面应具有较好的抗冻性能，以保证在低温环境下不易破裂和龟裂。
•抗冻性能可通过冻融试验进行测定，用于评估路面在寒冷地区的适应性。 抗滑性能 •水泥混凝土路面需要具备良好的抗滑性能，以防止车辆在行驶过程中出现侧滑等不稳定情况。 •抗滑性能可通过湿滑试验进行测量，用于评估路面在湿润条件下的安全性能。 结论 •水泥混凝土路面具备较高的压缩强度和耐久性，适用于大部分公路和城市道路。 •进一步的研究和提升水泥混凝土路面的力学特征，将有助于改善交通运输的效率和安全性。
沥青路面力学文献综述 摘要：沥青是我国主要的道路铺筑材料，沥青路面的力学性能影响着道路的使用和发展。因此本文对沥青路面力学进行综述，主要汇总了荷载形式和基层形式对沥青路面力学性能的影响，简述了相关研究方法、仿真模型和实验结论，并对今后的沥青路面结构力学发展进行了展望。 关键词:沥青路面；力学性能；荷载作用；基层形式。 0 前言 近些年我国对沥青路面结构力学也进行了大量的研究，现阶段的数值仿真方 法主要分为有限元方法和离散元法，其中有限元方法是目前研究和使用较多。任 俊达[1]就基于沥青路面足尺加速加载试验，就通过ABAQUS建立了典型半刚性基层的沥青路面力学三维粘弹有限元模型。多尺度力学试验与仿真分为宏观尺度和微 观尺度，这两种尺度可以从两个方向上共同论证试验的合理性。长寿命路面结构 也是我国比较热门的研究话题，主要对刚性、半刚性、柔性与复合式等路面结构 开展研究[2]。 沥青路面力学性能的研究是近些年比较热门的话题。有许多学者研究了这些 误差对沥青路面力学性能的影响。潘勤学[3]就对双模量理论和传统线弹性理论进 行了有限元分析，结果表明基于双模量理论与基于传统线弹性理论所得到的沥青 路面力学响应偏差明显。 本文通过沥青路面结构力学的荷载形式影响和环境因素影响进行总结。 1 荷载形式 荷载形式对沥青路面结构力学影响的研究主要分为非均布荷载作用和移动荷 载作用。实际中的车轮荷载呈非均布荷载形式，但是很多情况下，会将其视为均 布荷载以方便构建模型和计算。胡小弟等[4]通过试验证明了车辆轮胎与地面接触 形状更接近于矩形，超载时荷载分布形式呈现凹形分布的非均匀分布形式。层间
混凝土的物理性质与力学原理 一、混凝土的物理性质 1.1 密度 混凝土的密度是指单位体积的混凝土中所含有的质量，通常以千克/立方米作为单位。混凝土的密度与其中水泥、砂、石头的比例有关，一般来说，混凝土密度在2200~2500千克/立方米之间。 1.2 吸水性 混凝土的吸水性与其中水泥的含量、孔隙率、孔径大小等因素有关。混凝土吸水后，孔隙内的水会对混凝土的力学性能产生影响，如抗压强度、抗拉强度等。 1.3 膨胀系数 混凝土在受热或受潮后，会发生膨胀，这种膨胀是由于水分的蒸发或吸收所引起的。混凝土的膨胀系数与其中水泥的含量、孔隙率、水灰比等因素有关。
1.4 热膨胀系数 混凝土在受热时，会因为温度升高而发生膨胀，这种膨胀是由于混凝 土中的水分分子受热膨胀所引起的。混凝土的热膨胀系数通常在 5~12×10^-6/℃之间。 1.5 导热系数 混凝土的导热系数与其中水泥、砂、石头的比例、孔隙率等因素有关。混凝土的导热系数决定了混凝土的保温性能，通常在0.8~1.7W/(m·K)之间。 二、混凝土的力学原理 2.1 弹性力学理论 弹性力学理论是混凝土力学中最为基础的理论，它认为材料在受力时，会发生弹性变形和塑性变形两种形式的变形。弹性变形是指受力后恢 复原形的变形，而塑性变形是指受力后不再恢复原形的变形。 2.2 应力与应变 应力是指单位面积上所受的力，通常以帕斯卡（Pa）作为单位。应变
是指材料在受力后所发生的形变，通常以百分比或者是米长中的变化 量作为单位。 2.3 拉伸强度 拉伸强度是指材料在拉伸状态下的最大承载能力，通常以帕斯卡（Pa）作为单位。混凝土的拉伸强度通常比较低，一般在1~10MPa之间。 2.4 压缩强度 压缩强度是指材料在受压状态下的最大承载能力，通常以帕斯卡（Pa）作为单位。混凝土的压缩强度通常比较高，一般在20~60MPa之间。 2.5 抗剪强度 抗剪强度是指材料在受剪力作用下的最大承载能力，通常以帕斯卡（Pa）作为单位。混凝土的抗剪强度通常比较低，一般在1~5MPa之间。 2.6 弯曲强度 弯曲强度是指材料在受弯曲作用下的最大承载能力，通常以帕斯卡（Pa）作为单位。混凝土的弯曲强度通常比较高，一般在10~20MPa
车辙试验永久变形量 一、引言 车辙试验是一种常用于道路工程中的测试方法，通过模拟车辆在路面上行驶产生的变形，来评估路面的质量和承载能力。其中，永久变形量是衡量路面变形程度的指标之一。本文将对车辙试验的永久变形量进行全面、详细、完整和深入的探讨。 二、车辙试验概述 车辙试验是通过在路面上安装一辆载重车辆进行模拟试验，以测试路面在不同荷载下的变形情况。在试验过程中，车辆会多次行驶在同一轨道上，通过测量轮胎在路面上的碾压深度和宽度，可以获得路面的永久变形量。 三、永久变形量的含义和影响因素 永久变形量是指路面在车辙试验过程中所产生的不可恢复的变形量。它反映了路面在长期使用后的变形程度，直接影响着路面的平顺性、舒适度和安全性。永久变形量的主要影响因素包括材料的力学性质、路面结构的设计和施工质量等。 3.1 材料的力学性质 路面材料的力学性质包括弹性模量、粘弹性和塑性等。弹性模量越大，材料的回弹能力越强，永久变形量越小；而粘弹性和塑性特性较强的材料，容易产生永久变形。 3.2 路面结构的设计 路面结构的设计要合理，包括基层、底层和面层等的选材和厚度设计。不同层次的结构和材料的组合对永久变形量有显著的影响。 3.3 施工质量 施工质量直接影响着路面的变形情况。施工过程中，包括材料的密实度、摊铺厚度、摊铺质量和压实度等因素都会影响永久变形量。
3.4 载荷特点 车辙试验中的载荷特点，如轮胎的荷载大小、轴重、车速等，对永久变形量也有很大的影响。不同荷载下，路面的变形程度可能会有所不同。 四、评估永久变形量的方法 评估路面的永久变形量可以采用不同的方法，包括经验公式法、试验法和数值模拟方法等。 4.1 经验公式法 经验公式法是根据过去的试验数据和经验总结得出的计算公式。它简单易行，但只适用于特定条件下的路面和荷载情况，具有一定的局限性。 4.2 试验法 试验法是通过进行车辙试验，直接测量车辙的深度和宽度等指标，从而计算得出永久变形量。试验法是一种较为准确的评估方法，但成本较高、工作量大。 4.3 数值模拟方法 数值模拟方法利用计算机模拟车辙试验的过程，通过有限元分析等方法，可以较为准确地评估永久变形量。这种方法适用于研究不同路面结构和荷载情况下的变形情况。 五、永久变形量的控制措施 为了减小路面的永久变形量，需要采取一定的控制措施。 5.1 合理的路面结构设计 选择合适的材料和结构参数，设计和施工时要考虑到承载能力和变形特性。 5.2 加强材料强度和稳定性 提高路面材料的强度和稳定性，使其具有较好的回弹能力和抗变形能力。
路面材料力学性质 1、颗粒材料的应力应变特性同粘性土相比，有何异同？ 颗粒材料和粘性土的应力-应变曲线如上图，两条曲线都具有非线性特性，但颗粒材料曲线上凹，粘性土材料上凸。 颗粒材料：表征应力-应变关系的回弹模量随偏应力增大而增大，随侧限应力增大也增大，但侧限应力的影响比对粘性土大得多；受材料级配、颗粒形状和密实度有关，当细料含量不多时，含水量影响较小 粘性土：表征应力-应变关系的回弹模量随偏应力增大而减小，随侧限应力增大而增大；受土组、密实度、含水量影响 2、在路面结构设计时，颗粒材料模量取值应考虑什么因素？ 颗粒材料应力-应变关系一般用回弹模量表征，其取值受偏应力和侧限应力影响，此外，还同材料级配、颗粒形状和密实度等因素有关 3、何为劲度？它的数值主要同哪些因素有关？ 劲度是反映沥青和沥青混合料在给定的温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，可表示为 ,()t T S σε = 数值主要受温度、加载时间影响 4、某沥青材料的针入度为60，软化点50C ︒，用它制备的沥青混合料孔隙率4%，沥青含量体积10%，集料含量86%，请按查诺谟图求该材料在t=0.01s 、1s ，T=10C ︒、-10C ︒时的劲度 针入度指数 1951.4500lg 201951.4500lg 602050 0.76750lg 120.1450lg 6050120.14 P SP PI P SP ---⨯-⨯= ==---⨯-- 沥青混合料 1 沥青混合料2 Δ ε 颗粒材料 粘性土
()t s 0.01 1 ()T C ︒ 10 -10 PI -0.767 -0.767 沥青劲度(2/N m ) 7510⨯ 8310⨯ 孔隙率(%) 4 4 沥青含量体积b V (%) 10 10 集料含量g V (%) 86 86 沥青混合料劲度(2 /N m ) 9 710⨯ 102.710⨯ 5、影响颗粒材料和沥青混合料的变形累积量的因素有哪些？变形累计过大会产生什么后果？ 影响颗粒材料变形累积量的因素有偏应力水平、粒料级配、颗粒尺寸、密实度等； 影响沥青混合料变形累积量的因素有沥青含量、类型、级配、集料性能、荷载大小、作用次数/时间、温度等； 变形累计过大容易造成路面不平整，车辙较大 6、抗拉或抗弯拉强度不足的后果如何？影响抗拉或抗弯拉强度的因素如何？ 车辆紧急制动时，车轮后侧的路面会受到很大径向拉力，气温骤降时，面层收缩受下层的摩阻约束时，也会产生较大拉应力，当材料抗拉强度不足时，面层会出现断裂； 整体性材料及常温下的沥青混合料具有一定抗弯刚度，在荷载作用下，可能在结构层面或内部产生较大拉应力，而在材料抗弯强度不足时将出现开裂或断裂破坏； 影响因素：应力/应变级位、劲度、空隙率、温度等。 7、某沥青混合料在60C ︒条件下做三轴试验，结果如下表： 侧限应力(MPa) 0.5 1.0 1.5 2.0 极限竖向应力 (MPa) 12.6 15.1 18.7 21.7
第十章无机结合料稳定路面 §10-1：概述 定义 优、缺点 优点：稳定性好，抗冻性强，结构成板体。 缺点：耐磨性差 使用范围：各种路面结构的基层和底基层。 §10-2：无机结合料稳定材料的力学特性 一、无机结合料稳定材料的应力——应变特性 特性：R=f(t) 试验方法：承载板法 试验内容：R E Rσsp E sp 强度的变化，随龄期的增加而增长。 影响因素：材料的性质，材料的用量，温度，密实度等二、无机结合料稳定材料的疲劳特性 抗拉强度：σ f /σ s ＜50% 疲劳寿命疲劳方程式 疲劳方程：lgN f =a+blgσ f /σ s lgN f=a+bσf/σs 影响因素：材料的性质 三、无机结合料稳定材料的干缩特性 表征指标；干缩应变，干缩系数，失水量等 影响因素：材料的性质，含水量，齡期等等 对于粒料类：石灰稳定类>水泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类 对于稳定细粒土：石灰土>水泥土/水泥石灰土>石灰粉煤灰土四。无机结合料稳定材料的温缩特性 温缩特性指标：温缩系数 影响因素：材料的性质，粒料含量，含水量，齡期等等 §10-3：石灰稳定类基层（底基层） 定义 石灰剂量 石灰剂量=石灰质量/干土质量 一：石灰土强度形成原理 1、离子交换作用 Ca(OH)2 Ca2++2OH－ （）X++ Ca2+ ()Ca2++ X+
X +表示Na +、K +、H ＋ 2、碳酸化作用 Ca(OH)2＋CO 2 CaCO 3+H 2O 3、结晶作用 Ca(OH)2＋n H 2O Ca(OH)2 n H 2O 4、火山灰作用 x Ca(OH)2＋Si O 2＋n H 2O xCa Si O 2 (n+1) H 2O x Ca(OH)2＋Al 2 O 3＋n H 2O xCa Al 2 O 3 (n+1) H 2O 二、影响强度的因素 1、土质 2、灰质 3、石灰剂量 4、含水量 5、密实度 6、养生条件 7、石灰土的龄期 三、石灰土基层的应用 四、石灰土基层缩裂防治 1. 控制压实含水量； 2. 控制压实标准； 3. 控制施工气温； 4. 重视养护； 5. 在材料中加入集料； 6. 设置粘结层； 7. 铺筑碎石隔离过渡层 五、石灰土混合料设计 设计内容：1、选择材料（土、石灰） 2、确定最佳石灰剂量 3、确定最佳含水量 设计步骤： 1、根据石灰土的强度标准（R d ）选择材料 2、确定石灰剂量 根据选择土、建议石灰剂量（最小、中间、最大） 制备试件（3组，每组3个） 重型击实试验（最佳含水量/最大干密度） 6d 、饱水1d ） v a d C Z R R -≥1_ 3、 确定最佳含水量 根据确定剂量 制备试件（5个，不同含水量） 重型击实试验 击实曲线 六、石灰土基层的施工 备料 拌和、铺筑 碾压成型 养生 路拌法和厂拌法 1．整平下承层； 2．拌和
上海开放大学 毕业设计（论文）册 （本科专业使用） 毕业设计（论文）题目： 沥青混合料及其力学性能分析 学院/分校（教学点）： 专业：年级： 姓名： 学号： 指导教师： 完成日期：
论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在老师指导下，独立进行研究所取得的成果。论文中除了已经注明引用的内容外，不包含任何他人享有的著作权内容。其他个人和集体对本研究工作的启发和所做出的贡献，均已在论文中以明确的方式标明。如本文被查证有抄袭或剽窃行为，本人愿意承担由此引发的法律后果，并依据学校的规章制度接受相应处理。 签名：日期： ************************************* 论文版权使用授权声明 本人完全了解上海开放大学关于收集、保存、使用毕业论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务，以及出版学位论文；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 签名：日期：
内容摘要 目前我国高等级公路主要采用沥青路面结构形式，沥青混合料性能的好坏直接影响到公路的服务功能和使用年限。现代重载交通要求沥青混合料具有优良的高温稳定性和其它性能;为提高沥青混合料的性能、实现混合料性能的优化，近年来先后出现了大量的新材料和新理论。本文首先对沥青混合料的级配构成原理进行了分析，其次对其力学性能做出了分析。 关键词：沥青混合料力学性能级配构成 Abstract At present our country mainly adopts high-class highway asphalt pavement structure, asphalt mixture performance is good or bad will directly affect the service function of the highway and use fixed number of year.Modern overloading transportation for asphalt mixture has good high temperature stability and other performance;In order to improve the performance of asphalt mixture, the optimization of mixture performance, has emerged in recent years a large number of new materials and new theory.This article first to the asphalt mixture gradation composition principle was analyzed, and then made analysis on its mechanical performance. Keywords asphalt mixture; Mechanical properties; Gradation composition