一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法

摘要

本发明属于道路工程领域，特别是一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法。所述强度模型基于简易试验方法得到、计算简便，便于推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，特别是一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法。

背景技术

十二五期间，我国已通车高速公路里程突破12.5万公里，“7918”的高速公路骨干路网基本建成。其中，大部分为沥青路面结构。在行车荷载和环境因素的共同作用下，沥青路面在投入运营后会出现各种类型的破坏，影响着路面的服务水平与使用寿命，造成了不良的社会及经济影响。

在研究沥青路面破坏时，科学表征沥青路面材料对荷载的抗力，即确定沥青混合料的强度模型是关键。目前，常用的沥青混合料强度模型主要有最大拉应力强度模型、最大拉应变强度模型和摩尔-库伦强度模型。近年来一些科研工作者也提出了双剪强度模型和八面体强度模型。沥青混合料最大拉应力模型和最大拉应变模型属于一维强度模型，只考虑了单一因素的破坏作用，而没有考虑路面材料在实际工作状态下处于三维复杂应力状态，各应力分量都将对路面产生协同破坏作用这一事实。摩尔-库伦强度模型虽然考虑了两个主应力对路面材料的破坏作用，但是无法考虑中间主应力的影响。沥青混合料双剪强度模型侧重于考虑材料在高压区的抗压性能，而非低压区的抗剪性能，难以客观反映路面在真实受力状态下的抗力。专利文献“CN201510144472.9一种沥青路面强度校核方法”中虽然以沥青混合料八面体强度模型为基础对沥青路面进行强度校核，但是该模型参数多、形式复杂，需要通过自研的三轴试验设备进行三向加载试验来获得模型参数，因此难以应用于工程实践。总之，在路面设计中，最大拉应力强度模型、最大拉应变强度模型和摩尔-库伦强度模型虽有应用，但是都无法考虑车轮荷载作用下各应力分量对路面结构的协同破坏作用。而双剪强度模型和八面体强度模型由于形式复杂、参数难以通过常规试验确定，无法应用于工程实践。

在获取强度模型的试验手段方面，由于岩土三轴试验设备不适合沥青混合料，一些道路研究人员通过自研的三向加载设备进行了三轴试验，确定了沥青混合料的双剪强度模型和八面体强度模型。但是，这类试验方法存在以下缺点：一是试验设备多为自研，目前尚未形成产品，不便于推广应用；二是试验过程中存在试件从边角处挤出、出现应力集中的问题，影响着试验结果的精确性；三是存在确定强度模型的过程复杂，模型参数多等问题，不便于路面设计应用。因此，提出一种通过常规试验获取三维复杂应力状态下强度模型的方法，对于路面结构的工程实践具有重要的指导价值。

发明内容

基于以上技术问题，本发明公开了一种确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法，所述强度模型基于简易试验方法得到、计算简便，便于推广应用，具体步骤如下：

1.按上述沥青路面的原材料配比成型沥青混合料或对上述沥青路面进行钻芯取样，然后采用常规试验设备对所述沥青混合料或钻芯取样的样品进行测试，从而得到不同实验条件样本的强度试验结果，并将试验结果绘于以σ_oct/f_c为横坐标，τ_oct/f_c为纵坐标的坐标系内；

2.根据单轴压缩和围压三轴压缩试验结果，得到压子午线延长压子午线，获取压子午线与横坐标轴的交点0；

3.过交点0向单轴拉伸试验点作线性回归，得到拉子午线

$\frac{{\tau }_{ot}}{f_c}=a-b\frac{{\sigma }_{oct}}{f_c};$

4.计算样本的八面体上抗剪强度

${\tau }_{oct}\left(\theta \right)={\tau }_{ot}+({\tau }_{oc}-{\tau }_{ot})\frac{3\theta }{\pi };$

在本发明进一步地实施方案中，步骤1-4中，σ_oct、τ_oct、τ_oct(θ)通过以下步骤计算获得：

(1)计算所述样本的八面体正应力σ_oct：

${\sigma }_{oct}=\frac{1}{3}({\sigma }_1+{\sigma }_2+{\sigma }_3);$

(2)计算所述样本的八面体剪应力τ_oct：

${\tau }_{oct}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\sigma }_1-{\sigma }_2)}^2+{({\sigma }_2-{\sigma }_3)}^2+{({\sigma }_3-{\sigma }_1)}^2};$

(3)计算出样本的应力角

(4)对试验结果进行回归，计算出拉、压子午线上的八面体剪应力τ_ot和τ_oc：

$\frac{{\tau }_{ot}}{f_c}=a-b\frac{{\sigma }_{oct}}{f_c}$

$\frac{{\tau }_{oc}}{f_c}=m(a-b\frac{{\sigma }_{oct}}{f_c})$

其中a、b、m为回归参数

τ_oc为应力角等于60°即压子午线上的八面体剪应力，τ_ot为应力角等于0°即拉子午线上的八面体剪应力。

(5)根据拉、压子午线结果，计算出样品在不同应力角的八面体抗剪强度，并画出等倾面上的强度包络线：

${\tau }_{oct}\left(\theta \right)={\tau }_{ot}+({\tau }_{oc}-{\tau }_{ot})\frac{3\theta }{\pi }$

在以上公式中：f_c为沥青混合料的单轴抗压强度，取绝对值。

所述不同的实验条件为单轴压缩试验、围压三轴压缩试验和单轴拉伸试验。上述试验方法及仪器均为道路领域常用的试验方法及仪器，操作简单，易于推广。对于确定的沥青混合料，只需按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相关方法，通过简单的一维拉、压试验和常规的三轴压缩试验即可唯一地确定其强度准则，工程设计部门完全有能力完成相关工作。

在本发明中，所涉及到的计算分析简单，参数少。只需在八面体正应力和八面体剪应力构成的坐标系内对单轴压缩、围压三轴压缩试验结果线性回归得到压子午线；然后延长压子午线，得到压子午线与横坐标轴的交点；再用直线回归交点与单轴抗拉试验点，即得到拉子午线；并使得拉、压子午线的系数成比例。八面体抗剪强度及强度包络线由拉、压子午线及应力角确定。

由于采用以上技术方案，本发明具有以下有益的技术效果：

提出了通过简单的一维拉压试验和常规的三轴压缩试验确定沥青混合料三维破坏准则的试验方法，该试验方法简单易行、便于使用；提出了一个考虑了各个因素之间的协同破坏作用，且参数少、计算简单、便推广应用的沥青混合料强度模型，工程设计部门完全有能力完成相关工作。

附图说明

图1为拉、压子午线的回归；

图2为等倾面上的强度包络线。

具体实施方式

下面将结合附图以及进一步的详细说明来举例说明本发明。需要指出的是，以下说明仅仅是对本发明要求保护的技术方案的举例说明，并非对这些技术方案的任何限制。本发明的保护范围以所附权利要求书记载的内容为准。

实施例1

1.按沥青路面的原材料配比成型沥青混合料或对沥青路面进行钻芯取样，得到试验所需的沥青混合料或钻芯取样的样品。

2.对上述的沥青混合料或钻芯取样的样品进行单轴压缩试验、围压三轴压缩试验及单轴拉伸试验。所述样品是直径为100mm，高为100mm的圆柱体试件，轴向加载速度为2mm/min，试验温度为15℃。所述试验温度及加载速度也可以按照所在区域路面的荷载条件、温度条件以及不利因素的综合作用状况确定。进行单轴压缩及围压三轴压缩试验时，在试件表面采取减小摩擦的措施；进行单轴拉伸试验时，粘牢试件表面与加载板，以保证测试时试件发生破坏而不是在粘胶处被拉断。试验结果如表1所示。

表1沥青混合料单轴压缩、围压三轴压缩及单轴拉伸试验结果

₃.如附图1所示，将试验点绘于以σ_oct/f_c为横坐标，τ_oct/f_c为纵坐标的坐标系内；根据单轴压缩和围压三轴压缩试验结果，回归得到压子午线；延长压子午线，获取压子午线与横坐标轴的交点0；连接交点0与单轴拉伸试验点，回归得到拉子午线；回归过程中使得拉、压子午线的系数成比例。

拉子午线：压子午线：

其中，f_c为沥青混合料的单轴抗压强度，取绝对值，a、b、m为回归系数，本实施例中，其值分别为-0.59、0.0738和1.652。

4.根据拉、压子午线结果计算样本的八面体上抗剪强度，得到等倾面上的强度包络线，见附图2：

其中：

(1)计算所述样本的八面体正应力σ_oct：

${\sigma }_{oct}=\frac{1}{3}({\sigma }_1+{\sigma }_2+{\sigma }_3);$

(2)计算所述样本的八面体剪应力τ_oct：

${\tau }_{oct}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\sigma }_1-{\sigma }_2)}^2+{({\sigma }_2-{\sigma }_3)}^2+{({\sigma }_3-{\sigma }_1)}^2};$

(3)计算出样本的应力角

上述确定复杂应力状态下沥青混合料强度模型的方法，也可等效为通过理论与试验研究，将专利文献“CN201510144472.9一种沥青路面强度校核方法”中强度模型的拉、压子午线及等倾面上的强度包络线在静水应力较低的情况下线性化。从工作条件而言，该模型已经了包括路面结构在实际工作条件下的静水应力范围，其精度能满足工程设计的需要；在适用性方面，该线性模型参数少，计算简便，结果偏于安全；从试验方法来讲，确定该模型仅需进行常规的单轴拉、压及围压三轴压缩试验，不需要利用自研的三轴试验设备进行三向加载试验。较之于专利文献“CN201510144472.9一种沥青路面强度校核方法”中的试验方法，本专利文件的试验及分析方法非常简便，而且在工程实践中不损失精度，使得工程设计部门完全有能力完成相关工作。这种试验方法对于其它类型的沥青混合料同样适用，也就是说，对于其它类型的沥青混合料只需要进行单轴压缩试验、围压三轴压缩试验及单轴拉伸试验便可确定沥青混合料三维应力状态下的强度模型，而不需要开展复杂的三向加载试验，因而便于工程应用。

实施例2沥青混合料强度模型的应用——沥青路面强度校核

1.对典型沥青路面结构进行力学分析，按照公路沥青路面设计规范中的规定，采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论对路面结构内部各点进行力学分析，得到沥青路面危险点位的主应力σ_1L、σ_2L、σ_3L分别为(-0.033、-0.324、-0.499)MPa；根据计算出危险点位等倾面上的等效应力为0.192MPa。

2.按实施例1中的方法，按路面的原材料配比成型试件进行单轴压缩试验、围压三轴压缩试验及单轴拉伸试验。并在以σ_oct/f_c为横坐标，τ_oct/f_c为纵坐标的坐标系内对试验结果进行回归分析，得到沥青混合料的强度模型为：

拉子午线：

压子午线：

八面体上抗剪强度：

其中：所述样本的八面体正应力σ_oct：

${\sigma }_{oct}=\frac{1}{3}({\sigma }_1+{\sigma }_2+{\sigma }_3)$

所述样本的八面体剪应力τ_oct：

${\tau }_{oct}=\frac{1}{3}\sqrt{{({\sigma }_1-{\sigma }_2)}^2+{({\sigma }_2-{\sigma }_3)}^2+{({\sigma }_3-{\sigma }_1)}^2}$

所述样本的应力角

其中，a、b、m为回归系数，本实施例中，其值分别为-0.59、0.0738和1.652。

3.按照σ_i≤τ_oct(θ)/K进行路面破坏源分析，K为安全系数，取1。按照本领域常规校核方法，等倾面上的等效应力0.192MPa，而根据本发明的方法实际上该路面的八面体上的抗剪强度τ_oct(θ)为0.859MPa。较之于传统的以最大拉应力强度模型、最大拉应变强度模型、摩尔-库伦强度模型为基础的强度校核方法，本实施例的强度校核方法考虑了三个主应力对路面的协同破坏作用，更加科学地反映了路面在车轮荷载作用下的破坏行为。较之于近年来提出的以双剪强度模型为基础的强度校核方法，本实施例的强度校核方法侧重于考虑路面材料在低压区的抗拉性能，更加符合路面的真实破坏形态。较之于专利文献“CN201510144472.9一种沥青路面强度校核方法”中提出的以非线性强度模型为基础的强度校核方法，本实施例的强度校核方法避免了三轴试验设备的开发、进行复杂的三向加载试验和试验数据的非线性高次分析等过程，而且没有损失试验精度，使得工程设计部门完全有能力完成相关工作。科学崇尚简单，本发明确定强度模型的试验及计算方法非常简便。因此，也就便于工程实践应用，也具有更强的推广及使用前景。

该点位于近路表单圆荷载边界附近，其等倾面上的等效应力与八面体上的抗剪强度之比最大。在车辆重复荷载作用下，该点最容易发生破坏，应为路面的破坏源。在后续测试中发现该沥青路面在实施例2计算得到的危险点位上最先发生了破坏。由此可见，本发明的沥青路面强度模型及其试验方法较为准确。在路面材料及结构设计过程中，可以按照上述方法判断材料对荷载的抗力，也可利用上述方法进行路面结构的优化设计。因此，该模型的提出能够为路面材料及结构设计提供理论参考。

本发明内容仅仅举例说明了要求保护的一些具体实施方案，其中一个或更多个技术方案中所记载的技术特征可以与任意的一个或多个技术方案相组合，这些经组合而得到的技术方案也在本申请保护范围内，就像这些经组合而得到的技术方案已经在本发明公开内容中具体记载一样。