路面材料的应力——应变特性

康艳萍

(黑龙江省呼兰养路总段)

用于基层和底基层的无结合料碎、砾石材料无法通过成型试件直接测试应力－应变特性，可以由三轴压缩试验所得到的应力—应变关系曲线求得表征其应力—应变特性的回弹模量值Ero。经试验发现，它的应力—应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量Er随偏应力σd=(σ1－σ3)的增大而减小，随侧压力σ3的增大而增大。根据大量试验，碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示:

式中:θ为三向主应力之和，kPa;K1、K2为回归常数，同材料性质有关。

由回归分析得到，一般情况下碎石集料的K1变动于7.0～15.7;K2变动于0.46～0.64之间。

碎、砾石材料的回弹模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关，取值范围为100～700MPa。通常，密实度越高，模量值越大;颗粒棱角多，模量高;细料含量不多时，含水率的影响很小。

水泥混凝土以及用无机结合料处治的混合料，经捣实成型，并养护一定期限之后，具有一定的强度，因此研究这一类材料的应力－应变特性，可以采用规则试件进行测定。常用的试验方法有三种，即单轴试验、三轴试验以及小梁试验。

水泥混凝土混合料抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验150mm×150mm×300mm的直角棱柱体试件。先测定抗压强度，然后取同样的试件施加40%的抗压强度用于测定抗压回弹模量，用传感器或千分表记录轴向压缩变形量。混凝土的抗压弹性模量按式(2)计算

式中:PA为终荷载，kN;P0为初荷载，kN;▽a为加载P0及PA作用下之变形差，m;L为试件轴向标距长度，m;F为试件横截面积，m2。

无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。在早期，测定其应力－应变特性关系，不宜采用无侧限单轴试验方法。最理想、最符合路面结构实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验。通过试验发现，这一类材料的应力一应变关系曲线呈现出非线性特征，同土一样，其弹性模量是三向主应力的函数。然而，在应力级位较低时(低于极限应力50%)，应力－应变曲线可近似看作是线性的。按回弹应变量确定的回弹模量值，可以近似看作为常数。

在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。用于承载板法试验的试件取直径×高=150mm×150mm，承载板直径37.4mm，面积11cm2。试验时取承载板的单位压力为200～700kPa，分级加载，同时记录承载板的沉降量，回弹模量值按式(3)计算

式中:p为承载板单位压力，kPa;D为承载板直径，m;l为相应于单位压力p的回弹变形，m;μ为泊松系数，可取0.25。

水泥混凝土路面与无机结合料处治的混合料基层，在车轮荷载作用下处于弯曲受力状态，在结构分析时，采用相应的计算参数抗折弹性模量。测量抗折弹性模量所用的试件尺寸与测量抗折强度时所用的小梁试件相同，加载方法也相同。取抗折强度对应荷载的50%，作为最大荷载，加载时同时记录小梁跨中的挠度。

抗折弹性摸量按式(4)计算

沥青混合料应力－应变特性的测试方法与以上各种材料所用的方法相类似，在低温条件下可以用单轴试验或小梁试验，在高温条件下，由于沥青材料的温度敏感性强，用三轴压缩试验更能符合实际受力状态。

沥青混合料的应力一应变特性同上述材料有很明显的不同。由于混合料中的沥青材料具有依赖于温度和加荷时间的黏一弹性性状，因此，沥青混合料在荷载作用之下的应力一应变也具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。

对沥青混合料进行三轴压缩试验，在不变应力的作用下，可以得出应变同应力作用时间的关系曲线，如图1所示。其中图1a)为施加应力比较小的情况，一部分应变在施荷的同时立即产生，而卸荷后这部分应变又立即消失，这是沥青混合料的弹性应变，应力同应变成正比关系。另一部分应变(ε0)随加荷时间延长而增加，卸荷后随时间而逐渐消失，这是沥青混合料的黏弹性应变。这种现象说明，当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，基本上处于弹性状态并兼有弹黏性性质。图1b)为施加应力较大的情况，这时，除了瞬时弹性应变及滞后弹性应变之外，还存在着随时间而发展的近似直线变化的秸性和塑性流动，卸荷后这部分应变不再能恢复而成为塑性应变。这说明，当沥青混合料受力较大，且力的作用时间较长时，应力－应变关系呈现出弹性，弹－黏性和弹－黏－塑性等不同性状。

图1 沥青混合料压缩蠕变试验