河北工业大学路基路面工程课件.ppt

松散颗粒型材料及块料松散颗粒型材料及块料 沥青结合类材料沥青结合类材料 无机结合料类材料无机结合料类材料 水泥混凝土材料水泥混凝土材料 由由于于材材料料（整整体体性性材材料料和和非非整整体体性性材材料料）的的基基本本性性质质和和成成型型方方式式的的不不同同，各各种种路路面面结结构构具具有有不不同同的的力力学学强强度度特特性性（即即应应力力-应应变变关关系系），也也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性1 1、路面材料的几种类型、路面材料的几种类型 1）抗剪强度）抗剪强度 摩尔摩尔库仑强度理论：库仑强度理论：=c+tg 其其中中c和和 是是表表征征路路面面材材料料抗抗剪剪强强度度的的两两项项参参数数，c是是材材料料的的粘粘结结力力（kpa），是是材材料料内内摩摩阻阻角角，对对于于土土，可可以以通通过过直直剪剪试试验验得得到到；对对于于松松散散粒粒料料无无法法做做直直接接剪剪切切试试验验，可可用用三轴压缩试验三轴压缩试验测定。测定。2、路面材料的几种强度、路面材料的几种强度图图2-27 2-27 三轴试验确定三轴试验确定c.c.c第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 2、路面材料的几种强度、路面材料的几种强度2）抗压强度）抗压强度 指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。一般有大试件、中试件和小试件。一般有大试件、中试件和小试件。小试件小试件指指50mm*5 0mm；中试件中试件指指 100mm*100mm；大试件大试件指指 150 m m*1 50mm。第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 3）抗拉强度）抗拉强度 气气温温变变化化会会引引起起路路面面材材料料收收缩缩，湿湿度度变变化化能能产产生生半半刚刚性性材材料料干干缩缩，当当收收缩缩变变形形受受到到约约束束，即即在在材材料料内内产产生生拉拉应应力力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。路路面面材材料料的的抗抗拉拉强强度度主主要要由由混混合合料料中中的的结结合合料料粘粘结结力力提提供供，可采用可采用直接拉伸或间接拉伸试验直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。测定材料的抗拉强度。4）抗弯拉强度）抗弯拉强度 路路面面材材料料的的实实际际工工作作状状态态是是弯弯曲曲反反复复变变化化的的，结结构构层层底底首首先先容容易易出出现现局局部部拉拉裂裂、产产生生弯弯曲曲断断裂裂。材材料料的的抗抗弯弯拉拉强强度度一般采用一般采用简支梁三分点加载简支梁三分点加载进行测定。进行测定。2、路面材料的几种强度、路面材料的几种强度第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性3、路面材料的强度试验、路面材料的强度试验1）抗压强度试验）抗压强度试验一般有大试件、中试件和小试件。一般有大试件、中试件和小试件。小试件小试件指指50mm*5 0mm；中试件中试件指指 100mm*100mm；大试件大试件指指 150 m m*1 50mm。第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性图图2-28 2-28 直接拉伸试验直接拉伸试验1-1-上盖帽；上盖帽；2-2-变形传感器；变形传感器；3-3-金属箍；金属箍；4-4-下盖帽；下盖帽；5-5-试件试件图图2-29 2-29 间接拉伸试验间接拉伸试验1-1-压条；压条；2-2-试件试件pp112321543、路面材料的强度试验、路面材料的强度试验2）抗拉强度试验）抗拉强度试验直接拉伸试验和间接拉伸试验直接拉伸试验和间接拉伸试验第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性图图2-30 2-30 小梁试验加载图式小梁试验加载图式(1-1-试验梁；试验梁；2-2-承压板；承压板；3-3-支点；支点；4-4-顶杆；顶杆；5-5-千分表千分表)LPhl/3l/321345l1l03、路面材料的强度试验、路面材料的强度试验3）抗拉强度试验）抗拉强度试验弯拉试验弯拉试验4）抗剪强度试验）抗剪强度试验讨论讨论?第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性4、应力应变特性、应力应变特性1）无结合料碎、砾石材料）无结合料碎、砾石材料采用三轴压缩试验得到应力采用三轴压缩试验得到应力-应变曲线，求得表征其应力应变曲线，求得表征其应力-应变特性的回应变特性的回弹模量值。弹模量值。试验发现，碎、砾石材料的应力试验发现，碎、砾石材料的应力-应变特性具有明显的非线性特征，即弹应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量随偏应力的增大而减小，随侧压力的增大而增大。性模量随偏应力的增大而减小，随侧压力的增大而增大。碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示：碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示：第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 2）无机结合料稳定材料）无机结合料稳定材料无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。最符合路面实际无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。最符合路面实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验；工作状态的试验方法为三轴压缩试验；这类材料的应力这类材料的应力-应变关系曲线呈现出非线性特征；应变关系曲线呈现出非线性特征；不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定早期不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定早期抗压回弹模量。回弹模量按下式计算：抗压回弹模量。回弹模量按下式计算：第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 3）水泥混凝土）水泥混凝土常用试验方法有单轴试验、三轴试验以及小梁试验；常用试验方法有单轴试验、三轴试验以及小梁试验；抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验试件为抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验试件为150mm*150mm*300mm的直角棱柱体；的直角棱柱体；先测定抗压强度，然后去同样的试件施加先测定抗压强度，然后去同样的试件施加40%的抗压强度用于测定的抗压强度用于测定抗压回弹模量，用传感器或者千分表记录轴向压缩变形量，混凝土抗压回弹模量，用传感器或者千分表记录轴向压缩变形量，混凝土的抗压弹性模量按下式计算：的抗压弹性模量按下式计算：第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 4）沥青混合料）沥青混合料沥青混合料在荷载作用下的应力沥青混合料在荷载作用下的应力-应变具有随着温度和荷载作应变具有随着温度和荷载作用时间而变化的特性；用时间而变化的特性；对沥青混合进行三轴压缩试验，在应力不变的情况下，可以得对沥青混合进行三轴压缩试验，在应力不变的情况下，可以得到应变随应力作用时间的关系曲线；到应变随应力作用时间的关系曲线；考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响，用劲度考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响，用劲度模量模量St,T表征其应力表征其应力-应变关系。应变关系。第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性 4）沥青混合料）沥青混合料沥青劲度随时间和温度的变化曲线沥青劲度随时间和温度的变化曲线第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏1 1、路面结构破坏的极限状态、路面结构破坏的极限状态 1）路路面面材材料料处处于于弹弹塑塑性性工工作作状状态态：重重复复荷荷载载作作用用引引起起塑塑形形变变形形累累积积，当当累累积积变变形形超超出出一一定定限限度度即即造造成成路路面面使使用用功功能能下下降降至至允允许许限限度度以以下下，从从而而出出现现破破坏坏极极限限状状态态（此此为为使使用极限状态用极限状态）2）路路面面材材料料处处于于弹弹性性工工作作状状态态：重重复复荷荷载载作作用用虽虽不不产产生生塑塑性性变变形形，但但结结构构内内产产生生微微裂裂缝缝，当当微微量量损损伤伤累累积积到到一一定定限限度度时时即即致致使使路路面面材材料料出出现现疲疲劳劳断断裂裂，达达到到破破坏坏极极限限状状态态（即即结结构构承承载载疲疲劳劳极极限限状状态态）（*这这种种重重复复荷荷载载的的大大小小远远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏2 2、路面材料在重复载下破坏类型、路面材料在重复载下破坏类型水泥混凝土水泥混凝土：处于弹性工作状态，呈现疲劳破坏。处于弹性工作状态，呈现疲劳破坏。沥沥青青混混合合料料：低低温温环环境境中中基基本本处处于于弹弹性性工工作作状状态态，出出现现疲疲劳劳破破坏坏；高高温温环环境境处处于于弹弹塑塑性性工工作作状状态态，出出现现累累积积变变形形；温温度度在在上上述范围内变化时则兼有述范围内变化时则兼有疲劳破坏和累积变形疲劳破坏和累积变形两种极限状态。两种极限状态。无无机机结结合合料料稳稳定定材材料料：低低龄龄期期时时处处于于低低塑塑性性的的弹弹塑塑性性状状态态，其其后后基基本本处处于于弹弹性性工工作作状状态态，因因此此使使用用过过程程中中主主要要为为疲疲劳劳破破坏坏极极限状态。限状态。碎碎（砾砾）石石：属属于于松松散散类类材材料料，具具有有移移动动变变形形，可可引引起起结结构构塑塑性性变变形形累累积积，但但在在其其上上有有结结合合料料类类材材料料时时可可因因支支撑撑不不足足引引起起其其上材料的疲劳破坏。上材料的疲劳破坏。土土（碎碎石石土土）：细细粒粒土土受受大大气气湿湿度度影影响响，因因此此路路面面结结构构处处于于弹塑性工作状态，弹塑性工作状态，塑性变形累积塑性变形累积是主要极限状态形式。是主要极限状态形式。3、疲劳概念、疲劳概念u疲劳：疲劳：路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破坏应力值低的材料破坏，这种坏应力值低的材料破坏，这种材料强度降低的现象称为材料强度降低的现象称为 。u疲劳破坏：疲劳破坏：材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤，在重材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤，在重复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为结构破坏称为 。u疲劳强度：疲劳强度：承受规定重复荷载作用所对应的应力（应变）值承受规定重复荷载作用所对应的应力（应变）值称为称为 。第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏 3、疲劳概念、疲劳概念u疲劳极限：疲劳极限：重复作用次数随重复应力（应变）值的减少而随增加，当重复作用次数随重复应力（应变）值的减少而随增加，当重复应力（应变）值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力（应变）值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力（应变）值重复应力（应变）值即称为即称为。u疲劳寿命：疲劳寿命：材料从开始加载到破坏所对应的材料从开始加载到破坏所对应的重复荷载作用次数重复荷载作用次数称为称为u疲劳曲线：疲劳曲线：将重复弯拉应力（应变）将重复弯拉应力（应变）r（r）与一次加载破坏的极限与一次加载破坏的极限弯拉应力（应变）的比值弯拉应力（应变）的比值(称为应力比或应变比称为应力比或应变比)作为纵坐作为纵坐标，绘制出标，绘制出 r/f或或r/f与重复作用次数与重复作用次数Nf的关系曲线的关系曲线，即，即称为称为。第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏 4、无机结合料处治的混合料、无机结合料处治的混合料 及水泥混凝土的疲劳特性及水泥混凝土的疲劳特性u通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘出不同通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘出不同应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，从而得到疲应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，从而得到疲劳曲线，并可回归出疲劳方程：劳曲线，并可回归出疲劳方程：r/f=-lgNf。u水泥混凝土材料水泥混凝土材料，Nf=107时应力比时应力比 r/f=0.50，此时不出现，此时不出现疲劳破坏。疲劳破坏。u无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的疲劳极限明显低于水泥混凝土。的疲劳极限明显低于水泥混凝土。第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏 5、沥青混合料的疲劳特性、沥青混合料的疲劳特性u沥青混凝土材料疲劳试验有沥青混凝土材料疲劳试验有控制应力控制应力与与控制应变控制应变两种试两种试验方法；验方法；u厚沥青路面厚沥青路面宜采用控制应力的方法；宜采用控制应力的方法；u薄沥青路面薄沥青路面宜采用控制应变的方法，介于两者之间时可宜采用控制应变的方法，介于两者之间时可采取其中一种方法。采取其中一种方法。u目前一般建议采用目前一般建议采用控制应变的方法控制应变的方法。第七节第七节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏 6、Miner定律定律u不同车型荷载作用下的材料，其所出现的疲劳损伤可以进不同车型荷载作用下的材料，其所出现的疲劳损伤可以进行线性叠加，某一级荷载对材料疲劳寿命的影响可表示为行线性叠加，某一级荷载对材料疲劳寿命的影响可表示为ni/(Nf)i。u材料的综合损伤为各级荷载重复作用消耗的材料疲劳寿命材料的综合损伤为各级荷载重复作用消耗的材料疲劳寿命的总和，即：的总和，即：D=ni/(Nf)i （i=1，m）1、何谓累计当量轴次、何谓累计当量轴次Ne？怎样确定？它在路面设计中有何用处？怎样确定？它在路面设计中有何用处？2、不同轴载通行次数是按等效原理进行换算的，请说明该、不同轴载通行次数是按等效原理进行换算的，请说明该“等效原理等效原理”的主要依据是什么？的主要依据是什么？3、碎砾石在不同偏应力下抵抗累积变形性能有何不同？、碎砾石在不同偏应力下抵抗累积变形性能有何不同？4、名词解释：疲劳、疲劳破坏、疲劳极限、疲劳曲线、疲劳寿命、疲劳、名词解释：疲劳、疲劳破坏、疲劳极限、疲劳曲线、疲劳寿命、疲劳方程，方程，Miner定律定律5、不同路面材料的疲劳特性有何不同？、不同路面材料的疲劳特性有何不同？6、请对表、请对表21中的序号为中的序号为1、9、15按沥青路面要求进行轴载换算？按沥青路面要求进行轴载换算？7、假如表、假如表21中的汽车超载中的汽车超载10、20、50，上面的结果如何？，上面的结果如何？8、请对表、请对表21中的序号为中的序号为1、9、15按水泥混凝土路面要求进行轴载换按水泥混凝土路面要求进行轴载换算？算？9、假如假如表表21中的汽车超载中的汽车超载10、20、50，上面按水泥混凝土路面，上面按水泥混凝土路面要求进行轴载换算的结果如何？要求进行轴载换算的结果如何？复习思考题复习思考题