考虑沥青混合料泊松比影响的路面结构应力分析
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第 39 卷 第 1 期 2009 年 1 月
吉林大学学报 (工学版)
Jo urnal of Jilin U niversit y ( Engineering and Technology Edition)
Vol . 39 No . 1 J an. 2009
考虑沥青混合料泊松比影响的路面结构应力分析
Stress analysis of pavement structure considering Poisson ratio effect of asphalt mixtures
Q IAO Ying2juan1 ,2 ,C H EN J ing2yun1 ,WAN G Zhe2ren1 ,3 ,XU Guang2hui3
32
24. 6 18. 9 14. 5
来自百度文库
11
8. 2
6
100 91. 7 79. 2 54. 2
45
29. 7 20. 1 14. 1
10. 1 7. 6
6
100
73
53. 4 39. 4
28. 9 21. 1
15. 5
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
乔英娟1 ,2 ,陈静云1 ,王哲人1 ,3 ,徐光辉3
(1. 大连理工大学 土木水利学院 ,辽宁 大连 116024 ;2. 同济大学 交通运输工程学院 ,上海 201804 ;3. 哈尔滨 工业大学 交通科学与工程学院 ,哈尔滨 150001)
摘 要 :基于数字图像测量方法 ,通过间接拉伸试验测定了不同温度下沥青混合料的泊松比μ 变化规律 。低温下 ,μ在荷载比为 0. 3～0. 8 时保持相对稳定 ,而在接近峰值荷载时呈非线性 增长 ;高温下 ,μ随荷载比的增大而增大 。采用三维有限元计算模型 ,考虑不同温度下沥青层 模量及泊松比的变化 ,对三种典型路面结构进行分析 。结果表明 ,沥青面层的泊松比对沥青路 面结构的最大横向应变和最大剪应变有显著影响 :当上中面层模量比小于 0. 8 且沥青面层泊 松比增大到一定程度时 ,轮迹带边缘的沥青混合料在荷载作用下有向车辙两侧流动的趋势 ,容 易产生失稳性车辙 。这说明在进行沥青路面结构设计时 ,有必要考虑沥青结构层的协调组合 关系和材料泊松比的影响 。 关键词 :道路公程 ;泊松比 ;荷载比 ;沥青路面 ;三维有限元 ;模量比 ;车辙 中图分类号 : U416. 217 文献标识码 :A 文章编号 :167125497 (2009) 0120050206
组号
1 2 3
油石比
4. 0 4. 0 9. 0
表 1 沥青混合料级配( 累积通过率 , %) Table 1 Gradation of specimens
孔径/ mm
19
16
13. 2 9. 5 4. 75 2. 36 1. 18 0. 6
0. 3 0. 15 0. 075
100 89. 7 74. 2 43. 3
本文中采用实测轴向应变εa 和径向应变εr , 然后根据μ= - εr/εa 计算得到[7] 。
为了对比反映不同配合比 、不同温度下的沥 青混合料泊松比 ,本次试验选用了 3 种级配 ,4 种 试验温度 ( - 10 ℃、0 ℃、20 ℃、45 ℃) ,加载速率 为 1 mm/ min ,在 M TS 材料试验机上进行间接拉 伸试验 。沥青混合料材料组成见表 1 。
第1期
乔英娟 ,等 :考虑沥青混合料泊松比影响的路面结构应力分析
·51 ·
Key words :road engineering ; Poisso n’s ratio ;load ratio ;asp halt pavement ;3D finite element ; modulus ratio ;rut ting
已有的研究表明[1] :应力水平不高时 ,试件应 力状态的变化对泊松比影响很小 ;大变形条件下 , 泊松比随应力状态及加荷方式的不同而变化 ;沥 青含量增大 ,温度升高 ,泊松比均有增大趋势 。
2 基于图像测量方法研究泊松比
数字图像测量方法[4] 克服了传统测量方法的 缺陷 ,不仅测量精度高 ,而且是非接触测量 ,可以 为沥青混合料泊松比的测定提供可靠的取值依 据。 2. 1 沥青混合料泊松比的测定
在材料力学中 ,由于沥青混合料是一种黏弹 性材料 ,不太容易直接测量 ,通常根据各种测定试 验和计算方法 ,结合工程实例和经验公式确定工 程计算中应用的泊松比值[4] 。
目前沥青混合料泊松比的测定方法基本是在 有围压条件下测定的 :利用实测的沥青混凝土εa2 εr 关系 ,得到材料的切线泊松比[2] ;或者实测沥青 混合料的轴向和径向应变 ,得到其动泊松比[1] ;间 接拉伸试验中 ,也可实测材料的轴向变形和径向 变形 ,带入相应的公式计算得到μ[7] 。
Abstract :The Poisso n ratio μvariatio ns of t he asp halt mixt ures ver sus temperat ure were measured by t he indirect tensile test using t he digital image p rocessing technique. U nder low temperat ures , when t he load ratio changes f ro m 0. 3 to 0. 8 , μ keep s relatively invariable , and increases no nlinearly while app roaching t he peak load. U nder high temperat ures , μgrow s wit h load ratio increasing. A 32D finite element analysis model was used to analyze t he 3 t ypical pavement st ruct ures under rectangular uniform load co nsidering t he changes of modulus and μ of t he top asp halt layer under different temperat ures. The result s indicate t hat t he μ of t he asp halt mixt ures has significant effect o n t he maximal lateral and shear st rains. When t he modulus ratio of t he top and middle lagers is less t han 0. 8 andt he μof t he asp halt top layer increases to a certain extent , t he asp halt mixt ures aro und t he edge of wheel mark tend to flow towards bot h sides of t he rut under t he actio n of load , leading to t he unstable rut . It is necessary to co nsider t he harmo nized co mbinatio n of t he asp halt st ruct ure layers and t he effect of μin t he st ruct ure design of asp halt pavement .
材料泊松比的测试方法一般要求有精确的泊 松比表达式 、非接触式测量方法 、标准测试方法以 及测试精度高 、易于标定[3] 等要求 。而目前道路 规范中 ,还没有正式的沥青混合料泊松比测试方 法 ,只是某些材料性能试验中 ,有的涉及到泊松比 这个参数而已 ,如间接拉伸试验 。因此 ,作者基于 数字图像测量方法[4] 这种非接触式 、测试精度高 的测量方法 ,针对现有的沥青混合料性能试验 ,对 沥青混合料泊松比的测定做初步的研究探讨 ;并 利用有限元程序建立沥青路面结构模型 ,分析泊 松比取值对沥青路面最大横向应变和最大剪应变 的影响 ,还分析了沥青路面失稳性车辙的形成机 理。
从图 1 中可以看出 ,在 - 10 ℃时 ,泊松比2荷 载比 (即瞬时荷载与最大荷载之比) 关系曲线可以 大致分为三个阶段 :即初始加载时的泊松比波动 较大阶段 、继续加载时泊松比逐渐稳定阶段 、接近 峰值荷载时泊松比迅速增大阶段 。针对不同级配 试件 ,其三个阶段的分界点也有所不同 。例如级 配 2 试件属于骨架密实结构 ,在荷载比小于 0. 3 时 ,泊松比波动较大 ,此为初始加载压密阶段 ; 而 当荷载比为 0. 3～0. 9 时 ,泊松比变化较小 ,基本 趋于一稳定值 ;而一旦进入第三阶段 ,泊松比则迅 速增加 ,试件很快进入破坏状态 。级配 3 试件的 最大粒径为 4. 75 mm ,为细骨料结构沥青混凝土 , 结构组成分布比较均匀 ,侧向变形阻抗能力要逊 于其他级配试件 ,因此在第二阶段的平均泊松比 要大于其他级配 ,且在荷载比为 0. 8 时 ,就已进入 第三阶段的泊松比加速增长阶段 。
1 泊松比的研究方法
泊松比是反映材料弹性变形特性的一个重要 参数[4] ,其传统定义为 :单轴压缩或拉伸条件下 , 弹性阶段的侧向应变与轴向应变的比值 。但在实 际研究应用中 ,材料不可能只处于弹性受力状态 ,
因此又有了弹性泊松比与黏弹性泊松比[3] ,瞬时 泊松比[5 ] 与动泊松比[1 ] ,峰前泊松比与峰后泊松 比[6] 等提法 。这些泊松比不仅与材料本身变形特 性有关 ,而且与加载方式 、加载历史紧密相连 。
在道路工程设计中 ,各结构层材料的泊松比 μ是设计中必须要考虑的参数 ,尤其在沥青路面 使用过程中 ,沥青路面的车辙主要来源于沥青混 合料的黏滞流动和一定程度的压密变形 ,而其中 沥青混合料的横向失稳变形则占主要比例 。在夏 季高温持续的天气里 ,沥青混合料的泊松比并不 是设计时采用的一个常数 ,而是随着荷载 、气候的 不断变化而改变 ,使得沥青混合料在竖向荷载作 用下产生了大量的侧向推移 ,从而容易产生失稳 性车辙 。因此 ,泊松比的研究对于沥青路面的车 辙产生有重要意义 。但目前关于沥青混合料泊松 比的研究较少[122] ,甚至在路面设计中很少考虑材 料泊松比变化的影响 ,这显然与实际不符 。
收稿日期 :2007205201. 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50578031) . 作者简介 :乔英娟 (19792) ,女 ,博士研究生. 研究方向 :道路与交通工程. E2mail :yjqiao99 @163. co m
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(1. S chool of Ci vi l an d H y d raulic En gi neeri n g , D ali an U ni versit y of Technolog y , D ali an 116024 , Chi na; 2. S chool of T rans port ation En gi neeri n g , Ton g j i U ni versit y , S han g hai 201804 , Chi na; 3. S chool of S cience an d En gi neeri n g on Com m unication , H arbi n I nstit ute of Technolog y , H a rbi n 150001 , Chi na)
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吉林大学学报 (工学版)
第 39 卷
2. 2 试验结果 利用图像测量得到的实际应力状态下的泊松
比如图 1 所示 。
图 1 不同试验温度下泊松比随加载过程的变化曲线 Fig. 1 Curve of Poisson’s ratio vs. load ratio under different temperature
吉林大学学报 (工学版)
Jo urnal of Jilin U niversit y ( Engineering and Technology Edition)
Vol . 39 No . 1 J an. 2009
考虑沥青混合料泊松比影响的路面结构应力分析
Stress analysis of pavement structure considering Poisson ratio effect of asphalt mixtures
Q IAO Ying2juan1 ,2 ,C H EN J ing2yun1 ,WAN G Zhe2ren1 ,3 ,XU Guang2hui3
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24. 6 18. 9 14. 5
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100 91. 7 79. 2 54. 2
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10. 1 7. 6
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53. 4 39. 4
28. 9 21. 1
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
乔英娟1 ,2 ,陈静云1 ,王哲人1 ,3 ,徐光辉3
(1. 大连理工大学 土木水利学院 ,辽宁 大连 116024 ;2. 同济大学 交通运输工程学院 ,上海 201804 ;3. 哈尔滨 工业大学 交通科学与工程学院 ,哈尔滨 150001)
摘 要 :基于数字图像测量方法 ,通过间接拉伸试验测定了不同温度下沥青混合料的泊松比μ 变化规律 。低温下 ,μ在荷载比为 0. 3～0. 8 时保持相对稳定 ,而在接近峰值荷载时呈非线性 增长 ;高温下 ,μ随荷载比的增大而增大 。采用三维有限元计算模型 ,考虑不同温度下沥青层 模量及泊松比的变化 ,对三种典型路面结构进行分析 。结果表明 ,沥青面层的泊松比对沥青路 面结构的最大横向应变和最大剪应变有显著影响 :当上中面层模量比小于 0. 8 且沥青面层泊 松比增大到一定程度时 ,轮迹带边缘的沥青混合料在荷载作用下有向车辙两侧流动的趋势 ,容 易产生失稳性车辙 。这说明在进行沥青路面结构设计时 ,有必要考虑沥青结构层的协调组合 关系和材料泊松比的影响 。 关键词 :道路公程 ;泊松比 ;荷载比 ;沥青路面 ;三维有限元 ;模量比 ;车辙 中图分类号 : U416. 217 文献标识码 :A 文章编号 :167125497 (2009) 0120050206
组号
1 2 3
油石比
4. 0 4. 0 9. 0
表 1 沥青混合料级配( 累积通过率 , %) Table 1 Gradation of specimens
孔径/ mm
19
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13. 2 9. 5 4. 75 2. 36 1. 18 0. 6
0. 3 0. 15 0. 075
100 89. 7 74. 2 43. 3
本文中采用实测轴向应变εa 和径向应变εr , 然后根据μ= - εr/εa 计算得到[7] 。
为了对比反映不同配合比 、不同温度下的沥 青混合料泊松比 ,本次试验选用了 3 种级配 ,4 种 试验温度 ( - 10 ℃、0 ℃、20 ℃、45 ℃) ,加载速率 为 1 mm/ min ,在 M TS 材料试验机上进行间接拉 伸试验 。沥青混合料材料组成见表 1 。
第1期
乔英娟 ,等 :考虑沥青混合料泊松比影响的路面结构应力分析
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Key words :road engineering ; Poisso n’s ratio ;load ratio ;asp halt pavement ;3D finite element ; modulus ratio ;rut ting
已有的研究表明[1] :应力水平不高时 ,试件应 力状态的变化对泊松比影响很小 ;大变形条件下 , 泊松比随应力状态及加荷方式的不同而变化 ;沥 青含量增大 ,温度升高 ,泊松比均有增大趋势 。
2 基于图像测量方法研究泊松比
数字图像测量方法[4] 克服了传统测量方法的 缺陷 ,不仅测量精度高 ,而且是非接触测量 ,可以 为沥青混合料泊松比的测定提供可靠的取值依 据。 2. 1 沥青混合料泊松比的测定
在材料力学中 ,由于沥青混合料是一种黏弹 性材料 ,不太容易直接测量 ,通常根据各种测定试 验和计算方法 ,结合工程实例和经验公式确定工 程计算中应用的泊松比值[4] 。
目前沥青混合料泊松比的测定方法基本是在 有围压条件下测定的 :利用实测的沥青混凝土εa2 εr 关系 ,得到材料的切线泊松比[2] ;或者实测沥青 混合料的轴向和径向应变 ,得到其动泊松比[1] ;间 接拉伸试验中 ,也可实测材料的轴向变形和径向 变形 ,带入相应的公式计算得到μ[7] 。
Abstract :The Poisso n ratio μvariatio ns of t he asp halt mixt ures ver sus temperat ure were measured by t he indirect tensile test using t he digital image p rocessing technique. U nder low temperat ures , when t he load ratio changes f ro m 0. 3 to 0. 8 , μ keep s relatively invariable , and increases no nlinearly while app roaching t he peak load. U nder high temperat ures , μgrow s wit h load ratio increasing. A 32D finite element analysis model was used to analyze t he 3 t ypical pavement st ruct ures under rectangular uniform load co nsidering t he changes of modulus and μ of t he top asp halt layer under different temperat ures. The result s indicate t hat t he μ of t he asp halt mixt ures has significant effect o n t he maximal lateral and shear st rains. When t he modulus ratio of t he top and middle lagers is less t han 0. 8 andt he μof t he asp halt top layer increases to a certain extent , t he asp halt mixt ures aro und t he edge of wheel mark tend to flow towards bot h sides of t he rut under t he actio n of load , leading to t he unstable rut . It is necessary to co nsider t he harmo nized co mbinatio n of t he asp halt st ruct ure layers and t he effect of μin t he st ruct ure design of asp halt pavement .
材料泊松比的测试方法一般要求有精确的泊 松比表达式 、非接触式测量方法 、标准测试方法以 及测试精度高 、易于标定[3] 等要求 。而目前道路 规范中 ,还没有正式的沥青混合料泊松比测试方 法 ,只是某些材料性能试验中 ,有的涉及到泊松比 这个参数而已 ,如间接拉伸试验 。因此 ,作者基于 数字图像测量方法[4] 这种非接触式 、测试精度高 的测量方法 ,针对现有的沥青混合料性能试验 ,对 沥青混合料泊松比的测定做初步的研究探讨 ;并 利用有限元程序建立沥青路面结构模型 ,分析泊 松比取值对沥青路面最大横向应变和最大剪应变 的影响 ,还分析了沥青路面失稳性车辙的形成机 理。
从图 1 中可以看出 ,在 - 10 ℃时 ,泊松比2荷 载比 (即瞬时荷载与最大荷载之比) 关系曲线可以 大致分为三个阶段 :即初始加载时的泊松比波动 较大阶段 、继续加载时泊松比逐渐稳定阶段 、接近 峰值荷载时泊松比迅速增大阶段 。针对不同级配 试件 ,其三个阶段的分界点也有所不同 。例如级 配 2 试件属于骨架密实结构 ,在荷载比小于 0. 3 时 ,泊松比波动较大 ,此为初始加载压密阶段 ; 而 当荷载比为 0. 3～0. 9 时 ,泊松比变化较小 ,基本 趋于一稳定值 ;而一旦进入第三阶段 ,泊松比则迅 速增加 ,试件很快进入破坏状态 。级配 3 试件的 最大粒径为 4. 75 mm ,为细骨料结构沥青混凝土 , 结构组成分布比较均匀 ,侧向变形阻抗能力要逊 于其他级配试件 ,因此在第二阶段的平均泊松比 要大于其他级配 ,且在荷载比为 0. 8 时 ,就已进入 第三阶段的泊松比加速增长阶段 。
1 泊松比的研究方法
泊松比是反映材料弹性变形特性的一个重要 参数[4] ,其传统定义为 :单轴压缩或拉伸条件下 , 弹性阶段的侧向应变与轴向应变的比值 。但在实 际研究应用中 ,材料不可能只处于弹性受力状态 ,
因此又有了弹性泊松比与黏弹性泊松比[3] ,瞬时 泊松比[5 ] 与动泊松比[1 ] ,峰前泊松比与峰后泊松 比[6] 等提法 。这些泊松比不仅与材料本身变形特 性有关 ,而且与加载方式 、加载历史紧密相连 。
在道路工程设计中 ,各结构层材料的泊松比 μ是设计中必须要考虑的参数 ,尤其在沥青路面 使用过程中 ,沥青路面的车辙主要来源于沥青混 合料的黏滞流动和一定程度的压密变形 ,而其中 沥青混合料的横向失稳变形则占主要比例 。在夏 季高温持续的天气里 ,沥青混合料的泊松比并不 是设计时采用的一个常数 ,而是随着荷载 、气候的 不断变化而改变 ,使得沥青混合料在竖向荷载作 用下产生了大量的侧向推移 ,从而容易产生失稳 性车辙 。因此 ,泊松比的研究对于沥青路面的车 辙产生有重要意义 。但目前关于沥青混合料泊松 比的研究较少[122] ,甚至在路面设计中很少考虑材 料泊松比变化的影响 ,这显然与实际不符 。
收稿日期 :2007205201. 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50578031) . 作者简介 :乔英娟 (19792) ,女 ,博士研究生. 研究方向 :道路与交通工程. E2mail :yjqiao99 @163. co m
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(1. S chool of Ci vi l an d H y d raulic En gi neeri n g , D ali an U ni versit y of Technolog y , D ali an 116024 , Chi na; 2. S chool of T rans port ation En gi neeri n g , Ton g j i U ni versit y , S han g hai 201804 , Chi na; 3. S chool of S cience an d En gi neeri n g on Com m unication , H arbi n I nstit ute of Technolog y , H a rbi n 150001 , Chi na)
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吉林大学学报 (工学版)
第 39 卷
2. 2 试验结果 利用图像测量得到的实际应力状态下的泊松
比如图 1 所示 。
图 1 不同试验温度下泊松比随加载过程的变化曲线 Fig. 1 Curve of Poisson’s ratio vs. load ratio under different temperature