第五章 路面材料的力学特性分析

出现疲劳破坏的重复应力值（即疲劳强度），随重复作用 次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数 （例如106~107次）后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值， 此稳定值称为疲劳极限。
当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不 出现破坏。研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度， 延长路面使用年限，为路面设计提供参数。
施加重复应力来进行。 将重复弯拉应力σr与一次加载得出的极限弯拉应力σf（抗
折强度）值之比成为应力比。绘制应力比σr\σf与重复作用 次数Nf的半对数坐标关系曲线，称为疲劳曲线，如图5-5 所示。
第五章 路面材料力学特性分析
由图5-5所示的疲劳曲线，可发现如下规律： ①随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低。 ②相同重复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数Nf变动 幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布。这说明要 得到可靠的代表值必须进行大量的试验。 ③当作用次数达到Nf=107次时，应力比σr\σf=0.55，尚未发现 有疲劳极限，当应力比σr\σf＜0.75时，反复应力施加的频率 对试验结果的影响很微小。 通过回归分析可得应力比和作用次数关系的疲劳方程:
（二）水泥混凝土与无机结合料稳定类材料的变形特性
水泥混凝土及无机结合料稳定类材料，成型并养护一定的龄期 后具有一定的强度，这类材料的变形特性研究，常用的试验方 法有：圆柱体压缩试验、三轴压缩试验以及小梁弯曲试验等。
水泥混凝土的应力-应变关系曲线，在应力级位为极限应力的 50%以内时，可近似按线弹性性状考虑，用弹性模量表征。
此外，增强混合料拌和均匀性及压实密度，增加矿粉含量， 都有助于提高其抗拉强度。而在低温（负温）下，其强度 随各影响因素变化的规律略有不同。
劈裂强度试验也可用于测定水泥混凝土和无机结合料稳定 类材料的劈裂（间接抗拉）强度。
第五章 路面材料力学特性分析
三、抗弯拉强度
整体性材料（如水泥混凝土、无机结合料稳定类材料）及 常温下和低温下的沥青混合料等，具有一定的抗弯刚度， 在超过允许荷载的作用下，有可能在结构层底面产生较大 的弯拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现断裂破坏。
第五章 路面材料力学特性分析
控制应力试验中材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标 志，而控制应变试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只能 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。
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，如图5-4所示。
按摩尔-库伦（Mohr-Coulumb）强度理论，材料的抗剪强 度由两部分组成，其一是摩阻力部分，同作用在剪切面上 的法向应力σ成正比；另一是同法向应力无关的黏聚力部 分。
τ=c＋σtgφ 式中：c——材料的黏聚力（kPa）；
φ——材料的内摩擦角（度）。 c、φ是表征材料抗剪强度的两项 参数，可通过直剪试验，绘出τ-σ 曲线后，按上式确定。也可由三轴
压缩试验，绘出摩尔圆和相应的
包络线（见图5-1）后，按上式 的直线关系近似确定。
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二、抗拉强度
路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的黏（胶）结 力所提供。当材料的抗拉强度不足以抵抗拉应力应力时， 出现断裂。
抗拉强度可采用直接拉伸试验或间接拉伸试验测定。
间接拉伸试验即劈裂试验，将材料做成圆柱体试件（直径 D，长度h），测试时沿着试件的直径方向，经由试件两 侧的压条按一定速率施加压力，见图5-2，直到试件劈裂 破坏。
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§5.3变形特性
第五章 路面材料力学特性分析
路面结构层材料在行车荷载与环境因素作用下的应力、应变 和位移大小，不仅同荷载及路面所处的环境状态有关，还取 决于路面材料的应力—应变、荷载—变形特性。
路面材料受力后的变形可包括弹性、弹塑性、黏弹性、弹黏 塑性等。
（一）粒料类材料的变形特性
用于基层的粒料类（级配碎、砾石）材料，通过三轴压缩 试验所得到的应力—应变关系曲线具有非线性特性，受力 后的变形包括弹性和塑性。
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，通常密实度越高， 模量值越大；颗料棱角多者较高的模量。
设计路面结构时，粒料类材料模量值的取用较为复杂。面 层结构较厚时，传给粒料层的应力级位较小，碎（砾）石 材料的应力—应变关系可近似看成为线性。
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②因拉应力或弯拉应力过大而引起的断裂。
一、抗剪强度
路面结构层厚度较薄而刚度较低时，可能出现因路基承载 力不足而引起的剪切破坏。
路面面层较厚但刚度较低时，如果受到较大的水平力，可 能因沥青混合料的抗剪强度不足而出现推移等破坏。
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抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。
§5.2 疲劳特性
第五章 路面材料力学特性分析
路面材料承受重复应力作用时，可能会在低于静载一次作 用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象 称为疲劳。
疲劳的出现，是由于材料微观结构的局部不均匀或存在局 部缺陷，在荷载作用下诱发应力集中而出现微损伤，在应 力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破 坏，称为疲劳破坏。
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Pmax有 显著影响。通常取垫条宽为1.27cm， 由硬质橡皮或金属做成，其一面的
弧度与试件相同。
第五章 路面材料力学特性分析
劈裂（间接抗拉）强度可由下式确定：
在常温下，沥青混合料的劈裂强度，在一定范围内随沥青 含量和施荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而 下降。
两者的差别大小，与温度有关：低温时差别较小；高温时 则较大。混合料的疲劳寿命，还受到材料组成、荷载和环 境条件等因素的影响。
第五章 路面材料力学特性分析
采用控制应力试验方法得到的一组应力σr（或者按初始劲 度值Sm转变成应变εr）和疲劳破坏时作用次数Nf的数据， 并回归成疲劳方程，见式5-4。采用控制应变试验方法， 也可以得到相似的疲劳方程，见式5-5。可以用疲劳方程 来估计材料的疲劳寿命。
§5.1 强度特性
第五章 路面材料力学特性分析
强度是指材料在荷载一次作用下达到极限状态或出现破坏 时所能承受的最大应力。组成各路面结构层的混合料，往 往具有较高的抗压强度，而抗拉、弯拉或抗剪强度较弱， 特别是缺乏结合料或结合料黏结力较低时。
路面材料可能出现的强度破坏通常为：
①因剪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；
第五章 路面材料力学特性分析
试验通常采用三分点加荷， 直到试件破坏，取最大破坏荷载。 路面材料的抗弯拉强度按下式计算：
弯拉强度试验机
P——破坏时荷载（kN）； l——支点间距（m）； 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，抗弯 拉回弹模量和形变模量等。
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，材料的劲度不断下 降，因而荷载或应力量虽然未变，而应变量的增长速率却 不断增大，最终导致试件破坏，而以此作为疲劳破坏标准。
控制应变试验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。在试验中材料的劲度仍不断 下降，维持相同应变量所需要的应力值也不断减小。
路面材料的抗弯拉强度，通过简支小梁试验评定。小梁截 面短边的尺寸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，可采用下列三种试件尺寸：
①5cm×5cm×24cm； ②10cm×10cm×40cm； ③15cm×15cm×55cm。 试件的跨径l（支座间距） 为高的3倍。如图5-3所示。
无机结合料稳定类材料早期强度低，后期强度较高。能 够 符合 路面结构实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验。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。
这一类材料的应力-应变关系曲线呈现出非线性状，当达到规定 龄期以后，随着其强度的增长，在应力级位较低时，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。
疲劳破坏是路面结构损伤的主要现象，路面材料的抗疲劳性 能直接关系到路面的使用寿命。提高路面的抗疲劳性能应该 注意从两方面加强配合，一是合理的材料组成设计，使混合 料达到最佳配合比和最大密度，使混合料具有较高的强度； 另一方面是合理的结构设计，使得各结构层的层位与厚度达 到理想的程度，在行车荷载作用之下，确保结构层的最大应 力和应力比在控制范围内。
室内疲劳试验的条件同路面在野外的工作状况有很大差别， 因而所得的疲劳寿命比实际的要小很多。通常采用将室内 试验结果与试验路路面实际使用性能相对比的方法，提出 比较符合实际的疲劳方程。
第五章 路面材料力学特性分析
二、水泥混凝土路面材料的疲劳特性 水泥混凝土路面材料的疲劳特性研究，可通过对小梁试件
关于沥青混合料的疲劳特性需要说明的是：
作用在路面上的车辆荷载，施加的是轴载和接触压力，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，对于较厚的沥青面层（厚度大于15㎝），其结 构强度在整个路面体系中起主要作用，应采用控制应力的 试验方法；
而对于较薄的沥青面层（厚度小于5㎝），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 制应变的试验方法。处于两者之间的厚度，可取用两种试 验方法之间的某一加荷形式。
式中：α、β——由试验确定的系数。由混凝土的性质（类型和不均匀 性等）和试验条件而定。
第五章 路面材料力学特性分析
无机结合料稳定类材料的疲劳寿命，主要取决于重复应力与 极限应力之比，应力比σr\σf小于50%时，无机结合料稳定类 材料可经受无限次的重复加载次数而无疲劳破坏。