第五章 路面材料的力学特性分析
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第五章 路面材料的 力学特性分析
第五章 路面材料的力学特性分析
第一节 第二节 第三节 强度特性 疲劳特性 变形特性 变形特性
第一节
强度特性
强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 受的最大荷载（或应力）。 受的最大荷载（或应力）。 路面材料可能出现的强度破坏通常为： 路面材料可能出现的强度破坏通常为：①因剪切 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； 移或相对变位；②因拉应力或弯拉应力过大而引 起的断裂。
沥青混合料的粘结力取决于许多因素： 沥青混合料的粘结力取决于许多因素：
1．沥青的粘度：粘度越高，混合料粘结力也越大。 沥青的粘度： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系：
2．沥青用量：过少时，不足以充分涂敷矿质颗粒， 沥青用量： 用量过多时，又将使颗粒被挤开，两种情况都会 使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使 粘结力达到最大，如图： 粘结力达到最大，如图：
1、碎、砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 同细粒土相似。 同细粒土相似。 2、级配良好的颗粒材料在偏应力较小时，随着重复作用 良好的颗粒材料 次数N的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 同的大小有关：但偏应力较大时，则 同的大小有关：但偏应力较大时，则永久应变随作用次数 不断增长，直到破坏，见下图： 不断增长，直到破坏，见下图：
2、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 时间越长，永久应变的累积量就越大。 时间越长，永久应变的累积量就越大。密实型沥 青碎石混合料的变形累积如图: 青碎石混合料的变形累积如图:
沥青混合料抗拉强度同各影响因素的关系： 青混合料抗拉强度同各影响因素的关系：
a)同沥青针入度的关系;b)同沥青含量的关系(沥青针入度为40-50); a)同沥青针入度的关系;b)同沥青含量的关系(沥青针入度为40c)同空隙率的关系(沥青针入度为40-70);d)同温度的关系(沥青针入 c)同空隙率的关系(沥青针入度为40-70);d)同温度的关系( 度为60度为60-70)
沥青混合料压缩蠕变试验
a)σ1=30kPa;b)σ1=480kPa(温度60℃;侧限应力σ3=0) 1=480kPa(温度60℃;侧限应力
当沥青混合料受力较大，且力的作用时较 当沥青混合料受力较大，且力的作用时较长时，应力一应变关系呈现 出弹性，弹一粘性和弹一粘一塑性等不同性状。
沥青劲度随时间和温度的变化曲线： 青劲度随时间和温度的变化曲线：
由上图可以看出，当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明 材料处于弹性状态；而加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性 状态；中间过渡段兼有弹一粘性状态。各种温度条件下的曲线形状有 相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。这表明温度对劲度的影响 与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。
二、累积变形 、累积变
σ
t
2 Pmax = π hD
三、抗弯拉强度
整体性材料 （如水泥混凝土、水泥稳定土或工业 废渣）及常温下和低温下的沥青混合料，在超过 允许荷载的作用下，有可能在结构层底面产生较 大的拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现 断裂破坏。 抗弯拉强度大多通过简支小梁试验评定。弯曲试 抗弯拉强度大多通过简支小梁试验评定。弯曲试 验如下图：
ni D=∑ i =1 N i
j
第三节
一、应力— 一、应力—应变关系
变形特性 变形特性
1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力 1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力 －应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明 显的非线性特征。 2. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的 单轴加压进行测试。 3.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下， 3.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下， 可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试 验测定。 由于沥青混合料中的结合料— 由于沥青混合料中的结合料—沥青具有依赖于温度和 加荷时间的粘— 加荷时间的粘—弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量 来表征沥青混合料的应力— 来表征沥青混合料的应力—应变特性关系。
水泥混凝土疲劳试破坏的重复作用次数 降低。 （2）相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数变 动幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布 （3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系 的疲劳方程
三、Miner定律 三、Miner定律
要把室内单一施荷方式得到的疲劳方程应用于路 面结构分析，还须解决如何考虑不同荷载的综合 疲劳作用问题。 假设：各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲 假设：各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲 劳损坏可以线性叠加。 荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为： 荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为：
a)应力控制;b)应变控制 a)应力控制;b)应变控制
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，在双对数坐标上可以相当满意 用次数Nf的数据，在双对数坐标上可以相当满意 地回归成直线方程，如图： 地回归成直线方程，如图：
控制应力条件下热碾压沥青混凝土的疲劳试验结果：
一、抗剪强度
抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。 抗剪强度由两部分组成，其一是摩擦阻力部分， 抗剪强度由两部分组成，其一是摩擦阻力部分， 同作用在剪切面上的法向应力成正比； 同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一是同 法向应力无关的粘结力部分，即 法向应力无关的粘结力部分，即 τ=c＋σtgφ 式中： ——材料的粘结力，kPa； 式中：c——材料的粘结力，kPa； φ——材料的摩阻角，°。 ——材料的摩阻角，
采用控制应变试验方法 ，具有同控制应力试验法相反的 规律，即随着温度的升高（劲度降低），材料的疲劳寿命 反而增加。如图：
两种试验方法得到不同的疲劳性状，原因可以用破坏机理 的差异来说明
（二）混合料组成对疲劳性 （二）混合料组成对疲劳性状的影响
疲劳寿命 因 素 加荷速率 荷 载 加荷时间 沥青含量 沥青针入度 材料组成 集料类型 集料级配 空隙率 环境 温度 增 增 增 增粗糙和棱 角 由开式到密 式 增 增 减 增 减 增 增 减 减 减 增 减 增 增 减 减 增 / 增 减 影响可忽略 减 增 因素变化 增 劲度 应力控制 增 增 应变控制 减
水泥稳定类材料的弯曲试验 ：采用三分点 加荷
第二节
疲劳特性
材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现 象称之为疲劳。 材料在经受低于其一次作用下的极限应力值 的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为 疲劳破坏。 疲劳极限：在应力作用一定次数后，材料的 疲劳强度不再下降而趋于稳定，此稳定值称为疲 劳极限
二、水硬性材料的疲劳特性
可通过对小梁试件施加重复应力来进行。 可通过对小梁试件施加重复应力来进行。 应力比 ：重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯 拉应力（抗折强度）值之比 。 疲劳曲线 ：应力比与重复作用次数的关系曲线 。 水泥稳定类材料的疲劳特性同水泥混凝土的相似， 但疲劳方程的系数 和 α β 则有所不同。
间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单： 间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单： 将材料做成较矮的圆柱形试件（直径D，长度h）， 测试时沿着试件的直径方向，经试件两侧的垫条 按一定速率施加压力，见右 所示，直到试件开 按一定速率施加压力，见右图所示，直到试件开 裂破坏。抗拉强度便由下式决定： 裂破坏。抗拉强度便由下式决定：
a)三轴压缩 a)三轴压缩 b)间接拉伸 c)小梁弯曲 b)间接拉伸 c)小梁弯曲
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。 由于试件内的微裂隙逐步扩展， 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 控制应变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 控制应力和 控制应变疲劳试验
3.温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作 3.温度和剪切速率： 用时间的影响很大，随温度的升高和剪切速率的 下降，混合料的粘结力下降， 如图：
4.细料：含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同 4.细料： 沥青的吸附性好等因素，都有助于提高粘结力。
二、抗拉强度
材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力 所提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验， 所提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验， 由所测到的应力— 由所测到的应力—应变曲线上的最高应力或破坏 应力值确定。 在常温下，沥青混合料的抗拉强度，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。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，如下 其强度随各影响因素变化的规律略有不同，如下 图所示：
一、沥青混合料的疲劳特性 （一）试验方法和疲劳方程 （一）试验方法和疲劳方程
沥青混合料疲劳特性常采用控制应力或 沥青混合料疲劳特性常采用控制应力或控制应变 试验。 b 疲劳方程: 疲劳方程:
1 N f = A σ r
式中：A、b、——由试验得到回归常数。
沥青混合料疲劳特性试验
第五章 路面材料的力学特性分析
第一节 第二节 第三节 强度特性 疲劳特性 变形特性 变形特性
第一节
强度特性
强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 受的最大荷载（或应力）。 受的最大荷载（或应力）。 路面材料可能出现的强度破坏通常为： 路面材料可能出现的强度破坏通常为：①因剪切 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； 移或相对变位；②因拉应力或弯拉应力过大而引 起的断裂。
沥青混合料的粘结力取决于许多因素： 沥青混合料的粘结力取决于许多因素：
1．沥青的粘度：粘度越高，混合料粘结力也越大。 沥青的粘度： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系：
2．沥青用量：过少时，不足以充分涂敷矿质颗粒， 沥青用量： 用量过多时，又将使颗粒被挤开，两种情况都会 使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使 粘结力达到最大，如图： 粘结力达到最大，如图：
1、碎、砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 同细粒土相似。 同细粒土相似。 2、级配良好的颗粒材料在偏应力较小时，随着重复作用 良好的颗粒材料 次数N的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 同的大小有关：但偏应力较大时，则 同的大小有关：但偏应力较大时，则永久应变随作用次数 不断增长，直到破坏，见下图： 不断增长，直到破坏，见下图：
2、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 时间越长，永久应变的累积量就越大。 时间越长，永久应变的累积量就越大。密实型沥 青碎石混合料的变形累积如图: 青碎石混合料的变形累积如图:
沥青混合料抗拉强度同各影响因素的关系： 青混合料抗拉强度同各影响因素的关系：
a)同沥青针入度的关系;b)同沥青含量的关系(沥青针入度为40-50); a)同沥青针入度的关系;b)同沥青含量的关系(沥青针入度为40c)同空隙率的关系(沥青针入度为40-70);d)同温度的关系(沥青针入 c)同空隙率的关系(沥青针入度为40-70);d)同温度的关系( 度为60度为60-70)
沥青混合料压缩蠕变试验
a)σ1=30kPa;b)σ1=480kPa(温度60℃;侧限应力σ3=0) 1=480kPa(温度60℃;侧限应力
当沥青混合料受力较大，且力的作用时较 当沥青混合料受力较大，且力的作用时较长时，应力一应变关系呈现 出弹性，弹一粘性和弹一粘一塑性等不同性状。
沥青劲度随时间和温度的变化曲线： 青劲度随时间和温度的变化曲线：
由上图可以看出，当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明 材料处于弹性状态；而加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性 状态；中间过渡段兼有弹一粘性状态。各种温度条件下的曲线形状有 相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。这表明温度对劲度的影响 与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。
二、累积变形 、累积变
σ
t
2 Pmax = π hD
三、抗弯拉强度
整体性材料 （如水泥混凝土、水泥稳定土或工业 废渣）及常温下和低温下的沥青混合料，在超过 允许荷载的作用下，有可能在结构层底面产生较 大的拉应力，而在材料的抗弯拉强度不足时出现 断裂破坏。 抗弯拉强度大多通过简支小梁试验评定。弯曲试 抗弯拉强度大多通过简支小梁试验评定。弯曲试 验如下图：
ni D=∑ i =1 N i
j
第三节
一、应力— 一、应力—应变关系
变形特性 变形特性
1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力 1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力 －应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明 显的非线性特征。 2. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的 单轴加压进行测试。 3.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下， 3.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下， 可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试 验测定。 由于沥青混合料中的结合料— 由于沥青混合料中的结合料—沥青具有依赖于温度和 加荷时间的粘— 加荷时间的粘—弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量 来表征沥青混合料的应力— 来表征沥青混合料的应力—应变特性关系。
水泥混凝土疲劳试破坏的重复作用次数 降低。 （2）相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数变 动幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布 （3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系 的疲劳方程
三、Miner定律 三、Miner定律
要把室内单一施荷方式得到的疲劳方程应用于路 面结构分析，还须解决如何考虑不同荷载的综合 疲劳作用问题。 假设：各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲 假设：各级荷载（应力）作用下材料所出现的疲 劳损坏可以线性叠加。 荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为： 荷载综合作用后，材料达到的疲劳损坏程度为：
a)应力控制;b)应变控制 a)应力控制;b)应变控制
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，在双对数坐标上可以相当满意 用次数Nf的数据，在双对数坐标上可以相当满意 地回归成直线方程，如图： 地回归成直线方程，如图：
控制应力条件下热碾压沥青混凝土的疲劳试验结果：
一、抗剪强度
抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。 抗剪强度由两部分组成，其一是摩擦阻力部分， 抗剪强度由两部分组成，其一是摩擦阻力部分， 同作用在剪切面上的法向应力成正比； 同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一是同 法向应力无关的粘结力部分，即 法向应力无关的粘结力部分，即 τ=c＋σtgφ 式中： ——材料的粘结力，kPa； 式中：c——材料的粘结力，kPa； φ——材料的摩阻角，°。 ——材料的摩阻角，
采用控制应变试验方法 ，具有同控制应力试验法相反的 规律，即随着温度的升高（劲度降低），材料的疲劳寿命 反而增加。如图：
两种试验方法得到不同的疲劳性状，原因可以用破坏机理 的差异来说明
（二）混合料组成对疲劳性 （二）混合料组成对疲劳性状的影响
疲劳寿命 因 素 加荷速率 荷 载 加荷时间 沥青含量 沥青针入度 材料组成 集料类型 集料级配 空隙率 环境 温度 增 增 增 增粗糙和棱 角 由开式到密 式 增 增 减 增 减 增 增 减 减 减 增 减 增 增 减 减 增 / 增 减 影响可忽略 减 增 因素变化 增 劲度 应力控制 增 增 应变控制 减
水泥稳定类材料的弯曲试验 ：采用三分点 加荷
第二节
疲劳特性
材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现 象称之为疲劳。 材料在经受低于其一次作用下的极限应力值 的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为 疲劳破坏。 疲劳极限：在应力作用一定次数后，材料的 疲劳强度不再下降而趋于稳定，此稳定值称为疲 劳极限
二、水硬性材料的疲劳特性
可通过对小梁试件施加重复应力来进行。 可通过对小梁试件施加重复应力来进行。 应力比 ：重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯 拉应力（抗折强度）值之比 。 疲劳曲线 ：应力比与重复作用次数的关系曲线 。 水泥稳定类材料的疲劳特性同水泥混凝土的相似， 但疲劳方程的系数 和 α β 则有所不同。
间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单： 间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较简单： 将材料做成较矮的圆柱形试件（直径D，长度h）， 测试时沿着试件的直径方向，经试件两侧的垫条 按一定速率施加压力，见右 所示，直到试件开 按一定速率施加压力，见右图所示，直到试件开 裂破坏。抗拉强度便由下式决定： 裂破坏。抗拉强度便由下式决定：
a)三轴压缩 a)三轴压缩 b)间接拉伸 c)小梁弯曲 b)间接拉伸 c)小梁弯曲
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。 由于试件内的微裂隙逐步扩展， 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 控制应变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 控制应力和 控制应变疲劳试验
3.温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作 3.温度和剪切速率： 用时间的影响很大，随温度的升高和剪切速率的 下降，混合料的粘结力下降， 如图：
4.细料：含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同 4.细料： 沥青的吸附性好等因素，都有助于提高粘结力。
二、抗拉强度
材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力 所提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验， 所提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验， 由所测到的应力— 由所测到的应力—应变曲线上的最高应力或破坏 应力值确定。 在常温下，沥青混合料的抗拉强度，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。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，如下 其强度随各影响因素变化的规律略有不同，如下 图所示：
一、沥青混合料的疲劳特性 （一）试验方法和疲劳方程 （一）试验方法和疲劳方程
沥青混合料疲劳特性常采用控制应力或 沥青混合料疲劳特性常采用控制应力或控制应变 试验。 b 疲劳方程: 疲劳方程:
1 N f = A σ r
式中：A、b、——由试验得到回归常数。
沥青混合料疲劳特性试验