第八章路面材料的力学性质 (三)本次研究主要成果 参加此专题研究的有七个省、四院校,共计十一个单位,重点对十种半刚性材料和沥青 混合料进行了测试和研究工作,根据这些资料汇总取得下列成果 1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律 将全国资料汇总分析,总结了石灰土、二灰土、二灰碎石,水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、 水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度σ、劈裂模量E随龄期(日)d而增长的规律,它们之间具有良好的直线型或幂函数 关系,以幂函数的相关性更好。 表6-1、6-2汇总了半刚性材料σ~d、E~d的相关关系。 表6-3、6-4表示了水泥碎石、二灰碎石的E~d、R~d、E~d、σ~d的增长规律。由表 可知,水泥碎石的力学参数在28天时,平均可达到180天的54%,90天平均可达到80% 灰碎石的力学参数在28天仅平均达到38%,90天平均达到64%,由此可见原规范对水泥碎石 采用90天的龄期,二灰碎石力学参数初期增长缓慢,为充分发挥材料的潜力,采用180天龄 期是合理的 水泥碎石90天龄期的抗压强度E、R可达到180天的E、R的80%和88%,而劈裂参数E、 σ却为78%和72%,二灰碎石90天龄期的抗压参数E、R可达到180天的70%,而劈裂参数E、 d仅达到56%和59%。所以,劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。 表6-1-1半刚性基层材料劈裂强度σ~d增长规律 表6-1-2半刚性基层材料劈裂强度σ~d增长规律 表6-2-1半刚性基层材料抗压模量E~d增长规律 表6-2-2半刚性基层材料抗压模量E~d增长规律 表6-3水泥碎石 表6-4二灰碎石 2、半刚性材料参数汇总及变异性分析 表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度δ。 将表6-5的各种半刚性材料按力学指标—R,E,0,E并按大小进行排列,分别计算 其平均值,均方差,按98%的保证率计算代表值,并将排列序号相加得到合计分,分数最少 的为第一名,分数最多则在排序为最后。表6-6为力学指标排序表。 由表可知,抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好,这与 回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看,仍能将十 种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析:①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉 煤灰碎石是最好的基层材料:②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳 定类;③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅3%,石灰5%,实际上属于石灰稳定类,故强 度、模量稍低;④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高,这说明这类材料只要 拌和均匀,是可以获得良好的强度和刚度,作为底基层用是一种好材料:有的省在缺乏砂石 料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层,路面的弯沉值也较小,但裂缝发展较快,应进一 步观察,总结经验:⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料,因此,随着 当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下,石灰土不宜作为高等级公路的基层用。 表6-6半刚性材料按力学特性排列名次
第八章 路面材料的力学性质 (三) 本次研究主要成果 参加此专题研究的有七个省、四院校，共计十一个单位，重点对十种半刚性材料和沥青 混合料进行了测试和研究工作，根据这些资料汇总取得下列成果。 1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律 将全国资料汇总分析，总结了石灰土、二灰土、二灰碎石，水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、 水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度 R、抗压模量 E、 劈裂强度σ、劈裂模量 E 随龄期(日)d 而增长的规律，它们之间具有良好的直线型或幂函数 关系，以幂函数的相关性更好。 表 6-1、6-2 汇总了半刚性材料σ～d、E～d 的相关关系。 表 6-3、6-4 表示了水泥碎石、二灰碎石的 E～d、R～d、E～d、σ～d 的增长规律。由表 可知，水泥碎石的力学参数在 28 天时，平均可达到 180 天的 54%，90 天平均可达到 80%；二 灰碎石的力学参数在 28 天仅平均达到 38%，90 天平均达到 64%，由此可见原规范对水泥碎石 采用 90 天的龄期，二灰碎石力学参数初期增长缓慢，为充分发挥材料的潜力，采用 180 天龄 期是合理的。 水泥碎石 90 天龄期的抗压强度 E、R 可达到 180 天的 E、R 的 80%和 88%，而劈裂参数 E、 σ却为 78%和 72%，二灰碎石 90 天龄期的抗压参数 E、R 可达到 180 天的 70%，而劈裂参数 E、 σ仅达到 56%和 59%。所以，劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。 表 6-1-1 半刚性基层材料劈裂强度σ～d 增长规律 表 6-1-2 半刚性基层材料劈裂强度σ～d 增长规律 表 6-2-1 半刚性基层材料抗压模量 E～d 增长规律 表 6-2-2 半刚性基层材料抗压模量 E～d 增长规律 表 6-3 水泥碎石 表 6-4 二灰碎石 2、半刚性材料参数汇总及变异性分析 表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度δ。 将表 6-5 的各种半刚性材料按力学指标——R，E，σ，E 并按大小进行排列，分别计算 其平均值，均方差，按 98%的保证率计算代表值，并将排列序号相加得到合计分，分数最少 的为第一名，分数最多则在排序为最后。表 6-6 为力学指标排序表。 由表可知，抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好，这与 回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看，仍能将十 种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析：①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉 煤灰碎石是最好的基层材料；②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳 定类；③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅 3%，石灰 5%，实际上属于石灰稳定类，故强 度、模量稍低；④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高，这说明这类材料只要 拌和均匀，是可以获得良好的强度和刚度，作为底基层用是一种好材料；有的省在缺乏砂石 料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层，路面的弯沉值也较小，但裂缝发展较快，应进一 步观察，总结经验；⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料，因此，随着 当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下，石灰土不宜作为高等级公路的基层用。 表 6-6 半刚性材料按力学特性排列名次
表6-7汇总了十种材料参数的变异系数 由表可知,各种半刚性材料的变异系数变化范围均在5-55%左右,多数为5-30%。这样大 的变异性是与材料类型、各地原材料的质量差异、配合比差异有关,与制件和测试的操作和 养生设备等人为因素有关,因此,设计时应根据各地区的材料、实测材料设计参数,考虑施 的实际情况确定采用的设计参数值 表6-7半刚性基层材料参数变异系数C(%) 3、材料模量与强度关系 根据测试结果,按抗压模量与抗压强度的均值,劈裂模量与劈裂强度的均值进行回归分 析得到如下相关关系 基按抗压模量与抗压强度的代表值,劈裂模量与劈裂强度的代表值进行回归,可得 (6-2-1)、(6-2-2)相关关系: 由数理统计可知,对于样本容量n=10的回归,若要求95%可靠性,则最小相关系数为 0.632:若要求90%可靠性,则相关系数最小应达到0.549。因此,除(6-2-1)式外,其他公式 均可利用作为模量值的估算。 4、抗压、劈裂、弯拉参数之间对比关系 (1)标准条件下设计龄期各种力学参数对比关系,无论是用均值,还是代表值,同类材 料的R/σ,E/E比值,其变异性均较大,且模量比值的变异性大于强度比值。各半刚性材料 R/σ,E/E,其变化范围强度比一般为5-11,模量比1.2-6。详见分报告五。 半刚性材料抗压参数与劈裂参数均值比: 半刚性材料抗压参数与劈裂参数代表值比 (2)十种半刚性材料抗压参数与劈裂参数之间相关关系 以上四个公式中,除抗压模量均值与劈裂模量均值间建立的回归公式(6-3-2)其相关性较 差外,其他三个统计公式均成立。 (3)弯拉参数与劈裂参数的比值 石灰土 二灰碎石 石灰土稳定碎石 水泥碎石 5、现场制件与室内标准制件对比 在标准养生条件下,规定龄期时现场制件与室内制件的设计参数对比,从本次测定结果 来看,尚未得出明确的规律,分散性较大。对同一种材料而言,抗压强度的变异性较小。石 灰土的对比情况与其他材料不同,广西、湖北、吉林三省的资料表明,现场制件测定值大于 室内制件测定值,而同济大学在苏州试验路上测得的结果是现场制件测定值小于室内制件测 定值。 表6-8为现场制件与室内标准制件的设计参数统计表,仅供推荐材料设计参数时参考。 表6-8现场制件与室内标准制件参数的关系统计表 6、半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系 半刚性基层材料的强度和模量在某种温度范围内随着龄期增加而增长在工程实践中采用 个标准龄期作为确定材料设计参数的标准:即室内养生温度20℃±2℃,相对湿度大于90% 条件下,水泥稳定类以三个月龄期(90d),灰土和二灰稳定类以六个月龄期(180d为标准。由
表 6-7 汇总了十种材料参数的变异系数。 由表可知，各种半刚性材料的变异系数变化范围均在 5-55%左右，多数为 5-30%。这样大 的变异性是与材料类型、各地原材料的质量差异、配合比差异有关，与制件和测试的操作和 养生设备等人为因素有关，因此，设计时应根据各地区的材料、实测材料设计参数，考虑施 工的实际情况确定采用的设计参数值。 表 6-7 半刚性基层材料参数变异系数 C(%) 3、材料模量与强度关系 根据测试结果，按抗压模量与抗压强度的均值，劈裂模量与劈裂强度的均值进行回归分 析得到如下相关关系： 基按抗压模量与抗压强度的代表值，劈裂模量与劈裂强度的代表值进行回归，可得 (6-2-1)、(6-2-2)相关关系： 由数理统计可知，对于样本容量 n=10 的回归，若要求 95%可靠性，则最小相关系数为 0.632；若要求 90%可靠性，则相关系数最小应达到 0.549。因此，除(6-2-1)式外，其他公式 均可利用作为模量值的估算。 4、抗压、劈裂、弯拉参数之间对比关系 (1) 标准条件下设计龄期各种力学参数对比关系，无论是用均值，还是代表值，同类材 料的 R/σ，E/E 比值，其变异性均较大，且模量比值的变异性大于强度比值。各半刚性材料 R/σ，E/E，其变化范围强度比一般为 5-11，模量比 1.2-6。详见分报告五。 半刚性材料抗压参数与劈裂参数均值比： 半刚性材料抗压参数与劈裂参数代表值比 (2) 十种半刚性材料抗压参数与劈裂参数之间相关关系： 以上四个公式中，除抗压模量均值与劈裂模量均值间建立的回归公式(6-3-2)其相关性较 差外，其他三个统计公式均成立。 (3) 弯拉参数与劈裂参数的比值 石灰土 二灰碎石 石灰土稳定碎石 水泥碎石 5、现场制件与室内标准制件对比 在标准养生条件下，规定龄期时现场制件与室内制件的设计参数对比，从本次测定结果 来看，尚未得出明确的规律，分散性较大。对同一种材料而言，抗压强度的变异性较小。石 灰土的对比情况与其他材料不同，广西、湖北、吉林三省的资料表明，现场制件测定值大于 室内制件测定值，而同济大学在苏州试验路上测得的结果是现场制件测定值小于室内制件测 定值。 表 6-8 为现场制件与室内标准制件的设计参数统计表，仅供推荐材料设计参数时参考。 表 6-8 现场制件与室内标准制件参数的关系统计表 6、半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系 半刚性基层材料的强度和模量在某种温度范围内随着龄期增加而增长在工程实践中采用 一个标准龄期作为确定材料设计参数的标准：即室内养生温度 20℃±2℃，相对湿度大于 90% 条件下，水泥稳定类以三个月龄期(90d)，灰土和二灰稳定类以六个月龄期(180d)为标准。由
于龄期长,给工程设计和施工技师检验带来不便,因此,采用快速养生法预测半刚性基层材 料的强度和模量参数值是十分必要的。 经研究表明,养生龄期天数d与养生温度T存在式(6-6)所示的关系(a为试验系数,即 材料系数): 即能在较短的时间内以较高的温度获得相当于标准养生温度20℃±2℃下较长龄期(设 计标准龄期)的结果。为了在较短的时间内获得标准养生条件下规定设计龄期强度,则养生温 度越高越能节省时间。但从国外资料表明,高于60℃后规律性较差,所以选用60℃作为快速 养生的标准温度。 为了建立半刚性基层材料的时-温换算关系,同济大学道路与交通工程研究所对二灰碎 石、水泥碎石两种典型半刚性基层材料在五种养生温度(15、20、40、50、60℃)下和不同养 龄期时的抗压强度和模量以及劈裂强度和模量进行了测试研究。现将其最后成果汇总于下。 (1)二灰碎石 1)抗压参数时-温换算关系 对于二灰碎石抗压强度和模量得到如下时-温换算关系: 这就表明,在60℃的养生温度条件下养生一天,相当于标准养生温度20℃下养生20天 即在60℃的养生温度条件养生9d测得的抗压强度和模量值,就相当于标准养生条件(温度20 ℃、龄期180d下的设计参数 2)劈裂参数的时-温换算关系 对于二灰碎石劈裂强度和模量得到如下时-温换算关系 式(6-8)表明,在60℃的养生温度条件下养生6d测得的劈裂强度和模量,就相当于标准 养生条件(温度20℃,龄期180d)下的设计参数 (2)水泥碎石 对于水泥碎石在不同养生温度下和不同龄期时的抗压强度和模量、劈裂强度和模量的研 究表明,它们存在一个通用的时-温换算表达式 式(6-9)表明,60℃的养生温度条件下,养生11.25(11天6小时)所测得的水泥碎石的 抗压强度和模量、劈裂强度和模量即可作为龄期90d水泥碎石的设计参数值。 (3)进一步验证 表6-9半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系汇总表 为了验证同济大学的上述成果,山西省交通科研所、广西交通设计院和交通科研所对二 灰碎石和水泥碎石也进行了快速养生与标准养生对比试验硏究。根据其测试数据,我们按同 样的数据整理方法进行整理分析,其结果与同济大学建立的d/d值对比分析见表6-9。由表 6-9可知,12组数据有4给数据误差达40%以外,其余8组数据的误差均小于15%,只要在快 速养生过程中严格按试验规程进行,则按快速养生法测试的试验数据,是可以用于预测设计 参数值。因此,快速养生方法对加快设计配合比周期,对施工质量控制和质量检验具有重要 意义,是一项具有较大实用性的技术。快速养生法可在生产中进一步推广应用 7、沥青混合料材料设计参数与温度的关系 由于弯沉设计指标是以20℃为标准温度,层底拉应力验算是以15℃为设计温度,因此 沥青混合料的抗压参数以20℃为标准温度,劈裂参数以15℃为标准温度,分别建立材料设计 参数与温度的相关关系,表6-10-1为沥青混合料抗太强度和抗压模量与温度T间的关系式汇 总表,表6-10-2为沥青混合料劈裂强度、劈裂模量与温度T的关系式汇总
于龄期长，给工程设计和施工技师检验带来不便，因此，采用快速养生法预测半刚性基层材 料的强度和模量参数值是十分必要的。 经研究表明，养生龄期天数 d 与养生温度 T 存在式(6-6)所示的关系(a 为试验系数，即 材料系数)： 即能在较短的时间内以较高的温度获得相当于标准养生温度 20℃±2℃下较长龄期(设 计标准龄期)的结果。为了在较短的时间内获得标准养生条件下规定设计龄期强度，则养生温 度越高越能节省时间。但从国外资料表明，高于 60℃后规律性较差，所以选用 60℃作为快速 养生的标准温度。 为了建立半刚性基层材料的时-温换算关系，同济大学道路与交通工程研究所对二灰碎 石、水泥碎石两种典型半刚性基层材料在五种养生温度(15、20、40、50、60℃)下和不同养 生龄期时的抗压强度和模量以及劈裂强度和模量进行了测试研究。现将其最后成果汇总于下。 (1) 二灰碎石 1) 抗压参数时-温换算关系 对于二灰碎石抗压强度和模量得到如下时-温换算关系： 这就表明，在 60℃的养生温度条件下养生一天，相当于标准养生温度 20℃下养生 20 天。 即在 60℃的养生温度条件养生 9d 测得的抗压强度和模量值，就相当于标准养生条件(温度 20 ℃、龄期 180d)下的设计参数。 2) 劈裂参数的时-温换算关系 对于二灰碎石劈裂强度和模量得到如下时-温换算关系： 式(6-8)表明，在 60℃的养生温度条件下养生 6d 测得的劈裂强度和模量，就相当于标准 养生条件 (温度 20℃，龄期 180d)下的设计参数。 (2) 水泥碎石 对于水泥碎石在不同养生温度下和不同龄期时的抗压强度和模量、劈裂强度和模量的研 究表明，它们存在一个通用的时-温换算表达式： 式(6-9)表明，60℃的养生温度条件下，养生 11.25d(11 天 6 小时)所测得的水泥碎石的 抗压强度和模量、劈裂强度和模量即可作为龄期 90d 水泥碎石的设计参数值。 (3) 进一步验证 表 6-9 半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系汇总表 为了验证同济大学的上述成果，山西省交通科研所、广西交通设计院和交通科研所对二 灰碎石和水泥碎石也进行了快速养生与标准养生对比试验研究。根据其测试数据，我们按同 样的数据整理方法进行整理分析，其结果与同济大学建立的 d/d 值对比分析见表 6-9。由表 6-9 可知，12 组数据有 4 给数据误差达 40%以外，其余 8 组数据的误差均小于 15%，只要在快 速养生过程中严格按试验规程进行，则按快速养生法测试的试验数据，是可以用于预测设计 参数值。因此，快速养生方法对加快设计配合比周期，对施工质量控制和质量检验具有重要 意义，是一项具有较大实用性的技术。快速养生法可在生产中进一步推广应用。 7、沥青混合料材料设计参数与温度的关系 由于弯沉设计指标是以 20℃为标准温度，层底拉应力验算是以 15℃为设计温度，因此， 沥青混合料的抗压参数以 20℃为标准温度，劈裂参数以 15℃为标准温度，分别建立材料设计 参数与温度的相关关系，表 6-10-1 为沥青混合料抗太强度和抗压模量与温度 T 间的关系式汇 总表，表 6-10-2 为沥青混合料劈裂强度、劈裂模量与温度 T 的关系式汇总
根据山西省交科所的研究表明:对同一级配类型的沥青混凝土,抗压参数、劈裂参数与 标准温度之比值同温度T的关系式与沥青标号无关;表6-10中表明,中粒工沥青砼的密级配 与开级配的相关公式很接近;同济大学与公规院的成果也表明,级配类型对设计参数与温度 的影响不大。因此,将表6-10的资料汇总,综合得到如下表达式 根据上述公式,只要测得20℃或15℃以下的抗太参数或劈裂参数,就可推算-10℃~+30 ℃范围内的相应设计参数 表6-10-1沥青混合料抗压强度R和模量E与温度T的关系式汇总 表6-10-2沥青混合料劈裂强度σ和模量E与温度T的关系式汇总 、沥青混合料劈裂参数与加荷速度关系 同济大学对单家寺沥青AH-70,采用中粒式沥青混凝土(LH-201)进行了温度(T)为0、7.5、 15、25℃时,加荷速度(Ⅵ)为2、6、20、50m/min的劈裂强度、劈裂模量的测试,经整理分 析得到如下关系: ①以代表值回归结果 ②在标准温度为15℃时,可简化为: ③当沥青标号小于100的沥青混凝土: ④当沥青标号大于100的沥青混凝土: 9、沥青混合料抗压、劈裂、弯拉设计参数的关系 根据《路面材料抗弯拉设计参数简化测定方法》研究,曾对中粒式沥青混凝土CH-20I 和粗粒式沥青混凝土CH-30II在15℃条件下的抗压强度、模量,劈裂强度、模量以及弯拉强 度,模量之间进行对比测试分析结果汇总于表6-11。 表6-11各设计参数对比 在公路路面中,首先应考虑材料抵抗车辆荷载压碎的抗压强度。通常,材料的抗压强度越髙, 荷载支承能力也越高。另一方面,高强度材料的修建成本总量较髙。此外,还应硏究材料在 荷载作用下的变形特性,即应力-应变性质问题。普通的建筑材料,其应力-应变关系分为三 个阶段。在加载的最初阶段,材料的变形是与施加荷载的强度成比例的。在这一阶段应力 应变函数是线弹性的。在第二阶段,应变增加较应力快,材料处于平衡的塑性状态。第三阶 段,材料发生破坏之前,应力增加速率快于应变 公路路面必须维持较长的使用寿命,并在经受荷载的反复作用后仍保持表面的平整。因 此,线性应力状态是设计中最关心的问题。表示材料线性应力应变状态的参数,称为弹性模 量。在地面有沉降的地方,较高的弹性模量会引起路面较大的挠度和附加应力。因此,路面 材料的弹性模量并非越高越好,它应该与其设计的地基的物理性质相适应 公路路面试验结果表明,在活动荷载作用下,路面经常处于拉应力之下。为些,对路面 结构的面层应具有足够的抗弯拉强度,以克服轮载、温度及沉降作用引起的弯拉应力 所有的材料在受拉或高温下伸长,在受压或较低温度下收缩,路面材料必须能承受这种 往处处地伸缩作用。材料的这种延展性常用拉应力下的拉伸百分率表示。在道路建筑中,为 改善材料的延展性,可通过增加细料的含量或降低其弹性模量值。但较低的弹性模量又不能 提供较髙的荷载支承能力,所以,设计时应在材料的延展性与适当的弹性模量之间取得平衡。 公路路面必须在其预计的使命寿命期间经受设计荷载的重复作用。材料抵抗重复荷载作 用的能力叫作疲劳强度。影响路面使用寿命的主要因素有:工作应力的大小:应力波动范围
根据山西省交科所的研究表明：对同一级配类型的沥青混凝土，抗压参数、劈裂参数与 标准温度之比值同温度 T 的关系式与沥青标号无关；表 6-10 中表明，中粒工沥青砼的密级配 与开级配的相关公式很接近；同济大学与公规院的成果也表明，级配类型对设计参数与温度 的影响不大。因此，将表 6-10 的资料汇总，综合得到如下表达式 根据上述公式，只要测得 20℃或 15℃以下的抗太参数或劈裂参数，就可推算-10℃～+30 ℃范围内的相应设计参数。 表 6-10-1 沥青混合料抗压强度 R 和模量 E 与温度 T 的关系式汇总 表 6-10-2 沥青混合料劈裂强度σ和模量 E 与温度 T 的关系式汇总 8、沥青混合料劈裂参数与加荷速度关系 同济大学对单家寺沥青 AH-70，采用中粒式沥青混凝土(LH-20I)进行了温度(T)为 0、7.5、 15、25℃时，加荷速度(V)为 2、6、20、50mm/min 的劈裂强度、劈裂模量的测试，经整理分 析得到如下关系： ①以代表值回归结果 ②在标准温度为 15℃时，可简化为： ③当沥青标号小于 100 的沥青混凝土： ④当沥青标号大于 100 的沥青混凝土： 9、沥青混合料抗压、劈裂、弯拉设计参数的关系 根据《路面材料抗弯拉设计参数简化测定方法》研究，曾对中粒式沥青混凝土 CH-20I 和粗粒式沥青混凝土 CH-30II 在 15℃条件下的抗压强度、模量，劈裂强度、模量以及弯拉强 度，模量之间进行对比测试分析结果汇总于表 6-11。 表 6-11 各设计参数对比 在公路路面中，首先应考虑材料抵抗车辆荷载压碎的抗压强度。通常，材料的抗压强度越高， 荷载支承能力也越高。另一方面，高强度材料的修建成本总量较高。此外，还应研究材料在 荷载作用下的变形特性，即应力-应变性质问题。普通的建筑材料，其应力-应变关系分为三 个阶段。在加载的最初阶段，材料的变形是与施加荷载的强度成比例的。在这一阶段应力- 应变函数是线弹性的。在第二阶段，应变增加较应力快，材料处于平衡的塑性状态。第三阶 段，材料发生破坏之前，应力增加速率快于应变。 公路路面必须维持较长的使用寿命，并在经受荷载的反复作用后仍保持表面的平整。因 此，线性应力状态是设计中最关心的问题。表示材料线性应力-应变状态的参数，称为弹性模 量。在地面有沉降的地方，较高的弹性模量会引起路面较大的挠度和附加应力。因此，路面 材料的弹性模量并非越高越好，它应该与其设计的地基的物理性质相适应。 公路路面试验结果表明，在活动荷载作用下，路面经常处于拉应力之下。为些，对路面 结构的面层应具有足够的抗弯拉强度，以克服轮载、温度及沉降作用引起的弯拉应力。 所有的材料在受拉或高温下伸长，在受压或较低温度下收缩，路面材料必须能承受这种 往处处地伸缩作用。材料的这种延展性常用拉应力下的拉伸百分率表示。在道路建筑中，为 改善材料的延展性，可通过增加细料的含量或降低其弹性模量值。但较低的弹性模量又不能 提供较高的荷载支承能力，所以，设计时应在材料的延展性与适当的弹性模量之间取得平衡。 公路路面必须在其预计的使命寿命期间经受设计荷载的重复作用。材料抵抗重复荷载作 用的能力叫作疲劳强度。影响路面使用寿命的主要因素有：工作应力的大小；应力波动范围
及超载作用情况等。 公路道路面所使用的材料,可大致分为三类:(1)颗粒型材料:(2)沥青类:(3)水硬 性结合料类。这些材料按不同方式(密实型、嵌挤型和稳定型)组成各种路面结构层。随着材 料性质和组成方式的不同,各种道结构层在力学性能上表现出很大的差异。 道路面材料在车辆荷载和环境因素的影响下所表现出的力学性质,对路面的使用品质和 使用寿命有决定性的作用。对路面材料力学性质的分析和认识,有助于设计出符合使用要求 的道路面结构。同时,用解析法分析路面结构内力和位移的结果是否符合实际,在很大程度 上也取决于对材料力学性质的正确了解,和反映材料力学性质的各项参数的合理选用。 下面着重讨论上述三种类型材料同路面结构设计相关的两方面力学性质,即变形性(包括 应力一应变特性和变形累积)和强度特性(包括抗压强度和疲劳强度),以及表征这些性质的指 标和其确定方法。 §8-1应力-应变特性 荷载作用下在路面结构内产生的应力、应变和位移量,不仅同加荷状况有关,还取决于 路面材料的应力-应变特性。进行路面结构分析时,必须知道材料的这一重要特性。 颗粒材料的应力-应变特性 对于用作基层和垫层的无结合料的碎(砾)石材料,由三轴试验所得的应力-应变关系曲 线,具有同粘性土相似的非线性特性,因而,表征其应力-应变关系的回弹模量E,也随偏应 力σ(即σ-σ)的增大而减小,随侧限应力σ的增大而增大,但侧限应力的影响要比粘性土的 情况大得多。 根据大量试验结果,碎(砾)石材料的回弹模量值可用下列形式表示: 式中,0一主应力之和(Ma),三轴试验中, K、K——同材料性质有关的系数,由试验确定 图8-1所示为某一碎石材料的试验结果。由回归分析可以得到,K=3.77,K=0.71。一般 情况下,K大体上可取为3.05~4.57,K取为0.5 除了受应力状况的影响外,碎(砾)石材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等 因素有关,变动在100~700MPa范围内。通常,级配越好,密实度越高,则模量值越大;颗 粒棱角多者有较高的模量:当细料含量不多时,含水量对模量的影响很小 材料的泊松比取决于主应力比或偏应力σ和平均法应力(即θ/3)的比值,随其比值的增 加而增加。但变动范围不大,设计计算时,可近似取用0.30~0.35。 在进行路面结构设计时,碎(砾)石材料模量值的取用较为复杂。面层结构较厚时,传递 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地看成为线性。但当面层结 构薄时,则必须考虑材料层的非线性特性。碎(砾)石基(垫)层所能达到的密实度,依赖于其 下面的支承结构的刚度。同时,由于其非线性特性和抗拉强度较小,粒料层底部的模量值往 往很小,所以,碎(砾)石层材料在路面结构层中的实有模量值,随结构层组合及其毗邻结构 层的刚度而异,不宜在应力和应变计算中简单地应用单独试验时得到的模量值。按材料层受 到的应力状况采用迭代法确定的模量值,比较符合实际情况。这个模量值可取为土基模量值 的一定倍数,此倍数同粒料层的厚度和土基模量有关,大体上变动在1.5~7.5范围内,一般 情况下采用2.5较合适 表8-1是根据《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》整理的颗粒材料抗压回弹模量的建 议值,可作为公路路面设计时的参考 颗粒材料抗压回弹模量建议值 表8-1 水泥稳定类材料的应力应变特性
及超载作用情况等。 公路道路面所使用的材料，可大致分为三类：(1) 颗粒型材料；(2) 沥青类；(3) 水硬 性结合料类。这些材料按不同方式(密实型、嵌挤型和稳定型)组成各种路面结构层。随着材 料性质和组成方式的不同，各种道结构层在力学性能上表现出很大的差异。 道路面材料在车辆荷载和环境因素的影响下所表现出的力学性质，对路面的使用品质和 使用寿命有决定性的作用。对路面材料力学性质的分析和认识，有助于设计出符合使用要求 的道路面结构。同时，用解析法分析路面结构内力和位移的结果是否符合实际，在很大程度 上也取决于对材料力学性质的正确了解，和反映材料力学性质的各项参数的合理选用。 下面着重讨论上述三种类型材料同路面结构设计相关的两方面力学性质，即变形性(包括 应力-应变特性和变形累积)和强度特性(包括抗压强度和疲劳强度)，以及表征这些性质的指 标和其确定方法。 §8-1 应力-应变特性 荷载作用下在路面结构内产生的应力、应变和位移量，不仅同加荷状况有关，还取决于 路面材料的应力-应变特性。进行路面结构分析时，必须知道材料的这一重要特性。 一、颗粒材料的应力-应变特性 对于用作基层和垫层的无结合料的碎(砾)石材料，由三轴试验所得的应力-应变关系曲 线，具有同粘性土相似的非线性特性，因而，表征其应力-应变关系的回弹模量 E，也随偏应 力σ(即σ-σ)的增大而减小，随侧限应力σ的增大而增大，但侧限应力的影响要比粘性土的 情况大得多。 根据大量试验结果，碎(砾)石材料的回弹模量值可用下列形式表示： 式中，θ——主应力之和(MPa)，三轴试验中， K、K——同材料性质有关的系数，由试验确定。 图 8-1 所示为某一碎石材料的试验结果。由回归分析可以得到，K=3.77，K=0.71。一般 情况下，K 大体上可取为 3.05～4.57，K 取为 0.5。 除了受应力状况的影响外，碎(砾)石材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等 因素有关，变动在 100～700MPa 范围内。通常，级配越好，密实度越高，则模量值越大；颗 粒棱角多者有较高的模量；当细料含量不多时，含水量对模量的影响很小。 材料的泊松比取决于主应力比或偏应力σ和平均法应力(即θ/3)的比值，随其比值的增 加而增加。但变动范围不大，设计计算时，可近似取用 0.30～0.35。 在进行路面结构设计时，碎(砾)石材料模量值的取用较为复杂。面层结构较厚时，传递 给粒料层的应力级位较小，碎(砾)石材料的应力-应变关系可近似地看成为线性。但当面层结 构薄时，则必须考虑材料层的非线性特性。碎(砾)石基(垫)层所能达到的密实度，依赖于其 下面的支承结构的刚度。同时，由于其非线性特性和抗拉强度较小，粒料层底部的模量值往 往很小，所以，碎(砾)石层材料在路面结构层中的实有模量值，随结构层组合及其毗邻结构 层的刚度而异，不宜在应力和应变计算中简单地应用单独试验时得到的模量值。按材料层受 到的应力状况采用迭代法确定的模量值，比较符合实际情况。这个模量值可取为土基模量值 的一定倍数，此倍数同粒料层的厚度和土基模量有关，大体上变动在 1.5～7.5 范围内，一般 情况下采用 2.5 较合适。 表 8-1 是根据《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》整理的颗粒材料抗压回弹模量的建 议值，可作为公路路面设计时的参考。 颗粒材料抗压回弹模量建议值 表 8-1 二、水泥稳定类材料的应力-应变特性