HJCE Hans Journal of Civil Engineering 2326-3458 Scientific Research Publishing 10.12677/HJCE.2019.810167 HJCE-33461 HJCE20191000000_72954855.pdf 工程技术 半刚性基层材料动态抗压模量试验研究 Experimental Study on Dynamic Compressive Modulus of Semi-Rigid Base Materials 张 军华 2 1 王 晓燕 3 1 李 彬 2 1 余 四新 3 1 郭 建民 2 1 杨 永奇 2 1 李 玉鑫 2 1 山东高速股份有限公司，山东 济南 山东省交通科学研究院，高速养护技术行业重点实验室，山东 济南 null 03 12 2019 08 10 1431 1437 © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 2014 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

本文通过研究二灰碎石、石灰稳定土和二灰土三种不同的半刚性基层材料在不同的应变和频动条件下的动态模量。可以得出这三种半刚性基层在应力状态下，动态模量随加载频率的增大而增大，同时动态模量具有应力依赖性，即随着荷载的增大(轴向应变增大)，动态模量减小的规律。
This paper studies the dynamic modulus of three different semi-rigid base materials (two ash gravel, lime improved soil and two lime soil) under different strain and frequency conditions. Under the same stress state, the dynamic modulus of these three semi-rigid base materials increases with the increase of loading frequency. At the same time, the dynamic modulus has stress dependence. As the load increases (the axial strain increases), the dynamic modulus of this material decreases.

 动态抗压模量，半刚性基层，应变，频率, Dynamic Compressive Modulus Semi-Rigid Base Strain Frequency 半刚性基层材料动态抗压模量试验研究<sup> </sup>

张军华1，王晓燕2，李彬1，余四新2，郭建民1，杨永奇1，李玉鑫1

1山东高速股份有限公司，山东 济南

2山东省交通科学研究院，高速养护技术行业重点实验室，山东 济南

收稿日期：2019年11月12日；录用日期：2019年12月9日；发布日期：2019年12月16日

 摘 要

本文通过研究二灰碎石、石灰稳定土和二灰土三种不同的半刚性基层材料在不同的应变和频动条件下的动态模量。可以得出这三种半刚性基层在应力状态下，动态模量随加载频率的增大而增大，同时动态模量具有应力依赖性，即随着荷载的增大(轴向应变增大)，动态模量减小的规律。

关键词 :动态抗压模量，半刚性基层，应变，频率

Copyright © 2019 by author(s) and beplay安卓登录

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 1. 引言

在力学–经验路面设计方法 [ 1 ] 中，对半刚性基层材料疲劳性能的分析需要结合力学理论进行层底拉应力的计算，而理论计算结果的准确性，除了与力学模型有关外，与模量参数的选取有很大关系 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]，半刚性材料模量参数根据受力状态的不同有弯拉模量、抗压模量、拉伸模量等，根据加载方式又有静态模量和动态模量的区别。在路面结构分析中，选择的模量参数与实际不符将严重影响应力计算的结果。疲劳试验和小梁弯拉强度试验力学模拟表明 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]，弯拉模量与半刚性基层材料弯拉状态下的受力状态最接近，弯拉模量也与半刚性基层材料在路面结构中的实际受力状态较接近。在路面设计中，采用半刚性基层材料的动态模量计算力学响应更为相符。本文通过研究二灰碎石、石灰稳定土和二灰土三种不同的半刚性基层材料的动态抗压模量试验，分析不同的应变和频率对其动态模量的影响规律，为沥青路面结构计算提供理论依据。

 2. 动态抗压模量试验方法

动态模量试验采用常应变或常应力控制方式，对试件施加正弦荷载 [ 10 ]。加荷确保试件载弹性范围内变形，不发生破坏，加载大小参考材料在路面结构中承受的压应力大小。接触应力为最大应力振幅的5%。在每个荷载水平下下分别采用25、20、10、5、2、1、0.50、0.20、0.10、0.01 Hz这10个加载频率加载并测定动态模量和相位角。在本文研究中，动态抗压模量采用澳大利亚IPC公司的SPT和UTM两种加载设备进行对比试验，SPT和UTM采用应变控制方式进行加载，波形采用haversine波。其中在应力控制模式下，应力循环特征值，最大压应力为0.7 MPa，试验过程中荷载控制方式如图1所示，图2为试件安装传感器就绪，等待加载试验。

图1. 动态压缩模量试验加载方式

图2. LVDT传感器安装

 3. 二灰碎石动态抗压模量

本文试验在成型完二灰碎石大梁试件上钻芯，共计2个芯样，分别进行了不同应变水平及加载频率下二灰碎石的动态抗压回弹模量试验。不同应变和不同频率下的动态模量试验结果见表1，表2所示，不同加载频率和应力状态下的动态抗压回弹模量见图3，图4所示。

Test results of dynamic resilient modulus of specimen
应变/με 动态抗压回弹模量/Mpa
25 Hz 20 Hz 10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz 0.01 Hz
10 22,393 22,776 22,515 22,640 22,071 21,874 21,255 21,363
15 21,965 21,972 21,850 21,695 21,610 21,472 21,637 21,251
20 21,436 21,454 21,404 21,173 21,113 20,965 20,617 20,249
25 21,133 21,031 21,012 20,987 20,775 20,682 20,420 20,069
30 20,987 20,950 20,810 20,718 20,629 20,515 20,150 20,053
35 20,698 20,781 20,581 20,538 20,441 20,305 20,023 19,747
40 20,650 20,568 20,456 20,385 20,274 20,325 19,882 19,647
45 20,493 20,389 20,319 20,217 20,124 20,042 19,715 19,460

表1. 试件1动态抗压回弹模量试验结果

Test results of dynamic compressive resilient modulus of specimen
应变/με 动态抗压回弹模量/Mpa
25 Hz 20 Hz 10 Hz 5 Hz 1 Hz 0.5 Hz 0.1 Hz 0.01 Hz
10 21,818 21,690 21,869 21,976 21,088 21,486 21,176 21,223
15 21,270 21,399 21,286 21,257 21,014 20,956 20,644 20,148
20 20,369 20,422 20,457 20,338 20,215 20,289 19,906 19,578
25 20,240 20,155 20,119 20,040 19,931 19,831 19,511 19,256
30 20,050 20,015 19,916 19,815 19,731 19,655 19,366 18,949
35 19,720 19,701 19,630 19,499 19,339 19,284 18,985 18,805
40 19,622 19,475 19,357 19,339 19,211 19,184 19,129 18,623
45 19,325 19,176 19,124 19,065 18,982 18,893 18,603 18,361

表2. 试件2动态抗压回弹模量试验结果

图3. 不同加载频率和应力状态下试件1和2的动态抗压回弹模量

从表1和表2中，可以看出试件在不同加载频率和应力状态下的动态抗压回弹模量的变化规律，从试件在不同加载频率和应力状态下的动态抗压回弹模量曲线图3中可看出，在相同的应力状态下，动态模量随加载频率的增大而增大。在相同的加载频率条件下，动态模量随应变的增大而减小。随着应变的增加，动态模量开始减小较快，后期减小趋缓。同时从动态模量随应力变化的规律可知二灰碎石材料具有应力依赖的非线性特征，线性材料的动态模量应该是一个常数。

 4. 石灰土动态抗压模量

稳定土消石灰掺量8%，最大干密度1.71 g/cm3，最佳含水量17%。压实度平均为98%左右，最小为96%，最大为99%。力学性质试验试件成型压实度98%，室内养生龄期6个月。稳定土无侧限抗压强度试验试件尺寸Ф 10 × 10 cm，无侧限抗压强度平均值1.62 MPa，变异系数11.4%。

动态模量试验在无侧限条件下进行。为比较不同应力状态的试验结果，采用常应变控制模式，分别进行轴向应变20 με、40 με、80 με、100 με的动态模量试验。图4为加载频率10 Hz，轴向应变接近40 με时的应力应变历程。动态模量试验结果见表3和图5。

Dynamic modulus results of stabilized soil, MP
加载频率/Hz 轴向应变
20 με 40 με 80 με 100 με
25 3006 2924 2729 2694
20 2997 2912 2712 2675
10 2956 2869 2677 2638
5 2922 2830 2640 2602
2 2872 2783 2600 2563
1 2845 2758 2575 2536
0.5 2818 2744 2551 2514
0.2 2801 2706 2530 2488
0.1 2749 2687 2514 2472

表3. 稳定土动态模量结果，MPa

图4. 稳定土动态模量试验应力和应变历程

图5. 稳定土动态模量试验结果

从试验结果可知，石灰稳定土的动态模量有轻微的加载时间依赖性，即随着加载频率的增大，动态模量随着增大。动态模量还有应力依赖性，即随着荷载的增大(轴向应变增大)，动态模量减小。

 5. 二灰土动态抗压模量

二灰土采用消石灰：粉煤灰：土按照10:20:70的比例进行成型试件，本试验的二灰土的最大干密度为1.55 g/cm3，最佳含水量为19.8%，成型压实度98%，室内养生龄期6个月。二灰土无侧限抗压强度试验试件尺寸Ф 10 × 10 cm，无侧限抗压强度平均值4.65 MPa。采用与稳定土动态模量试验相同的试验方法测试二灰土的动态模量。动态模量试验结果见表4和图6。

从二灰土的动态模量曲线可以得出二灰土的动态模量有轻微的加载时间依赖性，即随着加载频率的增大，动态模量随着增大。另外二灰土动态模量具有应力依赖行，即随着荷载的增大(轴向应变增大)，动态模量有减小的趋势。

Dynamic modulus test of lime flyash soil, MP
加载频率/Hz 轴向应变
20 με 40 με 60 με 80 με 100 με
25 6417 6451 6381 6399 6137
20 6403 6445 6366 6370 6107
10 6335 6354 6302 6292 6003
5 6258 6279 6234 6226 5910
2 6178 6233 6139 6130 5856
1 6121 6166 6071 6055 5785
0.5 5985 6117 6003 5978 5705
0.2 5958 6059 5922 5892 5622
0.1 5965 5990 5863 5836 5565
0.01 5895 5859 5738 5690 5410

表4. 二灰土动态模量试验，MPa

图6. 二灰土动态模量曲线

 6. 结论

1) 不同加载频率扫描下，二灰碎石动态压模量变化幅度很小，表明该类材料线弹性明显。

2) 在相同的应力状态下，二灰碎石动态模量随加载频率的增大而增大；在相同的加载频率条件下，动态模量随应变的增大而减小。

3) 石灰稳定土和二灰土的动态模量有轻微的加载时间依赖性，即随着加载频率的增大，动态模量随着增大。

4) 半刚性基层材料的动态模量有应力依赖性，即随着荷载的增大(轴向应变增大)，动态模量减小。

 文章引用

张军华,王晓燕,李 彬,余四新,郭建民,杨永奇,李玉鑫. 半刚性基层材料动态抗压模量试验研究Experimental Study on Dynamic Compressive Modulus of Semi-Rigid Base Materials[J]. 土木工程, 2019, 08(10): 1431-1437. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.810167

 参考文献 References 沙庆林. 高等级公路半刚性基层沥青路面[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998: 338-360. Thompson, M.R. (1994) High-Strength Stabilized Base Thickness Design Procedure. Transportation Research Record. Portland Cement Association (1995) Soil-Cement Constuction Handbook. Thompson, M.R. (1986) Mechanistic Design Concept for Stabilized Base Pavements. Civil Engineering Studies, Transportation Engineering Series No. 46, Cooperative Highway and Transportation Series No. 214, University of Llinois, Urbana. U.S. Department of Transportation (1981) Federal Aviation Administration AC NO. 150/5370-10. Sherwood, P.T. (1968) The Properties of Cement-Stabilized Material, RRL Report LR 205, Road Receach Laboratory, England. 张立翔. 混凝土疲劳损伤强度可靠置信限分析[J]. 工程力学, 2004, 21(4): 39-43. 余寿文, 冯西桥. 损伤力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997: 282-285. Butler, J.E. (1989) The Performance of Concrete Containing High Proportions of Steel Fiber with Particular Reference to Rapid Fatigue Loading, FRCC Recent Development. ACI, 12, 32-38. Lemaitre, J. (1984) How to Use Damage Mechnics. Nuclear Engineering and Design, 80, 233-245.
https://doi.org/10.1016/0029-5493(84)90169-9
Baidu
map