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松散路基的力学性能测试
松散路基的力学性能测试
KornélALMÁSSY
道路与铁道工程
[匈牙利]布达佩斯技术与经济大学H-1521
收稿日期：
9月5日，2001
摘要
下列文件介绍了对“薄沥青”路面结构未绑定的颗粒状基地的行为的研究。
该报告介绍了非结合颗粒材料，在其弹性模量测定和永久变形，特别是关于和未结合基地的正常材料特性的机械和实用性能。
为了应对非线性特性，机械特性可以通过有限元模型的计算机程序检查。
为了使网络最终结果的用户友好的，更明智去巧妙地利用普遍接受的线弹性的方法。
这项研究的目的是研究如何粒状层的线状弹性建模的误差可以尽可能地规避。
在第二阶段的临界应力和应变与材料特性相关，便于测量参数表面去佛罗里达州ections和层的厚度。
这些关系形成预测模型的开发的薄沥青路面公路绑定结构基地评价的基础。
在这项研究中阐述了以下主题将是：
关键词：
薄沥青，颗粒未绑定的基础上，非线性行为，永久变形，挠度，落锤德FLectometer（FWD）。
1.引言
1.1。
概述
未结合的粒状材料可以在几乎任何道路路面结构被应用，当它被用作高速公路的基础上，或作为低容量道路的位置。
因此，这是非常重要的，了解一下它的行为。
此基体的主要功能是减少由TRAF音响C引起的垂直压缩应力，在副底座和路基，以在该没有不可接受的变形将发生在这些层的水平。
本研究着重于基础的应力相关，是结构的最有趣，最有意义的部分。
它提出未结合的粒状物的特别强调其弹性模量和永久变形，这是由未结合的碱的适当的材料特性来实现的确定的机械和实用性能。
Kenlayer的三层模型的开发是为了调查未结合的碱的机械和材料性质。
该模型是由计算机程序Bisar3PC和美国软件Kenlayer测试。
对于非线性行为进行细粒度的基础造型，Kenlayer提供了极好的机会，在不使用的那一刻匈牙利路面设计程序。
2.落锤挠度测试
2.1。
简介
公路和航空场路面结构的许多评估程序使用的落锤德FLectometer（FWD）无损德的一个关键要素挠度测试（NDT）。
原则上，测量可在所有类型的路面（沥青混凝土，水泥混凝土和块铺路）应用。
该FWD可以模拟移动的卡车车轮负载。
在FWD测试的冲击载荷应用到人行道上。
通过落锤去佛罗里达州ections测量手段，可以判断路面及路基的承载能力的结构状况。
2.2。
感兴趣的领域
该FWD可以在公路和航空场路面结构的路面人生各个阶段的使用：
∙在道路基测试或在建粘合剂过程提供了总的沥青层的所需的厚度更准确的结果。
∙在服务的道路测试允许残留路面的使用寿命和适当的维护和恢复措施的决心评估。
无损挠度测试是很重要的设置维护方案进行路面养护（路面管理系统PMS）。
通常情况下，FWD是在项目级别评估结构状况应用，但它也可以用来在网络层面来评估所有道路的状况。
2.3。
在测量
2.3.1应用
该FWD是一个拖车式装置，提供了一个动力的冲动在人行道上。
测量的原理是很简单的。
该设备将使用提升到一个给定的高度与引导系统，然后下降到人行道上脚板休息的权重。
挠度传感器用于记录在路面的表面上垂直位移。
这些德FLections用于backcalculate层模块，并确定临界应变和应力进行维修，改造，和未来的设计。
这需要在层的厚度和材料属性的附加数据。
TRAF科幻ç计数和轴重信息提供对残余结构路面的使用寿命基本数据。
在insuf科幻cient剩余寿命的情况下，强化措施的类型和厚度可被计算。
通常，这种增强可以转化为取决于覆盖层厚度，材料的再利用和估计TRAF音响C加载和强度维持和重建的措施。
2.3.2关于装置
大多数FWDs，其中由以下三个主要的供应商制造的：
∙DYNATEST（丹麦）
∙卡尔兄弟路面顾问（原PHONIX，丹麦）
∙KUAB（瑞典）
他们一起控制世界市场的95％以上。
图1给出了测量的示意性图像。
图。
1。
测量的原理图图象
落锤撞击安装300mm的圆脚盘，其传递的力路面一套橡胶缓冲器。
薄带肋橡胶垫总是安装在底板下。
Kenlayer通过改变质量的下降高度或两者，冲动负载可以变化。
此负载可以为10kN之间变化，以140千牛进行常规类型的FWD的，但在某些情况下，可能上升到300千牛顿。
六至九个月挠度传感器（在DYNATEST地震检波器的情况下使用）测量所造成的冲击性负荷的表面去佛罗里达州ections。
的第一个挠度传感器总是装在装载板的中心，而其余的被定位在不同的空间距离高达2.5米的负载中心。
从所有德FLections记录，峰值被存储和显示。
装载板和地震检波器光束的升降后，整个安装可移动到下一个测量点。
3.在型号路面结构
3.1维度
这种路面结构的力学行为是使用多层模型研究。
我分结构模型成两层，第一个是在沥青层，第二是它被细分为5次层（A，B，C，D和e）的基体层，并且第三个是路基（参见图2）。
、负载（落锤）
图。
2。
维度结构潜行
在路面的负荷是一个典型的FWD负荷。
在底座上的5子层的想法将在本章中详细阐述。
3.2负载
因为它是为使用研究改进FWD数据的分析的结果的目的，该模型中的负荷是一个FWD负载的模拟。
负荷设定在50千牛用直径300mm的圆形接触区。
该负载不仅类似于（在峰值计）的FWD负荷，而且还与100千牛顿的轴重宽基胎的。
3.3沥青层
穿着和结构的沥青基不是分别建模。
只有厚度和总的沥青层的劲度模量是变化的。
以下的厚度，使用1毫米，40毫米80毫米和100毫米。
1mm的情况下，是典型的密封基地。
沥青层劲度模量设定为2500兆帕，5000兆帕和10000兆帕。
泊松比是连接在固定的0.35。
3.4。
基本层
3.4.1关于未绑定粒料基层材料
基底层是本研究的最重要的部分。
该层发送装载到路基，所以基起着在“力-游戏”一个非常严重的作用。
在这项研究基地由绑定颗粒状材料，可从广泛的来源：
∙常规的一次基层材料和天然砂砾
∙再生基层材料和碎瓦砾
∙沙滩
∙红土
只有前两种类型在这项研究中考虑。
3.4.2。
基反应模型
未绑定的粒状物料呈现压力依赖性反应。
一般越应力施加，在该层中的较硬的材料将作出响应。
各种型号Kenlayer提供可以描述这种压力相关的行为。
下面的模型主要用于，因此在本研究中的应用。
材料常数ķ1和ķ2来自以下方程，它描述了刚度和应力之间的关系：
Mr=k1∗（θ/θ0）k2.
（1）
含义：
Mr=弹性模量（千帕）
θ=主应力的总和（千帕）
θ0=基准应力（1千帕）
ķ1=材料参数（MPA）
ķ2=材料参数（-）
适当使用这种模式，就要使用一个路面模型，将允许既在垂直和水平方向的刚度的变化。
只有有限元方法能够解决这个问题。
由于在垂直方向上的变化可以仅满足很好在这项研究中所确定的目标，也可以使用其他的方案。
Kenlayer是这样的程序。
下图显示了所使用的材料及其ķ1和ķ2的值。
的层厚度被设定在150毫米250毫米和350毫米。
材料ķ1ķ2
粉碎砖石/混凝土
22.6兆帕
0.44
碎石瓦砾
36.1兆帕
0.34
碎石砌筑
6.3兆帕
0.49
石灰石
37.7兆帕
0.45
3.5路基
路基被建模为自由直弹性材料制成的半半空间。
这涉及到刚性也不会很大深度。
这允许刚度特性的简化网络连接阳离子和用于路基使用线性弹性模型的。
下面刚度模量，使用50，100和200兆帕。
泊松比被设定为0.35的恒定值。
4.在使用软件
4.1。
Kenlayer
Kenlayer是美国的计算机程序，因此能够以得到单位英寸和帕普西或间，千帕和千牛。
SI单元在该研究中使用。
Kenlayer可以应用于下单，双，双串联分层系统，或双型Tridem车轮每一层表现不同，无论是线性弹性，非线性弹性，或粘弹性的。
最大19层和24负载组被允许在此程序[3]。
4.2。
模拟颗粒层
众所周知，大多数颗粒状物料不能采取任何紧张。
不幸的是，当它们被用作碱或底基层上较弱的路基在这些材料的中间或底部的水平应力是最有可能在张力。
有两种方法在Kenlayer被纳入了非线性分析。
在方法1中，非线性颗粒层被细分成若干层，在各层的middepth的应力被用来确定的模量。
如果水平应力，包括地压应力，为负或处于张力，它被设置为0。
此应力改性音响阳离子必须避免负θ。
在方法2中，所有的颗粒材料被认为是一个单一的层和适当的点，通常在上区和层的上三分之一之间选择来计算弹性模量。
因为在层的上部的点的，负的机会θ是罕见的，所以不需要应力改性音响阳离子。
如果θ原来是负数，任意或最小模（EMIN）分配。
5.设计模型用于颗粒状路面基层永久变形预测
5.1模型的背景
5.1.1模型的起源
南非机理设计方法（SAMDM）和路面设计的某些其它部件已经被广泛地开发了在过去的几十年。
南非的研究工作，以确定一个简化的机械设计方法已持续自1974年以来。
该方法包括路面结构设计（材料和路面状况，设计TRAF网络C，所需的服务水平，等等）的整个场。
这个概念还参与了路面寿命预测。
设计模型已经开发了用于路面结构的每个相符层。
现在，在此研究中，我们只对未结合的粒状基础层感兴趣。
该过程与负载和材料特性鉴定开始关闭。
南非标准设计负载在两个轮胎和520千帕的均匀接触压力的中心之间350毫米间距40千牛双轮负荷由于允许在公共道路上的80千牛法律轴重。
提供了用于粒状基础层的唯一标准是，工作应力应限于静态剪切强度或安全的工作应力的70％应该由重复荷载三轴试验来确定。
上述设计步骤给出了南非的形势令人满意的结果。
然而，主要的设计条件是不一样的，在荷兰的情况。
路基和基层通常是在南非比在荷兰硬得多。
除了在南非的材质是一种更高层次的领导，更好地压实，从而更好地行为和性能。
同时温度和气候条件还远远没有平等的。
但是，基本的模式似乎适用，因为它允许“本地”数据作为材料参数和TRAF网络C引起的应力输入。
以这种方式可能存在复制的基本结构和到FINE调模型给荷兰的情况。
类似的方法可以被重复，以在模型校准匈牙利条件。
因此，本研究的目的是应用南非模式，来检测传输问题，并制定适当的调整模式。
5.1.2。
基本参数
南非研究人员开发了针对于颗粒状物料的设计方法，剪切破坏了“安全系数”的概念。
针对剪切破坏的安全系数是基于莫尔-库仑原理为静载荷和表示的材料的剪切强度和所施加的应力引起的剪切比率。
用于颗粒物质的安全系数可以写成如下：
F=（K∗（σ1f−σxx2m））/（σzz2m−σxx2m）,
（2）
其中：
F=安全系数
K=常数0.8
σ1f=破坏应力
σzz2m=负荷下的中层深度颗粒层垂直应力
σxx2m=负载下中间深度粒状层的径向（水平）的压力。
恒定ķ已在此研究中被设为0.8。
如果该层位于在水分可能会加速窘迫区域，必须使用较低的值。
每材料至少有三个静态三轴试验失败进行中，σ的conf在这些测试中-levelwasdifferent。
三个试验的结果表明，σ1˚F与增加σ的conf[4]。
这种增加的σ1˚F由莫尔-库仑破坏准则，这导致以下表达式说明：
σ1f=（（1+sinφ）∗σconf+2∗c∗cosφ）/（1−sinφ）[4],，（3）
其中：
c=材料的凝聚力[帕]
φ材料[内摩擦角=◦]
σconf=CON组fi宁压力[帕]
越TRAF音响按c上行进的道路进行设计，在更严格的限制是具有被设置为安全系数。
在南非接近可靠性几个层次用于各阶级的道路。
在低的情况下，体积道路的可靠性水平设定为70％负载量的一个ž的0.524-score。
下面的公式是在南非的发展：
Log（N）=2.605122∗F−0.62792∗z+4.510819[2],，（4）
其中，N=的负载应用数量
F=安全系数
z=z-score标准正态分布的（对于70％的可靠性ž=0。
524）
在系数音响cients式（4）是从calcula组合结果的结果系统蒸发散用与重型车辆模拟器（HVS）场试验的结果。
这些系数科幻cients可能需要各国比南非的调整。
5.1.3并发症和替代解决方案
很多时候，一个路面用粒状基层和底基层的结构分析将导致在粒状碱拉伸应力，导致抵抗由机械方法预测剪切破坏几乎没有阻力。
此，特别适用于线状弹性的方法，允许拉伸应力在粒状碱进行开发。
线性弹性模型，将所得Mohr圆形为这样的情况下在被示出图3。
图。
3，莫尔圆，其中拉应力是允许的
规避线状弹性的方法的步骤的亲的缺点在软件代码所构成Kenlayer[3]采用。
此过程细分颗粒层成几个线状弹性子层。
K.ALMÁSSY
对于所有子层的公式
（1）应用应力相关概念。
基于应力依赖模型，负载引起的应力和覆盖层路面结构。
刚度模量计算通过迭代每个子层。
这个想法不允许任何拉伸应力在未绑定的基础材料发展。
如果拉伸次要原理应力计算（负值），则该值被设定等于零。
什么这意味着在实践中的颗粒层将只执行装载压缩。
因此，莫尔圆作案网络版，你可以看到图4。
图。
4。
莫尔循环，即只允许压缩
虽然Kenlayer过程试图尽量减少拉伸应力在颗粒层的发生，但它不提供绝对确定性。
与此相反，在大多数情况下，拉伸水平应力的粒状基础计算middepth。
这绝不是在南非的情况。
这似乎很奇怪，但它可以很容易地进行说明。
在南非的接线板通常构建有一个硬质材料，而在荷兰，通常被应用于软接线板。
在这种情况下，拉伸应力将在颗粒层进行计算。
这会不会是在硬接线板的情况下，正确的。
6.结果
6.1。
竖向应力
统计分析使用SPSS到FI垂直因变量，并在粒状碱的中心水平应力和自变量之间十二次准确关系制成。
该组自变量包括仅容易测量的数据。
并非所有的独立的输入变量似乎是歧视性或适用于解释相关性。
回归方程可应用于所有基层材料。
不仅基层材料的特性和行为的变化，还有其他材料在基层使用。
出于这个原因，有人企图看到分析可以合并所有基层材料的结果是否（参见图5）。
相关系数科幻cient表明一个准确的预测方程可以制定估算挠度和厚度参数垂直应力。
logSzz2m0
3.0
2.8
2.6
2.4
H1（毫米）
100.00
2.2
80.00
2.0
50.00
1.00
1.8
总人口
1.6
RSQ=0.9789
非标准预测值
图。
5，中网络牛逼善良基层材料结合
6.2水平从Kenlayer直接压力
6.2.1。
已知的基层材料
不同于垂直应力预期的拉伸（负值）水平应力更多的问题。
问题是，在基层中心的水平应力其中大多数是在紧张局势。
这涉及到，这是无法使用的负值的对数回归。
由于这个原因数线性关系进行了研究。
独立变量都转化为对数输入变量而因变量，水平应力，被输入为线性可变。
图6提供了一个图形结果。
本图显示的音响t时实际应力（纵轴）和预测的应力（水平轴）之间的优度。
正如你从结果看粉碎砌筑完成最差的回归分析可能是因为它是最弱的材料。
K.ALMÁSSY
100
0
-100
H1（毫米）
100.00
-200
80.00
50.00
总人口
-300
RSQ=0.5478
-1000100
Sxx2m0
非标准预测值
图。
6。
的网络牛逼善良基层材料结合
6.2.2未知基层材料
非常薄的沥青层从分析已排除，因为它们不能很好地与沥青层的其他厚度建模在一起。
即使如此，没有很好的相关性可以为所有的基层材料进行开发。
（参见图6）。
该网络古尔表明，没有准确的一般关系，可以用于预测在颗粒基层水平应力middepth。
另一个问题是，在大多数情况下，拉伸应力计算导致不切实际的低安全系数在南非的做法。
与南非模型的开发人员的沟通透露，他们遭受了下拉伸应力太多。
他们公开了作为其结果已向上移动的安全系数为具有它采取必要从他们的经验。
很明显，该计划是不可行的，那么另一种解决方案必须找到消除负值，并获得现实的安全系数。
6.3。
通过另一种方法水平应力
6.3.1。
已知的基层材料
第6.2节透露，在测定中你将面临即使当劲度模量的应力在垂直方向上的变化被正确建模问题粒状层可靠水平应力。
程序Kenlayer将拿出在粒状层的下半部分的拉伸水平应力。
在现实中，这将几乎不会是这种情况。
除了一些CON组finement和残余应力，不会有张力水平应力。
菌株，但是，代表在下半部分，而准确的实际行为，因为菌株被耦合到分层系统的弯曲。
为此另一种方法的建立是为了开发在路基的水平应力middepth的评估的方法，根据在该点计算的菌株。
另一种方法是使用垂直应力由Kenlayer作为计算为主要的输入数据。
水平应力被定义为垂直应力的函数，如下面给出。
Sxx2m0=f∗Szz2m0
转换系数˚F被假定为依赖于道路碱水平应变和垂直应变middepth的比率。
对于上述四个路面基层材料的计算表明，比之间变化-0。
6和-0。
2。
在-0。
6路基的结构能力是在它最薄弱，因此换算系数的下限被设置为零此应变比。
在-0。
2和更高的比率被假定道路碱的结构能力良好。
这个比率和更高的转换系数被设定为等于土压力系数音响充分的。
几个土力学与路面设计参考科幻X这个系数音响cient为0.5或0.6的值。
方便的是考虑该水平应力等于垂直应力倍任意常数ķ依赖于应力或变形的条件，但如果同样的条件不随深度变化施加到材料全部深度[5]。
在这项研究中的系数音响cient被设定为0.5的值。
基于两个固定的点的转换系数之间存在下列关系˚F与应变的比率。
f=1.25∗（εh/εv）+0.75.
应变比率可以很容易地在通过Kenlayer设计方法来计算。
对于在职的道路，但是，我们需要根据德FLections和层厚度来预测这个比例。
对数回归（日志（-EXX2米/EZZ2米）施加其中应变比，转化）。
下一个网络连接古尔（图7）显示图形的材料之一的结果的影响。
6.3.2未知基层材料
下表列出了所有的基层材料，进行统计分析的主要输出数据图8给出网络牛逼图的善良。
画面划分非常壮观的结果分为两部分。
一组包含压碎砖石-最弱的材料-另一组包含
K.ALMÁSSY
日志（-Exx2m0/Ezz2m0）日志（-Exx2m0/Ezz2m0）
-.2
-.3
-.4
H1（毫米）
100.00
-.5
80.00
50.00
-.6
1.00总人口
-.7
RSQ=0.9202
非标准预测值
图。
7，科幻的善良牛逼的基层材料粉碎瓦砾
-.2
-.3
-.4
K1（KPA）
-.5
37700.00
36100.0022600.00-0.7
-.6
6300.00总人口
-.8
RSQ=0.6821
非标准预测值
图。
8。
网络的善良牛逼的基层材料结合
剩余的三个材料。
很明显，该粉碎砌筑造成坏回归结果，因此，在下一步骤该物质是从分析擦除。
下图（图9）呈现的主要结果。
显然，更准确的关系是应变率，挠度和层的厚度参数之间发现，虽然仍有一些散射可以观察到。
图9示出日志的最低量（-EXX2米/EZZ2米）是-0。
5，它是的应变比的变换-0。
32图。
5-6表明，粉碎砌筑情况日志的最低值（-EXX2米/EZZ2米）可以下降到-0。
7（应变率-0。
20）。
的转换系数的相应值˚F是0.35和
0.5。
较高这一因素，在南非模式更高的安全系数
-.2
-.3
-.4
K1（KPA）
37700.00-.5
36100.00
22600.00总人口
-.6
RSQ=0.8151
日志（-Exx2m0/Ezz2m0）
非标准预测值
图。
9，科幻的善良牛逼了三个基层材料结合
是。
如果我们将不碎砖石开发用于砌筑碎的情况下的关系，我们将低估的安全系数。
这涉及到我们做一个保守的，安全的设计时使用的'与'情况下，“无”的关系。
6.4。
调整后的预测模型
基于该部分的结果，安全系数可被确定。
由于在每种情况下作案网络版可供选择的模式积极，更现实的价值被发现了。
这是这种方法从南非出发模型的点。
下图（图10）提出了一些成果。
关系层厚度之间呈现^h1和安全系数（˚F具有不同）Ë1和层厚度^h2=0。
25米和不断ë3=100兆帕。
图表（参见图10）揭示了很好的厚之间的差异和较少厚层或硬或更硬的材料。
在这并不总是获得预期的最高安全系数的值的其他三人之间的硬的材料中的石灰石的情况下。
这背后的原因是，所使用的凝聚（Ç内摩擦（）和角度φ）未苏夫音响cient这种材料。
当安全系数被计算，然后将下面的公式（见第5章）可以用来计算的负载应用（预测寿命期）的数目：
Log（N）=2.605122∗F−0.62792∗z+4.510819[7],，
K.ALMÁSSY
E3=100兆帕及H2=0.25米
7,00006,0000
H2=0.25米E1=25005,0000
兆帕4,0000
H2=0.25米E1=5000兆帕3,0000
H2=0.25米E1=10000兆帕2,00001,00000,0000
安全系数（F）
图。
10。
安全系数时Ë3和^h2为常数，ħ1和Ë1是可变
其中，ñ=的负载应用数量
˚F=安全系数
ž=ž标准正态分布的-score。
有问题在使用等式来克服。
公式中的常数南非结构条件进行测定。
另一点是，基本的南非模式，安全系数被允许的网络连接gures0和2之间，以改变上述表明，该因子通过替代方法2.3和7之间变化。
这绝对使我们有必要调整公式并将其校准到当地的条件。
一个第一个调整步骤可以作出是原来的南非预测模型适应“新”的安全因素。
如果我们假设南非因子的从0到2的范围是等于“新”因子为2至8的范围内，然后将下面的关系存在。
FSouthAfrica=1/3∗（Fnew−2）.
如果我们假定方程周围分散是相同的，则如下所述的中国等式可以改写为：
Log（N）=0,068∗F−0.62792∗z+2.774.
7.结论和建议
7.1。
结论
本报告中提出的研究导致了一些主要结论：
∙所使用的软件代码Kenlayer非常英法ficient确定非线性弹性粒状物的机械和结构的行为。
应力依赖性颗粒层可以通过使用公知的被简单地模拟ķ-θ模式。
护理应然而采取在建模颗粒层计算水平应力。
特别是在颗粒层的拉伸应力的下半部即使当该层被建模为应力依赖层中找到。
通过Kenlayer计算出的垂直应力满足的期望。
∙所谓的安全系数为的未结合的粒状道路碱基永久变形南非预测模型中的判定为更复杂的比它在原始源进行说明。
的安全系数被深入中间的水平和垂直应力在层下的分析和其失效性驱动。
特别是横向拉伸应力的确定
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