英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Characteristic of unbound granular materials and subgrades based on multi stage RLT testing
基于多级RLT试验的松散颗粒材料和路基的特性
Sigurdur Erlingssona，b，*，Shafiqur Rahmana,Farhad Salourc
a Pavement Technology, National Road and Transport Research Institute, VTI, SE-581 95 Linkouml;ping, Sweden
b Faculty of Civil and Environmental Engineering, University of Iceland, IS-107 Reykjavik, Iceland
c Pavement Specialist, Swedish Transport Administration, Trafikverket, 801-05 Gauml;vle, Sweden
摘要
路面结构的松散颗粒层(UGMrsquo;s)和路基为整个结构提供了重要的支撑。因此，这些材料的力学性能对结构的整体性能很重要。这些材料表现出非线性的应力依赖性，其力学性能受含水率的影响较大。本文描述了路面粒料层的两个最重要的材料特性，即弹性变形和永久变形特性。对于高细粒含量的材料，UGMs的应力依赖性可以用通用模型来描述，也可以用Cary和Zapata(2011)的增强模型来描述。Bishop的有效应力法可用于高细粒含量材料的吸力效应估算。UGMs和路基材料进一步高度依赖于含水率。既可以用AASHTO的S型模型来描述水分依赖关系，也可以用本文提出的简单指数模型来描述水分依赖关系。本文进一步讨论了在重复荷载三轴试验中，永久变形随荷载重复次数的累积的四种模型。所建立的模型均适用于单阶段(SS) RLT试验结果，并在时间硬化方案的帮助下扩展到适用于多阶段(MS) RLT试验结果。MS RLT测试相对于SS RLT测试的优点是，它对单个试样应用了一系列应力路径，从而考虑了应力历史的影响，减少了对每个应力路径的单独试样进行测试所需的时间和精力。
介绍：
柔性路面由若干层构成，其中通常用作基层和底基层的松散颗粒材料(UGMs)直接位于路基上。粒料层为上覆沥青混凝土层提供了结构支撑，并通过分散荷载和降低应力[27]来防止路基过度变形。因此，这些材料的力学性能对路面结构的整体性能非常重要。运动荷载作用下的UGMs和路基的总变形包括可恢复变形(弹性变形)和塑性变形(永久变形)[31,27,39]。弹性变形与AC自底向上的疲劳开裂有关，而永久变形则随着加载次数的增加而累积，并导致路面出现车辙。
柔性路面的力学-经验(ME)设计方法旨在通过正确理解材料的反应和数学模型来预测和控制这些变形。这就需要对各种影响因素下的材料特性有很好的了解。这通常是通过广泛的实验室检测和实地研究实现的。在影响力学性能的各种因素中，含水率w是最主要的因素。水分在结构中的不断变化，取决于周围气候和季节的变化。因此在要求严格的设计中，对粒料层力学性能随季节变化的预测是必不可少的。
UGMs和路基材料的力学性能表现一般在实验室中使用重复载荷三轴(RLT)测试设备进行测试[13,3,10]。试验方案([8,36])用于评估弹性变形特性。此外，[8]规范适用于表征粗颗粒材料(基材和次基材)的永久变形特性。对于高细粒含量(路基)材料的永久变形特性的估算，目前还没有相应的规范。对于弹性变形，该规范演示了100个周期循环的多阶段(MS)不同应力路径的应用，在每个周期完成之前，移动到下一个周期。这就在一个广泛的应力条件下提供了弹性刚度MR并允许将数据集拟合成数学模型。该规范进一步描述了一种MS方法，通过应用一组组不同的应力路径来获得材料的永久变形特性，每个应力路径循环10,000次，然后再移动到下一个应力路径。规范规定了两套不同的压力水平组合，即“高压力水平”(HSL)和“低压力水平”(LSL)。
本文的目的是对粒料层和路基材料的弹性模量和永久变形特性，特别是其对水分的依赖性进行简要概述。这是通过在大量材料上进行RLT测试实现的。对于粗粒材料，不考虑其在样品干燥状态下形成的基质吸力，因为这种力的作用微不足道 [19,13,64,17,7,43]。同样，由于试验是在自由排水条件下进行的，因此在接近饱和时，要忽略正孔隙水压力的变化。但对于细粒含量高的路基材料来说，这是错误的，低含水率时的负孔隙水压力(基质吸力)会导致材料产生较大的体积应力[35,7,67]。因此，在对细粒材料进行适当分析时，需要在数学模型中考虑基质吸力特性。
路面结构中的水分
路面结构的水分平衡会随着时间推移不断变化。在施工阶段，路面松散材料通常以接近其最佳含水量的值进行压实，以达到最大的干密度条件。然而在施工后，这一含水率会很大程度上受到周围环境条件、材料性质、沥青结合表面层裂缝的严重程度以及地下水位的影响，转变为自然平衡状态，一般会低于最佳含水率。路面结构的含水率还可能因降雨、地下水位变化和冻融作用等季节性气候因素的影响而偏离平衡状态。在Zapata等人[66]的一项研究中，从全美30个路面路段收集了44个路基土样本。采集的样品在原位饱和度为38%～97%，平均为79.1%。
图1为道路与地下水关系的概念模型。在路面横截面上，标高被划分为一个由饱和区构成的包气带。包气带进一步划分为地表水带、中间包气带和毛细水带。包气带的湿度高度依赖于周围的气候、当地的地质构造条件和路面结构的材料特性。因此，它可以从干旱时期的低到非常高，或在潮湿时期或春季解冻期间达到几乎饱和，伴随着在当地形成的底冰。从繁忙的交通中产生的大部分交通载荷分布在包气带。因为这些层的力学参数受水分影响很大，因此，这些参数需要相应地更新。
图2进一步显示了瑞典南部和北部试验路段在一年内两个地点的监测含水率以及每日降水量。采用时域反射(TDR)技术进行测量[53,18]。TDR传感器测量土壤的体积含水量theta;w，土壤含水量定义是特定条件下水体积Vw与总体积V的比值
（1）
另一方面，质量含水率w是一种更常用的衡量土壤湿度的方法。w和theta;w之间的简单关系用[18]表示
（2）
式中: rho;w为水的密度，rho;d为物料的干密度。此外，水饱和度S很容易由theta;w确定
（3）
其中，Vv是土壤骨架中孔隙的体积，而n是孔隙度。
如图2所示，路面结构粒料层的体积含水率有所变化。图2a)中位于瑞典南部的Torpsbruk地区，在中度霜冬季节下的气候相对温和。此地区全年的降水来源多为降雨，可以看出降水与结构含水量之间存在着直接联系。3月下旬和4月上旬的春季解冻期是一个时间更长、强度更大的高含水率期。图2b)显示了瑞典北部、北极圈以北约100公里的Svappavaara地区的水分变化。因为这里结构冻结，降水量以降雪为主，所以冬季降水与含水率之间没有联系，5、6月为主要解冻期，含水率较高。另一方面，在夏季的几个月里，记录的降水量和含水量之间有直接的联系。
弹性模量模型
路面松散材料和路基土的刚度具有广泛的弹性模量特征，弹性模量MR通常由RLT试验获得[49,25,1](见图3)。弹性模量表示的应力应变特性的材料重复交通载荷作用下,类似于使用的弹性模量弹性理论([36]27日8日)。弹性模量代表了在重复交通荷载作用下非束缚材料的应力应变特性，类似于弹性理论中使用的弹性模量([27,8,36])。在RLT试验中，弹性模量定义为循环偏应力sigma;d与可恢复轴向应变εr的比值
（4）
弹性模量应在模拟交通荷载引起的应力状态和路面系统中松散颗粒材料所处周围环境的条件下进行测量。
一些研究人员为高细粒含量的粒料层和路基提出了描述弹性模量应力依赖性的数学模型[48,29,31,44,62]。这些模型主要是从实验室RLT试验数据的曲线拟合而来，并没有直接考虑主要同物料含水率[31]变化相关的环境因素。
对于粗粒粒料层，通常可以采用总应力法[56,33,34]，弹性模量通常根据通用模型描述为
（5）
其中，体应力theta;（），八面体剪应力tau;oct（），大气压Pa（=100kPa），回归参数。对于细粒含量低的粗粒材料，k3通常可以忽略，因此k3= 0。注意在RLT测试中，当sigma;c=围压且sigma;d=偏应力时，作用在试样上的主应力为：sigma;1=sigma;3 sigma;d，sigma;2=sigma;3且sigma;3=sigma;c。因此，，。
存在于土壤中的水分含量在细粒路基土基质中形成固有的负孔隙水压力(即基质吸力)，影响其应力状态，并在粗粒土的接触点产生局部孔隙压力，从而降低颗粒间的有效应力和内摩擦，从而帮助它们的相对运动[38,63,6]和[66]。土壤含水量与基质吸力之间的关系通常用土壤水特征曲线(SWCC)来表示[19,65,20,22]。两种粉砂材料的SWCC如图4所示。这两种材料根据统一土壤分类法系统（USCS）将其划分为两种非可塑性的SM，其细粒含量分别为27.4%和42.2%，分别为[46]。
为了将基质吸力作为应力状态变量，Cary和Zapata[7]提出了增强弹性模量模型
（6）
其中，净体积应力，为孔隙气压力；为非饱和条件下增大的孔隙水压力；为初始基质吸力，为关于的基质吸力的相对变化值，为回归参数。注意，对于在循环加载过程中没有任何孔隙水压力，也没有基质吸力的材料，即式(6)可简化为式(5)。. 在式(6)中模型的第一个因子中，这个词解释了从不饱和状态到饱和状态的转变。当由于含水量的增加而接近于零时，净体应力接近于体应力。第三个因素是在非饱和条件下基质吸力对弹性模量的贡献。
粗粒和细粒材料弹性RLT测试的典型结果分别如图5和图6所示。
从图5和图6可以看出，随着w(或S)的增加，逐渐降低[25,28,15,37,45,47]。进一步通过对课程粒料的实验室测试表明，w[12,31,13,5,41,41,42]影响的主要是式(5)中的k1参数。对于使用Cary和Zapata模型的细粒物料，该方程的吸力项考虑了其对水分的依赖关系。
在计算式(6)中的应力水平时，本文采用了Bishop的对非饱和土的有效应力。Bishop的有效应力方程为:
（7）
其中，为有效应力，为总压力，为孔隙气压力，为孔隙水压力，土壤结构孔隙-空气压力和孔隙-水压力之间的差异称为基质吸力（）。式(7)中的参数与饱和程度有关(表示基质吸力对有效应力的贡献)，定义为:
（8）
其中，是由SWCC曲线得到的土壤的土壤进气值(或基质吸力，空气开始进入土壤中最大的孔隙)(见图4)。一个简单的所谓的“有效应力”方程，将总应力与土壤吸力联系起来(如毕晓普方程)，在实际应用中是可取的。
这就是
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240255]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
