方寅兵

（兰溪市公路管理段，浙江 金华 321100）

0 引言

到2015年底，我国高速公路通车总里程已经达到了12.537万km，在使得人们生活更加便利的同时也加重了交通负担。由于汽车数量不断增加、交通量越来越大，交通渠化带来的病害问题越来越严重。我国所特有的超载和重载问题使我国的高速公路使用寿命大大减小并形成了各种破坏类型，其中车辙即为最主要的病害之一[1]。在城市道路和干线公路交叉路口段、行车渠化段以及高速公路上坡路段等区域极易出现车辙。车辙是沥青路面所特有的损坏现象，车辙病害不但会削弱路面结构的整体强度，而且还会导致沥青路面的抗滑性能下降，影响车辆的行驶安全[2-3]。因此，针对车辙机理开展研究，对确保沥青混凝土路面的使用质量，提高其使用寿命以及路面行车安全性具有重要意义。

由于我国的沥青混凝土路面一般采用半刚性基层，因此车辙主要发生在沥青混凝土的面层。研究表明抗剪强度较低是实际路面出现车辙失稳性破坏的重要因素，因而对材料抗剪强度的测定显得尤为重要[4-5]。目前，规范中还未写入对材料抗剪强度试验的具体要求，通常研究者们利用三轴压缩试验来获得材料参数黏聚力c和内摩擦角φ来表征其抗剪性能[6-8]。但三轴试验的条件较苛刻、操作较复杂，且室内试验条件与实际路面受力条件还有许多不同。因此，本文结合无侧限抗压强度试验和单轴贯入试验，对材料剪切性能参数的获取开展研究，探究其离散性以及试验可操作性，以便为沥青混合料抗剪性能试验方法的选择提出建议。

1 原材料与试件

本次研究选用的沥青为S B S改性沥青，粗集料为玄武岩，细集料和矿粉均为石灰岩，材料的性能指标符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20—2011）的要求。所选沥青混凝土级配为我国公路路面上面层常用的AC-13，各级粒径下集料的通过率见表1；油石比为4.9%，目标空隙率为4.2。试验仪器均采用万能材料试验机（U TM-25），温度均设置为 60 ℃[9]。

表1 混合料设计参数

采用沥青混合料旋转压实仪成型试件。首先成型 ø150mm×150mm的沥青混合料试件，之后利用沥青混合料切割机取芯，可得直径及高度均为100mm的圆柱型试件，用于无侧限抗压强度试验和单轴贯入试验。为使得试验结果较为精准及合理，2种试验均做3组平行试验，并取平均值作为最终结果进行后续分析及计算。

2 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验是仅仅对试件施加竖向的压力，试验过程中压头的压力不断增大，当达到其极限值后压力开始减小，此时试件已经破坏，则将测得的最大压力作为试件的无侧限抗压强度值。

启动U TM（万能材料试验机），将其内部温度设定为60℃，并打开电脑中的统一数据传输系统U T S。将切割好的试件放入U TM室内，让其在60℃下恒温4 h。调整U TM，分别对试件1、2、3进行加载，加载速率为2mm/min。利用U T S采集数据，可得到这3个试件的应力随时间的变化曲线（示例见图1）以及最大主应力值P，进而可通过式（1）计算得到其无侧限抗压强度值σu，结果见表2。由表2可知：试验测得的数据较稳定，离散性较小。

图1 试件2的轴向荷载变化图

表2 无侧限抗压强度试验结果

根据应力摩尔圆受力情况，无侧限受压破坏状态下试件的最小主应力σ3=0MPa，最大主应力σ1=1.20MPa。

3 单轴贯入试验

目前，研究者多数仍通过三轴试验来获得材料的抗剪参数值。然而，三轴试验所提供的围压也仅仅是一个定值，其与实际路面的受力状态差别较大。为了使室内试验所提供的围压更符合实际情况，研究者提出了单轴贯入试验方法。本次研究选用了毕玉峰等[10]提出的单轴贯入试验方法，并以此结合无侧限抗压强度试验来获得材料的抗剪强度参数c、φ值。

单轴贯入试验与无侧限抗压强度试验的试验设备、试件及过程基本相同，只是改变了加载所用压头的大小。本文单轴贯入试验选用直径为28.5mm的压头。其通过材料自身来提供围压，使试验中围压更符合实际情况，且研究者已经利用三维有限元计算出了抗剪强度参数，研究只需通过试验测得贯入破坏时压头提供的最大压应力值，再乘以相应系数即可求出三轴状态下的主应力值。具体可用式（2）表示：

式中：S表示所求的各应力值，具体为最大主应力σ1、最小主应力σ3和剪应力τ；Ci表示强度参数（i=1，13，子），具体数值见表 3（贯入强度为 1MPa）；P＇为试验所得的最大贯入压应力值。

3组平行试验的应力随时间的变化曲线示例见图2，进而可根据最大主应力值P＇（见表4），通过式（2）计算出最大、最小主应力σ1和σ3。由结果可知：试验测得的数据较稳定，离散性较小。

图2 试件6的轴向荷载变化图

根据应力摩尔圆受力情况，单轴贯入破坏状态下试件的 σ3=C3×P＇=0.256 8 MPa，σ1=C1×P＇=2.253 3MPa。

表4 单轴贯入试验结果

4 抗剪强度参数

以莫尔-库伦理论为前提，将上述2个试验获得的莫尔圆力学参数在同一个坐标系下进行表示，如图3所示。通过增设辅助线，采用几何求解可得材料的黏聚力c、内摩擦角φ的计算公式，如式（3）、式（4）所示。

图3 c、φ值求解示意图

式中：σ1=2.253 3MPa，σ3=0.256 8MPa，σu=1.20 MPa，代入式（3）和式（4）可得：φ=37.44°，c=0.296 3 MPa。

由此可得试件在无侧限受压破坏时破坏面上的剪应力τ0为：

试件在单轴贯入破坏时破坏面上的剪应力τ'0为：

5 结语

（1）介绍了通过无侧限抗压强度试验和贯入试验来研究沥青混合料抗剪强度参数的原理及方法，为后续抗剪性能试验的选择提供了参考。

（2）无侧限抗压强度试验与贯入试验的测试结果均比较稳定，数值的离散性较小，试验方法较可靠。

（3）本文的研究进一步证明了相比条件苛刻、操作复杂的三轴试验，无侧限抗压强度试验与贯入试验的结合使用更加方便可行。