在试验中所应用的加载波形和时间应当模拟公路上行车荷载的实际情况，当轴载离路面上某点足够远时，该点的应力设为零，当荷载直接作用于该点时，该点的应力最大。Barksdale研究认为在柔性路面中不同点的动态应力状况可近似的认为是半正弦或三角函数，回弹模量加载时间的选择是依据作用在沥青路面不同深度处的水平和竖向应力的平均脉冲时间得到的，且与行车速度和计算点所在深度有关。同济大学张洪亮博士后曾测试了移动车辆荷载作用下兰一海高速公路路基内部的压应力分布［4］。研究表明:若速度为80km/小时，荷载作用时间应在0.2s~0.3s范围内。所测试的路面是高速公路，路面较厚，若为二级或二级以下公路，荷载传递到路面结构基层的时间还会增加。［5］现有的三轴试验均采用1HZ的荷载频率，荷载作用时间通常为0.1s，荷载间歇时间均为0.9s，荷载模式与实际的以80km/h行驶的车辆作用下路基中的动应力比较吻合［2］。但NCHRP关于路基土回弹模量测试的最新规范NCHRPI-28A认为，以上的荷载频率、作用时间和间歇时间仅适合于路面材料。而路基在路面的下方，由于应力的传递需要时间，路基内部运动车辆引起的动应力持续时间较长，且加载时间过短，级配碎石材料来不及做出相应变形变化下一次加载就已经开始，变形记录结果不准确，试验数据结果会偏大。本试验荷载频率取1Hz，荷载作用时间取1s，荷载间歇时间取1s以模拟在道路上施加的交通荷载［6］。（6）加载波形［1］：加载波形是测试松散粒料永久变形和动回弹模量的又一个重要参数。与静态加载不同，重复加载是以路面上实际的行车荷载波形为依据，一般认为，在距离汽车荷载中心有一定距离时，路面的应力视为零，处于荷载中心时路面的应力最大。研究表明可以用三角波或者Haversine函数模拟路面的冲击荷载。比较三种波形的荷载曲线形式，Haversine波形最接近实际路面上的荷载波形，从试验角度，半正弦波生成比较容易。在MTS810材料试验机上进行级配碎石层永久变形的测定时，其动态荷载Haversine半正矢波在一个加载周期内的函数表达式，荷载波形曲线如图2所示。
1级配碎石永久变形试验数据采集
为了研究级配碎石在长期重复荷载作用下的永久变形特性，本试验对试件进行了3000次的间歇波重复荷载，加载程式采用力控制模式。各传感器通过数据采集集成卡直接与计算机相连接，数据采集的结果直接读入计算机指定的数据文件里。为了准确地反映级配碎石粒料在行车荷载作用下的塑性变形特性，本试验对数据都进行了加密采集，最后通过数据处理软件方便处理和分析应力和变形的时程曲线。通过对试件进行了不同试验条件下的重复荷载试验，在不同荷载作用次数及不同大小的正矢波荷载作用下，得到粒料的回弹变形以及永久变形。对数据进行科学的分析与处理，建立塑性变形与应力及荷载作用次数之间的关系。永久变形采集点的位置见图3。
2级配碎石永久变形试验数据分析
影响永久变形的主要因素有级配碎石粒料的种类，应力水平以及荷载作用次数等［7］。本节根据级配碎石粒料的室内重复加载试验得到的永久变形量围绕上述因素对级配碎石塑性变形特性的影响进行研究。
2.1应力对级配碎石粒料永久变形的影响
应力水平是影响粒料材料永久变形的主要因素，以最佳含水量下最大干密度（压实度100%）作为成型控制条件。不同应力下试件轴向永久变形量与荷载作用次数的曲线如图4、图5所示［8］：图4、图5是不同应力条件下相同级配的级配碎石混合料永久变形随荷载作用次数累积曲线的比较。从图中可以看出：无论是骨架密实型级配还是连续型级配的级配碎石粒料轴向永久变形随着荷载作用次数的增加而逐渐增大，大部分的永久变形量在重复荷载作用最初2000次时候基本完成；随应力逐渐增大试件的累积变形速率也增大，当施加的应力较小时（0.50MPa），永久变形增加平缓，当应力增大时，永久变形的累积曲线会按照一定的斜率不断增长，但是在一定的作用次数后趋于平缓，永久变形的累积几乎不再发生。所以在柔性路面的设计和施工时应采取措施降低级配碎石粒料层内的应力可以减少或避免其永久变形量。
2.2级配对级配碎石材料永久变形的影响
级配碎石粒料层的级配类型对其永久变形特性的影响也相当重要，在同应力水平情况下进行永久变形试验，不同级配下粒料试件永久变形与作用次数的曲线如图6~图8所示。图6～图8是不同级配的碎石混合料永久变形随荷载作用次数累积曲线的比较。从这些图中可以看出：连续型级配试件在0.5MPa、0.7MPa，1.0MPa应力水平下的永久变形均大于骨架密实型级配试件，应力水平低时（0.5MPa）可以认为两种级配均处于弹性阶段，级配中细集料含量影响永久变形不明显，当应力水平增加，材料由弹性阶段往弹塑性阶段发展，所产生的变形不可恢复，连续型级配与骨架密实型级配的永久变形差距越明显，级配碎石材料的永久变形在其细集料含量较多时对应力水平比较敏感。
3结论
根据本文对级配碎石材料永久变形试验的探索，主要得到如下结论：（1）针对现有试验规程当中的试筒尺寸较小，试件加载过程中钢质圆筒会给试验材料施加较大的围压，而这种情况与路面实际受力状况不符的现象，为了更准确的体现路面实际受力状态，本项目利用MTS810材料试验机，对超大级配碎石试件进行永久变形试验研究，由于路表应力在传递过程中存在应力扩散角，且材料的内摩擦角存在较大联系，前人的研究表明，级配碎石材料的内摩擦角在30~50度之间，本次试验综合考虑这些因素，首次应用了大型试件，试件尺寸达到试筒内径260mm，壁厚20mm，高180mm。（2）对试件进行了3000次的间歇波重复加载试验，通过计算机采集数据，通过对试验数据进行整理，建立塑性变形与应力，含水量及荷载作用次数之间的关系。得到的级配碎石永久变形曲线与前人所作的动三轴试验中取得的级配碎石材料永久变形曲线的变化趋势基本一致。（3）对级配碎石材料永久变形研究表明，级配碎石粒料轴向永久变形随着荷载作用次数的增加而逐渐增大，变化速率随荷载次数增加而渐渐减小；大部分的永久变形在前2000次的加载中，基本完成。（4）不同级配下级配碎石永久变形结果差异性较大，应力施加越大差异性越显著。因此控制好级配对级配碎石永久变形极为关键。
作者：郝丕琳 单位：辽宁省交通厅公路管理局
