水泥混凝土路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法及水平剪切試驗儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于公路和城市道路水泥混凝土路面技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種層間當(dāng)量剪切度 的確定方法，尤其涉及一種可用于公路和城市道路水泥混凝土路面設(shè)計的水泥混凝土路面 基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法及水平剪切試驗儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析理論和設(shè)計方法中，面層和基層的應(yīng)力分析和計算是 一項十分重要的基礎(chǔ)性研宄工作。
[0003] 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析是建立在彈性地基板理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，該理論的建 立以以下3個假設(shè)為前提：1)混凝土板是等厚彈性體；2)忽略混凝土板豎向壓應(yīng)變和剪應(yīng) 變的影響；3)彈性地基與混凝土板之間水平向光滑無摩阻、豎向連續(xù)。就第三個假設(shè)而言， 路面使用初期，基面層大多是完全結(jié)合，隨著使用年限的延長，層間逐漸分離，但仍存在較 大的剪應(yīng)力，若層間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，豎向位移更談不上連續(xù)了。
[0004] 近年來，隨著三維數(shù)值模擬在道路工程中運用的增多，許多研宄已開始考慮層間 摩阻問題，關(guān)于水泥混凝土路面結(jié)層間接觸的模擬，常常在層間上下接觸面的節(jié)點對間設(shè) 置法向和切向彈簧，通過調(diào)節(jié)彈簧剛度來模擬結(jié)合程度，但彈簧剛度因子多為假設(shè)，完全光 滑時為〇,完全結(jié)合時為1，部分結(jié)合時介于〇~1之間。
[0005] 為了實測層間剪切剛度，國內(nèi)外開發(fā)了直剪、斜剪、扭剪等試驗設(shè)備。但實踐證明， 目前的試驗設(shè)備主要存在兩個問題：一是小尺寸試件的孤立試驗存在明顯的尺寸效應(yīng)問 題，不能反應(yīng)寬幅帶狀結(jié)構(gòu)的層間作用；二是不能考慮法向壓應(yīng)力的影響，也不能反映剪切 面上因法向壓應(yīng)力不同造成的剪應(yīng)力差異。因此得到的層間剪切剛度無法反映實際路面的 受力狀態(tài)，用于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計將產(chǎn)生許多負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析層間剪切剛度取值 的盲目性，進(jìn)而提出一種為公路和城市道路用水泥混凝土路面的準(zhǔn)確設(shè)計提供參數(shù)的水泥 混凝土路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法及水平剪切試驗儀。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種水泥混凝土路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其特征在于：所述 水泥混凝土路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法包括以下步驟：
[0009] 1)基于Coulomb摩擦模型，利用可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀測定不同豎向 荷載作用下的水泥混凝土路面基-面層層間的平均剪切剛度；
[0010] 2)根據(jù)步驟1)所測定得到的不同豎向荷載作用下的水泥混凝土路面基-面層層 間的平均剪切剛度建立層間的平均剪切剛度的預(yù)估模型：
[0011] 所述層間的平均剪切剛度的預(yù)估模型的表達(dá)式為：
[0012] T=k: 〇 +k2
[0013] 其中：
[0014] T是回歸后的層間平均剪切剛度；
[0015] 〇是作用于層間剪切面上的豎向壓應(yīng)力；
[0016] ki、k2是回歸系數(shù)；
[0017] 3)通過數(shù)值模擬確定特定豎向荷載作用下可反映層間界面上豎向壓應(yīng)力差異的 層間實際剪切面的大?。?br>[0018] 4)以步驟1)測定的相同豎向荷載作用下的水泥混凝土路面基-面層層間的平均 剪切剛度為基礎(chǔ)的層間平均剪切剛度L，計算步驟3)所確定得到的特定豎向荷載作用下可 反映層間豎向壓應(yīng)力差異的層間實際剪切面上的平均豎向壓應(yīng)力；
[0019] 5)將步驟4)計算得到的特定豎向荷載作用下可反映層間豎向壓應(yīng)力差異的層間 實際剪切面上的平均豎向壓應(yīng)力賦值在步驟2)已經(jīng)建立的預(yù)估模型中，計算第一次迭代 后的層間平均剪切剛度T 1;
[0020] 6)重復(fù)步驟4)以及步驟5)直至經(jīng)過第n次迭代后的層間平均剪切剛度Tn與經(jīng) 過第n+1次迭代后的層間平均剪切剛度T n+1近似相等，認(rèn)定經(jīng)過第n次迭代后的層間平均 剪切剛度Tn為該工況下的層間當(dāng)量剪切剛度。
[0021] 作為優(yōu)選，本發(fā)明所采用的步驟1)中豎向荷載作用下的水泥混凝土路面基-面層 層間的平均剪切剛度的計算式為：
【主權(quán)項】
1. 一種水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其特征在于；所述水 泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法包括W下步驟： 1) 基于Coulomb摩擦模型，利用可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀測定不同豎向荷載 作用下的水泥混凝±路面基-面層層間的平均剪切剛度； 2) 根據(jù)步驟1)所測定得到的不同豎向荷載作用下的水泥混凝±路面基-面層層間的 平均剪切剛度建立層間的平均剪切剛度的預(yù)估模型： 所述層間的平均剪切剛度的預(yù)估模型的表達(dá)式為： T=ki0 +k；2 其中： T是回歸后的層間平均剪切剛度； 曰是作用于層間剪切面上的豎向壓應(yīng)力；ki、k：2是回歸系數(shù)； 3) 通過數(shù)值模擬確定特定豎向荷載作用下可反映層間界面上豎向壓應(yīng)力差異的層間 實際剪切面的大??； 4. W步驟1)測定的相同豎向荷載作用下的水泥混凝±路面基-面層層間的平均剪切 剛度為基礎(chǔ)的層間平均剪切剛度T。，計算步驟3)所確定得到的特定豎向荷載作用下可反映 層間豎向壓應(yīng)力差異的層間實際剪切面上的平均豎向壓應(yīng)力； 5) 將步驟4)計算得到的特定豎向荷載作用下可反映層間豎向壓應(yīng)力差異的層間實際 剪切面上的平均豎向壓應(yīng)力賦值在步驟2)已經(jīng)建立的預(yù)估模型中，計算第一次迭代后的 層間平均剪切剛度Ti; 6) 重復(fù)步驟4)W及步驟5)直至經(jīng)過第n次迭代后的層間平均剪切剛度T。與經(jīng)過第 n+1次迭代后的層間平均剪切剛度Tw近似相等，認(rèn)定經(jīng)過第n次迭代后的層間平均剪切剛 度T。為該工況下的層間當(dāng)量剪切剛度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其 特征在于：所述步驟1)中豎向荷載作用下的水泥混凝±路面基-面層層間的平均剪切剛度 的計算式為：
其中： Tm是滑動摩擦階段豎向荷載作用下的水泥混凝±路面基-面層層間的平均剪切剛度； Tm是滑動摩擦階段水泥混凝±路面基-面層層間剪切曲線上的最大剪應(yīng)力； Cm是滑動摩擦階段水泥混凝±路面基-面層層間剪切曲線上的最大剪應(yīng)力對應(yīng)的位 移。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其 特征在于：所述步驟2)中層間的平均剪切剛度的預(yù)估模型是通過對不同豎向荷載作用下 的平均剪切剛度進(jìn)行回歸得到的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其 特征在于：所述步驟3)中數(shù)值模擬的具體實現(xiàn)方式是： 3. 1)建立豎向荷載作用于水泥混凝±板中屯、的結(jié)構(gòu)模型，W基礎(chǔ)的層間平均剪切剛度 T。為基礎(chǔ)，計算豎向荷載作用于水泥混凝±板中屯、的層間剪切面上的豎向壓應(yīng)力分布； 3. 2)計算實際剪切面的大小，所述實際剪切面的大小為層間界面的對角線上豎向壓應(yīng) 力為0.3 5。"的四個角點圍成的矩形區(qū)域的面積；其中5m。,是豎向荷載作用下層間剪切面 上的最大豎向壓應(yīng)力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法，其 特征在于：所述步驟4)中平均豎向壓應(yīng)力的計算方式是： 4. 1)W豎向荷載的中屯、為中屯、，將步驟3)中W0. 3 5。。,為角點的矩形區(qū)域沿水泥混凝 ±路面的縱向W及橫向劃分網(wǎng)格；所述網(wǎng)格的縱橫向網(wǎng)格的邊長是水泥混凝±路面板縱橫 向長度的1/20 ; 4.2)在步驟3. 1)計算得到的層間剪切面上的豎向壓應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，獲得每一個 網(wǎng)格的4角點的豎向壓應(yīng)力； 4. 3)將步驟4. 2)計算得到的每一個網(wǎng)格的4角點的豎向壓應(yīng)力平均得到該網(wǎng)格的平 均豎向壓應(yīng)力； 4. 4)再W網(wǎng)格的平均豎向壓應(yīng)力為基礎(chǔ)，平均相鄰4個或2個網(wǎng)格的豎向壓應(yīng)力得到 4個或2個網(wǎng)格的平均豎向壓應(yīng)力； 4. 5)重復(fù)步驟4. 4)逐次得到更大網(wǎng)格的平均豎向壓應(yīng)力，最終得到W0. 3 5m。,為角點 的矩形區(qū)域的平均豎向壓應(yīng)力。
6. -種用于實現(xiàn)權(quán)利要求5所述的水泥混凝±路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確 定方法的可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀，其特征在于：所述可模擬豎向荷載的水平剪 切試驗儀包括固定裝置、加載裝置、量測裝置W及伺服裝置；水泥混凝±路面基層設(shè)置在固 定裝置中，水泥混凝±路面面層設(shè)置在水泥混凝±路面基層上表面；所述加載裝置W及量 測裝置分別設(shè)置在水泥混凝±路面面層上；所述伺服裝置分別與加載裝置W及量測裝置相 連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀，其特征在于：所述加載 裝置包括水平作動器W及豎向作動器；所述豎向作動器設(shè)置在水泥混凝±路面面層的上表 面并向水泥混凝±路面面層豎向施加豎向荷載；所述水平作動器設(shè)置在水泥混凝±路面面 層的側(cè)壁上并驅(qū)動水泥混凝±路面面層進(jìn)行水平位移；所述伺服裝置分別與水平作動器W 及豎向作動器相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀，其特征在于：所述量測 裝置包括力測量儀W及位移傳感器；所述力測量儀設(shè)置在水泥混凝±路面面層的上表面； 所述位移傳感器設(shè)置在水泥混凝±路面面層的側(cè)壁上；所述伺服裝置分別與力測量儀W及 位移傳感器相連。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀，其特征在于：所述固定 裝置包括反力架W及千斤頂；所述千斤頂?shù)囊欢酥箍吭诜戳軆?nèi)壁上，另一端止靠在水泥 混凝±路面基層的側(cè)壁上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀，其特征在于：所述伺服 裝置是雙通道MTS伺服器。
【專利摘要】一種水泥混凝土路面基-面層層間當(dāng)量剪切剛度的確定方法及水平剪切試驗儀，其中，該可模擬豎向荷載的水平剪切試驗儀包括固定裝置、加載裝置、量測裝置以及伺服裝置；水泥混凝土路面基層設(shè)置在固定裝置中，水泥混凝土路面面層設(shè)置在水泥混凝土路面基層上表面；加載裝置以及量測裝置分別設(shè)置在水泥混凝土路面面層上；伺服裝置分別與加載裝置以及量測裝置相連。本發(fā)明能反映剪切面上豎向壓應(yīng)力的差異、又可體現(xiàn)層間實際剪切面的大小，為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確計算參數(shù)。
【IPC分類】G01N19-04
【公開號】CN104849210
【申請?zhí)枴緾N201510251432
【發(fā)明人】張艷聰, 劉少文, 張翛, 高玲玲
【申請人】山西省交通科學(xué)研究院, 山西交科公路勘察設(shè)計院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日