專利名稱：路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于道路工程領(lǐng)域，是一種路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝力學(xué)特性設(shè)備，涉及路面結(jié)構(gòu)粘結(jié)界面和橋面鋪裝 粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試，適用于鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究、室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)。
背景技術(shù)：
粘結(jié)界面是路面結(jié)構(gòu)以及橋面鋪裝的重要組成部分，如在橋面鋪裝中，它將鋪裝層與橋面板粘結(jié)成一 個(gè)整體，充分發(fā)揮鋪裝層與橋面板的復(fù)合作用，改善橋面板與鋪裝層之間的受力狀況，增強(qiáng)鋪裝層的疲勞 抵抗性能。其主要作用是使橋面板和鋪裝下層成為一體，協(xié)調(diào)橋面板與鋪裝層變形，使兩者共同承擔(dān)車輪 荷載的作用，它是整個(gè)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形成有機(jī)整體的關(guān)鍵，其性能的好壞對(duì)橋面鋪裝的耐久性有著直接影 響。當(dāng)所設(shè)粘結(jié)界面的粘結(jié)力不足，抗水平剪切能力較弱時(shí)，路面結(jié)構(gòu)或橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的整體性被破壞， 在水平方向上易產(chǎn)生相對(duì)位移而發(fā)生剪切破壞，并產(chǎn)生推移、擁包、脫層等病害，車輪荷載的劇烈沖擊作 用還易使路面或橋面出現(xiàn)松散、剝落等病害，尤其在重載超載情況下，層間所受剪應(yīng)力更大，破壞更為嚴(yán) 重。因此為了檢驗(yàn)粘結(jié)界面的粘結(jié)狀態(tài)，指導(dǎo)路面或鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝，必須對(duì)其抗剪特性進(jìn)行有 效的測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于路面結(jié)構(gòu)或橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)定還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，更沒(méi)有統(tǒng) 一的測(cè)試設(shè)備，大多參照土工試驗(yàn)原理，如直接剪切試驗(yàn)，無(wú)法模擬實(shí)際工程工作狀況，對(duì)于路面或橋面 鋪裝的適用性有待提高。本發(fā)明的粘結(jié)界面抗剪特性測(cè)試裝置，基于力學(xué)分析和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，原理簡(jiǎn)單，操作方便，能夠有效模 擬路面及橋面鋪裝在行車荷載作用下的實(shí)際受力狀況；通過(guò)單軸加載設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)粘結(jié)界面所受的豎向力 和水平力的綜合作用；并且能夠?qū)崿F(xiàn)剪切角度的連續(xù)調(diào)整，滿足不同路面結(jié)構(gòu)或橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在各種車輛 荷載作用下的不同受力工況的需要，使用范圍廣泛；加載方向通過(guò)裝置中心，克服了直接剪切試驗(yàn)中由于 荷載作用不對(duì)稱而產(chǎn)生的彎矩影響，提高了裝置的操作穩(wěn)定性；試件尺寸可以調(diào)節(jié)，不僅適用于路面結(jié)構(gòu) 及橋面鋪裝，也可以用于工程結(jié)構(gòu)，如鋼混結(jié)構(gòu)等涉及粘結(jié)界面的工程設(shè)計(jì)研究、室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程檢 測(cè)，為實(shí)際工程質(zhì)量控制提供保障，具有良好的發(fā)展前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，為達(dá)此目的，本發(fā)明包 括上、下兩部分，每一部分包括承載板、滾軸、弧形基座、半圓形夾具、內(nèi)部夾頭、夾具固定裝置，見圖 1。整個(gè)裝置還包括角度刻度盤和角度指針等附屬部件，用于指示剪切角度的大小。內(nèi)部夾頭用于放置方 形試件，內(nèi)部夾頭與半圓形夾具連結(jié)在一起。半圓形夾具與內(nèi)部夾頭也可以合為一體，如圖2所示。半圓 形夾具的圓弧半徑與弧形基座相同，兩者緊密結(jié)合，可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)試件粘結(jié)界面剪切角度的連 續(xù)變化。在設(shè)定某一角度后，通過(guò)夾具固定裝置將半圓形夾具與弧形基座固定；基座的另一側(cè)水平面通過(guò) 滾軸與承載板滾動(dòng)接觸，可通過(guò)單軸加載設(shè)備的加載頭對(duì)承載板進(jìn)行加載，從而使承載板受荷載作用產(chǎn)生 豎向位移的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)弧形基座與承載板之間的水平移動(dòng)。其主要特點(diǎn)如下1、路面和橋面在車輛行駛荷載作用下，由于路面摩擦系數(shù)的存在，實(shí)際承受豎向力和水平力的綜合 作用，見圖3所示，本裝置通過(guò)剪切角的設(shè)置，能夠體現(xiàn)豎向力與水平力的綜合作用，有效模擬了工程實(shí) 際，使工程設(shè)計(jì)或檢測(cè)更為合理、精確。根據(jù)圖3，由于路面或橋面鋪裝受到車輪的豎向壓力和水平摩擦力，其結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)界面必然受 到豎向作用力c和水平剪切力T，采用tanoer/o^示水平剪切力與豎向作用力的比值，ct即為剪切角。由于路 面或橋面鋪裝的層間粘結(jié)界面的受力狀態(tài)(包括剪切角)與結(jié)構(gòu)層材料類型、厚度等幾何參數(shù)、荷載類型、 以及加載位置密切相關(guān)，因此針對(duì)每一種工況(確定的結(jié)構(gòu)層材料類型、厚度等幾何參數(shù)、荷載類型、以 及加載位置)，須采用不同的剪切角進(jìn)行試驗(yàn)，才能有效模擬現(xiàn)場(chǎng)工程結(jié)構(gòu)的受力情況。可以根據(jù)設(shè)計(jì)資料應(yīng)用路面力學(xué)理論計(jì)算或橋面系結(jié)構(gòu)理論計(jì)算獲得剪切角度，也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)模擬數(shù)值分析獲得剪切角度，還可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)摩擦力測(cè)試、應(yīng)變測(cè)試等方式分析得到剪切角度，以下以有限元模擬計(jì)算方法為例說(shuō)明獲得剪切角度的過(guò)程在調(diào)査我國(guó)高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)并參考瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，擬定典型路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，如表所示。表l典型路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)結(jié)構(gòu)層厚度(era)回彈模量(2CTC， MPa)泊松 比上面層414000.25中面層612000.25下面層10000.25水穩(wěn)基層4014000.2二灰土底基層208000.25土基350.35根據(jù)典型路面結(jié)構(gòu)建立有限元模型，按照我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用的標(biāo)準(zhǔn)荷載模式BZZ-100，計(jì)算 路面粘結(jié)界面的最大剪應(yīng)力位置所處的受力狀況，可以得到相應(yīng)剪切角度。參考我國(guó)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》， 水平荷載系數(shù)瑕路面交叉口、停車處的緩慢制動(dòng)力，和突然緊急制動(dòng)力條件，分別取0.2、 0.5。計(jì)算可知， 上面層、中面層層間粘結(jié)界面即4cm厚度處的剪應(yīng)力值最大，如表2所示。表2剪切角度計(jì)算結(jié)果荷載系數(shù)& (MPa)ryz (MPa)tan aa (。)0.2-0.5940.3070.516827.350.5-0.6640.3950.594930.76注"-"表示受壓。2、 通過(guò)半圓形夾具與弧形基座之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)剪切角度在0-80°之間的連續(xù)變化，如圖4 所示，不僅涵蓋了路面以及橋面鋪裝在行車荷載作用下的各種受力狀況，還可應(yīng)用于包括開啟橋，縱坡較 大的拱橋等特殊情況。 一套裝置可以適用于各種實(shí)際工程，大大拓寬了適用范圍。3、 裝置內(nèi)部夾頭的尺寸H、 L可以更換調(diào)整，見圖l，以適用于不同尺寸的試件(長(zhǎng)寬高均可以變化)， 不僅適用于路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝，也可以用于工程結(jié)構(gòu)，如鋼混結(jié)構(gòu)等涉及粘結(jié)界面的工程設(shè)計(jì)與研究、 室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程檢測(cè)。4、 本裝置的加載方向通過(guò)試件中心，與直接剪切試驗(yàn)相比，克服了由于荷載作用不對(duì)稱而產(chǎn)生的彎 矩影響(如圖5)，提高了裝置的操作穩(wěn)定性，如圖6所示。5、 通過(guò)變換不同的剪切角度，可以確定一組c7和r值，從而得到剪切強(qiáng)度線，進(jìn)而求得粘結(jié)界面(或 混合料)的內(nèi)摩擦角p和粘聚力c等重要參數(shù)，為力學(xué)模擬分析提供有效參數(shù)取值。


圖1為路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置組成結(jié)構(gòu)示意中，l一上承載板，2—滾軸，3—上弧形基座，4一半圓形夾具(上部)，5—內(nèi)部夾頭(上部)，6— 內(nèi)部夾頭(下部)，7—半圓形夾具(下部)，8—下承載板，9—下弧形基座，10—試件粘結(jié)界面，11 —試件，12—角度刻度盤，13—夾具固定裝置，14一角度指針。圖2為半圓形夾具與內(nèi)部夾頭合為一體的測(cè)試裝置示意3為實(shí)際路面和橋面在車輛行駛荷載作用下的受力示意圖，其中a)為實(shí)際路面在車輛行駛荷載作用下的受力示意圖，b)為橋面在車輛行駛荷載作用下的受力示意圖 圖4為最小剪切角和最大剪切角時(shí)的剪切角工況示意圖，其中a)最小剪切角0。時(shí)的剪切角工況示意圖，b)為最大剪切角80。時(shí)的剪切角工況示意圖 圖5為直接剪切試驗(yàn)受力分析示意圖(圖中15為試件，16為剪力盒) 圖6為本發(fā)明裝置的受力分析示意圖具體實(shí)施方式
采用該測(cè)試裝置的工作步驟A. 試件制作可以采用碾壓成型方式制作測(cè)試鋪裝剪切特性的試件，先在試模內(nèi)鋪設(shè)鋪裝下層，再灑布粘結(jié)材料， 然后鋪設(shè)上層，冷卻后鋸切為試塊方型復(fù)合試件ll，中間為粘結(jié)界面IO。B. 試驗(yàn)準(zhǔn)備將制作好的試件安放在內(nèi)部夾頭5和6的凹槽中，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試裝置的半圓形夾具4和7，使指針14指向 刻度盤12上的指定位置，然后通過(guò)夾具固定裝置13將半圓形夾具(上部)4與上弧形基座3固定，同時(shí) 將半圓形夾具(下部)7與下弧形基座9固定，保證試驗(yàn)過(guò)程中裝置的穩(wěn)定。調(diào)整裝置的位置，使試件中 心與加載中心位于同一豎直線上。調(diào)試加載設(shè)備，設(shè)定加載速率等試驗(yàn)參數(shù)。C. 試驗(yàn)待試驗(yàn)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，通過(guò)加載設(shè)備的控制系統(tǒng)，啟動(dòng)試驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。D. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理當(dāng)試件破壞或試驗(yàn)出現(xiàn)峰值后，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止試驗(yàn)，存取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理可以獲得 抗剪強(qiáng)度參數(shù)等結(jié)果。數(shù)據(jù)保存與處理后，卸除試件，準(zhǔn)備下一次試驗(yàn)。 采用該測(cè)試裝置的主要原理本發(fā)明測(cè)試裝置適用于涉及粘結(jié)界面的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究、室內(nèi)試驗(yàn)以及實(shí)際工 程檢測(cè)等領(lǐng)域1. 應(yīng)用于路面與橋面鋪裝設(shè)計(jì)對(duì)于已經(jīng)確定的路面或橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以通過(guò)本發(fā)明的測(cè)試裝置，按不利荷載條件下的剪切角進(jìn)行試驗(yàn)，確定粘結(jié)層材料是否滿足要求。2. 應(yīng)用于路面與橋面鋪裝室內(nèi)(實(shí)驗(yàn)室)試驗(yàn)可以選定一種粘結(jié)層材料，應(yīng)用本發(fā)明的測(cè)試裝置， 變化剪切角度進(jìn)行多組試驗(yàn)，獲得該粘結(jié)層材料在不同工況下的剪切強(qiáng)度指標(biāo)值；實(shí)際上，不同種類的粘結(jié)層材料有各自的適用范圍，針對(duì)不同應(yīng)用的工程，可以根據(jù)荷載情況確定典型的剪切角，然后應(yīng)用本發(fā) 明的測(cè)試裝置進(jìn)行試驗(yàn)，比選最合適的粘結(jié)層材料。3. 應(yīng)用于路面與橋面鋪裝現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)根據(jù)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和使用條件確定代表性的剪切角，可以在丄程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)取樣，應(yīng)用本發(fā)明的測(cè)試裝置進(jìn)行試驗(yàn)獲得剪切強(qiáng)度，對(duì)比在相同剪切角條件下實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲 得的指標(biāo)值，來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。4. 此外，該裝置還可以在0 80。范圍任意變化剪切角度，對(duì)任一種粘結(jié)層材料進(jìn)行測(cè)試，以確定不同 角度范圍的c， p參數(shù)，作為評(píng)價(jià)在任意工況下路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的指標(biāo)值。試件的剪i刀面與荷載方向成一定角時(shí)，平行于剪切面切向分力作用所產(chǎn)生的最大抗剪應(yīng)力，稱為抗剪 強(qiáng)度。對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到粘結(jié)界面的抗剪強(qiáng)度。通過(guò)簡(jiǎn)單的單軸加載設(shè)備，以恒定的 加載速率對(duì)裝置進(jìn)行加載，直至試件破壞或出現(xiàn)荷載峰值，該極限荷載為A則試件粘結(jié)界面的正應(yīng)力和 抗剪強(qiáng)度為Pcosa爿式中(7—i式件剪切面上的正應(yīng)力，MPa; T^試件剪切面上的剪應(yīng)力，MPa; 作用荷載，N; ^—試件受剪面積，mm2; a—剪切面與水平面的夾角，即剪切角。用不同的a角剪切試件，則每一個(gè)角度可以確定一對(duì)。T值，把這些值畫在直角坐標(biāo)r-CT的曲線圖上，連 接求得的各點(diǎn)(至少3點(diǎn))就可得到剪切強(qiáng)度線，其斜率即為內(nèi)摩擦角伊的正切tanp，截距即為粘聚力c。
權(quán)利要求
1、一種路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于包括上、下兩部分，每一部分包括承載板、滾軸、弧形基座、半圓形夾具、內(nèi)部夾頭、夾具固定裝置。整個(gè)裝置還包括角度刻度盤和角度指針等附屬部件。內(nèi)部夾頭用于放置方形試件，內(nèi)部夾頭與半圓形夾具連結(jié)在一起，半圓形夾具的圓弧半徑與弧形基座的相同，兩者緊密結(jié)合，可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)夾具固定裝置可以將半圓形夾具與弧形基座固定?；⌒位牧硪粋?cè)水平面通過(guò)滾軸與承載板滾動(dòng)接觸，從而使承載板受載荷作用產(chǎn)生豎向位移的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)弧形基座與承載板之間的水平移動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于通過(guò)半圓形 夾具與弧形基座之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并可以實(shí)現(xiàn)剪切角度在0-80°之間的連續(xù)變化，涵蓋了路面以及橋面鋪 裝在行車荷載作用下粘結(jié)界面的各種受力狀況。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于通過(guò)簡(jiǎn)單的 單軸加載設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)試件豎向力與水平力的綜合作用，反映工程實(shí)際的受力狀況。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于試件尺寸可 以調(diào)節(jié)，不僅適用于路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝，也可以用于工程結(jié)構(gòu)，如鋼混結(jié)構(gòu)等涉及粘結(jié)界面的工程設(shè)計(jì)、 室內(nèi)試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于單軸加載并 且通過(guò)裝置的幾何構(gòu)造設(shè)計(jì)使荷載作用線通過(guò)整個(gè)測(cè)試裝置的中心，克服了由于荷載作用不對(duì)稱而產(chǎn)生的 彎矩影響，提高了裝置的試驗(yàn)精度和操作穩(wěn)定性。
6、 根據(jù)權(quán)利要求I所述的路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其特征在于通過(guò)變換不 同的剪切角度，可以確定一組正應(yīng)力ff和剪應(yīng)力r值，從而得到剪切強(qiáng)度線，進(jìn)而求得粘結(jié)界面(或混合 料)的內(nèi)摩擦角^和粘聚力c等重要參數(shù)，為力學(xué)模擬分析提供有效參數(shù)取值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種路面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝粘結(jié)界面抗剪特性的測(cè)試裝置，其基于力學(xué)原理和室內(nèi)試驗(yàn)，有效模擬路面和橋面實(shí)際受力狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)剪切角度在0-80°之間的連續(xù)變化，滿足不同工況的需要，適用于鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究、室內(nèi)試驗(yàn)以及工程檢測(cè)。本裝置包括上、下兩個(gè)部分，每一部分包括承載板、滾軸、弧形基座、半圓形夾具、內(nèi)部夾頭、夾具固定裝置。整個(gè)裝置還包括角度刻度盤和角度指針等附屬部件，用于指示剪切角度的大小。內(nèi)部夾頭內(nèi)放置方形試件，半圓形夾具與基座可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)定剪切角度后，通過(guò)夾具固定裝置將夾具與基座固定?；牧硪粋?cè)水平表面通過(guò)滾軸與承載板滾動(dòng)接觸，從而使裝置受載產(chǎn)生豎向位移的同時(shí)可以水平移動(dòng)。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101620054SQ20091003190
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者磊 張, 朱浩然, 軍 楊, 王建偉, 王文煒, 錢振東, 陳先華 申請(qǐng)人:磊 張