适用于干旱地区固化土基层疲劳开裂的试验分析及表征方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于干旱地区固化土基层疲劳开裂的试验分析及表征方法。考虑到基层材料疲劳开裂的主要原因是材料内部的局部塑性变形引起的，设计了一套控制应变式的多级应变水平加载的直接拉伸循环荷载试验方法。同时为了有效表征干旱地区固化土材料的疲劳开裂损伤程度，基于能量

【技术实现步骤摘要】
适用于干旱地区固化土基层疲劳开裂的试验分析及表征方法


[0001]本专利技术涉及道路材料性能测试及评价方法，尤其涉及一种干旱地区固化土基层材料疲劳开裂性能试验的测试分析及表征方法，属于道路工程领域。

技术介绍

[0002]土壤固化技术最早由欧美等国家提出，在二十世纪九十年代开始引入我国，近些年随着土壤固化技术研究的深入，越来越多的新型固化剂被研究开发并应用，这使得固化土性能得到大大提升。与此同时，随着我国城市化进程的加速，越来越多的建筑弃土及钻孔淤泥等废弃土体被到处堆积，难以及时消化处理，对城市环境和安全造成了一定影响，因此在国家大力支持资源再生利用，实现可循环经济的政策下，越来越多的固化土材料被用于低等级公路及城市道路的基层或底基层的建设中。但对于固化土材料来说，当应用于基层或底基层时，在交通荷载作用下，往往会承受较大的拉应力，尤其是在干旱及半干旱地区，干燥条件下的固化土往往更容易表现为脆性材料特性，发生疲劳开裂，这会使得道路整体性能下降，服役寿命受到严重影响。因此有必要重点关注干燥条件下固化土材料的拉伸疲劳开裂性能，并提出相关的试验分析及表征方法。
[0003]如何设计固化土材料的拉伸疲劳开裂性能试验，并提出能真实反映固化土基层的拉伸疲劳开裂性能的表征方法，对于指导原材料和路面结构耐久性设计具有重要意义。当前，我国固化土材料疲劳开裂性能多采用三分点施加Havesine波的动态周期性的压应力荷载模式进行试验，试验主要是采用制作标准的梁式试件，通过模拟材料在弯拉受力时的疲劳状态来间接评价材料的直接拉伸疲劳开裂性能，最后通过回归分析得到相关的疲劳寿命预测方程。这种试验方法不仅工作量大，且耗时耗材。最重要的是这种试验分析方法仍属于间接拉伸疲劳试验的范畴，而对于材料在直接拉伸状态下的疲劳开裂性能的真实状态还不能直接的反应，且预测方程多基于统计学分析，受试验操作影响较大，缺乏一定的理论支撑，难以从疲劳开裂机理层面来表征固化土基层材料的疲劳开裂的损伤演化。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种能有效分析和评价干旱地区固化土材料在直接拉伸状态下的疲劳开裂性能的试验方法，并基于能量
‑
力学理论提出一套能反应干燥固化土材料疲劳开裂机理的分析及表征方法。解决了以往试验方法的工作量大，耗时耗材，以及模型方程多基于回归分析而不能有效从理论及机理层面反应固化土材料疲劳损伤等问题。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种适用于干旱地区固化土基层疲劳开裂的试验分析及表征方法，具体包括如下步骤：
[0007]将土体制成固化土试件并进行直接拉伸循环试验，获取直接拉伸循环试验的参数，包括不同应变加载周期下的应力幅值σ0、应力中标准半正弦波向下偏移的绝对值σ
c
，应变幅值ε0，相位角
[0008]基于获取的直接拉伸循环试验的参数求解获得对应的损伤密度，并用损伤密度来表征干旱地区固化土基层疲劳开裂损伤程度，进而通过不同加载周期损伤密度的演化趋势来分析干旱地区固化土基层疲劳开裂性能；
[0009]其中，所述损伤密度表示材料的损伤开裂程度，定义为：
[0010][0011]式中，A是固化土试件横截面的总面积，A
t
是在试样横截面上的固化土土体颗粒的面积，S
c
是固化土试件横截面的孔隙及裂纹面积，是真实应力幅值，在无损状态下，此时S
c
等于材料的初始孔隙率；在有损状态下，式中V是固化土试件的外观体积；V
t
是固化土试件内部土颗粒骨架结构所占的体积，DSE
A
是表观耗散应变能，能，是真实相位角，通过反算求解获得；|E
*
|是材料真实的复数模量，对于同一级应变水平加载条件下，不同加载周期的材料真实的复数模量相同，因此，对于有损状态下，采用材料在损伤试验开始时即N＝0时对应的真实应力幅值计算获得：
[0012]S
c
是固化土试件横截面的孔隙及裂纹面积，N＝0时S
c
是材料的初始孔隙率；σ
00
是N＝0时的应力幅值。
[0013]进一步地，所述直接拉伸循环试验中，采用多级应变水平对同一试件进行RDT测试，每两次连续应变水平测试的时间间隔为20分钟，应变水平由低向高逐渐增大，并确保初始加载应变水平处于材料无损状态。
[0014]进一步地，所述直接拉伸循环试验中，采用应变控制模式，应变加载采用正弦波模式，加载频率为1Hz。
[0015]进一步地，在第一次控制应变RDT测试中，最大轴向应变一般控制在50με或50με以下，此后每级应变水平依次增加10με，直至达到损失状态。
[0016]进一步地，通过概率统计分析来判定材料的复数模量|E
*
|是否随加载周期及应变水平变化而变化，根据|E
*
|变化情况来确定材料所处的损伤阶段：若随着荷载循环次数的增加，材料的复数模量|E
*
|不会改变，则对应的应变水平下，材料处于无损状态；若随着荷载循环次数的增加，材料的复数模量|E
*
|会改变，则对应的应变水平下，材料处于有损状态。
[0017]一般情况下，可以根据求解获得每个加载周期下的复数模量。
[0018]进一步地，有损状态下，材料真实的复数模量|E
*
|的求解过程具体如下：
[0019]基于获取的有损状态下得到的直接拉伸循环试验的参数，包括不同加载周期下的应力幅值σ0、应力中标准半正弦波向下偏移的绝对值σ
c
及相位角分别采用幂函数进行拟合获得有损状态下的应力幅值σ0拟合曲线、表应力中标准半正弦波向下偏移的绝对值σ
c
拟合曲线，及相位角拟合曲线；
[0020]基于获取的拟合曲线，获得有损状态下N＝0时的应力幅值σ
00
、应力中标准半正弦波向下偏移的绝对值σ
c0
及相位角
[0021]计算N＝0时的真实应力幅值表观耗散应变能和表观可恢复应变能相位角
[0022][0023][0024][0025][0026]最后计算N＝0时的材料真实的复数模量，表征有损状态下不同加载周期的材料真实的复数模量：
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术提出一种能有效分析和评价干燥固化土材料在拉伸疲劳荷载作用下的性能试验分析方法，通过设计一组控制应变的直接拉伸循环试验(RDT)对同一试件上进行多级应变水平的加载测试来分析干燥固化土抗疲劳开裂性能，与以往的疲劳试验相比，能较好模拟固化土基层内部的塑性区域材料疲劳拉伸破坏过程，从而使试验结果能够更好更直接的反应材料的路用性能。
[0029]本专利技术基于试验结果提出一套基于能量
‑
力学法的干燥固化土材料力学及性能参数求解方法，并利用损伤密度来表征固化土材料的损伤程度。这与以往基于统计学意义上的分析模型不同，能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于干旱地区固化土基层疲劳开裂的试验分析及表征方法，其特征在于，具体包括如下步骤：将土体制成固化土试件并进行直接拉伸循环试验，获取直接拉伸循环试验的参数，包括不同应变加载周期下的应力幅值σ0、应力中标准半正弦波向下偏移的绝对值σ
c
，应变幅值ε0及相位角基于获取的直接拉伸循环试验的参数求解获得对应的损伤密度，并用损伤密度来表征干旱地区固化土基层疲劳开裂损伤程度，进而通过不同加载周期损伤密度的演化趋势来分析干旱地区固化土基层疲劳开裂性能；其中，所述损伤密度表示材料的损伤开裂程度，定义为：式中，A是固化土试件横截面的总面积，A
t
是在试样横截面上的固化土土体颗粒的面积，S
c
是固化土试件横截面的孔隙及裂纹面积，是真实应力幅值，在无损状态下，此时S
c
等于材料的初始孔隙率；在有损状态下，式中V是固化土试件的外观体积；V
t
是固化土试件内部土颗粒骨架结构所占的体积，DSE
A
是表观耗散应变能，能，是真实相位角，通过反算求解获得；|E
*T
|是材料真实的复数模量，对于同一级应变水平加载条件下，不同加载周期的材料真实的复数模量相同，因此，对于有损状态下，采用材料在损伤试验开始时即N＝0时对应的真实应力幅值计算获得：S
c
是固化土试件横截面的孔隙及裂纹面积，N＝0时S
c
是材料的初始孔隙率；σ
00
是N＝0时的应力幅值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接拉伸循环试验中，采用多级应变水平对同一试件进行RDT测试，每两次连续应变水平测试的时间间隔为20分钟，应变水平由低向高逐渐增大，并确保初始加载应变水平处于材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗雪，江训利，汪林兵，黄志义，
申请(专利权)人：弗吉尼亚理工大学，
类型：发明
国别省市：