表征阿拉斯加颗粒状基层材料的永久变形
摘要：在反复的车辆载荷下，颗粒状基础材料的永久变形是路面设计中需要考虑的重要特征。在阿拉斯加地区，由于极端的气候条件，路面结构中的颗粒状基层材料通常会经历明显的永久变形，这通常反映为春季车辙表面上的车辙，开裂和最终坑洼问题。多年来，对基材的永久变形的研究工作非常有限，特别是对于寒冷地区的路面。为了研究寒冷地区颗粒状基层材料的永久变形，在两种极端进水条件下（即有限排水和自由进水），对具有不同细度和初始粒径的阿拉斯加颗粒状材料进行了一系列一维冷冻试验。使用一维冻胀池测量水分含量。在冷冻过程之后，然后进行重复载荷三轴试验以研究在冷冻和随后的非冷冻条件下的永久变形。测试结果表明，冷冻胀大和随后基层材料的永久变形在很大程度上取决于冻结过程中的进水条件。细粉和水含量，温度，温度梯度，应力状态及其耦合效应在基础材料的永久变形中也起着重要作用。此外，还使用机械-经验设计指南和 Sweere 模型进行了回归分析，以预测颗粒基层材料的永久变形，并考虑了融化和冷冻条件下细粉含量，含水量和温度条件的影响。与准则中的方程相比，Sweere 模型在未冻结条件下对材料永久变形提供了更好的预测。使用准则方程可能会导致对永久变形的预测不准确，尤其是对于含水量相对较高的颗粒状基层材料而言。
作者关键字：永久变形温度梯度；基础资料；冻胀；入水条件；冻融循环
1 介绍
基层是为了将车辆荷载分配到路基下而设计的，它对路面结构的性能起着重要的作用。粒状材料广泛应用于路面结构的基层。颗粒材料的力学强度主要来源于颗粒间的互锁和摩擦。颗粒材料在反复荷载作用下的变形通常由两部分组成：弹性（即弹性可恢复或弹性变形）和塑性（即单位变形）。众所周知，柔性路面设计理念的主要方面之一就是减少路面结构中的永久变形，因为累积永久变形会对路面的性能产生重大影响，并造成车辙、开裂、坑洞等病害。颗粒材料的永久变形通常是通过重复加载三轴试验来评估的，在试验中模拟了现场的载荷和环境条件。然而，基岩永久变形的准确描述和预测是极其复杂的。它不仅对路面材料进行了表征，而且对环境条件的影响进行了评估，并计算出路面的适当应力分布。在过去，人们花了大量的精力来描述路面材料的永久变形。这些研究大多集中在对路面材料的永久变形和影响其永久行为的因素如应力状态、荷载作用次数、含水率、应历史、密度和材料的建模日期、颗粒内容和聚合类型。在寒冷地区，路面的性能也会受到基层永久变形的显著影响，尽管方式不同。在阿拉斯加，由于经济效益的原因，基础课程的资料通常很少收集。有时，当地收集的材料是粉末状的，通常易结霜。由于易结霜的基层和容易接触到水，冰透镜可以在冬季容易在路面结构中形成（尼克松1991）。冰透镜的不断形成会引起路面结构的隆起膨胀，使沥青混合料层开裂。路面结构在冬季因不断形成冰透镜而产生的隆起，俗称冻胀（Konrad 1994;Darrow等人2008;Wang et al. 2018）。在春季，随着路面温度的升高，路面基层结构中的冰透镜融化，导致基层层饱和。由于地下土层仍处于冻结状态，在车辆荷载作用下，饱和基层孔隙水压力增大，排水条件差，有效应力降低。由于有效应力的降低，基层的承载能力将大大降低。因此，在车辆反复荷载作用下，永久变形会不断累积，最终导致结构失效。
此外，基层的水通过裂缝渗透沥青层到达路面表面后，会产生坑洞，严重影响道路的乘坐舒适性，损坏汽车的轮胎、车轮和悬架系统。严重的交通事故会直接导致交通事故的发生，尤其是在那些车速较高的道路上。有坑洞的人行道每年春天都要修理。然而，维修过程不可避免地会干扰交通，而相关的年度维修时间和成本是相当可观的。因此，冷区基层材料的单位变形问题值得特别关注。但由于问题的复杂性，目前对低温地区基材永久变形的研究还很有限。
利用自行研制的一维冻胀试验装置，在两种不同的取水条件下进行了一系列冻胀试验。在不同细粒和初始含水率的阿拉斯加粒状材料上，进行了基层材料在寒冷地区可能经历的两种极端条件：有限水和自由水的接触条件。冻结过程结束后，重复加载三轴试验用于评估这些试样在未冻结、冻结和随后解冻条件下的永久变形。根据重复加载三轴试验的结果，对基层材料在冻结过程中粉粒和含水量、温度、应力状态和接触水条件的变化进行了评价。然后进行回归分析，预测材料的永久变形。
2 实验程序
2.1 材料
从阿拉斯加费尔班克斯当地收集的颗粒状基础材料分别为最佳水分含量（OMC）和最大干密度分别为5.3％和2.34 g/cm3。用于评估细粉和水含量，温度，温度梯度，应力状态和进水条件对材料永久变形的影响。考虑了四个细粉含量水平，对于开放式系统（冷冻期间自由进水）分别为3.15％，6％，8％和10％，对于封闭系统为6％，8％，10％和12％（冻结期间无水交换）。在三个不同的初始水分含量（即3.3％，5.3％和6％）下评估了土壤样品。两个系列的温度水平（即-10℃，-7℃，-5℃，-3℃，-2℃，对于开放系统，选择-1℃和20℃；对于封闭系统，选择-5℃，-3℃，-1℃和20℃）以模拟整个冻融循环，代表20℃（即室温或解冻）状态，其他温度代表冰冻状态。在此期间，应用了不同的温度梯度（即对于开放系统为0.3℃/ cm，对于封闭系统为0.15（低），0.3（中）和0.45℃ /cm（高）冷冻。对于每种因素组合，测试了三个重复样本。
2.2 试样制备和重复加载三轴试验
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