[2]行车荷载

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1、第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,第一节 行车荷载 第二节 环境因素影响 第三节 土基的力学强度特性 第四节 土基的承载能力 第五节 路基的变形、破坏及防治 第六节 路面材料的力学强度特性 第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性,第一节 行车荷载,一、车辆和类型和轴型 （一）车辆的种类,路面结构的设计主要以轴载作为荷载标准。重型货车与大客车起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小，有时可以忽略不计。 评定路面表面特征时，如路面的平整度、防滑性，应考虑小客车的安全性和可靠性。,不同轴型的货车示意图,二、汽车的轴型,我国以100kN作为设计标准轴重。,三、汽车对道路的静态压力,1. 轮载静

2、态压力影响因素,1）轮载的大小 2）汽车轮胎的内压力 3）轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状,（a）6.5-16走向花纹 （b）6.5-16横向花纹 （c）11.00-20横向花纹,810kpa/1328kg,810kpa/2500kg,810kpa/5000kg,典型测试结果：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测,典型测试结果： 11.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测,810kpa/1900kg,810kpa/2500kg,810kpa/5000kg,2. 轮载静态压力的简化,简化为单圆,简化为双圆,单圆当量圆直径,双圆当量圆直径,3. 路面设计的标准轴载,四、运动车辆对道路的动

3、态影响,水平力：QmaxP ， P车轮垂直压力，路面附着系数 的最大值一般不超过0.70.8 ；干燥状态的值比潮湿状态高；车速提高时，将减小,1. 轮载对路面的水平力,2. 动态轮载的波动性,轴载的动态变化 车速为60km/h;轮胎着地长度23cm （着地时间0.014s）路面中等平整度,动载波动性即变异系数(标准离差与轮载静载之比)的影响因素： (1) 行车速度 (2) 路面平整度 (3) 车辆的振动特性,振动轮载的最大峰值与静载之比称为冲击系数。 在设计路面时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。,3. 轮载作用的瞬时性,车速同路面变形的关系 1水泥混凝土路面，角隅弯沉量或边缘应变量随车

4、速变化； 2沥青路面，表面总弯沉量随车速的变化。,4. 轮载作用的重复性,车轮通过路面上任一点，路面承受荷载的时间只有0.010.10s左右。 动荷载作用下路面变形量的减小，可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者是路面结构强度的相对增大。,路面材料在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质，即材料的强度随荷载重复次数增加而降低；弹塑性材料，如土基和柔性路面，呈现出变形的累积。在设计中要予以考虑。,五、交通分析,交通量调查，将车辆分成11类：小型货车、中型货车、大型货车、小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中型拖拉机、自行车、人力车和畜力车。,路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综合

5、累计损伤作用，必须对现有的交通量、轴载组成及增长规律进行调查和预估，并通过适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累积作用次数。,1. 交通量调查车型,对路面造成损坏的主要是2轴4轮以上的客车和货车，2轴4轮和4轮以下的车辆对路面损坏很小，道路结构设计可以不考虑这部分车辆的影响。 2轴4轮以上的客车和货车： 按车型可分为整车类、半挂车类和全挂车类； 按车辆的轴型可以分为单轴、双联轴和三联轴； 按车轴的轮型可分为单轮和双轮组。,不同轴型货车代表车型：,二轴车,三轴车,四轴车,五轴车,六轴车,拖挂车代表车型：,三轴车,四轴车,五轴车,六轴车,2. 交通（轴载）量调查方法,根据实测道路通过轴载次数和重量

6、，获得典型轴载谱。,轴载谱,方法一(以轴型为基础)： 按照不同的轴轮类型把车轴分类(单轴单轮、单轴双轮、双联轴双轮、三联轴双轮)，然后对所有车轴进行称重调查，按照轴型归类得到各类轴的轴载谱； 方法(1)的直接对象是轴，适合于对轴型有较好识别能力的快速自动称重仪器。,方法二（以车辆类型为基础）： 把车辆按照轴型组成和轴数进行分类(如三轴整车、三轴半挂等)，分别调查各类车辆的通过数，并在各类车辆中抽取一定数量进行称重调查，再统计得到各类轴的轴载谱。 方法(2)把车辆按照轴型进行分类，调查时统计的是车辆数，便于识别，适合于人工配合进行的移动或慢速固定设备测定，并与交通量观测数据协调。,3. 轴载换算

7、 调查得到的轴载与通行次数可以按等效原则换算为标准轴载当量通行次数，我国水泥混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范均选用单轴双轮组轴载100kN（BZZ-100）作为标准轴载。 各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是： 第一，换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，乙轴载作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2，此时甲乙两种轴载作用是等效的； 第二，对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。,轴载换算系数i,式中： ii级轴载换算为标准轴载的换算系数； Ps标准轴载重，kN； Ns标准

8、轴载作用次数； Pii级轴载重，kN； Nii级轴载作用次数； 反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数； n同路面结构特性有关的系数。,沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不同，因而系数和n取值各不相同。,4. 沥青路面竣工后第一年双向日平均当量轴次 新建公路根据工程可行性研究报告提供的交通量OD调查资料，可得到大客车、中型货车、大型货车、拖挂车等各种车型组成的比例，以及预估第一年或设计年末的日平均汽车交通量。设计时应对各种车型的轴重分布情况进行调查，并应根据交通载重的实际情况，计入空载、满载、超载等因素，更真实地预估设计交通量。 对改建工

9、程可根据有代表性的月、日、时的实测轴载谱，或调查的各类型车的轴载分布资料（可将单轴大于或等于25KN的各种车辆分别按轴重每10KN分级排列）。,轴载换算方法： 1) 当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时,式中： N标准轴载的当量轴次，次/日； ni被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日； P标准轴载100KN； Pi被换算车辆的各级轴载，KN； k被换算车辆的类型数； C1轴载系数， C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。 C2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。,不计25KN以下轴载,2)

10、 当进行半刚性基层层底拉应力验算时,不计小于50KN的轴载,式中： C1 轴数系数；当间距小于3米时，按双轴或多轴计算C1 =1+2(m-1), m是轴数。 C2轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09 。,上述轴载换算公式，适用于单轴轴载小于130kN，双轴轴载小于220kN，三轴轴载小于260kN的情况。,5. 水泥混凝土路面设计车道使用初期的设计轴载日作用次数 1) 各类车辆按轴型称重和统计时，随机统计3000辆2轴6轮及以上车辆中单轴、双联轴和三联轴等不同轴型出现的单轴次数（双联轴按2次单轴计，三联轴按3次单轴计），并分别称取其单轴轴重，按单轴轴重级位统计整理后得到

11、轴载谱。 不同单轴轴重级位i的设计轴载当量换算系数kp,i：,式中：Pi单轴级位i的轴重（kN） Ps设计轴载的轴载（kN）,依据单轴轴载谱和相应的设计轴载当量换算系数，计算得到设计车道使用初期的设计轴载日作用次数Ns轴次/(车道日),式中：ADTT设计车道的年平均日货车交通量辆/(车道日)； n随机调查3000辆2轴6轮以上车辆中出现的单轴总轴数； Pi单轴轴重级位i的频率(以分数计)。,设计车道为道路行车道内承受交通最繁重的一个车道，是整个路面的最不利车道。 初期年平均日货车交通量（双向）乘以方向分配系数和车道分配系数，即为设计车道的年平均日货车交通量(ADTT)。,2) 以车辆类型为基础

12、进行各种轴型的轴载称重和统计时，可将2轴6轮及以上车辆分为整车、半挂和多挂3大类，每类车再按轴数细分，分别按车型称重后得到单轴轴载谱。 各类车辆的设计轴载当量换算系数：,式中：kp,kk类车辆的设计轴载当量换算系数； pik类车辆单轴轴重级位i的频率（以分数计）。,依据调查所得的车辆类型组成数据，计算确定设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。,式中：pkk类车辆的组成比例（以分数计）,6. 轮迹横向分布 我们在统计各种轴载的累计作用次数时，往往以通过某车道(或路面) 断面的轴载数表示。实际上，车辆轮迹仅具一定宽度，车辆通过时只能复盖一小部分路面。因此，路面横断面上各点所受到的轴载作用次数，仅为

13、通过该断面轴载总数的一部分。 轮迹横向分布频率：各点实际受到的作用次数同通过该断面的总次数之比。 轮迹横向分布系数：路面横断面上某一宽度(例如轮迹宽度50cm) 范围内的频率，也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数同通过该横断面的总作用次数的比值。,分车道单向行驶时轮迹 横向分布频率曲线,轮迹横向分布频率曲线 (混合行驶双车道),影响轮迹横向分布系数的主要因素：交通组织和管理、交通量及车道宽度。,7. 设计年限(t)(沥青路面)/设计基准期（水泥路面）内设计车道上标准轴载累计当量数Ne,式中： N1路面营运第一年双向日平均当量轴次（沥青路面）， 路面营运第一年设计车道日平均当量轴次（水泥路面）；

14、 车道系数，即方向分配系数和车道分配系数的乘积（沥青路 面）， 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数（水泥路面）； 设计年限内交通量年平均增长率。,沥青路面设计年限是指路面完工开始营运起，在正常养护和维修、罩面的条件下至路面服务性能下降到需大修时的时间。 水泥路面设计基准期是指计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间段。,第二节 环境因素影响,受温度和湿度影响，道路材料产生不均匀胀缩，胀缩受到约束而不能实现时，道路结构内部会产生附加应力，即温度应力和湿度应力。,一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线,温度梯度：单位深度内的平均温度坡差。,水泥混凝土面层温度梯度与气

15、温的日变化曲线,影响路面结构内温度状况的因素： 外部：气象条件，包括太阳辐射、气温、风速、降水量、蒸发量 内部：材料热物理特性参数，如热传导率、热容量、对辐射热的吸收能力,路面结构内的温度状况，可通过当地的气象资料及路面结构的热特性参数之间建立联系的方法来预估，预估方法分为统计法和理论法。,(1) 统计法,(2) 理论法,应用热传导理论方程式推导出。 特点：参数确定难度大，理论假设理想化，结果与实测有一定的误差。,第三节 土基的力学强度特性,一、路基受力状况,路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力,路基土本身自重力在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力,式中：P一侧轮轴荷载(kN) K系数，一般

16、取K=0.5 Z应力作用点深度(m) 土的容重(kN/m3),二、路基工作区,1. 定义,工作区深度和路基高度关系 a.路堤高度大于Za；b.路堤高度小于Za,路基工作区范围内的路基，受车轮荷载的影响较大; 当ZaH时,不仅填筑方受荷载作用,天然地基也受影响。,2. 路基工作区的意义,三、路基土的应力应变特性,土的应力应变关系曲线,初始切线模量 切线模量 割线模量 回弹模量,土基应力-应变的特性：非线性、弹塑性。,土体在应力作用下产生变形： 微观：土的颗粒之间的相对移动，当移动的距离超出一定限度时，即使将应力解除，土体的颗粒已不再能回复原位； 宏观：土基产生不可恢复的残余变形。,通过试验测得的回弹变形计算土基的回弹模量：,式中：l承载板的回弹变形(m) D承载板的直径(m) E土体的回弹模量(kPa) 土体的泊松比 p承载板压强(kPa),压入承载板试验,三轴压缩试验,路基