第2章路面设计参数剖析

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1、第2章 路面设计参数,2016年11月5日,复习：,1.对路面的基本要求； 2.路面结构及层位功能； 3.影响路面结构性能的自然因素。,（1）交通荷载，包括交通量和荷载大小。,路面结构的设计参数：,（2）路面结构参数，指路面各结构层的厚度。,（3）路面材料参数，指路面各结构层的力学参数，包括抗压回弹模量、弯拉模量、劈裂强度和泊松比。,交通荷载和路面材料参数是进行路面结构设计的输入参数，它们决定了路面结构的组合形式和路面结构层的厚度。,2.1 交通荷载,汽车是路面的服务对象，路面的主要功能是长期保证汽车快速、安全、舒适地通行。汽车荷载也是使路基和路面结构遭受破坏的主要肇因。要能设计和修建出既符合

2、使用要求又经久耐用的路基和路面结构物，就必须首先对行驶在路上的车辆作一考察。,客车与货车两大类。,一、车辆的种类,小客车：5座及以下。,中客车：620座。,大客车：620座。,货车包括：,一、车辆的种类,整车,牵引式拖车,牵引式半拖车,一、车辆的种类,二、车辆的轴型与标准轴载,1.汽车轴型,汽车的轴数、每个轴的轮数和轮胎接地压强是路面结构设计需要考虑的因素。,前轴一般为单轴单轮，后轴通常有单轴、双轴和三轴三种。,车辆的轴型,2.标准轴载确定的依据,标准轴载一般要求对路面的响应较大，同时又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。,我国根据公路运输运营车辆的实际，规定公路与城市道路路面设计以单轴

3、双轮组重100kN作为设计标准轴载，以BZZ-100表示。,3.超载与超限,超载运输：指车辆所装载的货物（或人员）超过车辆额定的载货质量（或人员数）。主要关注的是汽车性能以及由此而引发的行车安全性。,超限运输：是指在公路上行驶的车辆、工程机械，其总质量、轴载质量、外形尺寸三者之一超过法定的限制标准，其中总质量和轴载质量是直接关系到对道路结构破坏的因素。,三、静态车辆对道路的影响,汽车对道路的作用分为：停驻状态和行驶状态。,当汽车处于停驻状态下，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素的影响： （1） 汽车轮胎的内压力pi； 货车轮胎的标准静内压力pi一般在

4、0.40.7MPa范围内。通常轮胎与路面接触面上的压力p略小于内压力pi ，约为(0.80.9) pi 。车轮在行驶过程中，内压力会因轮胎充气温度升高而增加，因此，滚动的车轮，接触压力也有所增加，达到(0.91.1) pi 。,三、静态车辆对道路的影响,（2）轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状； （3）轮载的大小。 轮胎的刚度随轮胎的新旧程度而有不同，接触面的形状和轮胎的花纹也会影响接触压力的分布，一般情况下，接触面上的压力分布是不均匀的。不过在路面设计中，通常忽略上述因素的影响，而直接取内压力作为接触压力，并假定在接触面上，压力是均匀分布的。,a）单圆图示 b）双圆图示,三、运动车辆对道路的动

5、态影响,行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施加水平力，震动力。,1.水平作用力 主要包括：（1）汽车在道路上等速行驶，车轮受到路面给它的滚动摩阻力，路面也相应受到车轮施加于它的一个向后的水平力；（2）汽车在启动、加速和爬坡过程中，为了克服重力与惯性力，需要给路面施加向后的水平力；（3）在下坡行驶或者在减速行驶过程中，需要给路面施加向前的水平力；（4）汽车在弯道上行驶，为了克服离心力，保持车身稳定不产生侧滑，需要给路面施加侧向水平力。,2.牵引力引起的水平力：Fd P 通常为0.5-0.7（干燥） 0.3-0.5（潮湿） 0.1-0.2（结冰）,1.滚动阻力：F0= P =0.

6、01-0.02（AC、CC路面） 向前 （轮胎对路面） =0.025-0.05（砂石路面）,3.起动（制动）阻力：Fsf s P f s通常为0.7-0.8（干燥）,fs为路面与轮胎间的制动摩阻系数。,f 0同路面类型、路面特性、路面干湿状况和车速有关。,4.车辆（加）减速实时，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P,5. 离心力：Fl0.1 P,可见，水平力最大为紧急制动时：可达竖直力的80%，设计时必须考虑。水平力分布也假设为均布的，且在竖向力相同的接触面内。,车辆作用于路面的垂直压力与水平力,汽车在道路上行驶，由于车身自身的震动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和

7、振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静态轮载，呈波动状态。,2.振动荷载,轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数(标准离差与轮载静载之比)主要随下述三因素而变化： (1) 行车速度。车速越高，变异系数越大； (2) 路面的平整度。平整度越差，变异系数越大； (3) 车辆的振动特性。轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。 正常情况下，变异系数一般均小于0.3。,汽车在道路上行驶，由于车身自身的震动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静态轮载，呈波动状态。,2.振动荷载,行驶的汽

8、车对路面施加的荷载有瞬时性，车轮通过路面上任一点，路面承受荷载的时间是很短的，大约只有0.010.10S左右。在路面以下一定深度处，应力作用的持续时间略长一点，但仍然是十分短暂的。,3.交通荷载的瞬时性,车速与路面变形的关系 1-刚性路面，板角挠度和板边应变量随车速的变化； 2-柔性路面，表面总弯沉量随车速的变化。,汽车荷载对路面的多次重复作用也是一项重要的动态影响,对于弹性材料，在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随荷载重复次数的增加而降低。对于弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积，所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与

9、动力的量值，道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素。,4.交通荷载的瞬时性多次重复性,1.定义 为了描述车轮轮迹在横断面上的分布特征，把路面横断面上某一宽度（例如轮迹宽度）范围内所受到的车辆作用次数与通过该横断面的总作用次数的比值称为轮迹横向分布系数，以此反映轮迹的横向分布。,五、车轮轮迹横向分布,轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）,轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）,3.轮迹横向分布的测定在路面设计中的体现,2.轮迹横向分布的测定,1）沥青路面 在设计沥青混凝土路面时，采用车道系数反映轮迹的横向分布。 （车道系数：不同情况车道的横向分布系数与单车道横向分布系数之比。） 2）水泥

10、混凝土路面 采用横向分布系数反映轮迹的横向分布。,2.2 轴载换算,1.轴载换算的基本原则,一、轴载换算的原则与方法,把非标准的作用次数换算为标准轴载的作用次数，称为轴载换算。,原则：第一、同一种路面结构在换算成标准轴载作用下与未换算的非标准轴载作用下达到相同的损伤程度；第二、对某一种交通组成，不论以哪种轴载标准进行换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度相同。,2.沥青路面的轴载换算方法,2.沥青路面的轴载换算方法,3.水泥混凝土路面的轴载换算方法,1）交通调查与分析,年平均日交通量（ADTT）=初期年平均日交通量（双向）乘以方向分配系数和车道分配系数,2）以轴型为基础的轴载换算,3）以车

11、辆类型为基础的轴载换算,二、累计标准轴载作用次数,或,道路的交通量会随年份而增长的。现在的车比以前多得多，且每年都在增长，而要求得路面在使用期内通过的累计车辆次数，必须考虑交通量的年增长率。当然 很难正确估计 ，只能预估，考虑今后可能达到的饱和量和地方经济文化发展趋势等因素确定。,t为使用年限，N1 为开始年的年平均日交通量。,2.3 路基土的力学强度特征及设计参数,一、土基的受力特性,1.应力-应变的非线性特征,1）土基顶面的承载板试验,方法与步骤 （1）根据需要选择有代表性的测点，测点应位于水平的路基上，土质均匀，不含杂物； （2）仔细平整土基表面，撒干燥洁净的细砂填平土基凹处，砂子不可覆

12、盖全部土基表面避免形成一层。 （3）安置承载板，并用水平尺进行校正，使承载板处于水平状态。 （4）将试验车置于测点上，在加劲小梁中部悬挂垂球测试，使之恰好对准承载板中心，然后收起垂球。 （5）在承载板上安放千斤顶，上面衬垫钢圆筒，并将球座置于顶部与加劲横梁接触。如用测力环时，应将测力环置于千斤顶与横梁中间，千斤顶及衬垫物必须保持垂直，以免加压时千斤顶倾倒发生事故并影响测试数据的准确性。 （6）安放弯沉仪，将两台弯沉仪的测头分别置于承载板立柱的支座上，百分表对零或其他合适的初始位置。,方法与步骤 （1）注视测力环或压力表，至预压0.05MPa、稳压1min，使承载板与土基紧密接触，同时检查百分表

13、的工作情况是否正常，然后放松千斤顶油门卸载，稳压1min，将指针对零或记录初始读数。 （2）测定土基的压力一变形曲线。用千斤顶加载,采用逐级加载卸载法，用压力表或测力环控制加载量,荷载小于0.1MPa时，每级增加0.02MPa，以后每级增加0.04MPa左右。为了使加载和计算方便，加载数值可适当调整为整数。每次加载至预定荷载后，稳定1min，立即读记两台弯沉仪百分表数值，然后轻轻放开千斤顶油门卸载至0，待卸载稳定1min后，再次读数，每次卸载后百分表不再对零。当两台弯沉仪百分表读数之差小于平均值的30%时，取平均值。如超过30%，则应重测，当回弹变形值超过1mm时,即可停止加载。 （3）各级荷

14、载的回弹变形和总变形，按以下方法计算： 回弹变形L=（加载后读数平均值一卸载后读数平均值）调弯沉仪杠杆比 总变形L =（加载后读数平均值一加载初始前读数平均值）调弯沉仪杠杆比 （4）测定汽车总影响量a。最后一次加载卸载循环结束后，取走千斤顶，重新读取百分表初读数，然后将汽车开出10m以外，读取终值数，两只百分表的初、终读数差之平均值乘弯沉仪杠杆比即为总影响量a。 （5）在试验点下取样，测定材料含水率。取样数量如下： 最大粒径不大于5mm，试样数量约120g； 最大粒径不大于25mm，试样数量约250g; 最大粒径不大于40mm，试样数量约500g。 （6）在紧靠试验点旁边的适当位置，用灌砂法或

15、环刀法或其他方法测定土基的密度。,计算 （1）各级压力的回弹变形加上该级的影响量后，则为计算回弹变形值。 （2）将各级计算回弹变形值点绘于标准计算纸上，排除显著偏离的异常点并绘出顺滑的P一L曲线，如曲线起始部分出现反弯，应修正原点。 （3）计算相应于各级荷载下的土基回弹模量值。 （4）取结束试验前的各回弹变形值按线形回归方法计算土基回弹模量E0 值。,2）土的三轴试验,2.土基的弹塑性特征,(1) 初始切线模量应力值为零时 的应力-应变曲线的正切，如图2-8中 的所示。 (2) 切线模量某一应力级位处应 力-应变曲线的斜率，如图2-8中的 所示，反映该级应力处应力-应变变化 的精确关系。 (3

16、) 割线模量以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图2-8中所示，反映该应力级范围内的应力-应变的平均状态。 (4) 回弹模量应力卸除阶段，应力-应变曲线的割线模量，如图2-8中所示，反映土在回弹变形范围范围内的应力-应变的平均情况。,3.重复荷载下土基的变形特征,土基承受着车轮荷载的多次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形即时消失，而塑性变形则不能消失，残留在土基之中。随着作用次数的增加，产生塑性变形的积累，总变形量逐渐增大。最终会导致二种不同的情况，一种情况是土体逐渐压密，土体颗粒之间进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，停止增长，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏；另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏，每一次加载作用在土体中产生