第二章行车荷载、环境因素、材料的力学特性

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1、,第二章行车荷载、环境因素、材料的力学特性,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及疲劳特性,第一节行车荷载,1、研究行车荷载的原因和必要性 2、行车荷载的主要研究内容 3、车辆的种类 4、汽车的轴型 5、汽车对道路的静态压力 6、运动车辆对道路的动态影响 7、标准轴载 8、超载与超限 9、交通荷载轴载换算和统计计算,主要内容：,1.汽车是路基路面的服务对象。路基路面的主要功能是保证车辆快速、安全、舒适、经济通行。 2.汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主

2、要原因。要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行分析。,1、研究行车荷载的原因和必要性,第一节行车荷载,汽车的轮重与轴重； 不同车型的车轴布置； 设计期限内，汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐年变化； 汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。,2、行车荷载的主要研究内容,道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 客车：小客车、中客车、大客车； 货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车 汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构设计主要以轴重或轮压作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要求。,3、车辆

3、的种类,在交通调查中，一般将汽车分为八类： 大型货车；中型货车；小型货车；大型客车；小型客车；拖挂车；集装箱；大中型拖拉机 通过调查可以得到某断面昼夜混合汽车交通量可作为道路的通行能力评定 路面设计与验算使用的交通量是标准轴载累积作用次数。 昼夜混合交通量用于路面设计时，应有汽车的轴数和轴载。,轴载轴型分布 单轴单轮 单轴双轮 双轴单轮 双轴双轮 多轴多轮,4、汽车的轴型,汽车的轴型,4、汽车的轴型,汽车的轴型简化图,4、汽车的轴型,2019/10/22,4、汽车的轴型,轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，各个国家均对轴重的最大限度有明确的规定。我国公路与城市道路设计规范中均以

4、100kN作为标准轴重。目前我国公路是行使的车辆，后轴轴载一般在60130kN范围内。 汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有增加趋势，超载运输问题在我国日益突出。多轴多轮化发展。 对超载的定义：2000年2月，交通部超限运输车辆行驶公路管理条例规定：“单轴（每侧单轮胎）载质量6000kg，单轴（每侧双轮胎）载质量10000kg，双联轴（每侧双轮胎）载质量18000kg。”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不得超过13000kg。,4、汽车的轴型,在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)；若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松

5、散或坑槽等水损害。,4、汽车的轴型,汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面 因此，路面结构设计而言，应特别重视轴或轮重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。,5、汽车对道路的静态压力,停驻状态： 静态压力P的影响因素： 1.汽车轮胎内压； 2.轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态； 3.轮载的大小。,轮胎对路面的静态压力大小与胎内压相接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。,汽车在道路上行驶分为停驻状态和行驶状态。,5、汽车对道路的静态压力,对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下： a)双圆荷载的当量圆半径： 式中：P作用在车轮上的荷载，kN；

6、p轮胎接触压力，kpa； 接触面当量圆半径，m。 b)单圆荷载的当量圆直径D： 轮胎与路面的接触形状如下图所示：,5、汽车对道路的静态压力,6、运动车辆对道路的动态影响,1.水平力对路面造成的影响： 面层材料抗剪强度不足时，在水平荷载作用下，会产生推移、拥包、波浪、车辙等破坏。 2.轮载的动态（振动） 轮载动态变化的影响因素：车速、路面平整度、车辆的振动特性。 冲击系数：振动轮载的最大值与静载的比值。 3. 轮载作用的瞬时性 车轮通过路面的时间约为0.010.1s左右，当应力出现的时间很短时，来不及传递分布，其变形特性不能像静载作用那样完整表现出来。 4.车辆荷载作用的重复性 路面材料产生疲劳

7、破环的主要原因,7、标准轴载,作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定原则换算成标准轴载。 标准轴载要求对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。,8、超载与超限,超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。 超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。 超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。,9、交通荷载轴载换算和统计计算,1）交通调查与重复荷载 交通

8、量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算获得设计年限内累计交通量。对路面而言，主要是轴重。 轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。,9、交通荷载轴载换算和统计计算,2）轮迹横向分布：总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象称为轮迹横向分布，车道综合累计需考虑。,图2-7 轮迹横向分布频率曲线 （单向行驶一个车道）,图2-8 轮迹横向分布频率曲线 （混合行驶双车道）,9、交通荷载

9、轴载换算和统计计算,3）轴载的换算 轴载换算的基本原则： 等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）； 等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。 轴载换算系数公式：,9、交通荷载轴载换算和统计计算,4）累计轴载作用次数 初始年平均日交通量N1 设计年限内累计交通量 设计年限内一个车道内的累计交通量,1、温度对道路的影响 2、湿度对道路的影响,主要内容：,第二节 环境因素对道路的影响,温度造成路基体的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀。 温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割。 温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂。,第二节 环境因素对道路

10、的影响,1、温度对道路的影响,图2-9 温度对沥青混凝土动弹性模量的影响,1、温度对道路的影响,图2-11 沥青面层温度日变化曲线,1、温度对道路的影响,图2-15 沥青面层月平均温度的年变化曲线,1、温度对道路的影响,图2-12 水泥混凝土面层温度日变化曲线,1、温度对道路的影响,1、温度对道路的影响,1、温度对道路的影响,湿度对路基的影响： 湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基的干湿类型 湿度对路面的影响： 水分积蓄于路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性,2、湿度对道路的影响,湿度,图2-10 湿度对路基刚度的影响,2、湿度对道

11、路的影响,第三节 土基的力学特性,主要内容 路基受力状况 路基工作区 路基土的应力应变特性 重复荷载对路基土的影响,1、路基受力状况,路基自重应力：,路基任意点：,车轮荷载应力：,2、路基工作区(Work Zone),在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为1/101/5时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。,概念：,该深度Za随车辆荷载增大而增大，随路面的强度和厚度的增加而减小。,工作区内：强度、稳定性重要，压实度提高。,要求：,2、路基工作区(Work Zone),3、路基土的应力应变特性,路基土的变形包括弹性变形和塑性变形，过大的

12、塑性变形导致沥青路面出现车辙和纵向不平整，会导致水泥混凝土路面板的断裂。在柔性路面结构中，土基的变形占很大部分。 土基土的组成包括固相、液相和气相三部分（三相体）。路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线弹性体有很大区别。 试验：压入承载板试验 土基的应力应变关系除了出现非线性特性以外，还表现出塑性性质。即当荷载完全卸除时，变形不会全部恢复。（残余变形或塑性变形） 路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关系，而且与荷载作用持续的时间有关系。加载初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。表现出流变特性，主要与塑性应变有关。,3、路基土的应力应变特性,土基的模量

13、,（1）初始切线模量应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图所示，代表加荷开始时土的应力-应变关系。 （2）切线模量某一应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图所示，反映土在该级位应力-应变变化的精确关系。 （3）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，如图所示，反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况。 （4）回弹模量应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量，如图所示，反映土在回弹变形范围内的应力-应变关系的平均情况。,4、重复荷载对路基土的影响,重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积： 一是土体逐渐被压密，每次的塑性变形量逐渐减小，直至最后稳定，这种不会导致土体产生

14、剪切破坏； 二是每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏。,4、重复荷载对路基土的影响,土基在重复荷载作用下产生塑性累积变形，最终导致何种状况，主要取决于： 土的性质和类型； 重复荷载的大小：以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示成为相对荷载。 荷载的性质：重复荷载的施加速度、每次作用的时间以及重复作用的频率。,第四节 土的承载能力,主要内容 土基回弹模量 地基反应模量 加州承载比,路基承载力指标： （均采用一定应力级位下的抗变形能力） 土基回弹模量E 地基反应模量K 加州承载比CBR,第四节 土的承载能力,反映土基在瞬时荷载作用下的

15、可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。 通常以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。 两种承载板：柔性压板和刚性压板 承载板的大小：通常采用轮印当量圆直径。但是对刚性路面有时可采用较大直径。 采用逐级加载法（每次加载0.04Mpa，回弹变形值超1mm时停止加载）,1、土基回弹模量（E）,2、土基反应模量（K）,温克勒地基（弹簧地基）假定：土基顶面任何一点的弯沉 l，仅与作用于该点的垂直压力p成正比，而与其相邻点处的压力无关。土基反应模量:K=p/l。 测定方法：承载板（直径76cm 的刚性板测定）加载试验（一次 加载到位） 当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对

16、应的压力p计算地基反应模量；当地基较为坚硬时，取单位压力p=0.07MPa时相对应的弯沉值l计算地基反应模量。,3、加州承载比（CBR）,概念：以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示CBR值。 试验方法：用一个端部面积为19.35平方厘米的标准压头，以0.127cm/min的速度压入土中，记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度达到1.27cm为止。 标准压力值：由高质量标准碎石试验求得。 CBR计算：,3、加州承载比（CBR）,CBR试验设备有室内测试及室外测试： 室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水4d。 室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影响，必须加以修正。,第五节 路基的变形、破坏及防治,主要内容 路基的主要病害 路基破坏原因分析 路基病害的工程防治,