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1、2 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,2.1 行车荷载,路基路面是为汽车通行服务的，其主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。因此要研究汽车在道路上通行的一些特征，主要包括： 汽车轮重与轴重的大小与特性； 不同车型车轴的布置； 设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量逐年增长的规律； 汽车静态荷载与动态荷载特性比较,一、车辆的种类,汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要以轴重作为荷载标准。其中，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，有时可以不计。但是在考虑路面表面特性（平整性、抗滑性等）时，以小汽车为主要对象，因为小车的行驶速度高，所以要求在高
2、速行车条件下具有良好的平稳性与安全性。,二、汽车的轴型,车辆荷载传递的方式和路径： 车身及载重车轴车轮路面路基土基,因此，对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴重。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，为了统一设计标准和便于交通管理，各个国家对于轴重的最大限度均有明确的规定。我国公路与城市道路路面设计规范中均以100kN作为设计标准轴载。通常认为我国的道路车辆轴限为100kN。 各种车型的各个轴重知道后，其轮重即可得出。为进一步进行路面结构设计提供依据,三、汽车对道路的静态压力,当汽车处于停驻状态时，对路面的作用力为静态压力，即轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素的影响：
3、,1. 汽车轮胎的内压力pi；标准净内压力pi=0.40.7MPa (压强)。,2. 轮载的大小P；P=轴重/轮数。,3. 轮胎的刚度以及轮胎与路面接触的形状； 轮胎的刚度随新旧程度而不同，接触面的形状和花纹也会影响接触压力的分布，通常，接触面上的压力分布是不均匀的。但在路面设计中，通常忽略其影响，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。 轮胎与路面的接触面的形状近似于椭圆形，因其长轴与短轴的差别不大，在工程设计中以圆形接触面来表示将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力。,当量圆形荷载及标准轴载,设当量圆形荷载的半径为，则：,我国规范规定以双
4、轮组单轴轴载100kN为标准轴载，简称BZZ-100。取轮胎内压力p=0.7Mpa=700kPa，并采用双圆荷载，则：,四、运动车辆对道路的动态影响,（一）水平力,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. 汽车在上坡行驶或加速行驶过程中，为了克服重力与惯性力，需要给路面施加向后的水平力；,3. 汽车在下坡行驶或减速行驶过程中，为了克服重力与惯性力的作用，需要给路面施加向前的水平力；,4. 汽车在弯道上行驶时，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。,在汽车起动和制动过程中，施加于路面的水平力相当大。
5、,水平力的大小及其对路面的影响,车轮施加于路面的各种水平力Q值与车轮的垂直压力P，以及路面与车轮之间的附着系数有关，其最大值Qmax不会超过P与的乘积，即: Qmax P （附着条件）,路面表面必须保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要条件。但是从路面结构本身来看，附着系数的大小直接关系结构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，若是抗剪强度不足，将会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。,（二）轮载的动态影响冲击效应,汽车在道路上行驶，由于车身自身的振动和路面的不平整，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
6、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。,轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数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，变异系数一般小于0.3。,振动轮载的最大峰值与静载之比称为冲击系数，在较平整的路面上，行车速度不超过50km/h时，冲击系数不超过1.30。车速增加，或路面平整性不良，则冲击系数还要增大。在设计路面时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。,（三）轮载的动态影响轮载作用的瞬时性,行驶的汽车
7、对路面施加的荷载有瞬时性，车轮通过时，路面承受荷载的时间是短暂的，大约只有0.010.1s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，但仍然是很短的。由于路面结构中应力传递是通过相邻的颗粒来完成的，若应力出现的时间很短，则来不及传递分布，其变形就不能像静载那样进一步发展。试验研究表明，随着车速的提高，沥青路面的总弯沉以及水泥混凝土路面的板角挠度板边应变量有较大幅度的减少。 动荷载作用下路面变形量的减小，可以看作路面结构刚度的相对提高，以及路面结构强度的相对增大。,（四）轮载的动态影响轮载的重复作用,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。在交通繁忙的道路上，路面结构每天
8、承受成千上万次车轮荷载的作用，在路面的整个使用期限内，承受的轮载作用次数更为可观。路面承受一次轮载作用和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。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作用次数的增加而降低。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（塑性）变形的累积，所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，各类轴载的累计作用次数也是很重要的设计指标。,五、交通分析,交通分析的目的和内容： 道路上通行的车辆类型以及轴重各不相同，而且通行的车辆数目也是变化的。路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综合累计
9、损伤作用，必须对现有的交通量、轴载组成进行调查，在调查分析的基础上对其增长规律进行预测，并通过适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累计作用次数。,（一）交通量,1.交通量：单位时间内通过道路某一断面的车辆数。,2.交通量调查：通过交通量观测，并对调查资料整理分析后，得到该道路设计的基年交通量（AADT）。 观测方法：连续式观测 间隙式观测：通过长期统计规律，利用月不均匀系数、周日不均匀系数等资料进行换算。 观测内容：分车型统计各类车辆的通过数量，调查或估计客、货车的载运效率。,3. 交通量预测：道路上通过的年平均日交通量是逐年增长的，要确定路面设计年限内的总交通量，还需要对未来设计使用年限内各
10、年的交通量增长情况做出预测。 预测的方法很多，在交通工程学及经济管理类课程中介绍。通过预测，可得到各阶段交通量的年平均增长率。,4. 设计年限内累计交通量的计算,已知基年交通量：,已知设计末年交通量（AADT)：,（二）轴载换算,不同的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。设计路面结构时，除了了解设计期限的累计交通量之外，另一个重要的因素是各级轴载所占的比例，即轴载组成或轴载谱。 根据实测的通过轴载次数和相应的轴载，可以整理出各级轴载所占的比例，作为该道路通行的各级轴载的典型轴载谱。由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数，乘以相应的轴载谱百分率，即可推算出所有车辆各级轴载的作用次数。 道路上行
11、驶的汽车轴载与通行次数可以按照等效原则换算为标准轴载（BZZ-100）的当量通行次数。,各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。通过室内或道路现场的重复作用试验，以建立荷载量级同达到相同程度损伤的作用次数之间的关系，依据这一关系，可以推算出不同轴载的作用次数等效换算成标准轴载当量作用次数的轴载换算系数公式。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不相同，因而系数取值各不相同。具体方法在有关章节分别作介绍。,等效原则,（三）轮迹横向分布,车辆在道路上行驶时，车轮的轨迹在横断面上一定范围内左右摆动，由于轮迹的宽度远小于车道
12、的宽度，因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一点上，而是按一定规律分布在车道横断面上，称为轮迹的横向分布。 轮迹横向分布的频率随着交通量大小、交通组成、横断面型式、车道数、车道宽度、交通管理规则等因素而变化，需分别各种不同情况，通过实地调查，才能确定。 分车道行驶的道路上，轮迹分布的范围主要集中在一个车道内；混合行驶的双车道道路，轮迹分布则在道路中线附近。,轮迹横向分布系数,在路面结构设计中，用轮迹横向分布系数反映轮迹横向分布的影响。通过对其分布频率的分析，可得到轮迹横向分布系数。一般1，可根据实测资料确定，亦可按照规范建议选取。 设ne为累计当量轴次，n
13、1为基年的日平均当量轴次，nt为设计末年的日平均当量轴次，为年平均增长率，t为设计使用年限。则：,2.2 环境因素影响,路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素。路基路面结构的温度和湿度状况随周围环境的变化而变化，路基路面体系的性质与状态也随之发生变化。,1. 路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。 沥青混凝土路面：温度 ；弹性模量； 路基：湿度 ；回弹模量。,（一）表现,3. 路基土和路面材料的几何性质和物理性质随温度与湿度产生的变化，将使路基路面结构设计复杂化。如不能充分估计因自然
14、环境因素变化产生的后果，则路基路面结构在车轮荷载和自然因素共同作用下，将提前出现损坏，缩短使用年限。因此，在分析和设计路基路面结构时，除了充分考虑车轮荷载之外，还应考虑自然因素的影响。（稳定性和耐久性）,2. 路基土和路面材料的体积随路基路面结构内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩。由于温度和湿度是随环境而变化的，而且沿着结构的深度呈不均匀分布，因此在不同时期和不同深度处，胀缩的变化也是不相同的。如果这种不均匀的胀缩因某种原因受到约束而不能实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即温度应力和湿度应力。,（二）温度变化规律及影响因素,大气温度在一年四季和一昼夜之间发生着周期性的变化，相应地路面温
15、度也随之发生周期性的变化，基本上是同步的，在日变化中，路面结构随着深度增加，变化相对滞后。,影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外部因素和内部因素两类。 外部因素：太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的两项最重要的因素。 内部因素：路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。,（三）湿度变化的影响,大气湿度的变化，通过降水、地面积水和地下水浸入路基路面结构，是自然环境影响的另一个重要方面。它除了影响路基土湿度的变化，使路基产生各种不稳定状态之外，对路面结构层也有许多不利的影响。 路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很
16、大程度上取决于路基的湿度变化。保持路基干燥的主要方法是设置良好的地面排水设施和路面结构排水设施，经常养护，保持畅通。 此外，面层及路肩的结构形式对路基湿度也有较大的影响。, 2.3 土基的力学强度特性,一、路基受力状况应力分布,路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。路基某一深度的垂直压应力由这两种荷载产生的压应力叠加而成。,B,Z,B+ Z,1. 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力,2.假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷载，路基为一弹性均质半空间体，则垂直应力：,二、路基工作区,随着深度的增加，车轮荷载引起的垂直应力逐渐减小。当车轮荷载引起的垂直应力z与路基土自重引起的垂直应力B相比所占比例很小，仅为1/101/5时，所对应的深度称为路基工作区深度，该深度范围内的路基称为路基工作区。,路基工作区深度Za，可按下式计算：,可见，路基工作区随车轮荷载的加大而加深。路基工作区的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要，对工作区深度范围内的土质选择，路基的压实度有较高的
