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1、第二章 行车荷载、环境因素 、材料的力学性质 土木建筑工程学院 邓苗毅 1 主要内容： n第一节 行车荷载 n第二节 环境因素影响 n第三节 土基的力学强度特性 n第四节 土基的承载能力 n第五节 路基的变形、破坏及防治 n第六节 路面材料的力学强度特性 n第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性 主要内容 2 研究行车荷载的原因： n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。 n汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。 要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行 分析。 第一节 行车荷载 3 行车荷载的主要研究内容： n汽车的轮重与轴重； n不同车型的
2、车轴布置； n设计期限内，汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐 年变化； n汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。 第一节 行车荷载 4 一、车辆的种类： n客车：小客车、中客车、大客车； n货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。 第一节 行车荷载 道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 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。 5 一、车辆的种类： 第一节 行车荷载 整车 牵引式半挂车 6 二、汽车的轴型 ： n轴重的大小直接
3、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。 n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。 n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。 第一节 行车荷载 7 二、汽车的
4、轴型： 第一节 行车荷载 单后轴单轮组 双后轴双轮组 8 不同轴型的货车示意图 第一节 行车荷载 9 三、汽车对道路的静态压力 n汽车轮胎内压（接触压力）； n轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态（ 椭圆近似圆形）； n轮载的大小。 第一节 行车荷载 静态压力P的影响因素： 10 单圆图示： 双圆图示： 标准轴载 Bzz-100（轴载） P=25kN（轮载 p=700kPa d=0.213m D=0.302m 第一节 行车荷载 11 四、运动车辆对道路的动态影响 n水平力 第一节 行车荷载 最大水平力： 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
5、、车辙等破坏。 12 四、运动车辆对道路的动态影响 n轮载的动态（振动） 第一节 行车荷载 冲击系数：振动轮载的最大值与静载的比值。 影响系数 （变异 系数）影响因素 13 四、运动车辆对道路的动态影响 n轮载作用的瞬时性 第一节 行车荷载 车轮通过路面的时间约为0.010.10s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。 变性滞后性： 14 四、运动车辆对道路的动态影响 n车辆荷载作用的重复性 第一节 行车荷载 路面材料产生疲劳破环的主要原因。轴载静力、 动力量值和通行数量是路面设计中重要参数。 15 五、交通分析 第一节 行车荷载 交通量：
6、指一定的时间间隔内各类车辆通过某一 道路横断面的数量。 a、初始年平均日交通量： b、交通量年平均增长率 c、设计年限内累积交通量： 或 16 五、交通量分析 n轮载组成与等效换算 第一节 行车荷载 a、观测方法：人工、自动 共11类车辆 b、轴载谱：各级轴载所占的比例（轴载组成）。 不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大，所以除了关 注累计交通量，还要关注各级轴载所占的比例（轴载谱）。 c、等效换算： 各种轴载作用次数等效的原则：同一种路面结构在不同轴载作 用下达到相同的损伤程度。 我国的标准轴载为：双轮组单轴Bzz-100。 17 五、交通量分析 n轮迹横向分布 第一节 行车荷载 由于
7、轮迹的宽度远小于车道的宽度，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，也不会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。 轮迹律分布横向分布频率的影响因素：交通量、交通组成、车 道宽度、交通管理规则等。 路面结构设计中，用横向分布系数来反映轮迹横向分布频率的影 响。通常取两个条带频率之和作为轮迹横向分布系数。 18 一 、温（湿）度变化对路基路面的影响 ： n路基土和路面材料的强度和刚度 n路基土和路面材料的体积 第二节 环境因素影响 19 二 、温度状况的预估 第二节 环境因素影响 20 二 、温度状况的预估： 第二节 环境因素影响 21 湿度（与温度共同作用）对路
8、基路面的强度、刚度及 稳定性影响现象表现为： 保持路基干燥的主要方法： 地下水对路基土的影响深度 不同自然环境区域的路基受不同来源湿度的影响。 面层的透水性和路肩以下路基的湿度变化对路基的湿度 有影响。 冻胀 翻浆 第二节 环境因素影响 三、湿度状况： 22 路基承受路基自重和汽车荷载。 在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受车辆荷载 的影响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性限度以内，当车辆 驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基的相对稳定，路面不致引起 破坏。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力的近似计算： 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力 ： 路基内任
9、一点垂直应力包括由车轮和由土基自重引起的垂直应力共 同作用。 第三节 土基的力学强度特性 一、路基的受力状况： 23 二、路基工作区 ： 第三节 土基的力学强度特性 n概念：在路基某一深度处，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，该深度 Z范围内的路基称为路基工作区。路基工作区深度随着车轮荷载的加 大而加深。 n在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和车轮荷载影响较大，在 工作区范围以外的路基，影响逐渐减小。 n路基工作区深度的确定： 得到： n路基工作区内，土基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，对工作区范围内的土
10、质选择、路基的压实度应提出较高的 要求。 24 三、路基土的应力应变特性： n路基土的变形包括弹性变形和塑性变形，过大的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。 n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。 n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） n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
11、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。 第三节 土基的力学强度特性 25 1、压入承载板试验 （回弹 模量） 2、三轴压缩试验 第三节 土基的力学强度特性 三、路基土的应力应变特性： n应力应变关系 26 评定土体的应力应变状态和设计路面时用 模量E，定义以下模量： （1）初始切线模量：应力值为零时的应力 应变曲线的斜率。 （2）切线模量：某一应力级位处应力应变 曲线的斜率。（反映该级应力处应力应变变 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（反映土基在 工作应力范围内的应力应变的平均状态） （4）回弹模量
12、：应力卸除阶段，应力应变 曲线的割线模量。（反映土的弹性性质） 第三节 土基的力学强度特性 三、路基土的应力应变特性 ： 27 四、重复荷载对路基土的影响 ： n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剪切破坏； n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 。 第三节 土基的力学强度特性 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积。 两种最终结果： 取决于： 28 第四节 土基的承载能力 路基的承载能力采用一定应力级位下的抗变 形能力来表征，主要参数有回弹模量E、地基反 应模量K、加州承载板CB
13、R。 29 一、土基的回弹模量： n柔性压板 n刚性压板 第四节 土基的承载能力 以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬 间荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论 公式描述荷载与变形之间的关系。以回弹模量作为表征土 基承载能力的参数，可以在弹性理论为基本体系的各种设 计方法中得到应用。 圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量： 30 一、土基的回弹模量： n柔性压板 第四节 土基的承载能力 若已测得，由l、 p、a、反算出E 为土基的泊松比 31 一、土基的回弹模量： n刚性压板 第四节 土基的承载能力 若已知l、p、a、反算E 为土基的泊松比 32 一、土基的回弹模量： n刚
14、性承载板用于土基回弹模量的测试 第四节 土基的承载能力 逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa， 卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一 级荷载，回弹变形值超过1mm，则停止加载 。点绘荷载回弹弯沉曲线。 承载板直径的大小影响测定结果。 33 二、地基反应模量： n用温克勒地基模型描述土基工作状态时。用地基反应模量 表征土基的承载能力。 n温克勒地基的假定：土基顶面任意一点的弯沉l，仅同作用 于该点的垂直压力p成正比，而同其它相邻点处的压力无关 。 n压力p与弯沉l之比称为地基反应模量K。 K=P/L n适合于（弹簧地基）稠密液体地基模型，地基反应模量K值 相当于该液体的相对重度，路面板受
15、到的地基反力相当于 液体产生的浮力。 第四节 土基的承载能力 34 二、地基反应模量： 第四节 土基的承载能力 K值的确定： 刚性压板， D=76cm，一次加载到位。 a、当地基较软弱时，用 l=0.127cm 的弯沉量控制承载板 荷载； b、当地基坚硬，沉降难以 达到0.127cm时，用p=70KPa控制 承载板荷载。 D值越小，K值越大： K76=0.43*K30 地基回弹反应模量:KR=1.77K 35 三、加州承载比（CBR） ： n定义： 评定土基及路面材料承载能力的指标，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。 n测定方法
16、： 标准压头端部面积19.35cm2，以0.127cm/min 的速度压入土 中，记录每贯入0.254cm时的单位压力，直到压入深度达到 1.27cm时为止。 计算CBR值时，取贯入度为0.254cm；但当0.254cm时的CBR值 小于贯入度为0.508cm时的CBR值时，应采用后者。 第四节 土基的承载能力 CBR= p/ps100 p对应某一贯入度的土基单位压力kPa Ps相应贯入度的标准压力kPa 36 三、加州承载比（CBR） ： n实验方法： nCBR值优点: 第四节 土基的承载能力 缺点: 我国把其作为路基填料选择的依据。 37 一、路基的主要病害： n路基沉陷 n边坡滑塌 n碎落和崩塌 n路基沿山坡滑动 n不良地质和水文条件造成的路基破 坏 第五节 路基的变形、破坏与防治 38 一、路基的主要病害： n路基沉陷：路基表面载垂直方向产生较大的竖向位移 自身压缩沉缩 天然地基承载力不足引起的沉陷。 第五节 路基的变形、破坏与防治 39 一、路基的主要病害
