行车荷载,环境因素详解

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1、上节内容回顾： 1. 道路工程的发展概况路基路面工程的科研成果； 2. 路基路面的功能和要求： (a)强度和刚度 抵抗荷载作用下产生的各种应力和长期荷载作用下 产生的变形； (b)足够的稳定性； (c)耐久性； (d)表面平整性；(e)表面抗 滑性. 3. 影响路基路面稳定性因素 (a)自然因素(地质和地理条件，气候条件，水文及水文地质，土的类 别和强度) (b)人为 因素(荷载作用，路基路面结构，施工方法与质量，养护措 施) 4. 路基土的分类及工程性质(根据塑性指标、颗粒组成、有机质含量分 为：巨粒土、粗粒土、细粒土、特殊土) 5.公路自然区划 一级自然区划：根据地理、地貌、气候、土质等因

2、素划分为7个区； 二级自然区划：以气候和地形为主导因素，以潮湿系数为主要标志体系 ； 三级自然区划：以行政区域作为界限，有两种区划方法：按照地貌、水 文和土类划分；按照水热、地理和地貌划分。 Date 6. 路基的水温状况和干湿类型(分界稠度) 7. 路面结构及层次划分(对面层、基层、垫层的要求) 8. 路面等级与分类 路面等级：高级、次高级、中级、低级； 路面分类：柔性路面、刚性路面、半刚性路面. Date 第2章 行车荷载、环境因素 与土基的承载能力 路基路面工程 参考教材：路基路面工程，主编：邓学钧，人民交通出版社，2005 * 本章主要介绍道路上行车荷载的特点、道路交 通分析、环境因素

3、对路面结构的影响、土基的力学 强度特性与承载能力等基础知识。 2.1 行车荷载 2.2 交通分析 2.3 环境因素对路面结构的影响 2.4 土基的力学强度特性 2.5 土基的承载能力 2.6 路基的变形、破坏及防治 2.7 路面材料的力学特性（选学） Date 2.1 行车荷载 2.1.1 车辆种类 注：1）货车总的发展趋向是向大吨位发展（集装箱，40-50吨） 2）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， 3）在设计时：结构设计，主要考虑重型车 路面表面特性(平整性，抗滑性)：以小汽车为主要对象。 客车小客车自重和满载满载 重量小，车车速高， 120

4、km/h 中客车620个座位 大客车20个座位以上，长长途客运和城 市公共交通 货车整车货货箱与汽车发动车发动 机一体。 牵引式挂车 牵牵引车车与挂车车分离，牵牵引车车提 供动动力，牵牵引后挂的拖车车 牵引式半挂车 牵牵引车车与挂车车分离，铰铰接，牵牵 引车车的后轴轴也担负负部分货车货车 的 重量 Date 对于路面结构设计而言，主要考虑汽车的轴重。由于 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。 据国际道路联合会1989年公布的统计数据，在141个 成员国和地区中，轴限最大的为140KN，近40%执行 1

5、00KN轴限。 我国公路与城市道路路面设计规范中均以100KN作为 设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为100KN。 2.1.2 汽车的轴型 Date 1）定义：汽车对道路的作用可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，其大小主要取决于车轮的总 重。 2）影响因素： a、汽车轮胎的内压力pi。 b、轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状。 c、轮载的大小。 货车轮胎的标准静内压力pi一般在0.40.7MPa范围内。 2.1.3 汽车对道路的静态压力(接触压力) Date 3）接触压力： a、通常停驻时接触压力p约为(0.80

6、.9) pi b、行驶温度内压力 p约(0.91.1) pi c、轮胎新旧、接触面形状、轮胎的花纹影响接触压力的 分布，一般接触面上的压力分布是不均匀的。 在路面设计中，通常忽略上述因素的影响，认为p=pi，并 假定在接触面上，压力是均匀分布的。 2.1.3 汽车对道路的静态压力(接触压力) Date 4）荷载图式： 汽车轮胎与路面接触 形状近似于椭圆(长短轴 差别不大)，其面积称为 轮迹面积。 在路面设计中，将其 换算为等面积的当量圆 ( 轮迹当量圆，相应的面积 则称为轮迹当量圆面积) ，并将车轮荷载简化为圆 形均布荷载。 Date 对于单轮组车轴： 当量圆半径计算： 对于双轮组车轴： 每一

7、侧双轮用一个圆表示，称为单圆荷载： 每一侧双轮用两个圆表示，称为双圆荷载： 注：P作用在车轮上的荷载，kN。 Date 动载特性汽车在道路上行驶，由于车身本身的振动和 路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上 跳跃前进，作用在路面上的轮载也呈时大时小的波动形式。 （水平力、振动力）（瞬时性、重复性） 2.1.4 汽车对道路的动力作用 中等平整度路面， 车速60km/h， 轮胎着地长23cm 通过时间0.0138s Date 1）汽车对道路的水平力作用 汽车运动形式不同，产生的水平力的大小和方向也不同。 上坡和加速汽车对路面产生向后的水平力； 下坡制动及减速产生向前的水平力； 在弯道

8、上行驶产生侧向水平力； 直线等速运动克服各种阻力而对路面施加一定的水平力。 后果：水平力易使路面产生波浪、拥包、推挤等损坏，要求 面层材料有足够的抗剪强度城市道路 大小：与垂直压力P、轮与路面附着系数有关 qmaxp Date 2）汽车对道路的振动力作用 a、轮载振动力可近似地看作为呈正态分布，其变异系数( 标准离差/轮载静载)影响因素： 行车速度：车速越高，变异系数越大； 路面的平整度：平整度越差，变异系数越大； 车辆的振动特性：轮胎刚度，减振装置效果。 正常情况下，变异系数一般均小于0.3。 b、冲击系数：振动轮载的最大峰值与静载之比。在较平 整的路面上，行车速度不超过50km/h时，冲击

9、系数不超过 1.30。 路面设计时，有时要计入冲击系数的影响。 以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 Date 3）动荷载的其它影响 瞬时性：作用时间0.010.10S左右 行车速度由3.2km/h提高到56km/h，沥青路面的总弯沉 减少36%； 当行车速度由3.2km/h提高到96.7km/h，水泥混凝土路 面的板角挠度和板边应变量减少29%左右。 动荷载作用时间短暂，应力来不及传递到较深的土层，路 面变形量减小；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提高。 重复作用：材料的疲劳/弹塑性材料变形的累积 路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，道路通行 的各类轴载的累积

10、作用次数也是路面设计的重要参数。 Date 2.2.1交通量： 定义：一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。 对于路面结构设计，不仅要求收集交通总量，还必须区分不同的车型 。 交通量观测调查： 1、直接观测：分车型 2、轴载谱调查： 交通量年平均增长率根据长期交通观测资料得到，设计年限内 累计交通量Ne： N1为设计初始年平均日交通量；Nt=N1(1+)t-1 2.2 交通分析 注：Ne乘以方向系数和车道系数后即可得到车道交通量。 方向系数：一个行车方向的交通量与行车道交通量的比例。 Date 1)轴载组成/轴载谱 不同重量的轴载 给路面结构带来的损伤程 度是不同的各级轴载所 占的比

11、例即为轴载组成/谱 。 由交通量调查得 到的各类车辆的日交通量 乘以与相应的轴载谱百分 率各类车辆各级轴载的 相应日作用次数。 2.2.2 轴载组成与轴载换算 轴载谱的应用：轴载调查轴载谱各级轴载作用次数； “实践理论实践” Date 2）轴载换算 道路上行驶的汽车轴载与通行次数可以按照等效原则换 算为某一标准轴载的当量通行次数。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双轮组单轴轴载100KN作 为标准轴载。 换算原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同 的损伤程度。 注：其以结构损伤为基础(区别道勘交通量折算车辆 占用道路净空) 换算公式： 式中：反映轴型(单轴、双轴或三轴)

12、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。 不同路面结构换算公式不同，具体公式见相应规范章节。 Date 当以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力为设 计指标时，轴载换算采用如下的计算公式: Date 3）轮迹横向分布 a）车辆在道路横断面上的分布，通常在中心线附近一 定范围内摆动，由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而车 道上的轴载作用次数既不会集中在横断面的某一固定位置， 也不可能平均分配到每一点上，而是按一定的规律在车道横 断面上分布，该现象称为轮迹横向分布轮迹横向分布频率 曲线。 b）影响因素：交通量、交通组成，车道宽度、交通管 理规则等。 c ）轮迹横向分

13、布系数：取轮迹横向分布频率曲线中 二个条带的宽度50cm(20+10+20)的条带频率之和称为轮 迹横向分布系数。 Date 3）轮迹横向分布 Date 2.2.4交通量预测分析步骤 1）交通调查； 2）轴载组成分析； 3）轴载换算，求当量轴载作用次数； 4）求N1； 5）求Ne Date 2.2.4交通量预测分析(例题) 例2.1 某沥青路面，由交通调查资料得知，其中5轴和 5轴以上的牵引式半拖车和拖车类车辆的日交通量为165辆 ，由称重得到的这类车辆的轴载组成列于下表，请确定这类 车辆的等效轴载换算系数。 Date 轴载 （kN）轴次数 轴载换 算系 数 当量轴次数 单轴 2000.001

14、60 204000.00810 406010.06250 608060.24011 801001440.656194 100110161.215519 11012011.7492 双轴 40140.00320 4080210.01620 80120440.1256 120160420.480220 160180441.04446 180200211.62934 2002201012.431246 220240433.498150 累计当量轴次数619 解：由规范，取标准轴载 为100KN。 （1）交通调查，由题目给出 ； （2）轴载组成分析，如表： （3）计算各种轴载的换算系 数，结果如表：

15、（4）轴载换算，计算各种轴 载的当量轴载次数；见表： （5）求和，可得累计当量轴 载作用次数； （6）则等效轴载换算系数为 ：619.31/165=3.75 所以，其等效轴载换算系数 为3.75 Date 2.2.4交通量预测分析(例题) 例2.2 某二级汽车专用公路，沥青路面，设计年限为 15年。由交通量调查资料得到，初始年平均日交通量为 7000辆，其中同路面损坏有关的各类车辆的交通量列于下 表中，方向系数为0.5。请计算设计年限内标准轴载累计作 用次数。 Date 解：由规范，取标准轴载 为100KN。 （1）交通调查，由题目给出 ； （2）计算各种车型的等效轴 载换算系数，结果如表： （4）轴载换算，计算各种车 型的当量轴载次数见表： （5）由题可知t=15，查表 取交通量年平均增长率r=4%，可 计算各种车型的当量轴载在设计年 限内累计作用次数Ne，见表； （5）求和，可得设计年限内 标准轴载累计作用次数 Ne=6,172,345辆。 所以，设计年限内标准轴载 累计作用次数为6,172,345辆。 车辆类 型 初始 交通 量 等效轴 载换 算 系数 标准轴 载作用 次数N1 设计 年限 内累计作 用次数Ne 2轴公共汽车480.512324.5904179,722 3轴公共汽车251.117827.945204,239 2轴4轮