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1、第二章 行车荷载 环境因素 材料的 力学性质 1 主要内容 u第一节 行车荷载 u第二节 环境因素影响 u第三节 土基的力学强度特性 u第四节 土基的承载能力 u第五节 路基的变形 破坏及防治 u第六节 路面材料的力学强度特性 u第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性 2 第一节 行车荷载 1 行车荷载及其对路面的影响 p汽车荷载既是路基路面的服务对象 又是造成路基路面 结构损伤的主要原因 p它是不断移动着的 具有振动和冲击影响的动荷载 p汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重的大小与特性 车 轴的布置 汽车轴载的时间分布特性 以及汽车静态与 动态荷载的特性比较等不同方面 3 第一节 行车荷载 2 车
2、辆的种类与作用特点 p道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类 p客车又分为小客车 中客车与大客车 p货车又分为整车 牵引式挂车和牵引式半挂车 p汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴 再传递到车 轮 最终由轮胎传递到路面 因此 路面结构设计主要 以轴重或者轮压来进行控制 4 第一节 行车荷载 2 车辆的种类与作用特点 轴载 轴型分布 p单轴单轮 p单轴双轮 p双轴单轮 p双轴双轮 p多轴多轮 5 第一节 行车荷载 汽车的轴型 6 第一节 行车荷载 图2 1 不同轴型的货车示意图 汽车的轴型 7 第一节 行车荷载 3 轴轮组与轴重 整车分前轴和后轴 绝大部分车辆 的前轴为两个单轮组成的单轴
3、轴载约为P 3 极 少数汽车前轴为双轴单轮组 轴重约为P 2 大部 分货车后轴由双轮组组成 有单轴 双轴和三轴等 三种 大部分轴重在100KN以下 一般都在60 130KN 范围以内 4 轮压与压圆 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 8 图2 2 车轮荷载计算图式 a 单圆图式 b 双圆图式 汽车的轮压与压圆 PP P P P d PP d dd D 1 5 d D 路面 路面 a b 第一节 行车荷载 9 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 b 单圆荷载的当量圆直
4、径D 第一节 行车荷载 荷载圆半径和直径 10 5 运动车辆对道路的动态影响 道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外 还施加水平 力和振动力 对路面固定点而言 这种影响又具有瞬时性和重复 性 图2 3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力 a 停驻 b 启动 一般行驶 加速 c 减速 制动 d 转向 P PPP V QQ a b c d 第一节 行车荷载 11 1 水平力 行车安全要求 qmax p 其中 为路表与车轮的附着系数 它同路面类型与湿度以及行车速度有关 路表层水平力过大易 导致推挤 拥包 波浪及车辙等病害 2 振动力 振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数 设计路面时 应以静轮载乘以
5、冲击系数作为设计荷载 3 瞬时作用及重复 路面点的车轮作用时间约为0 01 0 10s 结构变形来不及呈 现 瞬时作用利于结构 但多次重复作用又易使其疲劳 第一节 行车荷载 12 表 2 2 纵 向 滑 移 路 面 附 着 系 数 路面状况路面类型 车速 km h 123264 干燥 碎石 0 60 沥青混凝土0 70 1 00 0 50 0 65 水泥混凝土0 70 0 85 0 60 0 80 潮湿 碎石 0 40 沥青混凝土0 40 0 65 0 10 0 50 水泥混凝土0 60 0 70 0 35 0 55 路表与车轮的附着系数 第一节 行车荷载 13 6 标准轴载 p作用在路面的设
6、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 p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 第一节 行车荷载 14 7 超载与超限 p超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量 p超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力 p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 第一节 行车荷载 15 1 交通调查与重复荷载 交通量调查与分析 调查内容
7、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 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 车道综合累计需考虑 8 交通荷载轴载换算和统计计算 第一节 行车荷载 16 第一节 行车荷载 序号轴型分布代表车型代号 整 车 类 1 中型货车 载重2 5 10T 跃进 解放 东风 等U1 1 2重型货
8、车 载重 10T 黄河 罗曼 斯太尔等U1 1 大通 交通 太脱拉等U1 2 半 挂 类 33轴半挂车 解放 东风 等国产牵 引 车 S1 1 1 44轴半挂车斯堪尼亚 沃尔沃 斯 太尔等进口牵引车或红 岩 黄河等引进技术生 产的牵引车 S1 1 2 55轴半挂车S1 2 2 S1 2 3 6 6轴半挂车 S1 2 3 按轴型分类的车辆类别 1 交通调查与重复荷载 17 第一节 行车荷载 轴轴型分类类及代号轴轴型示意图图 整车类 Single Unit Truck U1 1 U1 2 半挂类 Semi Tractor Trailor S1 1 1 S1 1 2 S1 2 2 S1 2 3 各类
9、轴型示意图 1 交通调查与重复荷载 18 2 车辆荷载的轮迹横向分布 第一节 行车荷载 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 19 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 3 轴载换算系数公式 第一节 行车荷载 20 第一节 行车荷载 4 沥青路面轴载换算系数公式 21 第一节 行车荷载 4 沥青路面轴载换算系数公式 22 第一节 行车荷载 5 水泥混凝土路面轴载换算系数公式 23 6 累计轴载作用次数 初
10、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 第一节 行车荷载 24 温度 湿度 图2 9 温度对沥青混凝土动弹性模量的影响图2 10 湿度对路基刚度的影响 含水量 重复应力28kPa 80 0 201030 40 120 回弹模量 MPa 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 温 度 动 弹 性 模 量 M P a 1 温度湿度对道路的影响概述 第二节 环境因素影响 25 第二节 环境因素影响 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 2 温度对道路
11、的影响 26 图2 11 沥青面层温度日变化曲线 表面下2cm 7cm 15cm 气温 时刻 h 4681012141618202224 10 20 30 40 50 温度 第二节 环境因素影响 2 温度对道路的影响 27 图2 15 沥青面层月平均温度的年变化曲线 1234567891011121 10 30 40 0 20 表面下2cm 7cm 30cm 气温 月份 温度 第二节 环境因素影响 2 温度对道路的影响 28 图2 12 水泥混凝土面层温度日变化曲线 810121416182022242468 23 26 29 32 35 20 气温 表面下1 5cm 5cm 11cm 16c
12、m 时刻 h 温度 第二节 环境因素影响 2 温度对道路的影响 29 第二节 环境因素影响 图2 13 一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线 232731353941 0 10 5 20 15 温度 深度 cm 5 00 8 00 24 00 10 00 19 00 16 00 14 00 2 温度对道路的影响 30 第二节 环境因素影响 图2 14 水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线 0 3 17 10121416182022242468 23 26 29 32 200 0 6 0 9 1 2 气温 温度梯度 面层厚22cm 时刻 h 温度 梯度 cm 2 温度对道路的影响
13、 31 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 第二节 环境因素影响 3 湿度对道路的影响 32 第三节 土基的力学强度特性 路基自重应力 路基任意点 车轮荷载应力 1 路基受力状况 33 第三节 土基的力学强度特性 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 10 1 5时 该深度Za范围内的路基称为路基工作区 概念 2 路基工作区 该深度Za随车辆荷载增大而增大 随路面的强度和厚度
14、的增 加而减小 34 第三节 土基的力学强度特性 对模量不同的路面结构 应将路面折算为与路基同一性质的 整体后 再进行计算 35 3 路基土的应力 应变特性 1 土的非线性特性 第三节 土基的力学强度特性 36 3 路基土的应力 应变特性 2 土基的模量 第三节 土基的力学强度特性 37 2 土基的模量 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
15、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 第三节 土基的力学强度特性 38 3 土基的流变性质 土的变形随时间变化的关系 土在荷载作用下的变形不仅与荷 载大小有关 而且还与荷载作用的持续时间有关 是一种具有 流变性质的材料 第三节 土基的力学强度特性 39 4 重复荷载对路基土的影响 1 土体逐渐压密 土体颗粒之间进一步靠拢 每一次加载产生 的塑性变形量越来越小 直至稳定 这种情况不致形成土基的整体性 剪切破坏 2 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 中产生了逐步
16、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 土基在重复荷载下产生以上哪种结果 取决于下列因素 土的性质 类型 和状态 含水率 密实度 结构状态 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 称为相对荷载 荷载作用的性质 即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 第三节 土基的力学强度特性 40 一 表征土基承载力的参数指标 1 土基回弹模量 回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质 可以用回 弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质 我国公路 水泥混凝土路面 沥青路面设计方法都以回弹模量E作为土基的 刚度指标 第四节 土基的承载能力 41 土基回弹模量测试 测定时宜采用逐级加载 卸载法 直径30 4cm的板 每一级荷载经过加载和卸载 取得稳定的回弹弯沉之后 再 加下一级荷载 如此施加n级荷载后 即可点绘出荷载 弯沉 曲线 在多数情况下 试验曲线呈非线性 在确定模量时 可以 根据土基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上 取值 路面设计中 按1mm线性归纳法来确定土基的回弹模量 第四节 土基的承载能力 42 2 地基反
