《6道路工程—(第6章)行车荷载、环境因素、材料的力学性质演示教学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6道路工程—(第6章)行车荷载、环境因素、材料的力学性质演示教学（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、主讲：张军辉,道路工程 (第六章),内容提要,本章首先介绍汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量等。 考察在环境因素的影响下路基路面体系内的温度和湿度变化规律，提出路面温度和路基湿度的预估方法。 讨论材料同路基路面结构设计相关的两方面力学性质，即强度特性（极限强度和疲劳强度）和变形特性（应力应变关系和变形累积），以及表征这些特性的指标和测定方法；并且专门介绍路基路面顶面在局部荷载作用下荷载变形关系的指标及其评定方法。,第一节 行车荷载,第五节 路基的变形、破坏及防治,第二节 环境因素影响,第六节 路面材料的力学强度特性,第三节 土基的力学强度特性,第七
2、节 路面材料的累积变形与疲劳特性,第四节 土基的承载能力,第六章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,一、为什么要研究行车荷载？,二、行车荷载分析研究的内容 汽车轮重与轴重的大小与特性； 不同车型车轴的布置； 设计年限内，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比较等。,第一节 行车荷载,在路面设计中，不同汽车的影响不同 重型货车与大客车的作用次数在路面结构计算起作用 小汽车一般在路基路面结构计算时不考虑，但对于路面使用的安全性（抗滑性能）和舒适性平整性要求很高。,第一节 行车荷载,四、汽车的轴型,1. 轴限,轴重的大小直接关系到路面的设计承载力与结构强度。 我国公
3、路与城市道路面的设计规范中均以100kN作为设计标准轴重，通常认为我国道路车辆轴限为100kN。,2. 轴型,整车形式的客、货车车轴分前轴和后轴。大部分后轴为双轮组，少量轻型货车为单轮，后轴轴载一般在60130kN间，大部分在100kN以下。 为提高整车载重，一般采用多轴多轮形式，以减轻对路面的压力。,轴 型 分 类 图,图中数字符号为轴型代号,第一节 行车荷载,五、汽车对道路的静态作用,1. 静态压力,汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态。 汽车在停驻状态下对路面的作用力称为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直力P。其大小受下述因素的影响: 汽车轮胎的内压力pi； 轮胎的刚度和轮胎与路面
4、接触状况； 轮载的大小。,第一节 行车荷载,五、汽车对道路的静态作用,2. 当量轮载,轮胎标准静内压力pi一般在0.40.7MPa范围内。,在工程设计中，对接触压力p进行如下简化： 以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi； 接触面形状为圆形； 接触面上的压力为均匀分布。,那么当量圆半径或当量圆直径D（或d）为：, 单轮：,P为轮载(kN)；p为轮压(kPa)；为当量圆半径(m),第一节 行车荷载,五、汽车对道路的静态作用, 双轮：, 单圆荷载：每一侧的双轮用一个圆表示时称为单圆荷载。其圆直径D为：, 双圆荷载：每一侧的双轮用两个圆表示时称为双圆荷载。其圆直径d为：,第一节 行车荷载,五、汽车
5、对道路的静态作用,我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100的轴重为100kN（单轴双轮），则当量圆直径： 轮载P=100/4=25kN；轮压p=700kPa 单圆荷载:D=0.302 m 双圆荷载:d=0.213 m,第一节 行车荷载,六、运动车辆对道路的动态影响,1. 水平力,第一节 行车荷载,六、运动车辆对道路的动态影响,车辆在紧急制动时对路面产生的水平力最大，可达垂直力的80，在路面设计时，不容忽视其影响。水平力分布在与垂直力相同的接触面内，通常假设水平力也是均匀分布的。,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，直接承受水平荷载的作用，若抗剪强度不足，则会
6、导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。,水平力作用深度一般不大，约为710cm左右。,第一节 行车荷载,六、运动车辆对道路的动态影响,2. 振动力,产生：因车身自身的振动和路面的不平整使车轮在路面上跳动而产生。,冲击系数=振动轮载的最大峰值静载,轮载的振动作用可用冲击系数来衡量,较平整的路面上，车速不超过50km/h，冲击系数不超过1.3 路面设计时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 路面设计时，由于柔性路面有一定的抗振作用，所以一般不考虑行车荷载的振动力；对于刚性路面则必须考虑振动力的影响。,第一节 行车荷载,六、运动车辆对道路的动态影响,3. 车辆荷载作用的瞬时性,路面结构中应力传递
7、是通过相邻颗粒来完成 瞬时性表现为路面变形的减小，可理解为路面刚度和强度相对增大。,根据美国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对其作过测定： 速度由3.2km/h56km/h时，沥青路面总弯沉减少36% 速度由3.2km/h96.7km/h时，水泥砼路面板角挠度和板边应变量减少29%左右,第一节 行车荷载,六、运动车辆对道路的动态影响,4. 车辆荷载作用的重复性,重复荷载与一次荷载作用的效果并不一样： 弹性材料表现出疲劳性质，即材料强度随荷载重复次数的增加而降低。 弹塑性材料（如土基和柔性路面）产生变形累积 因此，对于路面设计，在荷载指标上应同时考虑轴重静力和动力量值以及轴载的作用次数。
8、,第一节 行车荷载,七、交通分析,1. 交通量,交通量是指一定时间间隔内各种车辆通过某一道路横断面的数量。交通量通过交通流量调查分析得到。, 通过观测站的调查与分折得到,对于公路设计，不仅要收集交通总量，还要对车型进行分类。,4类：小客车、中型车、大型车、拖挂车。,对于路面结构设计，还应确定轴型和轴载大小，同时应估计货车的满载程度，确定空车率。,第一节 行车荷载,七、交通分析,1. 交通量,利用自动化轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后按轴载大小分类统计累计轴载数。 轴载谱调查与交通量统计相互校核与补充, 轴载谱调查,第一节 行车荷载,七、交通分析,1. 交通量, 轴载谱调查,第一节
9、行车荷载,七、交通分析,2. 轴载换算,为什么要进行轴载换算？,我国水泥砼路面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（BZZ-100），其它各种轴载与通行次数按照等效换算原则换算成标准轴载的当量通行次数。,等效换算原则：即同一种路面结构在不同轴载作用下达到 相同的损伤程度,第一节 行车荷载,七、交通分析,2. 轴载换算,换算公式,轴载换算系数i,式中：a为反映轴型和轮组的影响系数；n为同路面结构特性有关的系数；Ni为第i级轴载作用次数；Ns为第i级轴载换算为标准轴载的作用次数。 不同的路面结构其结构特性不同，损伤标准也不同，因而a、n的取值也不同，具体数值在以后有关的章节
10、分别作介绍。,第一节 行车荷载,七、交通分析,3.设计年限累计交通量,在进行路面结构设计时必须确定设计年限内标准轴载累计作用次数Ne。确定步骤如下：, 首先，通过调查分折确定初始年标准轴载日平均当量作用次数N1, 然后，通过分折论证，确定交通量年平均增长率, 最后，按下式确定设计年限内标准轴载累计作用次数,第一节 行车荷载,七、交通分析,4. 轮迹横向分布, 概念：一般而言，轴载通行次数是按一定规律分布在车道横断面上，这称为轮迹的横向分布。,轴载横向分布规律一般是用频率曲线表示：,条带频率条带上受到车轮的作用次数/车道上受到的作用次数,第一节 行车荷载,七、交通分析,4. 轮迹横向分布,影响因
11、素：影响轮迹横向分布频率曲线图的因素有：交通量、交通组成、车道宽度、交通管制规则等。,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来反映轮迹横向分布频率的影响。通常取两个条带的宽度50cm（因为双轮组每个轮宽为20cm，轮隙宽10cm）的条带频率之和作为轮迹横向分布系数。,一、温度变化和湿度变化对路基路面结构的影响,第二节 环境因素影响,1. 路基路面材料的强度和刚度随其温度和湿度的变化而变化。 2. 路基路面材料的体积也随路基路面结构内温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩，当这种胀缩受到约束时便产生温度应力和湿度应力。,第二节 环境因素影响,1. 路面结构内温度变化规律,二、路面结构温
12、度变化规律,第二节 环境因素影响,二、路面结构温度变化规律,2. 影响路面结构内温度状况的因素有：外部条件和内部因素,外部条件：主要是气候条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。其中主要是太阳辐射和气温。 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。,3. 温度状况预估,预估路面结构内温度状况的方法有统计方法和理论方法两种,第二节 环境因素影响,二、路面结构温度变化规律,3. 温度状况预估, 统计方法：测温元件测定路面结构层内不同深度处的温度，同时收集当地气象资料（气温和辐射热等），然后进行数学上的逐步回归分折来建立路面结构内温度预估方程（如下
13、式所示）。也只能在本地区或条件相似地区使用,理论方法参数确定难度大，理论预估的结果与实测结果存在一定的差距。, 理论方法：则是应用热传导理论方程推演出各项气象资料和路面材料热物理性参数组成的温度预估方程式。,第二节 环境因素影响,三、路基路面结构湿度变化规律,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，影响路基路面结构的强度、刚度及稳定性。,由于影响路基湿度变化的因素很多，难以从理论上给予准确预测。 保持路基干燥的主要方法是设置良好的地面、地下排水设施和路面结构排水设施 。,一、路基受力状况,第三节 土基的力学强度特性,1、荷载应力,2、自重应力,第三节 土基的力学强度特性,路
14、基工作区内，土基的强度和稳定性很重要。填料选择和压实度要有更高要求。,在路基某一深度处，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（约1/n=1/101/5）时，该深度范围的路基称为路基工作区。,第三节 土基的力学强度特性,三、路基土的应力应变特性 总变形的7095%,1、压入承载板试验方法, 将承载板置于土基顶面，逐级进行加载卸载并记录该荷载引起的沉降变形，绘制应力与回弹变形关系曲线如右图所示。,根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形可用下式计算土基的回弹模量E：,第三节 土基的力学强度特性,三、路基土的应力应变特性,1、压入承载板试验方法, 装置同上，采用先逐级加
15、载，然后逐级卸载。, 初始切线模量； 切线模量； 割线模量； 回弹模量,2、应力或应变函数表征的方法,如：砂性土路基的回弹模量：,第三节 土基的力学强度特性,四、重复荷载对路基土的影响,土基承受着车轮荷载的多次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形即刻消失而塑性变形则残留在土基之中，随着作用次数的增加，产生塑性变形积累。最终导致两种可能的结果：,1. 土体逐渐压密。土体颗粒之间进一步靠扰，每次加载产生的塑性变形愈来愈小，直至稳定。 2. 土体被破坏。在重复荷载的作用下，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。,第四节 土基的承载能力,一、土
16、基回弹模量,1. 柔性压板法,2. 刚性压板法,土基的承载能力都采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。用于表征土基承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比（CBR）等。,第四节 土基的承载能力,二、土基反应模量,1. 定义：用温克勒（E.Winkler）地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量K表征土基的承载力。（温克勒地基也称K地基、弹簧地基、稠密液体地基）,2. K的测定 用承载板试验确定，板直径为76cm，采用一次加载到位的方法。,第四节 土基的承载能力,三、加州承载比（CBR）,1. 定义,加州承载比是美国加利福尼亚州（California）提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力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。,2. 试验方法,用一个端部面积为19.35cm的标准压头，以0.127cmmin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时为止。此外，标准压力ps值是用高质量标准碎石由试验求得。,一、路基的
