行车荷载、环境因素、材料的力学性质 物理课件

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1、第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第一节 行车荷载 一、车辆的种类 1、道路上行驶的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。 客车分为小、中、大三类；货车分为整车、牵引式挂车 、牵引式半挂车。 2、汽车的总荷载通过车轴与车轮传递给路面，所以路面 结构设计主要以轴载作为荷载标准。 3、在道路行驶的多种车辆的组合中，重型货车与大客车 起决定作用，轻型货车与中、小客车影响可忽略，但考 虑路面表面特性要求时，以小汽车为主要对象。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质二、汽车的轴型 1、轴载的大小直接关系到路面结构设计； 2、为统一设计标准和便于交通管理，我国公路与城市道 路路面设计规范中均以10

2、0KN作为设计标准轴重，即通 常认为我国的道路车辆轴限为100KN； 3、目前，在我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般在 60130KN范围内，大部分在100KN以下； 4、由于汽车向大型重型发展，出现了多轴货车，以减轻 对道路压力，我国常见汽车路面设计参数见表2-1。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质三、汽车对道路的静态压力 1、汽车对路面的静态压力主要由轮胎传给路面的垂直压 力，大小受下列因素影响： A、汽车轮胎的内压力； B、轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形态； C、轮载的大小。 2、轮胎与地面的接触形状近似于椭圆形，工程设计中以 圆形接触面积来表示。将车轮荷载简化成当量的圆形均

3、布荷载，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力。 3、当量圆的半径计算公式见（2-1）（2-3）。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质四、运动车辆对道路的动态影响 （1）水平力 车辆在行驶过程中产生的水平力（尤其是制动时较大） ，水平应力的作用范围同垂直应力一样，也认为是均匀 分布在当量圆内。 （2）动载特性 主要随三个因素变化：行车速度、路面的平整度、车辆 振动特性。 设计时，以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 （3）瞬时性 动荷载下路面变形量的减少意味着路面结构强度的提高 ，或者说路面体系的强度相对增大了。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质五、交通分析 1、交通量 交通量是指一定时

4、间间隔内通过道路某一断面的车辆总 数，设计路面时，通常以平均日交通量来表征道路的交 通状况，即每昼夜通过道路某一断面的车辆总数。 交通量的观测方法有两种：直接记录不同类型车辆的通 行次数；用自动记录仪器记录通行车辆的轴数与轴载大 小，然后按轴载大小进行分类统计。 2、轴载组成与等效换算 汽车的轴载与通行次数可以按照等效原则换算成标准轴 载的作用次数。 标准轴载的规定：我国沥青路面和水泥混凝土路面规范 均以双轮组单轴100KN作为标准轴载，以BZZ-100表示。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质各级轴载等效换算为标准轴载的原则：同一种路面结构 在不同轴载作用下，要达到相同的疲劳损坏程度。

5、 将交通量中各级轴载换算为BZZ-100后得到的轴载作用次 数称为当量轴次（次/日），由此可得到设计年限内一个 车道上的累计当量轴次。 3、轮迹横向分布 距路面外侧缘0.9米和3米附近的轮迹分布达到峰值，车道 边缘路面受到的轴载作用次数少。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第二节 环境因素影响 温度和湿度对路基路面结构有重要影响。其变化会使路 基路面产生温度应力和湿度应力。 1、路基温度对路面的影响 影响因素主要有： 大气降水和蒸发；地面水的渗透；地下水的影响； 温差引起的湿度变化沿路基深度出现较大的温度梯度时 ，水分在温差的影响下以液态或气态由热处向冷处移动 并积聚在该处。 2、水泥

6、混凝土面层湿度状况及其影响 面层湿度状况的变化也会引起混凝土出现体积变化。 （1）塑性收缩； （2）干燥收缩；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质3、冰冻与融冻对路面的影响 （1）冰冻水结冰体积增大，使路基隆起而造成路面 开裂； （2）融冻冰冻路基融化后使路基失去承载力，导致 路面损坏。 4、温度变化预测 影响路面结构温度状况的因素分为内部和外部两大类。 外部因素中气温和太阳辐射是决定路面温度状况的两项 最重要因素； 内部因素为路面结构层的热特性。 路面结构内的温度状况，可通过同当地的气象资料及路 面结构的热特性参数之间建立联系的方法来预估，预估 方法分统计法和理论法。第二章 行车荷载、

7、环境因素、材料的力学性质5、温度对路面的影响温度沿深度呈曲线分布，经历由负到正再到负的循环； 水泥混凝土路面要锯缝；沥青路面可能会高温低温裂缝第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第三节 土基的力学强度特性 一、路基受力状况 1、路基的受力受自重（随深度增加应力增加）与车 辆荷载作用（随深度增加应力减小）； 2、车轮荷载作用下的应力计算公式（2-10），自重应力 计算公式（2-11）。二、路基工作区 1、路基工作区在路基某一深度处，车辆荷载在土基 中引起的应力可以忽略不计（约为土基自重应力的1/10 1/5），这一深度范围以内称为路基工作区（深度用Za表 示）； 2、工作区内路基土的强度和

8、稳定性极为重要。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质三、路基土的应力应变特性 1、应力与应变关系与理想线弹性材料有很大区别，分三 个阶段： 阶段1弹性变形阶段，应力应变关系曲线呈近似直线 ； 阶段2塑性变形阶段，部分变形能恢复，部分变形不 能恢复，应力应变关系曲线呈曲线； 阶段3破坏阶段，应力继续增大，变形急剧增大，土 体破坏。 2、按照应力应变曲线上应力取值方法的不同，模量有 以下几种： A、初始切线模量：应力值为零时的应力应变曲线的斜 率；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质B、切线模量：某一应力级位的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； C、割线模量：

9、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； D、回弹模量：应力卸除阶段，应力应变曲线的割线模 量。 前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变，而回 弹模量则仅包含回弹应变，它部分地反映了土的弹性性 质。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质四、重复荷载对路基土的影响 1、重复荷载作用对土基的影响： A、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； B、每一次加载在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形 成引起整体破坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。 2、

10、最终产生何种影响，主要取决于： A、土的性质（类型）和状态（含水率、密实度）； B、相对荷载（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）； C、荷载作用的性质（即施加的速度、每次持续时间等）第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第四节 土基的承载能力 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、加州承载比等 一、土基回弹模量 弹性模量E0把土基简化为一弹性半空间体，以圆形 承载板压入土基的方法测定； 二、地基反应模量 地基反应模量KR力学模型假设地基上任一点的反力 与该点挠度成正比，与其它点无关，土基相当于由互不 联系的弹簧组成； 三、加州承载比（CBR

11、） 加州承载比（CBR值）承载能力以材料抵抗局第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质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，它们的相对比值即为CBR值；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第五节 路基的变形、破坏及防治 一、路基的主要病害 1、路基沉陷； 2、边坡滑塌； 3、碎落和崩塌； 4、路基沿山坡滑动； 5、不良地质和水文条件造成的路基破坏； 二、路基病害防治 防治措施主要有： 1、正确设计路基横断面； 2、选择良好的路基土填筑路基，必要时对路基上层填土 作稳定处理；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质3、采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定 的

12、压实度； 4、适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上 升进入路基工作区范围； 5、正确进行排水设计； 6、必要时设置隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少 路基冰冻深度和水分累积，设置砂垫层以疏干土基； 7、采取边坡加固、修筑挡土墙、土体加筋等防护技术措 施，以提高其整体稳定性。第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第六节 路面材料的力学强度特性 路面所用材料，按形态及成型性质大致可分为三类： 1、松散颗粒型材料及块料； 2、沥青结合料类； 3、无机结合料类。一、抗剪强度 按摩尔强度理论，材料的抗剪强度包括摩阻力和粘结力 两部分，即公式（2-28）；粘结力和内摩擦角可以通过直接剪切试

13、验，按上式计算 ；对松散粒料无法进行直剪试验时，可以由三轴压缩试 验，绘制摩尔圆和相应的包络线，按上式近似求出；沥 青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、试验温度第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质、加荷速率等因素有关。 二、抗拉强度 路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所 提供，可以采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力 应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。 三、抗弯拉强度 路面在车辆荷载作用下处于受弯拉状态，路面材料的抗 弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评定。计算公式 见（2-31） 四、应力应变特性 1、无机结合料可用三轴压缩试验所得到的应力应变关 系曲线求得回弹模量

14、值，具有明显的非线性特征，计算第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质公式见（2-32）； 2、水泥混凝土的弹性模量可由规则试件进行测定，常用 的试验方法有单轴试验、三轴试验、小梁试验； 3、沥青混合料在荷载作用下的应力应变具有随温度和 荷载作用时间而变化的特性，因此不能用一个常量弹性 模量来表征沥青混合料的应力应变关系，采用劲度模 量来表示（就是在给定温度和加荷时间条件下的应力 应变参数）；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构在荷载的重复作用下，可能出现的破坏极限状 态有两种： 1、塑性变形累积达到一定程度，超出允许范围而破坏； 2、在弹

15、性工作状态下，结构内部出现微量损伤，当累积 达到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂。 一、累积变形 1、碎、砾石混合料级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很 多次以后，塑性变形仍增大； 2、沥青混合料温度越高，塑性应变累积量越大；第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质二、疲劳特性 1、对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能 在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种 材料强度的降低现象称为疲劳，在应力重复作用下微量 损伤逐步累积扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏 。 2、疲劳破坏是路面结构损伤的主要现象。提高路面的抗 疲劳性能应注意从两方面加强配合： 一是合理的材料设计，使混合料达到最佳配合比和最大 密度，使混合料具有较高的强度； 二是合理的结构设计，使得各结构层的层位与厚度达到 理想的程度，在车辆荷载作用下，确保结构层的最大应 力和应力比在控制范围内。