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1、车辆与地面的关系,概述,车辆为什么会行驶？ 因为有动力（发动机） 加大发动机的功率，是否车辆就一定跑得快？或把车辆吊起来，车有没有行驶能力？ 车辆必须与地面发生作用才能行驶。如何发生关系？必须通过车辆的行驶系与地面产生相互作用力。,车辆是什么？ 在地面上具有自行能力的机器。包括：汽车、拖拉机、火车、工程施工机械、军用武器和机械等。 车辆的组成： 动力（内燃机、电动机、）、底盘（传动系、行驶系、转向系和制动系）、工作（武器）装置、控制系统。 自行式工程作业机械也是特殊的车辆。,车辆典型的行驶系： 轮胎式、履带式和轨轮式。 地面：分硬地面和软地面。 硬地面：铺装路面（水泥路面、沥青路面和石方路面）
2、和硬土的非铺装路面。 软地面：非铺装的松软路面（越野路面、农田、含水量较大的地面等）。 研究车辆与地面的关系：解决地面不被压溃，能承载车辆、减小行驶阻力很快通过的问题（软地面的矛盾较突出）。 目的：指导车辆的设计。,早先人们认为，只要加大轮胎或履带的接地面积（如增加轮胎数、降低轮胎气压或加大轮胎或履带的尺寸），减轻对地面的单位压力，同时安装大功率发动机，车辆就能有良好的通过松软地面的能力。根据这一概念曾设计出3轴10轮驱动（双后轴，每轴端各装双轮胎）的军用越野货车。但通过在第二次世界大战中使用，结果表明：在同样的轴荷下，双轮胎的行驶阻力增大，行驶效果并不佳。 这就引起人们开始系统地研究轮胎、履
3、带等在各种地面上的驱动力、阻力、下陷、滑转及滑移等的变化规律和相互关系，即车辆土壤系统的相互关系，以解决车辆的通过性问题，来指导车辆的设计。,车辆土壤系统所涉及的是深度在几十厘米以内的地面土壤，车辆又是在广阔的地面上、在不同的季节以较高的速度、对小范围饱和或非饱和的各种土壤施加复杂的载荷，使土壤在短时间内产生较大的变形。这与经典土力学所处理的建筑物地基与土壤的相互作用有较大的差异。 建筑物地基是长年在固定地点、以相当大的静载荷或地震波、作用于较大范围、深达几十米的土壤，使土壤产生缓慢而相对微小的变化。因而不能完全采用经典土力学和土动力学的某些相类似的假定、理论、公式和方法。 对于土壤物质的多样
4、性和性质的多变性，车辆作用力的复杂性，土壤反应因应力路径、载荷历史而不同的特性，车辆土壤系统力学逐步形成一门独特的新学科，它的形成和发展与机器力学、土力学、土动力学、连续介质力学、流变学、系统力学、随机过程和数理统计，以及新的分析方法和计算机技术的发展有者密切联系。,一、地面土壤性质浅识,土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。岩石风化分为物理风化和化学风化。 物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。其特征是：量变过程，形成的土颗粒较粗。 化学风化：岩体
5、（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。其特征是：质变过程，形成的土颗粒很细。 对一般的土而言，是物理风化和化学风化双重作用的产物。,土的形成,土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物,搬运、沉积,形成过程 形成条件,物理力学性质,风化,影响,土从其堆积或沉积的条件来看可分为：,残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。 特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变； 寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。,运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积
6、物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。 冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑。 风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物，没有层理的细砂或粉粒，如黄土。 冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物，不成层、从漂石到粘粒。 沼泽土：在沼泽地的沉积物，含有机质、压缩性高、强度低。,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,土的组成,土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。 固相：土的颗粒、粒间胶结物； 液相：土体孔隙中的水； 气相：孔隙中的空气。,当土骨架的孔隙全部被水占满时，这种土称为饱和土； 当土骨架的孔隙仅含空气时，就成为干土；
7、 一般在地下水位以上、地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相系，称为湿土。 根据土的粘性分： 粘性土：颗粒很细； 无粘性土：颗粒较粗，甚至很大。如砂、碎石、甚至堆石（直径几十cm甚至1m）,土的组成,粘土,细砂,粗砂,碎石,卵石,碎石,粘土,不同类型的土,一、土的固相 土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土骨架最基本的物质，称为土粒。土粒是从其矿物的成分、颗粒大小和形状来描述。 粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组。某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。 土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。 通过土的颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质
8、量占该土总质量的百分数，叫做确定粒径分布范围。 土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定。,土的组成,土颗粒大小,粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径：,10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1,200g,10 16 18 24 22 38 72,小于某粒径之土质量百分数P（）,粒径(mm),P % 95 87 78 66 55 36,土的粒径级配累积曲线,二、土的液相 （一）吸着水 强吸着水：性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。 弱吸着水：也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚
9、的地方向水膜薄的地方转移。 由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。,（二）自由水 离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。 分为毛细管水和重力水。,1.毛细管水 土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。,2.重力水 在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称为重力水。 具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。 当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其
10、影响。 三、土的气相 存在于土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。,单粒结构,土的结构,蜂窝状结构,絮状结构： 絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。,土的絮状结构,土的物理性质指标,用土的物理性质指标反映不同土的特征。 常用的土的物理指标共有九个，（如含水率、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率、饱和度等），通过试验测定和指标换算得到。,土的三相图,粘性土的稠度 1、粘性土的稠度状态 稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力
11、作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。 有流动、软、可塑、硬等四种描述状态。 可塑性：土在外力作用下可改变形状，但不显著改变其体积，也不开裂，外力卸除后仍能保持已有的形状。,黏性土的状态转变过程,2.界限含水率 粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，这种界限含水率称为稠度界限（通过试验得到）。 液限（wL）从流动状态转变为可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率； 塑限（ wp ）从可塑状态转变为半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率； 缩限（ ws ）从半固体状态转变为固体状态的界限含水率，亦即粘性土随着含水率的减小而体积开始不变时的
12、含水率。,流动 变软 较硬,粘性土,塑性指数：液限wL和塑限wp之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，即： 用来进行粘性土的分类。塑性指数越高，土的粘粒含量越高。,国家建筑地基基础设计规范GB50007-2002,液性指数： 定义为： 式中： w土的天然含水率。 液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。工程上用来判别粘性土的状态。,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 硬塑 0.25 - 0.75 可塑 0.75 1.00 软塑,土的工程分类,粗粒土按颗粒组成进行分类；粘性土按塑性指数分类。 由土的分类体系： 试样中含粒径大于60m
13、m的巨粒组质量多于总质量的50的土称为巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量的1550的土称为巨粒混合土。 试样中巨粒组质量少于总质量的15的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。,试样中粒径大于0.075mm的粗粒组质量多于总质量50的土称为粗粒土。 粗粒土又分为砾类土和砂类土两类。 试样中粒径大于2mm的砾粒组质量多于总质量的50的土称为砾类土；试样中粒径大于2mm的砾粒组质量少于或等于总质量50的土称为砂类土。,细粒土的分类 试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50的土称为细粒土。细粒土应按下列规定划分： 1、试样中粗粒组质量少于总质量的25的土称为细粒土；
14、 2、试样中粗粒组质量为总质量的2550的土称含粗粒的细粒土； 3、试样中含部分有机质的土称有机质土。 细粒土可按塑性图进一步细分。,土的工程分类,用于分析细粒土的塑性图,二、建筑地基基础设计规范中的地基土分类 该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。 （一）碎石土的分类 若土中粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50，则该土属于碎石土。 （二）砂土的分类 若土中粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50，则该土属于砂土。 砂土又有砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂之分。,土的工程分类,3、粉
15、土 若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50，则该土属于粉土。 4、粘性土的分类 若土的塑性指数大于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50，则该土属于粘性土。 在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土称为淤泥。 天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0的粘性土称为淤泥质土。 粘土：Ip17 粉质粘土：10Ip17,土的工程分类,土力学中应力符号的规定,材料力学,+,-,+,-,土力学,正应力,剪应力,拉为正 压为负,顺时针为正 逆时针为负,压为正 拉为负,逆时针为正 顺时针为负,均
16、匀一致各向同性体 （土层性质变化不大时）,线弹性体 （应力较小时）,连续介质 （宏观平均）,碎散体,非线性 弹塑性,成层土 各向异性,p,e,线弹性体,加载,卸载,土中应力的研究假定,实际,假定,土的非线性弹塑性应力应变曲线,通过土壤力学理论，得到与车辆行驶有关的土壤物理特性描述指标，土的力学特性：即土的承压特性和土的剪切特性。 德国R.伯恩斯坦用公式qKZ 1/2表示下陷量Z与单位接地面积压力q的关系（K为土壤变形模量），后来的研究者将公式普遍化为qKZn。 英国的E.W.E.迈克尔思韦特提出，车辆的最大驱动力F，可以从C.A.de库仑土壤剪切应力公式cqtg（c为土壤单位面积内聚力；为土壤内摩擦角）推导而得，即FcA+qAtg（A为接地面积）。 在加拿大国防部工作的M.G.贝克在此基础上进一步研究了土壤承载能力的稳定性，以及土壤塑性变形所引起的行驶阻力等问题，并提出更精确而普遍的公式,式中b为加载面
