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1、行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第二章第二章 行行车荷荷载、环境因素、境因素、材料的力学特性材料的力学特性 第一节 行车荷载第二节 环境因素影响第三节 土基的力学强度特性第四节 土基的承载能力第五节 路基的变形破坏及防治第六节 路面材料的力学强度特性第七节 路面材料的累积变形及疲劳特性路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第一第一节 行行车荷荷载研究行车荷载的原因：1.1.汽汽车车是路基路面的服是路基路面的服务对务对象。路基路面的主要功象。路基路面的主要功能是保能是保证车辆证车辆快速、安全、舒适、快速、安全、舒适、经济经济通行。通行。2
2、.2.汽汽车车荷荷载载是造成路基路面是造成路基路面结结构构损伤损伤的主要原因。的主要原因。要做好路基路面要做好路基路面结结构构设计设计，必，必须对须对行行车车荷荷载进载进行行分析。分析。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性行车荷载的主要研究内容：汽汽车车的的轮轮重与重与轴轴重；重；不同不同车车型的型的车轴车轴布置；布置；设计设计期限内，汽期限内，汽车车的的轴轴型分布及汽型分布及汽车车年通年通过过量量的逐年的逐年变变化；化；汽汽车车的静的静态态荷荷载载与与动态动态荷荷载载特性比特性比较较。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因
3、素、相关材料力理论学特性一、一、车辆的种的种类道路上通行的道路上通行的车辆车辆主要分主要分为为客客车车与与货车货车两大两大类类。客客车车：小客：小客车车、中客、中客车车、大客、大客车车；货车货车：整：整车车、牵牵引式半挂引式半挂车车、牵牵引式挂引式挂车车。 汽汽车车的的总总重量通重量通过车轴过车轴和和车轮传递给车轮传递给路面，所以路面路面，所以路面结结构构设计设计主要以主要以轴轴重作重作为为荷荷载标载标准。因此，在众多的准。因此，在众多的车辆组车辆组合合中，重型中，重型货车货车和大客和大客车车起决定作用。起决定作用。对对于小客于小客车车，则则主要主要对对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出
4、路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较较高的要高的要求。求。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性二、汽二、汽车的的轴型型 轴轴重的大小直接关系到路面重的大小直接关系到路面结结构的构的设计设计承承载载力与力与结结构构强强度，度，各个国家均各个国家均对轴对轴重的最大限度有明确的重的最大限度有明确的规规定。我国公路与城定。我国公路与城市道路市道路设计规设计规范中均以范中均以100kN100kN作作为标为标准准轴轴重重。目前我国公路是。目前我国公路是行使的行使的车辆车辆，后，后轴轴载轴轴载一般在一般在6060130kN130kN范范围围内。内。 汽汽
5、车货车货运朝大型重运朝大型重载载方向方向发发展，展，货车货车的的总总重量有增加重量有增加趋势趋势，超超载载运运输问题输问题在我国日益突出。多在我国日益突出。多轴轴多多轮轮化化发发展。展。 对对超超载载的定的定义义：20002000年年2 2月，交通部月，交通部超限运超限运输车辆输车辆行行驶驶公路公路管理条例管理条例规规定：定：“ “单轴单轴（每（每侧单轮侧单轮胎）胎）载质载质量量6000kg6000kg，单单轴轴（每（每侧侧双双轮轮胎）胎）载质载质量量10000kg10000kg，双，双联轴联轴（每（每侧侧双双轮轮胎）胎）载质载质量量18000kg18000kg。” ”附附则则第二十九条第二十
6、九条规规定，定，单轴轴载单轴轴载最大不最大不得超得超过过13000kg13000kg。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性三、汽三、汽车对道路的静道路的静态压力力静静态压态压力力P P的影响因素：的影响因素：1.1.汽汽车轮车轮胎内胎内压压；2.2.轮轮胎的胎的刚刚度和度和轮轮胎与路面的接触的形胎与路面的接触的形态态；3.3.轮载轮载的大小。的大小。 路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性四、运四、运动车辆对道路的道路的动态影响影响 1. 1.水平力水平力水平力水平力对对路面造成的影响：路面造成的影响
7、：路面造成的影响：路面造成的影响： 面面层层材料抗剪材料抗剪强强度不足度不足时时，在水平荷，在水平荷载载作用下，会作用下，会产产生生推移、推移、拥拥包、波浪、包、波浪、车辙车辙等破坏。等破坏。 2.2.轮载轮载的的的的动态动态（振（振（振（振动动） 轮载动态变轮载动态变化的影响因素：化的影响因素：车车速、路面平整度、速、路面平整度、车辆车辆的的振振动动特性。特性。 冲冲击击系数：振系数：振动轮载动轮载的最大的最大值值与静与静载载的比的比值值。 3. 3. 轮载轮载作用的瞬作用的瞬作用的瞬作用的瞬时时性性性性 车轮车轮通通过过路面的路面的时间约为时间约为左右，当左右，当应应力出力出现现的的时间时
8、间很很短短时时，来不及，来不及传递传递分布，其分布，其变变形特性不能像静形特性不能像静载载作用那作用那样样完整表完整表现现出来。出来。 4.4.车辆车辆荷荷荷荷载载作用的重复性作用的重复性作用的重复性作用的重复性 路面材料路面材料产产生疲生疲劳劳破破环环的主要原因的主要原因路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性五、交通分析五、交通分析1.1.1.1.交通量及其增交通量及其增交通量及其增交通量及其增长长率率率率交通量：指一定交通量：指一定时间间时间间隔内，各种隔内，各种车辆车辆通通过过某一道路断面的数量；某一道路断面的数量；年平均日交通量，考年平均日
9、交通量，考虑虑月分布不均匀系数、日分布不均匀系数等；月分布不均匀系数、日分布不均匀系数等；交通量年平均增交通量年平均增长长率；率；设计设计年限内的累年限内的累计计交通量。交通量。2.2.2.2.轴载组轴载组成与成与成与成与轴载换轴载换算算算算轴载换轴载换算：道路是行算：道路是行驶驶的的车辆轴载车辆轴载与通行次数可以按照等效原与通行次数可以按照等效原则换则换算算为为某一某一标标准准轴载轴载的当量通行次数。我国的的当量通行次数。我国的标标准准轴载为轴载为BZZ-100BZZ-100。轴载轴载等效等效换换算的原算的原则则：同一种路面：同一种路面结结构在不同构在不同轴载轴载作用下达到相同的作用下达到相
10、同的损损伤伤程度。程度。3.3.3.3.轮轮迹横向分布迹横向分布迹横向分布迹横向分布由于由于轮轮迹的迹的宽宽度度远远小于小于车车道的道的宽宽度，因而度，因而总总的的轴载轴载通行次数既不会集中通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不回平均分配到每一点上，而是按一定在横断面上某一固定位置，也不回平均分配到每一点上，而是按一定规规在在车车道横断面上。道横断面上。轮轮迹律分布横向分布迹律分布横向分布频频率的影响因素：交通量、交通率的影响因素：交通量、交通组组成、成、车车道道宽宽度、度、交通管理交通管理规则规则等。等。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学
11、特性第二第二节 环境影响因素境影响因素一、温度的影响作用一、温度的影响作用1.1.影响机理影响机理影响机理影响机理 路路基基土土和和路路面面材材料料的的体体积积会会随随着着路路基基路路面面结结构构内内部部的的温温度和湿度的升降而度和湿度的升降而产产生膨生膨胀胀和收和收缩缩。 由由于于温温度度和和湿湿度度在在路路基基路路面面结结构构内内部部的的变变化化沿沿深深度度方方向向是不均匀的，所以不同深度是不均匀的，所以不同深度处胀缩处胀缩的的变变化也是不同的。化也是不同的。 当当这这种种不不均均匀匀胀胀缩缩受受到到某某种种原原因因的的约约束束而而不不能能实实现现时时，路路基基路路面面结结构构内内部部就就
12、会会产产生生附附加加应应力力，即即温温度度应应力力和和湿湿度度应应力，力，进进而而对对路基路面路基路面产产生破坏。生破坏。2.2.影响温度影响温度影响温度影响温度变变化的因素化的因素化的因素化的因素 内部：路面各内部：路面各结结构构层层材料的材料的热热物理参数，如物理参数，如热传导热传导率、率、热热容量、容量、对辐对辐射射热热的吸收能力等；的吸收能力等； 外部：主要是气象条件：如太阳外部：主要是气象条件：如太阳辐辐射、气温、射、气温、风风速、降水、速、降水、蒸蒸发发量等。量等。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性二、湿度的影响作用二、湿度的影响作
13、用1.1.对对路基的影响路基的影响 冻胀冻胀翻翻浆浆（与温度作用共同（与温度作用共同进进行）行） 过过大的湿度直接降低路基土的大的湿度直接降低路基土的强强度和度和稳稳定性定性2.2.做好路基路面排水的重要性做好路基路面排水的重要性路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第三第三节 土基的力学土基的力学强度特性度特性一、路基的受力状况一、路基的受力状况 路基承受路基自重和汽路基承受路基自重和汽车车荷荷载载。 路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性二、路基工作区二、路基工作区 概念：在路基某一深度概念：在路基
14、某一深度处处，当，当车轮车轮荷荷载载引起的垂直引起的垂直应应力力 z z与路基土自与路基土自重重 引起的垂直引起的垂直应应力力 B B相比所占比例很小，相比所占比例很小，仅为仅为1/101/101/51/5时时，该该深度深度Z Z 范范围围内的路基称内的路基称为为路基工作区。路基工作区。 在工作区范在工作区范围围内的路基，内的路基，对对于支承路面于支承路面结结构和构和车轮车轮荷荷载载影响影响较较大，在大，在工作区范工作区范围围以外的路基，影响逐以外的路基，影响逐渐渐减小。减小。 路基工作区深度的确定：路基工作区深度的确定： n= = n= = 得到：得到： ZZ 路基工作区内，土基的路基工作区
15、内，土基的强强度和度和稳稳定性定性对对保保证证路面路面结结构的构的强强度和度和稳稳定性定性极极为为重要，重要，对对工作区范工作区范围围内的土内的土质选择质选择、路基的、路基的压实压实度度应应提出提出较较高的高的要求。要求。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性三、路基土的三、路基土的应力力应变特性特性 路基土的路基土的变变形包括形包括弹弹性性变变形和塑性形和塑性变变形，形，过过大的塑性大的塑性变变形形导导致致沥沥青路面青路面出出现车辙现车辙和和纵纵向不平整，会向不平整，会导导致水泥混凝土路面板的断裂。在柔性路面致水泥混凝土路面板的断裂。在柔性路面结
16、结构中，土基的构中，土基的变变形占很大部分。形占很大部分。 土基土的土基土的组组成包括固相、液相和气相三部分（三相体）。路基土在成包括固相、液相和气相三部分（三相体）。路基土在应应力力作用下呈作用下呈现现的的变变形特性同理想的形特性同理想的线弹线弹性体有很大区性体有很大区别别。 土基的土基的应应力力应变应变关系除了出关系除了出现现非非线线性特性以外，性特性以外，还还表表现现出塑性性出塑性性质质。即。即当荷当荷载载完全卸除完全卸除时时，变变形不会全部恢复。（残余形不会全部恢复。（残余变变形或塑性形或塑性变变形）形） 路基土在路基土在车轮车轮荷荷载载作用下作用下产产生的生的应变应变，不，不仅仅与荷
17、与荷载应载应力的大小有关系，力的大小有关系，而且与荷而且与荷载载作用持作用持续续的的时间时间有关系。加有关系。加载载初期，初期，变变形量随荷形量随荷载载持持续时间续时间的延的延长长而增大，以后逐而增大，以后逐渐趋渐趋向向稳稳定。表定。表现现出流出流变变特性，主要与塑性特性，主要与塑性应变应变有关。有关。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性四、重复荷四、重复荷载对路基土的影响路基土的影响重复荷重复荷载对载对土基的影响主要体土基的影响主要体现现在塑性在塑性变变形累形累积积。 一是土体逐一是土体逐渐渐被被压压密，每次的塑性密，每次的塑性变变形量逐形量逐
18、渐渐减小，直至最后减小，直至最后稳稳定，定，这这种不会种不会导导致土体致土体产产生剪切生剪切破坏；破坏； 二是每一次加二是每一次加载载作用在土体中作用在土体中产产生了逐步生了逐步发发展展的剪切的剪切变变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏。最后达到破坏。 路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第四第四节 土基的承土基的承载能力能力 路基的承路基的承载载能力都用一定能力都用一定应应力力级级位下的抗位下的抗变变形能形能力来表征，主要参数有力来表征，主要参数有E E、K K、CBRCBR。 一、土基的回弹模
19、量 以回以回弹弹模量表征土基的承模量表征土基的承载载能力，可以反映土基能力，可以反映土基在瞬在瞬间间荷荷载载作用下的可恢复作用下的可恢复变变形性形性质质，因而可以，因而可以应应用用弹弹性理性理论论公式描述荷公式描述荷载载与与变变形之形之间间的关系。以回的关系。以回弹弹模量作模量作为为表征土基承表征土基承载载能力的参数，可以在能力的参数，可以在弹弹性性理理论为论为基本体系的各种基本体系的各种设计设计方法中得到方法中得到应应用。用。 柔性承柔性承载载板与板与刚刚性承性承载载板板 刚刚性承性承载载板用于土基回板用于土基回弹弹模量的模量的测试测试。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境
20、关键因素、相关材料力理论学特性二、地基反二、地基反应模量模量用温克勒地基模型描述土基工作状态时。用地基反应模量表征土基的承载能力。温克勒地基的假定：土基顶面任意一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力p成正比，而同其它相邻点处的压力无关。 路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性三、加州承三、加州承载比（比（CBR） 加州承加州承载载比是早年由美国加利福尼比是早年由美国加利福尼亚亚州提出的一种州提出的一种评评定土定土基及路面材料承基及路面材料承载载能力的指能力的指标标。承。承载载能力以材料抵抗局部能力以材料抵抗局部荷荷载压载压入入变变形的能力表征，并采
21、用高形的能力表征，并采用高质质量量标标准碎石准碎石为标为标准，准，以它以它们们的相的相对对比比值值表示表示CBRCBR值值。 CBRCBR值值的室内的室内测试测试及及现场测试现场测试。 室内要按施工室内要按施工现场现场的含水量和的含水量和压实压实度成型度成型圆圆柱形柱形标标准准试试件，件，在加在加载载前要浸水前要浸水4d4d。 室外室外测试结测试结果受果受现场现场含水量和含水量和压实压实均匀性的影响，必均匀性的影响，必须须加加以修正。以修正。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第五第五节 路基的路基的变形、破坏与防治形、破坏与防治一、路基的主要病
22、害一、路基的主要病害1.1.路基沉陷路基沉陷 (1)(1)自身自身压缩压缩沉陷沉陷 (2)(2)天然地基承天然地基承载载力不足引力不足引 起的沉陷。起的沉陷。2.2.边边坡滑塌坡滑塌3.3.碎落和崩塌碎落和崩塌4.4.路基沿山坡滑路基沿山坡滑动动5.5.不良地不良地质质和水文条件造和水文条件造 成的路基破坏成的路基破坏路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性二、路基病害防治二、路基病害防治 正确正确设计设计路基横断面；路基横断面； 选择选择良好的路基填料，必要良好的路基填料，必要时进时进行行稳稳定定处处理；理； 采用正确的填筑方法，充分采用正确的填筑
23、方法，充分压实压实； 适当提高路基，防止水分从适当提高路基，防止水分从侧侧面渗入或从地下水位上升面渗入或从地下水位上升进进入到路基工作区范入到路基工作区范围围； 正确正确进进行排水行排水设计设计（地面排水、地下排水、路面（地面排水、地下排水、路面结结构排水构排水即地基的特殊排水）；即地基的特殊排水）； 必要必要时设时设置隔离置隔离层层隔隔绝绝毛毛细细水上升，水上升，设设置隔温置隔温层层减少路基减少路基冰冰冻冻和水分累和水分累计计，设计设计砂砂垫层垫层以疏干土基；以疏干土基； 采取采取边边坡加固、修筑支坡加固、修筑支挡结挡结构物、土体加筋等技构物、土体加筋等技术术，提高，提高整体整体稳稳定性。定
24、性。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第六第六节 路面材料的力学路面材料的力学强度特性度特性路面材料的分路面材料的分类类：（1 1）松散）松散颗颗粒型材料及粒型材料及块块料；料；（2 2）沥沥青青结结合料合料类类；（3 3）无机）无机结结合料合料类类。按不同的成型方式（密。按不同的成型方式（密实实型、型、 嵌嵌挤挤型和型和稳稳定型）形成各种定型）形成各种结结构构层层。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性一、抗剪一、抗剪强度度路面路面结结构构层层因抗剪因抗剪强强度不足而度不足而导导致的破坏有三种情况
25、：致的破坏有三种情况：（1 1）路面）路面结结构构层层厚度厚度较较薄，薄，总总体体刚刚度不足，度不足，车轮车轮荷荷载载通通过过薄薄层结层结构构传递给传递给土基的剪土基的剪应应力力过过大，大，导导致路基路致路基路面整体面整体结结构构发发生剪切破坏；生剪切破坏；（2 2）无）无结结合料的粒料基合料的粒料基层层因因层层位不合理，内部剪位不合理，内部剪应应力力过过大而引起部分大而引起部分结结构构层产层产生剪切破坏；生剪切破坏；（3 3）面）面层层材料的抗剪材料的抗剪强强度度过过低，在受到低，在受到较较大水平力作大水平力作用用时时，面，面层层材料材料产产生生纵纵向或横向推移等各种剪切破坏。向或横向推移等
26、各种剪切破坏。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性二、抗拉二、抗拉强度度沥沥青路面、水泥混凝土路面及各种半青路面、水泥混凝土路面及各种半刚刚性基性基层层在在气温气温骤骤降降时产时产生收生收缩缩（温（温缩缩），水泥混凝土路面），水泥混凝土路面和各种半和各种半刚刚性基性基层层在大气湿度在大气湿度发发生生变变化化时时，产产生生明明显显的干的干缩缩，这这些收些收缩变缩变形受到形受到约约束阻力束阻力时时，将，将在在结结构构层层内内产产生拉力，当材料的抗拉生拉力，当材料的抗拉强强度不足以度不足以抵抗上述拉抵抗上述拉应应力力时时，路面，路面结结构会构会产产生拉
27、伸断裂。生拉伸断裂。抗拉抗拉强强度可由度可由直接拉伸直接拉伸直接拉伸直接拉伸或或间间接拉伸接拉伸接拉伸接拉伸试验试验确定。确定。间间接拉伸接拉伸试验试验通常采用通常采用劈裂劈裂劈裂劈裂试验试验。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性三、抗弯三、抗弯强度度用水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。弯拉强度大多采用简支小梁支小梁试验进行评定。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性四、四、应
28、力力应变特性特性1.1.无无结结合料的碎石、合料的碎石、砾砾石材料无法通石材料无法通过过成型成型试试件件测试应测试应力力应变应变特性，可用三特性，可用三轴压缩试验结轴压缩试验结果来反映。其表果来反映。其表现现出明出明显显的非的非线线性特征。性特征。2. 2. 水泥混凝土的抗水泥混凝土的抗压强压强度和抗度和抗压弹压弹性模量采用棱柱体的性模量采用棱柱体的单轴单轴加加压进压进行行测试测试。3.3.无机无机结结合料宜采用三合料宜采用三轴压缩试验测轴压缩试验测定其定其应应力力应变应变特性关特性关系。系。结结果也呈果也呈现现出非出非线线性特征。性特征。4.4.沥沥青混合料的青混合料的应应力力应变应变特性特
29、性测试测试也相同。在低温下，可也相同。在低温下，可采用采用单轴试验单轴试验或小梁或小梁试验试验，在高温下，可用三，在高温下，可用三轴压缩试验轴压缩试验测测定。定。 由于由于沥沥青混合料中的青混合料中的结结合料合料沥沥青具有依青具有依赖赖于温度和于温度和加荷加荷时间时间的粘的粘弹弹性性状，所以不能用一个常量性性状，所以不能用一个常量弹弹性模量性模量来表征来表征沥沥青混合料的引力青混合料的引力应变应变特性关系。特性关系。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性第七第七节 路面材料的累路面材料的累积变形与疲形与疲劳特性特性 由于重复荷由于重复荷载载作用引起
30、的路面作用引起的路面结结构破坏极限状构破坏极限状态态，不同于，不同于最大极限荷最大极限荷载载引起的破坏极限状引起的破坏极限状态态。 重复荷重复荷载载作用下出作用下出现现的破坏极限状的破坏极限状态态主要有两种：主要有两种： （1 1）路面材料）路面材料处处于于弹弹塑性工作状塑性工作状态态，则则重复荷重复荷载载作用将作用将引起塑性引起塑性变变形的累形的累积积，超，超过过一定限度一定限度时时，路面使用功能将，路面使用功能将下降至允下降至允许许限度以下；限度以下； （2 2）路面材料）路面材料处处于于弹弹性工作状性工作状态态，重复荷，重复荷载导载导致材料内致材料内部部产产生微量生微量损伤损伤，累，累积积到一定限度以后，路面到一定限度以后，路面结结构构发发生疲生疲劳劳断裂。断裂。 累累积变积变形与疲形与疲劳劳破坏破坏这这两种破坏两种破坏发发生的共同特点就是破坏生的共同特点就是破坏极限的极限的发发生不生不仅仅同荷同荷载载的的应应力大小有关，而且和荷力大小有关，而且和荷载载的作的作用次数有关。用次数有关。路基路面工程路基路面工程精品精品课课程程行车荷载、环境关键因素、相关材料力理论学特性
