路基路面工程-第02章.ppt

路基路面工程,路基工程 路面工程,第二章行车荷载、环境因素和材料的力学性质,第一节 行车荷载 第二节 环境因素 第三节 土基力学强度特性 第四节 土基承载能力 第五节 路基变形、破坏和防治 第六节 路面材料力学强度特性 第七节 路面材料累积变形与疲劳特性,学习要点,,掌握轴载当量圆半径计算，路基工作区，承载力表征方法，路面材料的抗拉强度； 熟悉路基的变形、破坏及防治，路面材料的累积变形与疲劳特性； 了解环境因素对路基路面的影响；,第一节 行车荷载1,一、车辆种类,客车 货车,小客车 中客车 大客车,整车 牵引式拖车 牵引式半拖车,,,路面结构设计 以轴重作为 荷载标准,第一节 行车荷载2,二、汽车轴型 轴限：中国公路与城市道路标准轴重（BZZ-100KN） 前轴：通常为单轴单轮，占总轴重的1/3 后轴：通常为双轮组，分为单轴双轮组，双轴双轮组，三轴双轮组等,单轴单轮,单轴双轮,双轴单轮,双轴双轮,标准轴载的概念,我国路面设计以双轮组单轴载100kN作为标准轴载，以BZZ-100表示,参考《沥青路面设计规范》JTG D50-2004,,第一节 行车荷载4,三、汽车对道路的静态压力 当量圆：工程设计中，将轮胎与路面的接触椭圆分布荷载，近似转化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力p。

车轮荷载计算图式：,,,双圆图式,单圆图式,轮胎传给路面的垂直压力P,第一节 行车荷载5,四、运动车辆对道路的动态影响 动态力→水平力、振动力 水平荷载作用下，结构层产生复杂的应力状态，尤其面层结构；如果抗剪强度不足，将导致推挤、拥包，波浪、车辙等破坏现象车轮作用于路面的垂直压力与水平力,车轮荷载冲击效应,车辙,,推挤、搓板、拥包,,推挤,拥包,第一节 行车荷载6,四、运动车辆对道路的动态影响 波动性：车辆自身振动和路面不平整，车轮实际于路面以一定频率和振幅跳动，作用于路面的荷载在静荷载附近波动； 瞬时性：车轮通过路面任一点时间约为0.01-0.10s； 重复性：路面设计年限内承受荷载作用次数达到1.0×107次；,第一节 行车荷载7,五、交通量 交通量→是指一定时间间隔内各类车辆通过某横断面的数量年平均日交通量是增长的，用交通量平均增长率γ来描述六、轮轴组成 不同重量的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的各级轴载所占的比例，即轴载组成或轴载谱第一节 行车荷载9,七、轴载等效换算－作用次数换算 原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度 换算公式建立：通过室内或道路现场的重复作用试验，建立荷载量级与达到相同程度损伤的作用次数之间的关系。

依据这一关系，可以推算出不同轴载的作用次数等效换算成标准轴载当量作用次数的轴载换算系数公式(2-8),第一节 行车荷载10,八、轮迹横向分布 定义：车轮轨迹在横断面中心附近左右摆动；轮迹按一定规律分布在车道横断面上 表征参数：用横向分布系数η来反映轮迹横向分布频率的影响，通常取宽度为两个条带宽，即50cm 影响因素：横断面类型、车道宽度、车道数、交通类型,第一节 实例分析,交通调查内容与方法 内容：主要包括交通量、轴载调查（轴重分布和胎压大小等） 方法分类之一：按照调查时间可分为： （1）间隙式观测：按预先确定的观测日期，对交通量进行定期统计观测；（2）连续式观测：全年分小时连续不断地对交通量进行统计观测 方法分类之二：按照调查手段可分为： （1）人工调查方法 （2）仪器调查方法 ①静态称重设备 ②动态称重设备：美国开发的动态称重WIM（Weigh In Motion）技术 ③收费站（点）监控,,第一节 实例分析,沪宁高速交通量情况－收费站方法收集资料 交通量→是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量 从交通量年变化图可知，随着使用年限的增加，全程交通流量和总交通量均增大，其中总交通量增加较大，在2003年总交通量达到了98881（架次/日）。

从交通量月变化图知，在气温较冷的月份（1月、2月）和气温较高的季节（6月、7月），交通量较小；而在4月和9月，交通量最大，这与人们的出行规律相吻合交通量年变化情况,交通量月变化情况,第一节 实例分析,沪宁高速轴载分布 按载重量和载客数分为六类，一类车： 1～6座载客汽车；二类车：7～20座载客汽车，最高2吨载货汽车；三类车：21～50座载客汽车，2～5吨载货汽车；四类车：50座以上载客汽车，5～10吨载货汽车；五类车：10～20吨载货汽车；六类车：20吨以上载货汽车 从左图知，2000年行驶在沪宁高速上的主要是轴重2吨的一类车和二类车，占全部车型的70%左右，而对路面结构有较大破坏作用的三类车--六类车所占比例仅占30%左右，其中三类车比例较大，占20% 从右图知，六类车在通车的7年中几乎没有变化；五类车所占比例小幅度逐年增加，在通车第7年仅占全部车型的2%；四类车增幅最大，7年间增幅为6%左右；三类车基本处于一种平稳状态2000年六类车比例,重车比例随通车年限的变化,第二节 环境影响因素1,一、主要影响因素－温度和湿度 （一）温度影响 1.模量与温度变化关系： 强度与刚度随路面结构内部温度（T）和湿度（ω）的变化有时会有大幅度的增减。

图2-9:沥青混凝土的动弹性模量随温度增加↑而降低↓的情况； 图2-10:路基回弹模量随湿度增长↑而急剧下降↓的情况第二节 环境影响因素2,一、主要影响因素－温度和湿度 （一）温度影响 2.温度日变化曲线： 如图2-11和图2-12，夏季晴天时， 1.路表面温度变化与气温变化大致是同步的； 2.面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化，升降的幅度随深度增加↑而减小↓ 3.峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后第二节 环境影响因素5,一、主要影响因素－温度和湿度 （二）湿度影响 1. 湿度 通过降水，地面积水和地下水浸入路基路面结构影响路基土干湿状态，影响路面结构层工作状况（水损害） 2.保持路基路面干燥的主要方法－合理设置排水系统,第三节 土基力学强度特性1,一、路基受力状况 路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载； 荷载作用深度范围内，路基土处于受力状态 1.车轮荷载引起的垂直应力（附加应力） 2.路基自重作用下的垂直应力（自重应力） 3.路基内任意点处的垂直应力包括σz和σB两 者的共同作用第三节 土基力学强度特性2,二、路基工作区 路基工作区概念：参见课本P40 在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和车轮荷载影响较大； 1.路基工作区计算公式（联立σz 和σB 求解） 2.公式分析 路基工作区随车轮荷载的加大而加深。

对工作区深度范围内的土质选择，路基的压实度应提出较高的要求 当（ZaH），行车荷载作用深度达到天然地基的上部土层，因此，天然地基上部土层应充分压实第三节 土基力学强度特性3,三、路基土应力应变特性 （一）路基土非线性变形特性 路基土包括固相、液相和气相三部分所组成 固相部分又由不同成分、不同粒径的颗粒所组成第三节 土基力学强度特性3,三、路基土应力应变特性 （一）路基土非线性变形特性 在路面结构总变形中，土基的变形占很大部分，约占70％～95％； 提高路基土抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要方面第三节 土基力学强度特性6,三、路基土应力应变特性 （五）土体模量E种类及表达方法 局部线性化方法：即将曲线的某微小线段近似地视为直线，以其斜率为弹性模量E值 1初始切线模量 2切线模量 3割线模量 4回弹模量,,前3种模量的应变值包含残余应变和回弹应变，而回弹模量值仅包含回弹应变，它部分地反映土的弹性特性第三节 土基力学强度特性7,四、重复荷载对路基土的影响 （一）反复荷载作用下土体累积变形的两种情况 (1) 压密稳定：每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剪切破坏； (2) 渐进破坏：每次加载作用在土体中产生了逐渐发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。

UTM试验与回弹模量,UTM三轴试验压力室,三轴试验回弹模量,压力室尺寸为φ为100mm×200mm施加荷载为半正弦脉冲应力，应力持续时间0.1秒，间歇时间0.9秒，即频率为1Hz.,第四节 土基承载能力1,一、土基回弹模量 （一）概念 定义：反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质 以回弹模量作为表征土基承载能力的参数，可以在以弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用 （二）刚性承载板法与柔性承载板法比较 刚性承载板法－土基顶面挠度为常量，接触压力随半径r呈现为马鞍型分布； 而柔性承载板法－土基与压板之间的接触压力为常量 在实际测定中，刚性承载板用得较多，因为它的挠度易于量测，压力容易控制以一定级位下的抗变形能力表征,第四节 土基承载能力6,二、地基反映模量（K） 根据文克勒地基假设（地基弹簧假设），土基顶面压力p与弯沉l之比，K=p/l 三、加州承载比（CBR） CBR即为材料与高质量标准碎石抵抗局部荷载压入变形能力的相对比值以一定级位下的抗变形能力表征,第五节 路基的变形、破坏及防治1,一、路基的主要病害 （一）路基沉陷 定义：参见课本P48; 两种情况 一、路基本身压缩沉降； 二、路基下部天然地面承载能力不足，在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。

第五节 路基的变形、破坏及防治2,一、路基的主要病害 （二）边坡滑塌 定义：参见课本P48； 根据边坡土质类别，破坏原因和规模的不同，可分为溜方与滑坡两种情况第五节 路基的变形、破坏及防治3,一、路基的主要病害 （三）碎落和崩塌 路堑边坡风化岩层表面，在大气温度与湿度的交替作用，以及雨水冲刷和动力作用之下，表层岩石从坡面上剥落下来，向下滚落大块岩石脱离坡面沿边坡滚落称为崩塌 （四）路基沿山坡滑动 在较陡的山坡填筑路基，若路基底部被水浸湿，形成滑动面，坡脚又未进行必要的支撑，在路基自重和行车荷载作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动，路基整体失去稳定 （五）不良地质和水文条件造成的路基破坏 公路通过不良地质条件(如泥石流、溶洞等)和较大自然灾害(如大暴雨)地区，均可能导致路基的大规模毁坏第六节 路面材料力学强度1,路面材料分类 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) 无机结合料类第六节 路面材料力学强度3,一、抗剪强度 （一）剪切破坏强度包线（Mohr-Coulumb强度理论) （二）抗剪强度影响因素 沥青混合料强度组成：1.矿质颗粒之间的摩擦阻力；2.粒料与沥青的粘结力；3.沥青膜之间的粘滞阻力。

影响因素：沥青的粘度，用量、试验温度，加荷速率以及集料级配、颗粒棱角、母岩强度等因素有关路面材料可以用直接剪切试验测定参数；松散材料则采用三轴试验测定参数c、φ值第六节 路面材料力学强度4,二、抗拉强度 （一）拉裂破坏成因 1.沥青混凝土路面在气温骤降时产生收缩； 2.水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降或大气湿度变化时，产生明显收缩或干缩，在结构层内产生拉力；拉应力超过材料抗拉强度时，路面结构会产生拉伸断裂第六节 路面材料力学强度4,二、抗拉强度 （二）抗拉强度来源 混合料中结合料的粘结力所提供 （三）测试方法,第六节 路面材料力学强度5,三、抗弯拉强度 （一）弯曲断裂破坏成因 在车轮荷载作用下，路面结构层材料处于受弯曲工作状态由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 （二）测试方法－简支小梁三分点加载试验,第六节 路面材料力学强度8,四、应力应变特性 （三）沥青混合料 试验类型选择：1.低温条件下→单轴试验或小梁试验；2.高温条件下（沥青材料温度敏感性强）→三轴压缩试验更能符合实际受力状态 沥青材料粘弹性→沥青混合料应力应变具有关于温度和荷载的时间效应。

a.图2-31a(P53),当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，基本上处于弹。