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第二章 行车荷载、 环境因素、 材料的力学性质路基路面工程 第一节 行车荷载 研究行车荷载的必要性： 1、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成路基 路面结构损坏的主要成因 2、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影响 路面的使用性能 3、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因 要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行 分析路基路面工程 行车荷载的主要研究内容： ? 车辆的种类； ? 汽车的轴型； ? 汽车对道路的静态压力； ? 运动车辆对道路的动态影响； ? 交通分析 第一节 行车荷载路基路面工程 一、车辆的种类 道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类： 1、客车：小客车、中客车、大客车 2、货车：整车、牵引式挂车、牵引式半挂车路基路面工程 一、车辆的种类 道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类： 1、客车：小客车、中客车、大客车 2、货车：整车、牵引式挂车、牵引式半挂车路基路面工程 ? 重型货车与大客车的作用次数在路面结构计算中 起作用 ? 小汽车一般在路基路面结构计算时不考虑，用于 路面使用的安全性（抗滑性能）和舒适性（平整 性）评定。

对于沥青路面，轴载大于 25KN 的汽车计入 ? 对于水泥混凝土路面，轴载大于 40KN 的汽车计 入路基路面工程 二、汽车的轴型 ? 汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面 ? 因此，路面结构设计而言，应特别重视轴或轮重 和其作用次数，而不是汽车种类和数量路基路面工程 ? 整车类：前轴、后轴 ? 牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车： 后轴（单轴或双轴） ? 拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根单 轴或单前轴和双后轴 ? 轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载力与 结构强度各个国家均对轴重的最大限度有明确 的规定我国公路与城市道路设计规范中均以 100kN 作为标准轴重目前我国公路是行使的车 辆，后轴轴载一般在 60～130kN 范围内路基路面工程路基路面工程 ?汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有 增加趋势，超载运输问题在我国日益突出 ?要发展多轴多轮 ?对超载的定义：2000 年 2 月，交通部《超限运输车 辆行驶公路管理条例》规定：“单轴（每侧单轮 胎）载质量 6000kg，单轴（每侧双轮胎）载质量 10000kg，双联轴（每侧双轮胎）载质量 18000kg ”附则第二十九条规定，单轴轴载最大 不得超过 13000kg。

路基路面工程 某高速公路上重载交通车辆路基路面工程 ? 在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现 为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)； ? 若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用 下将进一步发展为松散或坑槽等水损害 松散、坑槽严重路基路面工程 三、汽车对道路的静态压力 1、汽车对道路的作用 停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力 行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、振 动力 2、汽车对道路的静态压力 静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关 影响静态垂直压力大小的因素： （1）汽车轮胎的内压力 pi； （2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状； （3）轮载的大小路基路面工程 当量圆半径 p P ⋅ =π δ 式中：P——作用在车轮 上的荷载，kN；p——轮胎接触压力， kpa； δ ——接触面当量圆半 径，m路基路面工程 双轮组车轴，若每一侧的双 轮用一个圆表示，称为单圆 荷载；如果用两个圆表示， 则称为双圆荷载 p P d ⋅ =π 4 双圆荷载当量圆直径 单圆荷载当量圆直径d p P D 2 8 = ⋅ =π m D m d 302 . 0 , 213 . 0 = =路基路面工程 四、运动车辆对道路的动态影响 ? 道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外， 还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这 种影响又具有瞬时性和重复性。

路基路面工程 1）水平力：? 行车安全要求 qmax≤ p⋅ϕ ，其中 ϕ 为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关路表层水 平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害 2）振动力： ? 振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面 时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载 3）瞬时作用及重复： ? 路面点的车轮作用时间约为 0.01~0.10s，结构变形来不及 呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲 劳路基路面工程 五、交通分析1.交通量 ? 交通量——在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断 面的数量 ? 年平均日交通量——在一年 365 天内的交通量之和除以 365 天 ? 交通量调查方法——直接记录、自动记录仪 ? 交通量年平均增长率 ? 设计年限内累计交通量路基路面工程 初始年平均日交通量： 设计年限 t 年平均增长率 设计年限内累计交通量 365 365 1 1∑ = = i i N N [ ] 1 ) 1 ( 365 1 − + = t e N Nγ γ [ ] 1 ) 1 ( )1 ( 365 1 − + + = − t t t e N Nγ γ γ路基路面工程 2.轴载组成与等效换算 ? 轴载换算——道路上行驶的车辆轴载与通行次数 可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通 行次数。

? 我国的标准轴载是双轮组单轴轴载 100kN ? 轴载等效换算的原则——同一种路面结构在不同 轴载作用下达到相同的损伤程度 n S i i S i P P N N ) (α η = = 轴载系数换算式： （2-8）路基路面工程 3.轮迹横向分布 ? 轮迹（车道）的横向分布：按一定规律分布在车道横断面 上 ? 轮迹（车道）横向分布系数：对于路面横断面上某一宽度 （轮迹宽度和车道宽度）范围内的频率，也即该宽度范围 内所受到的车辆作用次数通过该横断面的总作用次数的比 值 ? 影响因素：路面宽度和车道宽度、交通组织管理方式（混 合行驶、划线分车道行驶和分隔带（墩）分车道行驶） 、 交通密度和交通组成路基路面工程 轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）路基路面工程 第二节 环境因素影响 ? 环境因素影响主要表现在温度和湿度 ? 温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境 因素 ? 路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度 和湿度的变化有时会有大幅度的增减图 2-9、2-10. ? 路基土和路面材料的的体积随路面体系内的温度和湿 度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能实现 时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即温度应 力和湿度应力） 。

路基路面工程 温度对路面的影响 ? 由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向 是不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不 同的 ? 当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实 现时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即 温度应力，进而对路基路面产生破坏 沥青面层温度日变化曲线 水泥混凝土面层温度日变化曲线路基路面工程 温度状况预估 ? 路面结构内的温度状况，可通过在外部和内部影 响因素之间建立联系的方法来预估 ? 这种方法有两类，即统计方法和理论方法? 统计方法：实测温度+气象资料→回归 ? 理论法：热传导理论→预估方程路基路面工程 影响温度变化的因素 ? 影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外 部和内部两类 ? 外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、 风速、降水量和蒸发量等而其中，太阳辐射和 气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素 ? 内部因素则为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 等路基路面工程 湿度对路基路面的影响 1.对路基的影响 ? 冻胀翻浆（与温度作用共同进行） ? 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性 2.做好路基路面排水的重要性路基路面工程 第三节 土基的力学强度特性 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。

? 汽车轮重：计算时，假定车轮荷载 为一圆形均布垂直荷载，路基为一 弹性均质半空间体 ? 路基土在车轮荷载作用下所引起的 垂直应力可以用近似如下公式计 算 2 Z P K Z=σ 一侧轮轴荷载 荷载中心下应力 作用点的深度 土基中应力分布图路基路面工程第三节 土基的力学强度特性 一、路基受力状况 ? 路基土本身自重：在路基内深度为 Z 处所引起的垂直压应力 σB 按下式 计算 Z B ⋅=γσ 式中：γ——土的容重，kN／m³；Z——应力作用点深度，m 路基内任一点处的垂直应力包 括由车轮荷载引起的 σz 和由土 基自重引起的 σB 土基中应力分布图路基路面工程 二、路基工作区 ? 在某一深度 Ζa 处，行车荷载在 土基中产生的应力仅为土基自重 应力的 1/5～1/10 ，与土基自 重引起的应力 бB 相比，车辆荷 载在 Ζa 以下土基中产生的应力 已经很小，可忽略不计把车辆 荷在土基中产生应力作用的这一 深度范围叫路基工作区 路基工作区 ? 该深度 Za 随车辆荷载增大而增 大，随路面的强度和厚度的增加 而减小 土基中应力分布图路基路面工程 ? 在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和 车辆荷载影响较大，在工作区范围以外的路 基，影响逐渐减少。

B znσσ 1 = aa Z n Z P K ⋅ = ⋅γ 1 2 3γ KnP Za= 车辆荷载作用深度位于填筑高度内，路提应按规 定要求分层填筑与压实对于矮路堤，此时不但 要对填土充分压实，而且要保证工作区内原地面 下部土层具有足够的强度和稳定性 二、路基工作区路基路面工程 三、路基土的应力-应变特性 ? 路基土的应力-应变特性对路基路面结构的整体强度和刚 度有很大影响 ? 路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分 ? 在路面结构总变形中，土基变形占很大部分 ? 路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线性弹性体 有很大区别 ? 压入承载板试验是研究土基应力-应变特性最常用的一种 方法 ? 以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面，逐级加荷卸荷， 记录承载板上的荷载及由该荷载引起的沉降变形路基路面工程 承载板路基路面工程路基路面工程 ? 根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形 可以计算土基的回弹模量： lpD E ) 1 ( 2 µ − = 式中：l——承载板的回弹变形，m；D——承载板的直径，m； E——土体的回弹模量，kPa； μ——土体的泊松比；p——承载板压强，kpa路基路面工程 ? 尽管土基的应力-应变关系如此复杂，但在评定土 基应力-应变状态以及设计路面时仍然用模量值 E 来表征。

? 采用局部线性化的方法 ①初始切线模量：应力值为 0 时应力-应变曲线的斜率； ②切线模量：某一应力级位 处应力-应变曲线的斜率； ③割线模量：以某一应力值 对应曲线上的点同起始点相 连割线的斜率；路基路面工程 ④回弹模量：应力卸载阶 段，应力-应变曲线的割 线模量 部分反映了土的弹性性 质，反映了土基在瞬时荷 载作用下的可恢复变形的 性质 ? 尽管土基的应力-应变关系如此复杂，但在评定土 基应力-应变状态以及设计路面时仍然用模量值 E 来表征 ? 采用局部线性化的方法路基路面工程 四、重复荷载对路基土的影响 ? 土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最 终将导致何种状况，主要取决于：（1）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、 结构状态） ； （2）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，即相对荷载； （3）荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度，每 次作用的持续时间以及重复作用的频率； （4）土基中侧向应力的大小路基路面工程 ? 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积： （1）土体逐渐被压密，每次的塑性变形量逐渐减小， 直至最后稳定，这种不会导致土体产生剪切破坏. （2）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。