第二章行车荷载.ppt

第二章第二章 行车荷载、环境因素材料的力学性质行车荷载、环境因素材料的力学性质 1第一节第一节 行车荷载行车荷载l 汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行汽能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行汽车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计的因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计的功能，具有良好的结构性能，首先应对行驶的汽功能，具有良好的结构性能，首先应对行驶的汽车作分析，包括汽车轮重与轴重的大小与特性；车作分析，包括汽车轮重与轴重的大小与特性；不同车型车轴的布置；设计期限内，汽车轴型的不同车型车轴的布置；设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量逐年增长的规律：汽车静态分布以及车轴通行量逐年增长的规律：汽车静态荷载与动态荷载特性比较等荷载与动态荷载特性比较等2一、车辆的种类一、车辆的种类l道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类l客车又分为小客车、中客车与大客车l货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。

l 汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的没计主要以轴重轴重作为荷载标准3二、汽车的轴型二、汽车的轴型l我国公路与城市道路路面设计规范中均以 100kN作为设计标准轴重（作为设计标准轴重（BZZ-100） 通常认为我国的道路车辆轴限为100kNl通常，整车形式的客、货车车轴分前轴和后轴l汽车的后轴有单轴、双轴和三轴三种，大部分汽车后轴由双轮组组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴4三、汽车对道路的静态压力三、汽车对道路的静态压力l 汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态当汽车处于停驻状态一下，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直压力P，它的大小受下述因素的影响：l汽车轮胎的内压力Pi；l轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状;l轮载的大小5四、运动车辆对道路的动态影响四、运动车辆对道路的动态影响l行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施加水平力、振动力此外，由于汽车以较快的速度通过，这些动力影响还有瞬时性的特征l路面表面必须保持足够的附着系数，这是路面表面必须保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要条件保证正常行车的重要条件: :6四、运动车辆对道路的动态影响四、运动车辆对道路的动态影响l路面承受一次轮载作用和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。

对于弹性材料，在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质，呈现出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随荷载重复次数的增加而降低对于弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积，所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素7五、交通分析五、交通分析l路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综合累计损伤作用，必须对现有的交通量、必须对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进行调查和预估，并通过轴载组成以及增长规律进行调查和预估，并通过适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累计作适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累计作用次数l交通量交通量l轴载组成与等效换算轴载组成与等效换算 道路上行驶的汽车轴载与通行次数可以按照等效道路上行驶的汽车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，我国原则换算为某一标准轴载的当量通行次数，我国水泥混凝上路面设计规范和沥青路面设计规范均水泥混凝上路面设计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载选用双轮组单轴轴载100kN作为标准轴载（作为标准轴载（BZZ-100）。

l轮迹横向分布轮迹横向分布8第二节第二节 环境因素影响环境因素影响l路基路面结构直接暴露在大气之中，经受路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响温度和湿度是对着自然环境因素的影响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路面结构有重要影响的自然环境因素路基路面结构的温度和湿度状况随周围环路基路面结构的温度和湿度状况随周围环境的变化而变化，路基路面体系的性质与境的变化而变化，路基路面体系的性质与状态也随之发生变化状态也随之发生变化l路基土和路面材料的强度与刚度随路面结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构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减9l 路基土和路面材料的体积随路基路面结构路基土和路面材料的体积随路基路面结构内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩l路基路面结构的强度、刚度、及稳定性在路基路面结构的强度、刚度、及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化很大程度上取决于路基的湿度变化l面层的透水性对路基路面的湿度有很大影面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响，若采用不透水的面层结构，将减少降响，若采用不透水的面层结构，将减少降水和蒸发的影响。

水和蒸发的影响l路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响构及以下的路基也有影响10第三节第三节 土基的力学强度特性土基的力学强度特性l路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载在两种荷载共同作用之下，在一定深载在两种荷载共同作用之下，在一定深度范围内，路基土处于受力状态正确的度范围内，路基土处于受力状态正确的设计应使得路基所受的力在路基弹性限度设计应使得路基所受的力在路基弹性限度范围内，而当车辆驶过后，路基能恢复原范围内，而当车辆驶过后，路基能恢复原状，以保证路基相对稳定，路面不致引起状，以保证路基相对稳定，路面不致引起破坏l路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的载引起的σZ和由土基自重引起的和由土基自重引起的σB，两者，两者共同作用共同作用一、路基受力状况一、路基受力状况11l在路基某一深度在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂处，当车轮荷载引起的垂直应力直应力σZ z与路基土自重引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为相比所占比例很小，仅为1/10~1/5时，该时，该深度深度Za范围内的路基称为路基工作区。

在范围内的路基称为路基工作区在工作区范围内的路基，对干支承路面结构工作区范围内的路基，对干支承路面结构和车轮荷载影响较大，在工作区范围以外和车轮荷载影响较大，在工作区范围以外的路基，影响逐渐减少的路基，影响逐渐减少l路基工作区内，土基的强度和稳定性对保路基工作区内，土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要，对证路面结构的强度和稳定性极为重要，对工作区深度范围内的土质选择，路基的压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实度应提出较高的要求二、路基工作区二、路基工作区12l路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分过大的塑性变形将导致各种沥青路部分过大的塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不平整，对于水泥混凝面产生车辙和纵向不平整，对于水泥混凝上路面，路基土的塑性变形将引起板块断上路面，路基土的塑性变形将引起板块断裂弹性变形过大将使得沥青面层和水泥裂弹性变形过大将使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂在路面结构总混凝土面板产生疲劳开裂在路面结构总变形中，土基的变形占很大部分，约占变形中，土基的变形占很大部分，约占70%~95% ，所以提高路基土的抗变形能力，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要方面。

要方面三、路基土的应力三、路基土的应力—应变特性应变特性13l路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关，而且与荷载作仅与荷载应力的大小有关，而且与荷载作用的持续时间有关，这是由于土颗粒之间用的持续时间有关，这是由于土颗粒之间力的传递以及土粒与土粒之间的相对移动力的传递以及土粒与土粒之间的相对移动都需要一定的时间通常在施加荷载的初都需要一定的时间通常在施加荷载的初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定以后逐渐趋向稳定三、路基土的应力三、路基土的应力—应变特性应变特性14l土基承受着车轮荷载的多次重复作用每土基承受着车轮荷载的多次重复作用每一次荷载作用之后，回弹变形即时消失一次荷载作用之后，回弹变形即时消失而塑性变形则不能消失，残留在上基之中而塑性变形则不能消失，残留在上基之中随着作用次数的增加，产生塑性变形的积随着作用次数的增加，产生塑性变形的积累，总变形量逐渐增大累，总变形量逐渐增大l一种情况是土体逐渐压密，每一次加载产一种情况是土体逐渐压密，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，这生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏种情况不致形成土基的整体性剪切破坏;另另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏。

破坏四、四、重复荷载对路基土的影响重复荷载对路基土的影响15第四节第四节 土基的承载能力土基的承载能力l用于表征土基承载力的参数指标有回弹模用于表征土基承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比量、地基反应模量和加州承载比(CBR)等一、土基回弹模量一、土基回弹模量 以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系16l有两种承载板可以用于测定土基回弹模量，有两种承载板可以用于测定土基回弹模量，柔性压板测定与刚性压板测定柔性压板测定与刚性压板测定二、地基反应模量二、地基反应模量 用温克勒用温克勒(E.Winkler)地基模型描述土基工地基模型描述土基工作状态，地基反应模量作状态，地基反应模量K值用承载板试验确值用承载板试验确定17l 加州承载比是早年由美国加利福尼亚州加州承载比是早年由美国加利福尼亚州（（California ）提出的一种评定士基及路面）提出的一种评定士基及路面材料承载能力的指标。

承载能力以材料抵材料承载能力的指标承载能力以材料抵抗局部荷载压人变形的能力表征，并采用抗局部荷载压人变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示值表示CBR值lCBR试验设备有室内试验与室外试验两种试验设备有室内试验与室外试验两种三、三、加州承载比加州承载比(CBR)(CBR)18第五节第五节 粒料类结构层粒料类结构层一、一、 粒料类材料的力学特性粒料类材料的力学特性（一）应力（一）应力—应变特性应变特性干的轧制集料回弹模量随主应力和的变化干的轧制集料回弹模量随主应力和的变化 碎、砾石材料应力－应变曲线碎、砾石材料应力－应变曲线 颗粒材料的模量决定于材料的级配、形状、表面构造、密实度和含水量等颗粒材料的模量决定于材料的级配、形状、表面构造、密实度和含水量等一般密实度愈高，模量值愈大；棱角多，表面粗糙者有较高模量一般密实度愈高，模量值愈大；棱角多，表面粗糙者有较高模量 不同的偏应力，同样的材料的模量也不同，因此处于不同层位的粒料的设不同的偏应力，同样的材料的模量也不同，因此处于不同层位的粒料的设计模量因上层重量的不同而不同计模量因上层重量的不同而不同。

19（二）（二） 粒料类材料的疲劳特性粒料类材料的疲劳特性砾质材料在良好排水条件下塑性形变的发展 颗粒材料没有明显的疲劳极限，通常表现为塑性变形的累计除了受到颗粒材料没有明显的疲劳极限，通常表现为塑性变形的累计除了受到颗粒级配、密实度、材料的棱角或表面的粗糙程度之外，偏应力的大小颗粒级配、密实度、材料的棱角或表面的粗糙程度之外，偏应力的大小也决定塑性形变累计的发展也决定塑性形变累计的发展20第六节第六节 沥青路面材料的疲劳特性沥青路面材料的疲劳特性 一、沥青混合料的强度特性一、沥青混合料的强度特性 沥青混合料的强度特性随温度变化巨大，高温时，混合料的强度特性接近粒料，沥青混合料的强度特性随温度变化巨大，高温时，混合料的强度特性接近粒料，低温时接近整体性材料常温下，沥青与矿料之间粘结力（自由沥青和结构沥青）低温时接近整体性材料常温下，沥青与矿料之间粘结力（自由沥青和结构沥青）、矿料之间的内摩阻角决定混合料的强度矿料之间的内摩阻角决定混合料的强度通常我们关心沥青混合料的抗剪强度和抗拉、抗弯拉强度通常我们关心沥青混合料的抗剪强度和抗拉、抗弯拉强度沥青混合料（粗分散系）沥青混合料（粗分散系）分散相分散相—粗集料粗集料分散介质分散介质—砂浆（细砂浆（细分散系）分散系）分散介质分散介质—沥青胶结沥青胶结物（微分散系）物（微分散系） 分散相分散相—细集料细集料分散相分散相—填料填料分散介质分散介质—沥青沥青（一）沥青混合料结构组成的胶浆理论（一）沥青混合料结构组成的胶浆理论自由沥青自由沥青结构沥青结构沥青矿粒矿粒21影响沥青混合料疲劳特性的因素：材料的性质（种类、组成等）、环境因影响沥青混合料疲劳特性的因素：材料的性质（种类、组成等）、环境因素（温度、湿度等）、加荷方式、沥青混合料的劲度（矿料级配、沥青种素（温度、湿度等）、加荷方式、沥青混合料的劲度（矿料级配、沥青种类和用量、混合料的压实程度和空隙率、试验的温度、加荷速度和应力级类和用量、混合料的压实程度和空隙率、试验的温度、加荷速度和应力级等）等）三．沥青混合料的疲劳特性三．沥青混合料的疲劳特性疲劳极限：低温、常温时表现为疲劳断裂，高温时表现为塑性变形累计，疲劳极限：低温、常温时表现为疲劳断裂，高温时表现为塑性变形累计，无明显疲劳极限。

无明显疲劳极限弯拉疲劳弯拉疲劳弯拉疲劳弯拉疲劳剪切疲劳剪切疲劳剪切疲劳剪切疲劳22沥青砂胶沥青砂胶沥青混凝土沥青混凝土密级配沥青碎石密级配沥青碎石无级配沥青碎石无级配沥青碎石10-410-310-5104106107105拉拉应应变变作用次数作用次数典型控制应变条件的疲劳曲线典型控制应变条件的疲劳曲线控制应力模式的疲劳方程控制应力模式的疲劳方程控制应变模式的疲劳方程控制应变模式的疲劳方程23。