路基路面工程教案2章车辆环境材料的力学特性.doc

.第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质§2-1 行车荷载一、车辆的类型 小客车：车速大，重量轻，120km—200km/h客车 中客车：6～20个座位1、汽车车辆 大客车：速度较快，重量大；长途客运，城市公共交通 货车 整车〔固定车身类〕：货箱与发动机一体 牵引式挂车〔挂车类〕：牵引车与挂车别离 牵引式半挂车〔牵引车类〕：牵引车与挂车别离，但通过铰接装置，牵引车后附加挂车，牵引车后轴担负局部货车重量2、路面构造的设计中：主要考虑大客车、重型货车的重量，以轴重作为荷载标准，我国规定100KN 评定路面外表特性时：以小汽车为主要对象二、汽车的轴型〔对整车形式的客、货车〕 单前轴： 1/3 汽车总重 绝大局部 前轴 双前轴： 1/2 汽车总重 极少数1、轴 单后轴： 后轴 双后轴：每根后轴轴载约为前轴轴载的2倍 三后轴： 前轴——单轮组 2、轮 后轴 单轮组〔轻型货车〕 双轮组〔大局部〕 3、一般的后轴轴载在60—130KN范围内，大局部在100KN以下，我国轴限为100KN。

货车载重增加，又有轴限规定，须增加轴数来提高载重，采用多轴多轮，减少单位面积路面的压力三、汽车对道路的静态压力1、静态压力：当汽车处于停驻状态下，轮胎传给路面的垂直作用力，用p表示影响因素：〔1〕汽车轮胎的内压力pi 标准静内压力pi=0.4～0.7MPa;通常p=(0.8～0.9) pi 滚动的车轮p=(0.9～1.1) pi 〔2〕轮胎的刚度、轮胎与路面接触形状、轮胎的花纹 〔3〕轮载的大小 超载p＞pi 工程设计中：取p= pi，假定接触面上压力是均匀分布的2、接触面积 〔1〕形状：轮胎与路面的接触面形状—矩形—近似为长短边接近的椭圆形 工程设计中：近似为圆形接触面积车轮荷载简化为当量的圆形均布荷载 〔2〕接触圆半径〔当量圆半径〕： 单圆荷载：对于双轮组车轴，假设每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载，直径D 双圆荷载：对于双轮组车轴，假设每一侧的双轮用两个圆表示，称为双圆荷载，直径d D= d= 我国现行路面设计标准中规定的标准轴载BZZ—100，轮载P=25KN，p=700KPa，用以上公式计算得：D=0.302m, d=0.213m四、运动车辆对道路的动态影响PPPPPvvv 1、行使的汽车施加于路面的水平力 汽车：静止 等速、上坡、加速行使、启动 下坡、减速、制动 转弯、弯道上行使 路面：垂直压力 向后的水平力 向前的水平力 侧向水平力 〔1〕各种水平力：Qmax≤P〔〕 —车轮与路面间的附着系数 路面构造一样，枯燥状态＞潮湿状态 路面构造、干湿状态一样：车速越高，越小 附着系数过小，不能保证正常的行车；过大，路面构造层易遭受水平荷载的破坏，如：推挤、拥包、波浪等。

2、轮载的动态变动 由于车身自身的振动和路面的不平整而产生的车轮跳动，跳动的频繁程度和剧烈程度用以下指标衡量：见p18图2-3，p32图2-4 〔1〕变异系数=标准离差 / 静载 ，一般＜0.3 影响变异系数的因素：① 车速越大，系数越大 ② 平整度越差，系数越大 ③ 轮胎刚度低，减振装置效果好，系数小 〔2〕冲击系数〔动荷系数〕：振动轮载的最大峰值/静载 一般＜1.30 在设计刚性路面时，其承受的荷载大，对振动冲击敏感，所以有时以静轮载×冲击系数作为设计荷载 在柔性路面设计时，因其比拟平整，吸收应力的能力也大，所以不考虑动态影响 3、以上动力影响的瞬时性、重复性〔1〕路面承受荷载的时间—瞬时性，大约只有0.01～0.10s，见p18图2-4 车速越大，路面承受荷载的时间越短，路面变形量就越小，也可以理解为路面构造刚度和强度的相对增大〔2〕轮载的屡次重复作用 弹性材料：疲劳性质，即材料的强度随重复次数的增加而降低 弹塑性材料：变形逐渐增大，称变形的累积 所以要考虑道路在一定时间内的通行数量。

五、交通分析在路面构造设计中，要对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进展调查预估，以便将它们折算成当量标准轴载的累计作用次数1、交通量：指在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量 〔1〕交通量的调查 人工调查 分类：车辆按轴型、轴载分成11类 相互校核 〔短期的〕 分级：满载程度 相互补充 自动调查：自动化的轴载仪 轴载谱的调查，记录轴数、轴载，分类统计 〔2〕交通量的增长率γ 年平均日交通量是逐年增长的，需要预估设计年限内交通的开展 预估原那么：原路面，直接调查路上交通量，沿线工业、开发区吸引来的交通量 新建路，调查和它相近路的交通量，沿线工农业、开发区、道路建成后吸引来的交通量 利用以上调查资料通过回归分析，假定交通量在设计年限内以固定的增长百分率γ逐年增长 〔3〕初始年平均日交通量N1 〔4〕设计年限内累计交通量〔等比数列求和〕2、轴载组成与等效换算〔1〕轴载组成〔轴载谱〕：各级轴载所占的比例，见p35图2-6 一种轴载的通行次数，利用轴载谱可推算出所有车辆各级轴载的通行次数。

例：轴重6～7t的车每日通行400次，求轴重13～14t的车每日通行多少次？ 解：由p35的图2-6知：〔2〕标准轴载：大局部国家用100KN，美国规定82KN，少数国家130KN我国标准选用双轮组单轴轴载100KN为标准轴载，以BZZ－100表示〔3〕交通量的等效换算〔轴载换算〕 换算原那么：同一种路面构造在不同轴载作用下到达一样的损伤程度 对某一道路 P1轴载 作用N1次后 P2轴载 作用N2次后 道路所出现的损伤程度一样 换算公式：α—反映轴型、轮组影响的系数 n —同路面构造特性有关的系数3、轮迹横向分布：车辆在道路上行驶时，车轮的轮迹按一定规律分布在车道横断面上，称～〔1〕单向行驶一个车道〔图2-7〕：在3.75m宽的车道上分了15个条带，每条宽25cm，以条带上所受行车次数/车道上所受行车次数 作为该条带的频率，频率曲线有两个峰值，对应的频率达30%左右车道边缘频率很低〔2〕混合行驶双车道〔图2-8〕：在7m宽的路上划分成28个条带，每条宽25cm，频率曲线出现一个峰值，对应频率30%左右。

两侧边缘频率很低〔3〕影响频率曲线的因素：交通量、交通组成、车道数、车道宽、交通管理规那么等 〔4〕评定指标：轮迹横向分布系数η—取两个条带频率之和，宽约50cm§2-2 环境因素影响主要是温度和湿度的影响一般情况下，温度对路面影响大，湿度对路基影响大路基路面受温湿变化的影响产生胀缩，受限产生附加应力，即温度、湿度应力因此，分析设计路基路面时，除了考虑车轮荷载引起的损伤，还应考虑自然因素的影响 1、路面构造的温度变化〔日变化、年变化〕 〔1〕气温：路面构造随气温周期性变化，路表向下越深变化幅度越小，峰值出现越滞后见图2-11、图2-22 〔2〕太阳辐射：路表吸热，外表温度比气温高见图2-13 沥青路面最高可高出气温 25℃ 水泥砼路面最高可高出气温20℃ 〔3〕温度梯度：单位深度内平均温度坡差其变化与气温变化大致同步，具有周期性见图2-14 2、影响路面温度状况的因素外因：主要是气温、太阳辐射，其次风力、降水、蒸发等内因：材料的物理特性参数，热传导率、热容量等 3、路面构造内温度的预估 〔1〕统计方法：埋测温元件，连续观测年循环内不同时刻的温度 具有地区局限性，只可在条件相似地区参考使用。

〔2〕理论方法：理论方程式推演由于参数确定难度大，理论假设的理想化，预估结果与实测结果有差异§2-3土基的力学强度特性一、 路基受力状况1、 路基受到：路基自重、汽车轮重设计要求：路基所受的力在路基弹性限度范围内〔车辆驶过，路基能恢复原状〕2、 汽车轮重在路基土内引起的垂直应力假定：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计算公式：3、 路基土自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力 注：路面构造材料的容重近似取为路基土容重 4、路基内任一点处的垂直应力= 如图2-16所示二、路基工作区 1、定义：随着深度的增加，车轮荷载引起的垂直应力逐渐减小当车轮荷载引起的垂直应力σz与路基土自重引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为1/10～1/5时，所对应的深度称为路基工作区深度，该深度范围内的路基称为路基工作区〔约1～2m〕 2、计算公式： 随车轮荷载P↑，Za↑，路基工作区随车轮荷载的加大而加深 3、路基工作区内：路基工作区的强度和稳定性对保证路面构造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及路基的压实度有较高的要求。

当工作区深度大于路基填土高度时，或对于挖方路段，天然地基的上部土层也进入路基工作区，因此，这局部天然地基也应满足工作区的要求，充分压实见图2-17.三、路基土的应力-应变特性土是非线性、弹塑性体路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两局部 过大的塑性变形：沥青路面：产生车辙和纵向不平整； 水泥混凝土路面：引起板块断裂过大的弹性变形：使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂在路面构造总变形中，土基的变形占约占70%～95%，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路。