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Chap2 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,2019/6/27,2,2-1 行车荷载 2-2 环境因素影响 2-3 土基的力学强度特性 2-4 土基的承载能力 2-5 路基的变形、破坏及防治 2-6 路面材料的力学强度特性 2-7 路面材料的累计变形与疲劳特性 作业,目录,2-1行车荷载,一、 种类 客车、货车 客车：小 6人 货车：整车 ，货厢与发动机为一整体 中 620人 牵引式挂车 牵引车+挂车（分离） 大 20人 牵引式半挂车 牵引车 铰接 挂车 速度公路等级评定路面的表面特性 小客车 重量（轴重）路面等级路面结构设计 中型载重车,2019/6/27,4,二、 轴型（图21） 前轴：单轴单轮 1/3G 后轴：单轴单、双轮 2/3G 双轴单轮（极少）1/2G 双轴双轮 三轴单轮（少量）,图21 不同轴型的货车示意图,三、 汽车对道路的静态压力,1、 静力大小影响因素： 车轮总荷（轮载大小） 轮胎内压（0.40.7MPa） 轮胎性质 近似认为: 轮胎内压=轮胎与路面的接触压力 P=0.80.9Pi（静置） P=0.91.1Pi（行驶升温）,2019/6/27,6,双轴轮组车辆（图2-2）,2、轮胎圆荷载,我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100的P=100/4KN,p=700KPa，用上述两式计算，可分别得到相应的当量直径为：d=0.213m, D=0.302m,四、汽车对道路的动力作用,动荷载 振动 竖向力 运动 水平力,1、变异系数：标准离差与轮载静载之比（00.3） 动荷系数：动载/静载（K1） 影响因素：行车速度平整度车辆的振动特性 2、荷载具有瞬时性 作用时间0.010.1S,若V=60Km/h，则t取0.03S 3、重复特性 弹性材料 疲劳强度降低 f=（0.944-0.072logN）s 弹塑性材料永久变形（变形累积）,2019/6/27,9,4、 水平荷载 图23 QmaxP qmaxp,图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平力 a)静止b)一般行驶、加速起动c)减速、制动d)转弯,五、交通分析,1、 交通量：单位时间内通过道路某一横断面的车辆数。 年平均日交通量，高峰小时交通量,2019/6/27,11,设计年限内累计交通量：,2019/6/27,12,2、标准轴载 柔规路面设计和刚规路面设计以双轮组单轴100KN作为标准轴载。（黄河JN150） 3、轴载组成与等级换算 1） 轴载谱：各级轴载所占的比例。根据实测的各级轴载绘制的直方图，可作为该道路通行的各级轴载的典型轴载谱 。（可通过记录一类车辆的日通行车载数而推算所有各级轴载的作用次数） 2） 换算原则：同一种路面在不同轴载作用下达到相同的损坏程度。,2019/6/27,13,3）不同等级换算：,式中： ii级轴载换算为标准轴载的换算系数； Ps标准轴载重，KN； Ns标准轴载作用次数； Pii级轴载重，KN； Nii级轴载作用次数； 反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数； n同路面结构特性有关的系数。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不相同，因而系数和n取值各不相同。具体数值在有关章节分别作介绍。,2019/6/27,14,4、轮迹横向分布系数 在路面设计中我们通过调查和分析得到的交通量资料往往是整个路面宽度范围内所有行车道上的总交通量，但每个车道上的交通量并没有这么多，而且各不相同。我们设计采用的应是具有最大交通量的车道，这就需要对轴载（轮载）在车道横断面上的分布作调查分析。,图2-7 轮迹横向分布频率曲线 (单向行驶一个车道),图2-8 轮迹横向分布频率曲线 (混合行驶双车道),2019/6/27,15,刚性路面,柔性路面,横向分布频率：以轮迹的大约宽度（25cm）为条带，条带上受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数。,2019/6/27,16,5、设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数,回目录,2-2环境因素影响,环境因素湿度、温度影响路基、路面的强度、刚度、稳定性、体积 （几何性质、物理力学性质）,一、 湿度对路基路面的影响,1、 对路基的影响（前已述） 1） 湿度主要影响因素： 大气降水和蒸发地面水的渗透 地下水的影响 毛细水温差引起的湿度变化 2） 路基湿度影响路基强度、稳定性再影响路面结构强度、刚度、稳定性 3） 如何保持路基干燥： 路面排水降低地下水位 加固路肩、注意路基施工,2019/6/27,19,2、 对路面的影响 没有路基影响明显 1） 湿度变化影响路面材料的强度和稳定性。 2） 湿度变化引起路面材料的体积变化，产生湿度应力。 3） 表面特性的改变（如抗滑性等）,二、温度对路基路面的影响,1、 对路基的影响 温度单独影响较小，主要是水温结合，发生冻胀和春融。 1） 产生原因： 体积增大弱结合水向冰冻区移动 2） 影响因素： 路基土对冰冻的敏感性（细颗粒含量大） 气温下降缓慢 水的供给 3）措施： 降低地下水位 采用砼路面结构组合或密级配沥青砼。,2、 对路面的影响,1） 路面温度变化 受大气温度影响一年之间和一日之内发生周期性变化。 路面结构内温度随深度变化而有所差别。,2019/6/27,22,图2-11沥青面层温度日变化曲线,2019/6/27,23,图2-12水泥混凝土面层温度日变化曲线,由图可见，路表面温度变化与气温变化大致是同步的，但是由于部分太阳辐射热被路面所吸收，路表面的温度较气温高，尤其是沥青路面，由于吸热量高，温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。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，升降的幅度随深度的增加而减小。其峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后。,2019/6/27,24,图2-13一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线,由图可见，顶面与底面之间的温差，在一天内经历了由负(顶温低于底温)到正(顶温高于底温)，再由正到负的循环变化。 温度梯度：单位深度内的平均温度坡差。,2019/6/27,25,图2-14水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线,由图2-14所示的曲线可以看出，温度梯度的变化与气温的变化大致是同步的，具有周期性特点。,2019/6/27,26,除了日变化之外，一年四季面层不同深度处的温度还随气温的变化而经历着年变化，图2-15所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况，可以看出，平均气温最高和最低的7月和1月份，面层的平均气温也相应为最高值和最低值。,图2-15沥青面层月平均温度的年变化曲线,2019/6/27,27,2） 温度状况影响因素： 外因：气象条件（太阳辐射、气温、风速、降水量、蒸发量等） 内因：各结构层材料的热物理特性参数（如热传导率、热容量、吸收辐射热的能力） 3） 温度变化对路面的影响 刚性路面 温度导致砼板拱起（升温）或翘曲（降温） 线膨胀系数 10-5cm/ 柔性路面 夏：车辙、波浪、拥包 冬：开裂 4）如何克服 砼路面：分仓设胀缝 沥青路面：改进级配；沥青质量,回目录,2-3 土基的力学强度特性,一、 路基受力状况 作用荷载： 路基（路面）自重 汽车轮重 正确设计的受力反应：在弹性变形范围内。,图2-16 土基中应力分布图,2019/6/27,29,1、 轮载在路基中引起的应力 当轮载为集中荷载时，（P）,r=0时，k=3/(2)0.5,图2-16土基中应力分布图,2019/6/27,30,2)当轮载为圆形均布荷载时（p）,2019/6/27,31,2、自重引起的垂直压应力 B=Z 路面材料可采用路基土材料，亦可折算,m=2 塑性体 m=2.5 弹-塑性体 m=3 弹-刚性路面,二、路基工作区,1、路基工作区的含义： 在路基某一深度Za处，当车轮荷 载引起的垂直应力z与路基土自重引起的垂直应力B相比所占比例很小（1/10-1/5）时，该深度范围Za称为路基工作区。,路基工作区内，土基的强度和稳定性对保持路面结构的强度和稳定性极为重要，所以对路基工作区深度范围内的路基结构层（路床和上路堤）的密实程度和含水量都做相对下层更加严格的限制。,2019/6/27,33,2、深度,k=3/(2)0.5 1/n=1/10-1/5,2019/6/27,34,3、几种汽车车型的路基工作近似深度,路基工作区深度 表2-4,计算北京BJ130型汽车的工作区深度。,2019/6/27,35,图2-17 工作区深度和路基高度 路堤高度大于Za b) 路堤高度小于Za,2019/6/27,36,三、路基土的应力应变特性 1、路基土变形： 弹性变形：过大使沥青面层和砼析产生疲劳开裂。 （弹塑性体） 塑性变形：过大沥青路面产生车辙和纵向不平整。 砼板路面，下层脱空而产生板块断裂。 2、弹塑性与弹性体的区别 压入承载板试验 弹性pl线型关系 弹塑性pl非线型关系 三轴压缩试验（3侧向力不变） 弹性：1-1线型关系 弹塑性：1-1非线型关系,2019/6/27,37,3、土在内部应力作用下表现出的变形： 微观者：是土颗粒之间的相对移动。当移动距离超出一定限度时，即使将应力解除，土体颗粒也不可能恢复原状。 宏观看：土基产生不可恢复的残余变形。,2019/6/27,38,图2-18土的应力应变关系曲线,2019/6/27,39,4、应力应变曲线上的模量值E取用： (1) 初始切线模量应力值为零时的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，反映该级应力处应力应变变化的精确关系； (3) 割线模量以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，反映土基在工作应力范围内的应力应变的平均状态； (4) 回弹模量应力卸除阶段，应力应变曲线的割线模量。,前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变，而回弹模量则仅包含回弹应变，它部分地反映了土的弹性性质。,2019/6/27,40,5、土基应力应变的非线性特性的另一种表示方法 ： 回弹模量值以应力或应变的函数形式表示： 砂性土ER=K1k2 （=1+2+3） 粘性土ER=K2+KK1-(1-2) 6、土的流变特性: 应变既与荷载应力大小有关，而且与荷载作用持续时间有关。,2019/6/27,41,四、重复荷载对路基土的影响 1、重复荷载作用导致的两种结果： 土体逐渐密实，土体颗粒进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形越来越小至稳定。 土体破坏，每一次加载产生的剪切变形形成能引起土体整体破坏的剪切面。 2、影响因素：（到底产生哪一种结果） 土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构状态） 重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下的极限强度之比（相对荷载） 荷载作用的性质（施加速度、每次作用时间、间隔）,回目录,2-4土基的承载能力,土基承载能力采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。 一、土基回弹模量 1、含义： 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。 2、测定方法：承载板：柔性压板 刚性压板 3、影响因素： 荷载的作用形式、大小，竖向位移的大小， 土的性质和状态。,2019/6/27,43,刚性 中心、边缘l一样,挠度： 柔性,2019/6/27,44,接触应力 : 柔性:均匀分布 刚性:板底接触压力是鞍形分布,实际测试中，一般用刚性承载板法 方法：逐级加荷，每级0.04Mpa，待卸载稳定1min后读取 li 再加下一级荷载。,当l 超过1mm时，停止加载， 给制曲线（荷载弯沉）,图2-21荷载回弹弯沉曲线,2019/6/27,45,二、地基反应模量 刚性路面设计，采用文克勒地基模型时，地基承载能力用地基模量表征。 K=p/l (KN/m3) 文克勒地基假定：土基顶面任一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力p 成正比例，而同其相邻处的压力无关。,图2-22温克勒地基模型,2019/6/27,46,承载板法 D=76cm(一次加荷到位) 地基软弱 以0.127cm的弯沉控制 地基坚实 以单位压力p=70kpa控制 K=p/l， k值是一定荷载或沉降条件下的荷载应力与总弯沉之比，包含回弹弯沉和残余弯沉，若只考虑回弹弯沉KR，则KR(地基回弹反应模量)=1.77K,图2-23地基反应模量K同承载板直径D的关系,2019/6/27,47,三、加州承载比（CBR） 美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。 试验方法：用一个端部面积为19.35c的标准压头，以0.127cm/min的速度压入土中。记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度达到1.27cm时为止。,图2-24 CBR试验装置,2019/6/27,48,承载能力：以材料抵抗局部荷载压力变形的能力来表征，并用高质量的标准碎石为基准，以它们的相对比值表示CBR值。 CBR=P/PS100（%）,计算CBR值时，取贯入度为0.254cm，但是当贯入度为0.254cm时的CBR值小于贯入度为0.508cm时的CBR值时，应采用后者为准。,2019/6/27,49,常用路基土的CBR值 表2-6,2019/6/27,50,四、土基抗剪强度 以库伦公式表示：=c+tg 总之,无论采用何种指标,强度与土的湿度和温度有很大关系。,回目录,2-5路基的变形、破坏及防治,一、路堤变形、破坏及原因 1、沉陷 指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。 其特征是：路基表面作竖向位移。,a）路基沉陷 b）路基的沉缩 c）地基的沉陷,2019/6/27,52,2019/6/27,53,2、边坡滑塌 1）溜方：通常指边坡上薄的表层土的下溜。 它可能是由于流动水冲刷边坡或施工不当引起。 2）滑坡：指一部分土体在重力作用下沿路堤的某一滑动面滑动。 滑坡主要是由于土体的稳定性不足而引起的。 原因：边坡过陡 不正确地用倾斜层次的方法填筑路堤 土过于潮湿，减低了粘聚力和内磨擦力。 坡脚被水冲刷。,a）b)溜方 c）滑坡,2019/6/27,54,2019/6/27,55,2006年3月28日，石太高速公路寿阳段塌陷现场严重。,2019/6/27,56,石太高速公路寿阳段塌陷现场,公路勘察人员跨过石太高速公路寿阳段塌陷后的裂缝,2019/6/27,57,公路勘察人员在查看石太高速公路寿阳段塌陷后的裂缝。,石太高速公路寿阳段塌陷现场,2019/6/27,58,3、崩坍和碎落 碎落： 软弱石质土经风化而成的碎块，大量沿边坡向下移动。 碎落的堆积可能堵塞边沟和侵占部分路基。 崩塌： 大的石块或土块脱离原有岩石或土体而沿边坡滑落下来。,2019/6/27,59,2019/6/27,60,4、路堤沿山坡滑动。 一般发生在陡峭的山坡上。 原因：山皮表面土质较差 上侧山坡未设防护措施 施工时山坡未挖成台阶状。 5、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。,2019/6/27,61,总结： 从以上可以看出，影响土体稳定性的因素主要是水 综合设计-排水系统,二、保证路基稳定性的措施,1、正确设计路基横断面。 2、正确选择适当而良好的土填筑路基，并采用正确的填筑方法。 3、充分压实路基，保证达到规定的压实度，提高土基的水稳定性。 4、适当提高路基（以防止水分从旁渗入或从地下水位上升。 5、正确地进行排水设计。 6、设置隔离层、隔温层及砂垫层。 7、采取边坡加固与防护措施，以及修筑挡土构造物。,回目录,2-6 路面材料的力学强度特性,路面材料，按不同形态和成型性质分： 松散颗粒型材料及块料 沥青结合料类 无机结合料 按路面材料的成型方式分： 密实型、嵌挤型、稳定型 形态：成型方式不同，力学强度不同。,2019/6/27,64,一、抗剪强度 1、摩尔库伦原理：=c+tg 2、材料在外力作用下不产生剪切破坏条件4dmax，H/D2 常用D=10cm，H=20cm，dmax2.5cm 4、路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的原因。 材料本身抗剪强度不足。 路面结构层较薄，车轮荷载传递 给土基的剪应力过大，使路基路面整体破坏。 层间接合面抗剪强度不足，在水平力作用下，上面薄层水平破坏。,2019/6/27,65,二、抗拉强度,路面材料（整体性大都有“热胀冷缩、湿胀干缩”的特性，会在内部产生拉应力。,图2-28直接拉伸试验,抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供，可以采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。,2019/6/27,66,沥青混合料 77或1010cm圆柱体,图2-29间接拉伸试验,水泥混凝土 151515 cm立方体,间接拉伸试验，即劈裂试验 ：,2019/6/27,67,三、抗弯拉强度 路面在车轮荷载作用下，处于受弯曲的工作状态，因此要有一不定期的抗弯拉强度。 小梁试验：三分点加载 （JTJ053-94）抗折试件150150550mm,图2-30梁试验加载图式,2019/6/27,68,四、应力应变特性 路面结构层在车轮荷载作用下的应力、应变和位移量，不仅同荷载状态有关，还取决于路面材料的应力应变特性。 1、松散粒料 用于基层和底基层的无机结合料碎、砾石材料无法通过成型试件直接测试应力应变特性。 可由三轴压缩试验所得到的应力应变关系曲线求得表征其应力应变特性的回弹模量值Er。 三轴压缩，Er=K1 k2 三向主应力之和 K1 K2回归常数，同材料性质有关。 一般碎石K1=7.015.7 K2=0.460.64 E=100-700Mpa,2019/6/27,69,抗折模量 小梁试验,2、水泥混凝土 单轴抗压强度 151530直角棱柱体,抗压回弹模量,Po初荷载 （0.5Mpa） F 试件横截面积 L试件轴向标距 PA终荷载 （0.4Mpa） a两次加载的变形差,2019/6/27,70,3、沥青混合料 沥青混合料的应力应变特性同上述材料有很明显的不同。由于混合料中的沥青材料具有依赖于温度和加荷时间的粘弹性性状，因此，沥青混合料在荷载作用之下的应力应变也具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。 低温 单轴小梁 存在蠕变和应力松弛现象 高温 三轴压缩 劲度模量St，T =（/）t，T,2019/6/27,71,图2-31沥青混合料压缩蠕变试验,1）当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，基本上处于弹性状态并兼有弹粘性性质。 2）当沥青混合料受力较大，且力的作用时间较长时，应力应变关系呈现出弹性，弹粘性和弹粘塑性等不同性状。,2019/6/27,72,劲度模量： 在给定温度和加荷时间条件下的应力应变关系参数。 St，T =（/）t，T 式中： St, T劲度模量，KPa； 施加的应力，KPa； 总应变； t荷载作用时间，S； T混合料试验温度，。,温度与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性,图2-32沥青劲度随时间和温度的变化曲线,回目录,2-7 路面材料的累计变形与疲劳特性,路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现破坏的两类极限状态： 1、塑性变形累积引起（弹塑性工作状态） 2、内部微量损伤累积，产生疲劳断裂（弹性工作状态） 共同点：破坏极限的发生不仅同荷载应力的大小有关，而且同荷载应力作用次数有关。 砼路面 （2） 沥青路面：低温（2）高温（1） 无机结合料路面：早期（1-3个月）（1）后期（2） 泥结碎石 （1）,2019/6/27,74,一、累积变形 路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生沉陷和车辙等路面病害。 这种永久性变形同荷载的大小、作用次数以及路基土的性状和路面结构层材料变形特性有关。,2019/6/27,75,1、碎、砾石和混合料（类似细料） 三轴压缩试验，应力作用次数塑性应变关系图 偏应力d较小时，塑性变形随作用次数逐渐增加，趋向稳定，至104次时至平衡状态。 偏应力d较大时，塑性变形随作用次数增大而逐渐破坏。,图2-33 良好级配碎石混合料的变形累积,2019/6/27,76,图2-34密实型沥青混合料的变形累积,2、沥青混合料 塑性应变累积量同以下因素有关： 温度 荷载大小、荷载作用时间（次数） 材料 有棱角优于圆角集料，密实级配优于开级配,2019/6/27,77,二、疲劳特性 疲劳：材料的承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，称为疲劳。 原因：局部不均匀，诱发应力集中 ，微损伤逐步扩大，导致结构破坏 疲劳极限：出现疲劳破坏的重复应力值(即疲劳强度)，随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。 当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度，延长路面使用年限，为路面设计提供参数。,2019/6/27,78,图2-35水泥混凝土疲劳试验曲线,1、砼及无机结合料处治的混合料（小梁试件） 应力比： （r/f ） 重复弯拉应力r与一次加载得出的极限弯拉应力(抗折强度)f值之比。 疲劳曲线：（r/fNf） 绘制应力比r/f与重复作用次数Nf的关系曲线，称为疲劳曲线。,2019/6/27,79,发现的规律： 1) 随着应力比的增大，出现疲劳破坏的