环境管理_行车荷载环境因素材料的力学特性概述

第二章行车荷载、环境因素、材料的力学特性,基本内容第一节行车荷载第二节环境因素影响第三节土基的力学强度特性第四节土基的承载能力第五节路基的变形破坏及防治第六节路面材料的力学强度特性第七节路面材料的累积变形及疲劳特性,第一节行车荷载,研究行车荷载的原因：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。,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。,一、车辆的种类,道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。客车：小客车、中客车、大客车；货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构设计主要以轴重作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要求。,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60130kN范围内。,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。,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。,胎壁受拉,胎壁受压,胎压,触压力,高压轮胎,低压轮胎,轮胎/路面接触面与接触应力,轮迹,对于低压轮胎：接触压力大于胎压对于高压轮胎：接触压力小于胎压在工程设计中，对接触压力进行如下简化：以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi，接触形状为圆形，接触面上的压力为均匀分布即将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压作为轮胎接触压力p。,当量圆半径可以按下式确定。式中：P作用在车轮上的荷载，kN；p轮胎接触压力，kpa；接触面当量圆半径，m。轮胎与路面的接触形状如下图所示：,四、运动车辆对道路的动态影响（1）水平力（与运动状态有关）（2）行驶荷载的特性振动性瞬时性重复性,车辆行使过程中的动态响应和随机动力荷载图,汽车在路面上行使过程中，由于车辆自身各种因素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及辆地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动，产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间随机变化。,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2.轴载组成与轴载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。我国的标准轴载为BZZ-100。,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。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与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。,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。路基土和路面材料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）。,二、公路路面的湿度状况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,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。在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受车辆荷载的影响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性限度以内，当车辆驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基的相对稳定，路面不致引起破坏。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z可以用近似如下公式计算。,P：一侧轮重荷载（kN）；K:系数，一般取0.5；Z：荷载中心下应力作用点的深度（m）。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B按下式计算：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z和由土基自重引起的B。,二、路基工作区概念：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相比所占比例很小，仅为11015时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。确定：路基工作区深度Za可以用下式计算。,式中:Za路基工作区深度,m；p一侧轮重荷载,MPa；K系数，取0.5；土的容重,kN/m3；n系数,n510。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,在工作区范围以外的路基,影响逐渐减小。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,对工作区范围内的土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。,三、路基土的应力一应变特性1、路基土的非线性变形特性土应力一应变的非线性特性由三轴压缩试验的结果表明：土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分土是非线弹性：具有塑性变形体：,2、土基的荷载弯沉关系荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都是变化的，因而土基内各点的模量值是不同的。目前路面设计而言，最关心的主要是土基表面的总变形（或总回弹变形）。压入承载板试验是研究土基荷载弯沉特性最常用的一种方法。把反映荷载弯沉关系的模量，看作土基一个当量的均匀模量值。方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面,逐级加荷卸荷,记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形,根据试验结果,可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。,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：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；土体的泊松比；p承载板压强，kpa。,模量：初始切线模量切线模量割线模量回弹模量,3、土基的流变性质土是具有流变性质材料：在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用时间有关。回弹变形与荷载的作用时间关系不大，塑性变形与荷载的作用时间关系大，土的流变性主要同塑性变形有关。车辆行驶时，车辆荷载对路基的作用时间短，产生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。可以在一般情况下，不考虑土基的流变性质。,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。,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面,最后达到破坏。在重复应力低于临界值的范围内,总应变的累积规律在半对数(或对数)坐标上一般呈线性关系,可表示为1=a+blgN式中：a应力一次作用下的初始应变；b应变增长回归系数；N应力重复作用次数。,第四节土基的承载能力,路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷载能力的大小，主要决定于路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。,用于表征土基承载力的主要参数指标：回弹模量地基反应模量加州承载比(CBR),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。有两种承载板可以用于测定土基回弹模量：、柔性压板：用柔性压板测定回弹模量，土基与压板之间的接触压力为常量，即：,承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在压板中心处(r0)，即：在柔性压板边缘处ra，其挠度可以按下式计算：,、刚性承载板:板底接触压力则随r值的变化，成鞍形分布。其挠度值与接触压力p值可分别按下式计算。,在实际测定中，刚性承载板用得较多，因为它的挠度易于测量，压力容易控制。试验时宜采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa。待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。回弹变形值超过1mm时，则停止加载。可点绘出荷载回弹弯沉曲线。在曲线上选取合适的量值按下式进行计算。式中：pi，li分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值。,二、地基反应模量,用温克勒(EWinkler)地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量K表征土基的承载力。温克勒地基假定：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，而同其相邻点处的压力无关。地基如同由许多各不相连的弹簧所组成（稠密液体地基）压力p与弯沉l之比称为地基反应模量K。,地基反应模量用承载板试验确定：承载板的直径规定为76cm。测定方法与回弹模量测定方法相类似，但是采取一次加载到位的方法。施加荷载的量值根据不同的工程对象，有两种方法供选用。当地基较为软弱时：用0.127cm的弯沉量控制承载板的荷载。因为，通常情况下混凝土路面板的弯沉不会超出这一范围。地基较为坚实：弯沉值难以达到0.127cm时，则采用另一种控制方法，以单位压力p70kPa控制承载板的荷载。,承载板直径的大小对其值有一定影响，直径越小，K值越大。但是由试验得知，当承载板直径大于76cm时，其值的变化很小，因此规定以直径为76cm的承载板为标准。当采用直径为30cm的承载板测定时，可按下式进行修正：K760.4K30,三、加州承载比(CBR),加州承载比是早年由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。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示CBR值。CBR值有室内测试和现场测试。室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水4d。室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影响，必须加以修正。,四、土基各强度指标之间的关系,回弹模量E0与地基反应模量k的关系Ec水泥混凝土板的弹性模量，Mpa；h水泥混凝土板厚度，m；,回弹模量E与加州承载比CBR的关系n为常数，一般为211之间地基反应模量k与加州承载比CBR的关系：,第五节路基的变形、破坏及防治,一、路基的主要病害路基的主要病害有以下几种:1、路基沉陷：(1)自身压缩沉陷(2)天然地基承载力不足引起的沉陷。,2边坡滑塌：溜方、滑坡,3碎落和崩塌4路基沿山坡滑动5不良地质和水文条件造成的路基破坏,二、路基病害防治,为提高路基的稳定性，防治各种病害的产生，主要有以下一些措施：1正确设计路基横断面。2选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路基上层填土作稳定处理。3采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定的压实度。4适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入路基工作区范围。,5正确进行排水设计(包括地面排水、地下排水、路面结构排水以及地基的特殊排水)。6必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积，设置砂垫层以疏干土基。7采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。以上各项技术措施的宗旨在于限制水分侵入路基，或使已侵路基的水分迅速排除，保持干燥，提高路基的整体强度与稳定性。,第六节路面材料的力学强度特性,路面所用材料的分类(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。这些材料按不同的成型方式(密实型、嵌挤型和稳定型)形成各种结构层。,一、抗剪强度,抗剪强度材料受剪切时的极限或最大应力路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有：(1)路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏；(2)无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏；(3)面层结构的材料抗剪强度较低，如高气温条件下的沥青面层、级配碎石面层等，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。,摩尔(MohrCoumbnb)强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有性质，与法向正应力无关，即：式中抗剪强度，kPa；c材料的粘结力，kPa；法向正应力，kPa；材料的内摩阻角。c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪切试验，绘出-曲线后，按上式确定。,对于松散粒料无法进行直剪试验时，可以由三轴压缩试验，绘制摩尔圆和相应的包络线，按上式直线关系近似确定c、值。由于三轴试验较接近实际受力状态，因此得到广泛应用。对于能作抗拉和无侧限抗压试验的材料，可以根据抗拉强度t和抗压强度c推算c、值。,土和颗粒材料的抗剪强度是由矿质颗粒之间的摩擦、嵌挤以及毛细和吸附等作用形成的。其参数同颗粒的大小和形状、矿物成分和级配、密实度和含水量、受力条件等因素有关。沥青混合料的抗剪强度不仅同矿料的级配组成、形状和表面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还与试验温度、加荷速率等因素有关。混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。,二、抗拉强度,抗拉强度材料受拉时的极限或最大应力沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温急骤下降时产生收缩，水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。抗拉强度的测定通常用下列两种方法测定：直接拉伸试验间接拉伸试验（即劈裂试验）,抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。沥青混合料在常温下，抗拉强度，随沥青含量和加荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而下降；沥青混合料在负温下，抗拉强度随沥青针入度和温度的降低会略有下降；水硬性材料，影响抗拉强度的因素有集料（或土）组成、结合料含量和活性（或水灰比），伴制均匀性和压实程度，龄期。,三、抗弯拉强度,抗弯拉强度材料受弯拉时的极限或最大应力路面材料的抗弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评定。小梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒径的4倍。通常采用三分点加载，材料的抗弯拉强度按下式计算：式中：p破坏荷载，kN；l支点间距，m；b，h试件截面的宽度和高度，m。,四、应力一应变特性,1、颗粒材料无结合料碎砾石材料应力应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量Er，随偏应力d(13)的增大而减小，随侧压力3的增大而增大。采用三轴压缩试验进行测定。2、水泥稳定类材料的应力应变特性水泥稳定材料的应力应变关系可以通过单轴或三轴压缩试验或小梁弯曲试验得到。,应力应变关系也呈现出非线性状，模量是应力（偏应力和侧限应力）函数；在应力级位低于极限荷载的50%60%时，应力应变曲线可近似为线性的。在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。,3、沥青混合料的应力应变特性1)沥青混合料的应力应变关系沥青及沥青混合料的应力应变关系具有随温度和荷载作用时间而变化的特性，具有粘弹性性状。弹性应变加载或卸载时，立即产生或恢复的应变；粘弹性应变应变随加载时间或卸载时间增加而增加或减少的应变；塑性应变在卸载后应变不能恢复的应变。随施加荷载的大小和作用时间的不同，表现出不同的弹性性质、粘弹性性质和粘弹塑性性质。沥青及沥青混合料的力学特性受温度与加载时间的影响较大。,2)沥青混合料劲度模量反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力应变关系的参数，称为劲度。,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，oC。,由沥青劲度试验曲线可以看出：（1）当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明材料处于弹性状态。（2）加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性