路基路面工程第二章.ppt

第二章行车荷载 环境因素 材料的力学特性 路基路面工程 精品课程 第二章行车荷载 环境因素 材料的力学特性 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 路基路面工程 精品课程 第一节行车荷载 研究行车荷载的原因 1 汽车是路基路面的服务对象 路基路面的主要功能是保证车辆快速 安全 舒适 经济通行 2 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 精品课程 行车荷载的主要研究内容 汽车的轮重与轴重 不同车型的车轴布置 设计期限内 汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐年变化 汽车的静态荷载与动态荷载特性比较 路基路面工程 精品课程 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 路基路面工程 精品课程 二 汽车的轴型 轴重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 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 多轴多轮化发展 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 精品课程 三 汽车对道路的静态压力 静态压力P的影响因素 1 汽车轮胎内压 2 轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态 3 轮载的大小 路基路面工程 精品课程 四 运动车辆对道路的动态影响 1 水平力对路面造成的影响 面层材料抗剪强度不足时 在水平荷载作用下 会产生推移 拥包 波浪 车辙等破坏 2 轮载的动态 振动 轮载动态变化的影响因素 车速 路面平整度 车辆的振动特性 冲击系数 振动轮载的最大值与静载的比值 3 轮载作用的瞬时性车轮通过路面的时间约为0 01 0 1s左右 当应力出现的时间很短时 来不及传递分布 其变形特性不能像静载作用那样完整表现出来 4 车辆荷载作用的重复性路面材料产生疲劳破环的主要原因 路基路面工程 精品课程 五 交通分析 1 交通量及其增长率 交通量 指一定时间间隔内 各种车辆通过某一道路断面的数量 年平均日交通量 考虑月分布不均匀系数 日分布不均匀系数等 交通量年平均增长率 设计年限内的累计交通量 2 轴载组成与轴载换算轴载换算 道路是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 轮迹横向分布由于轮迹的宽度远小于车道的宽度 因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置 也不回平均分配到每一点上 而是按一定规在车道横断面上 轮迹律分布横向分布频率的影响因素 交通量 交通组成 车道宽度 交通管理规则等 路基路面工程 精品课程 第二节环境影响因素 一 温度的影响作用1 影响机理路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩 由于温度和湿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 即温度应力和湿度应力 进而对路基路面产生破坏 2 影响温度变化的因素内部 路面各结构层材料的热物理参数 如热传导率 热容量 对辐射热的吸收能力等 外部 主要是气象条件 如太阳辐射 气温 风速 降水 蒸发量等 路基路面工程 精品课程 二 湿度的影响作用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 精品课程 第三节土基的力学强度特性 一 路基的受力状况路基承受路基自重和汽车荷载 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 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力 z的近似计算 z 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处所引起的垂直应力 B B Z 土的容重 kN m3 Z 应力作用点深度 m 路基内任一点垂直应力包括由车轮引起 z的和由土基自重引起的 B两者共同作用 路基路面工程 精品课程 二 路基工作区 概念 在路基某一深度处 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 仅为1 10 1 5时 该深度Z 范围内的路基称为路基工作区 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 路基工作区深度的确定 n 得到 Z 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 路基路面工程 精品课程 三 路基土的应力 应变特性 路基土的变形包括弹性变形和塑性变形 过大的塑性变形导致沥青路面出现车辙和纵向不平整 会导致水泥混凝土路面板的断裂 在柔性路面结构中 土基的变形占很大部分 土基土的组成包括固相 液相和气相三部分 三相体 路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线弹性体有很大区别 土基的应力应变关系除了出现非线性特性以外 还表现出塑性性质 即当荷载完全卸除时 变形不会全部恢复 残余变形或塑性变形 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系 而且与荷载作用持续的时间有关系 加载初期 变形量随荷载持续时间的延长而增大 以后逐渐趋向稳定 表现出流变特性 主要与塑性应变有关 路基路面工程 精品课程 四 重复荷载对路基土的影响 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积 一是土体逐渐被压密 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 二是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 路基路面工程 精品课程 第四节土基的承载能力 路基的承载能力都用一定应力级位下的抗变形能力来表征 主要参数有E K CBR 一 土基的回弹模量以回弹模量表征土基的承载能力 可以反映土基在瞬间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 以回弹模量作为表征土基承载能力的参数 可以在弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用 柔性承载板与刚性承载板刚性承载板用于土基回弹模量的测试 路基路面工程 精品课程 二 地基反应模量 用温克勒地基模型描述土基工作状态时 用地基反应模量表征土基的承载能力 温克勒地基的假定 土基顶面任意一点的弯沉l 仅同作用于该点的垂直压力p成正比 而同其它相邻点处的压力无关 路基路面工程 精品课程 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值的室内测试及现场测试 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 路基路面工程 精品课程 第五节路基的变形 破坏与防治 一 路基的主要病害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 路基路面工程 精品课程 二 路基病害防治 正确设计路基横断面 选择良好的路基填料 必要时进行稳定处理 采用正确的填筑方法 充分压实 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到路基工作区范围 正确进行排水设计 地面排水 地下排水 路面结构排水即地基的特殊排水 必要时设置隔离层隔绝毛细水上升 设置隔温层减少路基冰冻和水分累计 设计砂垫层以疏干土基 采取边坡加固 修筑支挡结构物 土体加筋等技术 提高整体稳定性 路基路面工程 精品课程 第六节路面材料的力学强度特性 路面材料的分类 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 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 路基路面工程 精品课程 一 抗剪强度 路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况 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递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 面层材料的抗剪强度过低 在受到较大水平力作用时 面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏 路基路面工程 精品课程 二 抗拉强度 沥青路面 水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降时产生收缩 温缩 水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度发生变化时 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 抗拉强度可由直接拉伸或间接拉伸试验确定 间接拉伸试验通常采用劈裂试验 路基路面工程 精品课程 三 抗弯强度 用水泥混凝土 沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层 在车轮荷载作用下 处于受弯曲工作状态 有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时 材料会产生弯曲断裂 弯拉强度大多采用简支小梁试验进行评定 路基路面工程 精品课程 四 应力 应变特性 1 无结合料的碎石 砾石材料无法通过成型试件测试应力 应变特性 可用三轴压缩试验结果来反映 其表现出明显的非线性特征 2 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试 3 无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力 应变特性关系 结果也呈现出非线性特征 4 沥青混合料的应力 应变特性测试也相同 在低温下 可采用单轴试验或小梁试验 在高温下 可用三轴压缩试验测定 由于沥青混合料中的结合料 沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘 弹性性状 所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力 应变特性关系 路基路面工程 精品课程 第七节路面材料的累积变形与疲劳特性 由于重复荷载作用引起的路面结构破坏极限状态 不同于最大极限荷载引起的破坏极限状态 重复荷载作用下出现的破坏极限状态主要有两种 1 路面材料处于弹塑性工作状态 则重复荷载作用将引起塑性变形的累积 超过一定限度时 路面使用功能将下降至允许限度以下 2 路面材料处于弹性工作状态 重复荷载导致材料内部产生微量损伤 累积到一定限度以后 路面结构发生疲劳断裂 累积变形与疲劳破坏这两种破坏发生的共同特点就是破坏极限的发生不仅同荷