行车荷载环境因素材料的力学性质ppt课件.ppt

第二章行车荷载 环境因素 材料的力学性质 1 主要内容 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与疲劳特性 主要内容 2 研究行车荷载的原因 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 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 第一节行车荷载 3 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 第一节行车荷载 4 一 车辆的种类 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 第一节行车荷载 道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类 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 5 一 车辆的种类 第一节行车荷载 整车牵引式半挂车 6 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 第一节行车荷载 7 二 汽车的轴型 第一节行车荷载 单后轴单轮组双后轴双轮组 8 不同轴型的货车示意图 第一节行车荷载 9 三 汽车对道路的静态压力 汽车轮胎内压 接触压力 轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态 椭圆近似圆形 轮载的大小 第一节行车荷载 静态压力P的影响因素 10 单圆图示 双圆图示 标准轴载Bzz 100 轴载 P 25kN 轮载p 700kPad 0 213mD 0 302m 第一节行车荷载 11 四 运动车辆对道路的动态影响 水平力 第一节行车荷载 最大水平力 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 12 四 运动车辆对道路的动态影响 轮载的动态 振动 第一节行车荷载 冲击系数 振动轮载的最大值与静载的比值 影响系数 变异系数 影响因素 13 四 运动车辆对道路的动态影响 轮载作用的瞬时性 第一节行车荷载 车轮通过路面的时间约为0 01 0 10s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 变性滞后性 14 四 运动车辆对道路的动态影响 车辆荷载作用的重复性 第一节行车荷载 路面材料产生疲劳破环的主要原因 轴载静力 动力量值和通行数量是路面设计中重要参数 15 五 交通分析 第一节行车荷载 交通量 指一定的时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量 a 初始年平均日交通量 b 交通量年平均增长率 c 设计年限内累积交通量 或 16 五 交通量分析 轮载组成与等效换算 第一节行车荷载 a 观测方法 人工 自动共11类车辆b 轴载谱 各级轴载所占的比例 轴载组成 不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大 所以除了关注累计交通量 还要关注各级轴载所占的比例 轴载谱 c 等效换算 各种轴载作用次数等效的原则 同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度 我国的标准轴载为 双轮组单轴Bzz 100 17 五 交通量分析 轮迹横向分布 第一节行车荷载 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 也不会平均分配到每一点上 而是按一定规律分布在车道横断面上 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 路面结构设计中 用横向分布系数来反映轮迹横向分布频率的影响 通常取两个条带频率之和作为轮迹横向分布系数 18 一 温 湿 度变化对路基路面的影响 路基土和路面材料的强度和刚度路基土和路面材料的体积 第二节环境因素影响 19 二 温度状况的预估 第二节环境因素影响 20 二 温度状况的预估 第二节环境因素影响 21 三 湿度状况 湿度 与温度共同作用 对路基路面的强度 刚度及稳定性影响现象表现为 保持路基干燥的主要方法 地下水对路基土的影响深度不同自然环境区域的路基受不同来源湿度的影响 面层的透水性和路肩以下路基的湿度变化对路基的湿度有影响 冻胀 翻浆 第二节环境因素影响 22 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的近似计算 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力 路基内任一点垂直应力包括由车轮和由土基自重引起的垂直应力共同作用 第三节土基的力学强度特性 23 二 路基工作区 第三节土基的力学强度特性 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 路基工作区深度随着车轮荷载的加大而加深 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 得到 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 24 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 第三节土基的力学强度特性 25 1 压入承载板试验 回弹模量 2 三轴压缩试验 第三节土基的力学强度特性 三 路基土的应力 应变特性 应力 应变关系 26 三 路基土的应力 应变特性 评定土体的应力 应变状态和设计路面时用模量E 定义以下模量 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 反映土的弹性性质 第三节土基的力学强度特性 27 四 重复荷载对路基土的影响 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 第三节土基的力学强度特性 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积 两种最终结果 取决于 28 第四节土基的承载能力 路基的承载能力采用一定应力级位下的抗变形能力来表征 主要参数有回弹模量E 地基反应模量K 加州承载板CBR 29 一 土基的回弹模量 柔性压板刚性压板 第四节土基的承载能力 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 圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量 30 一 土基的回弹模量 柔性压板 第四节土基的承载能力 若已测得 由l p a 反算出E 为土基的泊松比 31 一 土基的回弹模量 刚性压板 第四节土基的承载能力 若已知l p a 反算E 为土基的泊松比 32 一 土基的回弹模量 刚性承载板用于土基回弹模量的测试 第四节土基的承载能力 逐级加载卸载法 每级增加0 04MPa 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 则停止加载 点绘荷载 回弹弯沉曲线 承载板直径的大小影响测定结果 33 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 压力p与弯沉l之比称为地基反应模量K K P L适合于 弹簧地基 稠密液体地基模型 地基反应模量K值相当于该液体的相对重度 路面板受到的地基反力相当于液体产生的浮力 第四节土基的承载能力 34 二 地基反应模量 第四节土基的承载能力 K值的确定 刚性压板 D 76cm 一次加载到位 a 当地基较软弱时 用l 0 127cm的弯沉量控制承载板荷载 b 当地基坚硬 沉降难以达到0 127cm时 用p 70KPa控制承载板荷载 D值越小 K值越大 K76 0 43 K30地基回弹反应模量 KR 1 77K 35 三 加州承载比 CBR 定义 评定土基及路面材料承载能力的指标 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 测定方法 标准压头端部面积19 35cm2 以0 127cm min的速度压入土中 记录每贯入0 254cm时的单位压力 直到压入深度达到1 27cm时为止 计算CBR值时 取贯入度为0 254cm 但当0 254cm时的CBR值小于贯入度为0 508cm时的CBR值时 应采用后者 第四节土基的承载能力 CBR p ps 100p 对应某一贯入度的土基单位压力kPaPs 相应贯入度的标准压力kPa 36 三 加州承载比 CBR 实验方法 CBR值优点 第四节土基的承载能力 缺点 我国把其作为路基填料选择的依据 37 一 路基的主要病害 路基沉陷边坡滑塌碎落和崩塌路基沿山坡滑动不良地质和水文条件造成的路基破坏 第五节路基的变形 破坏与防治 38 一 路基的主要病害 路基沉陷 路基表面载垂直方向产生较大的竖向位移自身压缩沉缩天然地基承载力不足引起的沉陷 第五节路基的变形 破坏与防治 39 一 路基的主要病害 边坡滑塌 第五节路基的变形 破坏与防治 40 一 路基的主要病害 碎落和崩塌 表层风化石在外界因素作用下从坡面上剥落成片称碎落 大块岩石滚落称崩塌 路基沿山坡滑动 整体路基沿倾斜的原地面向下滑动路基整体失去移动 不良地质和水文条件造成的路基破坏 泥石流 瀑雨 溶洞 第五节路基的变形 破坏与防治 41 一 路基的主要病害 第五节路基的变形 破坏与防治 42 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 第五节路基的变形 破坏与防治 43 路面材料的分类 按不同的形态及成型性质松散颗粒型材料及块料 沥青结合料类 无机结合料类 第六节路面材料的力学强度特性 按不同的成型方式密实型 嵌挤型 稳定型 44 一 抗剪强度 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 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 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 第六节路面材料的力学强度特性 路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况 45 摩尔强度理论 沥青合料的抗剪强度不仅同材料的级配组成 形状和表面特性有关 也同沥青的粘结力和用量有关 粘结力取决于 一 抗剪强度 第六节路面材料的力学强度特性 抗剪强度kPaC 粘结力kPa 法向正应力kPa 内摩阻角 46 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 第六节路面材料的力学强度特性 水泥砼劈裂强度立方体试件测试 混合料劈裂圆柱形试件测试 沥青混合料温度敏感材料 抗拉强度与温度有关 47 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 第六节路面材料的力学强度特性 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 JTGE30 2005 规定 混凝土弯拉强度试件尺寸有100mmx100mmx400mm 150mmx150mmx550mm和150mmx50mmx600mm三种 简支小梁试验测定 48 四 应力 应变特性 第六节路面材料的力学强度特性 路面结构层在车轮荷载作用下的应力 应变和位移量 不仅同荷载的量级有关 还取决于路面材料的应力 应变特性 49 1 碎砾石材料 三轴压缩实验 与土基曲线类似 三向主应力之和 kPa K1 K2 回归常数2 无机结合料混合料 单轴 三轴试验 小梁试验水泥砼单轴试验 150 150 300mm无机结合料混合料室内承载板法试验 PA 终荷载L 试件轴向标距长度mPo 初荷载F 试件横截面积m2 a 变形差m 承载板直径D 37 4mm承载板单位压力200 700KPa试件直径高 150mm150mm 0 25 四 应力 应变特性 第六节路面材料的力学强度特性 50 3 沥青混合料 温度和时间对应力 应变特性影响很大 黏 弹性性状 四 应力 应变特性 第六节路面材料的力学强度特性 51 劲度模量St T 在给定温度和加荷时间条件下的应力 应变关系参数 通过实验 运用范德普 VanderPeel 诺模图确定 施加应力KPaS 模量KPa 总应变t 时间sT 温度OC 第六节路面材料的力学强度特性 四 应力 应变特性 52 重复荷载作用下路面结构的破坏 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 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 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载的应力大小有关 而且和荷载的作用次数有关 第七节路面材料的累积变形与疲劳特性 53 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的