2-行车荷载、环境因素、材料的力学性质

第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质,第一节行车荷载,行车荷载及其对路面的影响汽车荷载既是路基路面的服务对象，又是造成路基路面结构损伤的主要原因；它是不断移动着的、具有振动和冲击影响的动荷载；汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重的大小与特性、车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静态与动态荷载的特性比较等不同方面。,1、车辆的种类道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。客车又分为小客车、中客车与大客车；货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。,2、汽车的轴载轴型分布单轴单轮单轴双轮双轴单轮双轴双轮多轴多轮轴轮组与轴重：整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为P/3），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种，大部分轴重在100KN以下，一般都在60130KN范围以内。,汽车的轴载,图21不同轴型的货车示意图,3、汽车对道路的静态压力轮压与压圆：轮胎对路面的静态压力大小与胎内压相接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。,荷载圆半径和直径：a)双圆荷载的当量圆半径：b)单圆荷载的当量圆直径D：,4、运动车辆对道路的动态影响道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向,纵向滑移路面附着系数,1）水平力：行车安全要求qmaxp，其中为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。,1）水平力：行车安全要求qmaxp，其中为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。2）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。,2）振动力：轴载变化的变异系数影响因素：a)行车速度：车速越高，变异系数越大；b)路面的平整度：平整度越差，变异系数越大；c)车辆的振动特性：轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。冲击系数动轮载/静轮载,3）瞬时作用及重复：路面点的车轮作用时间约为0.010.10s，结构变形来不及呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲劳。,5、交通分析,1）标准轴载标准轴载要求对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100。2）超载与超限超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。,3）交通荷载轴载换算和统计计算,a）交通调查与重复荷载交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算获得设计年限内累计交通量。对路面而言，主要是轴重。轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。,b)累计轴载作用次数,初始年平均日交通量N1,设计年限内累计交通量,设计年限内一个车道内的累计交通量,车道系数,c）轴载的换算,标准轴载：双轮组单轴100KN（BZZ100）。当量轴次：将交通量中各级轴载换算为BZZ100后得到的轴载作用次数。轴载换算的基本原则：等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）；等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。轴载换算系数公式：,d）车辆荷载的轮迹横向分布总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象称为轮迹横向分布，车道综合累计需考虑。,对于路面横断面上某一宽度（如轮迹宽度）范围内的频率，也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数同通过该横断面总作用次数的比值，称为轮迹横向分布系数。该系数同各种轴载的累计作用次数相乘，可得到路面结构横断面上各点受到疲劳的作用次数。影响轮迹横向分布系数分布规律的主要因素：车辆的类型、主轴轮数量、主轴轮间距及其车轮数量、轮胎宽度等。,第二节环境因素影响,1、温度湿度对道路的影响概述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。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。,2、温度对道路的影响温度造成路基体的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂,2、温度对道路的影响,图2-11沥青面层温度日变化曲线,2、温度对道路的影响,图2-15沥青面层月平均温度的年变化曲线,图2-12水泥混凝土面层温度日变化曲线,2、温度对道路的影响,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,2、温度对道路的影响,图2-14水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线,2、温度对道路的影响,3、湿度对道路的影响,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,第三节土基的力学强度特性,1、路基受力状况车轮荷载应力：路基自重应力：路基任意点：,2、路基工作区,在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为1/101/5时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。该深度Za随车辆荷载增大而增大，随路面的强度和厚度的增加而减小。要求：工作区内：强度、稳定性重要，压实度提高。,概念：,路基工作区深度：一般K0.5,3路基土的应力应变特性,弹性变形和塑性变形提高路基土的抗变形能力是提高路基路面整体强度和刚度重要方面。,三轴压缩试验,压入承载板试验,非线性变形局部线性体即在曲线的一个微小线段内近似视为直线，以其斜率为模量1)、初始切线模量应力值为零应力应变曲线斜率2)、切线模量某一应力处应力应变曲线斜率，反映该应力处变化3)、割线模量某一应力对应点与起点相连割线模量，反应该范围内应力应变平均状态4)、回弹模量应力卸除阶段，应力应变曲线的割线模量反映地基瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。总结：前三种应变包含回弹应变和残余应变回弹模量则仅包含回弹应变，部分反映了土的弹性性质。,土的应力应变关系曲线,4重复荷载对路基土的影响,重复荷载：产生塑性变形累积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。,路基路面工程精品课程,第四节土基的承载能力,土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。1土基回弹模量E反映地基瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。测定方法：1）查表法：无实测条件时采用。2）现场实测承载板法：测定土基在00.5mm的变形压力曲线.,2、地基反应模量,Winkler地基模型稠密液体地基根据Winkler地基假定，土基顶面的沉降仅同该点的压力大小成正比，而同相临点处的压力无关，此时压力与沉降的比成为地基反映模量。,表征参数地基反应模量,形式简单，适用于刚性路面分析,3加州承载比（CBRCaliforniaBearingRatio）,pi、ps相同惯入度时的测试材料和标准碎石的单位压力，Mpa.,适用于CBR经验路面设计法，或用于对土或其他筑路材料以及土基本身进行强度评价。可以与弹性模量建立相关性很好的换算关系。,3in2标准压头，以0.05in/min压入土体，记录每压入0.1in时的单位压力，直至深度达到0.5in为止。,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。,1、路基的主要变形破坏影响稳定性因素：自重、行车荷载、水分、温度变化（正温度、负温度）、风蚀作用。变形：弹性的、残留的（不能恢复的）（1）、路堤沉陷：垂直方向产生较大的沉落,第五节路基的变形、破坏及防治,原因：1）填料不当2）填筑方法不合理：不同土混杂；未分层填筑、压实；土中有未经打碎的大块土或冻土块；荷载、水和温度综合变化；原地面软弱，如泥沼、流沙、垃圾堆积未做处理等；冻胀、翻浆。,(2)、路基边坡的滑塌（滑坡）,常见的路基病害，也是水毁的普遍现象溜方：少量土体沿土质边坡向下移动而形成。边坡上表面薄层土体下溜。原因：流动水冲刷边坡、施工不当引起。滑坡：一部分土体在重力作用下沿某一滑动层滑动。原因：土体稳定性不足引起。,(3)、碎落和崩塌剥落和碎落：路堑边坡风化岩层表面，大气温度与湿度交替作用以及雨水冲刷和动力作用之下，表面岩石从坡面上剥落下来，向下滚落。崩塌：整体岩块在重力作用下倾倒、崩落。原因：岩体风化破碎，边坡较高。影响：危害较大的病害之一。比较：崩塌无固定滑动面。崩塌体各部分相对位置在移动过程中完全打乱。,(4)、路基沿山坡滑动原因：山坡较陡；原地面未清除杂草或人工挖台阶；坡脚未进行必要的支撑。(5)、不良地质和水文条件造成路基破坏不良地质条件：泥石流、溶洞等。较大自然灾害：大暴雨地区。,2、路基病害防治提高路基稳定性，防止各种病害产生，采取措施：（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。（6）、必要时设计隔离层隔绝毛细水，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积。（7）、采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加固等防护技术措施，以提高其稳定性。,第六节路面材料的力学强度特性,路面所用的材料的分类(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。,1、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。,ctg,图2-27三轴试验确定c.,2、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。,抗拉强度试验直接拉伸试验和间接拉伸试验,3、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。,4、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应力应变特性关系。,第七节路面材料的累积变形与疲劳特性,1、路面结构破坏的极限状态1）路面材料处于弹塑性工作状态：重复荷载作用引起塑形变形累积，当累积变形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允许限度以下，从而出现破坏极限状态（此为使用极限状态）2）路面材料处于弹性工作状态：重复荷载作用虽不产生塑性变形，但结构内产生微裂缝，当微量损伤累积到一定限度时即致使路面材料出现疲劳断裂，达到破坏极限状态（即结构承载疲劳极限状态）（*这种重复荷载的大小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）,2、疲劳概念,疲劳：路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破坏应力值低的材料破坏，这种材料强度降低的现象称为疲劳。疲劳破坏：材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤，在重复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为疲劳破坏。疲劳强度：承受规定重复荷载作用所对应的应力（应变）值称为疲劳强度。,疲劳极限：重复作用次数随重复应力（应变）值的减少而随增加，当重复应力（应变）值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力（应变）值即称为疲劳极限。疲劳寿命：材料从开始加载到破坏所对应的重复荷载作用次数称为疲劳寿命。疲劳曲线：将重复弯拉应力（应变）r（r）与一次加载破坏的极限弯拉应力（应变）的比值(称为应力比或应变比)作为纵坐标，绘制出r/f或r/f与重复作用次数Nf的关系曲线，即称为疲劳曲线。,3、无机结合料处治的混合料及水泥混凝土的疲劳特性,通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘出不同应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，从而得到疲劳曲线，并可回归出疲劳方程：r/f=-lgNf。水泥混凝土材料，Nf=107时应力比r/f