行车荷载及环境作用PPT课件

1、二、汽车的轴型 单轴单轮 单轴双轮 双轴单轮 双轴双轮 多轴多轮第1页/共84页第2页/共84页图2-1 2-1 不同轴型的货车示意图第3页/共84页三、轴轮组与轴重：整车分前轴和后轴，绝大部分车辆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。四、轮压与压圆：轮胎对路面的静态压力大小与胎内气压相接近，压面近似为圆形，d（圆直径）由p（轮胎接地压力）、P（轴重）来计算，p可近似取轮胎气压。第4页/共84页图2-2 车轮荷载计算图式a)单圆图

2、式；b)双圆图式 汽车的轮压与压圆PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面a)b)第5页/共84页对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下：a)双圆荷载的当量圆半径：b)单圆荷载的当量圆直径D：82PDdppP 荷载圆半径和直径第6页/共84页五、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PPPPVQQa)b)c)d)第7页/共84页1）水平力：行车安全要求 qma

3、x p ，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。3）瞬时作用及重复：路面点车轮作用时间约为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。第8页/共84页路面状况路面类型车速（km/h）123264干燥碎石0.60沥青混凝土0.701.000.500.65水泥混凝土0.700.850.600.80潮湿碎石0.40沥青混凝土0.400.650.100.50水泥混凝土0.600.70

4、0.350.55路表与车轮的附着系数第9页/共84页六、标准轴载：作用在路面的荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其它各种轴载按一定原则换算成标准轴载。标准轴载要求对路面响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。七、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。 超载但不超限车辆对路面使用寿命有一定影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大影响，有的甚至超过路面或桥梁结构极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重安全事故。第10页/共84页八、交通荷载轴载换算和统计计算1

5、 1）交通调查与分析调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载等，有的还调查轴载谱，不同轴载作用次数的频率组成即为轴载谱；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。 轴载组成与轴载换算：各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用等效性换算成其它轴载作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。第11页/共84页 第12页/共84页 2）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，车道综合累计需考虑。图2-7 轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）第13页/共84页序序号号轴型分布轴型分布代表车型代表车型代号代号整整车车类类1中型货车中型货车(载重载重2.5

6、10T)跃进、解放、东风等跃进、解放、东风等U1.12重型货车重型货车(载重载重10T)黄河、罗曼、斯太尔黄河、罗曼、斯太尔等等U1.1大通、交通、太脱拉大通、交通、太脱拉等等U1.2半半挂挂类类33轴半挂车轴半挂车解放、东风等国产牵解放、东风等国产牵引车引车S1.1.144轴半挂车轴半挂车斯堪尼亚、沃尔沃、斯堪尼亚、沃尔沃、斯太尔等进口牵引车斯太尔等进口牵引车或红岩、黄河等引进或红岩、黄河等引进技术生产的牵引车技术生产的牵引车 S1.1.255轴半挂车轴半挂车S1.2.2S1.2.36=6轴半挂车轴半挂车S1.2.31）交通调查第14页/共84页 轴型分类及代号轴型示意图整车类整车类Sing

7、le Unit TruckU1.1U1.2半挂类半挂类Semi-Tractor TrailorS1.1.1S1.1.2S1.2.2S1.2.31）交通调查第15页/共84页3）轴载换算 轴载换算的基本原则： 等效破坏原则：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）； 轴载换算系数公式：( )nsiiisNPNP第16页/共84页 4）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eN11365(1)1365(1)1(1)tettetNNNN36511365iiNN第17页/共84页 湿度图2-10 湿度对路基刚度的影响含

8、水量(%)重复应力28kPa80020103040120回弹模量（MPa） 2-2 环境因素影响1、温度湿度对道路的影响概述第18页/共84页2、温度对道路的影响温度造成路基的膨胀与收缩，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塑性变形累积及低温开裂 。表面下2cm2cm7cm7cm15cm15cm气温时刻（h h）4 46 68 81010121214141616181820202222242410102020303040405050温度（）图2-11 沥青面层温度日变化曲线第19页/共84页图2-15 沥青面层月平均温度的年变化曲线12345678

9、91011121103040020表面下2cm2cm7cm7cm30cm30cm气温月份温度（）第20页/共84页图2-12 水泥混凝土面层温度日变化曲线810121416182022242468232629323520气温表面下1.5cm5cm11cm16cm时刻（h h）温度（）第21页/共84页图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23273135394101052015温度（）深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00第22页/共84页图2-14 水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线0.3171012141618202224

10、2468232629322000.60.91.2气温温度梯度面层厚22cm时刻（h）温度（）梯度（cm）第23页/共84页3、湿度对道路的影响 湿度对路基的影响：湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基干湿类型。 湿度对路面的影响：水分积蓄于路面体内，降低路面强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性 。第24页/共84页 2-3 2-3 土基的力学强度特性一、路基受力状况1、汽车荷载引起路基中的垂直应力z：式中：p车轮荷载换算的均布荷载（单位：KNm3) D圆形均布荷载作用面积的直径m。 Z圆形均布荷载下应力作用点的深度m。212 .5zpZD第25页/共84页2、土

11、基本身自重引起路基中的垂直应力B ：路基土本身自重在路基深度为Z处所引起的垂直压应力B: B =Z 式中：土的容重（单位：KN/m3）。二、路基工作区1、路基工作区的概念：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1/101/5时，该深度范围内的路基称为路基工作区。第26页/共84页2、路基工作区要求：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，对路基工作区深度范围内土质选择，路基的压实度应提出较高的要求。三、土基的力学强度特性及其设计参数： 路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。过大塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不

12、平整；对于水泥混凝土路面，路基土塑性变形将引起板块断裂。弹性变形将使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂。第27页/共84页 2-4 土基的承载能力的表征参数1、土的非线性特性第28页/共84页2、模量的概念 土的应力应变关系曲线12o第29页/共84页（1）初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图代表加荷开始土的应力-应变关系。（2）切线模量：某一应力级位处应力-应变曲线斜率，如图反映土在该级位应力-应变变化精确关系。（3）割线模量：以某一应力值对应曲线上的点同起始点相连的割线斜率，如图反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况。（4）回弹模量：应力卸除阶段应力-应变曲线

13、割线模量，如图反映土在回弹变形范围内应力-应变关系平均情况。 第30页/共84页 3、土基流变性质 土的变形随时间变化的性质。土在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用持续时间有关，是一种具有流变性质的材料。第31页/共84页 4 、土基回弹模量测试回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法都以回弹模量E作为土基的刚度指标。 lpaEr002021lpaEr a41020 lpaE214020 p rpaar1222第32页/共84页测定时宜采用逐级加载卸载法 直径30.4cm的板

14、）。每一级荷载经过加载和卸载，取得稳定的回弹弯沉之后，再加下一级荷载，如此施加n级荷载后，即可点绘出荷载-弯沉曲线。 在多数情况下，试验曲线呈非线性。在确定模量时，可以根据土基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上取值。 路面设计中，按1mm线性归纳法来确定土基回弹模量。niiniilpaE1120012第33页/共84页第34页/共84页第35页/共84页第36页/共84页第37页/共84页第38页/共84页第39页/共84页第40页/共84页第41页/共84页第42页/共84页5、地基反应模量 温克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师温克勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是

15、地基上任一点弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处压力无关。用直径76cm的刚性板测定。当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对应压力p计算地基反应模量；当地基较为坚硬时，取单位压力p=0.07MPa时相对应弯沉值l计算地基反应模量。 N/m3 MPa/m lpk 第43页/共84页6、加州承载比CBR California Bearing Ratio1）概念：加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石承载能力为标准，以相对值百分数表示CBR值。100spCBRp第44页/共84页2）计算：

16、式中：p对应于某一贯入度时土基单位压力，KPa； ps对应贯入度的标准压力，KPa；取贯入度0.254cm CBR值。但当贯入度为0.254 cmCBR值小于贯入度为0.508 cm时CBR值，应采用后者。3）测试方法：试验时用一个端部19.35cm2标准压头， 以0.127cm/min的速度压入土中，记录每贯入0.254 cm时的单位压力，直至压入深度1.27cm为止。 标准压力值由高质量标准碎石试验得，其值见下表：第45页/共84页4)特点：（1）优点：测试速度快，室内外测试都很方便，能在一定程度上反应土基承载能力。（2）缺点：与我国规范计算中指标不一致，要作对比把CBR值转化为土基回弹模

17、量，但是不同的土质对应关系不同，不能得出放之四海皆准的对应关系，得出的关系只适用于有限地区。标准压力（KPa）182301.270161701.016133600.762105500.50870300.254贯入度（cm）第46页/共84页2-52-5 路基的变形、破坏及防治一、路基主要病害（一）路基沉陷1、概念：路基沉陷指的是路基表面在垂直方向产生的较大下沉。2、路基沉陷原因3、处理措施： 对于压缩变形过大一般要重新压实，提高压实度；下部承载力不足要进行地基处理：比如地基的换填、注浆处理。 路基本身的压缩变形路基下部天然承载力不足导致第47页/共84页第48页/共84页（二）滑坡1、概念：土

18、体某一部分沿着某个滑动面整体下滑。2、滑动原因：一方面是土体受外力的作用如地震力等；另一方面是由于土体本身抗剪强度不足，如水的进入等。3、处理措施卸载支挡抗滑桩 抗滑桩挡墙第49页/共84页第50页/共84页第51页/共84页第52页/共84页第53页/共84页第54页/共84页第55页/共84页第56页/共84页 该滑坡位于安康市岚皋县白河边（是水利发电的蓄水水源），皋县唯一出城公路，2007年9月下旬发生滑坡第57页/共84页第58页/共84页（三）碎落和崩塌1、概念：（1）碎落：边坡岩层表面风化，在大气温度与湿度交替作用下，以及雨水冲刷和动力作用下，表面岩石从破面上剥落下来，向下滚落。（

19、2）崩塌：大块岩石脱离原来土体沿边坡滚落下来。2、处理措施：采用挂网防护办法（如SNS柔性网防护），防治土体下落影响道路安全。第59页/共84页第60页/共84页第61页/共84页第62页/共84页第63页/共84页第64页/共84页第65页/共84页4、滑塌：z（1）概念：土体即有少量滑动部分，又有崩塌。z（2）处理措施：先清理滑动表面，然后挂网防护办法。 第66页/共84页 2-6 路面材料的力学强度特性一、路面材料的几种强度1、主要材料类型松散颗粒型材料及块料（granular, block）；沥青结合类材料（asphalt binder）； 无 机 结 合 料 类 材 料 （ i n

20、o r g a n i c b i n d i n g material）；水泥混凝土材料（cement concrete）； 由于材料基本性质和成型方式不同，各种路面结构具有不同力学强度特性（即应力应变关系），也使得路面具有不同使用品质和使用寿命。第67页/共84页2、抗剪强度 shear strength 摩尔库仑强度理论： =c+ tg。其中c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的粘结力（kpa），是材料内摩阻角，对于土，可以通过直剪试验得到；对于松散粒料无法做直接剪切试验，可用三轴压缩试验测定。图2-27 2-27 三轴试验确定c.c.c第68页/共84页3、抗压强度 comp

21、ressive strength 指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。 一般有大试件、中试件和小试件。小试件指50mm 5 0mm；中试件指 100mm 100mm；大试件指 150 m m 1 50mm。 第69页/共84页4、抗拉强度 tensile strength气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产生半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即在材料内产生拉应力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。路面材料抗拉强度主要由混合料中结合料粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料抗拉强度。5、抗弯拉强度 flex

22、ible strength 路面材料实际工作状态是弯曲反复变化的，结构层底首先容易出现局部拉裂、产生弯曲断裂。材料抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行测定。第70页/共84页二、路面材料的强度试验1、抗压强度试验一般有大试件、中试件和小试件。小试件指50mm 5 0mm；中试件指 100mm 100mm；大试件指 150 m m 1 50mm。第71页/共84页图2-28 直接拉伸试验1-上盖帽；2-变形传感器；3-金属箍；4-下盖帽；5-试件图2-29 间接拉伸试验1-压条；2-试件pp112321542、抗拉强度试验直接拉伸试验和间接拉伸试验第72页/共84页三、路面材料的设计参数 1）

23、无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的无侧限抗压强度试验z按预定干密度和压实度用静力压实法制备圆柱体试件、养生时间为设计龄期（整个养生期间温度，在北方地区应保持202，在南方地区应保持252），养生期的最后一天，将试件浸泡在水中，水的深度应使水面在试件顶上约2.5cm、侧向没有围压时的单轴抗压强度。无机结合料稳定材料的劈裂强度试验（间接抗拉强度）z试件制作同上，试验时在侧向测定试件最大劈裂强度，计算得到劈裂强度。侧向加压时应放置压条，并将试件横置在压条上，同时在试件顶面也放一压条（上下压条与试件接触线必须位于试件直径两端，并与升降台垂直）。压条采用半径与试件半径相同的弧面压条，其长度应大于试件

24、的高度。 第73页/共84页劈裂试验方法。 第74页/共84页图2-30 2-30 小梁试验加载图式(1-(1-试验梁；2-2-承压板；3-3-支点；4-4-顶杆；5-5-千分表) )LPhl/3l/321345l1l03）抗拉强度试验弯拉试验第75页/共84页 2-7 路面材料的累计变形与疲劳特性 重复荷载作用，达到路面结构破坏的极限状态，完全不同于其它结构物由于使用期内可能出现最大极限荷载引起破坏极限。1、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（为使用极限状态）2、弹性工作状态：重复荷载作用不产生塑性变形

25、，但结构内产生微裂缝，当微量损伤累积到一定限度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）（这种重复荷载大小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）第76页/共84页水泥混凝土路面弹性工作状态出现疲劳破坏； 沥青路面：B 1）低温环境中弹性工作状态出现疲劳破坏；B 2)高温环境中弹塑性工作状态出现累积变形。B 3)季节性温差很大的地区，沥青路面兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。无机结合料处治半刚性路面材料：弹性状态疲劳破坏；粘土为结合料碎砾石路面：弹塑性状态塑性变形累积。第77页/共84页一、路面材料两种极限破坏状态1、变形过大导致极限状态：这类主要是由于材料处于弹塑性工

26、作状态，重复荷载作用引起塑性变形累积，当累积变形超过一定程度后，路面使用功能下降导致允许限度以下，出现极限破坏状态。2、疲劳导致极限状态：路面材料处于弹性工作状态，在重复荷载作用下不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，当微量损伤累积达到一定程度，路面结构就发生疲劳断裂。二、累积变形: 路面结构在荷载重复作用下产生累积变形而产生沉陷与车辙，是路面结构主要病害。1、碎砾石混合料塑性变形影响因素：第78页/共84页（1）级配：碎砾石混合料在重复荷载作用下塑性变形累积规律与细粒土相似。级配良好混合料，随作用次数增加而增加，且逐渐趋于稳定；级配不良，混合料尺寸单一混合料，应力重复作用下很多次后仍有增大趋势。（2）细料含量：越多，变形越大。2、沥青混合料塑性变形影响因素：（1）温度：温度越高，沥青混合料劲度模量越小，塑性变形累积