车辆载荷作用下土壤的力学特性探究

1、车辆载荷作用下土壤的力学特性探究作者：高鹏指导老师：杨士敏（长安大学 工程机械学院 筑路机械2504090927 陕西 西安710018） 摘要：在分析行车载荷相关特性的基础上，探究了车辆的种类、轴型因素以及 汽车对路面的静态和动态影响，同吋探讨了履带式行走机构与地面的相互作用， 下来分析了土体在垂直载荷作用下的应力一变形关系和土体在水平载荷作用下 的应力一变形关系。通过理论分析、研究以及未來展望，提出了解决问题的措施, 得出了车辆载荷作用下土壤的力学特性研究的方案，并且对将来的这方而地而力 学工作做出展望。关键词：车辆 载荷土壤 力学特性在对车辆载荷作用卜土壤的力学特性探究中，经过实践证明，

2、行车载荷作为重 耍因素应该首先被理论研究，解决这些问题对整个课题实施具冇指导意义。1 车辆与地面的相互作用地面车辆按其行走机构可以分为三大类：轮式，履带式和特殊结构、1.1轮式车辆载荷相关特性以及对路面的影响1.1.1轮式车辆的分类道路上通行的车辆主要分为客车和货车两大类。客车又分为小客车、中客车、大客车。小客车口重与满载总重都比较轻，单 车速比较快，一般可达120km/h；屮客车一般包括6个座位至20个座位的中型 客车；大客车是指20个座位以上的客车，主要用于氏途客运与城市公路交通。火车分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。货车的总的发展趋向事项大吨 位发展，特别是集装箱运输水陆联运开战之后，

3、货车最大吨位已经超过40t-50to汽车的总载荷通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构的设计主耍以轴载 作为载荷标准。在道路上行驶的多种车辆的组合屮，重型货车与大客车起决定作 用，轻型货车与中、小型客车影响很小，有时可以不计。但是在考虑路面表面特 性要求吋，如如平整度、抗滑性等，以小汽车为主要对象，因为小车的行驶速度 高，所以要求在高速行驶条件下具有良好的平稳性与安全性。1. 1. 2轮式车辆的轴型无论是客车还是货车，车身的全部重力都通过车轴上的轮子传给路面，因此, 对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴载。由于轴载的大小直接关系到路面 结构的设计承载能力与结构强度，为了统一设计标准和便于交通

4、管理，各个国家 对于轴载的最大限度均有明确的规定。据国际道路联合会1989年公布的统计数 据，在141个成员国和地区中,轴限最大的为140kn,而通常我国的道路车辆轴 限为100k£通常，整车的形式的客、货车车轴分前轴和后轴。绝大部分车辆的前轴为两 个询轮组成的单轴，轴载约为汽车总重力的1/3。每-根后轴的轴载人约为前轴轴载的两倍。目前，在我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般在60-130rn以 下。曲于汽车货运向人型重载方向发展，货车的总载冇增加趋势。1. 1. 3轮式车辆对道路的静态压力汽车在道路上行驶分为停驻和行驶状态。当汽车处丁停驻状态时，对路而的 作用力为静态压力，主要是由

5、轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素 的影响：1汽车轮胎的内压力pi;2. 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的状态；3. 轮载的大小。货车轮胎的标准内压力pi 一般在0. 4-0. 7mpa范围内。通常轮胎与路面接触 面上的压力p略小于内压力pi,约为(0.8-0.9) pi。车轮在行驶过程屮，内压 力会因轮胎充气温度升高而壇加，因此，滚动的车轮接触压力也冇所增加，达到 (0. 9-1. 1) piod图1. 1车轮载荷计算图式a.单圆图示；b双圆图示.轮胎与路面的接触面形式如图1.1所示，它的轮廓近似丁椭圆形，因其长 轴与短轴差别不大，在工程设计上以圆轴来表示。将车轮载荷简化成当量的圆形

6、均布载荷，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力p。当量圆的半径d可以按公式 确定。d=式中：p作用在车轮上的载荷（kn）; p轮胎接触压力（kpa）； d接触面当量圆半径（m）。1. 1. 4轮式车辆对路面的动态影响汽车在道路上等速行驶，车轮受到路而给它的滚动摩擦力，路而也相应受到 车轮施加于它的一个向后的水平力；汽车在上坡行驶，或者在加速行驶过程，为 了克服重力与惯性力，需要给路面施加向后的水平力，相应在下坡或者加速行驶 过程，为了克服重力与惯性力作用，需要给路面施加向前的水平力。汽车在弯道 上行驶，为了克服离心力，保护车身平稳不产生那个侧滑，需耍给路面施加侧向 的水平力。特别是在汽车起动和制动

7、过程屮，施加于路而的水平力相当大。车轮施加于路面的各种水平力q值与车轮的垂直压力p,以及路面与车轮之 间的附着系数©有关（图1.2）,其最大值qmax不会超过p与©的乘积，即：qmax = p（pp图1.2车轮作用与路而的垂直压力与水平力a.停驻;b.起动、一般行驶、加速;c.减速、制动；d.转向若以q和p分别表示接触面上的单位水平力和单位只接触压力，则最大水平 力qmax应满足：qmax = ）（p©的最大值一般不超过0.7-0.8,同路面类型和湿度以及行车速度有关，相同的路面结构类型，干燥状态的©值比潮湿状态高；路面结构类型和干燥状态相 同的情况下，

8、车速越高，©越小。-v°5聘间硬01520图1.3 定车速卜轴载的动态波动汽车在道路上行驶，由于自身的振动和路而的不平整，汽车论实际上是以一 定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小 于静态轮载，呈波动态，图13即为轴载波动的实例3。正常情况厂 变异系数一般均小于0. 3。美国各州公路工作者协会 (aash0)试验路曾对不同车速下沥 青路面和水泥混凝土路面变形进 行测量(图1.4),结果表明，当车 行驶速度3. 2km/h捉高到56km/h, 沥青路面的总弯沉减小36%；当行 车速度由3.2km/h提高到 96. 7km/h,水泥混凝土路面的半

9、角 绕度和板边应量减小29%左右。汽车载荷对路面的多次重复作 用也是一项重要的动态影响。在行 车繁密的道路上，路面的结构每天 将承受上千次，甚至数万次车轮 载荷作用，在路而的整个使用期 限内，承受的轮载作用次数更为 客观。路面承受一次轮载作用和 承受多次重复载荷作用下，呈现图1.4车速与路面变性的关系1 刚性路面，板角绕度和板边应变量随车速的变化;2.柔性路而，表面总弯沉量随车速的变化出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随荷载重复次数的增加而降低。1.2；!带式行走机构与地面的相互作用1. 2. 1履带的接地压力履带式工程机械是靠履带而行驶的，履带是用来承受机体的重力并发出牵引力。 履帯式机械

10、通过松软地面的能力是以名义接地压力ngp来考虑的，其值为机械重 量除以履带接地面积。ngp=w/2bl名义接地压力是建立在履带接地压力均匀分布这一假设上的。d. row land通过实验证实，履带式机械的接地压力并汕均匀分布，而是与支重 轮数目、履带的挠性、支重轮的刚性等因素有关的。支重轮的数目使用相邻支重 轮间距s与履带间距t的比值来衡量的：当s/t«2吋为小间距，大于2的吋候 为大间距。支重轮数目较多间距比小于2履带刚性较大时，接地压力比较均匀， 反z则接地压力呈不均匀分布。rowland建议使用最大平均接地压力mmp來代替 ngp,作为表征车辆与地而性能的一个参数。它是指所有支

11、重轮位置下最大接地 压力的一个平均值，用下述经验公式来进行计算。mmp二 1. 26w/2nb (2rt) j/2式中w车辆重力，kn；n一条履带支重轮的数目；b履带宽度，m;i支重轮半径，m;t履带节距，m.1. 2. 2静止状态下履带接地压力的分析方法在松软地而上，履带与地而的接触应力可以分成支重轮间的履带和支重轮下的 履带两个部分(图1.5中的1、2部分)。这两部分的履带形状是不同的。为了使 问题简化，假设履带具有充分的挠性，无需考虑履板节距对履带形状的影响，而 且履带是不可拉伸的。在支重轮下的履带必然具有支重轮的形状。履带系统简图图中rs rt、驱动轮、导向轮半径；a, c, d, e

12、履带系统的儿何参数;fts履带单位宽度的张紧力；a、 b后前端履带与水平而间的夹角。12. 3履带接地的基本假定1、履带式工程机械支重轮的间距s与履带节距之比较小)2/(wts,故支重轮下 接地压力不会产生较大的波动峰值，可视履带接地压力沿接地长度呈线性分布；2、履带的接地压力分布与机器重量、重心位置、工作阻力、地而坡度及速度等 因素的影响有关；3、在作业工况下，滑转沉陷给予接地压力分布的影响，因履带、地面间构成的 角度很小(a <6° ),故可略去不计;4、履带式工程机械重心位置的横向偏移很小，可忽略不计；5、履带式工程机械的工作载荷均匀作用在推土板或松土器上，侧向载荷很小，

13、 亦可忽略不计。2. 车辆载荷作用下土壤的力学特性21 土体在垂直载荷作用下的应力-变形关系图的抗压强度直接影响到车辆的下 陷及其行驶阻力。为了确定土的抗压强 度，必须知道土的垂直变形规律，也即 法向应力p和土的垂直变形z的关系。车辆以快速的作用方式给土体移动 载荷，所以车辆行走装置的沉陷是瞬吋 的，而且土中有效压力的波及范围，一 般不超过0. 6m深度，同时在沉陷时经常 将土体破坏，形成车辙。目前，各国学 者都在研究用实验的方法建立某些半经 验公式，来表达沉淀量z和法向应力p 的关系。前苏联学者鲁利亚采用一般公式，表示土体支承面积上的压力p和平板卜-陷 深度z之间的关系,即:p = kzn式

14、中：k土的变形模量；n一土的变形指数。根据实验数据可知，n值一般在0-3之间，并口随土的含水率而改变。含水 率小的黏土壤呈弹性变形吋n二1；而n>l相当于随着载荷增加，车轮下陷深度的 增加减慢时的情况，这时土为硬实土体，若含水率接近于液限，则n=0； n<l主 要是代表塑性变形，相当于随着载荷增加，卜陷深度的增加变大。土的变形模量k土质相对含水率(w/wl)>10. 5-1.0<0.5砂土147. 09-490. 3亚砂土980. 6-1490. 9196.12-588. 3649. 03-98. 06亚黏土980. 6-1961.298. 06-490. 349. 0

15、3-98. 06砾土混合物1470. 9-2451.2490. 3-980. 6注:表中k的单位为kn/m,+2贝克根据不同宽度的带状载荷板进行的一系列土的压缩试验，进一步指出k 值与土的性质和载荷的宽度冇关，他提出垂直载荷与土体变形的经验公式为：式中：p作用在土体单位支承面积上的载荷; b载载荷板的短边长度； 口一土的变形指数；kc土体变形的黏聚里模量；k0 土体变形的内摩擦力模量;z土体的垂直变形。如果实验用的是均匀的同种土体,则平板尺寸对kc、k©以及n的影响很小,但在实验屮，b最好大于10cm,且l/b>5-7 （l为载荷板长边的长度），这样可以 减小十体不均匀的影响。

16、压入速度一般为2. 5-5cm/so2. 2 土体在水平载荷作用下的应力-变形关系当轮胎或履带被驱动时，它们在和地面接触的面积上产生剪切作用（图2.2）。为了预测车辆的牵引力和打滑，还需要了解土中剪切应力和剪切变形之间 的关系。图2.2轮胎和绿带的剪切作用根据土的抗剪强度公式亏=c 4- cr tan , 我们可以分析车辆的最大牵引力。lnrlrlrlnjinn图2.3剪切实验示意图土的剪切应力和剪切变形之间的关系，由 剪切试验来决定。为了更近似的模拟车辆行走 装置剪切土体的过程，我们引入长方形或者圆环形剪切板的剪切测试仪器（图 2.3）。一块尺寸为b*l的具有履刺的压板，上面作用有垂直载荷w

17、,当用拉力p 移动压板时，得一相应变性j。如果用不同载荷w重复进行操作，并用压板面积 b*l分别除p和w值，就可确定相应的单位压力cr卜的土体剪应力z与土体变形 j间的关系。对于脆性土（未经搅动的坚实土，如坚实的砂、粉土、壤土和冻结的雪等）, 在一定单位压力下的抗剪应力和土体变形的关系，见图2.4小的曲线曲线 出现峰值的原因是由于土砾的咬合作用引起的，当土粒的咬合作用被克服以后， 只剩下表而摩擦力，因此抗剪强度降低。对于这种土，必须的压实程度能较快达 到，抗剪应力往往再出现“驼峰”后，再降低到恒定值，即为剩余剪切应力。这 是因为，在移位吋土的原来结构发生破坏，新的结构不具有原始结构的抗剪强度,

18、 只有摩擦力，没有黏性力，因而了值迅速降低。对于塑性土，试验曲线如曲线a 所示，其抗剪强度发生在相当于土被压实的距离ja时，往后此抗剪应力实际上 保持不变，其数值大小与以后的土体位移无关，照样存在黏性力和摩擦力，其特 点为由弹性流动逐渐转变为塑性流动2. 3 土的物理值组的结构。在评价地面一车辆系统时，假定一组使系统最佳化的土壤平均值或极值的方 法，常常是有用的。在目前的技术状态下，许多地区缺少详细的土的数据及其空 间一时间性分布，这种假设尤其有益。显然，应使所假设的n、kc、k0、©值具有实际可用资料。虽然猜测°、c 值的大小也许容易，但想彖n、kc、k©值的相

19、关关系确实困难的，至于要严格 把c、仔和n、kc、k0值和互和关联，结果不是不可能，也是十分困难的。karafiath在1957年曾经证明：对于纯摩擦土体，k©、n可能在理论上和© 冇关。但他也证明：对于内聚性土，从其他土体值推导kc是不可能的。这对于 土的所有强度参数（c、炉）和变形参数（n、kc、k©、炉）是普遍止确的。这 些参数可独立地表示应力一应变关系的特征，正如屈服应力以及弹性模数可表示 金屈的机械性质那样。另一方而，在屈于给定组的土的参数值，与在给定含水率下表征给定土体特 性的土体值之间，必须直观的假定某些相互的数字关系。同样，n值高的土只能 和干的摩

20、擦性土有联系，而n值低的土则是高湿度的内聚性土和摩擦性土。因为n、kc、k©、©之间没有理论关系，对于上述关系的存在及其最终的 数字性的唯一论证只可能是经验性的。为此，将从美国的几个州和泰国不同地区 收集的40组土的参数值（表略），以便进行经验性地论证。3. 车辆一地面相互作用系统探究展望综合国内外的研究现状，当前车辆和路面相互作用的研究中存在以下几个方 面的问题：曲un濟枪'图3.1车辆一路而一般研究方法示意图(1) 多层体系在运动负荷和动力负 荷(大小变化，位置不变)卜的动力 响应问题在国外冇一定的研究，但 都不够深入，而在国内至今仍是一 个空白口前对动力荷载下

21、的动力 响应已有了理论研究，主要为2种方 法，一种是传递矩阵法，另一种是 广义射线法(又称射线追踪法)但 是.所得到的响应的精确解最多也 只能对2层介质有救，当层数达到3 层或超过3层时根本无法继续追踪 计算。动力荷载卜的动力响应的数 值研究主要也冇2种方法，即冇限元 法和边界元法，但对运动负荷的动 力响应口前主要是有限元法的数值解法。(2) 作用的荷载不真实。目前的荷载作用形式基本上是轴对称正向荷载，口轮胎 印迹内接触压力平均。实际上轮胎对路面接触压力并非圆形均布荷载而是随着车 辆参数、路面不平度的不平而变化。对于随机荷载作用下路面层状体系动力响应 的研究，无论在理论上还是在数值上，在国内外

22、都是一个全新的领域，尚无人涉(3) 口前，路面力学模型基木上是二维的，对三维模型的研究极少。二维模型仅 能分析轴对称荷载情况下路面的应力和应变，而只冇三维模型才能分析非轴对称 荷载的情形，这特别适用于随机荷载下的路面响应。(4) 沥青材料本质上是粘弹性材料，而目前国内路面实际设计分析中却仅考虑路 面材料的弹性性质一个重要原因是在国内考虑各种性质的路面分析、设计述没 有形成一个完整体系。应完善这个体系，使路面设计的方法更加完善。(5) 现冇用丁车路相互作用研究的车辆模型基本上是平而模型现实情况是车辆 左右车轮对路面的动态力并不完全一样，而且平面模型忽略了车辆侧倾的影响 应建立空间模型，这样才能更好地分析车辆参数对动态轮胎力的影响。(6) 现有的路面分析、设计软件基本上是结构化程序设计思想来编制的。目前采 用面向对象的设计与分析思想(ood, 00a)已成为主