第1章_交通荷载、环境因素和力学参数(教材第一、二章)

1、 主讲：李刚 办公室：B教117联系方式igno_路路 面面 工工 程程 路线(route) : 空间线（平面、纵面），决定行车的安全、舒适、经济、快捷； 路基(subgrade) ：按照路线位置和技术要求修筑的作为路面基础的带状构造物；（承受荷载） 路面(pavement) ：用硬质材料铺筑于路基顶面的层状结构； （承受荷载） 三者的关系：路线的确定应考虑路基的稳定性；路面位于路基之上，强度和稳定性相互影响和维护。 道路勘设计、路基、路面的关系:本课程主要内容：路面工程（pavement project）交通荷载、环境因素和力学参数块料、碎（砾）石材料及其路面无机结

2、合料稳定路面沥青路面沥青路面设计水泥混凝土路面水泥混凝土路面设计路面养护与管理第一章 交通荷载、环境因素和力学参数概述路面结构及其层位功能 路面等级与分类 行车荷载环境因素对路面的影响 路面材料的力学强度特性路面材料的累计变形与疲劳破坏本章重点第一节 概述路面：指用各种筑路材料铺筑在公路路基上供车辆行驶的构造物。路面工程：研究公路与城市道路路面的设计原理和方法、路面结构组合，对路面材料性能要求以及路面结构施工、养护、维修和管理技术。二、路面工程的发展设计原理和方法、材料应用和组成、施工机械和施工方法、质量检测与控制一、定义三、对路面的要求 强度与刚度(stiffness)承载能力(bearin

3、g capacity) 稳定性(stability) 耐久性(lasting properties) 表面平整度(surface evenness) 表面抗滑行性能 沙尘，噪音低 综上：路基路面工程的基本性能：承载能力、稳定性、耐久性、表面平整度、表面抗滑性槽式全铺式第二节 路面结构及层位功能一 、路面横断面(cross fault) 二 、路拱横坡度 (crown slope) 1、作用：排除路面积水 2、形式： 抛物线型直曲组合型折线型二次抛物线半立方抛物线y1=h（2x/B）2y1=h（2x/B）3/23、 有中央分隔带(central reservation)的路拱设置中央分隔带未设排

4、水设施中央分隔带设置排水设施二 、路拱横坡度 (crown slope)三 、路面各层的功能和特点由于行车荷载、自然因素等对路面的影响随深度的增加而逐渐减弱，路面的强度、抗变形能力和稳定性也应随深度而逐渐降低要求，因此，路面的结构应分层铺筑、分为若干层次结构，并按各结构层次的特定状况进行相应的材料要求。三 、路面各层的功能和特点路面结构按照使用要求、受力状况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次，通常按照各个层位功能的不同划分为面层、基层和路基三个层次，基层中包括底基层在内。面层：直接同行车荷载、大气接触，承受较大的行车荷载作用（包括冲击），同时受到降水、气温等的影响。与其他层次相

5、比，它具有较高的结构强度、抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应耐磨、不透水、抗滑、平整（另外还应能适应基层开裂对其影响或旧路面病害的反映）。材料的使用应能适应此功能的要求。三 、路面各层的功能和特点基层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的垫层及土基，是路面结构的主要承重层（对于沥青路面）或重要功能层（对水泥砼路面），因此，它也应具有足够的强度和刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能被面层渗入雨水浸湿或地下水影响，也可受温度影响变形，因此仍应具有足够的水、温稳定性；同时为保证面层平整，还应具有较好的平整度。路基垫层：垫层介于基层和土基之间

6、，它可改善土基的湿度和温度状况、使面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态；同时，也可扩散基层传递的荷载应力、减小土基的应力和变形，并可阻止路基土挤入基层。一般垫层修于特定状况道路工程结构中，如防沙土基础挤入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。三 、路面各层的功能和特点1、 面层：特性：直接承载 满足强度、稳定性 要求：结构强度、变形能力、稳定性、耐磨、 抗滑 平整 材料： 分层 ：上、（中）、下 （沥青或混凝土面层）23层 RC+ AC （复合路面）水泥混凝土(cement concrete)沥青混凝土(asphalt concrete)沥青混合料(bitumino

7、us mixture)碎石（掺土或不掺土）混合料路面结构及层位功能2、 基层：特性：承载 、传递、扩散； 材料 分层：当基层较厚时，分两层施工： 上基层，下基层 材料不同时称底基层，设在基层之下，分担基层承重作用粒料类：碎砾石材料，片石，圆石、工业废渣和土、砂无机结合料类：沥青稳定类：热拌沥青碎石，沥青灌入碎石，乳化沥青碎石混合料水泥稳定类(cement-modified aggregate)石灰稳定类(lime-treated aggregate)工业废渣(industrial solid waste)稳定类路面结构及层位功能三 、路面各层的功能和特点 3、垫层(bed course)：土基

8、与基层之间透水性（松散类）：砂，砾石，炉渣稳定性（稳定类）：水泥或石灰稳定土作用：改善土基的温湿状况；扩散和传递由基层传递的荷载应力 ；防路基土挤入基层材料：要求：水稳定性、隔温性能路面结构及层位功能三 、路面各层的功能和特点路面结构及层位功能三 、路面分层及层面功能我国常用高速公路面层结构图图9 AASHTO9 AASHTO路面典型结构组合路面典型结构组合 1. 路面并不一定具有图示结构层次，可增可减 2.路面结构层次的划分并非一成不变（ 旧路改造 补强） 3.为保护沥青路面边缘，一般基层应较面层每边宽约0.25m ，垫层较基层每边宽0.25m。缓冲层：防止基层开裂反射面层连结层：防止沥青面

9、层沿基层滑移注意： 路面结构及层位功能第三节 路面等级与分类一、 路面等级(classification of pavement)的划分u 高级路面： 特点：强度高，稳定性好，使用寿命长，质量高，初期投高，行车舒服，高速，安全。 面层类型：水泥混凝土，沥青混凝土，沥青码碲脂 适用等级：高速，一级，二级 u 次高级路面： 特点：强度刚度低于高级路面，寿命较短，适应交通量小 面层类型：沥青灌入碎石，路拌沥青碎石，沥青表面处理 适用等级：二级，三级u 中级路面： 特点：强度刚度低，稳定性差，使用期限短，行车速度低，初期投入低，养护工作量大 面层类型：泥结碎石，级配碎石，水结碎石 适用等级：三级，四级

10、 u 低级路面： 特点：强度、刚度最低，水稳定性差，平整度差，低速，雨季有时不通车。 面层类型：粒料，砂砾土 ，矿渣土 适用等级：四级 一、 路面等级(classification of pavement)的划分二、 路面分类：按力学特性及设计方法 u 柔性路面(flexible pavement)：总体刚度小，弯沉变形大，抗弯拉强度低 如：粒料基层+ 沥青面层、碎（砾）石面层、块石面层u 刚性路面(rigid pavement) ：抗弯拉强度高，整体刚度大，处于板体工作状态，竖向弯沉小 如：水泥混凝土路面 u 半刚性路面(semi-rigid pavement)：前期具有柔性路面力学性质，后

11、期强度与刚度均大幅增长，但仍远小于水泥混凝土半刚性基层。 如：用无机结合料和水硬性结合料修筑的基层路面等级与分类第四节 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.汽车荷载是造成路面结构损伤的主要原因。要做好路面结构设计，必须对行车荷载进行分析。行车荷载的主要研究内容u 汽车的轮重与轴重 u 不同车型的车轴布置u 设计期限内，汽车的轴型分布和汽车年通过量的逐年变化u 汽车的静态荷载和动态荷载的特性比较 一、车辆的种类及轴型一、车辆的种类及轴型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、

12、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。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。目前我国公路上行使的车辆，后轴轴载一般在60130kN范围内。二、汽车对道路的静态压力二、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。 轮压与压圆：轮

13、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（接触面当量圆直径）由p（轮胎静止压力）、P（作用在车轮上的荷载）来计算，p可近似取轮胎气压。 四、运动车辆对道路的动态影响四、运动车辆对道路的动态影响道路上行驶的汽车除了给路面增加垂直静压力外，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。 1.水平力对路面造成的影响：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。

14、 3. 轮载作用的瞬时性轮载作用的瞬时性 车轮通过路面的时间约为0.010.1s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 五、交通分析五、交通分析1.1.交通量及其增长率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。五、交通分析五、交通分析2.2.轴载组成与轴载换算轴载组成与轴载换算轴载普：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱。轴载换算：道

15、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。五、交通分析五、交通分析3.3.轮迹横向分布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。第四节 环境影响因素一、温度的影响作用一、温度的影响作用1.影响机理影响机理 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

16、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。 温度对沥青路面的影响 温度对水凝混凝土路面的影响二、湿度的影响作用二、湿度的影响作用1.对路面的影响 水分积蓄在路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路

17、面透水性。2.做好路基路面排水的重要性路面材料的分类：（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。 第四节 路面材料的力学强度特性一、抗剪强度一、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。摩尔摩尔-库伦强度

18、理论：库伦强度理论：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，?材料内摩擦角，对于土，可以通过直剪试验得到；无法做直剪试验的松散材料，可用三轴试验。二、抗拉强度二、抗拉强度（1）路面开裂机理（研究抗拉强度的原因）：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。o抗拉强度可由直接拉伸直接拉伸或间接拉伸试验间接拉伸试验确定。o间接拉伸试验通常采用劈裂试验劈裂试验。2tPhD

19、三、抗弯拉强度三、抗弯拉强度o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。o弯拉强度大多采用简支小梁试验简支小梁试验( (三分点加载三分点加载) )进行评定。（1）无结合料碎、砾石材料 采用三轴压缩试验得到应力-应变曲线，求得表征其应力-应变特性的回弹模量值。 试验发现，碎、砾石材料的应力-应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量随偏应力的增大而减小，随侧压力的增大而增大。 碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示： 21KrKE 四、应力应变特性四、应力应变特性(2）无机结

20、合料稳定材料o无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。最符合路面实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验；o这类材料的应力-应变关系曲线呈现出非线性特征；o不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定早期抗压回弹模量。回弹模量按下式计算：)1 (42lpDEr （3）水泥混凝土o常用试验方法有单轴试验、三轴试验以及小梁试验；o抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验试件为150mm*150mm *300mm的直角棱柱体；o先测定抗压强度，然后去同样的试件施加40%的抗压强度用于测定抗压回弹模量，用传感器或者千分表记录轴向压缩变形量，混凝土的抗压弹性模量按下式计算： aAcLFPPE0 （4）沥

21、青混合料o沥青混合料在荷载作用下的应力-应变具有随着温度和荷载作用时间而变化的特性；o对沥青混合进行三轴压缩试验，在应力不变的情况下，可以得到应变随应力作用时间的关系曲线；o考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响，用劲度模量St,T表征其应力-应变关系：TtTtS,)( 沥青劲度随时间和温度的变化曲线沥青劲度随时间和温度的变化曲线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

22、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。总结：第六节 路面材料的累积变形与疲劳特性o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。o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（此为使用极限状态） ；（2）路面材料处于弹性工作状态，重复荷载导致

23、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（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）o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。1、路面结构破坏的极限状态2、路面材料在重复载下破坏类型水泥混凝土：处于弹性工作状态，呈现疲劳破坏。沥青混合料：低温环境中基本处于弹性工作状态，出现疲劳破坏；高温环境处于弹塑性工作状态，出现累积变形；温度在上述范围内变化时则兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。无机结合料稳定材料：低龄期时处于低塑性的弹塑性状态，其后基本处于弹性工作状态，因此使用过程中主要为疲劳破坏极限状态。碎（砾）石：属于松散类材料，具有移动变形，可引起结构塑性变形累积，但在其上有结合料类材料时可因支撑不足引起其上材料的疲劳破坏。 土（碎石土）：细粒土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性工作状态，塑性变形累积是主要极限状态形式。 3、 疲劳及疲劳破坏的有关概念（1）疲劳：材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现象称之为。（2）疲劳破坏：材料在经受低于