公路工程行车荷载、环境、土基、路面材料

1、1公路工程行车荷载、环境、土基、路面材料行车荷载 轴载 轴载作用次数环境 公路自然区划 温度 湿度土基 湿度状况 力学强度特性 承载能力路面材料强度特性 疲劳特性 变形特性2022/7/25武汉理工大学 胡幼常2行车荷载的分析基本要求了解车辆的类型、轴型，明确我国路面设计规范选用的标准轴载。了解车辆对路面的作用力及动态特点，熟悉轴载、轮载、轮压、接触面积的计算和换算，建立荷载的单圆图式和双圆图式的概念。区分交通量和轴载谱的含义，建立轴载换算和轮迹横向分布的基本概念，熟悉设计使用期内累计轴载作用次数的计算方法。3车辆的类型客车小客车重量轻 车速快中客车620座大客车20座以上货车整车货箱与发动机

2、为整体牵引式挂车牵引车与挂车分离牵引式半挂车牵引车与挂车分离，但通过铰接相互连接，牵引车的后轴也担负部分荷载，货车箱的后部有轮载系统，前部铰接悬挂在牵引车上。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常4车辆的类型2022/7/25武汉理工大学 胡幼常5车辆类型对路面设计的影响重型货车与大客车对路面起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小。考虑路表面特性要求时，如平整度、抗滑性等，以小汽车为主要研究对象。汽车的重量主要以车轴与车轮传递给路面，所以路面设计主要以轴重为荷载标准。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常6汽车的轴型轴型（如图21）前轴绝大部分车辆的前轴为单轮单轴轴重约为汽车总重的1/3后轴

3、单轴、双轴、三轴大部分汽车的后轴为双轮组我国汽车的后轴轴载在60130KN，大部分在100KN以下。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常7汽车的轴型标准轴载将不同车型组合而成的混合交通量，换算成统一轴载的当量轴次，这种作为换算的统一轴载称为杯准轴载。 路面设计规范中均以单轴双轮100KN作为设计标准轴重，车辆的轴限为100KN。 称为BZZ-1002022/7/25武汉理工大学 胡幼常8汽车的轴型目前的情况及发展趋势超载（超过汽车的额定载重）与超限（超过路面结构的容许承载能力即轴限）我国公路上的汽车超重严重，在车轴数不变的情况下，单轴轴重急剧增大，有的超载达10倍以上，公路上的载货车几乎10

4、0超载。导致路面损害严重。汽车货运向大型重载、多轴多轮的方向发展。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常9我国常用汽车路面设计参数表212022/7/25武汉理工大学 胡幼常10汽车对道路的静态压力轮胎对路面垂直压力的影响因素轮载的大小轮胎的充气内压力标准静内压力pi=(0.40.7)Mpa通常轮胎与路面的接触压力p=(0.80.9) pi滚动时p =(0.91.1) pi轮胎的刚度、轮胎与路面的接触形状路面设计中，取汽车对路面的静态压力为轮胎的静内压力pi 压力在接触面上均匀分布2022/7/25武汉理工大学 胡幼常11汽车对道路的静态压力轮胎和路面的接触面积接触面形状近似于椭圆形路面设计中

5、简化为圆形接触面车轮荷载简化为与椭圆形荷载相当的圆形均布荷载此圆形即为当量圆单圆、双圆对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示称为单圆荷载若每一侧的双轮用两个圆表示称为双圆荷载2022/7/25武汉理工大学 胡幼常12对于双圆式(参见下页图), 因为所以 (2-2)对于单圆式, 因为 所以 (2-3)对于BZZ-100, kN, p= 700 kPa所以, d=0.213m, D=0.320m2022/7/25武汉理工大学 胡幼常13汽车对道路的静态压力车轮荷载的计算图式单圆图式双圆图式2022/7/25武汉理工大学 胡幼常14运动车辆对道路的动态影响行驶状态下对路面的水平力向前的水平力，

6、向后的水平力， 侧向水平力水平力的大小(总力) 面积力P轮重；轮胎与路面的附着系数水平力对路面的影响 使面层结构内产生剪应力，若面层结构的抗剪强度不足，会使路面产生推挤、拥包、波浪、车辙等病害。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常15运动车辆对道路的动态影响行驶状态下对路面的振动力行车速度路面的平整度车辆的振动特性桥规中冲击系数按动载频率确定，在0.05-0.45之间2022/7/25武汉理工大学 胡幼常16运动车辆对道路的动态影响瞬时性作用时间很短，大约只有0.010.10s左右与静态荷载作用相比，动荷载作用下路面的变形量相对减小。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常17运动车辆对道路的

7、动态影响荷载对路面的多次重复作用效应虽然一次作用的影响较小，但在成千上万次甚至百千万次的重复荷载作用下，路面结构会出现疲劳破坏材料在低于其极限强度的重复荷载作用下发生破坏的现象。（导致疲劳开裂等）变形累积在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大（土基、沥青路面、粒料类路面）2022/7/25武汉理工大学 胡幼常18交通分析道路上行驶的汽车种类繁多，轴重各不相同。路面设计时，必须将我国现有的、普遍存在的混合交通组成中各种车型的不同轴载作用次数等效换算为某一标准轴载作用次数。调查时要解决两个问题：一是道路的交通量；二是各种车辆的轴重。交通量（Traffic Volume) 的调查及统计确定道路未来

8、的年平均日交通量AADT,据此计算设计使用期末的AADT，以确定公路等级。轴载作用次数-路面设计时采用设计车道设计使用年限内标准轴载累计作用次数2022/7/25武汉理工大学 胡幼常19交通分析交通量的统计与预测交通量调查将车辆分成11类：小型货车、中型货车、大型货车、小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中型拖拉机、自行车、人力车和畜力车。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常20交通分析交通量的统计与预测调查年的交通量交通量年平均增长率设计使用初年交通量设计年限使用期末交通量设计年限内累积交通量2022/7/25武汉理工大学 胡幼常21交通量预测在路面设计中通常采用一个固定的年平均交通

9、量增长率来推算设计年限内各年的交通量，继而算出设计年限内的累计交通量。式中 N1通车初年的年平均日交通量； 设计年限内交通量平均年增长率。所以，设计年限t 内的累计交通量 为 2022/7/25武汉理工大学 胡幼常22 （等比级数前t项的和） 因为所以 （2-7）2022/7/25武汉理工大学 胡幼常23交通分析各级轴载组成与各级轴载作用次数的确定方法一：在交通量观测站配置自动化的轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后统计出各级轴载的作用次数轴载谱调查 但我国现在尚缺乏能广泛用于测定不同轴载的测试仪器，人工测录工作量大，影响道路的通行能力，不太可行。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常

10、24轴载自动记录仪2022/7/25武汉理工大学 胡幼常25车辆轴重分布规律（以U1.1为例，U1.1表前后轴均为单轴的整车）2022/7/25武汉理工大学 胡幼常26胎压调查结论2022/7/25武汉理工大学 胡幼常27交通分析各级轴载组成与各级轴载作用次数的确定方法二：设计时，在交通量观测站的 资料中，对每一类车型选择某一种车为代表车，将其轴载换算为标准轴载，再将这一类车型数量换算为标准轴载作用次数，累计各类车型的标准轴载作用次数，从而得到道路上的轴载交通量，作为路面结构设计的依据。 显然，这种处理方法的误差是比较大的。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常28交通分析各级轴载组成与各级轴

11、载作用次数的确定方法三：根据工可报告中的已换算为中型载重标准车的交通量AADT，将此中型载重车选定为某一种中型载重车，如EQ140(前轴重23.70KN,后轴重69.20KN，后轴为单轴双轮）2022/7/25武汉理工大学 胡幼常29交通分析轴载的等效换算标准轴载（标准轴计算参数见下表）2022/7/25武汉理工大学 胡幼常30轴载的等效换算等效换算原则：同一种路面结构在不同的轴载及次数作用下达到相同的损伤程度。换算系数公式：n-同路面结构有关的系数。 i- i 级轴载换算为标准轴载的换算系数;PS标准轴载(kN)；Pi i级轴载；NS-标准轴载作用次数；Ni i 级轴载作用次数；-反映轴型（

12、单轴、双轴或三轴）和轮组轮胎数（单轮或双轮）影响的系数；2022/7/25武汉理工大学 胡幼常31交通分析轮迹横向分布规律轮迹横向分布系数设计年限内一个车道上的累计当量轴数Ne 2022/7/25武汉理工大学 胡幼常32由于超载，致使路基倒塌，自个车辆四脚朝天；2022/7/25武汉理工大学 胡幼常33超载的重型车辆碾过的沥青路面变成了泥石路；2022/7/25武汉理工大学 胡幼常34路肩沉陷2022/7/25武汉理工大学 胡幼常35车轮胎都变形了 2022/7/25武汉理工大学 胡幼常36伤痕累累的水泥路面 2022/7/25武汉理工大学 胡幼常37公路部门在不停地抢修公路 2022/7/2

13、5武汉理工大学 胡幼常38环境公路自然区划的划分原则及其应用环境因素对路基路面体系温度和湿度状况的影响掌握预估路基湿度和路面温度的基本方法公路自然区划标准JTJ003-86然区划制定的原则道路工程特征相似的原则地表气候区划差异性的原则自然气候因素既有综合有有主导作用的原则2022/7/25武汉理工大学 胡幼常402022/7/25武汉理工大学 胡幼常41公路自然区划分三级进行区划七个一级自然区区北部多年冻土区区东部温润季冻区区黄土高原干湿过渡区区东南湿热区区西南潮暖区区西北干旱区区青藏高寒区2022/7/25武汉理工大学 胡幼常42公路自然区划二级区划（33个二级区和18个二级副区）：在每个一

14、级区内，再以潮湿系数，分为6个等级（过湿、中湿、润湿、润干、中干、过干）。 潮湿系数K：年降雨量R与年蒸发量Z之比。三级区划是二级区划的具体化，2022/7/25武汉理工大学 胡幼常43温度、湿度对路基路面影响温度、湿度对路基路面的影响路基土和路面材料的强度和刚度随结构内部温度、湿度的变化会有大幅度的增减沥青混凝土的动弹模 随温度升高而降低图29路基土的刚度（弹模）随湿度增长而急剧下降图210路基土和路面材料随结构内部温度湿度的升降而引起膨胀和收缩。当产生不均匀胀缩而受限时，会产生结构内附加应力即温度应力和湿度应力。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常44温度、湿度对路基路面影响路面温度的变

15、化规律年变化2022/7/25武汉理工大学 胡幼常45温度、湿度对路基路面影响路面温度的变化规律日变化2022/7/25武汉理工大学 胡幼常46温度、湿度对路基路面影响路面温度的变化规律日变化路表面温度变化大致与气温变化同步。受太阳辐射热影响，路表温度较气温高。而沥青路面又超过水泥混凝土路面。面层结构内不同深度处的温度随气温变化呈周期性变化。升降幅度随深度的增加而减小其峰值的出现随深度增加而滞后路顶面与底面之间的温差在一天之内经历了由负（顶温低于底温）到正（顶温高于底温），再由正到负的循环变化。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常47路面结构内温度状况的预估统计方法理论方法2022/7/25

16、武汉理工大学 胡幼常48土基路基土的分类分为巨粒土、粗粒土、细粒土、特殊土四类再进一步细分为11种土。各类土的工程性质2022/7/25武汉理工大学 胡幼常492022/7/25武汉理工大学 胡幼常502022/7/25武汉理工大学 胡幼常51土基（路基）干湿类型路基湿度的来源大气降水地面水地下水毛细水水蒸汽凝结水薄膜移动水2022/7/25武汉理工大学 胡幼常52土基（路基）干湿类型路基的干湿类型分为四类：干燥、中湿、潮湿、过湿公路路基的要求：要求路基处于干燥或中湿状态，对过湿状态的路基必须处理后铺筑路面。路线平、纵断面设计时考虑设置完善的路基和路面排水设施换填垫层2022/7/25武汉理工

17、大学 胡幼常53土基（路基）干湿类型路基干湿类型的划分方法 以分界稠度值来划分稠度Wc=(WL W)/(WL WP )路基土稠度值的测定与干湿类型相对应的分界稠度值（表17）来比较确定干燥 中湿 潮湿 过湿Wc1Wc2Wc32022/7/25武汉理工大学 胡幼常54土基（路基）干湿类型路基干湿类型的划分方法以路基临界高度来划分新建公路路基临界高度：在不利季节，路基分别处于干燥、中湿、潮湿、过湿状态时，路基顶面至地下水位或地表积水位的高度。（H1, H2, H3 )(表19）干燥 中湿 潮湿 过湿以路基高度H（路基顶面至地下水位或地表积水位的高度）与路基临界高度来比较确定。H1 H2H3H202

18、2/7/25武汉理工大学 胡幼常55土基力学强度特性路基受力状况自重应力汽车荷载2022/7/25武汉理工大学 胡幼常56土基力学强度特性路基工作区 在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力6z与路基土自重引起的垂直应力6B相比所占比例很小，仅为11015时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。在工作区范围内的路基，路面结构受车轮荷载影响较大，在工作区范围以外的路基，影响较小。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常57土基力学强度特性2022/7/25武汉理工大学 胡幼常58路基土力学强度特性路基土的力学特性对路面的影响路基是路面结构的支承体。尤其是路床的强度和稳定性对路面的影响更大。

19、路床：路基顶面以下080cm范围的路基土。 030cm上路床 3080cm下路床2022/7/25武汉理工大学 胡幼常59路基土力学强度特性路基土的力学特性（弹塑性变形）对路面的影响路面结构的损坏，除了路面本身的原因之外，路基的变形过大是重要原因之一。在路面结构的总变形中，土基的变形占很大部分，约占7095路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。过大的塑性变形将导致沥青路面产生车辙和纵向不平整。以及水泥混凝土路面板块断裂。过大的弹性变形将使沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常60路基土力学强度特性路基土的应力应变关系非线性关系弹塑性特点试验方法承载板试

20、验三轴压缩试验2022/7/25武汉理工大学 胡幼常61路基土力学强度特性路基土的应力应变关系2022/7/25武汉理工大学 胡幼常62路基土力学强度特性路基土的应力应变关系用模量值来表征路基土应力应变状态即强度刚度特性对应力应变曲线局部线性化，直线的斜率作为模量值。初始切线模量切线模量割线模量回弹模量：应力卸除阶段应力应变曲线的割线模量。路面设计中用土基的回弹模量 E0 来表征土基的强度状况2022/7/25武汉理工大学 胡幼常63路基土力学强度特性重复荷载对路基土的影响在重复车辆荷载作用下，产生塑性变形积累，总变形量逐渐变大。导致两种结果对于强度足够的路基，土体逐渐压密，塑性变形越来越小最

21、终为零。对于较软弱的路，塑性变形不断积累，最终导致剪切破坏。产生以上结果的影响因素土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构状态）重复荷载的大小荷载作用的性质：施加速度、持荷时间、频率2022/7/25武汉理工大学 胡幼常64第4 节 土基的承载能力土基的承载能力在路面工程中，将土基在一定的应力级位下的抗变形能力用来表征土基的承载能力。实际上就是土基的刚度。表征土基承载能力的参数指标 土基回弹模量 地基反应模量 加州承载比2022/7/25武汉理工大学 胡幼常65表征土基承载能力的参数指标土基回弹模量反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形能力柔性承载板测定法（较少采用）刚性承载板测定法（常用）

22、弯沉 l 荷载作用下结构层表面的竖直变形量。其中，总竖直变形量称为总弯沉；可恢复的竖直变形为回弹弯沉。一般情况下，弯沉均指回弹弯沉。土基回弹模量E0刚性承载板：2022/7/25武汉理工大学 胡幼常67 回弹模量测试方法土基的回弹模量是路面结构层设计中的基本参数，回弹模量大，则路面厚度可以较小，反之，则较大。因此实地测定土基的回弹模量，用以进行路面结构设计，是首选方法。不具备条件时，也可以根据自然区划、路基土质、路基潮湿状态等，按规范给定的经验值选取。土基回弹模量的测定方法主要有： 承载板法，贝克曼梁法，CBR仪法等土基回弹模量承载板测定法1. 目的和适用范围1. 1 本方法适用于在现场土基表

23、面，通过承载板对土基逐级加载、卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，经过计算求得土基回弹模量。1. 2 本方法测定的土基回弹模量可作为路面设计参数使用。1. 仪具与材料 本试验需要下列仪具与材料： (1)加载设施：载有铁块或集料等重物、后轴重不小于60kN的载重汽车一辆，作为加载设备。在汽车大梁的后轴之后约80cm处，附设加劲小梁一根作反力架。汽车轮胎充气压力0.50MPa。 (2)现场测试装置，由千斤顶、测力计(测力环或压力表)及球座组成。 (3)刚性承载板一块，板厚20mm，直径为30cm，直径两端设有立柱和可以调整高度的支座，供安放弯沉仪测头，承载板安放在土基表面上。 (4)路

24、面弯沉仪两台，由贝克曼梁、百分表及其支架组成。 (5)液压千斤顶一台，80100kN，装有经过标定的压力表或测力环，其容量不小于土基强度，测定精度不小于测力计量程的l100。 (6)秒表。 (7)水平尺。 (8)其它：细砂、毛刷、垂球、镐、铁锹、铲等。 3. 方法与步骤31 准备工作 (1)根据需要选择有代表性的测点，测点应位于水平的路基上，土质均匀，不含杂物； (2)仔细平整土基表面，撒干燥洁净的细砂填平土基凹处，砂子不可覆盖全部土基表面避免形成一层。 (3)安置承载板，并用水平尺进行校正，使承载板置水平状态。 (4)将试验车置于测点上，在加劲小梁中部悬挂垂球测试，使之恰好对准承载板中心，然

25、后收起垂球。 (5)在承载板上安放千斤顶，上面衬垫钢圆筒、钢板，并将球座置于顶部与加劲横梁接触。如用测力环时，应将测力环置于千斤顶与横梁中间，千斤顶及衬垫物必须保持垂直，以免加压时千斤顶倾倒发生事故并影响测试数据的准确性。 (6)安放弯沉仪，将两台弯沉仪的测头分别置于承载板立柱的支座上，百分表对零或其他合适的初始位置上。 3. 2 测试步骤 (1)用千斤顶开始加载，注视测力环或压力表，至预压0.05MPa，稳压1min，使承载板与土基紧密接触，同时检查百分表的工作情况是否正常，然后放松千斤顶油门卸载，稳压1min后，将指针对零或记录初始读数。 (2)测定土基的压力变形曲线。用千斤顶加载，采用逐

26、级加载卸载法，用压力表或测力环控制加载量，荷载小于0.1MPa时，每级增加0.02MPa，以后每级增加0.04 MPa左右。为了使加载和计算方便，加载数值可适当调整为整数。每次加载至预定荷载后，稳定1min，立即读记两台弯沉仪百分表数值然后轻轻放开千斤顶油门卸载至0，待卸载稳定1min后，再次读数。每次卸载后百分表不再对零。当两台弯沉仪百分表读数之差小于平均值的30时，取平均值。如超过30，则应重测。当回弹变形值超过1mm时，即可停止加载。 (3)各级荷载的回弹变形和总变形，按以下方法计算： 回弹变形( )(加载后读数平均值-卸载后读数平均值)弯沉仪杠杆比 总变形( )=(加载后读数平均值-加

27、载初始前读数平均值) 弯沉仪杠杆比 (4)测定总影响量。最后一次加载卸载循环结束后，取走千斤顶，重新读取百分表初读数，然后将汽车开出10m以外，读取终读数，两只百分表的初、终读数差之平均值即为总影响量。 (5)在试验点下取样，测定材料含水量。取样数量如下： 最大粒径不大于5mm，试样数量约120g； 最大粒径不大于25mm，试样数量约250g； 最大粒径不大于40mm，试样数量约500g。 (6)在紧靠试验点旁边的适当位置，用灌砂法或环刀法等测定土基的密度。 (7)本试验的各项数值可记录于表1的记录表上。 4. 计算41 各级压力的回弹变形值加上该级的影响量后则为计算回弹变形值。表1是以后轴重

28、60kN的标准车为测试车的各级荷载影响量的计算值。当使用其它类型测试车时，各级压力下的影响量按式(E-1)计算：（E-1） 式中： 测试车前后轴距(m)； 加劲小梁距后轴距离(m)； D承载板直径(m)； Q测试车后轴重(N)； P i该级承载板压力(Pa)； a总影响量(0.01mm)； 该级压力的分级影响量(0.01mm)。 42 将各级计算回弹变形值点绘于标准计算纸上，排除显著偏离的异常点并绘出顺滑的P-L曲线，如曲线起始部分出现反弯，应对原点进行修正，使曲线顺滑。43 按式(E-2)计算相应于各级荷载下的土基回弹模量值：(E-2) 式中： 相应于各级荷载下的土基回弹模量(MPa)； 土

29、的泊松比，根据部颁路面设计规范规定选用； D 承载板直径30cm； 承载板压力(MPa)； 相对于荷载时的回弹变形(cm)。44 取结束试验前的各回弹变形值按线性回归方法由式(E-3)计算土基回弹模量值： (E-3) 式中： 土基回弹模量(MPa)； 土的泊松比，根据部颁设计规范规定取用； 结束试验前的各级实测回弹变形值； 对应于的各级压力值。5. 报告51 本试验采用的记录格式如表2。 5. 2 试验报告应记录下列结果： (1)试验时所采用的汽车。 (2)近期天气情况。 (3)试验时土基的含水量()。 (4)土基密度和压实度。 (5)相应于各级荷载下的土基回弹模量值。 (6)土基回弹模量值(

30、MPa)。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常95土基的承载能力表征土基承载能力的参数指标地基反应模量K温克勒地基模型稠密液体地基模型，主要用于分析水泥混凝土路面地基反应模量K地基表面某点的竖向压力与弯 沉之比。 （kN/m3)2022/7/25武汉理工大学 胡幼常962022/7/25武汉理工大学 胡幼常97土基的承载能力表征土基承载能力的参数指标加州承载比CBR值（California Bearing Rate）CBR值由美国加利福利亚州提出的表征路基土、粒料、稳定土强度的一种指标。即标准试件在贯入量为2.5mm时所施加的试验荷载与用标准碎石材料在相同贯入量时所加荷载之比值。以百分比表示。2022/7/25武汉理工大学 胡幼常98土基承载能力加州承载比CBR值试验方法2022/7/25武汉理工大学