第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质2.16(2).ppt

1、路基路面工程,刘 清,E-mail：,Subgrade and Pavement Engineering,第一节 行车荷载 第二节 环境因素影响 第三节 土基的力学强度特性 第四节 土基的承载能力 第五节 路基的变形、破坏及防治 第六节 路面材料的力学强度特性 第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性,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,汽车是路基路面的服务对象。路基路面的主要功能是保证车辆快速、安全、舒适、经济通行。 汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量影响路面的使用性能。 汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。要做好路基

2、路面结构设计，必须对行车荷载进行分析。,1.1 研究行车荷载的必要性,1.2 车辆的种类,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、牵引式半挂车、牵引式挂车。,1.2 车辆的种类,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。 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。,汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面 对路面结构设计，应重视轴或轮重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。,1.3 汽车的轴型,轴

3、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,1.3 汽车的轴型,1.3 汽车的轴型,汽车的轴型,1.3 汽车的轴型,汽车的轴型简化图,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。目前我国公路是行使的车辆，后轴轴载一般在60130kN范围内。 汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有增加趋势，超载运输问题在我国日益突出。多轴多轮化发展。 对超载的定义：2000年2月，交通部超限运输车辆行驶公路管理条例规定：“单轴（每侧单轮胎）载质量6000kg，单轴（每侧双轮胎）载质量1

4、0000kg，双联轴（每侧双轮胎）载质量18000kg。”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不得超过13000kg。,1.3 汽车的轴型,当汽车处于停驻状态时，对地面的作用为静态压力 静态压力为主要是轮胎传给路面的垂直压力p 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,1.4 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 路面设计中简化为

5、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,1.4 汽车对道路的静态压力,1.4 汽车对道路的静态压力,双圆式：,单圆式：,路面设计的标准轴载：,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。,1.5 运动车辆对道路的动态影响,水平力： 行车安全要求qmax 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、波浪及车辙等病害。 振动力： 振

6、动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 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。,1.5 运动车辆对道路的动态影响,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。 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、轴载谱等； 分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算设计年限内累计交通量。,1.6 交通分

7、析,初始年平均日交通量n1:,n1初始年平均日交通量； ni每日实际交通量。,交通量年平均增长率,1.6 交通分析,设计年限内累计交通量 :,设计年限内累积交通量 N1设计的初始年平均日交通量； Nt设计年限内末年的年平均日交通量 设计年限内交通量年平均增长率； t 设计年限。,轮迹横向分布 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，也不会平均分配到每一点上，而是按一定规律分布在车道横断面上。 轮迹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,1.6 交通分析,1.6 交通分析,轴载换算 概念：道路是行驶的车辆轴载与通行次数可以按照

8、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。 轴载换算系数公式：,沥青路面轴载换算系数公式：,1.6 交通分析,沥青路面轴载换算系数公式：,1.6 交通分析,水泥路面轴载换算系数公式：,1.6 交通分析,例题：已知某载货车为双后轴（轮距3m）双轮组，每一后轴重80kN，前轴30kN。试求该货车通过一次相当于标准轴BZZ-100作用几次。,第二节 环境因素影响,路基土和路面材料的强度和刚度会随着路基路面结构内部的温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。 路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部

9、的温度和湿度的升降有时会有大幅度的增减。 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。,2.1 影响机理,影响温度湿度对路基路面变化的因素 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。,2.1 影响机理,温度对道路所产生的不良影响 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

10、； 温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂。 路面温度的变化规律 路表面温度变化大致与气温变化同步。 路表温度较气温高，且沥青路面高于水泥混凝土路面 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。,2.2 温度对道路的影响,2.2 温度对道路的影响,2.2 温度对道路的影响,2.2 温度对道路的影响,2.2 温度对道路的影响,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，并控制路基的干湿类型 湿度对路面的

11、影响：水分积蓄于路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，加剧路面透水性。,2.3 湿度对道路的影响,第三节 土基的力学强度特性,路基承受路基自重和汽车荷载。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力z可近似计算：,3.1 路基受力状况,P一侧轮重荷载（kN）； K系数，一般取0.5； Z荷载中心下应力作用点的深度（m）。,土的容重（kN/m3）； Z应力作用点深度（m）。,路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力B：,3.1 路基受力状况,路基内任一点垂直应力包括由车轮引起的z和由土基自重引起的B两者共同作用。 在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受车辆荷载的影

12、响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性限度以内，当车辆驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基的相对稳定，路面不致引起破坏。,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Z范围内的路基称为路基工作区。 在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和车轮荷载影响较大，在工作区范围以外的路基，影响逐渐减小。 路基工作区深度的确定：,3.2 路基工作区,路基工作区内，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，对工作区范围内的土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。,n系数，取n=510； Za路基工作区深度（

13、m）。,路基土的变形包括弹性变形和塑性变形，过大的塑性变形导致沥青路面出现车辙和纵向不平整，会导致水泥混凝土路面板的断裂。在柔性路面结构中，土基的变形占很大部分。 土基土的组成包括固相、液相和气相三部分（三相体）。路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线弹性体有很大区别。 土基的应力应变关系除了出现非线性特性以外，还表现出塑性性质。即当荷载完全卸除时，变形不会全部恢复。（残余变形或塑性变形） 路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关系，而且与荷载作用持续的时间有关系。加载初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。表现出流变特性，主要与塑性应变有关。,3.4

14、路基土的应力-应变特性,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：应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图所示，代表加荷开始时土的应力-应变关系。 切线模量：某一应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图所示，反映土在该级位应力-应变变化的精确关系。 割线模量:以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图所示，反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况 回弹模量：应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量，如图所示，反映土在回弹变形范围内的应力-应变关系的平均情况。 路面设计中用土基的回弹模量 E0 来表征土基的强度状况

15、,3.4 路基土的应力-应变特性,3.4 路基土的应力-应变特性,重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积。 随着作用次数的增加，塑形变形不断积累，总变形量逐渐增大。最终导致两种不同的情况： 一是土体逐渐被压密，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； 二是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。 最终导致何种状况，主要取决于: 土的性质（类型）和状态（含水率、密实度、结构状态） 重复荷载的大小 荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度、每次作用的持续时间以及重复作用的频率。,3.5 重复荷载对路基土的影响,第四

16、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,4.1 概述,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。,4.2 土基回弹模量,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

17、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,4.2 土基回弹模量,文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒1876年提出的，用该模型描述土基工作状态时，以地基反应模量K表征土基的承载力。 其基本假定是地基上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关。 直径76cm的刚性板测定。当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对应的压力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时相对应的弯沉值l计算地基反应模量。,4.3 土基反应模量,加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一

18、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，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值。,4.3 加州承载比CBR,我国在测定土基回弹模量时，常采用直径30.4cm的刚性承载板用加载卸载的试验方法。规范给出我国土基回弹模量设计参数选用的建议值。 土基回弹模量与CBR的关系一直是世界各国在路基土研究中比较关心的内容。根据试验给出了国内外部分土基回弹模量与CBR的关系，设计时可以根据实际参考选用。,4.4 土基的设计参数的确定,4.5 土基设计参数的取值,第五节 路基的变形、破坏及防治,5.1 路基的主要病害,路基沉陷 自身压缩沉陷 天然地基承

19、载力不足引起的沉陷。 边坡滑塌 碎落和崩塌 路基沿山坡滑动 不良地质和水文条件造成的路基破坏,5.1 路基的主要病害,正确设计路基横断面； 选择良好的路基填料，必要时进行稳定处理； 采用正确的填筑方法，充分压实； 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到路基工作区范围； 正确进行排水设计（地面排水、地下排水、路面结构排水即地基的特殊排水）； 必要时设置隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻和水分累计，设计砂垫层以疏干土基； 采取边坡加固、修筑支挡结构物、土体加筋等技术，提高整体稳定性。,5.2 路基病害防治,第六节 路面材料的力学强度特性,路面材料的分类： 松散颗粒型材料及

20、块料； 沥青结合料类； 无机结合料类。 由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。,6.1 路面材料,路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况： 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； 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； 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(MohrCoumbnb)强度理论：材料的

21、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：,6.2 抗剪强度,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,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。,6.3 抗拉强度,用水泥混凝土、沥青混合

22、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。,6.3 抗弯强度,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。 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。 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。 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

23、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。,6.4 应力应变特性,第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性,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。 重复荷载作用下出现的破坏极限状态主要有两种： 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； 路面材料处于弹性工作状态，重复荷载导致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。 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。,7.1 路面结构破坏类型,累积变形：路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生的沉陷或车辙，是路面结构的主要病害。这种永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形