路面路基工程第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质.ppt

1、第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质 Loading environmental factors mechanic performance of materials,一、 车辆的种类（vehicle types),第一节 行车荷载（vehicle load） 路面设计中，以轴重作为荷载标准，重型货车与大客车起决定作用。评定路面表面特征时，如路面的平整度、防滑性，应考虑小客车的安全性和可靠性。,二、汽车的轴型、轴载 axle load and axle type of vehicle 轴重是路面设计的关键。 axle load is primitive to pavement design

2、 整车客货车：bus and truck 1)前轴：front axle 两个单轮组成的单轴占约1/3。 极少数为双轴单轮。约占1/2。 2)后轴：behind axle 有单轴、双轴、三轴类型。 大部分为双轴双轮。,汽车在路面上的状态有停驻、行驶、加速、制动、转向、颠簸等，行荷载对路面施加的作用力的大小和性质，也随汽车的运动状态而变化。主要有： 车轮对路面的垂直作用力； 车轮转动对路面产生的纵向水平切向力，转向时又增加了横向水平力； 路面不平，汽车颠簸，产生了冲击力和振动力。 从这些可以知道，汽车在任何一种状态下垂直力都是最本的作用力。,三、汽车对道路的静力作用 still loading

3、of vehicle 1.定义 definition： 静止状态的汽车对道路的作用，称为静力作用，其大小主要取决于车轮总重。 2.影响因素：factors 1）汽车轮胎的内压力。 2）轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状。 3）轮载的大小。 3.半径 radius ： 轮胎与路面的接触形状近似于椭圆，且a、b差别不大。 路面设计中，以圆形表示。,双轮组车轴： dual wheel loading 每一侧双轮用一个圆表示，称为单圆荷载。 每一侧双轮用两个圆表示，称为双圆荷载。,双圆当量圆直径,P作用在车轮 上的荷载,KN； p 轮胎接触压力,kPa; -接触面当量圆半径,m.,单圆当量圆直径,四.运

4、动车辆对道路的动力作用 dynamic loading of moving vehicle 因为路面不平整车身震动，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，轮载成动态波动。,行车速度越高,变异系数越大 平整度越差,变异系数越大 轮胎刚度低,减振好,变异系数越小,五、水平荷载：horizontal loading 易使路面产生波浪、拥包、推挤等损坏，要求面层材料有足够的抗裂强度。,行车荷载的重复作用： repeated loading 弹性材料：疲劳性质。 Elastic materials: fatigue 弹塑性材料：变形累积。 Elastic and plastic materials

5、: accumulating deformation,行车荷载具有瞬时性instantaneous :0.01-0.10s 行车荷载具有重复性repeated,六、交通分析：traffic analysis 1、交通量：traffic volume 一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。对于路面结构设计，不仅要求收集交通总量，还必须区分不同的车型。,2、轴载的组成与等效换算： component of axle load and equivalent converted 轴载谱axle load spectrum :各级轴载所占的比例. 等效原则换算：principle of equ

6、ivalent converted 某一种路面结构在不同荷载作用下达到相同的损坏程度为根据的。,标准轴载设计参考： design factor of standard axle load 标准轴载standard axle load ：BZZ-100双轮组单轴载。 标准轴载 P（KN） standard axle load 100 轮胎接地压强 p(MPa) pressure 0.70 单轮传压面当量圆直径d diameter of equivalent circle 21.30 两轮中心区 circular distance 1.5d,Wheel load transverse distri

7、bution 车轮横向分布,第二节 环境因素的影响 environmental factors,直接暴露于大气中，受温度、湿度影响大 温度湿度变化体积变化胀缩应力破坏,沥青面层日温度变化曲线大于气温,水泥混凝土面层温度日变化,一 、路面结构内温度变化可通过外部和内部影响因素之间联系来预估。 方法1： 统计方法 statistical method 路面结构层不同深处埋设测温元件连续观测，收集当地气象资料（气温、辐射热），对记录的路面温度和气象因素进行逐年回归分析。,特点：characteristics 不包含所有复杂因素，精度有地区局限性，只可在条件相似的地区参考使用。,Tmax 路面某一深度

8、处的最高温度，； Ta.max相应的日最高气温，； Q相应的太阳日辐射热，J/； a.b.c回归常数。,方法2： 理论法 theory method 应用热传导理论方程式推导出。 各种气象资料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程。 特点：features 参数确定难度大，理论假设理想化，结果与实测有一定的误差。 温度对路基的影响 effects in subbase by temperature： 北方 冻胀翻浆 north: frost heaving and frost boiling 南方雨季积水湿软路基 south: soft subbase by gathered water,

9、第三节 土基的荷载变形特性loading deformation in soil,一.土基的受力状况 1路基受力： 自重 weight 车辆荷载 vehicle load,P车轮荷载换算的均布荷载 KN/ D圆形均布荷载作用面积的直径。 Z应力作用点深度。 r土的容重。,2、正确的设计：correct design 应使路基所受的力在路基弹性限度范围内，即当车辆驶过后，路基能恢复变形。保证路基相对稳定，路面不致引起破坏。 3、路基受力计算：calculating subbase stress 车辆荷载为均布垂直荷载，路基为弹性均质半空间体。 二.路基工作区subbase working zon

10、ing： 在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为10%20%时候，该深度范围内的路基称为路基工作区。,要求：requirments 1 ）对工作区深度范围内的土质选择，路基压实度提出较高要求。 2 ）当工作区深度大于填土高度时，荷载不仅施加于路堤而且施加于天然地基上，所以天然地基也应充分压实。,三.路基土的应力应变特性 strain-stress property 弹性变形和塑性变形 elastic and plastic deformation 提高路基土的抗变形能力是提高路基路面整体强度和刚度重要方面。,压入承载板试验,三轴压缩试验,土的

11、应力应变关系曲线,非线性变形 nonlinear deformation 局部线性体partial linear 即在曲线的一个微小线段内近似视为直线，以其斜率为模量 1.初始切线模量 initial tangent modulus 应力值为零应力应变曲线斜率 2.切线模量 tangent modulus 某一应力处应力应变曲线斜率，反映该应力处变化 3.割线模量 secant modulus 某一应力对应点与起点相连割线模量，反应该范围内应力应变平均状态 4. 回弹模量 resilience modulus 应力卸除阶段，应力应变曲线的割线模量 总结：summary 前三种应变包含回弹应变和

12、残余应变 回弹模量则仅包含回弹应变，部分反映了土的弹性性质。,四.重复荷载对路基土的影响 1.土体逐渐压密； 2.土体的破坏（塑性变形累积） 1）土的性质和状态 2）重复荷载的大小 3）荷载作用的性质,路基土应力-应变的非线性关系用回弹模量值以应力或应变的函数形式表示。 路基土的流变特性,第四节 土基的承载能力 bearing capacity of soil 土基的承载力：一定应力级位下的抗变形能力 土基的承载力指标： 回弹模量 resilience modulus 地基反映模量reacting modulus 加州荷载比California bearing ratio,1.回弹模量： re

13、silience modulus 反映土基瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。 测定方法：test method 1）查表法 investigation form ：无实测条件是时采用。 2）现场实测法：testing in situation 大型承载板法：测定土基在00.5mm的变形压力曲线. 用弯沉仪测定.,2.地基反应模量 reacting modulus 根据文克勒地基假定，土基顶面的沉降仅同该点的压力大小成正比，而同相临点处的压力无关，此时压力与沉降的比成为地基反映模量。,文克勒地基模型,3、加州荷载比： California bearing ratio 土基或基层、底基层材料的加利福

14、尼亚州荷载比。 其值以一标准面的贯入棒在一定速度下压入试样内，达到某一规定深度所许的压力与压入标准碎石试样同一深度所需要的压力的百分比。 室内实验indoor test：浸泡四天，饱水状态 野外实验outdoor test：施工时湿度状态。,第五节 路基的变形及破坏 subbase deformation damage and prevention 一、 路基的主要变形破坏 subbase major deformation 荷载因素：loads 自重weight 行车荷载 vehicle load 自然因素 natural factors 变形deformation： 弹性的 elastic

15、、残留的residual （不能恢复的）,原因：causes 1）填料不当 fill is wrong 2）填筑方法不合理 ：fill method is wrong 不同土混杂； 未分层填筑、压实； 土中有未经打碎的大块土或冻土块； 荷载、水和温度综合变化； 原地面软弱，如泥沼、流沙、 垃圾堆积 未做处理等； 冻胀、翻浆。,1.路堤沉陷 embankment settlement ： 垂直方向产生较大的沉落,2、路基边坡的滑塌（滑坡）landslide 溜方slipping ：少量土体沿土质边坡向下移动而形成。 边坡上表面薄层土体下溜。 cause 原因：流动水冲刷边坡、施工不当引起。 滑坡

16、 landslide ：一不分土体在重力作用下沿某一滑动层滑动。 cause原因：土体稳定性不足引起。,3 、碎落和崩塌 dehris and collapse 剥落stripping和碎落dehris： 路堑边坡风化岩层表面，大气温度与湿度交替作用以及雨水冲刷和动力作用之下，表面岩石从坡面上剥落下来，向下滚落。 大块岩石脱离坡面沿边坡滚落称为崩塌。 崩塌collapse ：整体岩块在重力作用下倾倒、崩落。 原因cause：岩体风化破碎，边坡较高。 影响impact：危害较大的病害之一。,碎落dehris 滑坡landslide,比较：comparison 崩塌无固定滑动面。 崩塌体各部分相对

17、位置在移动过程中完全打乱。,4.路基沿山坡滑动 subbase slide along hillside 原因cause： 山坡较陡； 原地面未清除杂草或人工挖台阶； 坡脚未进行必要的支撑。 5.不良地质和水文条件造成路基破坏 subbase damage because bad geologic and hydro geological condition 不良地质条件：泥石流、溶洞等。 较大自然灾害：大暴雨地区。,二、路基病害防治 prevention 提高路基稳定性，防止各种病害产生，采取措施： For Improving subbase stability and preventing

18、 damage, we can use the following methods: 1)正确设计路基横断面。 2)选择良好的路基用土填筑路基，必要时对填土作稳定处理。 3)采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定的压实度。 4)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路基工作区范围。 5)正确进行排水设计。 6)必要时设计隔离层隔绝毛细水，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积。 7)采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加固等防护技术措施，以提高其稳定性。,第六节 路面材料的力学强度特性和变形 mechanic performance and deformation in materials,路面材料按形态和成型性质分为三类： According to type and property, pavement materials can be classed three types 1.松散颗粒型材料及块料 loose material and block 密实型 dense 2.沥青结合料类 asphalt material 嵌挤型clincher 3.无机结合料类 Inorganic material 稳定型