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任务一影响公路技术状况的因素学习情境一车辆荷载对公路技术状况的影响公路是国家经济发展和现代化建设的重要基础设施，是为汽车运输服务的线形工程结构物。公路竣工并交付使用后，在反复的行车荷载作用和自然因素的影响下，特别是交通量和轴载的不断增加，以及部分筑路材料的性质衰变，加上在设计、施工中留下的某些缺陷，公路的使用功能逐渐下降。作用于公路上的车辆荷载主要有：1、垂直荷载——行驶的车辆通过车轮传递给路面的垂直压力，其大小主要取决于车辆的类型和轴载。2、水平荷载——由于车辆的起动、制动、变速、转向以及克服各种行车阻力作用于路面的水平力。其大小除与车辆的行驶状况和轮胎性质有关外，并与路面的类型及其干湿状况有关，最大时可达车轮垂直荷载的0.7-0.8倍。3、冲击荷载——汽车行驶时自身产生的振动以及路面不平整使车辆产生颠簸，这些作用都对路面产生动压力，其值与车速、路面子整度和车辆的减振性能有关。车速越高、路面的平整度越差，对路面产生的动压力就越大。车辆垂直动压力与其静压力的比值，称做动荷系数。在较平整的路面上，车速不超过50km／h，动荷系数一般不超过1.30；在车速高、平整度差的路面上，动荷系数可能接近甚至超过2.0。4、真空荷载——车辆行驶时在车轮的后方与路面之间暂时形成真空，于是产生了对路面结构具有破坏作用的真空吸力，对于中、低级砂石路面，这种吸力往往会导致路面骨料松动，致使路面结构逐步发生破坏。上述作用在路面上的动荷载，其作用力大小与车轮着地长度、车速、交通量大小、路面的平整度和结构类型密切相关。自然因素对路面的影响主要有温度、湿度变化、风力和雨雪、空气污染、地震力等，此外，阳光对沥青路面技术性质的变化也有着重要影响。暴露于大气中的路面，直接经受着大气温度的影响。路面温度随气温一年四季和昼夜的周期性变化而变化，并沿路面厚度方向产生温度梯度。通常，路面的最高温度和最低温度分别出现于每年的7月份和1月份，根据观测资料可知，由于路面对太阳辐射热的吸收作用，沥青路面的最高温度可比气温高出23℃，水泥混凝土路面高出14℃左右。上海地区根据气温变化，对上述两类路面最高温度进行了实测回归，并得出公式：水泥混凝土路面Tmax=8.67+0.728Ta14+0.027Q沥青混凝土路面Tmax=8.67+0.847Ta14+0.124Q式中：Tmax——路面最高温度(℃)；Ta14——14：00时的气温(℃)；Q——太阳日单位面积上的辐射热(J／cm2．d)美国战略公路研究计划(SHRP)规定，对于沥青路面，采用路表下20mm处一年中连续7d最高温度的平均值T20。作为路面的高温设计温度，并以纬度(1at)为参数，建立了T20mm与气温Tair的关系式：T20mm=(Tair—0.0618／at2+0．0098／at+42.2)×0.9545—17.78冬季的最低温度发生在路表，并等于最低气温。水对路基路面的作用主要来自大气的降水和蒸发、地面水的渗透以及地下水的影响。当路基内出现温度差时，在温差作用下水还会以液态或汽态的方式从热处向冷处移动和积聚，从而改变路基的湿度状态。一、车辆荷载作用分析在车轮垂直荷载作用下，路基将产生压缩和弯曲。柔性路面因其材料的粘弹性质不仅产生弹性变形，还将伴随加载时间产生滞后弹性变形和不可恢复的塑性变形。在多次加载和卸载的过程中，如果压力不超过一定的限度，不可恢复的变形逐渐变小，而弹性变形增加，使路面密实度得到增加而强化。但当压力超过一定限度时，就会发生很大的不可恢复的塑性变形。在多次重复荷载作用下，路面可因竖向塑性变形的累积而逐渐产生沉降。对于采用粘土做结合料的碎石、砾石路面在雨季潮湿状态下，以及沥青路面在夏季高温时表现尤为明显。高等级公路的沥青路面，由于渠化交通的作用，可导致车辙产生。对于水泥混凝土、沥青混凝土以及半刚性等整体材料的路面，在车轮垂直荷载作用下将产生弯拉变形。当荷载应力超过材料的疲劳强度时，路面将产生疲劳而开裂破坏。重复作用的荷载次数越多，材料可以随疲劳作用的强度则越小，两者成双对数的线性反比关系，用公式表示为：N=K(1/σ)n式中：N——荷载重复作用次数；σ——材料疲劳强度，(MPa)；K、n,——决定于试验条件和材料特性的实验常数。行车产生的水平力主要作用在路面的上层，引起路表面变形而影响其平整度。水平力对路面的影响，首先表现在对路面的磨损上。路面的磨损主要是由车辆在行驶过程中车轮产生滑移造成的。强烈的路面磨损发生在车辆的制动路段上，如公路的下坡段，小半径平曲线和交叉口进口段以及通过居民点和交通稠密的路段上；在曲线上，因车辆铜向滑移也可使路面产生磨损。在不平整的公路上，由于行驶的车轮轮胎表面通过的距离比车轮中心通过的距离要“加长”，以及因振动在车辆向上颠簸时使车辆的压力减小，都将引起车轮滑移对路面产生磨损。路面的磨损除了受行车的作用外，大气因素诸如雨水冲刷和风蚀也是重要的因素，同时在很大程度上还与路面的类型及材料的性质有关。石料愈耐磨，路面磨损越小。在相同的条件下，碎、砾石等中、低级路面的磨损量最大，水泥混凝土路面较小，沥青路面则最小，而采用石油沥青可比煤沥青减小磨损约达2/3。路面磨损不仅使路面材料受到损失并使厚度减薄，而且由于外露石料表面被磨光，使路面的摩擦系数衰减，从而影响行车安全。在车轮垂直力与水平力等的综合作用下，路面将产生较大的剪应力。当剪应力超过面层与基层层间接触的抗剪强度或面层材料的抗剪强度时，路面面层将沿基层顶面产生滑移或面图1-1行驶车轮的水平力使路面表面碎石产生拉脱层材料本身产生剪切变形，使路面表面形成壅包以至波浪。车轮的水平力还可使路面的表面粒料产生拉脱，这种情况多产生于粘结力较弱的碎石、砾石和沥青碎石路面中，如图1-1所示。路面在受到水平力的作用后，碎石被迫绕着支点O转动；在动力的重复作用下，逐渐松动而被拉脱，进而逐渐扩大以至形成坑槽。在雨天泥泞时，沾带粘土的车轮行驶在碎石、砾石路面上，也可使其表面粒料产生拉脱。在车轮垂直力与水力平的综合作用下，在路面中将产生较大的剪应力。当剪应力超过面层与基层间接触的抗剪强度，或面层材料的抗剪强度时，路面面层将滑基层顶面产生滑移，或面层材料本身产生剪切变形，使路面表面形成壅包以至波浪。前者多产生于沥青面层厚度较薄、层间结合不良的路段，后者多产生在面层厚度较厚，或厚度虽薄但层间结合良好的以级配砾石铺筑的路面或沥青路面上。这类路面材料的强度除由粒料颗粒间的摩阻力提供外，在很大程度上还依赖于结合料的粘结力。由于粘结力易受水温条件变化的影响，使材料的抗剪强度下降，从而导致路面的失稳变形。在我国干旱的西北、内蒙等地区或南方多雨地区的级配砾石路面上出现的搓板，以及一些沥青混凝土路面，特别是当细料和沥青含量偏多或沥青稠度过低时，在夏季高温季节常产生壅包、波浪变形，其原因就在这里。按碎石嵌挤原则铺筑的碎石路面和沥青碎石路面，由于其强度主要由碎石之间的嵌挤力和内摩阻力构成，受水温条件的影响较小，因而通常很少出现这类变形病害。路面所以会出现有规律的波浪变形，即通常所称的搓板现象，是与汽车系统重复地产生一定频率的振动和冲击有关。在汽车的这种动力作用下，周轮胎对路面的水平推移、磨耗及真空吸力等作用也具有相应的规律性，从而使路面产生有规律的波浪变形而形成搓板。特别是路面的不平整，将使汽车的振动与冲击作用加剧，水平推移与真空吸力作用也随之增大，从而加速了路面搓板的形成与发展。’路面搓板在中、低级的砂石路面上较为普遍，波长多在0．75m左右，它与公路上行驶的汽车的速率和发动机的工作状况有关。汽车产生冲击、振动的能量，大部分消耗在轮胎和弹簧的变形上，部分作用于路面，使路面产生周期的振动运动，并在路面中产生周期性的快速变向应力。动力作用对路面的影响与路面的刚度有关，路面的刚性愈强，对路面的破坏性就愈大。由于路面的振动，可能产生对路面强度有危险的应力，使水泥混凝土路面出现发纹，碎石路面降低其密实度，潮湿的路基土在受到振动后引起湿度的重分布而可能危害路面，并使路基土挤入粒料垫层而影响其功能。沥青路面由于具有较大的吸振能力，因而振动对它的影响较小，实际上它起到了车轮冲击、振动的减振器作用。当汽车产生周期性动力作用的频率与路面的固有振动频率相接近时，路面将发生振幅和加速度很大的共振，对路面可以产生较大的破坏作用。产生共振时汽车的临界速率为：——临界速率(m／s)；——路面变形的波浪长度(m)；——轮胎刚性模量(kN／m)；——重力加速度，取9.81rm~s2；，——轮胎荷载（KN）学习情境二、自然因素影响分析公路路基和路面的物理力学性能随着水温状况而变化。当路基受到严重的水浸湿时，其强度和稳定性会迅速下降，并导致路基失稳，引起坍方、滑坡等病害，对于土基承受荷载较大的柔性路面，常因承载能力不足，在车轮荷载作用下使路面产生沉陷V有时在沉陷两侧还伴有隆起现象。严重时，在沉陷底部及两侧受拉区发生裂纹，逐步形成缴裂，并逐渐发展成网裂。对于水泥凝土路面，则可因土基出现较大的变形，特别是不均匀的变形时，’使混凝土板产生过大的荷载应力；从而导致断裂。在北方冰冻地区，在有地下水作用的情况下，冬季将使路基产生不均匀冻胀，路面被抬高，以致产生冻胀裂缝，严重时拱起可达几十厘米；在春融季节则产生翻浆，在行车作用下路面发软，出现裂缝和冒泥现象，以至路面结构遭到全部的破坏，使交通中断。在非冰冻地区，中、低级粒料路面在雨季、潮湿季节，强度和稳定性最低；路面容易遭到破坏，而在干燥季节，路面尘土飞扬，磨耗严重，影响行车视线并污染周围环境。沥青路面虽可防止雨水透渗，，但亦阻止了路基中水分的蒸发，在昼夜温差的作用下、路基中的水分以汽态水形式凝聚于紧挨面层下的基层上部，改变了基层原采的湿度状况。当基层采用水稳性不良的材料时，会导致路面的早期破坏。沥青路面在浸水的情况下，可使其体积松胀，并削弱沥青与集料之间的粘附性，从而降低沥青混合料的物理力学性能。水对粘附性的影响，主要决定于沥青的性质和集料粘附性能，同时与集料的吸水性能也有关。通常，煤沥青比石油沥青，碱性矿料比酸性．矿料有较好的粘附性。根据试验，对于国产的石油沥青，其粘附性大小，按产地不同，一般有如下的顺序规律：克拉玛依沥青、单家沥青、辽河沥青欢喜岭沥青茂名沥青兰炼沥青胜利沥青；各种岩性矿料的粘附性顺序为：石灰岩安山岩玄武岩片麻岩砂岩花岗岩石英岩。当水中含有溶盐时，会使沥青产生乳化作用，从而加剧沥青的熔蚀作用。水泥混凝土路面接缝渗入雨水后，使基础软化，在频繁的轮载作用下，路面出现错台或脱空、唧泥等现象，并导致板边产生横向裂缝。沥青路面在冬季低温时，强度虽然很高，但变形能力则因附性增大而显著下降。当气温下降，路面收缩时受基层约束，从而产生累积温度应力，当其超过沥青混合料的抗拉强度时，将使路面产生一定间距的横向裂缝，水分浸人裂缝后，基层和土基承载力下降，遂使裂缝边角产生折断碎裂。影响低温缩裂缝的主要因素一是沥青混合料的性质，：包括沥青舶性质和用量、集料的级配；二是当地的气候条件，包括降温速率、延续时间、最低气温和每次降温的间，隔时间等。此外，路面的老化程度、结构条件与路基土种类也有一定的影响。采用无机结合料半刚性基层，可因其干缩和温缩产生的裂缝，从而引起沥青面层出现反射裂缝。发生路面反射裂缝现象，除与半刚性基层材料的收缩性能有关外，还与面层的厚度和采用的沥青性能有关。通常，半刚性基层采用水泥和石灰、粉煤灰稳定的材料比采用石灰材料收缩性小；稳定粒料、粒料土比细粒土的收缩性要小，同时，含水量、密实度和稳定剂用量对收缩也有较大影响。温度的变化同样要引起水泥混凝土路面板的胀缩变形。当变形受阻时，使板内产生胀缩应力和翘曲应力。由于水泥混凝土是一种拉伸能力很小的脆性材料，为子减小其温度应力，避免板自然开裂，所以需把板体划成一定尺寸的板块，并修筑各种接缝。当板块尺寸设置不当或接缝构筑质量不合要求时，也会使板体产生断裂，并引起各种接缝的损坏。拌制的水泥混凝土混合料的水分过大，或在施工养生期水分散失过快时，也会引起混凝土板的过大收缩和翘曲，使板的表面产生发状裂