路基路面-行车荷载、环境因素、材料的力学特性

第二章行车荷载、环境因素、材料的力学特性基本内容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及疲劳特性第一节行车荷载研究行车荷载的原因：1、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成路基路面结构损坏的主要成因。2、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。3、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：车辆的种类；汽车的轴型；汽车对道路的静态压力；运动车辆对道路的动态影响；交通分析。一、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。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。二、汽车的轴（轮）型汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面因此，路面结构设计而言，应特别重视轴或轮重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。整车类：前轴、后轴。牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车：后轴（单轴或双轴）。拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根单轴或单前轴和双后轴。轴载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60～130kN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。要发展多轴多轮。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10000kg，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。某高速公路上重载交通车辆某路上的载重车队在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)；若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、坑槽严重三、汽车对道路的静态压力1、汽车对道路的作用停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力。行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、振动力。2、汽车对道路的静态压力静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关。影响静态垂直压力大小的因素：（1）汽车轮胎的内压力pi；（2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状；（3）轮载的大小。胎壁受拉胎壁受压胎压触压力高压轮胎低压轮胎轮胎/路面接触面与接触应力轮迹对于低压轮胎：接触压力大于胎压对于高压轮胎：接触压力小于胎压在工程设计中，对接触压力进行如下简化：以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi，接触形状为圆形，接触面上的压力为均匀分布即将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压作为轮胎接触压力p。当量圆半径δ可以按下式确定。式中：P——作用在车轮上的荷载，kN；p——轮胎接触压力，kpa；δ——接触面当量圆半径，m。轮胎与路面的接触形状如下图所示：pP四、运动车辆对道路的动态影响（1）水平力（与运动状态有关）（2）行驶荷载的特性振动性瞬时性重复性运动状态方向大小汽车等速行驶与汽车行驶方向相反较小加速和上坡行驶与汽车行驶方向相反最大减速和下坡行驶与汽车行驶方向相同最大在弯道上行驶与汽车行驶方向垂直较大车辆行使过程中的动态响应和随机动力荷载图F(t)0P0t汽车在路面上行使过程中，由于车辆自身各种因素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及辆—地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动，产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间随机变化。五、交通分析1.交通量交通量——在一定时间间隔内各类车辆通过某一断面的数量。年平均日交通量——在一年365天内的交通量之和除以365天。交通量调查方法——直接记录、自动记录仪。交通量年平均增长率设计年限内累计交通量2.轴载组成与轴载换算轴载换算——道路上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。3．轮迹横向分布轮迹（车道）的横向分布：按一定规律分布在车道横断面上。轮迹（车道）横向分布系数：对于路面横断面上某一宽度（轮迹宽度和车道宽度）范围内的频率，也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数与通过该横断面的总作用次数的比值。影响因素：路面宽度和车道宽度、交通组织管理方式（混合行驶、划线分车道行驶和分隔带（墩）分车道行驶）、交通密度和交通组成。第二节环境因素影响环境因素影响主要表现在温度和湿度。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素。路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部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随路面体系内的温度和湿度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即温度应力和湿度应力）。一、公路路面的温度状况1、影响机理路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度的升降而产生膨胀和收缩。由于温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，进而对路基路面产生破坏。2、温度状况预估路面结构内的温度状况，可通过在外部和内部影响因素之间建立联系的方法来预估。这种方法有两类，即统计方法和理论方法。统计方法：就是在路面结构层的不同深处埋设测温元件，连续观测年循环内不同时刻的温度变化，同时收集当地的气象资料，包括对应的气温和辐射热等，对记录的路面温度和气象因素进行逐步回归分析。选择符合显著性检验要求的因素，分别建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程式。式中：Tmax——路面某一深度处的最高温度，℃；Ta.max——相应的日最高气温，℃；Q——相应的太阳日辐射热，J／m2；a、b、c——回归常数。cQbTaTamax.max理论法：是应用热传导理论方程式推演出各项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式。通常由于参数确定的难度大，理论假设的理想化，预估的结果与实测结果有一定的差距。tTkrSZT223、影响温度变化的因素影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外部和内部两类。外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素。内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。二、公路路面的湿度状况1.对路基的影响冻胀翻浆（与温度作用共同进行）过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性2.做好路基路面排水的重要性第三节土基的力学强度特性一、路基受力状况路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。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。汽车轮重：计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷载，路基为一弹性均质半空间体。路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力σz可以用近似如下公式计算。2ZPKZ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）。路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力σB按下式计算：γ：土的容重（kN/m3）；Z:应力作用点深度（m）。路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的σz和由土基自重引起的σB。B二、路基工作区概念：在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力σz与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为1／10～1／5时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。确定：路基工作区深度Za可以用下式计算。3KnPZa式中:Za——路基工作区深度,m；p——一侧轮重荷载,MPa；K——系数，取0.5；γ——土的容重,kN/m3；n——系数,n＝5～10。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。三、路基土的应力一应变特性1、路基土的非线性变形特性土应力一应变的非线性特性由三轴压缩试验的结果表明：土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分土是非线弹性：具有塑性变形体：)(f2、土基的荷载－弯沉关系荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都是变化的，因而土基内各点的模量值是不同的。目前路面设计而言，最关心的主要是土基表面的总变形（或总回弹变形）。压入承载板试验是研究土基荷载－弯沉特性最常用的一种方法。把反映荷载－弯沉关系的模量，看作土基一个当量的均匀模量值。方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面,逐级加荷卸荷,记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形,根据试验结果,可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形可以计算土基的回弹模量：式中：l——承载板的回弹变形，m；D——承载板的直径，m；E——土体的回弹模量，kPa；μ——土体的泊松比；p——承载板压强，kpa。lpDE)1(2模量：①初始切线模量②切线模量③割线模量④回弹模量3、土基的流变性质土是具有流变性质材料：在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用时间有关。回弹变形与荷载的作用时间关系不大，塑性变形与荷载的作用时间关系大，土的流变性主要同塑性变形有关。车辆行驶时，车辆荷载对路基的作用时间短，产生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。可以在一般情况下，不考虑土基的流变性质。四、重复荷载对路基土的影响土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最终将导致何种状况，主要取决于：（1）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构状态）；（2）重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示，即相对荷载；（3）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；（4）土基中侧向应力的大小。重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积：（1）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.（2）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。在重复应力低于临界值的范围内,总应变的累积规律在半对数(或对数)坐标上一般呈线性关系,可表示为ε1=a+blgN式中：a——应力一次作用下的初始应变；b——应变增长回归系数；N——应力重复作用次数。第四节土基的承载能力路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷载能力的大小，主要决定于路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。用于表征土基承载力的主要参数指标：回弹模量地基反应模量加州承载比(CBR)一、土基回弹模量以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。有两种承载板可以用于测定土基回弹模量：１、柔性压板：用柔性压板测定回弹模量，土基与压板之间的接触压力为常量，即：2)(aPrp承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在压板中心处(r＝0)，即：在柔性压板边缘处r＝a，其挠度可