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第二章 行车荷载、环境因素 、材料的力学性质 土木建筑工程学院 邓苗毅 1 主要内容: n第一节 行车荷载 n第二节 环境因素影响 n第三节 土基的力学强度特性 n第四节 土基的承载能力 n第五节 路基的变形、破坏及防治 n第六节 路面材料的力学强度特性 n第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性 主要内容 2 研究行车荷载的原因: n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。 n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。 第一节 行车荷载 3 行车荷载的主要研究内容: n汽车的轮重与轴重; n不同车型的车轴布置; n设计期限内,汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐 年变化; n汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。 第一节 行车荷载 4 一、车辆的种类: n客车:小客车、中客车、大客车; n货车:整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。 第一节 行车荷载 道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 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。 5 一、车辆的种类: 第一节 行车荷载 整车 牵引式半挂车 6 二、汽车的轴型 : n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。 n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。 n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。 第一节 行车荷载 7 二、汽车的轴型: 第一节 行车荷载 单后轴单轮组 双后轴双轮组 8 不同轴型的货车示意图 第一节 行车荷载 9 三、汽车对道路的静态压力 n汽车轮胎内压(接触压力); n轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态( 椭圆近似圆形); n轮载的大小。 第一节 行车荷载 静态压力P的影响因素: 10 单圆图示: 双圆图示: 标准轴载 Bzz-100(轴载) P=25kN(轮载 p=700kPa d=0.213m D=0.302m 第一节 行车荷载 11 四、运动车辆对道路的动态影响 n水平力 第一节 行车荷载 最大水平力: 水平力对路面造成的影响: 面层材料抗剪强度不足时,在水平荷载作用下,会产 生推移、拥包、波浪、车辙等破坏。 12 四、运动车辆对道路的动态影响 n轮载的动态(振动) 第一节 行车荷载 冲击系数:振动轮载的最大值与静载的比值。 影响系数 (变异 系数)影响因素 13 四、运动车辆对道路的动态影响 n轮载作用的瞬时性 第一节 行车荷载 车轮通过路面的时间约为0.010.10s左右,当应力出 现的时间很短时,来不及传递分布,其变形特性不能像静载 作用那样完整表现出来。 变性滞后性: 14 四、运动车辆对道路的动态影响 n车辆荷载作用的重复性 第一节 行车荷载 路面材料产生疲劳破环的主要原因。轴载静力、 动力量值和通行数量是路面设计中重要参数。 15 五、交通分析 第一节 行车荷载 交通量:指一定的时间间隔内各类车辆通过某一 道路横断面的数量。 a、初始年平均日交通量: b、交通量年平均增长率 c、设计年限内累积交通量: 或 16 五、交通量分析 n轮载组成与等效换算 第一节 行车荷载 a、观测方法:人工、自动 共11类车辆 b、轴载谱:各级轴载所占的比例(轴载组成)。 不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大,所以除了关 注累计交通量,还要关注各级轴载所占的比例(轴载谱)。 c、等效换算: 各种轴载作用次数等效的原则:同一种路面结构在不同轴载作 用下达到相同的损伤程度。 我国的标准轴载为:双轮组单轴Bzz-100。 17 五、交通量分析 n轮迹横向分布 第一节 行车荷载 由于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。 轮迹律分布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。 路面结构设计中,用横向分布系数来反映轮迹横向分布频率的影 响。通常取两个条带频率之和作为轮迹横向分布系数。 18 一 、温(湿)度变化对路基路面的影响 : n路基土和路面材料的强度和刚度 n路基土和路面材料的体积 第二节 环境因素影响 19 二 、温度状况的预估 第二节 环境因素影响 20 二 、温度状况的预估: 第二节 环境因素影响 21 湿度(与温度共同作用)对路基路面的强度、刚度及 稳定性影响现象表现为: 保持路基干燥的主要方法: 地下水对路基土的影响深度 不同自然环境区域的路基受不同来源湿度的影响。 面层的透水性和路肩以下路基的湿度变化对路基的湿度 有影响。 冻胀 翻浆 第二节 环境因素影响 三、湿度状况: 22 路基承受路基自重和汽车荷载。 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。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力的近似计算: 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力 : 路基内任一点垂直应力包括由车轮和由土基自重引起的垂直应力共 同作用。 第三节 土基的力学强度特性 一、路基的受力状况: 23 二、路基工作区 : 第三节 土基的力学强度特性 n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。路基工作区深度随着车轮荷载的加 大而加深。 n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。 n路基工作区深度的确定: 得到: n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。 24 三、路基土的应力应变特性: n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。 n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。 n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) n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。 第三节 土基的力学强度特性 25 1、压入承载板试验 (回弹 模量) 2、三轴压缩试验 第三节 土基的力学强度特性 三、路基土的应力应变特性: n应力应变关系 26 评定土体的应力应变状态和设计路面时用 模量E,定义以下模量: (1)初始切线模量:应力值为零时的应力 应变曲线的斜率。 (2)切线模量:某一应力级位处应力应变 曲线的斜率。(反映该级应力处应力应变变 化的精确关系) (3)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(反映土基在 工作应力范围内的应力应变的平均状态) (4)回弹模量:应力卸除阶段,应力应变 曲线的割线模量。(反映土的弹性性质) 第三节 土基的力学强度特性 三、路基土的应力应变特性 : 27 四、重复荷载对路基土的影响 : n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; n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 。 第三节 土基的力学强度特性 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积。 两种最终结果: 取决于: 28 第四节 土基的承载能力 路基的承载能力采用一定应力级位下的抗变 形能力来表征,主要参数有回弹模量E、地基反 应模量K、加州承载板CBR。 29 一、土基的回弹模量: n柔性压板 n刚性压板 第四节 土基的承载能力 以回弹模量表征土基的承载能力,可以反映土基在瞬 间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。以回弹模量作为表征土 基承载能力的参数,可以在弹性理论为基本体系的各种设 计方法中得到应用。 圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量: 30 一、土基的回弹模量: n柔性压板 第四节 土基的承载能力 若已测得,由l、 p、a、反算出E 为土基的泊松比 31 一、土基的回弹模量: n刚性压板 第四节 土基的承载能力 若已知l、p、a、反算E 为土基的泊松比 32 一、土基的回弹模量: n刚性承载板用于土基回弹模量的测试 第四节 土基的承载能力 逐级加载卸载法,每级增加0.04MPa, 卸载稳定1min后读取回弹弯沉值,再加下一 级荷载,回弹变形值超过1mm,则停止加载 。点绘荷载回弹弯沉曲线。 承载板直径的大小影响测定结果。 33 二、地基反应模量: n用温克勒地基模型描述土基工作状态时。用地基反应模量 表征土基的承载能力。 n温克勒地基的假定:土基顶面任意一点的弯沉l,仅同作用 于该点的垂直压力p成正比,而同其它相邻点处的压力无关 。 n压力p与弯沉l之比称为地基反应模量K。 K=P/L n适合于(弹簧地基)稠密液体地基模型,地基反应模量K值 相当于该液体的相对重度,路面板受到的地基反力相当于 液体产生的浮力。 第四节 土基的承载能力 34 二、地基反应模量: 第四节 土基的承载能力 K值的确定: 刚性压板, D=76cm,一次加载到位。 a、当地基较软弱时,用 l=0.127cm 的弯沉量控制承载板 荷载; b、当地基坚硬,沉降难以 达到0.127cm时,用p=70KPa控制 承载板荷载。 D值越小,K值越大: K76=0.43*K30 地基回弹反应模量:KR=1.77K 35 三、加州承载比(CBR) : n定义: 评定土基及路面材料承载能力的指标,以材料抵抗局部荷载 压入变形的能力表征,并采用高质量标准碎石为标准,以它 们的相对比值表示CBR值。 n测定方法: 标准压头端部面积19.35cm2,以0.127cm/min 的速度压入土 中,记录每贯入0.254cm时的单位压力,直到压入深度达到 1.27cm时为止。 计算CBR值时,取贯入度为0.254cm;但当0.254cm时的CBR值 小于贯入度为0.508cm时的CBR值时,应采用后者。 第四节 土基的承载能力 CBR= p/ps100 p对应某一贯入度的土基单位压力kPa Ps相应贯入度的标准压力kPa 36 三、加州承载比(CBR) : n实验方法: nCBR值优点: 第四节 土基的承载能力 缺点: 我国把其作为路基填料选择的依据。 37 一、路基的主要病害: n路基沉陷 n边坡滑塌 n碎落和崩塌 n路基沿山坡滑动 n不良地质和水文条件造成的路基破 坏 第五节 路基的变形、破坏与防治 38 一、路基的主要病害: n路基沉陷:路基表面载垂直方向产生较大的竖向位移 自身压缩沉缩 天然地基承载力不足引起的沉陷。 第五节 路基的变形、破坏与防治 39 一、路基的主要病害
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