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第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,*目的要求 1 了解车辆的分类。 2掌握轴载的换算、累计轴载的计算。 3 掌握环境因素对路基路面的影响。 4 掌握土基力学强度特性以及路基土的应力应变特性。 5掌握影响土基的承载能力。 6 掌握路面材料的力学强度特性。 7掌握路面材料的累积变形与疲劳特性。 *课时:4学时,*授课内容 一、行车荷载 二、环境因素的影响 三、土基的力学强度特性 四、土基的承载能力 五、路基的变形、破坏与防治 六、路面材料的力学强度特性 七、路面材料的累积变形与疲劳特性,*重点 1.环境对路基路面使用性能的影响 2.土基的力学特性 3.路基的常见破坏 4.路面材料的力学特性 *难点 土基的力学特性 路面材料的力学特性 *教学方法 利用多媒体以课堂讲授为主,结合课堂讨论。,一、行车荷载,1.车辆的种类,小客车,中客车 根据:座位,整车 牵引式挂车 牵引式半挂车,车,大客车,客车,货车,汽车荷载主要是考虑轴重。我国设计标准轴载100kN。 前轮一般单轴,单轮组。后轴有单轴、双轴、三轴等。 所谓双轴、三轴指多个轴非常靠近。 轮组:一个轴的单侧的轮数,一般有单轮组,双轮组。 我国常用汽车路面设计参数。,2.汽车的轴型,移动荷载实际施加的是大小和位置均变化的,比较复杂。 目前成熟方法将车辆荷载视作静态荷载。 1)大小与分布 2)轮胎与路面的接触面形状 实际椭圆形简化成当量圆,3.汽车对道路的静态压力,4.运动车辆对道路的动态影响,水平力路面结构承受剪力,车辆在启动或制动时水平力很大。 垂直力大小和位置均变化的移动荷载。 考虑动荷载有几种方法: (1)大小不变的移动荷载; (2)大小变化、位置不变的动态荷载; (3)静态荷载修正法:加入冲击系数,将静态荷载修正后成为设计荷载。即动荷载的峰值大于静载。 动荷载的反复作用:塑性累积变形,疲劳等。,图2-5 车速与路面变形的关系,逐年增加。,式中:,为设计的初始年平均日交通量;,为设计年限。,5.交通分析,确定公路等级。,交通组成很复杂,要进行换算。即在设计年限内以固定的增长率,一般依据设计年限内累计交通量,1)交通量,2)轴载组成与等效换算 轴载谱:各级轴载所占的比例,即轴载组成。 轴载换算:标准轴载双轮组单轴轴载100kN。 换算原则等效破坏原则,即同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。,标准轴载作用次数;, 级轴载作用次数;,级轴载换算为标准轴载的换算系数。,系数,反映轴型和轮组轮胎数;, 级荷载重;,标准轴载重;,系数,与路面结构特性有关。,换算公式,式中:,3)轮迹横向分布 所有交通量并不是作用在同一点上,也不是全断面上,而是按一定规律分布在车道横断面上,称作轮迹横向分布。 混合行驶的双车道上轮迹横向分布频率曲线。,1温度和湿度的影响 (1)对材料力学性质的影响 一般随温度和湿度的增加强度和刚度下降。 (2)胀缩变形受阻产生温度和湿度应力。,二、 环境因素,2路面结构内的温度 (1)影响因素:太阳辐射、气温、风速、降雨量和蒸发量等。主要:太阳辐射和气温 (2)路面结构内的温度确定方法,式中:,路面某一深度处的最高温度;,相应的日最高气温;,统计方法 测路面内温度,收集太阳辐射和气温等资料,回归得出,理论法 。 热传导方程。参数难以确定,假设太多。,Q相应的太阳辐射热;,a,b,c回归常数,1.路基受力状况 路基承受路基自重和汽车轮重。,2. 路基工作区 从汽车荷载引起的垂直应力随深度的变化情况引出路基工作区。 1)定义:当汽车荷载引起的垂直应力仅为路基自重引起的垂直应力的1/101/5对应的深度范围内的路基称为路基工作区时。此区之外,汽车荷载的影响忽略不计。,三、 路基受力状况,2)路基工作区深度,式中:,系数,,P一侧轮重; K系数,取,3. 路基土的应力应变特性 1)土的特性 (1)非线性 (2)弹塑性 (3)流变特性 非线性的考虑用局部线性化方法,纯弹性的考虑用回弹模量的方法。 2)土的模量 (1)初始切线模量:应力为零时的应力应变曲线的斜率; (2)切线模量:某应力处应力应变曲线的斜率; (3)割线模量:某某应力处应力应变曲线上的点同起始点相连的割线的斜率; (4)回弹模量:应力卸除阶段,应力应变曲线的割线模量 4. 重复荷载对路基土的影响 主要是塑性累积变形,一种是压密,一种是造成土体剪切破坏。,四、土基的承载能力,常用的指标有:回弹模量、地基反应模量和加州承载比,1.土基回弹模量,适用范围: 弹性半空间地基(一般柔性路面采用),参数有回弹模量E和泊松比,测定方法:柔性承载板法和刚性承载板法 (1)柔性承载板法 (2)刚性承载板法 一般直径为,。,地基反应模量:压力与弯沉之比。,2、地基反应模量 适用范围及定义: 适用于温克勒(E.Winkler)地基。假定土基顶面任一点的弯沉仅同作用于该点的垂直压力成正比,而同其相邻点处的压力无关。即地基可以认为由许各不相连的弹簧组成。 一般刚性路面下路基采用温克勒(E.Winkler)地基。,测定方法 承载板法与回弹模量的测法相似,区别在于是一次加荷到位,承载板的半径不同,为76cm。 两种加载方法: (1)当地基较软弱时,控制弯沉值为0.127cm (2)当地基较硬时,控制单位压力为70KPa,测定方法 承载板法与回弹模量的测法相似,区别在于是一次加荷到位,承载板的半径不同,为76cm。 两种加载方法: (1)当地基较软弱时,控制弯沉值为0.127cm (2)当地基较硬时,控制单位压力为70KPa,3、加州承载比(CBR) 定义早年由美国California提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征,并采用高质量标准碎石为标准,以它们的相对比值表示CBR值。 测定方法 标准压头面积为19.35cm2 加载速率0.127cm/min,记录每贯入,取0.254cm对应贯入深度为时的单位压力。,1)路基沉陷,2)边坡滑塌 (1)溜方 (2)滑坡,3)碎落和崩塌,4).路基沿山坡滑动,5).不良地质和水文条件造成的路基破坏,5.路基的主要病害,二、路基病害防治 路基病害防治措施包括: 1.正确设计路基横断面,如坡度和高度等; 2.选择良好的填料,必要时对上层填土作稳定处理; 3.正确的进行填筑,确保压实度; 4.适当提高路基,改善路基的干湿状况; 5.正确进行排水设计; 6.设置隔离层和隔温层; 7.边坡防护与加固。,1. 抗剪强度 1)定义:为材料受剪切时的极限或最大应力。 2)原因:车辆行驶,特别是刹车时会产生较大的水平力,即剪力。 3)抗剪不足会产生如下破坏: (1)路面结构层厚度较薄,路基中的剪应力过大,土基中剪切破坏; (2)无机结合料基层剪切破坏; (3)面层剪切破坏,造成推移等破坏。 4) 公式:摩尔库仑强度理论。 5)测定 直剪试验或三轴压缩试验。,六、 路面材料的力学强度特性,2. 抗拉强度 1)原因:温缩、干缩,及车轮紧急制动时,车轮后侧的路面受到较大的拉应力。 2)试验方法: (1)直接拉伸试验。 (2)间接拉伸试验,即劈裂试验。,3. 抗弯拉强度 1)原因:在车辆荷载作用下,路面结构处于弯曲工作状态。因此需要有抗弯拉强度。 2)试验:简支小梁试验,三分点加载。,1)颗粒材料的应力应变特性 无机结合料碎(砾)石材料。用三轴试验。应力应变呈现非线性。用回弹模量 表征。,4. 应力应变特性 应力应变特性的含义,可以用应力应变曲线表征,但多用模量随应力或应变的变化来表征。,2)水泥稳定类材料的应力应变特性 包括水泥混凝土,水泥土,水泥稳定碎石等。 单轴试验,三轴试验(最好是三轴试验)和室内承载板试验:测抗压回弹模量。 小梁试验:测抗折弹性模量。和测抗弯拉强度的设备相同,主要要测挠度。,3)沥青混合料的应力应变特性 特性:低温,荷载较小,作用时间较短时, 弹性; 粘性:与温度和时间有关系。 塑性:与温度和荷载大小有关系。 高温,荷载较大,作用时间较长时,弹粘塑性,参数:劲度,七、路面材料的累积变形与疲劳特性,1.累积变形 1)病害:产生沉陷或车辙,即永久变形。 2)影响因素:荷载的大小(,)和作用次数(,),路面路基材料特性 3)碎砾石混合料累积变形 试验:三轴压缩试验。 影响因素:荷载的大小和作用次数,级配(,),细料含量(,)。 4)沥青混合料累积变形 试验:单轴或三轴压缩试验 影响因素:荷载的大小和作用次数,温度(,),集料的状况(棱角(,),密实级配比开级配的累积变形小。,2疲劳特性 1)定义: (1)疲劳:对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时,可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏,这种材料强度降低的现象称为疲劳。 (2)疲劳强度:出现疲劳破坏的重复应力值。 (3)疲劳极限:疲劳强度随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数后,疲劳强度不再下降,趋于稳定值,此稳定值称为疲劳极限。 (4)应力比:重复应力与一次加载得出的极限应力之比称为应力比。 (5)疲劳曲线:应力比与重复作用次数的关系曲线,称为疲劳曲线。 (6)疲劳寿命:达到破坏的应力重复作用次数。,2)研究疲劳特性的目的 (1)了解其影响因素,以便改进材料; (2)寻求疲劳强度同反复应力作用次数间的定量关系(即疲劳方程),以便估计路面的疲劳寿命。,
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