第二章 行车荷载环境因素及材料力学性质

1、第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质主讲教师：刘延金2-1 行车荷载行车荷载 汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。汽车荷能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。汽车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计的功能，因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计的功能，具有良好的结构性能，首先应对行驶的汽车作分析，具有良好的结构性能，首先应对行驶的汽车作分析，包括包括汽车轮重与轴重的大小与特性；不同车型车轴的汽车轮重与轴重的大小与特性

2、；不同车型车轴的布置；设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量布置；设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量逐年增长的规律；汽车静态荷载与动态荷载特性比较逐年增长的规律；汽车静态荷载与动态荷载特性比较等。等。一、车辆的种类o 道路上通行的汽车车辆主要分为道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车客车与货车两大类。两大类。o 客车又分为客车又分为小客车、中客车与大客车小客车、中客车与大客车。 o 小客车自身重量与满载总重都比较轻，但车速高；小客车自身重量与满载总重都比较轻，但车速高；o 中客车一般包括中客车一般包括6 6个座位至个座位至2020个座位的中型客车；个座位的中型客车；o 大客车一般是指大

3、客车一般是指2020个座位以上的大型客车（包括铰个座位以上的大型客车（包括铰接车和双层客车接车和双层客车),),主要用于长途客运与城市公共交主要用于长途客运与城市公共交通。通。o 货车又分为货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。v 整车的货厢与汽车发动机为一整体；整车的货厢与汽车发动机为一整体；v 牵引半挂车的牵引车与挂车也是分离的，但是通过铰牵引半挂车的牵引车与挂车也是分离的，但是通过铰接相互连接，牵引车的后轴也担负部分货车的重量，接相互连接，牵引车的后轴也担负部分货车的重量，货车厢的后部有轮轴系统，而前部通过铰接悬挂在牵货车厢的后部有轮轴系统，而前部通过铰

4、接悬挂在牵引车上。引车上。v 牵引式挂车的牵引车与挂车是分离的，牵引车提供动牵引式挂车的牵引车与挂车是分离的，牵引车提供动力，牵引后挂的挂车，有时可以拖挂两辆以上的挂车；力，牵引后挂的挂车，有时可以拖挂两辆以上的挂车； 牵引式挂车(拖车)o 汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要面结构的设计主要以轴重作为荷载标准以轴重作为荷载标准。o 在道路上行驶的多种车辆的组合中，重型货车与大在道路上行驶的多种车辆的组合中，重型货车与大客车起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小，客车起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小，有时可以不计。但

5、是在有时可以不计。但是在考虑路面表面特性要求时，考虑路面表面特性要求时，如平整性、抗滑性等，以小汽车为主要对象如平整性、抗滑性等，以小汽车为主要对象，因为，因为小车的行驶速度高，所以要求在高速行车条件下具小车的行驶速度高，所以要求在高速行车条件下具有良好的平稳性与安全性。有良好的平稳性与安全性。二、汽轴轴型 o 对于路面结构设计而言，更加重视汽车的对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴重轴重。o 据国际道路联合会据国际道路联合会19891989年公布的统计数据，在年公布的统计数据，在141141个成个成员国和地区中，轴限最大的为员国和地区中，轴限最大的为140kN140kN，近近4040执行执

6、行100kN100kN轴限，我国公路与城市道路路面设计规范中均以轴限，我国公路与城市道路路面设计规范中均以100kN100kN作为设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴作为设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为限为100kN100kN。o 整车形式的客、货车车轴分整车形式的客、货车车轴分前轴和后轴前轴和后轴。绝大部分。绝大部分车辆的前轴为二个单轮组成的单轴，轴载约为汽车车辆的前轴为二个单轮组成的单轴，轴载约为汽车总重力的总重力的1/31/3。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成，。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成，双前轴的载重约为汽车总重的一半。汽车的后轴有双前轴的载重约为汽车总重的一半。汽车的后

7、轴有单轴、双轴和三轴三种。大部分汽车后轴由双轮组单轴、双轴和三轴三种。大部分汽车后轴由双轮组组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴。每一根组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴。每一根后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。o 目前，在我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般目前，在我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般在在6060130kN130kN范围内，大部分在范围内，大部分在100kN100kN以下。以下。 o 由于汽车货运向大型重载方向发展，货车的由于汽车货运向大型重载方向发展，货车的总重有增加的趋势，因此出现了各种多轴的总重有增加的趋势，因此出现了各种多轴的货车。货车

8、。o 平板挂车，采用多轴多轮，以便减轻对路面平板挂车，采用多轴多轮，以便减轻对路面的压力。的压力。 汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态。当汽车处于停驻状态下，对路面的作用力为静态压力主要是由轮胎传给路面的垂直压力，它的大小受下述因素的影响。o 汽车轮胎的内压力pi ；o 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状；o 轮载的大小；汽车轮胎的内压力o 货车轮胎的标准静内压力：一般在0.40.7MPa范围内。o 通常轮胎与路面接触面上的压力p略小于内压力pi,约为(0.80.9)pi。o 在轮胎软而旧，或轮载超荷，或实际内压力比标准低很多，接触压力p才达到(1.11.3)pi. o 车轮在行驶过程中，

9、内压力会因轮胎充气温度升高而增加，因此，滚动的车轮接触压力也有所增加，达到(0.91.1)pi. 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状o 影响轮胎的刚度的因素：轮胎的新旧程度，接触面的形状和轮胎的花纹等等。 接触面上的压力分布是不均匀的。o 轮胎与路面的接触面形状轮廓近似于椭圆形，因其长轴与短轴的差别不大，在工程设计中以圆形接触面积来表示。o 将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力. 双圆荷载当量圆的直径和半径当量圆半径：o P 作用在车轮上的荷载op轮胎接触压力o 接触面当量圆半径pPo对于双轮组车轴，每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载；如用二个圆表示，则称双圆

10、荷载。其当量圆直径分别按下式计算： 双圆荷载当量圆直径 单圆荷载当量圆直径o在标准轴载BZZ-100的P=100/4kN，p=700kPa，则d=0.213m，D=0.302m。pPd4dpPD28o行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施加水平力、振动力。这些动力影响还有瞬时性的特征。o汽车在道路上等速行驶，车轮受到路面给它的滚动摩阻力，路面也相应受到车轮施加于它的一个向后的水平力；o汽车在上坡行驶，或者在加速行驶过程中，为了克服重力与惯性力，需要给路面施加向后的水平力，相应在下坡行驶或者在减速行驶过程中，为了克服重力与惯性力的作用，需要给路面施加向前的水平力。o汽车在弯道上行

11、驶，为了克服离心力，保持车身稳定不产生侧滑，需要给路面施加侧向水平力。汽车起动和制动过程中，施加于路面的为水平力。o车轮施加于路面的各种水平力值与车轮的垂直压力，以及路面与车轮之间的附着系数 有关，其最大值不会超过垂直力P与 的乘积，即：o 的最大值一般不超过0708，同路面类型和湿度以及行车速度有关。o路面表面必须保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要条件。但是从路面结构本身来看，附着系数的大小直接关系结构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，若是抗剪强度不足，将会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。 pQmax轴载波动

12、o汽车在道路上行驶，由于车身自身的振动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静态轮载，呈波动状态o轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数（标准离差与轮载静载之比）主要随下述三因素而变化： 1）行车速度：车速越高，变异系数越大； 2）路面的平整度：平整度越差，变异系数越大； 3）车辆的振动特性：轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。o正常情况下，变异系数一般均小于0.3.o振动轮载的最大峰值与静载之比称为冲击系数，在较平整的路面上，行车速度不超过50kmh对，冲击系数不超过1.30。轮载瞬态作用o 行驶的

13、汽车对路面施加的荷载有瞬时性。车轮通过路面上任一点，路面承受荷载的时间大约只有0.010.10s左右。在路面以下一定深度处，应力作用的持续时间略长一点。o 美国AASHO试验路的试验结果： 当行车速度由32kmh提高到56kmh，沥青路面的总弯沉减少36；当行车速度由3.2kmh提高到96.7kmh，水泥混凝土路面的板角挠度和板边应变量减少29左右.o 动荷载作用下路面变形量的减小可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者是路面结构强度的相对增大。轮载的循环重复作用o 汽车荷载对路面的多次重复作用也是一项重要的动态影响。 1、弹性材料在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随荷载

14、重复次数的增加而降低。 2、弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积。 o 所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素。五、交通分析o 路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综合累计损伤作用，必须对现有的对路面的综合累计损伤作用，必须对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进行调查和交通量、轴载组成以及增长规律进行调查和预估，并通过适当的方式将它们换算成当量预估，并通过适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累计作用次数。标准轴载的累计作用次数。1、交通量o 交

15、通量是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。o 可以通过现有的交通流量观测站得到调查资料，也可以根据需要，设临时设站进行观测。o 根据月分布不均匀系数、日分布不均匀系数和小时分布换算系数，将临时观测结果按相应的换算系数换算成年平均日交通量。o 对于路面结构设计，要收集交通总量，还必须区分不同的车型。目前各地观测站进行交通量调查，将车辆分成11类：小型货车、中型货车、大型货车、小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中型拖拉机、自行车、人力车和畜力车。o 小型货车、小型客车、拖拉机和非机动车可忽略不计，这些车辆所占的比例应从总量中扣除。其余各类列入统计范畴的车辆按轴型和轴载大小分类

16、（单后轴货车、双后轴货车、牵引拖挂车、牵引半拖挂车等）和分级统计。o 有交通量观测站配置有自动化的轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后按轴载大小分类统计累计轴载数，这种调查称为轴载谱的调查。轴载谱调查与交通量的统计相互进行校核与补充。o 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增长的，要确定路面设计年限内的总交通量，还需要预估该年限内交通的发展。 交通量调查，经济增长速度交通量的计算初始年平均交通量36536511iiNN每日实际交通量1NiN然后通过调查研究，分析论证，然后通过调查研究，分析论证，以确定交通量年平均增长率。以确定交通量年平均增长率。1)1 (3651teNN设计年限内的累计

17、交通量设计年限内的累计交通量设计的初始年平均日交通量设计的末年年平均日交通量设计年限内交通量年平均增长率设计年限eN1NtNt2轴载组成与等效换算o 不同重力的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。对于路面结构设计，除了设计期限的累计交通量之外，另一个重要的交通因素便是各级轴载所占的比例在轴载组成或轴载谱。o 由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数，乘以相应的轴载谱百分率，即可推算出所有车辆各级轴载的作用次数。o 道路上行驶的汽车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，我国水泥混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载l00kN作为标准轴载。o 各种轴载的

18、作用次数进行等效换算的原则是，同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。o 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不相同，因而系数a和n取值各不相同。轴载换算系数公式3轮迹横向分布 车辆在道路上行驶时，车轮的轨迹总是在横断面中心线附近一定范围内左右摆动，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，也不可能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，称为轮迹的横向分布。 o 轴载通行次数分布频率曲线中的直方图条带宽为25cm，大约接近轮迹宽度，以条带上受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数作为该条带的频率。

19、o 轮迹横向分布频率曲线图形随许多因素如：交通量、交通组成，车道宽度、交通管理规则等而变化，需分别各种不同情况，通过实地调查，才能确定。o 在路面结构设计中，用横向分布系数来反映轮迹横向分布频率的影响。通常取宽度为二个条带的宽度，即50cm，因为双轮组每个轮宽20cm，轮隙宽10cm。这时的二个条带频率之和称为轮迹横向分布系数。 o 路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响。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。o 图29给出了沥青混凝土的动弹性模量随温度升高而降低的情况，图2l0所示为路基回弹模量随湿度增长而急剧下降的情况。o 路基土和路面材料的体积随路基路面结

20、构内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩。 温度和湿度： 1 随环境而变 2 沿着结构的深度呈不均匀分布 因此材料涨缩也是变化的。 如果不均匀的胀缩受到约束而不能完全实现时，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。o 如不能充分估计这种因自然环境因素变化产生的后果，则路基路面结构在车轮荷载和自然因素共同作用之下，将提前出现损坏，缩短路面的使用年限。o 因此，应考虑自然因素的影响。温度因素o 大气的温度在一年四季和一昼夜之间发生着周期性的变化，受大气直接影响的路面温度也相应地在一年之间和一日之间发生着周期性的变化。o 图2-11和图2-12分别显示了夏季晴天，沥青面层和水泥混凝土面层

21、内温度的昼夜变化观测结果。o 沥青路面，由于吸热量高，温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化，升降的幅度随深度的增加而减小，其峰值的出现时间也随深度的增加而滞后。 温度因素o 路面结构内温度随深度的分布状况，可以从一天内不同时刻的路面温度随深度的分布曲线图中看到。见图2-l3与图2-14。 温度梯度的变化与气温的变化大致是同步的，具有周期性特点。o 除了日变化之外，一年四季面层不同深度处的温度还随气温的变化而经历着年变化，图215所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况，可以看出，平均气温最高和最低的7月和二月份，面层的平均气温也相应为最

22、高值和最低值。 温度因素o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。o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。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。o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。 o 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。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。o 统计方法就是在路面结构层的不同深处埋设测温元件，连续统计方法就是在路面结构

23、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，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，如式所示。深度处各种路面温度指标的回归方程式，如式所示。 o 由于统计方法不可能包含所有的复杂因素，由于统计方法不可能包含所有的复杂因素，所以计算的精确度有地区局限性，只可以在所以计算的精确度有地区

24、局限性，只可以在条件相似的地区参考使用。理论法是应用热条件相似的地区参考使用。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。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理想化，预估的结果与实测结果有一定的差距。距。 湿度因素o 大气湿度的变化，通过降水、地面积水和地下水浸入路基路面结构，是自然环境影响的另一个重要方面。它除了影响路基土湿度的变化，使路基产生各种不稳定状态之外，对路面结构层也有许多不利的影

25、响。o 路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化。例如在北方季节性冰冻地区，冰冻开始时，路基水分向冻结线积聚形成冻胀，春暖融冻初期形成翻浆的现象较普遍。而在南方非冰冻区，当雨季来临时，未能及时排除的地面积水和离地面很近的地下水将使路基土浸润而软化。湿度因素o 保持路基干燥的主要方法是设置良好的地面排水设施和路面结构排水设施，经常养护，保持畅通。o 地下水对路基湿度的影响随地下水位的高低与土的性质而异。通常认为受地下水影响的高度对粘土为6m，砂质粘土或粉土约为3m，砂土为0.9m。在这个深度范围内，路基湿度受地下水位控制，其影响程度随土质而异。在这个范围以上部分，路基湿度

26、主要受大气降水，蒸发以及地面排水控制。对于干旱地区，路基的湿度主要受空气相对湿度的控制，受降水的影响很小，相当于当地覆盖土相同深度处的湿度。o 面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响。不透水的面层结构，将减少降水和蒸发的影响。在道路完工二、三年内，路面结构与路基上部中心附近的湿度逐渐趋向稳定。对于透水的面层结构，若不作专门处理，则路面结构和上层路基的湿度状况将受到降水和蒸发的影响而产生季节性的变化。o 路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响。通常在路面边缘以内lm左右，湿度开始增大，直至路面边缘与路肩下的湿度相当。路肩如果经过处治，防止雨水渗入，则路面下的土基湿度将趋向于稳

27、定，与路基中心湿度相当。2-4 土基的承载能力o 用于表征土基承载力参数指标有:回弹模量、地基反应模量、加州承载比（CBR）等一、土基回弹模量 回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，所以，在以弹性半空间体地基模型表征土基的受力特性时，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。我国公路路面和公路刚、沥青路面设计方法中，都以回弹模量E作为土基的刚度指标，为了模拟车轮(或车轮)印迹的作用，通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。 柔性承载板和刚性承载板测定土基回弹模量 图2-20土基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线（a）柔性承载板 （b）刚性承载板 o 用柔性承载板测定

28、土基回弹模量时，土基与承载板之间的接触压力为常量，如图2-20a)所示，即： 承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在承载板中心处(r=0)，即： 2 rPrplpaEr002021o 在柔性承载板边缘处(r=a)，其挠度可以按下式计算 ：lpaEr a41020 o 用刚性承载板测定土基回弹模量时，承载板上土基顶面的挠度为等值，不随坐标r而变化。但是板底接触压力则随r值而变化，成鞍形分布，如图4-6b)所示，其挠度l值和接触压力p(r)值可分别按式(4-7)与(4-8)计算。 lpaE214020 p rpaar1222o 式中各项：l承载板挠度(m)；o p(r)接触压力(MPa)；o r计算

29、点离承载板中心的距离(m)；o P总压力(MN)：o p单位压力(MPa)；o a承载板半径(m)。 二、地基反应模量o 土基回弹模量是表征弹性半空间体地基荷载与变形的关系，地基反应模量是表征文克勒地基的变形特性。文克勒地基模型基本假定是地基上任一点的弯沉l，仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关，反映压力与弯沉值关系的比例常数k称为地基反应模量，即： （4-9）式中 k地基的反应模量(MPa/m或MN/m3)； p单位压力(MPa)； l弯沉值(m)。 kplo 根据假定，可以把地基看作是无数彼此分开的小土柱组成的体系，或者是无数互不相联的弹簧体系，如下图所示。文克勒地基又可称

30、为稠密液体地基，地基反应模量k相当于液体的密度，地基反力相当于液体的浮力。 图2-22文克勒地基模 o 地基反应模量k值，用刚性承载板试验测定，通过逐级加载测定相应的总弯沉值，得到荷载-弯沉曲线，如图所示。 地基反应模量k同承载板直径D的关系 三、加州承载比CBR o 加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值。这种方法后来也用于评定土基的强度。 CBR试验方法 o CBR室内试验装置如图所示。在直径15.24cm、高17.78cm的金属筒内，放入12.7

31、0cm高的试样。试样安土基施工时的含水量和密实度在试筒内制备。并将试样浸水四昼夜，以模拟土基的最不利工作状态。为模拟路面结构对土基的作用，在试样浸水过程中及压入试验时，在其顶面施加环形砝码，其大小根据路面结构状况确定，但不得小于45.3N，通常情况下采用111.2N，压入的金属圆柱压头底面积为19.35cm。 CBR室内试验装置 o 试验时，荷载按试件顶面每分钟压入变形0.127cm的速度施加，记录每压入0.254cm时的单位压力p值，直至压入变形量达到1.27cm时为止。标准碎石的承载力由试验测得，见下表。 贯入值0.2540.5080.7621.0161.27标准压力（Mpa）7.0310

32、.5513.3616.1718.23o CBR值按下式计算：式中 p试件材料在一定贯入值情况下的单位压力(MPa)； p0标准碎石要相同贯入值情况下的单位压力(MPa)； CBRpp0100%2-5 路面材料的力学强度特性 路面材料，按其不同的形态及成型性质大致可分路面材料，按其不同的形态及成型性质大致可分为三类：为三类： 1 1）松散颗粒型材料及块料；）松散颗粒型材料及块料； 2 2）沥青结合料类；）沥青结合料类； 3 3）无机结合料类；）无机结合料类； 路面材料在车轮荷载和环境因素的作用下所表现路面材料在车轮荷载和环境因素的作用下所表现出的力学强度特性，对路面的使用品质和使用寿出的力学强度

33、特性，对路面的使用品质和使用寿命有重大影响。命有重大影响。一、抗剪强度o 路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有以下三路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有以下三种：种：o 1 1）路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通）路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传给土基的剪应力过大，导致路基路面整体过薄层结构传给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏；结构发生剪切破坏；o 2 2）无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过）无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏；大而引起部分结构层产生剪切破坏；o 3 3）面层结构的

34、材料抗剪强度较低，如高气温条件下的）面层结构的材料抗剪强度较低，如高气温条件下的沥青面层；级配碎石面层等，经受较大的水平推力时，沥青面层；级配碎石面层等，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。摩尔强度理论o 材料的抗剪强度包括材料的抗剪强度包括摩擦阻力摩擦阻力和和粘结力粘结力两部分组成，摩两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有性质，与法向正应力无关，即：为材料固有性质，与法向正应力无关，即：一材料的内摩阻角。tgc一抗剪强度，kPa；C 一材料的

35、粘结力，kPa；一法向正应力，kPa；o 用 3 4 个相同的土样，采用不同的垂直压力，测得 3 4 组 ( s 、 t max ) 的数据，绘制 s - t曲线，由此 求得抗剪强度指标 c 、 值、 。 oC C和和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，可以通过直接剪切是表征路面材料抗剪强度的两项参数，可以通过直接剪切试验，绘出曲线后，按上式确定。对于松散粒料无法进行直剪试验，绘出曲线后，按上式确定。对于松散粒料无法进行直剪试验时，可以由三轴压缩试验，绘制摩尔圆和相应的包络线，试验时，可以由三轴压缩试验，绘制摩尔圆和相应的包络线，按上式直线关系近似确定按上式直线关系近似确定C C、 值。值。o三

36、轴试验试件的直径应大于集料中最大粒径的三轴试验试件的直径应大于集料中最大粒径的4 4倍，试件的高度倍，试件的高度和直径之比不小于和直径之比不小于2 2。目前普遍使用试件直径为。目前普遍使用试件直径为10cm10cm，高为，高为20cm20cm，粒料最大粒径不应大于粒料最大粒径不应大于2.5cm2.5cm。o沥青混合料经受剪切时，除了矿质颗粒之间存在摩擦阻力之外，沥青混合料经受剪切时，除了矿质颗粒之间存在摩擦阻力之外，还有粒料与沥青的粘结力以及沥青膜之间的粘滞阻力共同形成还有粒料与沥青的粘结力以及沥青膜之间的粘滞阻力共同形成抗剪强度。因此沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、抗剪强度。因此沥青

37、混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、试验温度、加荷速率等因素有关。试验温度、加荷速率等因素有关。二、抗拉强度o 沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温急骤下降时产生收缩，水泥混凝土路面和各种半温急骤下降时产生收缩，水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度变化时，产生明显的干缩，这刚性基层在大气湿度变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。路面结构会产生拉伸断裂。

38、o 路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供。可以采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力一应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。 o 直接拉伸试验直接拉伸试验: 是将混合料制成是将混合料制成圆柱形试件，试圆柱形试件，试件两端粘结在有件两端粘结在有球形铰结的金属球形铰结的金属盖帽上，通过安盖帽上，通过安装在试件上的变装在试件上的变形传感器，测定形传感器，测定试件在各级拉应试件在各级拉应力下的应变值。力下的应变值。o 间接拉伸试验间接拉伸试验:即劈裂试验，即劈裂试验，是将混合料制是将混合料制成圆柱形试件，成圆柱形试件，直径为直径为D，高度，高度为为h，试验时通，试验时通过压条，沿直过压

39、条，沿直径方向按一定径方向按一定的速率施加荷的速率施加荷载，直至试件载，直至试件开裂破坏开裂破坏o 水泥混凝土劈裂抗拉强度测试采用边长为水泥混凝土劈裂抗拉强度测试采用边长为150m150m的立方块的立方块试件，试件，o 沥青混合料是温度敏感性材料，其抗拉强度与温度有关沥青混合料是温度敏感性材料，其抗拉强度与温度有关，在常温条件下，随着试验温度增加，抗拉强度减小；在在常温条件下，随着试验温度增加，抗拉强度减小；在负温条件下，随着温度降低，抗拉强度增大。负温条件下，随着温度降低，抗拉强度增大。 三、抗弯拉强度三、抗弯拉强度o 用水泥混凝土，沥青混合料以及半刚性路面材用水泥混凝土，沥青混合料以及半刚

40、性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态弯曲工作状态。由车轮荷载引起的弯拉应力超。由车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。o 路面材料的抗弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评路面材料的抗弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评定。小梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒定。小梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒径的径的4 4倍。通常采用三分点加载。倍。通常采用三分点加载。o 我国现行水泥混凝土试验规程（我国现行水泥混凝土试验规程（JTJ053JTJ053949

41、4）规定，）规定，混凝土抗折强度标准试件尺寸为混凝土抗折强度标准试件尺寸为150mmx150mmx550mm150mmx150mmx550mm，集料粒径应不大于集料粒径应不大于40mm40mm。如确有必要，允许采用。如确有必要，允许采用 100mmx100mmx400mm100mmx100mmx400mm试件，集料粒径应不大于试件，集料粒径应不大于30mm30mm。四、应力应变特性o 路面结构层在车轮荷载作用下的应力、应变和位移路面结构层在车轮荷载作用下的应力、应变和位移量，不仅同荷载状态有关，还取决于路面材料的应量，不仅同荷载状态有关，还取决于路面材料的应力一应变特性。力一应变特性。o 无结

42、合料碎、砾石材料可以由三轴压缩试验所得到无结合料碎、砾石材料可以由三轴压缩试验所得到的应力一应变关系曲线求得表征其应力一应变特性的应力一应变关系曲线求得表征其应力一应变特性的回弹模量值的回弹模量值o 无结合料碎、砾石材料的应力一应变特性具有明显无结合料碎、砾石材料的应力一应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量随偏应力的增大而减小，的非线性特征，即弹性模量随偏应力的增大而减小，随侧压力的增大而增大随侧压力的增大而增大。根据大量试验，碎、砾石根据大量试验，碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示：材料的回弹模量值可以用下列形式表示： o由回归分析得到，一般情况下碎石集料的由回归分析得到，一般情

43、况下碎石集料的K1K1变变动于动于7.07.015.715.7；K2K2变动于变动于0.460.460.640.64之间。之间。o 碎、砾石材料的回弹模量值同材料的级配、颗粒形状、碎、砾石材料的回弹模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关密实度等因素有关，取值范围为，取值范围为100100700MPa700MPa。o 水泥混凝土混合料抗压强度和抗压弹性模量测定用的单水泥混凝土混合料抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验取轴试验取150mm X 150mm X300mm150mm X 150mm X300mm的直角棱柱体试件。的直角棱柱体试件。先测定抗压强度然后取同样的试件施加先测定抗压强

44、度然后取同样的试件施加 4040的抗压强度的抗压强度用于测定抗压回弹模量，用传感器或千分表记录轴向压用于测定抗压回弹模量，用传感器或千分表记录轴向压缩变形量。混凝土的抗压弹性模量按下式计算：缩变形量。混凝土的抗压弹性模量按下式计算：o 无机结合料混合料的应力一应变关系曲线呈现出非线性无机结合料混合料的应力一应变关系曲线呈现出非线性状，其弹性模量是三向主应力的函数。在应力级位较低状，其弹性模量是三向主应力的函数。在应力级位较低时（低于极限应力时（低于极限应力5050),),应力一应变曲线可近似看作是应力一应变曲线可近似看作是线性的。按回弹应变量确定的回弹模量值，可以近似看线性的。按回弹应变量确定

45、的回弹模量值，可以近似看作为常数。作为常数。o 在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。用于承载板测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。用于承载板法试验的试件取直径法试验的试件取直径 x x高高150mm x 150mm150mm x 150mm，承载板直，承载板直径径 37374mm4mm，面积，面积11cm11cm。试验时取承载板的单位压力为。试验时取承载板的单位压力为200200700kPa700kPa，分级加载，同时记录承载板的沉降量，分级加载，同时记录承载板的沉降量，回弹模量值按式计算：回弹

46、模量值按式计算： o 水泥混凝土路面与无机结合料处治的混合料基层，在车轮荷载作用下处于弯曲受力状态，在结构分析时，采用相应的计算参数抗折弹性模量。测量抗折弹性模量所用的试件尺寸与测量抗折强度时所用的小梁试件相同，加载方法也相同。取抗折强度对应荷载的50，作为最大荷载，加载时同时记录小梁跨中的挠度。o 沥青混合料应力一应变特性的测试方法与以上沥青混合料应力一应变特性的测试方法与以上各种材料所用的方法相类似，在低温条件下可各种材料所用的方法相类似，在低温条件下可以用单轴试验或小梁试验，在高温条件下，由以用单轴试验或小梁试验，在高温条件下，由于沥青材料的温度敏感性强，用三轴压缩试验于沥青材料的温度敏

47、感性强，用三轴压缩试验更能符合实际受力状态。更能符合实际受力状态。o 沥青混合料的应力一应变特性同上述材料有很沥青混合料的应力一应变特性同上述材料有很明显的不同。由于混合料中的沥青材料具有依明显的不同。由于混合料中的沥青材料具有依赖于温度和加荷时间的粘一弹性性状，因此，赖于温度和加荷时间的粘一弹性性状，因此，沥青混合料在荷载作用之下的应力一应变具有沥青混合料在荷载作用之下的应力一应变具有随温度和荷载作用时间而变化的特性随温度和荷载作用时间而变化的特性。o 对沥青混合料进行三轴压缩试验，在不变应力的作用对沥青混合料进行三轴压缩试验，在不变应力的作用下，可以得出应变同应力作用时间的关系曲线，如图下

48、，可以得出应变同应力作用时间的关系曲线，如图2 23131所示。所示。o 考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响，用劲度模量表征其应力一应变关性的影响，用劲度模量表征其应力一应变关系。系。沥青混合料的劲度模量是在给定温度和沥青混合料的劲度模量是在给定温度和加荷时间条件下的应力一应变比值加荷时间条件下的应力一应变比值，用式表，用式表示：示： o 沥青混合料的劲度模量实质上就是在特定温沥青混合料的劲度模量实质上就是在特定温度与特定加荷时间条件下的常量参数。度与特定加荷时间条件下的常量参数。o 图图2-322-32：时温等效效应：时温等效效应：温度对劲度

49、的影响温度对劲度的影响与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。利用这一个重要性质可以广泛研究它的各项利用这一个重要性质可以广泛研究它的各项性能以及相互之间的关系性能以及相互之间的关系. .2-72-7路面材料的累积变形与疲劳特性路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏极限状态有二类：路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏极限状态有二类：o 第一类，若路面材料处于弹塑性工作状态，则重复荷载第一类，若路面材料处于弹塑性工作状态，则重复荷载作用将引起塑性变形的累积，当累积变形超出一定限度作用将引起塑性变形的累积，当累积变形超出

50、一定限度时，路面使用功能将下降至允许限度以下，出现破坏极时，路面使用功能将下降至允许限度以下，出现破坏极限状态；限状态；o 第二类，路面材料处于弹性工作状态，在重复荷载作用第二类，路面材料处于弹性工作状态，在重复荷载作用之下虽不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，之下虽不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，当微量损伤累积达到一定限度时，路面结构发生疲劳断当微量损伤累积达到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂，出现破坏极限状态。裂，出现破坏极限状态。o累积变形与疲劳破坏这二种破坏极限的共同点就是破坏极限的累积变形与疲劳破坏这二种破坏极限的共同点就是破坏极限的发生不仅同荷载应力的大小有关，

51、而且同荷载应力作用的次数发生不仅同荷载应力的大小有关，而且同荷载应力作用的次数有关。有关。o 水泥混凝土路面在重复荷载作用之下易出现疲劳破坏；水泥混凝土路面在重复荷载作用之下易出现疲劳破坏；沥青路面在低温环境中，基本上处于弹性工作状态，沥青路面在低温环境中，基本上处于弹性工作状态，因此出现疲劳破坏，而在高温环境中，处于弹塑性工因此出现疲劳破坏，而在高温环境中，处于弹塑性工作状态，因此出现累积变形。作状态，因此出现累积变形。o 在季节性温差很大的地区，沥青路面兼有疲劳破坏和在季节性温差很大的地区，沥青路面兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。累积变形两种极限状态。o 无机结合料处治的半刚性路面材料

52、，在早期（无机结合料处治的半刚性路面材料，在早期（1 1至至3 3个个月）处于低塑性的弹塑性状态，在此之后，基本处于月）处于低塑性的弹塑性状态，在此之后，基本处于弹性状态，因此，在使用期间，主要的极限状态是疲弹性状态，因此，在使用期间，主要的极限状态是疲劳破坏。劳破坏。o 以粘土为结合料的碎、砾石路面，由于混合料中的细以粘土为结合料的碎、砾石路面，由于混合料中的细粒粘土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性状粒粘土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性状态，塑性变形的累积是极限状态的主要形式。态，塑性变形的累积是极限状态的主要形式。 1、累积变形累积变形o 路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变

53、形路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生沉陷或车辙，是路面结构的主要累积而产生沉陷或车辙，是路面结构的主要病害。这种永久性的变形是路基路面各结构病害。这种永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综合。它不仅层材料塑性变形的综合。它不仅同荷载的大同荷载的大小，作用次数以及路基土的性状有关，也受小，作用次数以及路基土的性状有关，也受路面各结构层材料变形特性的影响路面各结构层材料变形特性的影响。A、碎、砾石混合料o 碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。图细粒土相似。图2-332-33所示是一种所示是一种级配良好

54、的混合料级配良好的混合料的重复的重复加载试验结果。由图可见，加载试验结果。由图可见，当偏应力内低于某一数值时，当偏应力内低于某一数值时，塑性变形随作用次数增加而增加，且逐渐趋向稳定。塑性变形随作用次数增加而增加，且逐渐趋向稳定。重复重复次数大于次数大于10104 4次后，达到一平衡状态，平衡状态的应变量次后，达到一平衡状态，平衡状态的应变量同比值大小有关。当偏应力较大时，塑性变形量随作用次同比值大小有关。当偏应力较大时，塑性变形量随作用次数增加而不断增长，直至破坏。数增加而不断增长，直至破坏。o 级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很多级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很

55、多次以后，塑性变形仍有增大趋势。含有细粒过多的混合料，次以后，塑性变形仍有增大趋势。含有细粒过多的混合料，由于混合料密实度降低，变形累积过大，因此均不宜用于由于混合料密实度降低，变形累积过大，因此均不宜用于修筑路面。修筑路面。B、沥青混合料o 由图由图2 234(34(密实型沥青碎石混合料密实型沥青碎石混合料) )可以看出塑性应变量可以看出塑性应变量随重复作用次数的增加而增加的情况。温度越高，塑性应随重复作用次数的增加而增加的情况。温度越高，塑性应变累积量越大。许多试验结果表明，在同一温度条件下，变累积量越大。许多试验结果表明，在同一温度条件下，控制累积应变量的是加荷时间的总和，而不仅是重复作

56、用控制累积应变量的是加荷时间的总和，而不仅是重复作用的次数；加荷频率以及应力循环的间隔时间对累积应变一的次数；加荷频率以及应力循环的间隔时间对累积应变一时间关系的影响不大。时间关系的影响不大。o 影响累积变形的因素，除了温度、施加应力大小以及加荷影响累积变形的因素，除了温度、施加应力大小以及加荷时间之外，同集料的状况也有关系。有棱角的集料比圆角时间之外，同集料的状况也有关系。有棱角的集料比圆角的集料能获得较高的劲度模量，因此累积变形量较小；密的集料能获得较高的劲度模量，因此累积变形量较小；密实级配的沥青混合料比开级配沥青混合料的累触形量小；实级配的沥青混合料比开级配沥青混合料的累触形量小；此外

57、压实的方法，压实的程度对变形累积的规律都有一定此外压实的方法，压实的程度对变形累积的规律都有一定影响。影响。 2、疲劳特性o 对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能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，这种材料强度的降低现象称为疲劳。种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳的出现，是由疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破

58、坏，称为疲劳破坏。终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。o 出现疲劳破坏的重复应力值（即疲劳强度），随重复出现疲劳破坏的重复应力值（即疲劳强度），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（例如定次数（例如10106 610107 7次）后，疲劳强度不再下降，次）后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。o 研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度，延长研究疲劳特性的主要目

59、的是探索提高疲劳强度，延长路面使用年限，为路面设计提供参数。路面使用年限，为路面设计提供参数。 A. 水泥混凝土及无机结合料处治的混合料o 此类材料的疲劳性能研究，可通过对小梁试件施加重复此类材料的疲劳性能研究，可通过对小梁试件施加重复应力来进行。将重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯应力来进行。将重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯拉应力（抗折强度）值之比称为应力比。绘制应力比与拉应力（抗折强度）值之比称为应力比。绘制应力比与重复作用次数的关系曲线，称为疲劳曲线，由疲劳曲线，重复作用次数的关系曲线，称为疲劳曲线，由疲劳曲线，可发现如下规律：可发现如下规律：o 1 1）随着应力比的增大，出观疲劳破

60、坏的重复作用次数）随着应力比的增大，出观疲劳破坏的重复作用次数NfNf降低；降低；o 2 2）重复应力级位相同时，）重复应力级位相同时，NfNf的变动幅度较大，表明试的变动幅度较大，表明试验结果离散，但其概率分布基本符合对数正态分布，因验结果离散，但其概率分布基本符合对数正态分布，因此，若要得到可靠的均值必须进行大量的试验；此，若要得到可靠的均值必须进行大量的试验；o 3 3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程。数关系的疲劳方程。o 4 4）当重复作用次数）当重复作用次数为为NfNf=10=107 7时，应力比时，应力比0.550.5