路基路面工程教案(2章 车辆、环境、材料的力学特性)

1、. .第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质§2-1 行车荷载一、车辆的类型 小客车：车速大，重量轻，120km200km/h客车 中客车：620个座位1、汽车车辆 大客车：速度较快，重量大；长途客运，城市公共交通 货车 整车固定车身类：货箱与发动机一体 牵引式挂车挂车类：牵引车与挂车别离 牵引式半挂车牵引车类：牵引车与挂车别离，但通过铰接装置，牵引车后附加挂车，牵引车后轴担负局部货车重量2、路面构造的设计中：主要考虑大客车、重型货车的重量，以轴重作为荷载标准，我国规定100KN。 评定路面外表特性时：以小汽车为主要对象。二、汽车的轴型对整车形式的客、货车 单前轴： 1/3 汽车

2、总重 绝大局部 前轴 双前轴： 1/2 汽车总重 极少数1、轴 单后轴： 后轴 双后轴：每根后轴轴载约为前轴轴载的2倍 三后轴： 前轴单轮组 2、轮 后轴 单轮组轻型货车 双轮组大局部 3、一般的后轴轴载在60130KN范围内，大局部在100KN以下，我国轴限为100KN。 货车载重增加，又有轴限规定，须增加轴数来提高载重，采用多轴多轮，减少单位面积路面的压力。三、汽车对道路的静态压力1、静态压力：当汽车处于停驻状态下，轮胎传给路面的垂直作用力，用p表示。影响因素：1汽车轮胎的内压力pi 标准静内压力pi=0.40.7MPa;通常p=(0.80.9) pi 滚动的车轮p=(0.91.1) pi

3、 2轮胎的刚度、轮胎与路面接触形状、轮胎的花纹 3轮载的大小 超载ppi 工程设计中：取p= pi，假定接触面上压力是均匀分布的2、接触面积 1形状：轮胎与路面的接触面形状矩形近似为长短边接近的椭圆形 工程设计中：近似为圆形接触面积。车轮荷载简化为当量的圆形均布荷载 2接触圆半径当量圆半径： 单圆荷载：对于双轮组车轴，假设每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载，直径D 双圆荷载：对于双轮组车轴，假设每一侧的双轮用两个圆表示，称为双圆荷载，直径d D= d= 我国现行路面设计标准中规定的标准轴载BZZ100，轮载P=25KN，p=700KPa，用以上公式计算得：D=0.302m, d=0.213

4、m四、运动车辆对道路的动态影响PPPPPvvv 1、行使的汽车施加于路面的水平力 汽车：静止 等速、上坡、加速行使、启动 下坡、减速、制动 转弯、弯道上行使 路面：垂直压力 向后的水平力 向前的水平力 侧向水平力 1各种水平力：QmaxP 车轮与路面间的附着系数 路面构造一样，枯燥状态潮湿状态 路面构造、干湿状态一样：车速越高，越小 附着系数过小，不能保证正常的行车；过大，路面构造层易遭受水平荷载的破坏，如：推挤、拥包、波浪等。 2、轮载的动态变动 由于车身自身的振动和路面的不平整而产生的车轮跳动，跳动的频繁程度和剧烈程度用以下指标衡量：见p18图2-3，p32图2-4 1变异系数=标准离差

5、/ 静载 ，一般0.3 影响变异系数的因素： 车速越大，系数越大 平整度越差，系数越大 轮胎刚度低，减振装置效果好，系数小 2冲击系数动荷系数：振动轮载的最大峰值/静载 一般1.30 在设计刚性路面时，其承受的荷载大，对振动冲击敏感，所以有时以静轮载×冲击系数作为设计荷载。 在柔性路面设计时，因其比较平整，吸收应力的能力也大，所以不考虑动态影响。 3、以上动力影响的瞬时性、重复性1路面承受荷载的时间瞬时性，大约只有0.010.10s，见p18图2-4 车速越大，路面承受荷载的时间越短，路面变形量就越小，也可以理解为路面构造刚度和强度的相对增大。2轮载的屡次重复作用 弹性材料：疲劳性质

6、，即材料的强度随重复次数的增加而降低 弹塑性材料：变形逐渐增大，称变形的累积 所以要考虑道路在一定时间内的通行数量。五、交通分析在路面构造设计中，要对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进展调查预估，以便将它们折算成当量标准轴载的累计作用次数。1、交通量：指在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。 1交通量的调查 人工调查 分类：车辆按轴型、轴载分成11类 相互校核 短期的 分级：满载程度 相互补充 自动调查：自动化的轴载仪 轴载谱的调查，记录轴数、轴载，分类统计 2交通量的增长率 年平均日交通量是逐年增长的，需要预估设计年限内交通的开展。 预估原那么：原路面，直接调查路上交通量，沿线

7、工业、开发区吸引来的交通量 新建路，调查和它相近路的交通量，沿线工农业、开发区、道路建成后吸引来的交通量 利用以上调查资料通过回归分析，假定交通量在设计年限内以固定的增长百分率逐年增长 3初始年平均日交通量N1 4设计年限内累计交通量等比数列求和2、轴载组成与等效换算1轴载组成轴载谱：各级轴载所占的比例，见p35图2-6 一种轴载的通行次数，利用轴载谱可推算出所有车辆各级轴载的通行次数。 例：轴重67t的车每日通行400次，求轴重1314t的车每日通行多少次？ 解：由p35的图2-6知：2标准轴载：大局部国家用100KN，美国规定82KN，少数国家130KN。我国标准选用双轮组单轴轴载100K

8、N为标准轴载，以BZZ100表示。3交通量的等效换算轴载换算 换算原那么：同一种路面构造在不同轴载作用下到达一样的损伤程度。 对某一道路 P1轴载 作用N1次后 P2轴载 作用N2次后 道路所出现的损伤程度一样 换算公式：反映轴型、轮组影响的系数 n 同路面构造特性有关的系数3、轮迹横向分布：车辆在道路上行驶时，车轮的轮迹按一定规律分布在车道横断面上，称。1单向行驶一个车道图2-7：在3.75m宽的车道上分了15个条带，每条宽25cm，以条带上所受行车次数/车道上所受行车次数 作为该条带的频率，频率曲线有两个峰值，对应的频率达30%左右。车道边缘频率很低。2混合行驶双车道图2-8：在7m宽的路

9、上划分成28个条带，每条宽25cm，频率曲线出现一个峰值，对应频率30%左右。两侧边缘频率很低。3影响频率曲线的因素：交通量、交通组成、车道数、车道宽、交通管理规那么等。 4评定指标：轮迹横向分布系数取两个条带频率之和，宽约50cm§2-2 环境因素影响主要是温度和湿度的影响。一般情况下，温度对路面影响大，湿度对路基影响大。路基路面受温湿变化的影响产生胀缩，受限产生附加应力，即温度、湿度应力。因此，分析设计路基路面时，除了考虑车轮荷载引起的损伤，还应考虑自然因素的影响。 1、路面构造的温度变化日变化、年变化 1气温：路面构造随气温周期性变化，路表向下越深变化幅度越小，峰值出现越滞后。

10、见图2-11、图2-22。 2太阳辐射：路表吸热，外表温度比气温高。见图2-13 沥青路面最高可高出气温 25 水泥砼路面最高可高出气温20 3温度梯度：单位深度内平均温度坡差。其变化与气温变化大致同步，具有周期性。见图2-14。 2、影响路面温度状况的因素外因：主要是气温、太阳辐射，其次风力、降水、蒸发等。内因：材料的物理特性参数，热传导率、热容量等。 3、路面构造内温度的预估 1统计方法：埋测温元件，连续观测年循环内不同时刻的温度 具有地区局限性，只可在条件相似地区参考使用。 2理论方法：理论方程式推演。由于参数确定难度大，理论假设的理想化，预估结果与实测结果有差异§2-3土基的

11、力学强度特性一、 路基受力状况1、 路基受到：路基自重、汽车轮重设计要求：路基所受的力在路基弹性限度范围内车辆驶过，路基能恢复原状2、 汽车轮重在路基土内引起的垂直应力假定：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计算公式：3、 路基土自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力 注：路面构造材料的容重近似取为路基土容重。 4、路基内任一点处的垂直应力= 如图2-16所示。二、路基工作区 1、定义：随着深度的增加，车轮荷载引起的垂直应力逐渐减小。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，所对应的深度称为路基工作区深度，该深度范围内的路

12、基称为路基工作区。约12m 2、计算公式： 随车轮荷载P，Za，路基工作区随车轮荷载的加大而加深。 3、路基工作区内：路基工作区的强度和稳定性对保证路面构造的强度和稳定性极为重要，对工作区深度范围内的土质选择及路基的压实度有较高的要求。当工作区深度大于路基填土高度时，或对于挖方路段，天然地基的上部土层也进入路基工作区，因此，这局部天然地基也应满足工作区的要求，充分压实。见图2-17.三、路基土的应力-应变特性土是非线性、弹塑性体。路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两局部。 过大的塑性变形：沥青路面：产生车辙和纵向不平整； 水泥混凝土路面：引起板块断裂。过大的弹性变形：使得沥青面层和水泥混凝土面

13、板产生疲劳开裂。在路面构造总变形中，土基的变形占约占70%95%，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面构造整体强度和刚度的重要方面。 1、土基应力-应变的非线性0lp 压入承载板试验：一定尺寸的刚性承载板，放于土基顶面，逐级加荷卸荷，记录荷载及其引起的变形，绘出应力-变形曲线。由公式2-13计算回弹模量。P42图2-18b 三轴压缩试验：应力-应变曲线非线性。P42图2-18b 其它试验结果：土的弹性模量是应力的函数 2、土基应力-应变的弹塑性 土体在内部应力作用下表现出的变形：从微观角度看，是土的颗粒之间的相对移动。当移动的距离超出一定限度时，即使将应力解除，土体的颗粒已不再能回复原位。

14、从宏观角度看，土基将产生不可恢复的剩余变形，即塑性变形。见p42图2-18c 3、局部线性化法得到的几种模量值 因E不是常数，它随应力-应变关系而变，但在评定土基状态及路面构造设计时还得用E来表征承载能力上下，所以用局部线性化法：将曲线的某一微小线段近似视为直线，以它的斜率作为模量值。 初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的斜率 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-应变变化的准确关系 割线模量：某一应力级位处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； 回弹模量：应力卸除阶段，应力-应变曲线的割线模量。前三种模量中的应变值包含剩

15、余应变和回弹应变，而回弹模量那么仅包含回弹应变，它局部地反映了土的弹性性质。4、土的流变性 施加荷载的初始阶段，变形的大小随着荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。称为土的流变性。主要同塑性变形有关。 工程设计中，因为车轮对土基作用时间很短，所以可不考虑土的流变性。四、重复荷载对路基土的影响1、土基承受着车轮荷载的屡次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形即时消失，而塑性变形那么不能消失，残留在土基之中。随着作用次数的增加，产生塑性变形的积累，总变形量逐渐增大。最终结果可能有两种：一种情况是土体逐渐压密，土体颗粒之间进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，这种情况不致形

16、成土基的整体性剪切破坏；另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏，每一次加载作用在土体中产生了逐步开展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后到达破坏。2、产生或不产生破坏取决于(1) 土的性质和状态：包括土的类型、含水量、密实度、构造状态；(2) 相对荷载 = 重复荷载/土基所能承受的极限强度(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。例如：干土相对含水量0.7，相对荷载0.450.55，土体固结硬化 相对荷载0.450.55，土体破坏 湿土相对含水量0.70.8，相对荷载0.09粘土，0.150.12砂性土0.10粉性土土体固结硬化；否那么

17、破坏3、确定土基回弹模量时应考虑荷载的重复作用可采用重复加载的三轴压缩试验来确定。§2-4 土基的承载能力路基的承载能力都采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。常用的参数指标有回弹模量Eo、地基反响模量K和加州承载比(CBR)等。一、 土基回弹模量通常以圆形承载板压入土基的方法测定适用：以弹性理论为主的设计方法1、柔性压板测定回弹模量，见p45图2-20a；承压板直径常取车轮当量圆直径 接触压力是常量 承载板挠度是变量 测出l，即可得E值。2、刚性压板常用：取车轮当量圆直径或较大直径，因压力范围柔性 压板下土基顶面挠度是常量 板底接触压力鞍形分布 测得l后，反算E值。用的较多，因刚性

18、板的l易测，p容易控制。见p45图2-20b3、试验公式 在试验曲线上选取假设干点，可按下式计算： MPa 柔性路面：弯沉变化范围0.81.2mm，可在此范围内确定土基模量。 刚性路面：弯沉远小于上述范围，所以土基模量比柔性路面下土基模量大得多。二、地基反响模量温克勒地基、稠密液体地基 1、假定：土基顶面任一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力p成正比，而同其相邻点处的压力无关。 2、一般公式： 用承载板试验确定，采用一次加载到位的方法。控制荷载的两种方法： 当土基软弱时，控制变形 当土基坚硬时，控制应力 3、承载板大小对K的影响 见p46图2-23 当D76cm，D，K 当D76cm，K随D

19、变化不大 当D30cm，K76=0.4K30 4、地基回弹反响模量KR：只考虑回弹弯沉得到的模量值，它与总弯沉对应的地基反响模量K的关系： KR1.77K三、加州承载比CBR：土基及路面材料承载能力评价指标1、 试验：用一个端部面积为19.35cm2的标准压头，以0.127cm/min的速度压入土中，记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度到达1.27cm时为止。标准压力值ps是用高质量标准碎石由试验求得，其值如教材中p47表2-5所示。2、 公式： 百分比越大，土越硬 计算CBR值时，取贯入度为0.254cm。但是当贯入度为0.254cm时的CBR值小于贯入度为0.508cm时的C

20、BR值时，应采用后者。 3、K与CBR的测定都包含回弹变形与剩余变形在内，都是一种评定土基抵抗变形能力的指标，二者有一定的关系。§2-5路基的变形、破坏及防治一、路基的主要病害路基裸露在大气中，经受着土体自重、行车荷载和各种自然因素的作用，路基的各个部位将产生变形。路基的变形分为可恢复的变形和不可恢复变形，路基的不可恢复变形将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变。严重时，造成土体位移，危及路基的整体性和稳定性，造成路基各种破坏。1、路基沉陷、沉缩：路基外表在垂直方向产生较大的沉落。路基沉陷： 路根本身的压缩沉降。因一，路基土的进一步压缩、加密；因二，路基下部天然地面承 载能力缺乏，修筑

21、前未经处理，在路基自重的作用下引起 路基沉缩：由于路基填料选择不当、填筑方法不合理、压实度缺乏、在路堤内部形成过湿的夹层等因素，在荷载和水温综合作用之下，引起路基较大的变形。引起沉陷或向两侧挤出而造成的。2. 边坡滑塌1)溜方：少量土体沿土质边坡向下移动，常指边坡上外表薄层土体下溜。主要是由于水流冲刷边坡或施工不当而引起的。2)滑坡：一局部土体在重力作用下沿某一滑动面滑动。由于土体稳定性缺乏引起。原因 路堤：边坡坡度过陡，50°60°以上；边坡坡脚被冲刷淘空；或填土层次安排不当。路堑：边坡高度、坡度与岩层性质不适应。粘土层和蓄水砂石层交替分层蕴藏，特别是有倾向于路堑方向的斜

22、坡层理存在时，就容易造成滑动。3. 碎落、崩塌剥落和碎落：表层岩石从坡面上剥落下来，向下滚落。崩塌：大块岩石脱离坡面沿边坡滚落。原因：温湿交替作用；雨水冲刷；动力作用4. 路基整体滑动在自然坡度较陡的山坡填筑路基，假设路基底部被水浸湿，形成滑动面，坡脚又未进展必要的支撑，在路基自重和行车荷载作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动，路基整体失去稳定。二、原因分析 外因：水是路基的大敌，它能增大自重，减小粘聚力、内摩擦角，起润滑作用。 内因：岩石、土的性质三、防治合理设计施工；好的填料；加固、挡墙；防水排水§2-6路面材料的力学强度特性按照不同的形态及成型性质，路面材料大致可分为三类：(

23、1) 松散颗粒型材料及块料；(2) 沥青结合料类；(3) 无机结合料类。由于材料的根本性质和成型方式不同，各种路面构造层表现出不同的力学强度特性。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命有重大影响。因此，深刻理解路面材料的力学强度特性将有助于正确判别路面各种病害的真实成因，同时有助于正确理解路面设计方法根本原理。一、抗剪强度1、 路面构造剪切破坏的形式松散粒料：内部剪应力过大，导致面层、基层整体构造剪切破坏沥青结合料类：高温下受水平推力，产生过大的剪应力，面层推移、波浪等2、抗剪强度的组成由摩尔强度理论有：材料中的不破坏；否那么破坏3、抗剪强度参数

24、及的测定方法按照摩尔强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力内摩阻力和粘结力粘聚力两局部。两项参数可以通过直接剪切试验或三轴压缩试验获得。4、影响因素 沥青：粘度，；含量适中，；含量， 集料：级配良好，；富有棱角，；温度，粘度，二、抗拉强度1、 沥青结合料类、无机结合料类温度，湿度温缩、干缩受阻时产生拉应力 假设拉应力 材料抗拉强度，拉断。抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。2、沥青结合料类抗拉强度试验直接拉伸试验：圆柱形试件，两端受拉，绘制应力-应变曲线，曲线中的最大应力为抗拉强度。见p50图2-28。间接拉伸劈裂试验：圆柱形试件，一般D=10cm，H=20cm。见p51图2-29。 沿直

25、径方向加荷直到沿竖向直径的方向拉裂 影响因素：温度；沥青性质、含量；集料三、抗弯拉强度1、 沥青结合料、无机结合料构造层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。当车轮荷载引起的层底弯拉应力材料的抗弯拉强度时，将导致路面构造层产生弯曲断裂。 2、试验：室内用梁式试件在简支受力情况下测定，即简支小梁、三分点加载。试件高和宽不小于矿料最大粒径的四倍，跨径为高的三倍。水泥砼、粗粒式沥青混合料：15×15×55cm，跨径45cm支点跨度中粒式、细粒式沥青混合料：10×10×40cm，跨径30cm砂质沥青混合料：5×5×24cm，跨径15cm四、

26、应力-应变特性1、松散粒料碎、砾石材料：无法由成型试件直接测定用于基层和底基层的无结合料碎、砾石材料，其应力-应变特性具有明显的非线性特征，与路基土的应力-应变关系非常相似。 三轴压缩试验：绘出应力-应变曲线，非线性 由大量试验数据统计回归得回弹模量： 取值100700MPa 式中，K1=7.015.7，K2=0.460.64 影响因素：密实度越高，模量值越大；颗粒棱角多，模量高；细料含量不多时，含水量的影响很小。2、 无机结合料类采用规那么试件进展测定 水泥混凝土： 抗压强度、抗压弹性模量 直角棱柱体试件 单轴试验先测抗压强度，后施40%抗压强度测定抗压回弹模量 无机结合料：早期强度低，后期

27、强度高； 早期不宜用单轴试验测抗压回弹模量 三轴压缩试验最理想：绘制曲线，非线性；当，近似看作线性的，按回弹应变确定的抗压回弹模量近似为常数 室内承载板法不具备三轴试验条件：测早期抗压回弹模量； 圆柱形试件D×h=150×150mm，荷载板D=37.4mm，分级加载，记录各自的沉降量水泥混凝土、无机结合料：测抗折弹性模量即抗弯拉弹性模量 小梁试件、三分点加载；取抗弯拉强度的50%测抗折弹性模量3、 沥青混合料 沥青混合料载在荷载作用下的应力-应变关系具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。 三轴压缩试验：在不变时，得出关系曲线，见p53图2-31。较小，t很短：弹性兼有粘弹性

28、性质较大，t很长：弹性粘弹性塑性变形 表征特性的指标 劲度模量 等效互换性：T对影响与t对的影响等效的测定：单轴试验、三轴试验、小梁试验；试验时除了记录各级荷载和相应的变形之外，还要记录加载时间和试验温度。 沥青的劲度：查范德普诺莫图。§2-7路面材料的累积变形与疲劳特性路面构造在荷载重复作用下引起的破坏极限状态：第一类：弹塑性工作状态，在重复荷载作用下，产生塑性变形累积，超出一定限度后，使用功能下降至容许限度以下，出现破坏极限状态。第二类：弹性工作状态，在荷载作用下，首先出现微量损伤，微量损伤导致应力集中，在重复荷载作用下，微量损伤不断开展、累积，最终导致路面构造发生疲劳断裂，出现破坏极限状态。二者的共同点是破坏极限的发生不仅同荷载大小有关系，而且同荷载作用次数有关。 弹塑性状态：高温沥青路面、以粘土为结合料的碎砾石路面 弹性状态： 低温沥青路面、水泥混凝土、无机结合料半刚性基层一、累积变形沉陷、车辙 1、碎砾石混合料 疲劳试验：三轴压缩试验 试验结果：级配良好 低，塑性变形随作用次数而，逐渐趋向稳定 次数104，到达平衡，此时应变与有关大，塑性变形随作用次数而，直至破坏 级配不良：作用很屡次，塑性变形仍。含细料过多的混合料，变形累积过大，不宜修筑路面 2、沥青混合料 疲劳试验：三轴压缩试验、单轴压缩试验 试验结果：见图 温度T不变：塑随N而，实