第六章行车荷载

1、第六章 交通荷载及路面设计参数本章摘要本章主要介绍交通荷载的类型、荷载对路面的作用特点和轴载换算原则与方法，以及路面结构层不同材料（沥青混合料、无机结合料稳定材料、水泥混凝土材料和级配碎石）的模量、强度和疲劳参数的测定方法。目录Content6.1交通荷载及其对路面的作用6.2标准轴载及轴载换算6.3路面材料设计参数路面结构及其分类 路面结构及其分类u 2、我国常用的高速公路沥青路面的结构u 3、水泥混凝土路面u 4、路面的结构层次与材料要求u 5、路面的分类u 1、沥青路面 柔性基层沥青路面(Asphalt pavement with flexible base) 半刚性基层沥青路面(Asp

2、halt pavement with semi-rigid base) 刚性基层沥青路面(Asphalt pavement with rigid base) 全厚式沥青路面(Full Depth asphalt pavement)1、沥青路面(Asphalt Pavement) 高速公路沥青路面结构2、我国常用的高速公路沥青路面的结构3、水泥混凝土路面 普通混凝土（JPCPJPCP） 钢筋混凝土（JRCPJRCP） 连续配筋混凝土（CRCPCRCP） 钢纤维混凝土 预应力混凝土、装配式混凝土、碾压混凝土4、路面的结构层次与材料要求由于行车荷载、自然因素等对路面的影响随深度的增加而逐渐减弱，路面

3、的强度、抗变形能力和稳定性也应随深度而逐渐降低要求，因此，路面的结构应分层铺筑，分为若干层次结构，并按各结构层次的特定状况进行相应的材料要求。4、路面的结构层次与材料要求路面结构按照使用要求、受力状况、土基支承条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次，通常按照各个层位功能的不同划分为面层、基层和路基三个层次，其中基层包括底基层在内。4、路面的结构层次与材料要求面层： 直接同行车荷载、大气接触，承受较大的行车荷载作用（包括冲击），同时受到降水、气温等的影响。特点：与其它层次相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应耐磨、不透水、抗滑、平整（另外还应能适应基层开裂

4、对其影响）。材料的使用应能适应此功能要求。材料：水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石、泥灰结石、块料等材料。4、路面的结构层次与材料要求基层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的垫层及土基，是路面结构的主要承重层（对于沥青路面）或重要功能层（对于水泥砼路面）。特点：它应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能被面层渗入雨水浸湿或地下水影响，也可受温度影响变形，因此仍应具有足够的水温稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。材料：材料主要有各种结合料稳定土或稳定碎石、贫水泥砼、天然砂砾、碎石/ /块石/ /片石/ /砾石、工业废

5、渣结合混合料等。当用不同材料修筑基层时，最下层的统一材料层称为底基层，它可就近使用当地的材料或土。4、路面的结构层次与材料要求路基垫层：垫层介于基层和土基之间，它可改善土基的湿度和温度状况、使面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态；同时，也可扩散基层传递的荷载应力，减小土基的应力与变形，并可阻止路基土挤入基层。一般垫层修于特定状况道路工程结构中，如防砂土基础挤入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。材料：材料主要有松散粒料类透水层或稳定土等稳定隔离层。4、路面的结构层次与材料要求路面类型可从不同角度来进行划分，一般常按照面层所用的材料来进行区分，如水泥混凝土路面、沥青

6、路面、砂石路面等等。但在工程设计中，则主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。5、路面的分类柔性路面总体结构刚度较小，荷载作用下的弯沉变形较大，抗弯拉强度较低，传递给土基的单位压力也较大，它主要包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构，其强度高、弹性模量高、处于板体工作状态，传递给基础的单位压力小。半刚性路面通过改善沥青混凝土性能使其呈半刚性特性，其刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。5、路面的分类 交通荷载及其对路面的作用6.1u 2、车辆的种类与

7、作用特点u 3、轴轮组与轴重u 4、轮压与压圆u 5、运动车辆对道路的动态影响u 1、行车荷载及其对路面的影响 汽车荷载既是路基路面的服务对象，又是造成路基路面结构损伤的主要原因； 它是不断移动着的、具有振动和冲击影响的动荷载； 汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重的大小与特性、车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静态与动态荷载的特性比较等不同方面。1、行车荷载及其对路面的影响 道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。 客车又分为小客车、中客车与大客车； 货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。 汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结

8、构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。2、车辆的种类与作用特点轴载轴型分布 单轴单轮 单轴双轮 双轴单轮 双轴双轮 多轴多轮2、车辆的种类与作用特点汽车的轴型2、车辆的种类与作用特点汽车的轴型简化图2、车辆的种类与作用特点 整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为P/3），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种，大部分轴重在100KN以下，一般都在60130KN范围以内。3、轴轮组与轴重 轮胎对路面的静态压力大小与胎内压相接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。 汽车的轮压与压圆4、轮压与压

9、圆 荷载圆半径和直径 对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下： a)双圆荷载的当量圆半径：b)单圆荷载的当量圆直径D：4、轮压与压圆 道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。5、运动车辆对道路的动态影响 1）水平力：行车安全要求qmax p ，其中为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。 2）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 3）瞬时作用及重复：路面点的车

10、轮作用时间约为0.010.10s，结构变形来不及呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲劳。5、运动车辆对道路的动态影响 路表与车轮的附着系数5、运动车辆对道路的动态影响1）交通调查与重复荷载交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱：分析主要是确定交通量年平均增长率，并来算获得设计年限内累计交通量、对路面而言，主要是轴重。轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其他轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。2）轮迹横向分布总轴载作用按一定规律分布于车道横断

11、面的现象称为轮迹横向分布，车道综合累计需考虑。6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析4）车辆荷载的轮迹横向分布 标准轴载与轴载换算6.2u 2、超载与超限u 3、交通荷载轴载换算和统计计算u 4、标准轴载作用次数的调查与分析u 5、交通荷载分级u 1、标准轴载 作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定原则换算成标准轴载。 标准轴载 根据实际选定的一种代表车型，中国为单轴双轮，称为BZZ-100，轴重100kN。 标准轴载要求 对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。1、标准轴载Stan

12、dard Axle Load 超载是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。 超限是指被运输的设备、构件或货物，其外形尺寸、高度、重量、长度超过了交通部门所规定的范围，指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。 超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。2、超载与超限over load and over limit轴载换算的基本原则：等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）；等厚度原则：用不同标准轴载

13、设计的路面结构厚度相同。 轴载换算系数公式：3、轴载换算 沥青路面轴载换算公式：3、轴载换算 沥青路面轴载换算公式：3、轴载换算 水泥混凝土路面轴载换算公式：3、轴载换算初始年平均日交通量N1设计年限内累计交通量设计年限内一个车道内的累计标准轴载作用次数：3、累计轴载作用次数 1）调查方法路面设计的交通量调查与道路可行性研究中的交通量调查方法完全不同，后者主要关心通过某一横断面的交通数量，而前者不仅关心交通数量，还重视各类车型的轴载质量。车辆轴载称量的方法：地磅静态称重设备、人工千斤顶称量、桥涵感应式车辆称重设备WIM(weigh in motion)技术4、标准轴载作用次数的调查与分析 2）

14、交通量增长率路基设计使用年限内标准轴载的累计作用次数与交通量的增长率有关。4、标准轴载作用次数的调查与分析111ttNN也可通过数值解法获得t年内的平均增长率：111ttiiNN 1）沥青路面的交通荷载等级分为四级5、交通荷载等级 2）水泥混凝土路面的交通荷载等级分为五级5、交通荷载等级 路面材料设计参数6.3u 2、沥青混合料u 3、水泥混凝土材料u 4、级配碎石u 1、无机结合料稳定材料 路面材料主要包括模量和泊松比。路面设计时，某一材料的泊松比为定值 路面材料的模量值是表征材料刚度特性的指标，模量包括形变模量和回弹模量，形变模量中的变形包括回弹变形和塑性变形，而回弹模量中的变形仅考虑材料

15、的回弹变形。 根据加载形式的不同，材料回弹模量又可分为静态模量和动态模量。概述1.路面材料的几种强度1）主要材料类型松散颗粒型材料granular沥青结合类材料asphalt mixture无机结合料类材料inorganic binding material水泥混凝土材料cement concrete由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。概述1.路面材料的几种强度2）抗剪强度shear strength摩尔库仑强度理论： 其中c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，可以通过直

16、剪试验或三轴压缩试验测定。概述tanc三轴试验确定c,1.路面材料的几种强度3）抗压强度compressive strength指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。概述1.路面材料的几种强度4）抗拉强度tensile strength 气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化使得半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即在材料内产生拉应力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。 路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。概述1.路面材料的几种强度5）抗弯拉强度flexibl

17、e strength路面材料的实际工作状态是弯曲反复变化的，结构层底首先容易出现局部拉裂、产生弯曲断裂。材料的抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行测定。概述2.路面材料的强度试验1）抗压强度试验一般有大试件、中试件和小试件。小试件指50mm *5 0mm；中试件指 100mm *100mm；大试件指 150 m m* 1 50mm概述2.路面材料的强度试验2）抗拉强度试验直接拉伸试验和间接拉伸试验概述直接拉伸试验间接拉伸试验1-上盖帽；2-变形传感器；3-金属箍；4-下盖帽；5-试件1-压条；2-试件2.路面材料的强度试验3）抗拉强度试验弯拉试验概述抗弯拉强度试验无机结合料稳定材料的无侧限抗

18、压强度试验按照预定干密度和压实度用静力压实法制备试件，试件高：直径1：1的圆柱体，养生时间为7天（整个养生期间的温度，在北方地区应保持202，在南方地区应保持252，养生期的最后一天，将试件浸泡在水中，水面高出试件约2.5cm），侧向没有围压时的单轴抗压强度。试验计算公式（6-18）平行试验的数量：细粒土6个试件，中粒土9个试件，粗粒土13个试件无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的无侧限抗压回弹模量试验 在养生期的最后一天首先将圆柱形试件的两个端面用水泥浆彻底抹平。然后将试件直立桌上，在表面撒少量0.25-0.5mm的细砂，将直径大于试件的平面圆形钢板放在顶面，加压旋转圆钢板，使顶面齐平。最

19、后将端面已经处理平整的试件浸水一昼夜进行养生。 加载：加载板上的计算单位压力的选定值：对于无机结合料稳定基层材料，用0.5-0.7MPa；对于无机结合料稳定底基层材料,用0.20.4MPa，实际加载的最大单位压力应略大于选定值。无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的劈裂强度试验（间接抗拉强度） 试件的制作与无限抗压强度试验的试件制作相同，只是在试验时在侧向测定试件的最大劈裂强度，计算得到无机结合料稳定材料的劈裂强度。 侧向加压时试件上下端各放置一个压条（上下压条与试件的接触线必须位于试件直径的两端，并与升降台垂直）。压条采用半径与试件半径相同的弧面压条，其长度应大于试件的高度。（表6-13）

20、形变速率1mm/min，计算公式6-20无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的劈裂模量试验 试件成型和加载的要求与无侧限抗压回弹模量试验相同. 要求在加载过程中，每到一定荷载，就读记一次形变，在试件破坏前应能记录67次荷载和相应形变。然后将试件压至破坏，读记破坏时的荷载和形变。并绘制单位压力与形变的关系曲线。无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料疲劳强度的试验 无机结合料稳定材料的疲劳寿命是通过梁的疲劳试验确定其疲劳性能。 试验采用三分点施加正弦波动态周期荷载进行疲劳试验无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数无机结合料稳定材料无机结合料稳定材

21、料的设计参数无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料抗压模量和劈裂强度参数无机结合料稳定材料抗压模量和劈裂强度参数沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量 沥青混合料的弯沉计算时抗压回弹模量的试验温度为20、弯拉验算时抗压回弹模量的试验温度为15、劈裂强度的试验温度也为15。 试验采用圆柱体试件，其直径为100mm，高为100mm，试验加载的速率为2mm/min。试件成型采用静压法、轮碾法、搓揉法和旋转压实成型法，试件的密度应符合马歇尔标准击实密度100，用于抗压强度试验的试件个数不得少于3个，用于抗压回弹试验的试件个数不得少于6个。抗压强度要求以2mm/min的加载速率均匀加载直至破坏，由破坏荷载P和

22、圆柱体试件的面积参数计算得出试件的抗压强度（MPa）。沥青混合料沥青混凝土的劈裂试验 此既可以为沥青路面设计提供设计参数，也可以评价沥青混凝土的低温特性。当用于评价沥青混凝土的低温特性时的试验温度为-10（试验加载速率为1mm/min）。 我国沥青混凝土路面的设计参试采用静参数，采用的试验温度为15、试验加载速率为50mm/min，计算时相应的泊松比采用0.30。沥青混合料沥青混凝土的劈裂试验 试件马歇尔击实成型的方法、轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件。采用马歇尔击实成型的试件的尺寸要求为直径101.6mm，高为63.5mm；轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件的尺寸要求为直径100m

23、m或150mm，高为40mm。沥青混合料沥青混凝土材料的设计参数-模量参数建议值沥青混合料水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模量水泥混凝土抗折强度试件为直角棱柱体小梁，标准试件尺寸为150mm*150mm*550mm，在标准条件下，经养护28d后，按三分点处双点加载(如图6-10)测定其抗折强度(fcf) 和抗折弹性模量。水泥混凝土材料 水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模量参数值水泥混凝土材料 路面材料的累积变形与疲劳破坏 1）路面材料处于弹塑性工作状态：重复荷载作用引起塑形变形累积，当累积变形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允许限度以下，从而出现破坏极限状态（此为使用极限状态）

24、 2）路面材料处于弹性工作状态：重复荷载作用虽不产生塑性变形，但结构内产生微裂缝，当微量损伤累积到一定限度时即致使路面材料出现疲劳断裂，达到破坏极限状态（即结构承载疲劳极限状态）（*这种重复荷载的大小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）1、路面结构破坏的极限状态 水泥混凝土：处于弹性工作状态，呈现疲劳破坏。 沥青混合料：低温环境中基本处于弹性工作状态，出现疲劳破坏；高温环境处于弹塑性工作状态，出现累积变形；温度在上述范围内变化时则兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。 无机结合料稳定材料：低龄期时处于低塑性的弹塑性状态，其后基本处于弹性工作状态，因此使用过程中主要为疲劳破坏极限状态。 碎（砾）

25、石：属于松散类材料，具有移动变形，可引起结构塑性变形累积，但在其上有结合料类材料时可因支撑不足引起其上材料的疲劳破坏。 土（碎石土）：细粒土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性工作状态，塑性变形累积是主要极限状态形式。2、路面材料在重复载下破坏类型 疲劳：路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破坏应力值低的材料破坏，这种材料强度降低的现象称为疲劳。 疲劳破坏：材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤，在重复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为疲劳破坏。 疲劳强度：承受规定重复荷载作用所对应的应力（应变）值称为疲劳强度。3、疲劳概念 疲劳极限：重复作用次数随重复应力（应

26、变）值的减少而随增加，当重复应力（应变）值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力（应变）值即称为疲劳极限。 疲劳寿命：材料从开始加载到破坏所对应的重复荷载作用次数称为疲劳寿命。 疲劳曲线：将重复弯拉应力（应变）r（r ）与一次加载破坏的极限弯拉应力（应变）的比值(称为应力比或应变比)作为纵坐标，绘制出 r/ f或r/f与重复作用次数Nf的关系曲线，即称为疲劳曲线。3、疲劳概念 通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘出不同应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，从而得到疲劳曲线，并可回归出疲劳方程： 水泥混凝土材料，Nf=107时应力比 r/ f =0.50，此时不出现疲劳破坏。 无

27、机结合料稳定材料的疲劳极限明显低于水泥混凝土。4、无机结合料处置的混合料及水泥混凝土的疲劳特性 沥青混凝土材料疲劳试验有控制应力与控制应变两种试验方法； 厚沥青路面宜采用控制应力的方法； 薄沥青路面宜采用控制应变的方法； 一般路面厚度可采取其中一种方法。 目前一般建议采用控制应变的方法。5、沥青混合料的疲劳特性 不同车型荷载作用下的材料，其所出现的疲劳损伤可以进行线性叠加，某一级荷载对材料疲劳寿命的影响可表示为ni/(Nf)i 材料的综合损伤为各级荷载重复作用消耗的材料疲劳寿命的总和，即：6、Miner定律 1、简述路面基层的功能与作用及对其材料的技术要求。 2、何谓底基层？为何对底基层材料要求可较基层低？ 3、何谓垫层？其主要功能？通常在什么场合下需设置垫层？用作垫层的材料有何特点？列举两种垫层材料。 4、为何基层材料的耐磨性可不予重视？基层施工中也应保证有平整的表面，有此要求的必要性何在？ 5、何谓累