荷载 环境 力学特性

1、第九章 行车荷载 环境因素和力学参数9.1 行车荷载行车荷载9.2 环境因素环境因素9.3 路面材料的力学特性路面材料的力学特性9.1 行车荷载行车荷载 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；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；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、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、以及汽车静车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静态与动

2、态荷载的特性比较等不同方面。态与动态荷载的特性比较等不同方面。2、车辆的种类与作用特点道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。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；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。货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。路面结构设计以轴重或者轮压来进行控制。路面结构设计以轴重或者轮压来进行控制。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 汽车的轴型图图2-1 2-1 不同轴型的货车示意图不同轴型的货车示意图3、轴轮组与轴重 整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两整车分前

3、轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为个单轮组成的单轴（轴载约为P/3P/3），极少数），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2P/2）。大）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种，大部分轴重在三轴等三种，大部分轴重在100KN100KN以下，一般以下，一般都在都在6060130KN130KN范围以内。范围以内。图图2-2 车轮荷载计算图式车轮荷载计算图式a)单圆图式；单圆图式；b)双圆图式双圆图式PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面路面路面a)b)4、轮压与压圆轮胎对路面的静态

4、轮胎对路面的静态压力大小与胎内压压力大小与胎内压相接近，压面近似相接近，压面近似为椭圆，为方便计为椭圆，为方便计算分析，简化为圆算分析，简化为圆形均布。半径形均布。半径D或或d由由p、P来计算，来计算，p可可近似取轮胎气压。近似取轮胎气压。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：82PDdppP 道路上行驶的汽车除给路面施加道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力垂直静压力外，还施加外，还施加水平力水平力和和振动力振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬瞬时性和重复性时性和

5、重复性。图图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；停驻；b)启动、一般行驶、加速；启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；减速、制动；d)转向转向PPPPVQQa)b)c)d)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。（城市沥青路面设计考虑水平力影响、公路沥青路面和水泥路面设计不计水平力影响）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。（沥青路面设

6、计直接使用静载忽略动载影响，水泥路面设计引用动载修正系数）3）瞬时作用及重复： 路面点的车轮作用时间约为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。 作用在路面的设计荷载千变万化，为考虑累积疲劳影响，多数国家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。6、标准轴载我国BZZ-60到BZZ-100的发展,世界各国的标准轴载国家中国美国加拿大欧洲各国轴重单轴108.2-10.05.5（前轴），9.19-13双轴10（单轮）,18（双轮）14.5-

7、18.11716-22三轴12（单轮）,22（双轮）202420-36车辆总重4033-7423.7（三轴）,31.6（三轴）,39.5（四轴），46.5（五轴）,53.5（六轴）35-50道路上行驶车辆的轴重和车辆总重最大容许值（道路上行驶车辆的轴重和车辆总重最大容许值（10KN） 1 1）交通调查与重复荷载）交通调查与重复荷载 交通量调查与分析：交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴轮调查内容包括交通总量、车型分布、轴轮型分布、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通型分布、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，并求算获得设计年限（基准期）内累计

8、交通量年平均增长率，并求算获得设计年限（基准期）内累计交通量。对路面而言，主要是量。对路面而言，主要是轴重轴重。 7、交通荷载轴载换算和统计计算交通量交通量:一定时间间隔内通过道路某一断面的车辆总数。平均日交通量平均日交通量:每昼夜通过道路某一横断面的车辆总数。交通量观测方法交通量观测方法:1）直接记录不同类型车辆的通行次数；2）轴载谱调查。当年平均日交通量当年平均日交通量设计年限（基准期）设计年限（基准期）增长率增长率设计年限内设计年限内累计交通量（分车型）累计交通量（分车型）11n3651TN累计2.2.轴载组成与轴载换算轴载组成与轴载换算 轴载谱：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱：

9、不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱轴载谱，各不，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它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。合累计。单轴单单轴单轮轮单轴双单轴双轮轮双双轴轴三三轴轴轴载谱的使用：.AASHTO力学经验设计指南的三等级.轴载谱类型：基于全样本的轴载谱；基于轴型和轴数分类的轴载谱（整车分为2、3轴，挂车分为3、4、5、6及6以上，东南大学分类）.我国目前的轴载谱问题（沥青路面、水泥路面）图图2-7 轮迹横向分布频率曲线轮迹横向分布频率曲线（单向

10、行驶一个车道）（单向行驶一个车道）图图2-8 轮迹横向分布频率曲线轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）（混合行驶双车道） 2 2）轮迹横向分布：）轮迹横向分布：总轴载作用按一定规律分布于车道总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象称为横断面的现象称为，车道综合累计需考虑。，车道综合累计需考虑。轮迹横向分布系数：一定宽度条带内车辆累积作用频率轮迹横向分布系数：一定宽度条带内车辆累积作用频率沥青路面设计沥青路面设计:车道系数不同情况车道的横向分布系数与单车道的横向分布系数之比（取最高作用频率点）。水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面设计:横向分布系数3 3）轴载的换算）轴载的换算轴载换算的基本原则

11、：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）（Miner定理）；等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。3 3）轴载换算系数公式：）轴载换算系数公式：( )nsiiisNPNP4）沥青路面轴载换算系数公式9.89.89.99.99.109.109.119.11 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交通量11365(1)1365(1)1(1)tettetNNNN36511365iiNN6）累计轴载作用次数9.12交通等级交通等级BZZ-100KN累计标准轴次Ne(万次/车道)大客车及中型以上的各种货车（辆次/日

12、/车道）A级特轻交通100300B级轻交通100400300750C级中等交通40012007501500D级重交通1200250015003000E级特重交通25003000我国沥青路面交通等级 7）我国水泥土路面与沥青路面轴载换算的区别 换算公式区别 引用轴载谱区别 轴载谱中包含车型区别 轮迹横向分布区别 设计基准期设计年限区别 温度温度 湿度湿度图图2-9 温度对沥青混凝土动弹性模量的影响温度对沥青混凝土动弹性模量的影响图图2-10 湿度对路基刚度的影响湿度对路基刚度的影响含水量含水量(%)重复应力重复应力28kPa80020103040120回弹模量（回弹模量（MPa）-20-100

13、10203040温温度度（）动动弹弹性性模模量量（MPa）1 1、温度湿度对道路的影响概述、温度湿度对道路的影响概述9.2 环境因素对道路的影响环境因素对道路的影响 温度造成路基体的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀（在结构设计中考虑）（在结构设计中考虑）温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割（在结构设计中考虑）（在结构设计中考虑） 温度造成沥青路面的塑性变形累积及低温开裂 （在材料设计中考虑）（在材料设计中考虑）2 2、温度对道路的影响、温度对道路的影响图图2-11 沥青面层温度沥青面层温度日变化日变化曲线曲线表面下表面下2cm2cm7cm7cm15cm15cm气温气温时刻（时刻（h h）4 4

14、6 68 81010121214141616181820202222242410102020303040405050温度（温度（）图图2-15 沥青面层沥青面层月平均温度月平均温度的年变化曲线的年变化曲线1234567891011121103040020表面下表面下2cm2cm7cm7cm30cm30cm气温气温月份月份温度（温度（）图图2-12 水泥混凝土面层温度水泥混凝土面层温度日变化日变化曲线曲线810121416182022242468232629323520气温气温表面下表面下1.5cm5cm11cm16cm时刻（时刻（h h）温度（温度（）图图2-13 一天内不同时刻一天内不同时刻

15、沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线23273135394101052015温度（温度（）深度（深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00图图2-14 水泥混凝土面层水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化温度梯度与气温的日变化曲线曲线0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2气温气温温度梯度温度梯度面层厚面层厚22cm时刻（时刻（h）温度（温度（）梯度（梯度（cm）温度的预估 1）统计法埋设测温元件，连续观测，回归统计 不能包含所有因素，精确度有限，各地区不同 2）理论法 应用热传

16、导理论方程式，推演出各项气象资料和路面材料的热物理特性参数组成的温度预估方程式。 参数确定难度大，理论假设理想化，预估与实测有差距湿度对路基的影响：湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基的干湿类型（在结构设计中考虑）湿度对路面的影响：水分积蓄于路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性（在结构设计和材料设计中考虑） 3 3、湿度对道路的影响、湿度对道路的影响l 1）主要材料类型）主要材料类型松散颗粒型材料及块料松散颗粒型材料及块料 granular, block沥青结合类材料沥青结合类材料 asphalt binder无机结合料类材料无机结

17、合料类材料 inorganic binding material水泥混凝土材料水泥混凝土材料 cement concrete 9.3 路面结构设计参数路面结构设计参数1、路面材料的几种强度、路面材料的几种强度 摩尔库仑强度理论： =c+ tg 其中c是材料的粘结力（kpa），是材料内摩阻角，对于土，可以通过直剪试验得到；对于松散粒料无法做直接剪切试验，可用三轴压缩试验测定。图图2-27 2-27 三轴试验确定三轴试验确定c.c.c 2）抗剪强度）抗剪强度 指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力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的极限应力。材料经过标准成

18、型和养生后通过过无侧限抗压试验无侧限抗压试验测定的强度。测定的强度。 一般有大试件、中试件和小试件。一般有大试件、中试件和小试件。 小试件小试件指指50mm *5 0mm； 中试件中试件指指 100mm *100mm； 大试件大试件指指 150 m m* 1 50mm。 3）抗压强度）抗压强度气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产生半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即生半刚性材料干缩，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；引起路面结构拉伸断裂；路面材料的抗拉强度主要

19、由混合料中的结合料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，可采用粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。测定材料的抗拉强度。4）抗拉强度）抗拉强度图图2-28 2-28 直接拉伸试验直接拉伸试验1-1-上盖帽；上盖帽；2-2-变形传感器；变形传感器；3-3-金属箍；金属箍；4-4-下盖帽；下盖帽；5-5-试件试件图图2-29 2-29 间接拉伸试验间接拉伸试验1-1-压条；压条；2-2-试件试件pp11232154 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或

20、中点加载进行测定。5）抗弯拉强度）抗弯拉强度 LPhl/3l/321345l1l0图图2-30 2-30 小梁试验加载图式小梁试验加载图式( (1-1-试验梁；试验梁；2-2-承压板；承压板；3-3-支点；支点；4-4-顶杆；顶杆；5-5-千分表千分表) )9.4 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏疲劳特性疲劳特性疲劳极限、疲劳寿命、疲劳曲线疲劳极限、疲劳寿命、疲劳曲线 疲劳极限 容许重复作用次数随重复应力（应变）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

21、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。疲劳极限1 1、疲劳破坏、疲劳破坏路面材料处于弹性工作状态：重复荷载作用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，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当微量损伤累积到一定限度时即致使路面材料出现料出现疲劳断裂疲劳断裂，达到破坏极限状态（即，达到破坏极限状态（即结结构承载疲劳极限状态构承载疲劳极限状态）（）（*这种重复荷载的大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小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）路面材料处于弹塑性工作状态：重复荷载作用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