路基路面工程-行车荷载温度环境及材料力学性质

1第二章

行车荷载、环境因素、材料力学性质第1页，共52页。2

路面设计中，以轴重作为荷载标准，重型货车与大客车起决定作用。评定路面表面特征时，如路面的平整度、防滑性，应考虑小客车的安全性和可靠性。第一节行车荷载（vehicle-load）第2页，共52页。3一、车辆的种类（vehicletypes)(bus)客车

小客车车速高，自重和满载重量小,120km/h以上

中客车6~20个座位

大客车20个座位以上，长途客运和城市公共交通货车(truck)

整车货箱与汽车发动机一体。

牵引式挂车牵引车与挂车分离牵引式半挂车牵引车与挂车分离，铰接。第3页，共52页。4轴重是路面设计的关键。整车客货车：1、前轴：两个单轮组成的单轴占约1/3。极少数为双轴单轮。约占1/2。

2、后轴：有单轴、双轴、三轴类型。大部分为双轴双轮。

据国际道路联合会1989年公布的统计数据，在141个成员国和地区中，轴限最大的为140KN，近40%执行100KN轴限，我国公路与城市道路路面设计规范中均以100KN作为设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为100KN。二、汽车的轴型、轴载。第4页，共52页。5三、汽车对道路的静力作用。

1、定义：静止状态的汽车对道路的作用，称为静力作用，其大小主要取决于车轮总重。

2、影响因素：

1）汽车轮胎的内压力。

2）轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状。

3）轮载的大小。

3、半径：轮胎与路面的接触形状近似于椭圆，且a、b差别不大。路面设计中，以圆形表示。第5页，共52页。6双轮组车轴：每一侧双轮用一个圆表示，称为单圆荷载。每一侧双轮用两个圆表示，称为双圆荷载。双圆当量圆直径单圆当量圆直径P—作用在车轮上的荷载,KN；p—轮胎接触压力,kPa;δ-接触面当量圆半径,m.第6页，共52页。标准轴载设计参考：标准轴载：BZZ-100双轮组单轴载。标准轴载P（KN）100/4轮胎接地压强p(MPa)0.70单轮传压面当量圆直径d21.30cm两轮当量圆直径D1.5d(30.2)第7页，共52页。8四、运动车辆对道路的动力作用。因为路面不平整车身震动，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，轮载成动态波动。当行驶车辆启动、加速、匀速、减速、转向时，受力不同第8页，共52页。运动车辆对路面有着垂直压力、水平力、振动力。水平力：易使路面产生波浪、拥包、推挤等损坏，要求面层材料有足够的抗裂强度。路面与车轮的附着系数：与车轮的垂直压力P综合作用，决定车轮施加于路面上的水平力。P32振动力：轮载的变异系数：车辆行驶过程中，轮载的波动程度，与行车速度、路面平整度、车辆振动特性相关。振动轮载冲击系数：振动轮载最大峰值与静载之比。行车荷载的重复作用：弹性材料：疲劳性质。弹塑性材料：变形累积。第9页，共52页。10五、交通分析：1、交通量：一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。对于路面结构设计，不仅要求收集交通总量，还必须区分不同的车型。①N1——初始年平均日交通量；Ni——每日实际交通量；②r——交通量年均增长率（表2-3）；③Ne——设计年限内累积交通量第10页，共52页。112、轴载的组成与等效换算：标准：双轮组单轴载100KN作为标准轴载。

等效原则换算：某一种路面结构在不同荷载作用下达到相同的损坏程度为根据的。新规范修订：

1）近年交通量增长很快，重车增长多，货车超载现象严重，应考虑重车对路面的影响。

2）由于新修路面广泛采用半刚性基层结构，承载力提高，轻型车对路面的疲劳损伤减小。本次修订取消了60KN的标准，统一采用100KN的标准。第11页，共52页。121)当以设计弯沉作为指标及沥青层层底拉应力验算时。凡轴载大于25KN的各级轴载（包括车辆的前、后车辆）p1的作用次数n1，用下面的公式换算成标准荷载p的轴载当量作用次数式中：N——标准轴载的当量轴次，次/日；

ni——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；

P——标准轴载，KN；

Pi——被换算车辆的各级轴载，KN；

k——被换算车辆的类型数；

C1——轴载系数，C1=1+1.2（m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，应考虑轴载系数。

C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。第12页，共52页。132)当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载换算。

C’1——轴载系数，C1=1+2（m-1),m是轴数。C’2—轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1.0，四轮组为0.093、轮迹横向分布：

1）车辆在道路上行驶时候，车轮的轮迹总是在横断面中心线附近一定范围内左右摇摆，并按一定的频率分布在车道横断面上，称为车轮的横向分布。

2）轮迹横向分布频率曲线影响因素：交通量、交通组成、车辆高度、交通管制。第13页，共52页。14

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。由图2-7可见，对于单向行车的一个车道上，由于行车的渠化，频率曲线出现二个峰值，达到30%左右，而车道边缘处频率很低。由图2-8可见，混合行驶的双车道，车辆集中在双车道中央，频率曲线出现一个峰值，约为30%左右，两侧边缘频率很低。第14页，共52页。15

在路面结构设计中，用横向分布系数η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。第15页，共52页。16

第二节环境因素的影响

直接暴露于大气中，受温度、湿度影响大温度湿度变化→温度应力湿度应力变化→体积变化→胀缩应力→破坏第16页，共52页。17沥青面层日温度变化曲线大于气温

水泥混凝土面层温度日变化第17页，共52页。18一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化第18页，共52页。19一、路面结构内温度变化可通过外部和内部影响因素之间联系来预估。

方法1：统计方法路面结构层不同深处埋设测温元件连续观测，收集当地气象资料（气温、辐射热），对记录的路面温度和气象因素进行逐年回归分析。Tmax—路面某一深度处的最高温度，℃；

Ta.max—相应的日最高气温，℃；

Q—相应的太阳日辐射热，J/㎡；

—回归常数。

特点：不包含所有复杂因素，精度有地区局限性，只可在条件相似的地区参考使用。第19页，共52页。20方法2：理论法应用热传导理论方程式推导出。各种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。特点：参数确定难度大，理论假设理想化，结果与实测有一定的误差。温度对路基的影响：北方—冻胀翻浆南方—雨季积水湿软路基第20页，共52页。第三节土基的力学强度特征21第21页，共52页。22（一）行车荷载和自重是作用在路基的两种主要外力，对于路基都按照竖直荷载考虑（二）行车荷载产生附加应力，对于路基的扰动影响随深度降低；自重应力随深度变大（三）附加应力作用是瞬时的，自重应力作用是永久的（四）行车荷载或车轮荷载可变，对于某一深度的路基土体影响较大，我们将这样的深度叫做路基工作区，确切深度大约在附加应力为自重应力的1/10～1/5左右。一、路基受力状况第22页，共52页。23p—车轮荷载换算的均布荷载KN/㎡D—圆形均布荷载作用面积的直径。Z—应力作用点深度。γ—土的容重。σZ——车轮荷载引起的附加应力（1-1-2）σB——路基自重应力（1-1-3）Za——路基工作区（1-1-4）路基工作区内，土基的强度和稳定性对保持路面结构的强度和稳定性极为重要，所以对路基工作区深度范围内的路基结构层（路床和上路堤）的密实程度和含水量都做相对下层更加严格的限制第23页，共52页。24二、路基土的应力——应变特性弹性变形和塑性变形提高路基土的抗变形能力是提高路基路面整体强度和刚度重要方面。压入承载板试验三轴压缩试验土的应力应变关系曲线第24页，共52页。25三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。第25页，共52页。26

非线性变形———局部线性体即在曲线的一个微小线段内近似视为直线，以其斜率为模量1、初始切线模量应力值为零应力—应变曲线斜率2、切线模量某一应力处应力—应变曲线斜率，反映该应力处变化3、割线模量某一应力对应点与起点相连割线模量，反应该范围内应力—应变平均状态4、回弹模量应力卸除阶段，应力—应变曲线的割线模量

总结：①前三种应变包含回弹应变和残余应变②回弹模量则仅包含回弹应变，部分反映了土的弹性性质。第26页，共52页。三、重复荷载对路基土的影响车轮荷载重复作用→弹性变形消失、塑性变形积累（1）路基压实；（2）土体破坏。取决于：（1）土的性质、状态；（2）重复载荷大小；（3）载荷作用性质。27第27页，共52页。28（1）单圆荷载——柔性板圆形均布荷载的压强为p，半径为，利用集中荷载公式，通过积分建立距荷载中心点r处的弯沉，并求得：压强pwr=0r=

圆形均布荷载作用下的荷载－弯沉关系

第四节土基的承载能力一、土基回弹模量第28页，共52页。29（2）单圆荷载——刚性板刚性板的板底压强呈鞍形分布，平均为柔性板的，故其板底弯沉为单圆柔性板中心处的等值弯沉lP本方法便于应用于实际中测定土基回弹模量，采用类似逐级加载的方法，对其试验曲线进行直线回归后用如下公式计算回弹模量第29页，共52页。30二、温克勒（E.winkler）地基模型——稠密液体地基表征参数——地基反应模量形式简单，任一点的垂直压力p与弯沉l之比，不涉及泊松比，适用于刚性路面分析p第30页，共52页。31三、加州承载比（CBR——CaliforniaBearingRatio

）贯入度（cm）0.2540.5080.7621.0161.270标准压（kpa）703010550133601617018230pi、ps——相同惯入量时的测试材料和标准碎石的单位压力，kpa.适用于CBR经验路面设计法，或用于对土或其他筑路材料以及土基本身进行强度评价。可以与弹性模量建立相关性很好的换算关系。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征19.35cm2标准压头，以0.127cm/min压入土体，记录每压入0.254cm时的单位压力，直至深度达到1.27cm为止。第31页，共52页。32一、路基的主要变形破坏荷载因素：自重、行车荷载、自然因素影响稳定性的因素：水分、温度变化（正温度、负温度）、风蚀作用。变形：弹性的、残留的（不能恢复的）1、路堤沉陷：垂直方向产生较大的沉落

第五节路基的变形、破坏及防治第32页，共52页。33原因：

1）填料不当

2）填筑方法不合理：①不同土混杂；②未分层填筑、压实；③土中有未经打碎的大块土或冻土块；④荷载、水和温度综合变化；⑤原地面软弱，如泥沼、流沙、垃圾堆积未做处理等；⑥冻胀、翻浆。

第33页，共52页。342、路基边坡的滑塌（滑坡）——常见的路基病害，也是水毁的普遍现象⑴溜方：少量土体沿土质边坡向下移动而形成。边坡上表面薄层土体下溜。原因：流动水冲刷边坡、施工不当引起。⑵滑坡：一部分土体在重力作用下沿某一滑动层滑动。原因：土体稳定性不足引起。第34页，共52页。353、碎落和崩塌剥落和碎落：路堑边坡风化岩层表面，大气温度与湿度交替作用以及雨水冲刷和动力作用之下，表面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称为崩塌。崩塌：整体岩块在重力作用下倾倒、崩落。原因：岩体风化破碎，边坡较高。影响：危害较大的病害之一。第35页，共52页。36比较：崩塌无固定滑动面。崩塌体各部分相对位置在移动过程中完全打乱。碎落滑坡4、路基沿山坡滑动原因：①山坡较陡；②原地面未清除杂草或人工挖台阶；③坡脚未进行必要的支撑。5、不良地质和水文条件造成路基破坏不良地质条件：泥石流、溶洞等。较大自然灾害：大暴雨地区。第36页，共52页。37二、路基病害防治提高路基稳定性，防止各种病害产生，采取措施：

1、正确设计路基横断面。

2、选择良好的路基用土填筑路基，必要时对填土作稳定处理。

3、采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定的压实度。

4、适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入路基工作区范围。

5、正确进行排水设计。

6、必要时设计隔离层隔绝毛细水，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积。

7、采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加固等防护技术措施，以提高其稳定性。第37页，共52页。38

第六节路面材料的力学强度特性路面材料按形态和成型性质分为三类：

1、松散颗粒型材料及块料密实型

2、沥青结合料类嵌挤型

3、无机结合料类稳定型一、力学强度特性1、抗剪强度：剪切破坏：路面结构层厚度较薄→总体刚度不足,土基遭受的剪应力过大，路基路面整体结构发生剪切破坏无机结合料基层层位不合理→内部剪力过大引起部分结构层产生剪切破坏面层结构的材料抗剪强度较低→高温条件下沥青面层第38页，共52页。39

按摩尔(MohrCoulumb)强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有性质，与法向正应力无关：第39页，共52页。40第40页，共52页。412、抗拉强度：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。

抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供试验：

直接拉伸试验——圆柱型试件、变形传感器、应力—应变值。间接拉伸试验（劈裂试验）——圆柱型试件、压条、试件开裂破坏。水泥混凝土劈裂抗拉强度采用边长150mm的立方体试件。第41页，共52页。42

第42页，共52页。433、抗弯拉强度水泥混凝土、沥青混合料及半刚性路面材料修筑的结构层。车辆的荷载作用下处于受弯曲工作状态，产生弯拉应力，当该应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯拉断裂。试验：简支小梁试验——三分点加载第43页，共52页。444、应力—应变特性：⑴用于基层和底基层的碎砾石材料无法作成试件，但可由三轴试验可得到应力—应变的非线性。通常，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。⑵、水泥混凝土、无机结合料处治的混合料。采用规则试件进行测定：三轴试验、单轴试验、小梁试验。第44页，共52页。45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150mm×150mm×300mm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40%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缩变形量。第45页，共52页。46⑶、沥青混合料：低温（单轴或小梁试验）高温（温度敏感性强用三轴压缩试验）第46页，共52页。47

应力—应变特性：随温度和加载时间变化的粘—弹性体，用劲度模量来表示。沥青混合料劲度模量——是在给定温度和加载条件下的应力—应变的关系参数。试验表明：加载时间短或温度较低时（材料处于弹性状态）中间过程（弹—粘性状态）加载时间很长或温度较高时（粘滞性状态）第47页，共52页。48第七节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：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；第二类，路面材料处于弹性工作状态，在重复荷戴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，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。共同点——破坏极限的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。第48页，共52页。49⑴水泥混凝土路面：弹性工作状态（疲劳破坏）⑵沥青路面：低温—弹性状态（疲劳破坏）高温—弹塑性状态（累积变形形成车辙、沉陷等）⑶半刚性路面（无机结合料）：早期—弹塑性

后期—弹性（疲劳破坏）⑷以黏土为结合料的碎砾石路面：弹塑性状态（累积变形）第49页，共52页。50一、累积变形路面