第二章 行车荷载及环境作用

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、车量的种类客车小客车：平整度，抗滑性,安全性。中客车：（6～20座）大客车：20座以上货车整车牵引式挂车牵引式半挂车荷载二、汽车的轴型单轴单轮单轴双轮双轴单轮双轴双轮多轴多轮图2-1不同轴型的货车示意图三、轴轮组与轴重：整车分前轴和后轴，绝大部分车辆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60~130KN范围以内。四、轮压与压圆：轮胎对路面的静态压力大小与胎内气压相接近，压面近似为圆形，d（圆直径）由p（轮胎接地压力）、P（轴重）来计算，p可近似取轮胎气压。图2-2车轮荷载计算图式a)单圆图式；b)双圆图式汽车的轮压与压圆PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面a)b)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δ：

b)单圆荷载的当量圆直径D：荷载圆半径和直径五、运动车辆对道路的动态影响

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。图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向PPPPVQQa)b)c)d)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：路面点车轮作用时间约为0.01~0.10s，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。路面状况路面类型车速（km/h）123264干燥碎石——0.60——沥青混凝土0.70～1.00——0.50～0.65水泥混凝土0.70～0.85——0.60～0.80潮湿碎石——0.40——沥青混凝土0.40～0.65——0.10～0.50水泥混凝土0.60～0.70——0.35～0.55路表与车轮的附着系数六、标准轴载：作用在路面的荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其它各种轴载按一定原则换算成标准轴载。标准轴载要求对路面响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。七、超载与超限超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。超载但不超限车辆对路面使用寿命有一定影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大影响，有的甚至超过路面或桥梁结构极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重安全事故。八、交通荷载轴载换算和统计计算1）交通调查与分析调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载等，有的还调查轴载谱，不同轴载作用次数的频率组成即为轴载谱；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内累计交通量。轴载组成与轴载换算：各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用等效性换算成其它轴载作用次数，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面的现象，车道综合累计需考虑。图2-7轮迹横向分布频率曲线

（单向行驶一个车道）序号轴型分布代表车型代号整车类1中型货车(载重2.5~10T)跃进、解放、东风等U1.12重型货车(载重>10T)黄河、罗曼、斯太尔等U1.1大通、交通、太脱拉等U1.2半挂类33轴半挂车解放、东风等国产牵引车S1.1.144轴半挂车斯堪尼亚、沃尔沃、斯太尔等进口牵引车或红岩、黄河等引进技术生产的牵引车S1.1.255轴半挂车S1.2.2S1.2.36>=6轴半挂车≥S1.2.31）交通调查轴型分类及代号轴型示意图整车类SingleUnitTruckU1.1U1.2半挂类Semi-TractorTrailorS1.1.1S1.1.2S1.2.2S1.2.31）交通调查3）轴载换算轴载换算的基本原则：①等效破坏原则：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）；②轴载换算系数公式：4）累计轴载作用次数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湿度图2-10湿度对路基刚度的影响含水量ω(%)重复应力28kPa80020103040120回弹模量（MPa）§2-2环境因素影响1、温度湿度对道路的影响概述2、温度对道路的影响温度造成路基的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀。温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割。温度造成沥青混凝土路面塑性变形累积及低温开裂。表面下2cm7cm15cm气温时刻（h）46810121416182022241020304050温度（℃）图2-11沥青面层温度日变化曲线图2-15沥青面层月平均温度的年变化曲线1234567891011121103040020表面下2cm7cm30cm气温月份温度（℃）图2-12水泥混凝土面层温度日变化曲线810121416182022242468232629323520气温表面下1.5cm5cm11cm16cm时刻（h）温度（℃）图2-13一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线23273135394101052015温度（℃）深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00图2-14水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2气温温度梯度面层厚22cm时刻（h）温度（℃）梯度（℃／cm）3、湿度对道路的影响湿度对路基的影响：湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基干湿类型。湿度对路面的影响：水分积蓄于路面体内，降低路面强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性。§2-3土基的力学强度特性一、路基受力状况1、汽车荷载引起路基中的垂直应力σz：式中：p－车轮荷载换算的均布荷载（单位：KN／m3)D－圆形均布荷载作用面积的直径m。Z－圆形均布荷载下应力作用点的深度m。2、土基本身自重引起路基中的垂直应力σB：路基土本身自重在路基深度为Z处所引起的垂直压应力σB: σB=γZ式中：γ－土的容重（单位：KN/m3）。二、路基工作区1、路基工作区的概念：在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力σz与路基土自重引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为1/10～1/5时，该深度范围内的路基称为路基工作区。2、路基工作区要求：土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要，对路基工作区深度范围内土质选择，路基的压实度应提出较高的要求。三、土基的力学强度特性及其设计参数：路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。过大塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不平整；对于水泥混凝土路面，路基土塑性变形将引起板块断裂。弹性变形将使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂。§2-4土基的承载能力的表征参数1、土的非线性特性2、模量的概念土的应力－应变关系曲线（1）初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图①代表加荷开始土的应力-应变关系。（2）切线模量：某一应力级位处应力-应变曲线斜率，如图②反映土在该级位应力-应变变化精确关系。（3）割线模量：以某一应力值对应曲线上的点同起始点相连的割线斜率，如图③反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况。（4）回弹模量：应力卸除阶段应力-应变曲线割线模量，如图④反映土在回弹变形范围内应力-应变关系平均情况。

3、土基流变性质土的变形随时间变化的性质。土在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用持续时间有关，是一种具有流变性质的材料。4、土基回弹模量测试回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，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。我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法都以回弹模量E作为土基的刚度指标。

测定时宜采用逐级加载——卸载法直径30.4cm的板）。每一级荷载经过加载和卸载，取得稳定的回弹弯沉之后，再加下一级荷载，如此施加n级荷载后，即可点绘出荷载-弯沉曲线。在多数情况下，试验曲线呈非线性。在确定模量时，可以根据土基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上取值。路面设计中，按1mm线性归纳法来确定土基回弹模量。5、地基反应模量温克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师温克勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是地基上任一点弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处压力无关。用直径76cm的刚性板测定。当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对应压力p计算地基反应模量；当地基较为坚硬时，取单位压力p=0.07MPa时相对应弯沉值l计算地基反应模量。

6、加州承载比CBRCaliforniaBearingRatio1）概念：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，并采用标准碎石承载能力为标准，以相对值百分数表示CBR值。2）计算：式中：p－对应于某一贯入度时土基单位压力，KPa；ps－对应贯入度的标准压力，KPa；取贯入度0.254cmCBR值。但当贯入度为0.254cmCBR值小于贯入度为0.508cm时CBR值，应采用后者。3）测试方法：试验时用一个端部19.35cm2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1.27cm为止。标准压力值由高质量标准碎石试验得，其值见下表：4)特点：（1）优点：测试速度快，室内外测试都很方便，能在一定程度上反应土基承载能力。（2）缺点：与我国规范计算中指标不一致，要作对比把CBR值转化为土基回弹模量，但是不同的土质对应关系不同，不能得出放之四海皆准的对应关系，得出的关系只适用于有限地区。§2-5路基的变形、破坏及防治一、路基主要病害（一）路基沉陷1、概念：路基沉陷指的是路基表面在垂直方向产生的较大下沉。2、路基沉陷原因3、处理措施：对于压缩变形过大一般要重新压实，提高压实度；下部承载力不足要进行地基处理：比如地基的换填、注浆处理。路基本身的压缩变形路基下部天然承载力不足导致（二）滑坡1、概念：土体某一部分沿着某个滑动面整体下滑。2、滑动原因：一方面是土体受外力的作用如地震力等；另一方面是由于土体本身抗剪强度不足，如水的进入等。3、处理措施卸载支挡抗滑桩抗滑桩＋挡墙该滑坡位于安康市岚皋县白河边（是水利发电的蓄水水源），皋县唯一出城公路，2007年9月下旬发生滑坡（三）碎落和崩塌1、概念：（1）碎落：边坡岩层表面风化，在大气温度与湿度交替作用下，以及雨水冲刷和动力作用下，表面岩石从破面上剥落下来，向下滚落。（2）崩塌：大块岩石脱离原来土体沿边坡滚落下来。2、处理措施：采用挂网防护办法（如SNS柔性网防护），防治土体下落影响道路安全。4、滑塌：（1）概念：土体即有少量滑动部分，又有崩塌。（2）处理措施：先清理滑动表面，然后挂网防护办法。

§2-6路面材料的力学强度特性一、路面材料的几种强度1、主要材料类型①松散颗粒型材料及块料（granular,block）；②沥青结合类材料（asphaltbinder）；③无机结合料类材料（inorganicbindingmaterial）；④水泥混凝土材料（cementconcrete）；

由于材料基本性质和成型方式不同，各种路面结构具有不同力学强度特性（即应力－应变关系），也使得路面具有不同使用品质和使用寿命。2、抗剪强度shearstrength摩尔—库仑强度理论：=c+tg。其中c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，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2-27三轴试验确定c.φcφστ3、抗压强度compressivestrength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。一般有大试件、中试件和小试件。小试件指Φ50mm×50mm；中试件指Φ100mm×100mm；大试件指Φ150mm×150mm。

4、抗拉强度tensilestrength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。路面材料抗拉强度主要由混合料中结合料粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料抗拉强度。5、抗弯拉强度flexiblestrength

路面材料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。材料抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行测定。二、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Φ50mm×50mm；中试件指Φ100mm×100mm；大试件指Φ150mm×150mm。图2-28直接拉伸试验1-上盖帽；2-变形传感器；3-金属箍；4-下盖帽；5-试件图2-29间接拉伸试验1-压条；2-试件pp112321542、抗拉强度试验—直接拉伸试验和间接拉伸试验三、路面材料的设计参数1）无机结合料稳定材料①无机结合料稳定材料的无侧限抗压强度试验按预定干密度和压实度用静力压实法制备圆柱体试件、养生时间为设计龄期（整个养生期间温度，在北方地区应保持20±2℃，在南方地区应保持25±2℃），养生期的最后一天，将试件浸泡在水中，水的深度应使水面在试件顶上约2.5cm、侧向没有围压时的单轴抗压强度。②无机结合料稳定材料的劈裂强度试验（间接抗拉强度）试件制作同上，试验时在侧向测定试件最大劈裂强度，计算得到劈裂强度。侧向加压时应放置压条，并将试件横置在压条上，同时在试件顶面也放一压条（上下压条与试件接触线必须位于试件直径两端，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。劈裂试验方法。

图2-30小梁试验加载图式(1-试验梁；2-承压板；3-支点；4-顶杆；5-千分表)LPhl/3l/321345l1l03）抗拉强度试验—弯拉试验§2-7路面材料的累计变形与疲劳特性

重复荷载作用，达到路面结构破坏的极限状态，完全不同于其它结构物由于使用期内可能出现最大极限荷载引起破坏极限。1、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（为使用极限状态）2、弹性工作状态：重复荷载作用不产生塑性变形，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）（这种重复荷载大小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小）①水泥混凝土路面－弹性工作状态－出现疲劳破坏；②沥青路面：1）低温环境中弹性工作状态－出现疲劳破坏；2)高温环境中弹塑性工作状态——出现累积变形。3)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。③无机结合料处治半刚性路面材料：弹性状态疲劳破坏；④粘土为结合料碎砾石路面：弹塑性状态塑性变形累积。一、路面材料两种极限破坏状态1、变形过大导致极限状态：这类主要是由于材料处于弹塑性工作状态，重复荷载作用引起塑性变形累积，当累积变形超过一定程度后，路面使用功能下降导致允许限度以下，出现极限破坏状态。2、疲劳导致极限状态：路面材料处于弹性工作状态，在重复荷载作用下不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，当微量损伤累积达到一定程度，路面结构就发生疲劳断裂。二、累积变形:路面结构在荷载重复作用下产生累积变形而产生沉陷与车辙，是路面结构主要病害。1、碎砾石混合料塑性变形影响因素：（1）级配：碎砾石混合料在重复荷载作用下塑性变形累积规律与细粒土相似。级配良好混合料，随作用次数增加而增加，且逐渐趋于稳定；级配不良，混合料尺寸单一混合料，应力重复作用下很多次后仍有增大趋势。（2）细料含量：越多，变形越大。2、沥青混合料塑性变形影响因素：（1）温度：温度越高