路基路面工程第9章行车荷载等

国家级国家级精品课程——《路基路面工程第九行车荷载、自然环境材料特长安大学公路学张久鹏博士、副教主主要内主要内主要内第一第二第三第四行车荷交通分自然环境对路面的作路面材料力学特第一第一行车荷汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重、车轴布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静与动态荷载的特性比较等不同方面第一第一1、车辆的类行车荷道路上通行的汽车主要分为客车与货车两大类客第一1、车辆的类第一1、车辆的类行车荷道路上通行的汽车主要分为客车与货车两大类客车分为轿车（小客车）、客车（大客车轿车（小客车）：2-8人，微型、轻型、中型和大质量一般大于1.2t，车速大于客车（大客车）：9人以上，大于10t，车速大于类总质量总长小中4-6-大11-9-铰接双9-第一第一1、车辆的类行车荷道路上通行的汽车主要分为客车与货车两大类货第一第一1、车辆的类行车荷道路上通行的汽车主要分为客车与货车两大类轻型重型以上）也可分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车第一第一1、车辆的类行车荷路面结构设计中主要考虑大客车与货车两大类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，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制第一第一2、汽车的轴行车荷整车形式的客、货车，分前轴、后前轴单轴单轮（轴重约1/3P）后轴：单轴双双轴双多轴双轮（三及轴以上标准轴载：BZZ-第一汽车的第一汽车的轴 行车荷第一第一轴型简化 行车荷第一3、静态压行车荷第一3、静态压行车荷轮胎对路面的静态压力与胎内压接近，压面近似圆形，直径由p、P来计算，p可近似取轮胎气压PPD路P我国现行规范D单圆图第一3、静态压行车荷轮胎对路面的第一3、静态压行车荷轮胎对路面的静态压力与胎内压接近，压面近似圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压pdPPddd路PP我国现行规范d=0.213m，中心距dd双圆图第一行车荷4、运动车辆对道路的第一行车荷4、运动车辆对道路的动态影道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。VPPPP QQ 图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转第一行车荷第一行车荷4、运动车辆对道路的动态影1）水平力行车安全要求xp⋅j，其中j为路2）振动力病害路面点的车轮作用时间约为0.01~0.10s，变形来不呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲劳第一行车荷4、运动车辆对道路的动第一行车荷4、运动车辆对道路的动态影路表与车轮的附着系车速路面状路面类碎沥青混凝水泥混凝————干——潮——第二第二交通分1、交通量和累计交通交通量调查与分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，并求算获得对路面结构设计而言，更重要的是轴载，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它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计第二交第二交通分1、交通量和累计交通交通量调查与分设计年《公路工程技术标准》JTGB01-高速公路和具干线功能的一级公路按20公路以及二三级公路应按15年预测，四级公路据实际情况确定《公路沥青路面设计规范》JTGD50-《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD40-1、交通量和累1、交通量和累计交通 N1第二第二交通分2、轴载组成与轴载换轴载谱：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴第二第二交通分2、轴载组成与轴载换轴载换基本原则①等破坏原则：达到相同的损伤程②等厚度原则：最终设计的厚度相轴载换算公式第二第二交通分沥青路面轴载换算系数公式第二第二交通分沥青路面轴载换算系数公式第二第二交通分水泥混凝土路面轴载换算系数公式第二3、轮第二3、轮迹横向分交通分轮迹横向分布频率曲（单向行驶一个车道轮迹横向分布频率曲（混合行驶双车道描述横向分布的系数有两个车道系轮迹横向分布系第二第二4、累计当量轴沥青路交通分第二4第二4、累计当量轴水泥路交通分第三第三自然环境对路面的作1、温度的作温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分第三第三自然环境对路面的作1、温度的作温度造成沥青路面塑性变形累积及低温开第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下气468时刻沥青面层温度日变化曲图2-温第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下气第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下气01234567月891图2-沥青面层月平均温度的年变化曲温第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下第三自然环境对路面的作2、温度场的变表面下气82468时刻水泥混凝土面层温度日变化曲图2-温第三自然环境对路面的作2、温度场的变温度第三自然环境对路面的作2、温度场的变温度05图2-一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲深第三自然环境对路面的作2、温度场的变气面层厚第三自然环境对路面的作2、温度场的变气面层厚温度梯02468时刻水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲图2-温梯度（第三第三自然环境对路面的作3、温度场的影响因外因：气候条件，主要是气温和太阳辐内因：热物理特性、厚度第三自第三自然环境对路面的作4、湿度的作湿度的来第三自第三自然环境对路面的作4、湿度的作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度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水第三自然环境对路面的作4第三自然环境对路面的作4、湿度的作重复应力0含水量图2-湿度对路基刚度的影回弹模第四路面材第四路面材料力学特1、主要材料类①松散颗粒型材②沥青结合类材料asphalt③无机结合料类材料inorganicbinding④水泥混凝土材料cement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第四路面材料力学特2、第四路面材料力学特2、路面材料的强度特1）抗剪强度shear摩尔—库仑强度理论t=c+其中c和j是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的粘结力（a），j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，可用测定。τφcσ图2-三轴试验确定第四路面材料力学第四路面材料力学特2、路面材料的强度特2）抗压强度compressive指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。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也有侧压的强度试验三轴试验钢管混凝土描述实际的状态，如路面的三位状态第四第四路面材料力学特2、路面材料的强度特3）抗拉强度tensile气温变化引起路面材料收缩，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，材路面材料抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，4）抗弯拉强度flexible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。材料的抗弯拉强度第四路面第四路面材料力学特3、应力-应变特1）抗压回弹模半刚性基层材沥青混合2）抗弯拉模量flexible水泥混凝3）泊松比poisson第四第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试1）抗剪强度试验——三轴剪切试=c第四路面材第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试2）抗压强度与抗压回弹模量试沥青混合料一般有大试件）、中试（Φ1000mm）和小试件（Φ50mm半刚性基层材料采用圆柱体试件水泥混凝土一般采用边长150mm的立方体试第四路面第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试2）抗压强度与抗压回弹模量试圆柱体试件），进行无侧限抗压强第四第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试2）抗压回弹模量试第四路面材料力学特4、路面第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试3）抗拉强度试验—直接拉伸试验和间接拉伸试p11523421p间接拉伸试间接拉伸受力状直接拉伸试第四第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试3）抗拉强度试验—直接拉伸试验和间接拉伸试第四路面材料力学第四路面材料力学特4、路面材料设计参数的相关试4）水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模hF标准试件尺寸(fcf)和抗折弹性模量fbL第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参1）无机结合料稳定材无机结合料稳定材料的强第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参1）无机结合料稳定材无机结合料稳定材料的模第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参1）无机结合料稳定材无机结合料稳定材料的模第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参1）无机结合料稳定材无机结合料稳定材料的模量建议第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参2）沥青混凝土材沥青混凝土材料的参数建议第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参3）水泥混凝土材水泥混凝土参数建议第四第四路面材料力学特5、路面材料的设计参4）无粘结材①重复荷载三轴试②无粘结材料参数取第五第五累积变形与疲劳破1、路面结构破坏的极限状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（使） ）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，达到破坏极限状态（即）（*这种重复荷载的大小远第五第五累积变形与疲劳破2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碎（砾）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 土（碎石土）：细粒土受大气湿度影响，因此路面结构处于塑性变形累积第五3、累积变变第五3、累积变变形分累积变形与疲劳破弹性粘弹性+粘塑性粘弹性粘塑性+塑性弹性塑性时间第五3、累积变变形累98累积变形与疲劳破应第五3、累积变变形累98累积变形与疲劳破应变不断增大，直至剪切破坏应变趋于稳1=a+lg765432100 800023lge=c+clgN+lg+lg20123第五4、疲第五4、疲劳破疲劳累积变形与疲劳破材料强度降低的现象称为~。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，在重复应力作下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为~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。第五4、疲第五4、疲劳破累积变形与疲劳破疲劳极限减少而增加，当重复应力（应变）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曲线将重复弯拉应力（应变sr（εr）与一次加载破坏的极限弯拉力（应变）的比值(称为应力比或应变比)作为纵坐标，绘制sr/sf或 εf与重复作用次数Nf的关系曲线，即称为 第五累积变第五累积变形与疲劳破5、无机结合料稳定材及水泥混凝土的疲劳特通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘不同应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，而得到疲劳曲线，并可回归出疲劳方程：sr/sf=a-