《路基路面工程》 课件 06 交通荷载与路面设计参数

第六章

交通荷载及路面设计参数1主要内容第一节交通荷载及其对路面的作用第二节标准轴载及轴载换算第三节路面材料设计参数2第一节

交通荷载及其对路面的作用核心内容车辆的种类汽车的轴型汽车对道路的静态压力运动车辆对道路的动态影响交通分析3第一节交通荷载及其对路面的作用交通荷载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、汽车静态与动态荷载特性等。41、车辆的种类道路上通行的汽车车辆主要分为乘用车与商用车两大类。乘用车（小于9座）又分为小客车、中客车与大客车；商用车又分为整车、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，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。52、汽车的轴型轴载－－轴型分布单轴单轮单轴双轮双轴单轮双轴双轮多轴多轮目前规范分7种62、汽车的轴型7车辆类型分类目前规范分11类2、汽车的轴型图2-1不同轴型的货车示意图

汽车的轴型简化图82、汽车的轴型9轴（轮）组与轴重及总重限值：对单轴最大容许值（GB1589-2016）见表6-3表6-3汽车及挂车单轴的最大允许轴载的最大限制单位：Kg

2、汽车的轴型10车辆总重最大容许值（GB1589-2016）见表6-43、汽车对道路的静态压力轮压与压圆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。11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)3、汽车对道路的静态压力12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：3、汽车对道路的静态压力荷载圆半径和直径13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6-2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)4、运动车辆对道路的动态影响141）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。4、运动车辆对道路的动态影响15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4、运动车辆对道路的动态影响164、运动车辆对道路的动态影响水泥混凝土路面在移动荷载作用下的响应174、运动车辆对道路的动态影响车速与路面变形的关系轴载的动态波动181）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，并求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它轴载的作用次数，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面的现象称为轮迹横向分布，车道综合累计需考虑。5、交通分析195、交通分析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≥S1.2.3按轴型分类的车辆类别

1）交通调查与重复荷载205、交通分析轴型分类及代号轴型示意图整车类SingleUnitTruckU1.1U1.2半挂类Semi-TractorTrailorS1.1.1S1.1.2S1.2.2S1.2.3各类轴型示意图

1）交通调查与重复荷载215、交通分析我国常用的汽车的路面设计参数标准车2）轴载谱222）轴载谱5、交通分析轴载谱轴载谱：不同轴载在道路上的比例关系

233）车辆荷载的轮迹横向分布5、交通分析轮迹横向分布频率曲线

（单向行驶一个车道）轮迹横向分布频率曲线

（混合行驶双车道）243）车辆荷载的轮迹横向分布5、交通分析沥青混凝土路面车道系数水泥混凝土路面轮迹横向分布系数25第二节

标准轴载及轴载换算核心内容交通量标准轴载轴载换算累计标准轴载作用次数标准轴载作用次数的调查与分析261、交通量（1）年平均日交通量(AADT-

annualaveragedailytraffic)交通量是指在单位时间内，通过道路某一断面的交通实体数。我国的《公路工程技术标准》（JTGB01）确定道路等级时规定的标准车是小客车，即将混合交通量换算成为以小客车为标准的交通当量。（2）初始年平均日交通量272、标准轴载（3）选用标准轴载的原因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（EquivalentSingleAxleLoad-ESAL）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。美国为单轴双轮，轴重80kN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。282、标准轴载（4）几个概念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。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。29（1）轴载换算的基本原则：

①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）；

②等厚度原则：不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。（2）轴载换算系数公式：3、轴载换算303、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）（1）水平一313、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）水平一（2）323、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）水平一333、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）（3）水平一343、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）水平一353、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）（4）水平一363、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）水平二和水平三表6-14表6-15373、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）383、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）393、轴载换算沥青路面轴载换算（2017规范）403、轴载换算水泥混凝土路面轴载换算旧规范换算公式轴载200kN超载=65536次轴载100kN=1次轴载2*100kN如何换算？1）以轴型为基础换算随机统计3000辆2轴六轮及以上车辆中单轴、双联轴、三联轴单轴次数413、轴载换算水泥混凝土路面轴载换算2）以车辆类型为基础换算423、轴载换算水泥混凝土路面轴载换算3）当量设计轴载累计作用次数43初始年平均日交通量N1的计算

设计年限内一个车道内的累计交通量4、累计标准轴载作用次数沥青路面-车道系数水泥混凝土路面-横向分布系数445、标准轴载作用次数的调查与分析调查方法地磅静态称重人工千斤顶称量移动式称重WIM（weigh-in-motion）

WIM设备可以分成固定式和移动式两类455、标准轴载作用次数的调查与分析交通量增长率交通量年平均增长率(γ)变化范围(%)交通量增长率计算方法：回归T年交通量与年限的关系466、交通荷载分级分级原因由于不同等级道路承受不同的交通荷载作用，为了判别道路承受荷载的轻重，公路《沥青路面设计规范》和《公路水泥混凝土路面设计规范》分别进行了交通荷载等级的划分。具体分级水泥混凝土路面交通荷载分级

47沥青路面交通荷载分级第三节

路面材料设计参数核心内容概述无机结合料稳定材料沥青混合料水泥混凝土材料级配碎石481、主要材料类型①松散颗粒型材料unboundmaterialsgranular②沥青结合类材料asphaltmixture③无机结合料类材料inorganicbindingmaterial④水泥混凝土材料cementconcrete

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。一、概述491）抗剪强度shearstrength

三轴抗剪试验

摩尔—库仑强度理论：

=c+

tg

直接抗剪试验P/A（极限抗剪力/抗剪面积）

其中c和

是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的黏聚力（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。三轴试验确定c.φcφστ一、概述◆2、路面材料的强度类型50一、概述2）抗压强度compressivestrength无侧限的强度试验：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。有侧限的强度试验：描述路面实际的三维状态。三轴试验；钢管混凝土。513）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。路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。4）抗弯拉强度flexiblestrength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。一、概述52一、概述◆3、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。53间接拉伸试验1-压条；2-试件pp112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32154一、概述2）抗拉强度试验（直接拉伸试验和间接拉伸试验）①沥青和水泥混凝土间接抗拉强度试验②沥青混凝土抗弯拉强度试验③水泥混凝土抗弯拉强度试验—弯拉试验抗弯拉强度试验劈裂实验示意图54一、概述直接拉伸间接拉伸试验55②沥青和水泥混凝土简接抗拉强度试验①沥青和水泥混凝土直接抗拉强度试验

我国《沥青及沥青混合料试验规程》中标准弯曲实验试件为250mm×30mm×35mm的棱柱体小梁，跨径200

0.5mm。试验温度采用15

0.5℃；评价低温拉伸性能时，宜采用-10

0.5℃。

一、概述②沥青混凝土抗弯拉强度试验(T0715)弯曲实验有切口的弯曲实验56150mm×150mm×550mm的棱柱体梁图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/321345l1l0一、概述③水泥混凝土抗弯拉强度试验—弯拉试验3）抗剪强度试验—讨论???57一、概述4、疲劳概念疲劳：路面材料在循环加载下，在某点或某些点产生局部损伤，在一定循环次数后形成裂纹，并进一步扩展直到完全断裂的现象称为疲劳。疲劳破坏：在低于材料强度极限的循环加载作用下，材料发生破坏的现象称为疲劳破坏。疲劳强度：是指材料在多次循环加载作用下出现疲劳破坏所对应的应力（应变）称为疲劳强度或疲劳应变。58一、概述疲劳极限：当重复荷载作用次数为无限大时的最大应力（应变）值即称为疲劳极限。疲劳寿命：材料在疲劳破坏时所作用的应力(应变)循环次数称为疲劳寿命疲劳曲线：将重复拉应力

r与一次加载破坏的极限拉应力的比值(称为应力比)或重复拉应变εr

作为纵坐标，绘制出

r/

f或εr与重复作用次数Nf的关系曲线，即称为疲劳曲线。59一、概述4、沥青混凝土疲劳强度试验沥青及无机材料劈裂疲劳试验悬臂梯形梁疲劳试验三分点疲劳试验四点弯曲疲劳

试验示意图60二、无机结合料稳定材料61①无机结合料稳定材料的无侧限抗压强度试验用途：确定7天抗压强度，进行混合料组成设计方法：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×高度=Ø100mm×高150mm，

直径×高度=Ø150mm×高150mm，

直径×高度=Ø150mm×高300mm。顶面法二、无机结合料稳定材料62②无机结合料稳定材料的无侧限抗压回弹模量试验养生时间为材料设计龄期（90天或180天），整个养生期间的温度应保持20±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）方法：无侧限单轴抗压模量（侧面法）--是静态加载用途：结构设计参数62二、无机结合料稳定材料63③无机结合料稳定材料的弯拉强度（T0851）用途：结构设计弯拉疲劳验算试验：三分点加载弯拉强度T0851-弯拉强度试验T0853-弯拉模量试验弯拉强度计算：弯拉模量计算：二、无机结合料稳定材料④无机结合料稳定材料的设计参数7d无侧限抗压强度（材料组成设计用）二、无机结合料稳定材料④无机结合料稳定材料的设计参数90d或180d弯拉强度及侧面法抗压模量（路面结构设计用）二、无机结合料稳定材料⑤无机结合料稳定材料疲劳强度试验通过试件施加重复应力进行试验，可绘出应力比水平与重复荷载作用次数的关系曲线（疲劳曲线），并可回归出疲劳方程：

r/

f=

-

lgNf。疲劳试验方法劈裂疲劳试验小梁疲劳试验（我国）直接抗拉试验66二灰砂砾（小梁）应力强度比疲劳寿命曲线二、无机结合料稳定材料67水泥砂砾（小梁）应力与强度比疲劳寿命曲线二、无机结合料稳定材料68二、无机结合料稳定材料69⑦无机结合料稳定材料的设计参数-疲劳参数采用小梁弯曲三分点疲劳试验方法-疲劳寿命三、沥青混合料70①沥青混凝土的弯曲试验（T0715）采用的试验温度为15℃、20℃、25℃试验加载速率为50mm/min，泊松比采用0.30，测定其弯曲强度。采用的试验温度为-10℃测定其低温抗拉特性。试件轮辗成型：试件的尺寸为长250mm，宽30mm，高35mm，试件跨径200mm；道路现场切割试件的试件的尺寸为长250mm，宽30mm，高35mm，试件跨径200mm。用途：低温性能评价弯曲试验：T0715弯曲试验计算：71三、沥青混合料②沥青混凝土的单轴压缩动态模量试验（T0738）采用的试验温度为-10℃、5℃、20℃、35℃、50℃试件在恒温烘箱中存放4-5h（温度小于5℃时

，应为8h）。加载频率6等级：0.1Hz，0.5Hz，1Hz，5Hz，10Hz，25Hz先旋转压实成型：试件的尺寸为直径150mm，高170mm

然后钻孔切割成：试件的尺寸为直径100mm，高150mm加载方式如表6-21用途：路面结构设计参数模量计算：三、沥青混合料72②沥青混合料回弹模量（2017版路面设计规范）1）沥青混合料回弹模量测试采用重复加载单轴压缩回弹模量试验，试验温度采用20℃，面层沥青混合料加载频率采用10Hz，基层沥青稳定类材料加载频率采用5Hz

。2）利用经验关系式确定沥青混合料的回弹模量。三、沥青混合料73②沥青混合料回弹模量（2017版路面设计规范）3）常用沥青混合料在标准条件下的弹模量推荐表三、沥青混合料74③沥青混凝土四点弯曲疲劳方程试验有控制应力与控制应变两种试验方法；试件：长380mm，宽63.5mm，高50mm，试件跨径300mm；试验温度：20℃；面层沥青混合料加载频率采用10Hz;基层沥青稳定类材料加载频率采用5Hz;模量下降到初始50%即为试验结束。用途：采用控制应变的方法（T0739）（2017规范）。我国2017沥青混凝土疲劳方程三、沥青材料75④沥青弯曲梁流变实验（T0627）方法：做成127mm*6.35mm*12.70mm小梁温度：路面低温设计温度+10℃，得到小梁劲度模量用途：进行路面低温开裂指数计算计算=180s三、沥青混合料⑤沥青混凝土材料的贯入强度试验试件：直径100mm或150mm，高100mm；试验温度：60℃。节尾贯入强度要求：贯入强度计算：*四、水泥混凝土材料①水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模量77四、水泥混凝土材料①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(图6-11)测定其抗折强度(fcf)

和抗折弹性模量。②疲劳参数78四、水泥混凝土材料③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强度和弹性模量经验参考参考值79五、级配碎石1）影响因素影响粒料层模量的因素以及变化趋势影响因素影响趋势粗集料比例比例越大，模量越高密度密度越大，模量越高碾压含水率提高到最大值，然后降低应力水平应力水平越大，模量越高使用期间含水率含水率越大，模量越低龄期模量不变温度模量不变荷载作用速度模量不变80五、级配碎石2）无粘结材料试验方法及参数值①重复荷载三轴试验无粘结粒状材料的回弹反应通常是通过回弹模量和泊松比表现其特性。对于有恒定围压的重复荷载三轴试验，采用10Hz(加载0.1s+停0.9s）。②无粘结材料参数取值81六、参数取值原则一般原则路面材料和路基的设计参数，分为3个层次确定：第一层次，按标准试验方法，实测材料的设计参数；第二层次，实测材料的物性参数，利用经验关系式确定设计参数；第三层次，参照参考值表，根据项目情况选用。具体规定高速公路和一级公路的工可、初步设计阶段可采用第二或第三层次；施工图设计阶段，路基和粒料可采用第三层次或第一层次，其他材料宜采用第一层次。二级及以下公路各设计阶段可采用第二或第三层次。82六、参数取值原则路基参数取值路面结构设计采用平衡湿度状态下路基顶面的回弹模量，并进行结构层模量调整，由标准条件下动态回弹模量值（动态三轴10Hz乘以湿度调整系数和结构层模量调整系数得到(第二章)。取平均值。粒料类材料参数取值级配砾石或天然砂砾基层的CBR值应不小于80；用于底基层时，对于特重、重交通，其CBR值应不小于80，对于中等交通，其CBR值应不小于60，对于轻交通，其CBR值应不小于40。湿度调整系数为1.6~2.0。级配碎石的级配要求83六、参数取值原则粒料类材料参数取值级配碎石基层和底基层的材料要求水平一、采用重复加载三轴试验

（动态三轴10Hz-加载0.1s+停0.9s）

取回弹模量实验结果平均值。取平均值。水平三、按照粒料层位和类型确定。84六、参数取值原则粒料类材料参数取值水平三、按照粒料层位和类型确定。85六、参数取值原则无机结合料类材料参数取值：无机结合料类材料采用回弹模量和弯拉强度试验水泥稳定类、水泥－粉煤灰稳定类材料的试件龄期为90d

石灰稳定类、石灰-粉煤灰稳定类材料的试件龄期为180d。回弹模量采用中间段法单轴压缩试验确定。取平均值。路面结构分析时，由无机结合料类材料的回弹模量乘以结构