长大路基路面之第二章__行车荷载、环境因素、材料的力学性质

第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质*目的要求目的要求1 了解车辆的分类。2掌握轴载的换算、累计轴载的计算。3 掌握环境因素对路基路面的影响。4 掌握土基力学强度特性以及路基土的应力应变特性。5掌握影响土基的承载能力。6 掌握路面材料的力学强度特性。7掌握路面材料的累积变形与疲劳特性。*课时：课时：4学时*授课内容授课内容一、行车荷载二、环境因素的影响三、土基的力学强度特性四、土基的承载能力五、路基的变形、破坏与防治六、路面材料的力学强度特性七、路面材料的累积变形与疲劳特性*重点重点1.环境对路基路面使用性能的影响2.土基的力学特性3.路基的常见破坏4.路面材料的力学特性*难点难点土基的力学特性路面材料的力学特性*教学方法教学方法利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。一、行车荷载一、行车荷载1.车辆的种类车辆的种类 小客车中客车 根据：座位 整车 牵引式挂车 牵引式半挂车车 大客车 客车 货车汽车荷载主要是考虑轴重。我国设计标准轴载100kN。前轮一般单轴，单轮组。后轴有单轴、双轴、三轴等。所谓双轴、三轴指多个轴非常靠近。轮组：一个轴的单侧的轮数，一般有单轮组，双轮组。我国常用汽车路面设计参数。2.汽车的轴型汽车的轴型 移动荷载实际施加的是大小和位置均变化的，比较复杂。目前成熟方法将车辆荷载视作静态荷载。1）大小与分布 2）轮胎与路面的接触面形状 实际椭圆形简化成当量圆 3.汽车对道路的静态压力汽车对道路的静态压力4.运动车辆对道路的动态影响运动车辆对道路的动态影响水平力路面结构承受剪力，车辆在启动或制动时水平力很大。垂直力大小和位置均变化的移动荷载。考虑动荷载有几种方法：（1）大小不变的移动荷载；（2）大小变化、位置不变的动态荷载；（3）静态荷载修正法：加入冲击系数，将静态荷载修正后成为设计荷载。即动荷载的峰值大于静载。动荷载的反复作用：塑性累积变形，疲劳等。图2-5 车速与路面变形的关系eN1Nt 1)1(3651teNN逐年增加。式中：为设计的初始年平均日交通量；为设计年限。5.交通分析交通分析确定公路等级。交通组成很复杂，要进行换算。即在设计年限内以固定的增长率一般依据设计年限内累计交通量1）交通量）交通量2）轴载组成与等效换算）轴载组成与等效换算 轴载谱：各级轴载所占的比例，即轴载组成。轴载换算：标准轴载双轮组单轴轴载100kN。换算原则等效破坏原则，即同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。iisNNsNiNiiiPsPnnsiiPP)(标准轴载作用次数；级轴载作用次数；级轴载换算为标准轴载的换算系数。系数，反映轴型和轮组轮胎数；级荷载重；标准轴载重；系数，与路面结构特性有关。换算公式换算公式 式中：i3）轮迹横向分布）轮迹横向分布 所有交通量并不是作用在同一点上，也不是全断面上，而是按一定规律分布在车道横断面上，称作轮迹横向分布。混合行驶的双车道上轮迹横向分布频率曲线。1温度和湿度的影响（1）对材料力学性质的影响 一般随温度和湿度的增加强度和刚度下降。（2）胀缩变形受阻产生温度和湿度应力。二、二、环境因素环境因素2路面结构内的温度（1）影响因素：太阳辐射、气温、风速、降雨量和蒸发量等。主要：太阳辐射和气温（2）路面结构内的温度确定方法cQbTaTamaxmaxmaxTmax aT式中：路面某一深度处的最高温度；相应的日最高气温；统计方法 测路面内温度，收集太阳辐射和气温等资料，回归得出理论法。热传导方程。参数难以确定，假设太多。Q相应的太阳辐射热；a,b,c回归常数1.路基受力状况路基受力状况路基承受路基自重和汽车轮重。2.路基工作区路基工作区从汽车荷载引起的垂直应力随深度的变化情况引出路基工作区。1）定义：当汽车荷载引起的垂直应力仅为路基自重引起的垂直应力的1/101/5对应的深度范围内的路基称为路基工作区时。此区之外，汽车荷载的影响忽略不计。三、三、路基受力状况路基受力状况aZ5.0Kn105n3KnPZa2）路基工作区深度式中：系数，P一侧轮重；K系数，取3.路基土的应力应变特性路基土的应力应变特性 1）土的特性 （1）非线性 （2）弹塑性 （3）流变特性 非线性的考虑用局部线性化方法，纯弹性的考虑用回弹模量的方法。2）土的模量（1）初始切线模量：应力为零时的应力应变曲线的斜率；（2）切线模量：某应力处应力应变曲线的斜率；（3）割线模量：某某应力处应力应变曲线上的点同起始点相连的割线的斜率；（4）回弹模量：应力卸除阶段，应力应变曲线的割线模量4.重复荷载对路基土的影响重复荷载对路基土的影响 主要是塑性累积变形，一种是压密，一种是造成土体剪切破坏。四、土基的承载能力四、土基的承载能力常用的指标有：回弹模量、地基反应模量和加州承载比 1.土基回弹模量适用范围：弹性半空间地基（一般柔性路面采用），参数有回弹模量E和泊松比测定方法：柔性承载板法和刚性承载板法 （1）柔性承载板法 （2）刚性承载板法 一般直径为lpK/。地基反应模量：压力与弯沉之比。2、地基反应模量适用范围及定义：适用于温克勒（E.Winkler）地基。假定土基顶面任一点的弯沉仅同作用于该点的垂直压力成正比，而同其相邻点处的压力无关。即地基可以认为由许各不相连的弹簧组成。一般刚性路面下路基采用温克勒（E.Winkler）地基。测定方法 承载板法与回弹模量的测法相似，区别在于是一次加荷到位，承载板的半径不同，为76cm。两种加载方法：（1）当地基较软弱时，控制弯沉值为0.127cm（2）当地基较硬时，控制单位压力为70KPa测定方法 承载板法与回弹模量的测法相似，区别在于是一次加荷到位，承载板的半径不同，为76cm。两种加载方法：（1）当地基较软弱时，控制弯沉值为0.127cm（2）当地基较硬时，控制单位压力为70KPa100sppCBR 3、加州承载比（CBR）定义早年由美国California提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示CBR值。测定方法标准压头面积为19.35cm2加载速率0.127cm/min取0.254cm对应贯入深度为时的单位压力。1）路基沉陷2）边坡滑塌 （1）溜方 （2）滑坡3）碎落和崩塌4）.路基沿山坡滑动5）.不良地质和水文条件造成的路基破坏5.5.路基的主要病害路基的主要病害二、路基病害防治二、路基病害防治路基病害防治措施包括：1.正确设计路基横断面，如坡度和高度等；2.选择良好的填料，必要时对上层填土作稳定处理；3.正确的进行填筑，确保压实度；4.适当提高路基，改善路基的干湿状况；5.正确进行排水设计；6.设置隔离层和隔温层；7.边坡防护与加固。1.抗剪强度1)定义：为材料受剪切时的极限或最大应力。2)原因：车辆行驶，特别是刹车时会产生较大的水平力，即剪力。3)抗剪不足会产生如下破坏：（1）路面结构层厚度较薄，路基中的剪应力过大，土基中剪切破坏；（2）无机结合料基层剪切破坏；（3）面层剪切破坏，造成推移等破坏。4)公式：摩尔库仑强度理论。5）测定 直剪试验或三轴压缩试验。六、六、路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性lg c2.抗拉强度1)原因：温缩、干缩，及车轮紧急制动时，车轮后侧的路面受到较大的拉应力。2)试验方法：（1）直接拉伸试验。（2）间接拉伸试验，即劈裂试验。3.抗弯拉强度1）原因：在车辆荷载作用下，路面结构处于弯曲工作状态。因此需要有抗弯拉强度。2）试验：简支小梁试验，三分点加载。1）颗粒材料的应力应变特性 无机结合料碎（砾）石材料。用三轴试验。应力应变呈现非线性。用回弹模量 表征。4.应力应变特性 应力应变特性的含义，可以用应力应变曲线表征，但多用模量随应力或应变的变化来表征。rE2）水泥稳定类材料的应力应变特性 包括水泥混凝土，水泥土，水泥稳定碎石等。单轴试验，三轴试验（最好是三轴试验）和室内承载板试验：测抗压回弹模量。小梁试验：测抗折弹性模量。和测抗弯拉强度的设备相同，主要要测挠度。3）沥青混合料的应力应变特性特性：低温，荷载较小，作用时间较短时，弹性；粘性：与温度和时间有关系。塑性：与温度和荷载大小有关系。高温，荷载较大，作用时间较长时，弹粘塑性TtTtS,)(参数：劲度七、路面材料的累积变形与疲劳特性七、路面材料的累积变形与疲劳特性1.1.累积变形累积变形1）病害：产生沉陷或车辙，即永久变形。2）影响因素：荷载的大小（，）和作用次数（，），路面路基材料特性3）碎砾石混合料累积变形 试验：三轴压缩试验。影响因素：荷载的大小和作用次数，级配（，），细料含量（，）。4）沥青混合料累积变形 试验：单轴或三轴压缩试验 影响因素：荷载的大小和作用次数，温度（，），集料的状况（棱角（，），密实级配比开级配的累积变形小。2 2疲劳特性疲劳特性1）定义：（1）疲劳：对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度降低的现象称为疲劳。（2）疲劳强度：出现疲劳破坏的重复应力值。（3）疲劳极限：疲劳强度随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。（4）应力比：重复应力与一次加载得出的极限应力之比称为应力比。（5）疲劳曲线：应力比与重复作用次数的关系曲线，称为疲劳曲线。（6）疲劳寿命：达到破坏的应力重复作用次数。2）研究疲劳特性的目的（1）了解其影响因素，以便改进材料；（2）寻求疲劳强度同反复应力作用次数间的定量关系（即疲劳方程），以便估计路面的疲劳寿命。