《路面路基工程》2章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,路面路基工程,汽车与交通学院,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,学习要点：,掌握路基的承载能力，路基的变形、破坏及防治，路面材料的力学强度特性；,熟悉行车荷载，路面材料的累积变形与疲劳特性；,了解环境因素对路基路面的影响；,路面结构设计以轴重作为荷载标准,第一节,行车荷载,一,.,车辆的种类,客车,货车,小客车,中客车,大客车,整车,牵引式挂车,牵引式半挂车,设计时荷重以重型货车、大客车为主，路面表面特征以小汽车为主,荷重车轴,超载,中华人民共和国道路交通安全法,第四十八条 机动车载物应当符合核定的载质量，严禁超载；载物的长、宽、高不得违反装载要求，不得遗洒、飘散载运物。,中华人民共和国道路交通安全法实施条例,第五十四条 机动车载物不得超过机动车行驶证上核定的载质量，装载长度、宽度不得超出车厢，并应遵守下列规定：,(,一,),重型、中型载货汽车，半挂车载物，高度从地面起不得超过,4,米，载运集装箱的车辆不得超过,4.2,米；,(,二,),其他载货的机动车载物，高度从地面起不得超过,2.5,米；,二,.,汽车的轴型,我国的公路车辆轴限为,100KN,三,.,汽车对道路的静态压力,由轮胎传给路面的垂直压力,p,1.,影响因素,汽车轮胎的内压力,p,i,（,p,约为,0.8,0.9 p,i,）,p,轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状,(,椭圆,),：刚度,p,轮载的大小,2.,计算：,假定：,轮胎与路面的接触形状为圆形，,荷载均布均匀，,并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力,p,。,（,2-1,）,（,2-3,）,（,2-2,）,当量圆半径的计算,单圆,双圆,双轮组车辆,我国规范规定：标准轴载,BZZ-100,的,P,=100/4kN,，,P=700KPa,d=0.213m,D=0.302M,比较复杂的轮胎接地面积计算,四,.,运动车辆对道路的动态影响,1.,动态力,水平力,(,滚动摩阻,/,加减速制动摩擦力,/,弯道侧向摩擦力,),、振动力,路面附着系数,f,与路面结构类型、干湿状态及车速有关,（,2-4,）,2.,振动轮载,（,3,）变异性的影响因素,行车速度,路面的平整度,车辆的振动特性,设计荷载,静轮载乘以冲击系数,（,1,）原因：自身振动、路面不平,（,2,）特性：变异性,指标：冲击系数,=P,MAX,/P,静,（,1,）荷载瞬时性,动荷载作用下路面变形减小,（,2,）重复轮载作用,疲劳破坏或变形积累,3.,动态影响的特性：,所以：重视通行能力,五,.,交通分析,1.,交通量,:,（,1,）初始年平均日交通量：,（,2-6,）,（,2,）设计年限内累计交通量：,（,2-7,）,一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量,（交通调查：车辆数,/,车辆类型,/,货车满载程度）,（年平均交通量、高峰小时交通量、日分布不均匀系数、年增长率）,2.,轮轴组成与等效换算,（,1,）轴载谱：,各级轴载所占的比例,（,2,）轴载作用次数：,每日通行的轴载数,相应的轴载谱百分率,（,3,）标准轴载当量作用次数,标准轴载：,双轮组单轴轴载,100kN,等效换算原则：,同一种路面结构在不同轴载作,用下达到相同的损伤程度,轴载换算系数：,（,2-8,）,式中：,P,s,标准轴载重，,kN,；,N,s,标准轴作用次数；,P,i,、,N,i,i,级轴载重及作用次数,反映轴型和轮组轮胎数影响的系数；,n,同路面结构特性有关的系数。,3.,轮迹横向分布,路面结构设计中，用横向分布系数,来反映轮迹横向分布频率的影响，通常取宽度为两个条带宽，即,50cm,。,车轮的轨迹总在横断面中心附近一定范围内左右摆动，由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一点，而是按一定规律分布在车道横断面上,第二节,环境因素影响,一,.,主要影响因素,温度和湿度,（一）温度影响,1.,温度影响规律,温度对沥青混凝土动弹性模量的影响,湿度对路基刚度的影响,观测结果分析：,路表温度变化与气温大致同步，但温度较气温高,沥青面层温度日变化曲线,水泥混凝土面层温度日变化曲线,不同深度处的温度同样随气温变化呈周期变化，升降幅度随深度增加而减小，峰值出现也随深度增加而滞后,观测结果分析：,顶面与底面之间的温差，在一天内经历了由负到正，再由正到负的循环变化,温度梯度变化与气温变化大致同步，具有周期性特点,一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度日变化曲线,水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线,2.,影响温度状况的因素,外部因素：,太阳辐射、气温,、风速、降水量等,内部因素：结构层材料的热物理特性参数,（,1,）影响因素,（,2,）温度状况预估方法,统计方法,和,理论方法,统计方法：通过连续观测及气象资料收集，建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程,:,T,max,= a + bT,amax,+ cQ,（,2-9,）,理论方法：应用热传导理论方程式推演出各项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式,（二）,湿度影响,1.,影响湿度状况的因素,降水、地面积水、地下水侵入,地下水影响高度：粘土：,6m,，砂质粘土或粉土：,3m,，砂土：,0.9m,。,2.,保持路基路面干燥的主要方法,（,1,）设置良好的地面排水和路面排水设施,（,2,）采用不透水面层,（,3,）处置路肩，防止水渗入,第三节,土基的力学强度特性,一,.,路基受力状况,1.,车轮荷载作用下的垂直应力：,（,2-10,）,2.,路基自重作用下的垂直压应力：,（,2-11,）,二,.,路基工作区,1.,路基工作区,概念：,在路基某一深度,Z,a,处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为,1/101/5,时，该深度,Z,a,范围内的路基称为,路基工作区,2.,路基,工作区深度,Za,：,（,2-12,）,三,.,路基土的应力应变特性,（一）路基土变形,弹性变形,过大,疲劳开裂,塑性变形,过大,沥青路面车辙和纵向不平整,水泥混凝土路面板块断裂,（二）路基土应力,-,应变特性研究,1.,压入承载板试验：,以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面，逐级加荷卸荷，记录所施加的荷载及引起的沉降变形，绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。,（,1,）方法：,特性：非线性,（,2,）土基回弹模量计算：,（,2-13,）,式中：,l,承载板的回弹变形，,m,；,土体的泊松比,E,并不是常数,2.,三轴试验：,（,2-14,）,土基的应力,-,应变呈现,非线性特性,3.,土基应力,-,应变的弹塑性性质,模量表示,初始切线模量,切线模量,割线模量,回弹模量,4.,土基应力,-,应变非线性特性的函数表达形式,（,1,）砂性土：,式中：,全应力，,kPa,；,K,1,、,K,2,回归常数。,（,2,）粘性土：,式中：,1,，,3,最大、最小主应力；,K,1,，,K,2,回归常数；,K,3,，,K,4,回归常数；,K,系数，当（,1,3,）,K,1,，,K=K,3,；当（,1,3,）,K,1,，,K=K,4,。,路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关，且与荷载作用的持续时间有关。,土的,流变特性,：施加荷载的初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后趋于稳定。,四,.,重复荷载对路基土的影响,车轮荷载多次重复作用,塑性变形积累，总变形增大,土体逐渐压密，塑性变形量愈来愈小。,产生剪切变形，形成引起土体整体破坏的剪裂面。,为适应车轮荷载重复作用这一特点，可采用重复加载的三轴试验来确定土的回弹模量。,土的性质和状态,相对荷载,荷载作用性质,最终状况的取决因素,第四节,土基的承载能力,以一定应力级位下的抗变形能力表征,回弹模量、,地基反应模量、,参数指标,加州承载比,一,.,土基回弹模量,反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形能力，可应用弹性理论,方法：,承载板法,1.,柔性压板：,（,1,）接触压力为常量：,（,2-18,）,（,2,）压板中心处挠度：,（,2-19,）,（,3,）压板边缘处挠度：,（,2-20,）,2.,刚性压板：,土基顶面,挠度,为,常量,，接触,压力,随,r,成,马鞍形分布,（,2-21,）,（,2-22,）,（,2-23,）,二,.,地基反应模量,用温克勒地基模型描述土基工作状态,1.,地基反应模量,K,定义,：,根据温克勒地基假定，土基顶面任一点的弯沉,l,仅与作用于该点的垂直压力,p,成正比，而同相邻点处压力无关，则压力,p,与弯沉,l,之比称为,地基反应模量,K,，即：,K = p / l kN/m,3,2.,试验方法：承载板法,板直径：,76cm,加载方式：一次加载到位,施加荷载量,地基较软弱：用,0.127cm,的弯沉量控制荷载,地基较坚实：以单位压力,p,70kPa,控制荷载,载荷板直径影响：,直径越小，,K,值越大,K,76,= 0.4K,30,（,2-25,）,地基回弹反应模量：,K,R,= 1.77K,（,2-26,）,三,.,加州承载比,（,CBR,）,1.,加州承载比,定义：,承载力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高标准碎石为标准，以它们的相对比值表示,2.,试验方法：,用端部面积为,19.35cm,2,的标准压头，以,0.127cm/min,的速度压入土中，记录每贯入,0.254cm,的单位压力，直至压入深度为,1.27cm,为止，则：,（,2-27,）,第五节,路基的变形、破坏及防治,一,.,路基的主要病害,1.,路基沉陷,路基沉陷：,路基表面在垂直方向产生较大的沉落。,路基沉缩：,路基填料不当，填筑方法不合理，在路基内部形成过湿的夹层等因素，在荷载和水温综合作用下，引起路基沉缩。,地基沉陷：,原天然地面承载力极低，路基修筑前未处理，在路基自重作用下，地基下沉或向两侧挤出,2.,边坡滑塌,溜方：,由于少量土体延土质边坡向下移动所形成。,滑坡：,一部分土体在自重作用下沿某一滑动面滑动。,滑坡原因：,边坡坡度过陡；边坡坡脚被冲刷淘空；填土层次安排不当,堑滑坡原因：,边坡高度和坡度与天然岩土层次性质不适应；粘性土层和蓄水的砂石层交替蕴藏；有倾向于路堑方向的斜坡层理存在,4.,路基沿山坡滑动：,在较陡的山坡填筑路基，路基底部被水浸湿，坡角又未进行必要的支撑，在荷载作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动，路基整体失稳。,5.,不良地质和水文条件造成的路基破坏：,公路通过不良地质条件（如泥石流、溶洞等）和较大的自然灾害（如大暴雨）地区，均可能导致路基大规模破坏。,3.,碎落和崩塌：,路堑边坡风化岩层表面，在大气温度、湿度以及冲刷、动力作用下，表面岩石从坡面剥落下来，向下滚落。,二,.,路基病害的防治,正确设计路基横断面,选择良好的路基用土,采取正确的填筑方式，充分压实路基,适当填高路基,必要时设计隔离层、隔温层及砂垫层,采取边坡加固、修筑挡土结构物等防护技术措施,第六节,路面材料的力学强度特性,路面材料,松散颗粒型材料及块料,沥青结合料,无机结合料,一,.,抗剪强度,1.,剪切破坏,路路面结构层较薄，刚度不足，车轮荷载通过薄层传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体发生剪切破坏,无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏,面面层结构的材料抗剪强度较低，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏,2.,抗剪强度：,（,2-28,）,式中：,c,材料的粘结力，,kPa,；,材料的内摩阻角,沥沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、试验温度、加荷速率等因素有关,沥沥青含量越多，,值下降越多，而集料级配良好，有助于提高,二,.,抗拉强度,1.,抗拉强度来源,：,由混合料中结合料的粘结力提供,2.,抗拉强度测试试验,直接拉伸试验,间接拉伸试验（劈裂试验）,（,2-29,）,（,2-30,）,水泥混凝土：,三,.,抗弯拉强度,（,2-31,）,式中：,P,破坏荷载，,kN,；,l,支点间距，,m,混凝土抗折强度标准试件尺寸为,150mm,150mm,550mm,，集料粒径应不大于,40mm,。,试验规程：,四,.,应力应变特性,1.,无结合料碎、砾石材料,应力应变特性：,明显的非线性特性，弹性模量随偏应力的增大而减小，随侧压力的增大而增大。,（,2-32,）,碎碎、砾石材料的回弹模量同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关，取值范围为,100,700MPa,。,2.,水泥混凝土以及用无机结合料处治的混合料,试试验方法：,单轴试验,、,三轴试验,以及,小梁试验,混混凝土的抗压弹性模量：,无机结合料混合料采用承载板法测定的回弹模量：,（,2-34,）,式中：,l,相应于单位压力,p,的回弹变形，,m,。,无机结合料混合料应力应变特点：应力应变关系呈非线性，应力较低时，应力,-,应变曲线可近似为线性。,3.,沥青混合料,应力应变特性：,沥青混合料在荷载作用下的应力,-,应变具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。,沥沥青混合料压缩蠕变试验,沥青混合料受力较小，且作用时间十分短暂时，基本处于弹性状态并兼有弹粘性性质。,沥青混合料受力较大，且作用时间较长时，应力,-,应变关系呈现出弹性，弹,-,粘性和弹,-,粘,-,塑性等不同性状。,说明：,沥青混合料的,劲度模量,：,在给定温度和加荷时间条件下的应力,-,应变关系参数,（,2-36,）,说明：,加荷时间短或温度较低时，材料处于弹性状态；加荷时间长或温度较高，表现为粘滞性状态，中间过渡段兼有弹,-,粘性状态。,第七节,路面材料的累积变形与疲劳特性,路面材料处于弹塑性工作状态，重复荷载作用引起塑性变形积累，累积变形超出一定限度时，出现破坏极限状态,路面材料处于弹性工作状态，重复荷载作用下虽不产生塑性变形，但结构内部产生微量损伤，微量损伤达到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂,路面结构在重复荷载作用下处于何种破坏极限状态，与路面所用材料、大气温度、湿度等均有关系。,一,.,累积变形,易产生车辙或沉陷,1.,碎、砾石混合料,级配良好的混合料在重复加载试验中，当偏应力低于某一值时，塑性变形随作用次数增加而增加，且逐渐趋于稳定。偏应力较大时，塑性变形量随作用次数的增加而不断增加，直至破坏。,级配不良或含有细粒过多的混合料，在应力重复作用多次后，塑性变形累积过大，不宜修筑路面。,2.,沥青混合料,塑性变形量随重复作用次数的增加而增加。,温度越高，塑性变形累积量越大。,同一温度下，控制累积应变量的是加荷时间总和，而不仅是重复作用次数。,影响累积变形的因素，除温度、施加应力大小及加荷时间外，同集料的状况也有关。,二,.,疲劳特性,关于疲劳的几个概念：,疲劳,：对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的极限应力时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。,疲劳破坏,：由于材料微结构局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用下微损伤逐步累积扩大，导致结构破坏。,疲劳强度,：出现疲劳破坏的重复应力值。,疲劳极限,：材料在应力重复一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此温度值为疲劳极限。,1.,水泥混凝土及无机结合料处治的混合料,应力比增大，出现疲劳破坏的重复作用次数降低。,重复应力级位相同时，,N,f,变化幅度较大，试验结果离散，但概率分布基本符合对数正态分布。,疲劳方程：,N,f,10,7,时，应力比为,0.55,，此时尚未发现疲劳现象。,应力比小于,0.75,时，重复应力施加的频率对试验结果影响很微小。,2.,沥青混合料,疲劳特性室内试验采用简支小梁或圆柱体试验等方法，有两种试验方法：,控制应力,与,控制应变,。,控制应力,试验，材料的疲劳破坏以试件出现,断裂,为标志；而,控制应变,试验，可以以,劲度模量下降到初始值的,50,作为疲劳破坏的标准。条件相同试验中，控制应变试验所得疲劳寿命大得多。,较厚的沥青面层，宜采用控制应力试验方法；较薄的沥青面层，宜采用控制应变的试验方法。,3.,曼诺定律,问题的提出：室内疲劳试验一般采用单一不变的应力或应变作为重复加载的基本模式，而实际路面受到的是重力不同的车辆荷载，所以需解决,如何综合不同荷载的疲劳作用,问题。,曼诺定律,：各级荷载作用下材料所出现的疲劳损坏可线性叠加：假设某一级荷载,P,i,作用,N,i,此后材料达疲劳破坏，则该荷载作用一次相当于消耗材料疲劳寿命的,1/N,i,，实际各级荷载的作用次数为,n,i,，则相应各级荷载消耗的疲劳寿命为,n,i,/N,i,。在各级荷载作用下，材料的综合疲劳损伤为：,（,2-40,）,提高路面抗疲劳性能的措施：,合理的材料设计,合理的结构设计,