車輛載荷作用下土壤力學(xué)特性

1、車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性探討長 安 大 學(xué)地面力學(xué)作業(yè)論文題 目_車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性探討_學(xué) 院 工程機械學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 楊士敏 二一二年四月十二日15車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性探討摘要：在分析行車載荷相關(guān)特性的基礎(chǔ)上，探究了車輛的種類、軸型因素以及汽車對路面的靜態(tài)和動態(tài)影響，下來分析了土體在垂直載荷作用下的應(yīng)力變形關(guān)系和土體在水平載荷作用下的應(yīng)力變形關(guān)系。通過理論分析、研究以及未來展望，提出了解決問題的措施，得出了車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性研究的方案，并且對將來的這方面地面力學(xué)工作做出展望。關(guān)鍵詞：車輛 載荷 土壤 力學(xué)特性 在對車輛載荷作用

2、下土壤的力學(xué)特性探究中，經(jīng)過實踐證明，行車載荷作為重要因素應(yīng)該首先被理論研究，解決這些問題對整個課題實施具有指導(dǎo)意義。1 行車荷載的相關(guān)特性及對路面的影響1.1車輛的種類 道路上通行的車輛主要分為客車和貨車兩大類。 客車又分為小客車、中客車、大客車。小客車自重與滿載總重都比較輕，單車速比較快，一般可達(dá)120km/h；中客車一般包括6個座位至20個座位的中型客車；大客車是指20個座位以上的客車，主要用于長途客運與城市公路交通。 火車分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。貨車的總的發(fā)展趨向事項大噸位發(fā)展，特別是集裝箱運輸水陸聯(lián)運開戰(zhàn)之后，貨車最大噸位已經(jīng)超過40t-50t。 汽車的總載荷通過車軸和車

3、輪傳遞給路面，所以路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要以軸載作為載荷標(biāo)準(zhǔn)。在道路上行駛的多種車輛的組合中，重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、小型客車影響很小，有時可以不計。但是在考慮路面表面特性要求時，如如平整度、抗滑性等，以小汽車為主要對象，因為小車的行駛速度高，所以要求在高速行駛條件下具有良好的平穩(wěn)性與安全性。1.2汽車的軸型 無論是客車還是貨車，車身的全部重力都通過車軸上的輪子傳給路面，因此，對于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，更加重視汽車的軸載。由于軸載的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載能力與結(jié)構(gòu)強度，為了統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和便于交通管理，各個國家對于軸載的最大限度均有明確的規(guī)定。據(jù)國際道路聯(lián)合會1989年公布的統(tǒng)

4、計數(shù)據(jù)，在141個成員國和地區(qū)中，軸限最大的為140kN，而通常我國的道路車輛軸限為100kN。 通常，整車的形式的客、貨車車軸分前軸和后軸。絕大部分車輛的前軸為兩個前輪組成的單軸，軸載約為汽車總重力的1/3。每一根后軸的軸載大約為前軸軸載的兩倍。目前，在我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般在60-130kN以下。 由于汽車貨運向大型重載方向發(fā)展，貨車的總載有增加趨勢。 1.3汽車對道路的靜態(tài)壓力 汽車在道路上行駛分為停駐和行駛狀態(tài)。當(dāng)汽車處于停駐狀態(tài)時，對路面的作用力為靜態(tài)壓力，主要是由輪胎傳給路面的垂直壓力p，它的大小受下述因素的影響： 1.汽車輪胎的內(nèi)壓力pi； 2.輪胎的剛度和輪胎與路

5、面接觸的狀態(tài)； 3.輪載的大小。 貨車輪胎的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)壓力pi一般在0.4-0.7MPa范圍內(nèi)。通常輪胎與路面接觸面上的壓力p略小于內(nèi)壓力pi，約為（0.8-0.9）pi。車輪在行駛過程中，內(nèi)壓力會因輪胎充氣溫度升高而增加，因此，滾動的車輪接觸壓力也有所增加，達(dá)到（0.9-1.1）pi。圖1.1 車輪載荷計算圖式a單圓圖示；b雙圓圖示. 輪胎與路面的接觸面形式如圖1.1所示，它的輪廓近似于橢圓形，因其長軸與短軸差別不大，在工程設(shè)計上以圓軸來表示。將車輪載荷簡化成當(dāng)量的圓形均布載荷，并采用輪胎內(nèi)壓力作為輪胎接觸壓力p。當(dāng)量圓的半徑d可以按公式確定。d= 式中：P作用在車輪上的載荷(kN); p輪胎接

6、觸壓力（kPa）； d接觸面當(dāng)量圓半徑（m）。 1.4運動車輛對道路的動態(tài)影響 汽車在道路上等速行駛，車輪受到路面給它的滾動摩擦力，路面也相應(yīng)受到車輪施加于它的一個向后的水平力；汽車在上坡行駛，或者在加速行駛過程，為了克服重力與慣性力，需要給路面施加向后的水平力，相應(yīng)在下坡或者加速行駛過程，為了克服重力與慣性力作用，需要給路面施加向前的水平力。汽車在彎道上行駛，為了克服離心力，保護(hù)車身平穩(wěn)不產(chǎn)生那個側(cè)滑，需要給路面施加側(cè)向的水平力。特別是在汽車起動和制動過程中，施加于路面的水平力相當(dāng)大。 車輪施加于路面的各種水平力Q值與車輪的垂直壓力P，以及路面與車輪之間的附著系數(shù)有關(guān)（圖1.2），其最大值Q

7、max不會超過P與的乘積，即：QmaxP圖1.2 車輪作用與路面的垂直壓力與水平力a.停駐；b.起動、一般行駛、加速；c.減速、制動；d.轉(zhuǎn)向 若以q和p分別表示接觸面上的單位水平力和單位只接觸壓力，則最大水平力qmax應(yīng)滿足：qmaxp 的最大值一般不超過0.7-0.8，同路面類型和濕度以及行車速度有關(guān)，相同的路面結(jié)構(gòu)類型，干燥狀態(tài)的值比潮濕狀態(tài)高；路面結(jié)構(gòu)類型和干燥狀態(tài)相同的情況下，車速越高，越小。圖1.3 一定車速下軸載的動態(tài)波動 汽車在道路上行駛，由于自身的振動和路面的不平整，汽車論實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，作用在路面上的輪載時而大于靜態(tài)輪載，時而小于靜態(tài)輪載，呈波動態(tài)，

8、圖1.3即為軸載波動的實例。 正常情況下，變異系數(shù)一般均小于0.3。 美國各州公路工作者協(xié)會(AASHO)試驗路曾對不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面變形進(jìn)行測量（圖1.4），結(jié)果表明，當(dāng)車行駛速度3.2km/h提高到56km/h，瀝青路面的總彎沉減小36%；當(dāng)行車速度由3.2km/h提高到96.7km/h，水泥混凝土路面的半角繞度和板邊應(yīng)量減小29%左右。圖1.4 車速與路面變性的關(guān)系1.剛性路面，板角繞度和板邊應(yīng)變量隨車速的變化；2.柔性路面，表面總彎沉量隨車速的變化 汽車載荷對路面的多次重復(fù)作用也是一項重要的動態(tài)影響。在行車繁密的道路上，路面的結(jié)構(gòu)每天將承受上千次，甚至數(shù)萬次車輪載荷作用

9、，在路面的整個使用期限內(nèi)，承受的輪載作用次數(shù)更為客觀。路面承受一次輪載作用和承受多次重復(fù)載荷作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，也就是材料的強度將隨荷載重復(fù)次數(shù)的增加而降低。2 車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性2.1土體在垂直載荷作用下的應(yīng)力變形關(guān)系 土的抗壓強度直接影響到車輛的下陷及其行駛阻力。為了確定土的抗壓強度，必須知道土的垂直變形規(guī)律，也即法向應(yīng)力p和土的垂直變形z的關(guān)系。 車輛以快速的作用方式給土體移動載荷，所以車輛行走裝置的沉陷是瞬時的，而且土中有效壓力的波及范圍，一般不超過0.6m深度，同時在沉陷時經(jīng)常將土體破壞，形成車轍。目前，各國學(xué)者都在研究用實驗的方法建立某些半經(jīng)驗公式，來表達(dá)沉淀量

10、z和法向應(yīng)力p的關(guān)系。圖2.1 土的沉陷曲線 前蘇聯(lián)學(xué)者魯利亞采用一般公式，表示土體支承面積上的壓力p和平板下陷深度z之間的關(guān)系，即： 式中：K土的變形模量； n土的變形指數(shù)。 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，n值一般在0-3之間，并且隨土的含水率而改變。含水率小的黏土壤呈彈性變形時n=1；而n1相當(dāng)于隨著載荷增加，車輪下陷深度的增加減慢時的情況，這時土為硬實土體，若含水率接近于液限，則n=0；n10.5-1.05-7（L為載荷板長邊的長度），這樣可以減小土體不均勻的影響。壓入速度一般為2.5-5cm/s。 2.2土體在水平載荷作用下的應(yīng)力變性關(guān)系 當(dāng)輪胎或履帶被驅(qū)動時，它們在和地面接觸的面積上產(chǎn)生剪切作用

11、（圖2.2）。為了預(yù)測車輛的牽引力和打滑，還需要了解土中剪切應(yīng)力和剪切變形之間的關(guān)系。圖2.3 剪切實驗示意圖圖2.2 輪胎和綠帶的剪切作用 根據(jù)土的抗剪強度公式，我們可以分析車輛的最大牽引力。 土的剪切應(yīng)力和剪切變形之間的關(guān)系，由剪切試驗來決定。為了更近似的模擬車輛行走裝置剪切土體的過程，我們引入長方形或者圓環(huán)形剪切板的剪切測試儀器（圖2.3）。一塊尺寸為b*L的具有履刺的壓板，上面作用有垂直載荷W，當(dāng)用拉力P移動壓板時，得一相應(yīng)變性j。如果用不同載荷W重復(fù)進(jìn)行操作，并用壓板面積b*L分別除P和W值，就可確定相應(yīng)的單位壓力下的土體剪應(yīng)力與土體變形j間的關(guān)系。圖2.4 剪切應(yīng)力變形曲線圖 對于

12、脆性土（未經(jīng)攪動的堅實土，如堅實的砂、粉土、壤土和凍結(jié)的雪等），在一定單位壓力下的抗剪應(yīng)力和土體變形的關(guān)系，見圖2.4中的曲線B。曲線出現(xiàn)峰值的原因是由于土礫的咬合作用引起的，當(dāng)土粒的咬合作用被克服以后，只剩下表面摩擦力，因此抗剪強度降低。對于這種土，必須的壓實程度能較快達(dá)到，抗剪應(yīng)力往往再出現(xiàn)“駝峰”后，再降低到恒定值，即為剩余剪切應(yīng)力。這是因為，在移位時土的原來結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，新的結(jié)構(gòu)不具有原始結(jié)構(gòu)的抗剪強度，只有摩擦力，沒有黏性力，因而值迅速降低。對于塑性土，試驗曲線如曲線A所示，其抗剪強度發(fā)生在相當(dāng)于土被壓實的距離ja時，往后此抗剪應(yīng)力實際上保持不變，其數(shù)值大小與以后的土體位移無關(guān)，照樣

13、存在黏性力和摩擦力，其特點為由彈性流動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲃印?2.3土的物理值組的結(jié)構(gòu) 在評價地面車輛系統(tǒng)時，假定一組使系統(tǒng)最佳化的土壤平均值或極值的方法，常常是有用的。在目前的技術(shù)狀態(tài)下，許多地區(qū)缺少詳細(xì)的土的數(shù)據(jù)及其空間時間性分布，這種假設(shè)尤其有益。顯然，應(yīng)使所假設(shè)的n、Kc、K、值具有實際可用資料。雖然猜測、c值的大小也許容易，但想象n、Kc、K值的相關(guān)關(guān)系確實困難的，至于要嚴(yán)格把c、和n、Kc、K值相互相關(guān)聯(lián)，結(jié)果不是不可能，也是十分困難的。Karafiath在1957年曾經(jīng)證明：對于純摩擦土體，K、n可能在理論上和有關(guān)。但他也證明：對于內(nèi)聚性土，從其他土體值推導(dǎo)Kc是不可能的。這對于土

14、的所有強度參數(shù)（c、）和變形參數(shù)（n、Kc、K、）是普遍正確的。這些參數(shù)可獨立地表示應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的特征，正如屈服應(yīng)力以及彈性模數(shù)可表示金屬的機械性質(zhì)那樣。另一方面，在屬于給定組的土的參數(shù)值，與在給定含水率下表征給定土體特性的土體值之間，必須直觀的假定某些相互的數(shù)字關(guān)系。同樣，n值高的土只能和干的摩擦性土有聯(lián)系，而n值低的土則是高濕度的內(nèi)聚性土和摩擦性土。因為n、Kc、K、之間沒有理論關(guān)系，對于上述關(guān)系的存在及其最終的數(shù)字性的唯一論證只可能是經(jīng)驗性的。為此，將從美國的幾個州和泰國不同地區(qū)收集的40組土的參數(shù)值（表略），以便進(jìn)行經(jīng)驗性地論證。3 車輛地面相互作用系統(tǒng)探究展望 綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，

15、當(dāng)前車輛和路面相互作用的研究中存在以下幾個方面的問題：圖3.1 車輛路面一般研究方法示意圖 1.多層體系在運動負(fù)荷和動力負(fù)荷(大小變化，位置不變)下的動力響應(yīng)問題在國外有一定的研究，但都不夠深入，而在國內(nèi)至今仍是一個空白 目前對動力荷載下的動力響應(yīng)已有了理論研究，主要為2種方法，一種是傳遞矩陣法，另一種是廣義射線法(又稱射線追蹤法) 但是所得到的響應(yīng)的精確解最多也只能對2層介質(zhì)有救，當(dāng)層數(shù)達(dá)到3層或超過3層時根本無法繼續(xù)追蹤計算。動力荷載下的動力響應(yīng)的數(shù)值研究主要也有2種方法，即有限元法和邊界元法，但對運動負(fù)荷的動力響應(yīng)目前主要是有限元法的數(shù)值解法。 2.作用的荷載不真實。目前的荷載作用形式基

16、本上是軸對稱正向荷載，且輪胎印跡內(nèi)接觸壓力平均。實際上輪胎對路面接觸壓力并非圓形均布荷載而是隨著車輛參數(shù)、路面不平度的不平而變化。對于隨機荷載作用下路面層狀體系動力響應(yīng)的研究，無論在理論上還是在數(shù)值上，在國內(nèi)外都是一個全新的領(lǐng)域，尚無人涉及。 3.目前，路面力學(xué)模型基本上是二維的，對三維模型的研究極少。二維模型僅能分析軸對稱荷載情況下路面的應(yīng)力和應(yīng)變，而只有三維模型才能分析非軸對稱荷載的情形，這特別適用于隨機荷載下的路面響應(yīng)。 4.瀝青材料本質(zhì)上是粘彈性材料，而目前國內(nèi)路面實際設(shè)計分析中卻僅考慮路面材料的彈性性質(zhì) 一個重要原因是在國內(nèi)考慮各種性質(zhì)的路面分析、設(shè)計還沒有形成一個完整體系。應(yīng)完善這

17、個體系，使路面設(shè)計的方法更加完善。 5.現(xiàn)有用于車路相互作用研究的車輛模型基本上是平面模型 現(xiàn)實情況是車輛左右車輪對路面的動態(tài)力并不完全一樣，而且平面模型忽略了車輛側(cè)傾的影響 應(yīng)建立空間模型，這樣才能更好地分析車輛參數(shù)對動態(tài)輪胎力的影響。 6.現(xiàn)有的路面分析、設(shè)計軟件基本上是 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想來編制的。目前采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計與分析思想(OOD，OOA)已成為主流。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計與分析思想以其數(shù)據(jù)封裝性好、移植性好以及可以完成漂亮的人機用戶界面而受到青睬JANEY JIANG(1998)編制了KBES(KnowledgeBased Expert Syslem)用于路面的分析與設(shè)計。KBES外殼就是用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言VisualBasic進(jìn)行包裝而其內(nèi)核則采用c語言編寫。此軟件具有良好的圖形用戶界面使非道路專家使用此軟件進(jìn)行路面設(shè)計也可得心應(yīng)手。采用面向?qū)ο蟮乃枷牒蛢?yōu)秀的圖形開發(fā)工具開發(fā)出來的車輛和路面相互作用系統(tǒng)軟件將有很好的應(yīng)用價值。4 結(jié)語 總而言之，車輛載荷作用下土壤的力學(xué)特性因素主要有兩個方面。其一是行車載荷的研究；其二是對車輛載荷作用下土體的應(yīng)力變形關(guān)系研究。根據(jù)對車輛載荷作用的研究表明，貨車輪胎的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)壓力pi一般在0.4-0.7MPa范圍內(nèi)，附著系數(shù)的最大值一般不超過0.7-0.8。又根據(jù)土體應(yīng)力變形關(guān)系研究，土的變形指數(shù)n值一般在0-3之間，公式和隨