第九講 路面工程概論-2003

1、第九講第九講 路面工程概述路面工程概述道橋教研室道橋教研室 許鷹許鷹1本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容一、路面的功能及性能一、路面的功能及性能二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分三、路面的分類與分級三、路面的分類與分級四、行車荷載四、行車荷載五、路面材料的力學(xué)特性五、路面材料的力學(xué)特性2一、路面的功能及性能一、路面的功能及性能路面是在路基表面上用各種不同材料或混合料路面是在路基表面上用各種不同材料或混合料分層鋪筑而成的一種分層鋪筑而成的一種層狀結(jié)構(gòu)物層狀結(jié)構(gòu)物，使汽車在道，使汽車在道路上能全天候地行駛，并且保證汽車以一定的路上能全天候地行駛，并且保證汽車以一定的速度，安全、舒適及經(jīng)濟(jì)速度，

2、安全、舒適及經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。地運(yùn)行。 高等級路面約占道路總投資高等級路面約占道路總投資6070%。 低等級路面約占道路總投資低等級路面約占道路總投資2030%。3路面應(yīng)具有的性能路面應(yīng)具有的性能1、強(qiáng)度和剛度、強(qiáng)度和剛度2、氣候穩(wěn)定性、氣候穩(wěn)定性3、耐久性、耐久性4、表面平整度、表面平整度5、表面抗滑性、表面抗滑性6、低噪和少塵性、低噪和少塵性41、強(qiáng)度和剛度、強(qiáng)度和剛度 定義：結(jié)構(gòu)抵抗荷載定義：結(jié)構(gòu)抵抗荷載應(yīng)力應(yīng)力的能力的能力 結(jié)構(gòu)抵抗荷載結(jié)構(gòu)抵抗荷載應(yīng)變應(yīng)變的能力的能力 原理：車輛受力原理：車輛受力 路面受力路面受力 路面應(yīng)力（拉、壓、剪）路面應(yīng)力（拉、壓、剪） 路面強(qiáng)度破壞與剛度破壞路面強(qiáng)度

3、破壞與剛度破壞52、氣候（水溫）穩(wěn)定性、氣候（水溫）穩(wěn)定性 定義：路面在水溫條件影響下，強(qiáng)、剛度定義：路面在水溫條件影響下，強(qiáng)、剛度 變化的程度。變化的程度。 原理：條件原理：條件 環(huán)境因素客觀性環(huán)境因素客觀性 路面材料敏感性路面材料敏感性 水溫穩(wěn)定性破壞后果水溫穩(wěn)定性破壞后果63、耐久性（時間穩(wěn)定性）、耐久性（時間穩(wěn)定性） 定義：路面抗疲勞強(qiáng)度（由于車載重復(fù)作用）定義：路面抗疲勞強(qiáng)度（由于車載重復(fù)作用） 及材料老化（材性改變）的能力及材料老化（材性改變）的能力 原理：耐久性破壞后果原理：耐久性破壞后果疲勞開裂、塑變累積等疲勞開裂、塑變累積等 74、表面平整度、表面平整度 定義：定義：1公里內(nèi)

4、車身與后橋相對垂直位移累積值公里內(nèi)車身與后橋相對垂直位移累積值 規(guī)律：動荷系數(shù)與不平整度、車速的關(guān)系規(guī)律：動荷系數(shù)與不平整度、車速的關(guān)系 原理：表面平整度破壞后果：原理：表面平整度破壞后果： 行車阻力、沖擊振動、積滯降水行車阻力、沖擊振動、積滯降水 影響快速、安全、平穩(wěn)舒適、經(jīng)濟(jì)影響快速、安全、平穩(wěn)舒適、經(jīng)濟(jì)85、表面抗滑性、表面抗滑性 原則：路面應(yīng)平整且不應(yīng)光滑原則：路面應(yīng)平整且不應(yīng)光滑 原理：表面抗滑性破壞后果：附著摩阻力降低原理：表面抗滑性破壞后果：附著摩阻力降低 加之：雨雪、高速、起制動、彎道加之：雨雪、高速、起制動、彎道 打滑、降速、油耗、事故打滑、降速、油耗、事故96、低噪和少塵性

5、、低噪和少塵性 行車噪音行車噪音 平整度差、路面剛度大引起平整度差、路面剛度大引起 少塵性少塵性 砂石路面砂石路面 原理：真空吸力原理：真空吸力 揚(yáng)塵揚(yáng)塵 路面損壞、車輛損壞、視距、環(huán)境路面損壞、車輛損壞、視距、環(huán)境10二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分 面層面層 基層基層 底基層底基層 墊層墊層 土基土基11二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分二、路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分12三、路面分類與分級三、路面分類與分級1. 路面分類路面分類 (柔性、剛性、半剛性柔性、剛性、半剛性) 柔性路面柔性路面瀝青路面瀝青路面 剛性路面剛性路面水泥混凝土路面水泥混凝土路面剛度小，荷載作用下產(chǎn)生的剛度小，荷載作用下

6、產(chǎn)生的彎沉變形較大彎沉變形較大，路面結(jié)構(gòu)本身抗彎拉強(qiáng)度較低，土基的強(qiáng)度和穩(wěn)路面結(jié)構(gòu)本身抗彎拉強(qiáng)度較低，土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對整體結(jié)構(gòu)有較大影響。定性對整體結(jié)構(gòu)有較大影響。 抗彎拉強(qiáng)度很高，彈性模量較大（剛性），抗彎拉強(qiáng)度很高，彈性模量較大（剛性），荷載作用下荷載作用下彎沉變形極小彎沉變形極小，傳遞到基礎(chǔ)的單位壓，傳遞到基礎(chǔ)的單位壓力小。力小。 13三、路面分類與分級三、路面分類與分級1. 路面分類路面分類 半剛性路面半剛性路面 無機(jī)結(jié)合料（水泥、石灰）水硬性材料穩(wěn)定無機(jī)結(jié)合料（水泥、石灰）水硬性材料穩(wěn)定土、砂、礫石和工業(yè)廢料。后期強(qiáng)度增長較大，土、砂、礫石和工業(yè)廢料。后期強(qiáng)度增長較大，最終強(qiáng)度比

7、柔性路面強(qiáng)度高，比剛性路面強(qiáng)度低最終強(qiáng)度比柔性路面強(qiáng)度高，比剛性路面強(qiáng)度低，不耐磨，一般用作基層。，不耐磨，一般用作基層。14三、路面分類與分級三、路面分類與分級2. 路面分級（按公路等級和服務(wù)能力分）路面分級（按公路等級和服務(wù)能力分） 高級路面高級路面 次高級路面次高級路面 中級路面中級路面 低級路面低級路面15四、行車荷載四、行車荷載1、車輛分類、車輛分類2、軸型分類、軸型分類3、車載對路面的靜力作用、車載對路面的靜力作用4、車載對路面的動力作用、車載對路面的動力作用5、水平荷載與摩阻力、水平荷載與摩阻力6、車載橫向分布、車載橫向分布7、交通量的確定、交通量的確定8、交通量等效換算、交通量

8、等效換算9、累計交通量、累計交通量16四、行車荷載四、行車荷載1、車輛分類（機(jī)動車）、車輛分類（機(jī)動車） 客車客車 大、中、小大、中、小 貨車貨車 大（載重、牽引）、中、小大（載重、牽引）、中、小2、軸型分類、軸型分類 固定車身類固定車身類 牽引（鉸接）類牽引（鉸接）類 拖掛類拖掛類17四、行車荷載四、行車荷載3. 車載在路面的靜力作用車載在路面的靜力作用 垂直靜力垂直靜力P ：取決于輪重、輪壓、輪胎性質(zhì)：取決于輪重、輪壓、輪胎性質(zhì) 接觸接觸壓力壓力p ：分布不均：分布不均 輪胎內(nèi)壓：輪胎內(nèi)壓：pi=0.40.7 Mpa 一般：一般：p=(0.80.9) pi 特殊：特殊：p=(1.11.3)

9、 pi（舊舊胎、虧氣）胎、虧氣） p=(0.91.1) pi （行駛行駛升溫）升溫） 設(shè)計模型：均布、設(shè)計模型：均布、p = pi 接觸面積接觸面積A：實際為近似橢圓，設(shè)計中考慮為等：實際為近似橢圓，設(shè)計中考慮為等 面積的圓（當(dāng)量圓）面積的圓（當(dāng)量圓）單、雙圓單、雙圓18四、行車荷載四、行車荷載4、車載對路面的動力作用、車載對路面的動力作用 動載性質(zhì)：動載性質(zhì)： 輪載正態(tài)分布輪載正態(tài)分布 變差系數(shù)與動荷系數(shù)：車速、平整度、減震性變差系數(shù)與動荷系數(shù)：車速、平整度、減震性 瞬時性：瞬時性： 路面受荷時間短路面受荷時間短l應(yīng)力、應(yīng)變、變形不充分應(yīng)力、應(yīng)變、變形不充分相對強(qiáng)度提高相對強(qiáng)度提高 多次重復(fù)

10、作用多次重復(fù)作用 設(shè)計模型：（柔性路面）垂直設(shè)計模型：（柔性路面）垂直靜靜荷載荷載19四、行車荷載四、行車荷載5、水平荷載與摩阻力、水平荷載與摩阻力 水平荷載的幾種情況水平荷載的幾種情況啟動、正常行駛、加速啟動、正常行駛、加速減速、制動減速、制動轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 路面所受最大水平力路面所受最大水平力Qmax= P * fP 垂直力；垂直力；f P與路面車輪間的附著系數(shù)；與路面車輪間的附著系數(shù)；20四、行車荷載四、行車荷載5、水平荷載與摩阻力、水平荷載與摩阻力21四、行車荷載四、行車荷載6、荷載橫向分布、荷載橫向分布 分布情況：車道分布及輪跡分布分布情況：車道分布及輪跡分布車道系數(shù)車道系數(shù)輪跡橫向分布系

11、數(shù)：兩個條帶寬度頻率之和。輪跡橫向分布系數(shù)：兩個條帶寬度頻率之和。混合行駛雙車道混合行駛雙車道單向行駛單車道單向行駛單車道22四、行車荷載四、行車荷載7、交通量的確定、交通量的確定 交通量的概念交通量的概念 初始年平均日交通量初始年平均日交通量(AADT) 交通量觀測：人工交通量觀測：人工/自動（軸載譜）自動（軸載譜） 交通量預(yù)測：線形相關(guān)（趨勢外推法）交通量預(yù)測：線形相關(guān)（趨勢外推法） 多因素相關(guān)多因素相關(guān)36536511iiNN23四、行車荷載四、行車荷載8、交通量等效換算、交通量等效換算 定義：定義： 標(biāo)準(zhǔn)軸載：單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載：單軸雙輪組100KN 等效換算原則：等效換算原則：同一路

12、面結(jié)構(gòu)在不同車（軸）作用下達(dá)相同破同一路面結(jié)構(gòu)在不同車（軸）作用下達(dá)相同破壞程度；壞程度；以各種車（軸）為標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計的路面等厚；以各種車（軸）為標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計的路面等厚； 換算公式：換算公式：nsiisiPPNN車種類多，不同車型對路面影響不同。車種類多，不同車型對路面影響不同。 將將混合（不同車型）交通量混合（不同車型）交通量 按等效原則換算按等效原則換算為單一（標(biāo)準(zhǔn)車型）交通量的方法。為單一（標(biāo)準(zhǔn)車型）交通量的方法。24四、行車荷載四、行車荷載9、累計交通量、累計交通量 Ne的相關(guān)因素的相關(guān)因素113651teNN25五、路面材料的力學(xué)特性五、路面材料的力學(xué)特性1、路面材料的分類、路面材料的分

13、類2、路面材料的力學(xué)特性、路面材料的力學(xué)特性261、路面材料的分類、路面材料的分類 按照不同形態(tài)分按照不同形態(tài)分 松散顆粒型材料及塊料松散顆粒型材料及塊料 瀝青結(jié)合料類瀝青結(jié)合料類 無機(jī)結(jié)合料類無機(jī)結(jié)合料類27路面材料的力學(xué)特性路面材料的力學(xué)特性n抗剪性能抗剪性能n抗拉性能抗拉性能n抗彎拉性能抗彎拉性能n累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗疲勞性能28抗剪性能抗剪性能 三種破壞情況三種破壞情況路面結(jié)構(gòu)層過薄，路基路面整體結(jié)構(gòu)剪切破壞；路面結(jié)構(gòu)層過薄，路基路面整體結(jié)構(gòu)剪切破壞；粒料基層層位不合理，部分結(jié)構(gòu)剪切破壞；粒料基層層位不合理，部分結(jié)構(gòu)剪切破壞；面層材料抗剪強(qiáng)度不足，水平推力較大，引起縱面層材

14、料抗剪強(qiáng)度不足，水平推力較大，引起縱 向或橫向推移。向或橫向推移。29抗剪性能抗剪性能 材料抗剪強(qiáng)度的組成材料抗剪強(qiáng)度的組成 摩擦阻力摩擦阻力+粘結(jié)力（摩爾粘結(jié)力（摩爾-庫倫強(qiáng)度理論）庫倫強(qiáng)度理論） 提高材料抗剪強(qiáng)度的措施提高材料抗剪強(qiáng)度的措施 提高集料間摩擦阻力提高集料間摩擦阻力 提高結(jié)合料的粘結(jié)力提高結(jié)合料的粘結(jié)力30抗拉性能抗拉性能 破壞情況破壞情況 面層材料在氣溫驟降時產(chǎn)生收縮面層材料在氣溫驟降時產(chǎn)生收縮 面層材料（水泥砼、半剛性材料）因大氣濕面層材料（水泥砼、半剛性材料）因大氣濕 度變化引起干縮度變化引起干縮31抗拉性能抗拉性能 試驗方法試驗方法 直接拉伸試驗直接拉伸試驗 間接拉伸試

15、驗間接拉伸試驗32抗彎拉性能抗彎拉性能 路面結(jié)構(gòu)層受荷情況：各結(jié)構(gòu)層在車輪荷路面結(jié)構(gòu)層受荷情況：各結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下處于彎曲工作狀態(tài)，如果彎拉應(yīng)載作用下處于彎曲工作狀態(tài)，如果彎拉應(yīng)力大于抗彎強(qiáng)度即產(chǎn)生彎拉破壞。力大于抗彎強(qiáng)度即產(chǎn)生彎拉破壞。 試驗方法試驗方法三分點(diǎn)加載三分點(diǎn)加載33累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗疲勞性能 常見路面的極限破壞形式常見路面的極限破壞形式水泥混凝土路面水泥混凝土路面 疲勞破壞疲勞破壞瀝青路面瀝青路面 疲勞破壞和累積變形疲勞破壞和累積變形半剛性材料路面半剛性材料路面 疲勞破壞疲勞破壞碎礫石路面碎礫石路面 塑性變形累積塑性變形累積34累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗

16、疲勞性能 累積變形累積變形 影響因素：荷載大小、作用次數(shù)、材料特性影響因素：荷載大小、作用次數(shù)、材料特性 碎礫石碎礫石 瀝青混合料瀝青混合料35累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗疲勞性能 疲勞特性疲勞特性 概念概念疲勞：疲勞：疲勞破壞：疲勞破壞：疲勞極限：疲勞極限：路面材料在路面材料在低于低于靜載一次作用下的靜載一次作用下的極限應(yīng)力值極限應(yīng)力值時時出現(xiàn)破壞，這種材料強(qiáng)度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。出現(xiàn)破壞，這種材料強(qiáng)度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。材料微結(jié)構(gòu)的局部不均勻，誘發(fā)材料微結(jié)構(gòu)的局部不均勻，誘發(fā)應(yīng)力集中應(yīng)力集中而出而出現(xiàn)現(xiàn)微損傷微損傷，在應(yīng)力重復(fù)作用之下微量損傷逐步，在應(yīng)力重復(fù)作用之下微量損傷逐步累積擴(kuò)大

17、，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，稱為疲勞破壞。累積擴(kuò)大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，稱為疲勞破壞。重復(fù)應(yīng)力作用降至某一定值之后，重復(fù)應(yīng)力作用降至某一定值之后，經(jīng)受再多經(jīng)受再多的重復(fù)作用次數(shù)，也不發(fā)生疲勞破壞的重復(fù)作用次數(shù)，也不發(fā)生疲勞破壞，即疲，即疲勞強(qiáng)度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此穩(wěn)定值稱勞強(qiáng)度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此穩(wěn)定值稱為疲勞極限。為疲勞極限。36累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗疲勞性能 疲勞特性疲勞特性 水泥混凝土及無機(jī)結(jié)合料水泥混凝土及無機(jī)結(jié)合料 瀝青混合料瀝青混合料 控制應(yīng)力疲勞試驗控制應(yīng)力疲勞試驗 控制應(yīng)變疲勞試驗控制應(yīng)變疲勞試驗a) 控制應(yīng)力控制應(yīng)力 b）控制應(yīng)變）控制應(yīng)變37累積變形和抗疲勞性能累積變形和抗疲勞性能 Miner定律定律疲勞損傷假定疲勞損傷假定：各級荷載作用下的材料出現(xiàn)的：各級荷載作用下的材料出現(xiàn)的疲勞損傷可以線性疊加。疲勞損傷可以線性