荷載 環(huán)境 力學(xué)特性

1、第九章 行車荷載 環(huán)境因素和力學(xué)參數(shù)9.1 行車荷載行車荷載9.2 環(huán)境因素環(huán)境因素9.3 路面材料的力學(xué)特性路面材料的力學(xué)特性9.1 行車荷載行車荷載 1、行車荷載及其對(duì)路面的影響汽車荷載既是路基路面的服務(wù)對(duì)象，又是造成路基路汽車荷載既是路基路面的服務(wù)對(duì)象，又是造成路基路面結(jié)構(gòu)損傷的主要原因；面結(jié)構(gòu)損傷的主要原因；它是不斷移動(dòng)著的、具有振動(dòng)和沖擊影響的動(dòng)荷載；它是不斷移動(dòng)著的、具有振動(dòng)和沖擊影響的動(dòng)荷載；汽車荷載的特性包括汽車輪重與軸重的大小與特性、汽車荷載的特性包括汽車輪重與軸重的大小與特性、車軸的布置、汽車軸載的時(shí)間分布特性、以及汽車靜車軸的布置、汽車軸載的時(shí)間分布特性、以及汽車靜態(tài)與動(dòng)

2、態(tài)荷載的特性比較等不同方面。態(tài)與動(dòng)態(tài)荷載的特性比較等不同方面。2、車輛的種類與作用特點(diǎn)道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。客車又分為小客車、中客車與大客車；客車又分為小客車、中客車與大客車；貨車又分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。貨車又分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以軸重或者輪壓來進(jìn)行控制。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以軸重或者輪壓來進(jìn)行控制。軸載軸型分布 單軸單輪 單軸雙輪雙軸單輪雙軸雙輪多軸多輪 汽車的軸型圖圖2-1 2-1 不同軸型的貨車示意圖不同軸型的貨車示意圖3、軸輪組與軸重 整車分前軸和后軸，絕大部分車輛的前軸為兩整車分前

3、軸和后軸，絕大部分車輛的前軸為兩個(gè)單輪組成的單軸（軸載約為個(gè)單輪組成的單軸（軸載約為P/3P/3），極少數(shù)），極少數(shù)汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為P/2P/2）。大）。大部分貨車后軸由雙輪組組成，有單軸、雙軸和部分貨車后軸由雙輪組組成，有單軸、雙軸和三軸等三種，大部分軸重在三軸等三種，大部分軸重在100KN100KN以下，一般以下，一般都在都在6060130KN130KN范圍以內(nèi)。范圍以內(nèi)。圖圖2-2 車輪荷載計(jì)算圖式車輪荷載計(jì)算圖式a)單圓圖式；單圓圖式；b)雙圓圖式雙圓圖式PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面路面路面a)b)4、輪壓與壓圓輪胎對(duì)路面的靜態(tài)

4、輪胎對(duì)路面的靜態(tài)壓力大小與胎內(nèi)壓壓力大小與胎內(nèi)壓相接近，壓面近似相接近，壓面近似為橢圓，為方便計(jì)為橢圓，為方便計(jì)算分析，簡化為圓算分析，簡化為圓形均布。半徑形均布。半徑D或或d由由p、P來計(jì)算，來計(jì)算，p可可近似取輪胎氣壓。近似取輪胎氣壓。對(duì)于雙輪組車軸，可以按雙圓考慮，也可以按單圓對(duì)待，其當(dāng)量圓的直徑計(jì)算如下：a)雙圓荷載的當(dāng)量圓半徑：b)單圓荷載的當(dāng)量圓直徑D：82PDdppP 道路上行駛的汽車除給路面施加道路上行駛的汽車除給路面施加垂直靜壓力垂直靜壓力外，還施加外，還施加水平力水平力和和振動(dòng)力振動(dòng)力，對(duì)路面固定點(diǎn)而言，這種影響又具有，對(duì)路面固定點(diǎn)而言，這種影響又具有瞬瞬時(shí)性和重復(fù)性時(shí)性和

5、重復(fù)性。圖圖2-3車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓力車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓力a)停駐；停駐；b)啟動(dòng)、一般行駛、加速；啟動(dòng)、一般行駛、加速；c)減速、制動(dòng)；減速、制動(dòng)；d)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向PPPPVQQa)b)c)d)5、運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響1）水平力： 行車安全要求 qmax p ，其中 為路表與車輪的附著系數(shù)，它同路面類型與濕度以及行車速度有關(guān)。路表層水平力過大易導(dǎo)致推擠、擁包、波浪及車轍等病害。（城市瀝青路面設(shè)計(jì)考慮水平力影響、公路瀝青路面和水泥路面設(shè)計(jì)不計(jì)水平力影響）2）振動(dòng)力： 振動(dòng)輪載最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數(shù)，設(shè)計(jì)路面時(shí)，應(yīng)以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設(shè)計(jì)荷載。（瀝青路面設(shè)

6、計(jì)直接使用靜載忽略動(dòng)載影響，水泥路面設(shè)計(jì)引用動(dòng)載修正系數(shù)）3）瞬時(shí)作用及重復(fù)： 路面點(diǎn)的車輪作用時(shí)間約為0.010.10s，結(jié)構(gòu)變形來不及呈現(xiàn)，瞬時(shí)作用利于結(jié)構(gòu)，但多次重復(fù)作用又易使其疲勞。 作用在路面的設(shè)計(jì)荷載千變?nèi)f化，為考慮累積疲勞影響，多數(shù)國家選用一種軸載作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載，其他各種軸載按照一定原則換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載。 標(biāo)準(zhǔn)軸載要求對(duì)路面的響應(yīng)較大、又能反映本國公路運(yùn)輸運(yùn)營車輛的總體軸載水平。6、標(biāo)準(zhǔn)軸載我國BZZ-60到BZZ-100的發(fā)展,世界各國的標(biāo)準(zhǔn)軸載國家中國美國加拿大歐洲各國軸重單軸108.2-10.05.5（前軸），9.19-13雙軸10（單輪）,18（雙輪）14.5-

7、18.11716-22三軸12（單輪）,22（雙輪）202420-36車輛總重4033-7423.7（三軸）,31.6（三軸）,39.5（四軸），46.5（五軸）,53.5（六軸）35-50道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值（道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值（10KN） 1 1）交通調(diào)查與重復(fù)荷載）交通調(diào)查與重復(fù)荷載 交通量調(diào)查與分析：交通量調(diào)查與分析：調(diào)查內(nèi)容包括交通總量、車型分布、軸輪調(diào)查內(nèi)容包括交通總量、車型分布、軸輪型分布、實(shí)載率等，有的還調(diào)查軸載譜；分析主要是確定交通型分布、實(shí)載率等，有的還調(diào)查軸載譜；分析主要是確定交通量年平均增長率，并求算獲得設(shè)計(jì)年限（基準(zhǔn)期）內(nèi)累計(jì)

8、交通量年平均增長率，并求算獲得設(shè)計(jì)年限（基準(zhǔn)期）內(nèi)累計(jì)交通量。對(duì)路面而言，主要是量。對(duì)路面而言，主要是軸重軸重。 7、交通荷載軸載換算和統(tǒng)計(jì)計(jì)算交通量交通量:一定時(shí)間間隔內(nèi)通過道路某一斷面的車輛總數(shù)。平均日交通量平均日交通量:每晝夜通過道路某一橫斷面的車輛總數(shù)。交通量觀測(cè)方法交通量觀測(cè)方法:1）直接記錄不同類型車輛的通行次數(shù)；2）軸載譜調(diào)查。當(dāng)年平均日交通量當(dāng)年平均日交通量設(shè)計(jì)年限（基準(zhǔn)期）設(shè)計(jì)年限（基準(zhǔn)期）增長率增長率設(shè)計(jì)年限內(nèi)設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量（分車型）累計(jì)交通量（分車型）11n3651TN累計(jì)2.2.軸載組成與軸載換算軸載組成與軸載換算 軸載譜：不同軸載的作用次數(shù)的頻率組成即為軸載譜：

9、不同軸載的作用次數(shù)的頻率組成即為軸載譜軸載譜，各不，各不同軸載應(yīng)根據(jù)某一指標(biāo)按其對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損傷作用的等效同軸載應(yīng)根據(jù)某一指標(biāo)按其對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損傷作用的等效性換算成其它軸載的作用次數(shù)，從而可使用標(biāo)準(zhǔn)軸載來綜性換算成其它軸載的作用次數(shù)，從而可使用標(biāo)準(zhǔn)軸載來綜合累計(jì)。合累計(jì)。單軸單單軸單輪輪單軸雙單軸雙輪輪雙雙軸軸三三軸軸軸載譜的使用：.AASHTO力學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)指南的三等級(jí).軸載譜類型：基于全樣本的軸載譜；基于軸型和軸數(shù)分類的軸載譜（整車分為2、3軸，掛車分為3、4、5、6及6以上，東南大學(xué)分類）.我國目前的軸載譜問題（瀝青路面、水泥路面）圖圖2-7 輪跡橫向分布頻率曲線輪跡橫向分布頻率曲線（單向

10、行駛一個(gè)車道）（單向行駛一個(gè)車道）圖圖2-8 輪跡橫向分布頻率曲線輪跡橫向分布頻率曲線（混合行駛雙車道）（混合行駛雙車道） 2 2）輪跡橫向分布：）輪跡橫向分布：總軸載作用按一定規(guī)律分布于車道總軸載作用按一定規(guī)律分布于車道橫斷面的現(xiàn)象稱為橫斷面的現(xiàn)象稱為，車道綜合累計(jì)需考慮。，車道綜合累計(jì)需考慮。輪跡橫向分布系數(shù)：一定寬度條帶內(nèi)車輛累積作用頻率輪跡橫向分布系數(shù)：一定寬度條帶內(nèi)車輛累積作用頻率瀝青路面設(shè)計(jì)瀝青路面設(shè)計(jì):車道系數(shù)不同情況車道的橫向分布系數(shù)與單車道的橫向分布系數(shù)之比（取最高作用頻率點(diǎn)）。水泥混凝土路面設(shè)計(jì)水泥混凝土路面設(shè)計(jì):橫向分布系數(shù)3 3）軸載的換算）軸載的換算軸載換算的基本原則

11、：等破壞原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下在使用末期達(dá)到相同的損傷程度（破壞狀態(tài)）（Miner定理）；等厚度原則：用不同標(biāo)準(zhǔn)軸載設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)厚度相同。3 3）軸載換算系數(shù)公式：）軸載換算系數(shù)公式：( )nsiiisNPNP4）瀝青路面軸載換算系數(shù)公式9.89.89.99.99.109.109.119.11 初始年平均日交通量N1 設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量 設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道內(nèi)的累計(jì)交通量11365(1)1365(1)1(1)tettetNNNN36511365iiNN6）累計(jì)軸載作用次數(shù)9.12交通等級(jí)交通等級(jí)BZZ-100KN累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次Ne(萬次/車道)大客車及中型以上的各種貨車（輛次/日

12、/車道）A級(jí)特輕交通100300B級(jí)輕交通100400300750C級(jí)中等交通40012007501500D級(jí)重交通1200250015003000E級(jí)特重交通25003000我國瀝青路面交通等級(jí) 7）我國水泥土路面與瀝青路面軸載換算的區(qū)別 換算公式區(qū)別 引用軸載譜區(qū)別 軸載譜中包含車型區(qū)別 輪跡橫向分布區(qū)別 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期設(shè)計(jì)年限區(qū)別 溫度溫度 濕度濕度圖圖2-9 溫度對(duì)瀝青混凝土動(dòng)彈性模量的影響溫度對(duì)瀝青混凝土動(dòng)彈性模量的影響圖圖2-10 濕度對(duì)路基剛度的影響濕度對(duì)路基剛度的影響含水量含水量(%)重復(fù)應(yīng)力重復(fù)應(yīng)力28kPa80020103040120回彈模量（回彈模量（MPa）-20-100

13、10203040溫溫度度（）動(dòng)動(dòng)彈彈性性模模量量（MPa）1 1、溫度濕度對(duì)道路的影響概述、溫度濕度對(duì)道路的影響概述9.2 環(huán)境因素對(duì)道路的影響環(huán)境因素對(duì)道路的影響 溫度造成路基體的膨脹與收縮，甚至引起路基的凍脹（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮）（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮）溫度造成水泥砼路面的溫度應(yīng)力及條塊分割（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮）（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮） 溫度造成瀝青路面的塑性變形累積及低溫開裂 （在材料設(shè)計(jì)中考慮）（在材料設(shè)計(jì)中考慮）2 2、溫度對(duì)道路的影響、溫度對(duì)道路的影響圖圖2-11 瀝青面層溫度瀝青面層溫度日變化日變化曲線曲線表面下表面下2cm2cm7cm7cm15cm15cm氣溫氣溫時(shí)刻（時(shí)刻（h h）4 4

14、6 68 81010121214141616181820202222242410102020303040405050溫度（溫度（）圖圖2-15 瀝青面層瀝青面層月平均溫度月平均溫度的年變化曲線的年變化曲線1234567891011121103040020表面下表面下2cm2cm7cm7cm30cm30cm氣溫氣溫月份月份溫度（溫度（）圖圖2-12 水泥混凝土面層溫度水泥混凝土面層溫度日變化日變化曲線曲線810121416182022242468232629323520氣溫氣溫表面下表面下1.5cm5cm11cm16cm時(shí)刻（時(shí)刻（h h）溫度（溫度（）圖圖2-13 一天內(nèi)不同時(shí)刻一天內(nèi)不同時(shí)刻

15、沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線23273135394101052015溫度（溫度（）深度（深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00圖圖2-14 水泥混凝土面層水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化溫度梯度與氣溫的日變化曲線曲線0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2氣溫氣溫溫度梯度溫度梯度面層厚面層厚22cm時(shí)刻（時(shí)刻（h）溫度（溫度（）梯度（梯度（cm）溫度的預(yù)估 1）統(tǒng)計(jì)法埋設(shè)測(cè)溫元件，連續(xù)觀測(cè)，回歸統(tǒng)計(jì) 不能包含所有因素，精確度有限，各地區(qū)不同 2）理論法 應(yīng)用熱傳

16、導(dǎo)理論方程式，推演出各項(xiàng)氣象資料和路面材料的熱物理特性參數(shù)組成的溫度預(yù)估方程式。 參數(shù)確定難度大，理論假設(shè)理想化，預(yù)估與實(shí)測(cè)有差距濕度對(duì)路基的影響：濕軟、冰凍及整體不穩(wěn)定，需設(shè)置良好的排水設(shè)施，并控制路基的干濕類型（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮）濕度對(duì)路面的影響：水分積蓄于路基路面體內(nèi)，降低路基路面的強(qiáng)度與剛度，造成路面破壞，并可進(jìn)一步加劇路面透水性（在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)中考慮） 3 3、濕度對(duì)道路的影響、濕度對(duì)道路的影響l 1）主要材料類型）主要材料類型松散顆粒型材料及塊料松散顆粒型材料及塊料 granular, block瀝青結(jié)合類材料瀝青結(jié)合類材料 asphalt binder無機(jī)結(jié)合料類材料無機(jī)結(jié)

17、合料類材料 inorganic binding material水泥混凝土材料水泥混凝土材料 cement concrete 9.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)1、路面材料的幾種強(qiáng)度、路面材料的幾種強(qiáng)度 摩爾庫侖強(qiáng)度理論： =c+ tg 其中c是材料的粘結(jié)力（kpa），是材料內(nèi)摩阻角，對(duì)于土，可以通過直剪試驗(yàn)得到；對(duì)于松散粒料無法做直接剪切試驗(yàn)，可用三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定。圖圖2-27 2-27 三軸試驗(yàn)確定三軸試驗(yàn)確定c.c.c 2）抗剪強(qiáng)度）抗剪強(qiáng)度 指試樣在無側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向壓力指試樣在無側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限應(yīng)力。材料經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)成型和養(yǎng)生后通的極限應(yīng)力。材料經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)成

18、型和養(yǎng)生后通過過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度。測(cè)定的強(qiáng)度。 一般有大試件、中試件和小試件。一般有大試件、中試件和小試件。 小試件小試件指指50mm *5 0mm； 中試件中試件指指 100mm *100mm； 大試件大試件指指 150 m m* 1 50mm。 3）抗壓強(qiáng)度）抗壓強(qiáng)度氣溫變化會(huì)引起路面材料收縮，濕度變化能產(chǎn)氣溫變化會(huì)引起路面材料收縮，濕度變化能產(chǎn)生半剛性材料干縮，當(dāng)收縮變形受到約束，即生半剛性材料干縮，當(dāng)收縮變形受到約束，即在材料內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，材料抗拉強(qiáng)度不足即可在材料內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，材料抗拉強(qiáng)度不足即可引起路面結(jié)構(gòu)拉伸斷裂；引起路面結(jié)構(gòu)拉伸斷裂；路面材料的抗拉強(qiáng)度主要

19、由混合料中的結(jié)合料路面材料的抗拉強(qiáng)度主要由混合料中的結(jié)合料粘結(jié)力提供，可采用粘結(jié)力提供，可采用直接拉伸或間接拉伸試驗(yàn)直接拉伸或間接拉伸試驗(yàn)測(cè)定材料的抗拉強(qiáng)度。測(cè)定材料的抗拉強(qiáng)度。4）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度圖圖2-28 2-28 直接拉伸試驗(yàn)直接拉伸試驗(yàn)1-1-上蓋帽；上蓋帽；2-2-變形傳感器；變形傳感器；3-3-金屬箍；金屬箍；4-4-下蓋帽；下蓋帽；5-5-試件試件圖圖2-29 2-29 間接拉伸試驗(yàn)間接拉伸試驗(yàn)1-1-壓條；壓條；2-2-試件試件pp11232154 路面材料的實(shí)際工作狀態(tài)是彎曲反復(fù)變化的，結(jié)構(gòu)層底首先容易出現(xiàn)局部拉裂、產(chǎn)生彎曲斷裂。材料的抗彎拉強(qiáng)度一般采用簡支梁三分點(diǎn)加載或

20、中點(diǎn)加載進(jìn)行測(cè)定。5）抗彎拉強(qiáng)度）抗彎拉強(qiáng)度 LPhl/3l/321345l1l0圖圖2-30 2-30 小梁試驗(yàn)加載圖式小梁試驗(yàn)加載圖式( (1-1-試驗(yàn)梁；試驗(yàn)梁；2-2-承壓板；承壓板；3-3-支點(diǎn)；支點(diǎn)；4-4-頂桿；頂桿；5-5-千分表千分表) )9.4 路面材料的累積變形與疲勞破壞路面材料的累積變形與疲勞破壞疲勞特性疲勞特性疲勞極限、疲勞壽命、疲勞曲線疲勞極限、疲勞壽命、疲勞曲線 疲勞極限 容許重復(fù)作用次數(shù)隨重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）值的減少而隨增加，當(dāng)重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）值減少到重復(fù)荷載作用次數(shù)無限大時(shí)的重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）值即稱為疲勞極限 疲勞壽命 材料從開始加載到破壞所對(duì)應(yīng)的重復(fù)荷載作用次數(shù)稱

21、為疲勞壽命 疲勞曲線 將重復(fù)彎拉應(yīng)力（應(yīng)變） r（r ）與一次加載破壞的極限彎拉應(yīng)力（應(yīng)變）的比值(稱為應(yīng)力比或應(yīng)變比)作為縱坐標(biāo)，繪制出r/f或r/ f與重復(fù)作用次數(shù)Nf的關(guān)系曲線，即稱為疲勞曲線。疲勞極限1 1、疲勞破壞、疲勞破壞路面材料處于彈性工作狀態(tài)：重復(fù)荷載作用路面材料處于彈性工作狀態(tài)：重復(fù)荷載作用雖不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，雖不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，當(dāng)微量損傷累積到一定限度時(shí)即致使路面材當(dāng)微量損傷累積到一定限度時(shí)即致使路面材料出現(xiàn)料出現(xiàn)疲勞斷裂疲勞斷裂，達(dá)到破壞極限狀態(tài)（即，達(dá)到破壞極限狀態(tài)（即結(jié)結(jié)構(gòu)承載疲勞極限狀態(tài)構(gòu)承載疲勞極限狀態(tài)）（）（*這種重復(fù)荷載的大這種重復(fù)荷載的大小遠(yuǎn)小于材料一次性受力破壞時(shí)的荷載大小小遠(yuǎn)小于材料一次性受力破壞時(shí)的荷載大?。┞访娌牧咸幱趶椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)：重復(fù)荷載作用路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)：重復(fù)荷載作用引起塑形變形累積，當(dāng)累積變形超出一定限度引起塑形變形累積，當(dāng)累積變形超出一定限度即造成路面使用功能下降