《路面路基工程》2章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)

1、路面路基工程汽車與交通學院第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)學習要點：掌握路基的承載能力，路基的變形、破壞及防治，路面材料的力學強度特性；熟悉行車荷載，路面材料的累積變形與疲勞特性； 了解環(huán)境因素對路基路面的影響；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以軸重作為荷載標準第一節(jié) 行車荷載一. 車輛的種類 客車貨車小客車中客車大客車整車牽引式掛車牽引式半掛車設(shè)計時荷重以重型貨車、大客車為主，路面表面特征以小汽車為主荷重車軸超載中華人民共和國道路交通安全法第四十八條 機動車載物應(yīng)當符合核定的載質(zhì)量，嚴禁超載；載物的長、寬、高不得違反裝載要求，不得遺灑、飄散載運物。 中華人民共

2、和國道路交通安全法實施條例 第五十四條 機動車載物不得超過機動車行駛證上核定的載質(zhì)量，裝載長度、寬度不得超出車廂，并應(yīng)遵守下列規(guī)定： (一)重型、中型載貨汽車，半掛車載物，高度從地面起不得超過4米，載運集裝箱的車輛不得超過4.2米； (二)其他載貨的機動車載物，高度從地面起不得超過2.5米； 二. 汽車的軸型 我國的公路車輛軸限為100KN 三. 汽車對道路的靜態(tài)壓力 由輪胎傳給路面的垂直壓力p1. 影響因素汽車輪胎的內(nèi)壓力pi（p約為0.80.9 pi）,p 輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀(橢圓)：剛度 p 輪載的大小2. 計算：假定：輪胎與路面的接觸形狀為圓形，荷載均布均勻，并采用輪胎內(nèi)

3、壓力作為輪胎接觸壓力p。（2-1）（2-3）（2-2）當量圓半徑的計算單圓雙圓雙輪組車輛我國規(guī)范規(guī)定：標準軸載BZZ-100的P=100/4kN，P=700KPa d=0.213m,D=0.302M比較復雜的輪胎接地面積計算四. 運動車輛對道路的動態(tài)影響 1. 動態(tài)力水平力(滾動摩阻/加減速制動摩擦力/彎道側(cè)向摩擦力) 、振動力路面附著系數(shù)f與路面結(jié)構(gòu)類型、干濕狀態(tài)及車速有關(guān)（2-4）2. 振動輪載（3）變異性的影響因素行車速度路面的平整度車輛的振動特性設(shè)計荷載靜輪載乘以沖擊系數(shù)（1）原因：自身振動、路面不平（2）特性：變異性指標：沖擊系數(shù)=PMAX/P靜（1）荷載瞬時性動荷載作用下路面變形減

4、小（2）重復輪載作用疲勞破壞或變形積累3.動態(tài)影響的特性：所以：重視通行能力五. 交通分析 1. 交通量:（1）初始年平均日交通量：（2-6）（2）設(shè)計年限內(nèi)累計交通量：（2-7） 一定時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量（交通調(diào)查：車輛數(shù)/車輛類型/貨車滿載程度）（年平均交通量、高峰小時交通量、日分布不均勻系數(shù)、年增長率）2. 輪軸組成與等效換算（1）軸載譜：各級軸載所占的比例（2）軸載作用次數(shù)：每日通行的軸載數(shù)相應(yīng)的軸載譜百分率（3）標準軸載當量作用次數(shù)標準軸載：雙輪組單軸軸載100kN等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作 用下達到相同的損傷程度 軸載換算系數(shù)： （2-8）式中：

5、Ps 標準軸載重，kN； Ns 標準軸作用次數(shù)； Pi、Ni i級軸載重及作用次數(shù) 反映軸型和輪組輪胎數(shù)影響的系數(shù)； n 同路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。 3. 輪跡橫向分布路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，用橫向分布系數(shù)來反映輪跡橫向分布頻率的影響，通常取寬度為兩個條帶寬，即50cm。 車輪的軌跡總在橫斷面中心附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上 第二節(jié) 環(huán)境因素影響一. 主要影響因素 溫度和濕度（一）溫度影響 1. 溫度影響規(guī)律溫度對瀝青混凝土動彈性模量的影響濕度對路基剛度的影響觀測

6、結(jié)果分析： 路表溫度變化與氣溫大致同步，但溫度較氣溫高 瀝青面層溫度日變化曲線水泥混凝土面層溫度日變化曲線不同深度處的溫度同樣隨氣溫變化呈周期變化，升降幅度隨深度增加而減小，峰值出現(xiàn)也隨深度增加而滯后 觀測結(jié)果分析： 頂面與底面之間的溫差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負到正，再由正到負的循環(huán)變化 溫度梯度變化與氣溫變化大致同步，具有周期性特點 一天內(nèi)不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度日變化曲線水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲線2. 影響溫度狀況的因素外部因素：太陽輻射、氣溫、風速、降水量等內(nèi)部因素：結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù)（1）影響因素（2）溫度狀況預估方法統(tǒng)計方法和理論方法 統(tǒng)計方法：通過連續(xù)觀

7、測及氣象資料收集，建立不同深度處各種路面溫度指標的回歸方程: Tmax= a + bTamax + cQ（2-9）理論方法：應(yīng)用熱傳導理論方程式推演出各項氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預估方程式 （二） 濕度影響1. 影響濕度狀況的因素降水、地面積水、地下水侵入地下水影響高度：粘土：6m，砂質(zhì)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）設(shè)置良好的地面排水和路面排水設(shè)施（2）采用不透水面層（3）處置路肩，防止水滲入第三節(jié) 土基的力學強度特性一. 路基受力狀況 1. 車輪荷載作用下的垂直應(yīng)力：（2-10）2. 路基自重作用下的垂直壓應(yīng)力：（2-11）二. 路

8、基工作區(qū) 1. 路基工作區(qū)概念：在路基某一深度Za處，當車輪荷載引起的垂直應(yīng)力與路基土自重引起的垂直應(yīng)力相比所占比例很小，僅為1/101/5時，該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)2. 路基工作區(qū)深度Za：（2-12）三. 路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性 （一）路基土變形彈性變形過大疲勞開裂塑性變形過大瀝青路面車轍和縱向不平整水泥混凝土路面板塊斷裂（二）路基土應(yīng)力-應(yīng)變特性研究1. 壓入承載板試驗：以一定尺寸的剛性承載板置于土基頂面，逐級加荷卸荷，記錄所施加的荷載及引起的沉降變形，繪出土基頂面壓應(yīng)力與回彈變形的關(guān)系曲線。（1）方法：特性：非線性（2）土基回彈模量計算：（2-13）式中：l 承載板的回彈變

9、形，m； 土體的泊松比E并不是常數(shù)2. 三軸試驗：（2-14）土基的應(yīng)力-應(yīng)變呈現(xiàn)非線性特性3. 土基應(yīng)力-應(yīng)變的彈塑性性質(zhì)模量表示初始切線模量切線模量割線模量回彈模量4. 土基應(yīng)力-應(yīng)變非線性特性的函數(shù)表達形式（1）砂性土：式中： 全應(yīng)力，kPa；K1、K2 回歸常數(shù)。（2）粘性土：式中： 1，3 最大、最小主應(yīng)力；K 1，K2 回歸常數(shù)；K 3，K4 回歸常數(shù)；K 系數(shù)，當（13）K1，K=K3；當（13）K1，K=K4。 路基土在車輪荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，不僅與荷載應(yīng)力的大小有關(guān)，且與荷載作用的持續(xù)時間有關(guān)。 土的流變特性：施加荷載的初期，變形量隨荷載持續(xù)時間的延長而增大，以后趨于穩(wěn)定。

10、四. 重復荷載對路基土的影響 車輪荷載多次重復作用塑性變形積累，總變形增大土體逐漸壓密，塑性變形量愈來愈小。產(chǎn)生剪切變形，形成引起土體整體破壞的剪裂面。為適應(yīng)車輪荷載重復作用這一特點，可采用重復加載的三軸試驗來確定土的回彈模量。土的性質(zhì)和狀態(tài)相對荷載荷載作用性質(zhì)最終狀況的取決因素第四節(jié) 土基的承載能力以一定應(yīng)力級位下的抗變形能力表征回彈模量、地基反應(yīng)模量、參數(shù)指標加州承載比 一. 土基回彈模量 反映土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形能力，可應(yīng)用彈性理論方法：承載板法1. 柔性壓板：（1）接觸壓力為常量：（2-18）（2）壓板中心處撓度：（2-19）（3）壓板邊緣處撓度：（2-20）2. 剛性壓板

11、：土基頂面撓度為常量，接觸壓力隨r成馬鞍形分布（2-21） （2-22） （2-23） 二. 地基反應(yīng)模量 用溫克勒地基模型描述土基工作狀態(tài)1. 地基反應(yīng)模量K定義：根據(jù)溫克勒地基假定，土基頂面任一點的彎沉l僅與作用于該點的垂直壓力p成正比，而同相鄰點處壓力無關(guān)，則壓力p與彎沉l之比稱為地基反應(yīng)模量K，即：K = p / l kN/m32. 試驗方法：承載板法板直徑：76cm 加載方式：一次加載到位 施加荷載量 地基較軟弱：用0.127cm的彎沉量控制荷載地基較堅實：以單位壓力p70kPa控制荷載載荷板直徑影響： 直徑越小，K值越大K76 = 0.4K30（2-25） 地基回彈反應(yīng)模量： KR

12、 = 1.77K （2-26） 三. 加州承載比（CBR） 1. 加州承載比定義：承載力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用高標準碎石為標準，以它們的相對比值表示2. 試驗方法：用端部面積為19.35cm2的標準壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中，記錄每貫入0.254cm的單位壓力，直至壓入深度為1.27cm為止，則： （2-27） 第五節(jié) 路基的變形、破壞及防治一. 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產(chǎn)生較大的沉落。 路基沉縮： 路基填料不當，填筑方法不合理，在路基內(nèi)部形成過濕的夾層等因素，在荷載和水溫綜合作用下，引起路基沉縮。 地基沉陷： 原天然

13、地面承載力極低，路基修筑前未處理，在路基自重作用下，地基下沉或向兩側(cè)擠出 2. 邊坡滑塌溜方： 由于少量土體延土質(zhì)邊坡向下移動所形成。 滑坡： 一部分土體在自重作用下沿某一滑動面滑動。 滑坡原因： 邊坡坡度過陡；邊坡坡腳被沖刷淘空；填土層次安排不當 塹滑坡原因： 邊坡高度和坡度與天然巖土層次性質(zhì)不適應(yīng)；粘性土層和蓄水的砂石層交替蘊藏；有傾向于路塹方向的斜坡層理存在 4. 路基沿山坡滑動：在較陡的山坡填筑路基，路基底部被水浸濕，坡角又未進行必要的支撐，在荷載作用下，整個路基沿傾斜的原地面向下滑動，路基整體失穩(wěn)。 5. 不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞：公路通過不良地質(zhì)條件（如泥石流、溶洞等）和較

14、大的自然災(zāi)害（如大暴雨）地區(qū)，均可能導致路基大規(guī)模破壞。 3. 碎落和崩塌：路塹邊坡風化巖層表面，在大氣溫度、濕度以及沖刷、動力作用下，表面巖石從坡面剝落下來，向下滾落。 二. 路基病害的防治 正確設(shè)計路基橫斷面 選擇良好的路基用土 采取正確的填筑方式，充分壓實路基 適當填高路基 必要時設(shè)計隔離層、隔溫層及砂墊層 采取邊坡加固、修筑擋土結(jié)構(gòu)物等防護技術(shù)措施 第六節(jié) 路面材料的力學強度特性路面材料 松散顆粒型材料及塊料 瀝青結(jié)合料 無機結(jié)合料一. 抗剪強度 1. 剪切破壞路路面結(jié)構(gòu)層較薄，剛度不足，車輪荷載通過薄層傳遞給土基的剪應(yīng)力過大，導致路基路面整體發(fā)生剪切破壞 無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓?/p>

15、理，內(nèi)部剪應(yīng)力過大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞 面面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強度較低，經(jīng)受較大的水平推力時，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞 2. 抗剪強度：（2-28） 式中：c 材料的粘結(jié)力，kPa； 材料的內(nèi)摩阻角瀝瀝青混合料的抗剪強度與瀝青的粘度、用量、試驗溫度、加荷速率等因素有關(guān) 瀝瀝青含量越多，值下降越多，而集料級配良好，有助于提高 二. 抗拉強度 1. 抗拉強度來源：由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供2. 抗拉強度測試試驗直接拉伸試驗間接拉伸試驗（劈裂試驗）（2-29） （2-30） 水泥混凝土：三. 抗彎拉強度 （2-31） 式中： P 破壞荷載，kN； l 支點間距，m 混凝土抗折

16、強度標準試件尺寸為150mm150mm550mm，集料粒徑應(yīng)不大于40mm。 試驗規(guī)程： 四. 應(yīng)力應(yīng)變特性 1. 無結(jié)合料碎、礫石材料應(yīng)力應(yīng)變特性： 明顯的非線性特性，彈性模量隨偏應(yīng)力的增大而減小，隨側(cè)壓力的增大而增大。 （2-32） 碎碎、礫石材料的回彈模量同材料的級配、顆粒形狀、密實度等因素有關(guān)，取值范圍為100700MPa。 2. 水泥混凝土以及用無機結(jié)合料處治的混合料 試試驗方法： 單軸試驗、三軸試驗以及小梁試驗混混凝土的抗壓彈性模量： 無機結(jié)合料混合料采用承載板法測定的回彈模量： （2-34） 式中： l 相應(yīng)于單位壓力p的回彈變形，m。 無機結(jié)合料混合料應(yīng)力應(yīng)變特點：應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

17、呈非線性，應(yīng)力較低時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可近似為線性。 3. 瀝青混合料 應(yīng)力應(yīng)變特性： 瀝青混合料在荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變具有隨溫度和荷載作用時間而變化的特性。 瀝瀝青混合料壓縮蠕變試驗 瀝青混合料受力較小，且作用時間十分短暫時，基本處于彈性狀態(tài)并兼有彈粘性性質(zhì)。 瀝青混合料受力較大，且作用時間較長時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出彈性，彈-粘性和彈-粘-塑性等不同性狀。 說明： 瀝青混合料的勁度模量： 在給定溫度和加荷時間條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù) （2-36） 說明： 加荷時間短或溫度較低時，材料處于彈性狀態(tài)；加荷時間長或溫度較高，表現(xiàn)為粘滯性狀態(tài)，中間過渡段兼有彈-粘性狀態(tài)。第七節(jié) 路面材料的累積變

18、形與疲勞特性路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，重復荷載作用引起塑性變形積累，累積變形超出一定限度時，出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)路面材料處于彈性工作狀態(tài)，重復荷載作用下雖不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微量損傷，微量損傷達到一定限度時，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂路面結(jié)構(gòu)在重復荷載作用下處于何種破壞極限狀態(tài)，與路面所用材料、大氣溫度、濕度等均有關(guān)系。一. 累積變形 易產(chǎn)生車轍或沉陷1. 碎、礫石混合料 級配良好的混合料在重復加載試驗中，當偏應(yīng)力低于某一值時，塑性變形隨作用次數(shù)增加而增加，且逐漸趨于穩(wěn)定。偏應(yīng)力較大時，塑性變形量隨作用次數(shù)的增加而不斷增加，直至破壞。級配不良或含有細粒過多的混合料，在應(yīng)力重復作用多次后，塑性變形累積過大，不宜修筑路面。2. 瀝青混合料 塑性變形量隨重復作用次數(shù)的增加而增加。溫度越高，塑性變形累積量越大。同一溫度下，控制累積應(yīng)變量的是加荷時間總和，而不僅是重復作用次數(shù)。影響累積變形的因素，除溫度、施加應(yīng)力大小及加荷時間外，同集料的狀況也有關(guān)。二. 疲勞特性 關(guān)于疲勞的幾個概念：疲勞：對彈性狀態(tài)的路面材料承受重復應(yīng)力作用時，可能在低于靜載一次作用的極限應(yīng)力時出現(xiàn)破壞，這種材料強度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞：由于材料微結(jié)構(gòu)局部不均勻，誘發(fā)應(yīng)力集中而出現(xiàn)微損傷，在應(yīng)力重復作用下微損傷逐步累積擴大，導致結(jié)構(gòu)破壞。疲勞強度：出現(xiàn)疲