第二章 行車荷載及環(huán)境作用

第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)§2-1行車荷載一、車量的種類客車小客車：平整度，抗滑性,安全性。中客車：（6～20座）大客車：20座以上貨車整車牽引式掛車牽引式半掛車荷載二、汽車的軸型單軸單輪單軸雙輪雙軸單輪雙軸雙輪多軸多輪圖2-1不同軸型的貨車示意圖三、軸輪組與軸重：整車分前軸和后軸，絕大部分車輛前軸為兩個單輪組成的單軸（軸載約為P/3），極少數(shù)汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為P/2）。大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100KN以下，一般都在60~130KN范圍以內(nèi)。四、輪壓與壓圓：輪胎對路面的靜態(tài)壓力大小與胎內(nèi)氣壓相接近，壓面近似為圓形，d（圓直徑）由p（輪胎接地壓力）、P（軸重）來計算，p可近似取輪胎氣壓。圖2-2車輪荷載計算圖式a)單圓圖式；b)雙圓圖式汽車的輪壓與壓圓PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面a)b)對于雙輪組車軸，可以按雙圓考慮，也可以按單圓對待，其當量圓的直徑計算如下：

a)雙圓荷載的當量圓半徑δ：

b)單圓荷載的當量圓直徑D：荷載圓半徑和直徑五、運動車輛對道路的動態(tài)影響

道路上行駛的汽車除給路面施加垂直靜壓力外，還施加水平力和振動力，對路面固定點而言，這種影響又具有瞬時性和重復性。圖2-3車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓力a)停駐；b)啟動、一般行駛、加速；c)減速、制動；d)轉(zhuǎn)向PPPPVQQa)b)c)d)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致推擠、擁包、波浪及車轍等病害。2）振動力：振動輪載最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數(shù)，設(shè)計路面時，應以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設(shè)計荷載。3）瞬時作用及重復：路面點車輪作用時間約為0.01~0.10s，結(jié)構(gòu)變形來不及呈現(xiàn)，瞬時作用利于結(jié)構(gòu)，但多次重復作用又易使其疲勞。路面狀況路面類型車速（km/h）123264干燥碎石——0.60——瀝青混凝土0.70～1.00——0.50～0.65水泥混凝土0.70～0.85——0.60～0.80潮濕碎石——0.40——瀝青混凝土0.40～0.65——0.10～0.50水泥混凝土0.60～0.70——0.35～0.55路表與車輪的附著系數(shù)六、標準軸載：作用在路面的荷載千變?nèi)f化，一般選用一種軸載作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準軸載，其它各種軸載按一定原則換算成標準軸載。標準軸載要求對路面響應較大、又能反映本國公路運輸運營車輛的總體軸載水平。七、超載與超限超載運輸是車輛所裝載貨物超過車輛額定載貨質(zhì)量。超限運輸指運輸車輛超過路面結(jié)構(gòu)的容許承載能力。超載但不超限車輛對路面使用壽命有一定影響，超載且超限的車輛對路面的使用壽命有很大影響，有的甚至超過路面或橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力，使路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞、使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體破壞、產(chǎn)生嚴重安全事故。八、交通荷載軸載換算和統(tǒng)計計算1）交通調(diào)查與分析調(diào)查內(nèi)容包括交通總量、車型分布、軸型軸載等，有的還調(diào)查軸載譜，不同軸載作用次數(shù)的頻率組成即為軸載譜；分析主要是確定交通量年平均增長率，并求算獲得設(shè)計年限內(nèi)累計交通量。軸載組成與軸載換算：各不同軸載應根據(jù)某一指標按其對路面結(jié)構(gòu)的損傷作用等效性換算成其它軸載作用次數(shù)，從而可使用標準軸載來綜合累計。

2）輪跡橫向分布：總軸載作用按一定規(guī)律分布于車道橫斷面的現(xiàn)象，車道綜合累計需考慮。圖2-7輪跡橫向分布頻率曲線

（單向行駛一個車道）序號軸型分布代表車型代號整車類1中型貨車(載重2.5~10T)躍進、解放、東風等U1.12重型貨車(載重>10T)黃河、羅曼、斯太爾等U1.1大通、交通、太脫拉等U1.2半掛類33軸半掛車解放、東風等國產(chǎn)牽引車S1.1.144軸半掛車斯堪尼亞、沃爾沃、斯太爾等進口牽引車或紅巖、黃河等引進技術(shù)生產(chǎn)的牽引車S1.1.255軸半掛車S1.2.2S1.2.36>=6軸半掛車≥S1.2.31）交通調(diào)查軸型分類及代號軸型示意圖整車類SingleUnitTruckU1.1U1.2半掛類Semi-TractorTrailorS1.1.1S1.1.2S1.2.2S1.2.31）交通調(diào)查3）軸載換算軸載換算的基本原則：①等效破壞原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下在使用末期達到相同的損傷程度（破壞狀態(tài)）；②軸載換算系數(shù)公式：4）累計軸載作用次數(shù)初始年平均日交通量N1設(shè)計年限內(nèi)累計交通量

設(shè)計年限內(nèi)一個車道內(nèi)的累計交通量濕度圖2-10濕度對路基剛度的影響含水量ω(%)重復應力28kPa80020103040120回彈模量（MPa）§2-2環(huán)境因素影響1、溫度濕度對道路的影響概述2、溫度對道路的影響溫度造成路基的膨脹與收縮，甚至引起路基的凍脹。溫度造成水泥砼路面的溫度應力及條塊分割。溫度造成瀝青混凝土路面塑性變形累積及低溫開裂。表面下2cm7cm15cm氣溫時刻（h）46810121416182022241020304050溫度（℃）圖2-11瀝青面層溫度日變化曲線圖2-15瀝青面層月平均溫度的年變化曲線1234567891011121103040020表面下2cm7cm30cm氣溫月份溫度（℃）圖2-12水泥混凝土面層溫度日變化曲線810121416182022242468232629323520氣溫表面下1.5cm5cm11cm16cm時刻（h）溫度（℃）圖2-13一天內(nèi)不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線23273135394101052015溫度（℃）深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00圖2-14水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲線0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2氣溫溫度梯度面層厚22cm時刻（h）溫度（℃）梯度（℃／cm）3、濕度對道路的影響濕度對路基的影響：濕軟、冰凍及整體不穩(wěn)定，需設(shè)置良好的排水設(shè)施，并控制路基干濕類型。濕度對路面的影響：水分積蓄于路面體內(nèi)，降低路面強度與剛度，造成路面破壞，并可進一步加劇路面透水性。§2-3土基的力學強度特性一、路基受力狀況1、汽車荷載引起路基中的垂直應力σz：式中：p－車輪荷載換算的均布荷載（單位：KN／m3)D－圓形均布荷載作用面積的直徑m。Z－圓形均布荷載下應力作用點的深度m。2、土基本身自重引起路基中的垂直應力σB：路基土本身自重在路基深度為Z處所引起的垂直壓應力σB: σB=γZ式中：γ－土的容重（單位：KN/m3）。二、路基工作區(qū)1、路基工作區(qū)的概念：在路基某一深度處，當車輪荷載引起的垂直應力σz與路基土自重引起的垂直應力σB相比所占比例很小，僅為1/10～1/5時，該深度范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。2、路基工作區(qū)要求：土基的強度和穩(wěn)定性對保證路面結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性極為重要，對路基工作區(qū)深度范圍內(nèi)土質(zhì)選擇，路基的壓實度應提出較高的要求。三、土基的力學強度特性及其設(shè)計參數(shù)：路基土的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。過大塑性變形將導致各種瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不平整；對于水泥混凝土路面，路基土塑性變形將引起板塊斷裂。彈性變形將使得瀝青面層和水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開裂?！?-4土基的承載能力的表征參數(shù)1、土的非線性特性2、模量的概念土的應力－應變關(guān)系曲線（1）初始切線模量：應力值為零時的應力-應變曲線的正切，如圖①代表加荷開始土的應力-應變關(guān)系。（2）切線模量：某一應力級位處應力-應變曲線斜率，如圖②反映土在該級位應力-應變變化精確關(guān)系。（3）割線模量：以某一應力值對應曲線上的點同起始點相連的割線斜率，如圖③反映在該應力級范圍內(nèi)的應力-應變關(guān)系的平均情況。（4）回彈模量：應力卸除階段應力-應變曲線割線模量，如圖④反映土在回彈變形范圍內(nèi)應力-應變關(guān)系平均情況。

3、土基流變性質(zhì)土的變形隨時間變化的性質(zhì)。土在荷載作用下的變形不僅與荷載大小有關(guān)，而且還與荷載作用持續(xù)時間有關(guān)，是一種具有流變性質(zhì)的材料。4、土基回彈模量測試回彈模量能較好地反映土基所具有的部分彈性性質(zhì)，可以用回彈模量表示土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質(zhì)。我國公路水泥混凝土路面、瀝青路面設(shè)計方法都以回彈模量E作為土基的剛度指標。

測定時宜采用逐級加載——卸載法直徑30.4cm的板）。每一級荷載經(jīng)過加載和卸載，取得穩(wěn)定的回彈彎沉之后，再加下一級荷載，如此施加n級荷載后，即可點繪出荷載-彎沉曲線。在多數(shù)情況下，試驗曲線呈非線性。在確定模量時，可以根據(jù)土基實際受的壓力范圍或可能產(chǎn)生的彎沉范圍在曲線上取值。路面設(shè)計中，按1mm線性歸納法來確定土基回彈模量。5、地基反應模量溫克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程師溫克勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是地基上任一點彎沉僅與作用于該點的壓力p成正比，而與相鄰點處壓力無關(guān)。用直徑76cm的剛性板測定。當?shù)鼗^軟弱時，取l=0.127cm時相對應壓力p計算地基反應模量；當?shù)鼗^為堅硬時，取單位壓力p=0.07MPa時相對應彎沉值l計算地基反應模量。

6、加州承載比CBRCaliforniaBearingRatio1）概念：加州承載比CBR是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用標準碎石承載能力為標準，以相對值百分數(shù)表示CBR值。2）計算：式中：p－對應于某一貫入度時土基單位壓力，KPa；ps－對應貫入度的標準壓力，KPa；取貫入度0.254cmCBR值。但當貫入度為0.254cmCBR值小于貫入度為0.508cm時CBR值，應采用后者。3）測試方法：試驗時用一個端部19.35cm2標準壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中，記錄每貫入0.254cm時的單位壓力，直至壓入深度1.27cm為止。標準壓力值由高質(zhì)量標準碎石試驗得，其值見下表：4)特點：（1）優(yōu)點：測試速度快，室內(nèi)外測試都很方便，能在一定程度上反應土基承載能力。（2）缺點：與我國規(guī)范計算中指標不一致，要作對比把CBR值轉(zhuǎn)化為土基回彈模量，但是不同的土質(zhì)對應關(guān)系不同，不能得出放之四海皆準的對應關(guān)系，得出的關(guān)系只適用于有限地區(qū)?！?-5路基的變形、破壞及防治一、路基主要病害（一）路基沉陷1、概念：路基沉陷指的是路基表面在垂直方向產(chǎn)生的較大下沉。2、路基沉陷原因3、處理措施：對于壓縮變形過大一般要重新壓實，提高壓實度；下部承載力不足要進行地基處理：比如地基的換填、注漿處理。路基本身的壓縮變形路基下部天然承載力不足導致（二）滑坡1、概念：土體某一部分沿著某個滑動面整體下滑。2、滑動原因：一方面是土體受外力的作用如地震力等；另一方面是由于土體本身抗剪強度不足，如水的進入等。3、處理措施卸載支擋抗滑樁抗滑樁＋擋墻該滑坡位于安康市嵐皋縣白河邊（是水利發(fā)電的蓄水水源），皋縣唯一出城公路，2007年9月下旬發(fā)生滑坡（三）碎落和崩塌1、概念：（1）碎落：邊坡巖層表面風化，在大氣溫度與濕度交替作用下，以及雨水沖刷和動力作用下，表面巖石從破面上剝落下來，向下滾落。（2）崩塌：大塊巖石脫離原來土體沿邊坡滾落下來。2、處理措施：采用掛網(wǎng)防護辦法（如SNS柔性網(wǎng)防護），防治土體下落影響道路安全。4、滑塌：（1）概念：土體即有少量滑動部分，又有崩塌。（2）處理措施：先清理滑動表面，然后掛網(wǎng)防護辦法。

§2-6路面材料的力學強度特性一、路面材料的幾種強度1、主要材料類型①松散顆粒型材料及塊料（granular,block）；②瀝青結(jié)合類材料（asphaltbinder）；③無機結(jié)合料類材料（inorganicbindingmaterial）；④水泥混凝土材料（cementconcrete）；

由于材料基本性質(zhì)和成型方式不同，各種路面結(jié)構(gòu)具有不同力學強度特性（即應力－應變關(guān)系），也使得路面具有不同使用品質(zhì)和使用壽命。2、抗剪強度shearstrength摩爾—庫侖強度理論：=c+tg。其中c和是表征路面材料抗剪強度的兩項參數(shù)，c是材料的粘結(jié)力（kpa），是材料內(nèi)摩阻角，對于土，可以通過直剪試驗得到；對于松散粒料無法做直接剪切試驗，可用三軸壓縮試驗測定。圖2-27三軸試驗確定c.φcφστ3、抗壓強度compressivestrength指試樣在無側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限應力。材料經(jīng)過標準成型和養(yǎng)生后通過無側(cè)限抗壓試驗測定的強度。一般有大試件、中試件和小試件。小試件指Φ50mm×50mm；中試件指Φ100mm×100mm；大試件指Φ150mm×150mm。

4、抗拉強度tensilestrength氣溫變化會引起路面材料收縮，濕度變化能產(chǎn)生半剛性材料干縮，當收縮變形受到約束，即在材料內(nèi)產(chǎn)生拉應力，材料抗拉強度不足即可引起路面結(jié)構(gòu)拉伸斷裂。路面材料抗拉強度主要由混合料中結(jié)合料粘結(jié)力提供，可采用直接拉伸或間接拉伸試驗測定材料抗拉強度。5、抗彎拉強度flexiblestrength

路面材料實際工作狀態(tài)是彎曲反復變化的，結(jié)構(gòu)層底首先容易出現(xiàn)局部拉裂、產(chǎn)生彎曲斷裂。材料抗彎拉強度一般采用簡支梁三分點加載進行測定。二、路面材料的強度試驗1、抗壓強度試驗一般有大試件、中試件和小試件。小試件指Φ50mm×50mm；中試件指Φ100mm×100mm；大試件指Φ150mm×150mm。圖2-28直接拉伸試驗1-上蓋帽；2-變形傳感器；3-金屬箍；4-下蓋帽；5-試件圖2-29間接拉伸試驗1-壓條；2-試件pp112321542、抗拉強度試驗—直接拉伸試驗和間接拉伸試驗三、路面材料的設(shè)計參數(shù)1）無機結(jié)合料穩(wěn)定材料①無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的無側(cè)限抗壓強度試驗按預定干密度和壓實度用靜力壓實法制備圓柱體試件、養(yǎng)生時間為設(shè)計齡期（整個養(yǎng)生期間溫度，在北方地區(qū)應保持20±2℃，在南方地區(qū)應保持25±2℃），養(yǎng)生期的最后一天，將試件浸泡在水中，水的深度應使水面在試件頂上約2.5cm、側(cè)向沒有圍壓時的單軸抗壓強度。②無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的劈裂強度試驗（間接抗拉強度）試件制作同上，試驗時在側(cè)向測定試件最大劈裂強度，計算得到劈裂強度。側(cè)向加壓時應放置壓條，并將試件橫置在壓條上，同時在試件頂面也放一壓條（上下壓條與試件接觸線必須位于試件直徑兩端，并與升降臺垂直）。壓條采用半徑與試件半徑相同的弧面壓條，其長度應大于試件的高度。劈裂試驗方法。

圖2-30小梁試驗加載圖式(1-試驗梁；2-承壓板；3-支點；4-頂桿；5-千分表)LPhl/3l/321345l1l03）抗拉強度試驗—彎拉試驗§2-7路面材料的累計變形與疲勞特性

重復荷載作用，達到路面結(jié)構(gòu)破壞的極限狀態(tài)，完全不同于其它結(jié)構(gòu)物由于使用期內(nèi)可能出現(xiàn)最大極限荷載引起破壞極限。1、彈塑性工作狀態(tài)：重復荷載作用引起塑形變形累積，當累積變形超出一定限度造成路面使用功能下降至允許限度以下，從而出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)（為使用極限狀態(tài)）2、彈性工作狀態(tài)：重復荷載作用不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，當微量損傷累積到一定限度使路面材料出現(xiàn)疲勞斷裂，達到破壞極限狀態(tài)（即結(jié)構(gòu)承載疲勞極限狀態(tài)）（這種重復荷載大小遠小于材料一次性受力破壞時的荷載大小）①水泥混凝土路面－彈性工作狀態(tài)－出現(xiàn)疲勞破壞；②瀝青路面：1）低溫環(huán)境中彈性工作狀態(tài)－出現(xiàn)疲勞破壞；2)高溫環(huán)境中彈塑性工作狀態(tài)——出現(xiàn)累積變形。3)季節(jié)性溫差很大的地區(qū)，瀝青路面兼有疲勞破壞和累積變形兩種極限狀態(tài)。③無機結(jié)合料處治半剛性路面材料：彈性狀態(tài)疲勞破壞；④粘土為結(jié)合料碎礫石路面：彈塑性狀態(tài)塑性變形累積。一、路面材料兩種極限破壞狀態(tài)1、變形過大導致極限狀態(tài)：這類主要是由于材料處于彈塑性工作狀態(tài)，重復荷載作用引起塑性變形累積，當累積變形超過一定程度后，路面使用功能下降導致允許限度以下，出現(xiàn)極限破壞狀態(tài)。2、疲勞導致極限狀態(tài)：路面材料處于彈性工作狀態(tài)，在重復荷載作用下不產(chǎn)生塑性變形，但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生微量損傷，當微量損傷累積達到一定程度，路面結(jié)構(gòu)就發(fā)生疲勞斷裂。二、累積變形:路面結(jié)構(gòu)在荷載重復作用下產(chǎn)生累積變形而產(chǎn)生沉陷與車轍，是路面結(jié)構(gòu)主要病害。1、碎礫石混合料塑性變形影響因素：（1）級配：碎礫石混合料在重復荷載作用下塑性變形累積規(guī)律與細粒土相似。級配良好混合料，隨作用次數(shù)增加而增加，且逐漸趨于穩(wěn)定；級配不良，混合料尺寸單一混合料，應力重復作用下很多次后仍有增大趨勢。（2）細料含量：越多，變形越大。2、瀝青混合料塑性變形影響因素：（1）溫度：溫度越高