行車荷載課件

第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)行車荷載第二節(jié)環(huán)境因素影響第三節(jié)土基的力學(xué)強度特性第四節(jié)土基的承載能力第五節(jié)路基的變形、破壞及防治第六節(jié)路面材料的力學(xué)強度特性第七節(jié)路面材料的累積變形與疲勞特性1第一節(jié)行車荷載一、車輛和類型和軸型（一）車輛的種類客車(bus)

小客車自重和滿載重量小，車速高，120km/h以上中客車6～20個座位大客車20個座位以上，長途客運和城市公共交通貨車(truck)整車貨箱與汽車發(fā)動機一體。牽引式掛車牽引車與掛車分離牽引式半掛車牽引車與掛車分離，鉸接。2路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要以軸載作為荷載標(biāo)準。重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、小客車影響很小，有時可以忽略不計。評定路面表面特征時，如路面的平整度、防滑性，應(yīng)考慮小客車的安全性和可靠性。3三、汽車對道路的靜態(tài)壓力1.輪載靜態(tài)壓力影響因素1）輪載的大小2）汽車輪胎的內(nèi)壓力3）輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀5（a）6.5-16走向花紋（b）6.5-16橫向花紋（c）11.00-20橫向花紋6810kpa/1328kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

典型測試結(jié)果：11.00-20走向花紋輪胎接地壓力分布實測7簡化為單圓簡化為雙圓單圓當(dāng)量圓直徑雙圓當(dāng)量圓直徑3.路面設(shè)計的標(biāo)準軸載標(biāo)準軸載BZZ—100標(biāo)準軸載（kN）100輪胎接地壓強p（MPa）0.70單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d（cm）21.30兩輪中心距（cm）1.5d9四、運動車輛對道路的動態(tài)影響縱向水平力橫向水平力水平力：Qmax≤Pφ，P—車輪垂直壓力，φ—路面附著系數(shù)

φ的最大值一般不超過0.7～0.8；干燥狀態(tài)的值比潮濕狀態(tài)高；車速提高時，φ將減小1.

輪載對路面的水平力102.

動態(tài)輪載的波動性軸載的動態(tài)變化車速為60km/h;輪胎著地長度23cm（著地時間0.014s）路面中等平整度113.輪載作用的瞬時性車速同路面變形的關(guān)系1—水泥混凝土路面，角隅彎沉量或邊緣應(yīng)變量隨車速變化；2—瀝青路面，表面總彎沉量隨車速的變化。134.輪載作用的重復(fù)性車輪通過路面上任一點，路面承受荷載的時間只有0.01~0.10s左右。動荷載作用下路面變形量的減小，可以理解為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對提高，或者是路面結(jié)構(gòu)強度的相對增大。路面材料在重復(fù)荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，即材料的強度隨荷載重復(fù)次數(shù)增加而降低；彈塑性材料，如土基和柔性路面，呈現(xiàn)出變形的累積。在設(shè)計中要予以考慮。14五、交通分析交通量調(diào)查，將車輛分成11類：小型貨車、中型貨車、大型貨車、小型客車、大型客車、拖掛車、小型拖拉機、大中型拖拉機、自行車、人力車和畜力車。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要考慮設(shè)計年限內(nèi)，車輛對路面的綜合累計損傷作用，必須對現(xiàn)有的交通量、軸載組成及增長規(guī)律進行調(diào)查和預(yù)估，并通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺鼈儞Q算成當(dāng)量標(biāo)準軸載的累積作用次數(shù)。15不同軸型貨車代表車型：二軸車三軸車四軸車17五軸車六軸車18拖掛車代表車型：

三軸車四軸車

五軸車六軸車19方法一(以軸型為基礎(chǔ))：按照不同的軸輪類型把車軸分類(單軸單輪、單軸雙輪、雙聯(lián)軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪)，然后對所有車軸進行稱重調(diào)查，按照軸型歸類得到各類軸的軸載譜；方法(1)的直接對象是軸，適合于對軸型有較好識別能力的快速自動稱重儀器。

方法二（以車輛類型為基礎(chǔ)）：把車輛按照軸型組成和軸數(shù)進行分類(如三軸整車、三軸半掛等)，分別調(diào)查各類車輛的通過數(shù)，并在各類車輛中抽取一定數(shù)量進行稱重調(diào)查，再統(tǒng)計得到各類軸的軸載譜。方法(2)把車輛按照軸型進行分類，調(diào)查時統(tǒng)計的是車輛數(shù)，便于識別，適合于人工配合進行的移動或慢速固定設(shè)備測定，并與交通量觀測數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。

213.軸載換算調(diào)查得到的軸載與通行次數(shù)可以按等效原則換算為標(biāo)準軸載當(dāng)量通行次數(shù)，我國水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范和瀝青路面設(shè)計規(guī)范均選用單軸雙輪組軸載100kN（BZZ-100）作為標(biāo)準軸載。各種軸載的作用次數(shù)進行等效換算的原則是：第一，換算以達到相同的臨界狀態(tài)為標(biāo)準，即對同一種路面結(jié)構(gòu)，甲軸載作用N1次后路面達到預(yù)定的臨界狀態(tài)，乙軸載作用使路面達到相同臨界狀態(tài)的作用次數(shù)為N2，此時甲乙兩種軸載作用是等效的；第二，對某一種交通組成，不論以哪種軸載的標(biāo)準進行軸載換算，由換算所得軸載作用次數(shù)計算的路面厚度是相同的。22軸載換算系數(shù)ηi

式中：ηi—i級軸載換算為標(biāo)準軸載的換算系數(shù)；Ps—標(biāo)準軸載重，kN；Ns—標(biāo)準軸載作用次數(shù)；Pi—i級軸載重，kN；Ni—i級軸載作用次數(shù)；α—反映軸型(單軸、雙軸或三軸)和輪組輪胎數(shù)(單輪或雙輪)影響的系數(shù)；n—同路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。瀝青路面、水泥混凝土路面和半剛性路面的結(jié)構(gòu)特性不同，損傷的標(biāo)準也不同，因而系數(shù)α和n取值各不相同。23軸載換算方法：1)當(dāng)以彎沉進行厚度設(shè)計及瀝青層層底拉應(yīng)力驗算時式中：N——標(biāo)準軸載的當(dāng)量軸次，次/日；ni——被換算車輛的各級軸載作用次數(shù)，次/日；P——標(biāo)準軸載100KN；Pi——被換算車輛的各級軸載，KN；k——被換算車輛的類型數(shù)；C1——軸載系數(shù)，C1=1+1.2(m-1),m是軸數(shù)。當(dāng)軸間距大于3米時，按單獨的一個軸載計算，當(dāng)間距小于3米時，按雙軸或多軸計算。C2——輪組系數(shù)，單輪組為6.4，雙輪組為1，四輪組為0.38。不計25KN以下軸載252)當(dāng)進行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗算時不計小于50KN的軸載式中：C1′──軸數(shù)系數(shù)；當(dāng)間距小于3米時，按雙軸或多軸計算C1′=1+2(m-1),m是軸數(shù)。C2′──輪組系數(shù)，雙輪組為1.0，單輪組為18.5，四輪組為0.09。上述軸載換算公式，適用于單軸軸載小于130kN，雙軸軸載小于220kN，三軸軸載小于260kN的情況。262)以車輛類型為基礎(chǔ)進行各種軸型的軸載稱重和統(tǒng)計時，可將2軸6輪及以上車輛分為整車、半掛和多掛3大類，每類車再按軸數(shù)細分，分別按車型稱重后得到單軸軸載譜。各類車輛的設(shè)計軸載當(dāng)量換算系數(shù)：式中：kp,k—k類車輛的設(shè)計軸載當(dāng)量換算系數(shù)；pi—k類車輛單軸軸重級位i的頻率（以分數(shù)計）。29依據(jù)調(diào)查所得的車輛類型組成數(shù)據(jù)，計算確定設(shè)計車道使用初期的設(shè)計軸載日作用次數(shù)。式中：pk—k類車輛的組成比例（以分數(shù)計）306.

輪跡橫向分布我們在統(tǒng)計各種軸載的累計作用次數(shù)時，往往以通過某車道(或路面)斷面的軸載數(shù)表示。實際上，車輛輪跡僅具一定寬度，車輛通過時只能復(fù)蓋一小部分路面。因此，路面橫斷面上各點所受到的軸載作用次數(shù)，僅為通過該斷面軸載總數(shù)的一部分。輪跡橫向分布頻率：各點實際受到的作用次數(shù)同通過該斷面的總次數(shù)之比。輪跡橫向分布系數(shù)：路面橫斷面上某一寬度(例如輪跡寬度50cm)范圍內(nèi)的頻率，也即該寬度范圍內(nèi)所受到的車輛作用次數(shù)同通過該橫斷面的總作用次數(shù)的比值。

31分車道單向行駛時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)

影響輪跡橫向分布系數(shù)的主要因素：交通組織和管理、交通量及車道寬度。327.

設(shè)計年限(t)(瀝青路面)/設(shè)計基準期（水泥路面）內(nèi)設(shè)計車道上標(biāo)準軸載累計當(dāng)量數(shù)Ne式中：

N1—路面營運第一年雙向日平均當(dāng)量軸次（瀝青路面），路面營運第一年設(shè)計車道日平均當(dāng)量軸次（水泥路面）；η—車道系數(shù)，即方向分配系數(shù)和車道分配系數(shù)的乘積（瀝青路面），臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)（水泥路面）；γ—設(shè)計年限內(nèi)交通量年平均增長率。瀝青路面設(shè)計年限是指路面完工開始營運起，在正常養(yǎng)護和維修、罩面的條件下至路面服務(wù)性能下降到需大修時的時間。水泥路面設(shè)計基準期是指計算路面結(jié)構(gòu)可靠度時，考慮各項基本度量與時間關(guān)系所取用的基準時間段。

33第二節(jié)環(huán)境因素影響34受溫度和濕度影響，道路材料產(chǎn)生不均勻脹縮，脹縮受到約束而不能實現(xiàn)時，道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生附加應(yīng)力，即溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。3536一天內(nèi)不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線溫度梯度：單位深度內(nèi)的平均溫度坡差。37水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲線

3839影響路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況的因素：外部：氣象條件，包括太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、降水量、蒸發(fā)量內(nèi)部：材料熱物理特性參數(shù)，如熱傳導(dǎo)率、熱容量、對輻射熱的吸收能力40路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度狀況，可通過當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料及路面結(jié)構(gòu)的熱特性參數(shù)之間建立聯(lián)系的方法來預(yù)估，預(yù)估方法分為統(tǒng)計法和理論法。(1)

統(tǒng)計法41(2)

理論法應(yīng)用熱傳導(dǎo)理論方程式推導(dǎo)出。特點：參數(shù)確定難度大，理論假設(shè)理想化，結(jié)果與實測有一定的誤差。42第三節(jié)土基的力學(xué)強度特性一、路基受力狀況①路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應(yīng)力②路基土本身自重力在路基內(nèi)深度為Z處所引起的垂直壓應(yīng)力式中：P—一側(cè)輪軸荷載(kN)K—系數(shù)，一般取K=0.5Z—應(yīng)力作用點深度(m)γ—土的容重(kN/m3)4344二、路基工作區(qū)1.

定義45工作區(qū)深度和路基高度關(guān)系a.路堤高度大于Za；b.路堤高度小于Za路基工作區(qū)范圍內(nèi)的路基，受車輪荷載的影響較大;當(dāng)Za>H時,不僅填筑方受荷載作用,天然地基也受影響。2.

路基工作區(qū)的意義46三、路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線初始切線模量切線模量割線模量回彈模量47土基應(yīng)力-應(yīng)變的特性：非線性、彈塑性。土體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形：微觀：土的顆粒之間的相對移動，當(dāng)移動的距離超出一定限度時，即使將應(yīng)力解除，土體的顆粒已不再能回復(fù)原位；宏觀：土基產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形。48通過試驗測得的回彈變形計算土基的回彈模量：式中：l—承載板的回彈變形(m)D—承載板的直徑(m)E—土體的回彈模量(kPa)μ—土體的泊松比p—承載板壓強(kPa)壓入承載板試驗49三軸壓縮試驗50路基土的回彈模量ER四、重復(fù)荷載對路基土的影響每次荷載作用后，回彈變形消失，塑性變形殘留在土基中。隨作用次數(shù)增加，塑性變形不斷累積，總變形量不斷增大。51產(chǎn)生兩種情況：1)土體逐漸壓密，土體顆粒之間進一步靠攏，每一次加載產(chǎn)生的塑性變形量越來越小，直至穩(wěn)定。2)每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成能引起土體整體破壞的剪切面，最后達到破壞階段。影響土體塑性變形的參數(shù)：1)土的性質(zhì)（類型）和狀態(tài)（含水率、密實度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)）；2)重復(fù)荷載的大小（相對荷載），3)荷載作用性質(zhì)（速度、作用持續(xù)時間、頻率）52第四節(jié)土基的承載能力路基的承載能力，取決于路基頂面在一定應(yīng)力級位下抵抗變形的能力。一、土基回彈模量土基在圓形承載板下的壓力與撓度分布曲線（a.柔性承載板；b.剛性承載板）53剛性承載板測定土基回彈模量：式中：l—撓度p(r)—接觸壓力p—平均單位壓力54試驗采用逐級加載卸載法，荷載小于0.1MPa時，每級增加0.02MPa，以后每級增加0.04MPa。待卸載穩(wěn)定1min后讀取回彈彎沉值，再加下一級荷載?；貜椬冃沃党^1mm時，則停止加載。式中：pi，li—分別為各級荷載的單位壓力與相對應(yīng)的回彈彎沉值55二、地基反應(yīng)模量溫克勒地基假定，土基頂面任一點的彎沉l，僅同作用于該點的垂直壓力p成正比，而同其相鄰點處的壓力無關(guān)。地基反應(yīng)模量：K=p/l(kN/m3)56三、加州承載比CBR(CaliforniaBearingRatio)57承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并用高質(zhì)量標(biāo)準碎石為標(biāo)準，以它們的相對比值表示CBR值。式中：p—對應(yīng)于某一貫入度的土基單位壓力(kPa)ps—相應(yīng)貫入度的標(biāo)準壓力適用于CBR經(jīng)驗路面設(shè)計法，或用于對土或其他筑路材料以及土基本身進行強度評價?？梢耘c彈性模量建立相關(guān)性很好的換算