第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料力學性質(zhì)

第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料力學性質(zhì)第一頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)二、汽車的軸型1、軸載的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計；2、為統(tǒng)一設(shè)計標準和便于交通管理，我國公路與城市道路路面設(shè)計規(guī)范中均以100KN作為設(shè)計標準軸重，即通常認為我國的道路車輛軸限為100KN；3、目前，在我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般在60～130KN范圍內(nèi)，大部分在100KN以下；4、由于汽車向大型重型發(fā)展，出現(xiàn)了多軸貨車，以減輕對道路壓力，我國常見汽車路面設(shè)計參數(shù)見表2-1。第二頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)三、汽車對道路的靜態(tài)壓力1、汽車對路面的靜態(tài)壓力主要由輪胎傳給路面的垂直壓力，大小受下列因素影響：A、汽車輪胎的內(nèi)壓力；B、輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形態(tài)；C、輪載的大小。2、輪胎與地面的接觸形狀近似于橢圓形，工程設(shè)計中以圓形接觸面積來表示。將車輪荷載簡化成當量的圓形均布荷載，并采用輪胎內(nèi)壓力作為輪胎接觸壓力。3、當量圓的半徑計算公式見（2-1）～（2-3）。第三頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)四、運動車輛對道路的動態(tài)影響（1）水平力車輛在行駛過程中產(chǎn)生的水平力（尤其是制動時較大），水平應(yīng)力的作用范圍同垂直應(yīng)力一樣，也認為是均勻分布在當量圓內(nèi)。（2）動載特性主要隨三個因素變化：行車速度、路面的平整度、車輛振動特性。設(shè)計時，以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設(shè)計荷載。（3）瞬時性動荷載下路面變形量的減少意味著路面結(jié)構(gòu)強度的提高，或者說路面體系的強度相對增大了。第四頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)五、交通分析1、交通量交通量是指一定時間間隔內(nèi)通過道路某一斷面的車輛總數(shù)，設(shè)計路面時，通常以平均日交通量來表征道路的交通狀況，即每晝夜通過道路某一斷面的車輛總數(shù)。交通量的觀測方法有兩種：直接記錄不同類型車輛的通行次數(shù)；用自動記錄儀器記錄通行車輛的軸數(shù)與軸載大小，然后按軸載大小進行分類統(tǒng)計。2、軸載組成與等效換算汽車的軸載與通行次數(shù)可以按照等效原則換算成標準軸載的作用次數(shù)。標準軸載的規(guī)定：我國瀝青路面和水泥混凝土路面規(guī)范均以雙輪組單軸100KN作為標準軸載，以BZZ-100表示。第五頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)各級軸載等效換算為標準軸載的原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下，要達到相同的疲勞損壞程度。將交通量中各級軸載換算為BZZ-100后得到的軸載作用次數(shù)稱為當量軸次（次/日），由此可得到設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計當量軸次。3、輪跡橫向分布距路面外側(cè)緣0.9米和3米附近的輪跡分布達到峰值，車道邊緣路面受到的軸載作用次數(shù)少。第六頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第二節(jié)環(huán)境因素影響溫度和濕度對路基路面結(jié)構(gòu)有重要影響。其變化會使路基路面產(chǎn)生溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。1、路基溫度對路面的影響影響因素主要有：大氣降水和蒸發(fā)；地面水的滲透；地下水的影響；溫差引起的濕度變化沿路基深度出現(xiàn)較大的溫度梯度時，水分在溫差的影響下以液態(tài)或氣態(tài)由熱處向冷處移動并積聚在該處。2、水泥混凝土面層濕度狀況及其影響面層濕度狀況的變化也會引起混凝土出現(xiàn)體積變化。（1）塑性收縮；（2）干燥收縮；第七頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)3、冰凍與融凍對路面的影響（1）冰凍——水結(jié)冰體積增大，使路基隆起而造成路面開裂；（2）融凍——冰凍路基融化后使路基失去承載力，導致路面損壞。4、溫度變化預(yù)測影響路面結(jié)構(gòu)溫度狀況的因素分為內(nèi)部和外部兩大類。外部因素中氣溫和太陽輻射是決定路面溫度狀況的兩項最重要因素；內(nèi)部因素為路面結(jié)構(gòu)層的熱特性。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度狀況，可通過同當?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)估方法分統(tǒng)計法和理論法。第八頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)5、溫度對路面的影響溫度沿深度呈曲線分布，經(jīng)歷由負到正再到負的循環(huán)；水泥混凝土路面要鋸縫；瀝青路面可能會高溫低溫裂縫第九頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第三節(jié)土基的力學強度特性一、路基受力狀況1、路基的受力——受自重（隨深度增加應(yīng)力增加）與車輛荷載作用（隨深度增加應(yīng)力減小）；2、車輪荷載作用下的應(yīng)力計算公式（2-10），自重應(yīng)力計算公式（2-11）。二、路基工作區(qū)1、路基工作區(qū)——在路基某一深度處，車輛荷載在土基中引起的應(yīng)力可以忽略不計（約為土基自重應(yīng)力的1/10～1/5），這一深度范圍以內(nèi)稱為路基工作區(qū)（深度用Za表示）；2、工作區(qū)內(nèi)路基土的強度和穩(wěn)定性極為重要。第十頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)三、路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性1、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系與理想線彈性材料有很大區(qū)別，分三個階段：階段1——彈性變形階段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈近似直線；階段2——塑性變形階段，部分變形能恢復(fù)，部分變形不能恢復(fù)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈曲線；階段3——破壞階段，應(yīng)力繼續(xù)增大，變形急劇增大，土體破壞。2、按照應(yīng)力—應(yīng)變曲線上應(yīng)力取值方法的不同，模量有以下幾種：A、初始切線模量：應(yīng)力值為零時的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率；第十一頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)B、切線模量：某一應(yīng)力級位的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率，反映該級應(yīng)力處應(yīng)力—應(yīng)變變化的精確關(guān)系；C、割線模量：以某一應(yīng)力值對應(yīng)的曲線上的點同起始點相連的割線的斜率，反映土基在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力—應(yīng)變的平均狀態(tài)；D、回彈模量：應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線的割線模量。前三種模量中的應(yīng)變值包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)變，而回彈模量則僅包含回彈應(yīng)變，它部分地反映了土的彈性性質(zhì)。第十二頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)四、重復(fù)荷載對路基土的影響1、重復(fù)荷載作用對土基的影響：A、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，這種情況不致形成土基的整體性剪切破壞；B、每一次加載在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成引起整體破壞的剪裂面，最后達到破壞階段。2、最終產(chǎn)生何種影響，主要取決于：A、土的性質(zhì)（類型）和狀態(tài)（含水率、密實度）；B、相對荷載（重復(fù)荷載的大小以重復(fù)荷載同一次靜載下達到的極限強度之比來表示）；C、荷載作用的性質(zhì)（即施加的速度、每次持續(xù)時間等）第十三頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第四節(jié)土基的承載能力用于表征土基承載力的參數(shù)指標有：回彈模量、地基反應(yīng)模量、加州承載比等一、土基回彈模量彈性模量E0——把土基簡化為一彈性半空間體，以圓形承載板壓入土基的方法測定；二、地基反應(yīng)模量地基反應(yīng)模量KR——力學模型假設(shè)地基上任一點的反力與該點撓度成正比，與其它點無關(guān)，土基相當于由互不聯(lián)系的彈簧組成；三、加州承載比（CBR）加州承載比（CBR值）——承載能力以材料抵抗局第十四頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)部荷載壓入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標準碎石為標準，它們的相對比值即為CBR值；第十五頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)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；2、邊坡滑塌；3、碎落和崩塌；4、路基沿山坡滑動；5、不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞；二、路基病害防治防治措施主要有：1、正確設(shè)計路基橫斷面；2、選擇良好的路基土填筑路基，必要時對路基上層填土作穩(wěn)定處理；第十六頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)3、采取正確的填筑方法，充分壓實路基，保證達到規(guī)定的壓實度；4、適當提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進入路基工作區(qū)范圍；5、正確進行排水設(shè)計；6、必要時設(shè)置隔離層隔絕毛細水上升，設(shè)置隔溫層減少路基冰凍深度和水分累積，設(shè)置砂墊層以疏干土基；7、采取邊坡加固、修筑擋土墻、土體加筋等防護技術(shù)措施，以提高其整體穩(wěn)定性。第十七頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第六節(jié)路面材料的力學強度特性路面所用材料，按形態(tài)及成型性質(zhì)大致可分為三類：1、松散顆粒型材料及塊料；2、瀝青結(jié)合料類；3、無機結(jié)合料類。一、抗剪強度按摩爾強度理論，材料的抗剪強度包括摩阻力和粘結(jié)力兩部分，即公式（2-28）；粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角可以通過直接剪切試驗，按上式計算；對松散粒料無法進行直剪試驗時，可以由三軸壓縮試驗，繪制摩爾圓和相應(yīng)的包絡(luò)線，按上式近似求出；瀝青混合料的抗剪強度與瀝青的粘度、用量、試驗溫度第十八頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)、加荷速率等因素有關(guān)。二、抗拉強度路面材料的抗拉強度主要由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力所提供，可以采用直接拉伸或間接拉伸試驗，測繪應(yīng)力—應(yīng)變曲線，取曲線的最大應(yīng)力值為抗拉強度。三、抗彎拉強度路面在車輛荷載作用下處于受彎拉狀態(tài)，路面材料的抗彎拉強度，大多通過簡支小梁試驗進行評定。計算公式見（2-31）四、應(yīng)力—應(yīng)變特性1、無機結(jié)合料可用三軸壓縮試驗所得到的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線求得回彈模量值，具有明顯的非線性特征，計算第十九頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)公式見（2-32）；2、水泥混凝土的彈性模量可由規(guī)則試件進行測定，常用的試驗方法有單軸試驗、三軸試驗、小梁試驗；3、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，因此不能用一個常量彈性模量來表征瀝青混合料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，采用勁度模量來表示（就是在給定溫度和加荷時間條件下的應(yīng)力—應(yīng)變參數(shù)）；第二十頁，共22頁。第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)第