路基路面工程第9章行車(chē)荷載等

國(guó)家級(jí)國(guó)家級(jí)精品課程——《路基路面工程第九行車(chē)荷載、自然環(huán)境材料特長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)張久鵬博士、副教主主要內(nèi)主要內(nèi)主要內(nèi)第一第二第三第四行車(chē)荷交通分自然環(huán)境對(duì)路面的作路面材料力學(xué)特第一第一行車(chē)荷汽車(chē)荷載的特性包括汽車(chē)輪重與軸重、車(chē)軸布置、汽車(chē)軸載的時(shí)間分布特性、以及汽車(chē)靜與動(dòng)態(tài)荷載的特性比較等不同方面第一第一1、車(chē)輛的類(lèi)行車(chē)荷道路上通行的汽車(chē)主要分為客車(chē)與貨車(chē)兩大類(lèi)客第一1、車(chē)輛的類(lèi)第一1、車(chē)輛的類(lèi)行車(chē)荷道路上通行的汽車(chē)主要分為客車(chē)與貨車(chē)兩大類(lèi)客車(chē)分為轎車(chē)（小客車(chē)）、客車(chē)（大客車(chē)轎車(chē)（小客車(chē)）：2-8人，微型、輕型、中型和大質(zhì)量一般大于1.2t，車(chē)速大于客車(chē)（大客車(chē)）：9人以上，大于10t，車(chē)速大于類(lèi)總質(zhì)量總長(zhǎng)小中4-6-大11-9-鉸接雙9-第一第一1、車(chē)輛的類(lèi)行車(chē)荷道路上通行的汽車(chē)主要分為客車(chē)與貨車(chē)兩大類(lèi)貨第一第一1、車(chē)輛的類(lèi)行車(chē)荷道路上通行的汽車(chē)主要分為客車(chē)與貨車(chē)兩大類(lèi)輕型重型以上）也可分為整車(chē)、牽引式掛車(chē)和牽引式半掛車(chē)第一第一1、車(chē)輛的類(lèi)行車(chē)荷路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮大客車(chē)與貨車(chē)兩大類(lèi)汽車(chē)及其客貨總重量通過(guò)車(chē)身傳遞到車(chē)軸，再傳遞到車(chē)輪，最終由輪胎傳遞到路面，因此，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以軸重或者輪壓來(lái)進(jìn)行控制第一第一2、汽車(chē)的軸行車(chē)荷整車(chē)形式的客、貨車(chē)，分前軸、后前軸單軸單輪（軸重約1/3P）后軸：?jiǎn)屋S雙雙軸雙多軸雙輪（三及軸以上標(biāo)準(zhǔn)軸載：BZZ-第一汽車(chē)的第一汽車(chē)的軸 行車(chē)荷第一第一軸型簡(jiǎn)化 行車(chē)荷第一3、靜態(tài)壓行車(chē)荷第一3、靜態(tài)壓行車(chē)荷輪胎對(duì)路面的靜態(tài)壓力與胎內(nèi)壓接近，壓面近似圓形，直徑由p、P來(lái)計(jì)算，p可近似取輪胎氣壓PPD路P我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范D單圓圖第一3、靜態(tài)壓行車(chē)荷輪胎對(duì)路面的第一3、靜態(tài)壓行車(chē)荷輪胎對(duì)路面的靜態(tài)壓力與胎內(nèi)壓接近，壓面近似圓形，d由p、P來(lái)計(jì)算，p可近似取輪胎氣壓pdPPddd路PP我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范d=0.213m，中心距dd雙圓圖第一行車(chē)荷4、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的第一行車(chē)荷4、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影道路上行駛的汽車(chē)除給路面施加垂直靜壓力外，還加水平力和振動(dòng)力，對(duì)路面固定點(diǎn)而言，這種影響又具有瞬時(shí)性和重復(fù)性。VPPPP QQ 圖2-3車(chē)輪作用于路面的垂直壓力與水平壓a)停駐；b)啟動(dòng)、一般行駛、加速；c)減速、制動(dòng)；d)轉(zhuǎn)第一行車(chē)荷第一行車(chē)荷4、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影1）水平力行車(chē)安全要求xp?j，其中j為路2）振動(dòng)力病害路面點(diǎn)的車(chē)輪作用時(shí)間約為0.01~0.10s，變形來(lái)不呈現(xiàn)，瞬時(shí)作用利于結(jié)構(gòu)，但多次重復(fù)作用又易使其疲勞第一行車(chē)荷4、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的動(dòng)第一行車(chē)荷4、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影路表與車(chē)輪的附著系車(chē)速路面狀路面類(lèi)碎瀝青混凝水泥混凝————干——潮——第二第二交通分1、交通量和累計(jì)交通交通量調(diào)查與分調(diào)查內(nèi)容包括交通總量、車(chē)型分布、軸型軸載、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(zhǎng)率，并求算獲得對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，更重要的是軸載，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(lái)綜合累計(jì)第二交第二交通分1、交通量和累計(jì)交通交通量調(diào)查與分設(shè)計(jì)年《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTGB01-高速公路和具干線(xiàn)功能的一級(jí)公路按20公路以及二三級(jí)公路應(yīng)按15年預(yù)測(cè)，四級(jí)公路據(jù)實(shí)際情況確定《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD50-《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD40-1、交通量和累1、交通量和累計(jì)交通 N1第二第二交通分2、軸載組成與軸載換軸載譜：不同軸載的作用次數(shù)的頻率組成即為軸第二第二交通分2、軸載組成與軸載換軸載換基本原則①等破壞原則：達(dá)到相同的損傷程②等厚度原則：最終設(shè)計(jì)的厚度相軸載換算公式第二第二交通分瀝青路面軸載換算系數(shù)公式第二第二交通分瀝青路面軸載換算系數(shù)公式第二第二交通分水泥混凝土路面軸載換算系數(shù)公式第二3、輪第二3、輪跡橫向分交通分輪跡橫向分布頻率曲（單向行駛一個(gè)車(chē)道輪跡橫向分布頻率曲（混合行駛雙車(chē)道描述橫向分布的系數(shù)有兩個(gè)車(chē)道系輪跡橫向分布系第二第二4、累計(jì)當(dāng)量軸瀝青路交通分第二4第二4、累計(jì)當(dāng)量軸水泥路交通分第三第三自然環(huán)境對(duì)路面的作1、溫度的作溫度造成水泥砼路面的溫度應(yīng)力及條塊分第三第三自然環(huán)境對(duì)路面的作1、溫度的作溫度造成瀝青路面塑性變形累積及低溫開(kāi)第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下氣468時(shí)刻瀝青面層溫度日變化曲圖2-溫第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下氣第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下氣01234567月891圖2-瀝青面層月平均溫度的年變化曲溫第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變表面下氣82468時(shí)刻水泥混凝土面層溫度日變化曲圖2-溫第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變溫度第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變溫度05圖2-一天內(nèi)不同時(shí)刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲深第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變氣面層厚第三自然環(huán)境對(duì)路面的作2、溫度場(chǎng)的變氣面層厚溫度梯02468時(shí)刻水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲圖2-溫梯度（第三第三自然環(huán)境對(duì)路面的作3、溫度場(chǎng)的影響因外因：氣候條件，主要是氣溫和太陽(yáng)輻內(nèi)因：熱物理特性、厚度第三自第三自然環(huán)境對(duì)路面的作4、濕度的作濕度的來(lái)第三自第三自然環(huán)境對(duì)路面的作4、濕度的作濕度對(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(lèi)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)度與度，造成路面破壞，并可進(jìn)一步加劇路面透水第三自然環(huán)境對(duì)路面的作4第三自然環(huán)境對(duì)路面的作4、濕度的作重復(fù)應(yīng)力0含水量圖2-濕度對(duì)路基剛度的影回彈模第四路面材第四路面材料力學(xué)特1、主要材料類(lèi)①松散顆粒型材②瀝青結(jié)合類(lèi)材料asphalt③無(wú)機(jī)結(jié)合料類(lèi)材料inorganicbinding④水泥混凝土材料cement由于材料（整體性材料和非整體性材料）的基本性質(zhì)和成型方式的不同，各種路面結(jié)構(gòu)具有不同的力學(xué)強(qiáng)度特第四路面材料力學(xué)特2、第四路面材料力學(xué)特2、路面材料的強(qiáng)度特1）抗剪強(qiáng)度shear摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論t=c+其中c和j是表征路面材料抗剪強(qiáng)度的兩項(xiàng)參數(shù)，c是材料的粘結(jié)力（a），j是材料內(nèi)摩阻角，對(duì)于土，可以通過(guò)直剪試驗(yàn)得到；對(duì)于松散粒料無(wú)法做直接剪切試驗(yàn)，可用測(cè)定。τφcσ圖2-三軸試驗(yàn)確定第四路面材料力學(xué)第四路面材料力學(xué)特2、路面材料的強(qiáng)度特2）抗壓強(qiáng)度compressive指試樣在無(wú)側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限應(yīng)力。料經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)成型和養(yǎng)生后通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度也有側(cè)壓的強(qiáng)度試驗(yàn)三軸試驗(yàn)鋼管混凝土描述實(shí)際的狀態(tài)，如路面的三位狀態(tài)第四第四路面材料力學(xué)特2、路面材料的強(qiáng)度特3）抗拉強(qiáng)度tensile氣溫變化引起路面材料收縮，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，即在材料內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，材路面材料抗拉強(qiáng)度主要由混合料中的結(jié)合料粘結(jié)力提供，4）抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)lexible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)度第四路面第四路面材料力學(xué)特3、應(yīng)力-應(yīng)變特1）抗壓回彈模半剛性基層材瀝青混合2）抗彎拉模量flexible水泥混凝3）泊松比poisson第四第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試1）抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)——三軸剪切試=c第四路面材第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試2）抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量試瀝青混合料一般有大試件）、中試（Φ1000mm）和小試件（Φ50mm半剛性基層材料采用圓柱體試件水泥混凝土一般采用邊長(zhǎng)150mm的立方體試第四路面第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試2）抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量試圓柱體試件），進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)第四第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試2）抗壓回彈模量試第四路面材料力學(xué)特4、路面第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試3）抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)—直接拉伸試驗(yàn)和間接拉伸試p11523421p間接拉伸試間接拉伸受力狀直接拉伸試第四第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試3）抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)—直接拉伸試驗(yàn)和間接拉伸試第四路面材料力學(xué)第四路面材料力學(xué)特4、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)試4）水泥混凝土抗折強(qiáng)度和水泥混凝土抗折彈性模hF標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸(fcf)和抗折彈性模量fbL第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參1）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的強(qiáng)第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參1）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的模第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參1）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的模第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參1）無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的模量建議第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參2）瀝青混凝土材瀝青混凝土材料的參數(shù)建議第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參3）水泥混凝土材水泥混凝土參數(shù)建議第四第四路面材料力學(xué)特5、路面材料的設(shè)計(jì)參4）無(wú)粘結(jié)材①重復(fù)荷載三軸試②無(wú)粘結(jié)材料參數(shù)取第五第五累積變形與疲勞破1、路面結(jié)構(gòu)破壞的極限狀1）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即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)（使） ）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，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)，達(dá)到破壞極限狀態(tài)（即）（*這種重復(fù)荷載的大小遠(yuǎn)第五第五累積變形與疲勞破2水泥混凝土：處于彈性工作狀態(tài)，呈現(xiàn)疲勞破壞瀝青混合料：低溫環(huán)境中基本處于彈性工作狀態(tài)，出現(xiàn)疲勞破壞；高溫環(huán)境處于彈塑性工作狀態(tài)，出現(xiàn)累積變形；溫度在無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料：低齡期時(shí)處于低塑性的彈塑性狀態(tài)，其后基本處于彈性工作狀態(tài)，因此使用過(guò)程中主要為疲勞破壞碎（礫）石：屬于松散類(lèi)材料，具有移動(dòng)變形，可引起結(jié)構(gòu)塑性變形累積，但在其上有結(jié)合料類(lèi)材料時(shí)可因支撐不足引起 土（碎石土）：細(xì)粒土受大氣濕度影響，因此路面結(jié)構(gòu)處于塑性變形累積第五3、累積變變第五3、累積變變形分累積變形與疲勞破彈性粘彈性+粘塑性粘彈性粘塑性+塑性彈性塑性時(shí)間第五3、累積變變形累98累積變形與疲勞破應(yīng)第五3、累積變變形累98累積變形與疲勞破應(yīng)變不斷增大，直至剪切破壞應(yīng)變趨于穩(wěn)1=a+lg765432100 800023lge=c+clgN+lg+lg20123第五4、疲第五4、疲勞破疲勞累積變形與疲勞破材料強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱(chēng)為~。疲勞破壞材料由于微結(jié)構(gòu)不均勻誘發(fā)應(yīng)力集中而出現(xiàn)微損傷，在重復(fù)應(yīng)力作下微量損傷累積擴(kuò)大而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞稱(chēng)為~疲勞強(qiáng)度承受規(guī)定重復(fù)荷載作用所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（應(yīng)變）值稱(chēng)為。第五4、疲第五4、疲勞破累積變形與疲勞破疲勞極限減少而增加，當(dāng)重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）減少到重復(fù)荷載作用次數(shù)無(wú)限大時(shí)的重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）值即稱(chēng)為~。疲勞壽命材料從開(kāi)始加載到破壞所對(duì)應(yīng)的重復(fù)荷載作用次數(shù)稱(chēng)為疲勞曲線(xiàn)將重復(fù)彎拉應(yīng)力（應(yīng)變sr（εr）與一次加載破壞的極限彎拉力（應(yīng)變）的比值(稱(chēng)為應(yīng)力比或應(yīng)變比)作為縱坐標(biāo)，繪制sr/sf或 εf與重復(fù)作用次數(shù)Nf的關(guān)系曲線(xiàn)，即稱(chēng)為 第五累積變第五累積變形與疲勞破5、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材及水泥混凝土的疲勞特通過(guò)小梁試件施加重復(fù)應(yīng)力（應(yīng)變）來(lái)試驗(yàn)，可點(diǎn)繪不同應(yīng)力（應(yīng)變）比水平對(duì)應(yīng)的重復(fù)荷載作用次數(shù)，而得到疲勞曲線(xiàn)，并可回歸出疲勞方程：sr/sf=a-