[交通运输]chap2行车荷载、环境因素、材料的力学性质jsp.ppt
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1、Chap2 行车荷载、环境因素、材料的力学性质,2019/1/29,2,2-1 行车荷载 2-2 环境因素影响 2-3 土基的力学强度特性 2-4 土基的承载能力 2-5 路基的变形、破坏及防治 2-6 路面材料的力学强度特性 2-7 路面材料的累计变形与疲劳特性 作业,目录,2-1行车荷载,一、 种类 客车、货车 客车:小 6人 货车:整车 ,货厢与发动机为一整体 中 620人 牵引式挂车 牵引车+挂车(分离) 大 20人 牵引式半挂车 牵引车 铰接 挂车 速度公路等级评定路面的表面特性 小客车 重量(轴重)路面等级路面结构设计 中型载重车,2019/1/29,4,二、 轴型(图21) 前轴
2、:单轴单轮 1/3G 后轴:单轴单、双轮 2/3G 双轴单轮(极少)1/2G 双轴双轮 三轴单轮(少量),图21 不同轴型的货车示意图,三、 汽车对道路的静态压力,1、 静力大小影响因素: 车轮总荷(轮载大小) 轮胎内压(0.40.7MPa) 轮胎性质 近似认为: 轮胎内压=轮胎与路面的接触压力 P=0.80.9Pi(静置) P=0.91.1Pi(行驶升温),2019/1/29,6,双轴轮组车辆(图2-2),2、轮胎圆荷载,我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100的P=100/4KN,p=700KPa,用上述两式计算,可分别得到相应的当量直径为:d=0.213m, D=0.302m,
3、四、汽车对道路的动力作用,动荷载 振动 竖向力 运动 水平力,1、变异系数:标准离差与轮载静载之比(00.3) 动荷系数:动载/静载(K1) 影响因素:行车速度平整度车辆的振动特性 2、荷载具有瞬时性 作用时间0.010.1S,若V=60Km/h,则t取0.03S 3、重复特性 弹性材料 疲劳强度降低 f=(0.944-0.072logN)s 弹塑性材料永久变形(变形累积),2019/1/29,9,4、 水平荷载 图23 QmaxP qmaxp,图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平力 a)静止b)一般行驶、加速起动c)减速、制动d)转弯,五、交通分析,1、 交通量:单位时间内通过道路某一横断
4、面的车辆数。 年平均日交通量,高峰小时交通量,2019/1/29,11,设计年限内累计交通量:,2019/1/29,12,2、标准轴载 柔规路面设计和刚规路面设计以双轮组单轴100KN作为标准轴载。(黄河JN150) 3、轴载组成与等级换算 1) 轴载谱:各级轴载所占的比例。根据实测的各级轴载绘制的直方图,可作为该道路通行的各级轴载的典型轴载谱 。(可通过记录一类车辆的日通行车载数而推算所有各级轴载的作用次数) 2) 换算原则:同一种路面在不同轴载作用下达到相同的损坏程度。,2019/1/29,13,3)不同等级换算:,式中: ii级轴载换算为标准轴载的换算系数; Ps标准轴载重,KN; Ns
5、标准轴载作用次数; Pii级轴载重,KN; Nii级轴载作用次数; 反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数; n同路面结构特性有关的系数。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同,损伤的标准也不相同,因而系数和n取值各不相同。具体数值在有关章节分别作介绍。,2019/1/29,14,4、轮迹横向分布系数 在路面设计中我们通过调查和分析得到的交通量资料往往是整个路面宽度范围内所有行车道上的总交通量,但每个车道上的交通量并没有这么多,而且各不相同。我们设计采用的应是具有最大交通量的车道,这就需要对轴载(轮载)在车道横断面上的分布作调查分析。,图2-7 轮迹横向
6、分布频率曲线 (单向行驶一个车道),图2-8 轮迹横向分布频率曲线 (混合行驶双车道),2019/1/29,15,刚性路面,柔性路面,横向分布频率:以轮迹的大约宽度(25cm)为条带,条带上受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数。,2019/1/29,16,5、设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数,回目录,2-2环境因素影响,环境因素湿度、温度影响路基、路面的强度、刚度、稳定性、体积 (几何性质、物理力学性质),一、 湿度对路基路面的影响,1、 对路基的影响(前已述) 1) 湿度主要影响因素: 大气降水和蒸发地面水的渗透 地下水的影响 毛细水温差引起的湿度变化 2) 路基湿度影响路
7、基强度、稳定性再影响路面结构强度、刚度、稳定性 3) 如何保持路基干燥: 路面排水降低地下水位 加固路肩、注意路基施工,2019/1/29,19,2、 对路面的影响 没有路基影响明显 1) 湿度变化影响路面材料的强度和稳定性。 2) 湿度变化引起路面材料的体积变化,产生湿度应力。 3) 表面特性的改变(如抗滑性等),二、温度对路基路面的影响,1、 对路基的影响 温度单独影响较小,主要是水温结合,发生冻胀和春融。 1) 产生原因: 体积增大弱结合水向冰冻区移动 2) 影响因素: 路基土对冰冻的敏感性(细颗粒含量大) 气温下降缓慢 水的供给 3)措施: 降低地下水位 采用砼路面结构组合或密级配沥青
8、砼。,2、 对路面的影响,1) 路面温度变化 受大气温度影响一年之间和一日之内发生周期性变化。 路面结构内温度随深度变化而有所差别。,2019/1/29,22,图2-11沥青面层温度日变化曲线,2019/1/29,23,图2-12水泥混凝土面层温度日变化曲线,由图可见,路表面温度变化与气温变化大致是同步的,但是由于部分太阳辐射热被路面所吸收,路表面的温度较气温高,尤其是沥青路面,由于吸热量高,温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化,升降的幅度随深度的增加而减小。其峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后。,2019/1/29,24,图2-13一天内
9、不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线,由图可见,顶面与底面之间的温差,在一天内经历了由负(顶温低于底温)到正(顶温高于底温),再由正到负的循环变化。 温度梯度:单位深度内的平均温度坡差。,2019/1/29,25,图2-14水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线,由图2-14所示的曲线可以看出,温度梯度的变化与气温的变化大致是同步的,具有周期性特点。,2019/1/29,26,除了日变化之外,一年四季面层不同深度处的温度还随气温的变化而经历着年变化,图2-15所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况,可以看出,平均气温最高和最低的7月和1月份,面层的平均气温也相应为最高值和最低值
10、。,图2-15沥青面层月平均温度的年变化曲线,2019/1/29,27,2) 温度状况影响因素: 外因:气象条件(太阳辐射、气温、风速、降水量、蒸发量等) 内因:各结构层材料的热物理特性参数(如热传导率、热容量、吸收辐射热的能力) 3) 温度变化对路面的影响 刚性路面 温度导致砼板拱起(升温)或翘曲(降温) 线膨胀系数 10-5cm/ 柔性路面 夏:车辙、波浪、拥包 冬:开裂 4)如何克服 砼路面:分仓设胀缝 沥青路面:改进级配;沥青质量,回目录,2-3 土基的力学强度特性,一、 路基受力状况 作用荷载: 路基(路面)自重 汽车轮重 正确设计的受力反应:在弹性变形范围内。,图2-16 土基中应
11、力分布图,2019/1/29,29,1、 轮载在路基中引起的应力 当轮载为集中荷载时,(P),r=0时,k=3/(2)0.5,图2-16土基中应力分布图,2019/1/29,30,2)当轮载为圆形均布荷载时(p),2019/1/29,31,2、自重引起的垂直压应力 B=Z 路面材料可采用路基土材料,亦可折算,m=2 塑性体 m=2.5 弹-塑性体 m=3 弹-刚性路面,二、路基工作区,1、路基工作区的含义: 在路基某一深度Za处,当车轮荷 载引起的垂直应力z与路基土自重引起的垂直应力B相比所占比例很小(1/10-1/5)时,该深度范围Za称为路基工作区。,路基工作区内,土基的强度和稳定性对保持
12、路面结构的强度和稳定性极为重要,所以对路基工作区深度范围内的路基结构层(路床和上路堤)的密实程度和含水量都做相对下层更加严格的限制。,2019/1/29,33,2、深度,k=3/(2)0.5 1/n=1/10-1/5,2019/1/29,34,3、几种汽车车型的路基工作近似深度,路基工作区深度 表2-4,计算北京BJ130型汽车的工作区深度。,2019/1/29,35,图2-17 工作区深度和路基高度 路堤高度大于Za b) 路堤高度小于Za,2019/1/29,36,三、路基土的应力应变特性 1、路基土变形: 弹性变形:过大使沥青面层和砼析产生疲劳开裂。 (弹塑性体) 塑性变形:过大沥青路面
13、产生车辙和纵向不平整。 砼板路面,下层脱空而产生板块断裂。 2、弹塑性与弹性体的区别 压入承载板试验 弹性pl线型关系 弹塑性pl非线型关系 三轴压缩试验(3侧向力不变) 弹性:1-1线型关系 弹塑性:1-1非线型关系,2019/1/29,37,3、土在内部应力作用下表现出的变形: 微观者:是土颗粒之间的相对移动。当移动距离超出一定限度时,即使将应力解除,土体颗粒也不可能恢复原状。 宏观看:土基产生不可恢复的残余变形。,2019/1/29,38,图2-18土的应力应变关系曲线,2019/1/29,39,4、应力应变曲线上的模量值E取用: (1) 初始切线模量应力值为零时的应力应变曲线的斜率;
14、(2) 切线模量某一应力级位处应力应变曲线的斜率,反映该级应力处应力应变变化的精确关系; (3) 割线模量以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率,反映土基在工作应力范围内的应力应变的平均状态; (4) 回弹模量应力卸除阶段,应力应变曲线的割线模量。,前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变,而回弹模量则仅包含回弹应变,它部分地反映了土的弹性性质。,2019/1/29,40,5、土基应力应变的非线性特性的另一种表示方法 : 回弹模量值以应力或应变的函数形式表示: 砂性土ER=K1k2 (=1+2+3) 粘性土ER=K2+KK1-(1-2) 6、土的流变特性: 应变既与荷载应力大小
15、有关,而且与荷载作用持续时间有关。,2019/1/29,41,四、重复荷载对路基土的影响 1、重复荷载作用导致的两种结果: 土体逐渐密实,土体颗粒进一步靠拢,每一次加载产生的塑性变形越来越小至稳定。 土体破坏,每一次加载产生的剪切变形形成能引起土体整体破坏的剪切面。 2、影响因素:(到底产生哪一种结果) 土的性质(类型)和状态(含水量、密实度、结构状态) 重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下的极限强度之比(相对荷载) 荷载作用的性质(施加速度、每次作用时间、间隔),回目录,2-4土基的承载能力,土基承载能力采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。 一、土基回弹模量 1、含义: 以回弹模量表征土基
16、的承载能力,可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。 2、测定方法:承载板:柔性压板 刚性压板 3、影响因素: 荷载的作用形式、大小,竖向位移的大小, 土的性质和状态。,2019/1/29,43,刚性 中心、边缘l一样,挠度: 柔性,2019/1/29,44,接触应力 : 柔性:均匀分布 刚性:板底接触压力是鞍形分布,实际测试中,一般用刚性承载板法 方法:逐级加荷,每级0.04Mpa,待卸载稳定1min后读取 li 再加下一级荷载。,当l 超过1mm时,停止加载, 给制曲线(荷载弯沉),图2-21荷载回弹弯沉曲线,2019/1/29,45,二、地基反应模量 刚性路面设计,采用文克勒地基模
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