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1、第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质路基路面工程第一节 行车荷载研究行车荷载的必要性:1、汽车是路基路面的主要服务对象,又是造成路基路面结构损坏的主要成因。2、汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量影响路面的使用性能。3、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。要做好路基路面结构设计,必须对行车荷载进行分析。路基路面工程行车荷载的主要研究内容:? 车辆的种类;? 汽车的轴型;? 汽车对道路的静态压力;? 运动车辆对道路的动态影响;? 交通分析。第一节 行车荷载路基路面工程一、车辆的种类道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类:1、客车:小客车、
2、中客车、大客车2、货车:整车、牵引式挂车、牵引式半挂车路基路面工程一、车辆的种类道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类:1、客车:小客车、中客车、大客车2、货车:整车、牵引式挂车、牵引式半挂车路基路面工程? 重型货车与大客车的作用次数在路面结构计算中起作用。? 小汽车一般在路基路面结构计算时不考虑,用于路面使用的安全性(抗滑性能)和舒适性(平整性)评定。? 对于沥青路面,轴载大于25KN的汽车计入。? 对于水泥混凝土路面,轴载大于40KN的汽车计入。路基路面工程二、汽车的轴型? 汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面? 因此,路面结构设计而言,应特别重视轴或轮重和其作用次数,而不是汽车种类和
3、数量。路基路面工程? 整车类:前轴、后轴。? 牵引式半拖车类:牵引车:前轴、后轴;拖车:后轴(单轴或双轴)。? 拖车类:由一辆或多辆组成,各配有前后二根单轴或单前轴和双后轴。? 轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度。各个国家均对轴重的最大限度有明确的规定。我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。目前我国公路是行使的车辆,后轴轴载一般在60130kN范围内。路基路面工程路基路面工程?汽车货运朝大型重载方向发展,货车的总重量有增加趋势,超载运输问题在我国日益突出。?要发展多轴多轮。?对超载的定义:2000年2月,交通部超限运输车辆行驶公路管理条例规定:“单轴(每侧单轮
4、胎)载质量6000kg,单轴(每侧双轮胎)载质量10000kg,双联轴(每侧双轮胎)载质量18000kg。”附则第二十九条规定,单轴轴载最大不得超过13000kg。路基路面工程某高速公路上重载交通车辆路基路面工程? 在重载交通条件下,沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝);? 若上述裂缝得不到即使的养护维修,在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、坑槽严重路基路面工程三、汽车对道路的静态压力1、汽车对道路的作用停驻状态:对道路的作用力为静态垂直压力。行驶状态:对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、振动力。2、汽车对道路的静态压力静载的大小与车辆的总质量及
5、轮轴的形式有关。影响静态垂直压力大小的因素:(1)汽车轮胎的内压力pi;(2)轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状;(3)轮载的大小。路基路面工程当量圆半径pP=式中:P作用在车轮上的荷载,kN;p轮胎接触压力,kpa; 接触面当量圆半径,m。路基路面工程双轮组车轴,若每一侧的双轮用一个圆表示,称为单圆荷载;如果用两个圆表示,则称为双圆荷载。pPd=4双圆荷载当量圆直径单圆荷载当量圆直径dpPD28=mDmd302. 0,213. 0=路基路面工程四、运动车辆对道路的动态影响? 道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外,还施加水平力和振动力,对路面固定点而言,这种影响又具有瞬时性和重复性。路基路
6、面工程1)水平力:? 行车安全要求qmax p ,其中 为路表与车轮的附着系数,它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。2)振动力:? 振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数,设计路面时,应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。3)瞬时作用及重复:? 路面点的车轮作用时间约为0.010.10s,结构变形来不及呈现,瞬时作用利于结构,但多次重复作用又易使其疲劳。路基路面工程五、交通分析1.交通量? 交通量在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。? 年平均日交通量在一年365天内的交通量之和除以365天。? 交通量调查方法直接记录、自动记录仪。
7、? 交通量年平均增长率? 设计年限内累计交通量路基路面工程初始年平均日交通量:设计年限t 年平均增长率设计年限内累计交通量36536511=iiNN 1)1 (3651+=teNN 1)1 ()1 (3651+=ttteNN路基路面工程2.轴载组成与等效换算? 轴载换算道路上行驶的车辆轴载与通行次数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通行次数。? 我国的标准轴载是双轮组单轴轴载100kN。? 轴载等效换算的原则同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。nSiiSiPPNN)(=轴载系数换算式:(2-8)路基路面工程3.轮迹横向分布? 轮迹(车道)的横向分布:按一定规律分布在车道横断
8、面上。? 轮迹(车道)横向分布系数:对于路面横断面上某一宽度(轮迹宽度和车道宽度)范围内的频率,也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数通过该横断面的总作用次数的比值。? 影响因素:路面宽度和车道宽度、交通组织管理方式(混合行驶、划线分车道行驶和分隔带(墩)分车道行驶)、交通密度和交通组成。路基路面工程轮迹横向分布频率曲线(单向行驶一个车道)路基路面工程第二节 环境因素影响? 环境因素影响主要表现在温度和湿度。? 温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素。? 路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。图2-9、2-10.? 路基土和路面材料的的体积随
9、路面体系内的温度和湿度升降而胀缩(胀缩因某种原因受到约束而不能实现时,路基和路面结构内便会产生附加应力,即温度应力和湿度应力)。路基路面工程温度对路面的影响? 由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是不均匀的,所以不同深度处胀缩的变化也是不同的。? 当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时,路基路面结构内部就会产生附加应力,即温度应力,进而对路基路面产生破坏。沥青面层温度日变化曲线水泥混凝土面层温度日变化曲线路基路面工程温度状况预估? 路面结构内的温度状况,可通过在外部和内部影响因素之间建立联系的方法来预估。? 这种方法有两类,即统计方法和理论方法? 统计方法:实测温度+气象资料回归
10、? 理论法:热传导理论预估方程路基路面工程影响温度变化的因素? 影响路面结构内温度状况的因素很多,可分为外部和内部两类。? 外部条件主要是气象条件,如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。而其中,太阳辐射和气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素。? 内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数,如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。路基路面工程湿度对路基路面的影响1.对路基的影响? 冻胀翻浆(与温度作用共同进行)? 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性2.做好路基路面排水的重要性路基路面工程第三节 土基的力学强度特性一、路基受力状况? 路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。? 汽车
11、轮重:计算时,假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷载,路基为一弹性均质半空间体。? 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力可以用近似如下公式计算。2ZPKZ=一侧轮轴荷载荷载中心下应力作用点的深度土基中应力分布图路基路面工程第三节 土基的力学强度特性一、路基受力状况? 路基土本身自重:在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力B按下式计算。ZB=式中:土的容重,kNm;Z应力作用点深度,m。路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的z 和由土基自重引起的B。土基中应力分布图路基路面工程二、路基工作区? 在某一深度a处,行车荷载在土基中产生的应力仅为土基自重应力的 1/51/10 ,与土基自重引起的应力B
12、相比,车辆荷载在a以下土基中产生的应力已经很小,可忽略不计。把车辆荷在土基中产生应力作用的这一深度范围叫路基工作区路基工作区。? 该深度Za随车辆荷载增大而增大,随路面的强度和厚度的增加而减小。土基中应力分布图路基路面工程? 在工作区范围内的路基,对于支承路面结构和车辆荷载影响较大,在工作区范围以外的路基,影响逐渐减少。Bzn1=aaZnZPK=123KnPZa=车辆荷载作用深度位于填筑高度内,路提应按规定要求分层填筑与压实。对于矮路堤,此时不但要对填土充分压实,而且要保证工作区内原地面下部土层具有足够的强度和稳定性。二、路基工作区路基路面工程三、路基土的应力-应变特性? 路基土的应力-应变特
13、性对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响。? 路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。? 在路面结构总变形中,土基变形占很大部分。? 路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线性弹性体有很大区别。? 压入承载板试验是研究土基应力-应变特性最常用的一种方法。? 以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面,逐级加荷卸荷,记录承载板上的荷载及由该荷载引起的沉降变形。路基路面工程承载板路基路面工程路基路面工程? 根据弹性力学理论,通过试验测得的回弹变形可以计算土基的回弹模量:lpDE)1 (2=式中:l承载板的回弹变形,m;D承载板的直径,m;E土体的回弹模量,kPa;土体的泊松比;p承载板压强,kpa。
14、路基路面工程? 尽管土基的应力-应变关系如此复杂,但在评定土基应力-应变状态以及设计路面时仍然用模量值E来表征。? 采用局部线性化的方法初始切线模量:应力值为0时应力-应变曲线的斜率;切线模量:某一应力级位处应力-应变曲线的斜率;割线模量:以某一应力值对应曲线上的点同起始点相连割线的斜率;路基路面工程回弹模量:应力卸载阶段,应力-应变曲线的割线模量。部分反映了土的弹性性质,反映了土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形的性质。? 尽管土基的应力-应变关系如此复杂,但在评定土基应力-应变状态以及设计路面时仍然用模量值E来表征。? 采用局部线性化的方法路基路面工程四、重复荷载对路基土的影响? 土基在重复荷
15、载作用下产生的塑性变形积累,最终将导致何种状况,主要取决于:(1)土的性质(类型)和状态(含水量、密实度、结构状态);(2)重复荷载的大小,以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示,即相对荷载;(3)荷载作用的性质,即重复荷载的施加速度,每次作用的持续时间以及重复作用的频率;(4)土基中侧向应力的大小。路基路面工程? 重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积:(1)土体逐渐被压密,每次的塑性变形量逐渐减小,直至最后稳定,这种不会导致土体产生剪切破坏.(2)每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形,形成能引起土体整体破坏的剪裂面,最后达到破坏。在重复应力低于临界值的范围内,总应变的
16、累积规律在半对数(或对数)坐标上一般呈线性关系,可表示为式中:a 应力一次作用下的初始应变;b应变增长回归系数;N应力重复作用次数。Nbalg1+=路基路面工程第四节 土基的承载能力? 路基作为路面结构的基础,它是抵抗车轮荷载能力的大小,主要决定干路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。? 用于表征土基承载力的主要参数指标:? 回弹模量? 地基反应模量? 加州承载比(CBR)路基路面工程一、土基回弹模量? 以回弹模量表征土基的承载能力,可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质,因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。? 有两种承载板可以用于测定土基回弹模量:、柔性压板:用柔性压板
17、测定回弹模量,土基与压板之间的接触压力为常量,即:2)(aPrp=路基路面工程? 承载板的挠度l(r)与坐标r有关,在压板中心处(r0),即:? 在柔性压板边缘处ra,其挠度可以按下式计算:Epalr)1 (220=Epalar )1 (42=路基路面工程 、刚性承载板:? 板底接触压力则随r值的变化,成鞍形分布。其挠度值与接触压力p值可分别按式下式计算。4)1 (22Epal=2221)(raparp=路基路面工程? 在实际测定中,刚性承载板用得较多,因为它的挠度易于测量,压力容易控制。? 试验时宜采用逐级加载卸载法,每级增加0.04MPa待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值,再加下一级荷载。
18、回弹变形值超过1mm时,则停止加载。可点绘出荷载回弹弯沉曲线。? 在曲线上选取合适的量值按下式进行计算。? 式中:pi,li分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值。)1 (2200=iilpaE路基路面工程路基模型:文科勒地基(弹簧地基)测定方法: 承载板试验测定(一次加载到位)。二、地基反应模量lpK =路基路面工程? 地基反应模量用承载板试验确定:? 承载板的直径规定为76cm。? 测定方法与回弹模量测定方法相类似,但是采取一次加载到位的方法。? 施加荷载的量值根据不同的工程对象,有两种方法供选用。? 当地基较为软弱时:用0.127cm的弯沉量控制承载板的荷载。因为,通常情况下混凝土
19、路面板的弯沉不会超出这一范围。? 地基较为坚实:弯沉值难以达到0.127cm时,则采用另一种控制方法,以单位压力p70kPa控制承载板的荷载。路基路面工程? 承载板直径的大小对其值有一定影响,直径越小,K值越大。? 但是由试验得知,当承载板直径大于76cm时,其值的变化很小,因此规定以直径为76cm的承载板为标准。? 当采用直径为30cm的承载板测定时,可按下式进行修正:K76=0.4K30路基路面工程以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征,并采用高质量标准碎石为标准,以它们的相对比值表示CBR值。100=s ppCBR概念:CBR试验:室内和室外试验三、加州承载比路基路面工程第五节 路基的破坏
20、形式与原因分析一、路基的主要病害1.路基沉陷(1)自身压缩沉陷(2)天然地基承载力不足引起的沉陷路基沉缩地基沉陷路基路面工程路基路面工程2.边坡滑塌:溜方和滑坡溜方:边坡上薄的表层土沿边坡向下滑动;滑坡:路堤边坡土体在重力作用下沿某个滑动面发生剪切破坏路基路面工程3. 碎落和崩塌剥落和碎落是指路堑边坡表面,在大气的干湿或冷热循环作用下,表面发生胀缩,使零碎薄层成片状从坡面上剥落下来的风化现象,而且老的脱落后,新的又不断产生。大块岩石脱离坡面沿边坡滚落称为崩塌。路基路面工程路基路面工程路基路面工程4.路基沿山坡滑动? 在较陡的山坡上填筑路基,路基在自重和荷载作用下,整个路基沿倾斜的原地面向下滑动
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