路面行車載荷環(huán)境因素材料的力學(xué)特性

1、不同軸型的貨車示意圖不同軸型的貨車示意圖圖圖22 成重高速剪應(yīng)力等值線圖成重高速剪應(yīng)力等值線圖圖圖23 京津塘高速剪應(yīng)力等值線圖京津塘高速剪應(yīng)力等值線圖不同剛度路面雙輪組荷載壓力的分布不同剛度路面雙輪組荷載壓力的分布2.輪載靜態(tài)壓力的簡化輪載靜態(tài)壓力的簡化簡化為單圓簡化為單圓簡化為雙圓簡化為雙圓單圓當(dāng)量圓直徑單圓當(dāng)量圓直徑雙圓當(dāng)量圓直徑雙圓當(dāng)量圓直徑3.路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載輪載對路面的水平力輪載對路面的水平力縱向水平力縱向水平力橫向水平力橫向水平力水平力：水平力：qmaxp ，p輪載重量，輪載重量，路面附著系數(shù)路面附著系數(shù) 的最大值一般不超過的最大值一般不超過0.70.8 ，車

2、速提高時(shí)，車速提高時(shí)， 將減小將減小水平力在路面產(chǎn)生的剪應(yīng)力只分布水平力在路面產(chǎn)生的剪應(yīng)力只分布 在最上層，向下迅速衰減。在最上層，向下迅速衰減。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予考慮設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予考慮由于車身自身的震動由于車身自身的震動和路面的不平整，車和路面的不平整，車輪實(shí)際上是以一定的輪實(shí)際上是以一定的頻率和振幅在路面上頻率和振幅在路面上跳動。其偏離靜荷載跳動。其偏離靜荷載的機(jī)會是均等的，設(shè)的機(jī)會是均等的，設(shè)計(jì)時(shí)仍然按照靜荷載計(jì)時(shí)仍然按照靜荷載考慮?？紤]。動態(tài)輪載不均勻性動態(tài)輪載不均勻性動荷載作用下路面變形減小動荷載作用下路面變形減小疲勞破壞或變形積累疲勞破壞或變形積累1. 交通量交通量（1）初始年平均日交通量：）

3、初始年平均日交通量：365nn3651ii1（2-6）（2）設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量：）設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量：1-1365nnt1e1-11365nnt1tte（2-7） 一定時(shí)間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面一定時(shí)間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量的數(shù)量2. 軸載組成與等效換算軸載組成與等效換算（1）軸載譜）軸載譜（2）軸載作用次數(shù)：）軸載作用次數(shù)：每日通行的軸載數(shù)每日通行的軸載數(shù)相應(yīng)的軸載譜百分率相應(yīng)的軸載譜百分率不同重量的軸載給路面結(jié)構(gòu)的損傷程度是不同的，對于路面不同重量的軸載給路面結(jié)構(gòu)的損傷程度是不同的，對于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)期限內(nèi)的交通量之外，另一個重要的因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)

4、期限內(nèi)的交通量之外，另一個重要的因素就是各級軸載所占的比例。素就是各級軸載所占的比例。（3）標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量作用次數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量作用次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)軸載：雙輪組單軸軸載標(biāo)準(zhǔn)軸載：雙輪組單軸軸載100kn等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達(dá)到相等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達(dá)到相 同的損傷程度同的損傷程度 軸載換算系數(shù)：軸載換算系數(shù)： nsiisippnn（2-8）式中：式中： ps 標(biāo)準(zhǔn)軸載重，標(biāo)準(zhǔn)軸載重，knkn； ns 標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)； pi、ni i i級軸載重及作用次數(shù)級軸載重及作用次數(shù) 反映軸型和輪組輪胎數(shù)影響的系數(shù)；反映軸型和輪組輪胎數(shù)影響的系數(shù)； n

5、 同路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。同路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。 3. 輪跡橫向分布輪跡橫向分布 車輪的軌跡總在橫斷面中心附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由車輪的軌跡總在橫斷面中心附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由于輪跡的寬度遠(yuǎn)小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不于輪跡的寬度遠(yuǎn)小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點(diǎn)，會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點(diǎn)，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上 單向行駛一個車道單向行駛一個車道混合行駛雙車道混合行駛雙車道溫度對瀝青路面彈性模溫度對瀝青路面彈性模量的影響量的影響濕度對路基

6、剛度的影響濕度對路基剛度的影響觀測結(jié)果分析：觀測結(jié)果分析： 路表溫度變化與氣溫大致同步，但溫度較氣溫高路表溫度變化與氣溫大致同步，但溫度較氣溫高 不同深度處的溫度同樣隨氣溫變化呈周期變化，升降幅不同深度處的溫度同樣隨氣溫變化呈周期變化，升降幅度隨深度增加而減小，峰值出現(xiàn)也隨深度增加而滯后度隨深度增加而減小，峰值出現(xiàn)也隨深度增加而滯后 瀝青面層溫度日變曲線瀝青面層溫度日變曲線水泥混凝土面層溫度日變曲線水泥混凝土面層溫度日變曲線觀測結(jié)果分析：觀測結(jié)果分析： 頂面與底面之間的溫差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負(fù)到正，再頂面與底面之間的溫差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負(fù)到正，再由正到負(fù)的循環(huán)變化由正到負(fù)的循環(huán)變化 溫度梯度

7、變化與氣溫變化大致同步，具有周期性特點(diǎn)溫度梯度變化與氣溫變化大致同步，具有周期性特點(diǎn) 2. 影響溫度狀況的因素影響溫度狀況的因素外部因素：太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、降水量等外部因素：太陽輻射、氣溫、風(fēng)速、降水量等內(nèi)部因素：結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù)內(nèi)部因素：結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù)（1）影響因素）影響因素（2）路面溫度狀況預(yù)估方法）路面溫度狀況預(yù)估方法統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法和和理論方法理論方法 統(tǒng)計(jì)方法：通過連續(xù)觀測及氣象資料收集，建立不統(tǒng)計(jì)方法：通過連續(xù)觀測及氣象資料收集，建立不同深度處各種路面溫度指標(biāo)的回歸方程同深度處各種路面溫度指標(biāo)的回歸方程: tmax= a + btamax + cq（2-9

8、）理論方法：應(yīng)用熱傳導(dǎo)理論方程式推演出各項(xiàng)氣象資料理論方法：應(yīng)用熱傳導(dǎo)理論方程式推演出各項(xiàng)氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預(yù)估方程式和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預(yù)估方程式 二二 、濕度影響（、濕度影響（或水分的影響或水分的影響）1. 影響濕度狀況的因素影響濕度狀況的因素降水、地面積水、地下水侵入降水、地面積水、地下水侵入地下水影響高度：地下水影響高度： 粘土：粘土：6m，砂質(zhì)粘土或粉土：，砂質(zhì)粘土或粉土：3m，砂土：砂土：0.9m。2. 保持路基路面干燥的主要方法保持路基路面干燥的主要方法（1）設(shè)置良好的地面排水和路面排水設(shè)施）設(shè)置良好的地面排水和路面排水設(shè)施（2）采用不透水面

9、層）采用不透水面層（3）處置路肩，防止水滲入）處置路肩，防止水滲入路面材料路面材料 松散顆粒型材料及塊料松散顆粒型材料及塊料 瀝青結(jié)合料瀝青結(jié)合料 無機(jī)結(jié)合料無機(jī)結(jié)合料1. 剪切破壞剪切破壞路路面結(jié)構(gòu)層較薄，剛度不足，車輪荷載通過薄層傳遞路路面結(jié)構(gòu)層較薄，剛度不足，車輪荷載通過薄層傳遞給土基的剪應(yīng)力過大，導(dǎo)致路基路面整體發(fā)生剪切破壞給土基的剪應(yīng)力過大，導(dǎo)致路基路面整體發(fā)生剪切破壞 無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠恚瑑?nèi)部剪應(yīng)力過大而無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠?，?nèi)部剪應(yīng)力過大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞 面面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強(qiáng)度較低，經(jīng)受較大的水平推力面面層結(jié)構(gòu)的材料抗

10、剪強(qiáng)度較低，經(jīng)受較大的水平推力時(shí)，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞時(shí)，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞 2. 抗剪強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度：tgc式中： c 材料的粘結(jié)力，kpa； 材料的內(nèi)摩阻角瀝瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度與瀝青瀝瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度與瀝青的粘度、用量、試驗(yàn)溫度、加荷速的粘度、用量、試驗(yàn)溫度、加荷速率等因素有關(guān)率等因素有關(guān) 瀝青含量越多，瀝青含量越多，值下降越多，值下降越多，而集料級配良好，有助于提高而集料級配良好，有助于提高 1. 抗拉強(qiáng)度來源：抗拉強(qiáng)度來源：由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供2. 抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)直接拉伸試驗(yàn)直接拉伸試

11、驗(yàn)間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）hdpt2apt2水泥混凝土：水泥混凝土：式中：式中： p 破壞荷載，kn； l 支點(diǎn)間距，m 水泥混凝土抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為水泥混凝土抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150mm150mm550mm，集料粒徑應(yīng)不大，集料粒徑應(yīng)不大于于40mm。 試驗(yàn)規(guī)程：試驗(yàn)規(guī)程： 2tplbh路面材料處于彈塑性路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，重復(fù)荷載工作狀態(tài)，重復(fù)荷載作用引起塑性變形積作用引起塑性變形積累，累積變形超出一累，累積變形超出一定限度時(shí)，出現(xiàn)破壞定限度時(shí)，出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)極限狀態(tài)路面材料處于彈性工作狀路面材料處于彈性工作狀態(tài)，重復(fù)荷載作用下雖不態(tài)，重復(fù)荷載作用

12、下雖不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微量損傷，微量損部產(chǎn)生微量損傷，微量損傷達(dá)到一定限度時(shí)，路面?zhèn)_(dá)到一定限度時(shí)，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂路面結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下處于何種破壞極限狀態(tài)，路面結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下處于何種破壞極限狀態(tài)，與路面所用材料、大氣溫度、濕度等均有關(guān)系。與路面所用材料、大氣溫度、濕度等均有關(guān)系。易產(chǎn)生車轍或沉陷易產(chǎn)生車轍或沉陷1. 碎、礫石混合料碎、礫石混合料 級配良好的混合料在重復(fù)級配良好的混合料在重復(fù)加載試驗(yàn)中，當(dāng)偏應(yīng)力低于加載試驗(yàn)中，當(dāng)偏應(yīng)力低于某一值時(shí)，塑性變形隨作用某一值時(shí)，塑性變形隨作用次數(shù)增加而增加，且逐漸趨次數(shù)增加而增加，且逐漸

13、趨于穩(wěn)定。偏應(yīng)力較大時(shí)，塑于穩(wěn)定。偏應(yīng)力較大時(shí)，塑性變形量隨作用次數(shù)的增加性變形量隨作用次數(shù)的增加而不斷增加，直至破壞。而不斷增加，直至破壞。級配不良或含有細(xì)粒過多級配不良或含有細(xì)粒過多的混合料，在應(yīng)力重復(fù)作用的混合料，在應(yīng)力重復(fù)作用多次后，塑性變形累積過大，多次后，塑性變形累積過大，不宜修筑路面。不宜修筑路面。2. 瀝青混合料瀝青混合料 塑性變形量隨重復(fù)作用次塑性變形量隨重復(fù)作用次數(shù)的增加而增加。數(shù)的增加而增加。溫度越高，塑性變形累積溫度越高，塑性變形累積量越大。量越大。同一溫度下，控制累積應(yīng)同一溫度下，控制累積應(yīng)變量的是加荷時(shí)間總和，而變量的是加荷時(shí)間總和，而不僅是重復(fù)作用次數(shù)。不僅是重復(fù)

14、作用次數(shù)。影響累積變形的因素，除影響累積變形的因素，除溫度、施加應(yīng)力大小及加荷溫度、施加應(yīng)力大小及加荷時(shí)間外，同集料的狀況也有時(shí)間外，同集料的狀況也有關(guān)。關(guān)。關(guān)于疲勞的幾個概念：關(guān)于疲勞的幾個概念：疲勞：疲勞：對彈性狀態(tài)的路面材料承受重復(fù)應(yīng)力作用時(shí)，可對彈性狀態(tài)的路面材料承受重復(fù)應(yīng)力作用時(shí)，可能在低于靜載一次作用的極限應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)破壞，這種材能在低于靜載一次作用的極限應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)破壞，這種材料強(qiáng)度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。料強(qiáng)度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞：疲勞破壞：由于材料微結(jié)構(gòu)局部不均勻，誘發(fā)應(yīng)力集中由于材料微結(jié)構(gòu)局部不均勻，誘發(fā)應(yīng)力集中而出現(xiàn)微損傷，在應(yīng)力重復(fù)作用下微損傷逐步累積擴(kuò)大，而出現(xiàn)微損傷

15、，在應(yīng)力重復(fù)作用下微損傷逐步累積擴(kuò)大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。疲勞強(qiáng)度：疲勞強(qiáng)度：出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值。出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值。疲勞極限：疲勞極限：材料在應(yīng)力重復(fù)一定次數(shù)后，疲勞強(qiáng)度不再材料在應(yīng)力重復(fù)一定次數(shù)后，疲勞強(qiáng)度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此溫度值為疲勞極限。下降，趨于穩(wěn)定值，此溫度值為疲勞極限。1. 水泥混凝土及無機(jī)結(jié)合料處治的混合料水泥混凝土及無機(jī)結(jié)合料處治的混合料 應(yīng)力比增大，出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)作用次數(shù)降低。應(yīng)力比增大，出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)作用次數(shù)降低。重復(fù)應(yīng)力級位相同時(shí)，重復(fù)應(yīng)力級位相同時(shí)，nf變化幅度較大，試驗(yàn)結(jié)果離散，但概變化幅度較大，試驗(yàn)結(jié)果離散，但概率分布基本符合對數(shù)

16、正態(tài)分布。率分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布。疲勞方程：疲勞方程：ffrnlgnf107時(shí)，應(yīng)力比為時(shí)，應(yīng)力比為0.55，此，此時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。應(yīng)力比小于應(yīng)力比小于0.75時(shí)，重復(fù)應(yīng)力施時(shí)，重復(fù)應(yīng)力施加的頻率對試驗(yàn)結(jié)果影響很微小。加的頻率對試驗(yàn)結(jié)果影響很微小。2. 瀝青混合料瀝青混合料 疲勞特性室內(nèi)試驗(yàn)采用簡支小梁疲勞特性室內(nèi)試驗(yàn)采用簡支小梁或圓柱體試驗(yàn)等方法，有兩種試或圓柱體試驗(yàn)等方法，有兩種試驗(yàn)方法：驗(yàn)方法：控制應(yīng)力控制應(yīng)力與與控制應(yīng)變控制應(yīng)變?？刂茟?yīng)力控制應(yīng)力試驗(yàn)，材料的疲勞破壞試驗(yàn)，材料的疲勞破壞以試件出現(xiàn)斷裂為標(biāo)志；而以試件出現(xiàn)斷裂為標(biāo)志；而控制應(yīng)控制應(yīng)變試驗(yàn)變試驗(yàn)，

17、可以以勁度模量下降到初，可以以勁度模量下降到初始值的始值的50作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。條件相同試驗(yàn)中，控制應(yīng)變試驗(yàn)所條件相同試驗(yàn)中，控制應(yīng)變試驗(yàn)所得疲勞壽命大得多。得疲勞壽命大得多。較厚的瀝青面層，宜采用控制應(yīng)較厚的瀝青面層，宜采用控制應(yīng)力試驗(yàn)方法；較薄的瀝青面層，力試驗(yàn)方法；較薄的瀝青面層，宜采用控制應(yīng)變的試驗(yàn)方法。宜采用控制應(yīng)變的試驗(yàn)方法。brfan1drfcn13. 曼諾定律曼諾定律 問題的提出：室內(nèi)疲勞試驗(yàn)一般采用單一不變的應(yīng)力問題的提出：室內(nèi)疲勞試驗(yàn)一般采用單一不變的應(yīng)力或應(yīng)變作為重復(fù)加載的基本模式，而實(shí)際路面受到的是或應(yīng)變作為重復(fù)加載的基本模式，而實(shí)際路面受到的是重力不同的車輛荷載，所以需解決如何綜合重力不同的車輛荷載，所以需解決如何綜合不同荷載的不同荷載的疲勞疲勞作用問題。作用問題。曼諾定律：曼諾定律：各級荷載作用下材料所出現(xiàn)的疲勞損壞可線各級荷載作用下材料所出現(xiàn)的疲勞損