長(zhǎng)安大學(xué)路基路面之第二章__行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì)

1、第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì)*目的要求目的要求1 了解車輛的分類。2掌握軸載的換算、累計(jì)軸載的計(jì)算。3 掌握環(huán)境因素對(duì)路基路面的影響。4 掌握土基力學(xué)強(qiáng)度特性以及路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性。5掌握影響土基的承載能力。6 掌握路面材料的力學(xué)強(qiáng)度特性。7掌握路面材料的累積變形與疲勞特性。*課時(shí)：課時(shí)：4學(xué)時(shí)*授課內(nèi)容授課內(nèi)容一、行車荷載二、環(huán)境因素的影響三、土基的力學(xué)強(qiáng)度特性四、土基的承載能力五、路基的變形、破壞與防治六、路面材料的力學(xué)強(qiáng)度特性七、路面材料的累積變形與疲勞特性*重點(diǎn)重點(diǎn)1.環(huán)境對(duì)路基路面使用性能的影響2.土基的力學(xué)特性3.路基的常見破壞4.路面材料的力學(xué)特性*難點(diǎn)難點(diǎn)土基的

2、力學(xué)特性路面材料的力學(xué)特性*教學(xué)方法教學(xué)方法利用多媒體以課堂講授為主，結(jié)合課堂討論。一、行車荷載一、行車荷載1.車輛的種類車輛的種類 小客車中客車 根據(jù)：座位 整車 牽引式掛車 牽引式半掛車車 大客車 客車 貨車汽車荷載主要是考慮軸重。我國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN。前輪一般單軸，單輪組。后軸有單軸、雙軸、三軸等。所謂雙軸、三軸指多個(gè)軸非?？拷?。輪組：一個(gè)軸的單側(cè)的輪數(shù)，一般有單輪組，雙輪組。我國(guó)常用汽車路面設(shè)計(jì)參數(shù)。2.汽車的軸型汽車的軸型 移動(dòng)荷載實(shí)際施加的是大小和位置均變化的，比較復(fù)雜。 目前成熟方法將車輛荷載視作靜態(tài)荷載。 1）大小與分布 2）輪胎與路面的接觸面形狀 實(shí)際橢圓形簡(jiǎn)化成當(dāng)量圓

3、 3.汽車對(duì)道路的靜態(tài)壓力汽車對(duì)道路的靜態(tài)壓力4.運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響水平力路面結(jié)構(gòu)承受剪力，車輛在啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)水平力很大。垂直力大小和位置均變化的移動(dòng)荷載?？紤]動(dòng)荷載有幾種方法：（1）大小不變的移動(dòng)荷載；（2）大小變化、位置不變的動(dòng)態(tài)荷載；（3）靜態(tài)荷載修正法：加入沖擊系數(shù)，將靜態(tài)荷載修正后成為設(shè)計(jì)荷載。即動(dòng)荷載的峰值大于靜載。 動(dòng)荷載的反復(fù)作用：塑性累積變形，疲勞等。 圖2-5 車速與路面變形的關(guān)系eN1Nt 1)1(3651teNN逐年增加。 式中：為設(shè)計(jì)的初始年平均日交通量；為設(shè)計(jì)年限。 5.交通分析交通分析確定公路等級(jí)。交通組成很復(fù)雜，要進(jìn)行換算。即在設(shè)計(jì)

4、年限內(nèi)以固定的增長(zhǎng)率一般依據(jù)設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量1）交通量）交通量2）軸載組成與等效換算）軸載組成與等效換算 軸載譜：各級(jí)軸載所占的比例，即軸載組成。 軸載換算：標(biāo)準(zhǔn)軸載雙輪組單軸軸載100kN。 換算原則等效破壞原則，即同一路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達(dá)到相同的損傷程度。iisNNsNiNiiiPsPnnsiiPP)(標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)； 級(jí)軸載作用次數(shù)；級(jí)軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的換算系數(shù)。系數(shù)，反映軸型和輪組輪胎數(shù)； 級(jí)荷載重；標(biāo)準(zhǔn)軸載重；系數(shù)，與路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。換算公式換算公式 式中：i3）輪跡橫向分布）輪跡橫向分布 所有交通量并不是作用在同一點(diǎn)上，也不是全斷面上，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面

5、上，稱作輪跡橫向分布?；旌闲旭偟碾p車道上輪跡橫向分布頻率曲線。1溫度和濕度的影響（1）對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響 一般隨溫度和濕度的增加強(qiáng)度和剛度下降。（2）脹縮變形受阻產(chǎn)生溫度和濕度應(yīng)力。二、二、 環(huán)境因素環(huán)境因素2路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度（1）影響因素：太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)速、降雨量和蒸發(fā)量等。主要：太陽(yáng)輻射和氣溫（2）路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度確定方法cQbTaTamaxmaxmaxTmax aT式中：路面某一深度處的最高溫度；相應(yīng)的日最高氣溫；統(tǒng)計(jì)方法 測(cè)路面內(nèi)溫度，收集太陽(yáng)輻射和氣溫等資料，回歸得出理論法 。熱傳導(dǎo)方程。參數(shù)難以確定，假設(shè)太多。Q相應(yīng)的太陽(yáng)輻射熱；a,b,c回歸常數(shù)1.路基受力狀況路基受力狀況

6、路基承受路基自重和汽車輪重。2. 路基工作區(qū)路基工作區(qū)從汽車荷載引起的垂直應(yīng)力隨深度的變化情況引出路基工作區(qū)。1）定義：當(dāng)汽車荷載引起的垂直應(yīng)力僅為路基自重引起的垂直應(yīng)力的1/101/5對(duì)應(yīng)的深度范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)時(shí)。此區(qū)之外，汽車荷載的影響忽略不計(jì)。三、三、 路基受力狀況路基受力狀況aZ5 . 0Kn105n3KnPZa2）路基工作區(qū)深度式中：系數(shù)，P一側(cè)輪重；K系數(shù)，取3. 路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性 1）土的特性 （1）非線性 （2）彈塑性 （3）流變特性 非線性的考慮用局部線性化方法，純彈性的考慮用回彈模量的方法。 2）土的模量（1）初始切線模量：應(yīng)力為零時(shí)的應(yīng)力

7、應(yīng)變曲線的斜率；（2）切線模量：某應(yīng)力處應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率；（3）割線模量：某某應(yīng)力處應(yīng)力應(yīng)變曲線上的點(diǎn)同起始點(diǎn)相連的割線的斜率；（4）回彈模量：應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的割線模量4. 重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響 主要是塑性累積變形，一種是壓密，一種是造成土體剪切破壞。 四、土基的承載能力四、土基的承載能力常用的指標(biāo)有：回彈模量、地基反應(yīng)模量和加州承載比 1.土基回彈模量適用范圍：彈性半空間地基（一般柔性路面采用），參數(shù)有回彈模量E和泊松比測(cè)定方法：柔性承載板法和剛性承載板法 （1）柔性承載板法 （2）剛性承載板法 一般直徑為lpK/。地基反應(yīng)模量：壓力與彎沉之比。2、地基

8、反應(yīng)模量適用范圍及定義： 適用于溫克勒（E.Winkler）地基。假定土基頂面任一點(diǎn)的彎沉僅同作用于該點(diǎn)的垂直壓力成正比，而同其相鄰點(diǎn)處的壓力無(wú)關(guān)。即地基可以認(rèn)為由許各不相連的彈簧組成。 一般剛性路面下路基采用溫克勒（E.Winkler）地基。測(cè)定方法 承載板法與回彈模量的測(cè)法相似，區(qū)別在于是一次加荷到位，承載板的半徑不同，為76cm。 兩種加載方法：（1）當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，控制彎沉值為0.127cm（2）當(dāng)?shù)鼗^硬時(shí)，控制單位壓力為70KPa測(cè)定方法 承載板法與回彈模量的測(cè)法相似，區(qū)別在于是一次加荷到位，承載板的半徑不同，為76cm。 兩種加載方法：（1）當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，控制彎沉值為0.127

9、cm（2）當(dāng)?shù)鼗^硬時(shí)，控制單位壓力為70KPa100sppCBR 3、加州承載比（CBR）定義早年由美國(guó)California提出的一種評(píng)定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石為標(biāo)準(zhǔn)，以它們的相對(duì)比值表示CBR值。測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)壓頭面積為19.35cm2加載速率0.127cm/min取0.254cm對(duì)應(yīng)貫入深度為時(shí)的單位壓力。1）路基沉陷2）邊坡滑塌 （1）溜方 （2）滑坡3）碎落和崩塌4）.路基沿山坡滑動(dòng)5）.不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞5.5.路基的主要病害路基的主要病害二、路基病害防治二、路基病害防治路基病害防治措施包括：1.

10、正確設(shè)計(jì)路基橫斷面，如坡度和高度等；2.選擇良好的填料，必要時(shí)對(duì)上層填土作穩(wěn)定處理；3.正確的進(jìn)行填筑，確保壓實(shí)度；4.適當(dāng)提高路基，改善路基的干濕狀況；5.正確進(jìn)行排水設(shè)計(jì)；6.設(shè)置隔離層和隔溫層；7.邊坡防護(hù)與加固。1. 抗剪強(qiáng)度1)定義：為材料受剪切時(shí)的極限或最大應(yīng)力。2)原因：車輛行駛，特別是剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的水平力，即剪力。3)抗剪不足會(huì)產(chǎn)生如下破壞：（1）路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，路基中的剪應(yīng)力過大，土基中剪切破壞；（2）無(wú)機(jī)結(jié)合料基層剪切破壞；（3）面層剪切破壞，造成推移等破壞。4) 公式：摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論。5）測(cè)定 直剪試驗(yàn)或三軸壓縮試驗(yàn)。六、六、 路面材料的力學(xué)強(qiáng)度特性路面材料的力

11、學(xué)強(qiáng)度特性lg c2. 抗拉強(qiáng)度1)原因：溫縮、干縮，及車輪緊急制動(dòng)時(shí)，車輪后側(cè)的路面受到較大的拉應(yīng)力。2)試驗(yàn)方法：（1）直接拉伸試驗(yàn)。（2）間接拉伸試驗(yàn)，即劈裂試驗(yàn)。3. 抗彎拉強(qiáng)度1）原因：在車輛荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)處于彎曲工作狀態(tài)。因此需要有抗彎拉強(qiáng)度。2）試驗(yàn)：簡(jiǎn)支小梁試驗(yàn)，三分點(diǎn)加載。1）顆粒材料的應(yīng)力應(yīng)變特性 無(wú)機(jī)結(jié)合料碎（礫）石材料。用三軸試驗(yàn)。應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)非線性。用回彈模量 表征。4. 應(yīng)力應(yīng)變特性 應(yīng)力應(yīng)變特性的含義，可以用應(yīng)力應(yīng)變曲線表征，但多用模量隨應(yīng)力或應(yīng)變的變化來(lái)表征。 rE2）水泥穩(wěn)定類材料的應(yīng)力應(yīng)變特性 包括水泥混凝土，水泥土，水泥穩(wěn)定碎石等。 單軸試驗(yàn)，三軸試

12、驗(yàn)（最好是三軸試驗(yàn)）和室內(nèi)承載板試驗(yàn)：測(cè)抗壓回彈模量。 小梁試驗(yàn)：測(cè)抗折彈性模量。和測(cè)抗彎拉強(qiáng)度的設(shè)備相同，主要要測(cè)撓度。3）瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變特性特性：低溫，荷載較小，作用時(shí)間較短時(shí)， 彈性； 粘性：與溫度和時(shí)間有關(guān)系。 塑性：與溫度和荷載大小有關(guān)系。 高溫，荷載較大，作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，彈粘塑性TtTtS,)(參數(shù)：勁度七、路面材料的累積變形與疲勞特性七、路面材料的累積變形與疲勞特性1.1.累積變形累積變形1）病害：產(chǎn)生沉陷或車轍，即永久變形。2）影響因素：荷載的大?。?，）和作用次數(shù)（，），路面路基材料特性3）碎礫石混合料累積變形 試驗(yàn)：三軸壓縮試驗(yàn)。 影響因素：荷載的大小和作用次數(shù)，級(jí)配（，），細(xì)料含量（，）。4）瀝青混合料累積變形 試驗(yàn)：?jiǎn)屋S或三軸壓縮試驗(yàn) 影響因素：荷載的大小和作用次數(shù)，溫度（，），集料的狀況（棱角（，），密實(shí)級(jí)配比開級(jí)配的累積變形小。2 2疲勞特性疲勞特性1）定義：（1）疲勞：對(duì)于彈性狀態(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下的極限應(yīng)力值時(shí)出現(xiàn)破壞，這種材料強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為疲勞。（2）疲勞強(qiáng)度：出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值。（3）疲勞極限：疲勞強(qiáng)度隨重復(fù)作用次數(shù)的增加而降低。有些