行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì)

1、1第二章第二章 行車荷載、環(huán)境因素、行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)土木建筑工程學(xué)院土木建筑工程學(xué)院鄧苗毅鄧苗毅2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：n第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載n第二節(jié)環(huán)境因素影響第二節(jié)環(huán)境因素影響n第三節(jié)土基的力學(xué)強度特性第三節(jié)土基的力學(xué)強度特性n第四節(jié)土基的承載能力第四節(jié)土基的承載能力n第五節(jié)路基的變形、破壞及防治第五節(jié)路基的變形、破壞及防治n第六節(jié)路面材料的力學(xué)強度特性第六節(jié)路面材料的力學(xué)強度特性n第七節(jié)路面材料的累積變形與疲勞特性第七節(jié)路面材料的累積變形與疲勞特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容3研究行車荷載的原因：研究行車荷載的原因：n汽車是路基路面的服務(wù)對象。路基路面的主要汽車

2、是路基路面的服務(wù)對象。路基路面的主要功能是保證車輛快速、安全、舒適、經(jīng)濟通行。功能是保證車輛快速、安全、舒適、經(jīng)濟通行。n汽車荷載是造成路基路面結(jié)構(gòu)損傷的主要原因。汽車荷載是造成路基路面結(jié)構(gòu)損傷的主要原因。要做好路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須對行車荷載進要做好路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須對行車荷載進行分析。行分析。第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載4行車荷載的主要研究內(nèi)容：行車荷載的主要研究內(nèi)容：n汽車的輪重與軸重；汽車的輪重與軸重；n不同車型的車軸布置；不同車型的車軸布置；n設(shè)計期限內(nèi)，汽車的軸型分布及汽車年通過量的逐設(shè)計期限內(nèi)，汽車的軸型分布及汽車年通過量的逐年變化；年變化；n汽車的靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較

3、。汽車的靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較。第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載5一、一、車輛的種類車輛的種類：n客車：小客車、中客車、大客車；客車：小客車、中客車、大客車；n貨車：整車、牽引式半掛車、牽引式掛車。貨車：整車、牽引式半掛車、牽引式掛車。第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載道路上通行的車輛主要分為道路上通行的車輛主要分為客車客車與與貨車貨車兩大類。兩大類。 汽車的總重量通過車軸和車輪傳遞給路面，所以汽車的總重量通過車軸和車輪傳遞給路面，所以路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要以主要以軸重軸重作為荷載標(biāo)準(zhǔn)。因此，在眾多的作為荷載標(biāo)準(zhǔn)。因此，在眾多的車輛組合中，車輛組合中，重型貨車重型貨車和和大客車大客車起決定作用

4、。對于起決定作用。對于小客小客車車，則主要對路面的，則主要對路面的表面特性表面特性如：平整性、抗滑性等，如：平整性、抗滑性等，提出較高的要求。提出較高的要求。6一、一、車輛的種類車輛的種類：第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載整車整車 牽引式半掛車牽引式半掛車 7二、二、汽車的軸型汽車的軸型：n軸重的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力與結(jié)構(gòu)強度，軸重的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力與結(jié)構(gòu)強度，各個國家均對軸重的最大限度有明確的規(guī)定。我國公路與各個國家均對軸重的最大限度有明確的規(guī)定。我國公路與城市道路設(shè)計規(guī)范中均以城市道路設(shè)計規(guī)范中均以100kN100kN作為作為標(biāo)準(zhǔn)軸重標(biāo)準(zhǔn)軸重。目前我國。目前我國

5、公路是行使的車輛，后軸軸載一般在公路是行使的車輛，后軸軸載一般在6060130kN130kN范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。n汽車貨運朝大型重載方向發(fā)展，貨車的總重量有增加趨勢，汽車貨運朝大型重載方向發(fā)展，貨車的總重量有增加趨勢，超載運輸問題在我國日益突出。多軸多輪化發(fā)展。超載運輸問題在我國日益突出。多軸多輪化發(fā)展。n對對超載超載的定義：的定義：20002000年年2 2月，交通部月，交通部超限運輸車輛行駛超限運輸車輛行駛公路管理條例公路管理條例規(guī)定：規(guī)定：“單軸（每側(cè)單輪胎）載質(zhì)量單軸（每側(cè)單輪胎）載質(zhì)量6000kg6000kg，單軸（每側(cè)雙輪胎）載質(zhì)量，單軸（每側(cè)雙輪胎）載質(zhì)量10000kg10000kg

6、，雙聯(lián)軸，雙聯(lián)軸（每側(cè)雙輪胎）載質(zhì)量（每側(cè)雙輪胎）載質(zhì)量18000kg18000kg?！备絼t第二十九條規(guī)定，附則第二十九條規(guī)定，單軸軸載最大不得超過單軸軸載最大不得超過13000kg13000kg。 第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載8二、二、汽車的軸型汽車的軸型：第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載單后軸單輪組單后軸單輪組 雙后軸雙輪組雙后軸雙輪組9不同軸型的貨車示意圖不同軸型的貨車示意圖第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載10三、汽車對道路的靜態(tài)壓力三、汽車對道路的靜態(tài)壓力n汽車輪胎內(nèi)壓（接觸壓力）；汽車輪胎內(nèi)壓（接觸壓力）；n輪胎的剛度和輪胎與路面的接觸的形態(tài)輪胎的剛度和輪胎與路面的接觸的形態(tài)（橢圓近似圓形）

7、；（橢圓近似圓形）；n輪載的大小。輪載的大小。第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載靜態(tài)壓力靜態(tài)壓力P P的影響因素：的影響因素：11單圓圖示單圓圖示： 雙圓圖示雙圓圖示： 標(biāo)準(zhǔn)軸載標(biāo)準(zhǔn)軸載 Bzz-100Bzz-100（軸載）（軸載） P=25kNP=25kN（輪載（輪載 p=700kPa p=700kPa d=0.213m D=0.302md=0.213m D=0.302m82PDdp4PpPdp第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載12四、運動車輛對道路的動態(tài)影響四、運動車輛對道路的動態(tài)影響n水平力水平力 第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載轉(zhuǎn)彎減速制動正常加速起動靜止MAXQP縱向路面滑移附著系數(shù)最大水平力：最大

8、水平力：水平力對路面造成的影響：水平力對路面造成的影響： 面層材料抗剪強度不足時，在水平荷載作用下，會產(chǎn)面層材料抗剪強度不足時，在水平荷載作用下，會產(chǎn)生生推移推移、擁包擁包、波浪波浪、車轍車轍等破壞。等破壞。13四、運動車輛對道路的動態(tài)影響四、運動車輛對道路的動態(tài)影響n輪載的動態(tài)（振動）輪載的動態(tài)（振動）第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)：振動輪載的最大值與靜載的比值。：振動輪載的最大值與靜載的比值。影響系數(shù)影響系數(shù) （變異（變異系數(shù)）影響因素系數(shù)）影響因素平整度行車速度車輛振動特性14四、運動車輛對道路的動態(tài)影響四、運動車輛對道路的動態(tài)影響n輪載作用的瞬時性輪載作用的瞬時性第一節(jié)行

9、車荷載第一節(jié)行車荷載 車輪通過路面的時間約為車輪通過路面的時間約為0.010.010.10s0.10s左右，當(dāng)應(yīng)力出左右，當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)的時間很短時，來不及傳遞分布，其變形特性不能像靜載現(xiàn)的時間很短時，來不及傳遞分布，其變形特性不能像靜載作用那樣完整表現(xiàn)出來。作用那樣完整表現(xiàn)出來。變性滯后性：變性滯后性：15四、運動車輛對道路的動態(tài)影響四、運動車輛對道路的動態(tài)影響n車輛荷載作用的重復(fù)性車輛荷載作用的重復(fù)性第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載 路面材料產(chǎn)生疲勞破環(huán)的主要原因。路面材料產(chǎn)生疲勞破環(huán)的主要原因。軸載靜力軸載靜力、動力量值動力量值和和通行數(shù)量通行數(shù)量是路面設(shè)計中重要參數(shù)。是路面設(shè)計中重要參數(shù)。16

10、五、五、交通分析交通分析第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載 交通量交通量：指一定的時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一：指一定的時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量。道路橫斷面的數(shù)量。 a a、初始年平均日交通量：、初始年平均日交通量： b b、交通量年平均增長率、交通量年平均增長率 c c、設(shè)計年限內(nèi)累積交通量：、設(shè)計年限內(nèi)累積交通量： 3651i=1N =Ni/3651365(1)1tNrNert-1365(1)1(1)ttNrNerr或或17五、交通量分析五、交通量分析n輪載組成與等效換算輪載組成與等效換算第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載 a a、觀測方法：人工、自動、觀測方法：人工、自動 共共111

11、1類車輛類車輛 b b、軸載譜：、軸載譜：各級軸載所占的比例各級軸載所占的比例（軸載組成）。（軸載組成）。 不同重力的軸載對路面結(jié)構(gòu)的損傷程度差別較大，所以除了關(guān)不同重力的軸載對路面結(jié)構(gòu)的損傷程度差別較大，所以除了關(guān)注累計交通量，還要關(guān)注各級軸載所占的比例（軸載譜）。注累計交通量，還要關(guān)注各級軸載所占的比例（軸載譜）。 c c、等效換算：、等效換算： 各種軸載作用次數(shù)等效的原則：各種軸載作用次數(shù)等效的原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的損傷程度用下達到相同的損傷程度。 我國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為：雙輪組單軸我國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為：雙輪組單軸Bzz-100Bzz-100。()

12、nsiiisNPNP18五、交通量分析五、交通量分析n輪跡橫向分布輪跡橫向分布第一節(jié)行車荷載第一節(jié)行車荷載 由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，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，也不不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不會平均分配到每一點上，會平均分配到每一點上，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。 輪跡律分布橫向分布頻率的影響因素：輪跡律分布橫向分布頻率的影響因素：交通量、交通組成、車交通量、交通組成、車道寬度、交通管理規(guī)則道寬度、交通管理規(guī)則等等。 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，用橫向分布系數(shù)來反映輪跡橫

13、向分布頻率的影路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，用橫向分布系數(shù)來反映輪跡橫向分布頻率的影響。通常取兩個條帶頻率之和作為響。通常取兩個條帶頻率之和作為輪跡橫向分布系數(shù)輪跡橫向分布系數(shù)。19一一 、溫（濕）度變化對路基路面的影響、溫（濕）度變化對路基路面的影響 ：n路基土和路面材料的路基土和路面材料的強度強度和和剛度剛度n路基土和路面材料的路基土和路面材料的體積體積第二節(jié)環(huán)境因素影響第二節(jié)環(huán)境因素影響20二二 、溫度狀況的預(yù)估、溫度狀況的預(yù)估第二節(jié)環(huán)境因素影響第二節(jié)環(huán)境因素影響21二二 、溫度狀況的預(yù)估：、溫度狀況的預(yù)估：第二節(jié)環(huán)境因素影響第二節(jié)環(huán)境因素影響太陽輻射氣溫外部因素風(fēng)速1、影響因素降雨蒸發(fā)熱傳導(dǎo)率內(nèi)部因

14、素?zé)崛萘?統(tǒng)計方法：回歸方程：長期觀測.可靠性大精度較高，通用性較差、預(yù)估方法理論方法：微分方程：熱傳導(dǎo)理論推演，通用性好，精度較低22 濕度（與溫度共同作用）對路基路面的強度、剛度及濕度（與溫度共同作用）對路基路面的強度、剛度及穩(wěn)定性影響現(xiàn)象表現(xiàn)為：穩(wěn)定性影響現(xiàn)象表現(xiàn)為： 保持路基干燥的主要方法：保持路基干燥的主要方法： 地下水對路基土的影響深度地下水對路基土的影響深度 不同自然環(huán)境區(qū)域的路基受不同來源濕度的影響。不同自然環(huán)境區(qū)域的路基受不同來源濕度的影響。 面層的透水性面層的透水性和和路肩以下路基的濕度變化路肩以下路基的濕度變化對路基的濕度對路基的濕度有影響。有影響。凍脹凍脹翻漿翻漿設(shè)置地

15、面排水設(shè)施設(shè)置路面結(jié)構(gòu)排水設(shè)施粘質(zhì)土 6m粉質(zhì)土 3m砂類土 0.9m第二節(jié)環(huán)境因素影響第二節(jié)環(huán)境因素影響三、濕度狀況：三、濕度狀況：23 路基承受路基承受路基自重路基自重和和汽車荷載汽車荷載。 在路基上部靠近路面結(jié)構(gòu)的一定深度內(nèi)，路基土主要承受車輛荷載在路基上部靠近路面結(jié)構(gòu)的一定深度內(nèi)，路基土主要承受車輛荷載的影響。正確的設(shè)計應(yīng)保證路基所受的力在路基彈性限度以內(nèi)，當(dāng)車輛的影響。正確的設(shè)計應(yīng)保證路基所受的力在路基彈性限度以內(nèi)，當(dāng)車輛駛過后，路基能立即恢復(fù)原狀，以保證路基的相對穩(wěn)定，路面不致引起駛過后，路基能立即恢復(fù)原狀，以保證路基的相對穩(wěn)定，路面不致引起破壞。破壞。 路基土在車輪荷載作用下所引

16、起的垂直應(yīng)力的近似計算：路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應(yīng)力的近似計算： 路基土本身自重在路基內(nèi)深度為路基土本身自重在路基內(nèi)深度為Z Z處所引起的垂直應(yīng)力處所引起的垂直應(yīng)力 ： 路基內(nèi)任一點垂直應(yīng)力包括由車輪和由土基自重引起的垂直應(yīng)力共路基內(nèi)任一點垂直應(yīng)力包括由車輪和由土基自重引起的垂直應(yīng)力共同作用。同作用。第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性一、路基的受力狀況：一、路基的受力狀況：2zpkZBZ24二、路基工作區(qū)：二、路基工作區(qū)：第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性n概念：在路基某一深度處，當(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力概念：在路基某一深度處，當(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力

17、z z與路基土自與路基土自重重 引起的垂直應(yīng)力引起的垂直應(yīng)力B B相比所占比例很小，僅為相比所占比例很小，僅為1/101/101/51/5時，該深度時，該深度ZZ范圍內(nèi)的路基稱為范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)路基工作區(qū)。路基工作區(qū)深度隨著車輪荷載的加。路基工作區(qū)深度隨著車輪荷載的加大而加深。大而加深。n在工作區(qū)范圍內(nèi)的路基，對于支承路面結(jié)構(gòu)和車輪荷載影響較大，在在工作區(qū)范圍內(nèi)的路基，對于支承路面結(jié)構(gòu)和車輪荷載影響較大，在工作區(qū)范圍以外的路基，影響逐漸減小。工作區(qū)范圍以外的路基，影響逐漸減小。n路基工作區(qū)深度的確定：路基工作區(qū)深度的確定： 得到：得到：n路基工作區(qū)內(nèi)，土基的強度和穩(wěn)定性對保證路面結(jié)構(gòu)

18、的強度和穩(wěn)定性路基工作區(qū)內(nèi)，土基的強度和穩(wěn)定性對保證路面結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性極為重要，對工作區(qū)范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇、路基的壓實度應(yīng)提出極為重要，對工作區(qū)范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇、路基的壓實度應(yīng)提出較高的較高的要求。要求。2BZnPKZ3aZ =KnP25三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：n路基土的變形包括路基土的變形包括彈性變形彈性變形和和塑性變形塑性變形，過大的塑性變形導(dǎo)致瀝青路，過大的塑性變形導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍和縱向不平整，會導(dǎo)致水泥混凝土路面板的斷裂。在柔性面出現(xiàn)車轍和縱向不平整，會導(dǎo)致水泥混凝土路面板的斷裂。在柔性路面結(jié)構(gòu)中，土基的變形占很大部分。路面結(jié)構(gòu)中，土基的變形占很大部分

19、。n土基土的組成包括土基土的組成包括固相固相、液相液相和和氣相氣相三部分（三相體）。路基土在應(yīng)三部分（三相體）。路基土在應(yīng)力作用下呈現(xiàn)的變形特性同理想的線彈性體有很大區(qū)別。力作用下呈現(xiàn)的變形特性同理想的線彈性體有很大區(qū)別。n土基的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系除了出現(xiàn)非線性特性以外，還表現(xiàn)出土基的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系除了出現(xiàn)非線性特性以外，還表現(xiàn)出塑性性質(zhì)塑性性質(zhì)。即當(dāng)荷載完全卸除時，變形不會全部恢復(fù)。（殘余變形或塑性變形）即當(dāng)荷載完全卸除時，變形不會全部恢復(fù)。（殘余變形或塑性變形）n路基土在車輪荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，不僅與荷載應(yīng)力的大小有關(guān)系，路基土在車輪荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，不僅與荷載應(yīng)力的大小有關(guān)系，而且與荷載作

20、用持續(xù)的而且與荷載作用持續(xù)的時間時間有關(guān)系。加載初期，變形量隨荷載持續(xù)時有關(guān)系。加載初期，變形量隨荷載持續(xù)時間的延長而增大，以后逐漸趨向穩(wěn)定。表現(xiàn)出間的延長而增大，以后逐漸趨向穩(wěn)定。表現(xiàn)出流變特性流變特性，主要與，主要與塑性塑性應(yīng)變應(yīng)變有關(guān)。有關(guān)。第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性261 1、壓入承載板試驗、壓入承載板試驗 （回彈（回彈模量）模量） 2 2、三軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗 2(1)pDEl1-33113112EE第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：n應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系 27 評定土體的應(yīng)力評定土

21、體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和設(shè)計路面時應(yīng)變狀態(tài)和設(shè)計路面時用模量用模量E E，定義以下模量：，定義以下模量： （1 1）初始切線模量初始切線模量：應(yīng)力值為零時的應(yīng)：應(yīng)力值為零時的應(yīng)力力應(yīng)變曲線的斜率。應(yīng)變曲線的斜率。 （2 2）切線模量切線模量：某一應(yīng)力級位處應(yīng)力：某一應(yīng)力級位處應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變曲線的斜率。（反映該級應(yīng)力處應(yīng)力變曲線的斜率。（反映該級應(yīng)力處應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變變化的精確關(guān)系）變化的精確關(guān)系） （3 3）割線模量割線模量：以某一應(yīng)力值對應(yīng)的曲線：以某一應(yīng)力值對應(yīng)的曲線上的點同起始點相連的割線的斜率（反映土基上的點同起始點相連的割線的斜率（反映土基在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變的平均狀態(tài)

22、）應(yīng)變的平均狀態(tài)） （4 4）回彈模量回彈模量：應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力：應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變曲線的割線模量。（反映土的彈性性質(zhì)）變曲線的割線模量。（反映土的彈性性質(zhì)）第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：三、路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性：總變形殘余變形回彈變形 1- 3( )28四、重復(fù)荷載對路基土的影響：四、重復(fù)荷載對路基土的影響：n一是土體逐漸被壓密，每次的塑性變形量逐漸減小，直一是土體逐漸被壓密，每次的塑性變形量逐漸減小，直至最后至最后穩(wěn)定穩(wěn)定，這種不會導(dǎo)致土體產(chǎn)生剪切破壞；，這種不會導(dǎo)致土體產(chǎn)生剪切破壞；n二是每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變二

23、是每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成能引起土體整體破壞的剪裂面，最后達到形，形成能引起土體整體破壞的剪裂面，最后達到破壞破壞。第三節(jié)第三節(jié) 土基的力學(xué)強度特性土基的力學(xué)強度特性 重復(fù)荷載對土基的影響主要體現(xiàn)在塑性變形累積。重復(fù)荷載對土基的影響主要體現(xiàn)在塑性變形累積。兩種最終結(jié)果：兩種最終結(jié)果：1、土的性質(zhì)和狀態(tài)（含水量，密實度，結(jié)構(gòu)狀態(tài)）2、重復(fù)荷載的大?。ㄒ灾貜?fù)荷載同一次靜載下達到的 極限強度之比表示，即相對荷載）3、重復(fù)荷載的施加速度，作用時間，頻率取決于：取決于：29第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力 路基的承載能力采用一定應(yīng)力級位下的路基的承載能力采用一定應(yīng)力

24、級位下的抗變抗變形能力形能力來表征，主要參數(shù)有來表征，主要參數(shù)有回彈模量回彈模量E E、地基反、地基反應(yīng)模量應(yīng)模量K K、加州承載板、加州承載板CBRCBR。30 一、土基的回彈模量：一、土基的回彈模量：n柔性壓板柔性壓板 n剛性壓板剛性壓板 第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力 以回彈模量表征土基的承載能力，可以反映土基在瞬以回彈模量表征土基的承載能力，可以反映土基在瞬間荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)，因而可以應(yīng)用彈性理論間荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)，因而可以應(yīng)用彈性理論公式描述荷載與變形之間的關(guān)系。以回彈模量作為表征土公式描述荷載與變形之間的關(guān)系。以回彈模量作為表征土基承載能力的參數(shù)，可

25、以在彈性理論為基本體系的各種設(shè)基承載能力的參數(shù)，可以在彈性理論為基本體系的各種設(shè)計方法中得到應(yīng)用。計方法中得到應(yīng)用。 圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量：圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量：31 一、土基的回彈模量：一、土基的回彈模量：n柔性壓板柔性壓板 第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力2202( )2(1)04(1)rr aPp raparlEparalE處處若已測得，由若已測得，由l、 p p、a a、反算出反算出E E為土基的泊松比為土基的泊松比32 一、土基的回彈模量：一、土基的回彈模量：n剛性壓板剛性壓板 第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力221( )2pap

26、rar22(1).4palE 若已知若已知l l、p p、a a、反算反算E E 為土基的泊松比為土基的泊松比33 一、土基的回彈模量：一、土基的回彈模量：n剛性承載板用于土基回彈模量的測試剛性承載板用于土基回彈模量的測試第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力 逐級加載卸載法，每級增加逐級加載卸載法，每級增加0.04MPa0.04MPa，卸載穩(wěn)定卸載穩(wěn)定1min1min后讀取回彈彎沉值，再加下后讀取回彈彎沉值，再加下一級荷載，回彈變形值超過一級荷載，回彈變形值超過1mm1mm，則停止加，則停止加載。點繪荷載載。點繪荷載回彈彎沉曲線。回彈彎沉曲線?？倧澇粱貜棌澇?.(1)2iipaEli12

27、3456789p0.040.080.120.160.200.2410.2810.320.36illlllllmmlmmll1234560.040.080.120.160.200.24iiplllllll承載板直徑的大小影響測定結(jié)果。承載板直徑的大小影響測定結(jié)果。34二、地基反應(yīng)模量：二、地基反應(yīng)模量：n用溫克勒地基模型描述土基工作狀態(tài)時。用地基反應(yīng)模量用溫克勒地基模型描述土基工作狀態(tài)時。用地基反應(yīng)模量表征土基的承載能力。表征土基的承載能力。n溫克勒地基的假定：土基頂面任意一點的彎沉溫克勒地基的假定：土基頂面任意一點的彎沉l l，僅同作用，僅同作用于該點的垂直壓力于該點的垂直壓力p p成正比，而

28、同其它相鄰點處的壓力無關(guān)。成正比，而同其它相鄰點處的壓力無關(guān)。n壓力壓力p p與彎沉與彎沉l l之比稱為地基反應(yīng)模量之比稱為地基反應(yīng)模量K K。 K=P/LK=P/L n適合于（適合于（彈簧地基彈簧地基）稠密液體稠密液體地基地基模型，地基反應(yīng)模量模型，地基反應(yīng)模量K K值值相當(dāng)于該液體的相對重度，路面板受到的地基反力相當(dāng)于相當(dāng)于該液體的相對重度，路面板受到的地基反力相當(dāng)于液體產(chǎn)生的浮力。液體產(chǎn)生的浮力。 第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力35二、地基反應(yīng)模量：二、地基反應(yīng)模量：第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力 K K值的確定：值的確定： 剛性壓板，剛性壓板，D=76cmD=7

29、6cm，一次加載到位。，一次加載到位。 a a、當(dāng)?shù)鼗^軟弱時，用、當(dāng)?shù)鼗^軟弱時，用l=0.127cm l=0.127cm 的彎沉量控制承載板的彎沉量控制承載板荷載；荷載； b b、當(dāng)?shù)鼗鶊杂玻两惦y以、當(dāng)?shù)鼗鶊杂?，沉降難以達到達到0.127cm0.127cm時，用時，用p=70KPap=70KPa控制控制承載板荷載。承載板荷載。 當(dāng)值變化不大D D值越小，值越小，K K值越大：值越大： K K7676=0.43=0.43* *K K3030 地基回彈反應(yīng)模量地基回彈反應(yīng)模量: :K KR R=1.77K=1.77K36三、加州承載比（三、加州承載比（CBR）：）：n定義：定義：評定土基及路

30、面材料承載能力的指標(biāo)，以材料抵抗局部荷載評定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)，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)，以它們的相對比值表示們的相對比值表示CBRCBR值。值。 n測定方法：測定方法：標(biāo)準(zhǔn)壓頭端部面積標(biāo)準(zhǔn)壓頭端部面積19.35cm219.35cm2，以，以0.127cm/min 0.127cm/min 的速度壓入土的速度壓入土中，記錄每貫入中，記錄每貫入0.254cm0.254cm時的單位壓力，直到壓入深度達到時的單位壓力，直到壓入深度達到1.27cm1.27cm時為止。時為止。計算計算CBRCBR值時，取

31、貫入度為值時，取貫入度為0.254cm0.254cm；但當(dāng)；但當(dāng)0.254cm0.254cm時的時的CBRCBR值值小于貫入度為小于貫入度為0.508cm0.508cm時的時的CBRCBR值時，應(yīng)采用后者。值時，應(yīng)采用后者。第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承載能力 CBR= p/psCBR= p/ps100100 p p對應(yīng)某一貫入度的土基單位壓力對應(yīng)某一貫入度的土基單位壓力kPakPa Ps Ps相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力kPakPa 37三、加州承載比（三、加州承載比（CBR）：）：n實驗方法：實驗方法：nCBRCBR值優(yōu)點值優(yōu)點: : 第四節(jié)第四節(jié) 土基的承載能力土基的承

32、載能力a室外、擊實實驗：確定最佳含水量和最大干容重b、試配成型：將試件拌至最佳含水量室內(nèi)試件制備過程：c、泡水4天。泡水，加環(huán)形砝碼（根據(jù)路面重量）d、實驗 缺點缺點: : 我國把其作為路基填料選擇的依據(jù)。我國把其作為路基填料選擇的依據(jù)。ab、實驗簡單、偏于安全a、經(jīng)驗型數(shù)據(jù)（無力學(xué)根據(jù)）b、設(shè)計要求有CBR與h的經(jīng)驗圖表c、測定程序繁多38一、路基的主要病害：一、路基的主要病害：n路基沉陷路基沉陷n邊坡滑塌邊坡滑塌n碎落和崩塌碎落和崩塌n路基沿山坡滑動路基沿山坡滑動n不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞壞第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治39

33、一、路基的主要病害：一、路基的主要病害：n路基沉陷：路基表面載垂直方向產(chǎn)生較大的豎向位移路基沉陷：路基表面載垂直方向產(chǎn)生較大的豎向位移 自身壓縮沉縮自身壓縮沉縮天然地基承載力不足引起的沉陷。天然地基承載力不足引起的沉陷。第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治40一、路基的主要病害：一、路基的主要病害：n邊坡滑塌邊坡滑塌第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治流動水沖刷a、溜方：少量土體沿邊坡向下移動施工不當(dāng)邊坡過陡b、滑坡：部分土體載重力作用下沿某滑動面滑動 邊腳沖刷填土層次不當(dāng)41一、路基的主要病害：一、路基的主要病害：n碎落和崩塌：碎落和崩塌： 表層風(fēng)

34、化石在外界因素作用下從表層風(fēng)化石在外界因素作用下從 坡面坡面上剝落成片稱碎落；大塊巖石滾落稱崩塌。上剝落成片稱碎落；大塊巖石滾落稱崩塌。n路基沿山坡滑動：整體路基沿傾斜的原地面向下滑動路基沿山坡滑動：整體路基沿傾斜的原地面向下滑動路基整體失去移動。路基整體失去移動。 n不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞：泥石流、不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞：泥石流、 瀑瀑雨、溶洞。雨、溶洞。第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治巖石風(fēng)化外力作用山坡較陡，未處理坡腳未支撐42一、路基的主要病害：一、路基的主要病害：第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治43二、路基病害防

35、治：二、路基病害防治：n正確設(shè)計路基橫斷面；正確設(shè)計路基橫斷面；n選擇良好的路基填料，必要時進行穩(wěn)定處理；選擇良好的路基填料，必要時進行穩(wěn)定處理；n采用正確的填筑方法，充分壓實；采用正確的填筑方法，充分壓實；n適當(dāng)提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進適當(dāng)提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進入到路基工作區(qū)范圍；入到路基工作區(qū)范圍；n正確進行排水設(shè)計（地面排水、地下排水、路面結(jié)構(gòu)排水正確進行排水設(shè)計（地面排水、地下排水、路面結(jié)構(gòu)排水即地基的特殊排水）；即地基的特殊排水）；n必要時設(shè)置隔離層隔絕毛細水上升，設(shè)置隔溫層減少路基必要時設(shè)置隔離層隔絕毛細水上升，設(shè)置隔溫層減少路基冰凍和

36、水分累計，設(shè)計砂墊層以疏干土基；冰凍和水分累計，設(shè)計砂墊層以疏干土基；n采取邊坡加固、修筑支擋結(jié)構(gòu)物、土體加筋等技術(shù)，提高采取邊坡加固、修筑支擋結(jié)構(gòu)物、土體加筋等技術(shù)，提高整體穩(wěn)定性。整體穩(wěn)定性。第五節(jié)第五節(jié) 路基的變形、破壞與防治路基的變形、破壞與防治44路面材料的分類：路面材料的分類：n按不同的形態(tài)及成型性質(zhì)按不同的形態(tài)及成型性質(zhì)松散顆粒型材料及塊料；松散顆粒型材料及塊料；瀝青結(jié)合料類；瀝青結(jié)合料類；無機結(jié)合料類。無機結(jié)合料類。第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性n按不同的成型方式按不同的成型方式密實型；密實型；嵌擠型；嵌擠型；穩(wěn)定型。穩(wěn)定型。45一、抗剪強度：一、抗

37、剪強度：n路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，總體剛度不足，車輪荷載通過薄路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，總體剛度不足，車輪荷載通過薄層結(jié)構(gòu)傳遞給土基的剪應(yīng)力過大，導(dǎo)致路基路面整體結(jié)層結(jié)構(gòu)傳遞給土基的剪應(yīng)力過大，導(dǎo)致路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞；構(gòu)發(fā)生剪切破壞；n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；n面層材料的抗剪強度過低，在受到較大水平力作用時，面層材料的抗剪強度過低，在受到較大水平力作用時，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特

38、性路面材料的力學(xué)強度特性路面結(jié)構(gòu)層因抗剪強度不足而導(dǎo)致的破壞有三種情況：路面結(jié)構(gòu)層因抗剪強度不足而導(dǎo)致的破壞有三種情況：46 摩爾強度理論：摩爾強度理論： 瀝青合料的抗剪強度不僅同材料的級配組成、形狀和瀝青合料的抗剪強度不僅同材料的級配組成、形狀和表面特性有關(guān)，也同瀝青的粘結(jié)力和用量有關(guān)。表面特性有關(guān)，也同瀝青的粘結(jié)力和用量有關(guān)。 粘結(jié)力取決于粘結(jié)力取決于 , c直接剪切試驗，繪制曲線三軸壓縮試驗，繪制摩爾圓和相對包絡(luò)線abcd、瀝青的粘度、瀝青的用量、溫度和剪切速度、細料tanc一、抗剪強度：一、抗剪強度：第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性 抗剪強度抗剪強度kPa C

39、 粘結(jié)力粘結(jié)力kPa 法向正應(yīng)力法向正應(yīng)力kPa 內(nèi)摩阻角內(nèi)摩阻角47二、抗拉強度：二、抗拉強度：n瀝青路面、水泥混凝土路面及各種半剛性基層在氣溫驟降瀝青路面、水泥混凝土路面及各種半剛性基層在氣溫驟降時產(chǎn)生收縮（溫縮），水泥混凝土路面和各種半剛性基層時產(chǎn)生收縮（溫縮），水泥混凝土路面和各種半剛性基層在大氣濕度發(fā)生變化時，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形在大氣濕度發(fā)生變化時，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當(dāng)材料的抗拉受到約束阻力時，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當(dāng)材料的抗拉強度不足以抵抗上述拉應(yīng)力時，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生拉伸斷裂。強度不足以抵抗上述拉應(yīng)力時，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生拉伸斷

40、裂。n抗拉強度可由抗拉強度可由直接拉伸直接拉伸或或間接拉伸試驗間接拉伸試驗確定。確定。n間接拉伸試驗通常采用間接拉伸試驗通常采用劈裂試驗劈裂試驗。第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性2tPhD水泥砼劈裂強度水泥砼劈裂強度立方體試件測試立方體試件測試2tPA混合料劈裂圓混合料劈裂圓柱形試件測試柱形試件測試瀝青混合料溫度敏感材瀝青混合料溫度敏感材料，抗拉強度與溫度有關(guān)。料，抗拉強度與溫度有關(guān)。48三、抗彎強度：三、抗彎強度：n用水泥混凝土、瀝青混合料以及半剛性路面材料修筑的結(jié)用水泥混凝土、瀝青混合料以及半剛性路面材料修筑的結(jié)構(gòu)層，在車輪荷載作用下，處于受彎曲工作狀態(tài)。有車輪構(gòu)

41、層，在車輪荷載作用下，處于受彎曲工作狀態(tài)。有車輪荷載引起的彎拉應(yīng)力超過材料的抗彎拉強度時，材料會產(chǎn)荷載引起的彎拉應(yīng)力超過材料的抗彎拉強度時，材料會產(chǎn)生彎曲斷裂。生彎曲斷裂。n彎拉強度大多采用彎拉強度大多采用簡支小梁試驗簡支小梁試驗進行評定。進行評定。 第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性2tPlbh 公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程（JTG E30-2005)規(guī)定，規(guī)定，混凝土彎拉強度試件尺寸有混凝土彎拉強度試件尺寸有 100mm x100mm x 400mm、150mm x 150mm x 550mm和和150mm x 50mm x 60

42、0mm三種。三種。 簡支小梁試驗測定：簡支小梁試驗測定： 49四、應(yīng)力應(yīng)變特性：四、應(yīng)力應(yīng)變特性：第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性 路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下的應(yīng)力、路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移量，不僅同荷載的量級有關(guān)，還應(yīng)變和位移量，不僅同荷載的量級有關(guān)，還取決于路面材料的取決于路面材料的應(yīng)力應(yīng)變特性應(yīng)力應(yīng)變特性。50 1 1、碎礫石材料、碎礫石材料三軸壓縮實驗三軸壓縮實驗( (與土基曲線類似與土基曲線類似) ) 三向主應(yīng)力之和(kPa ) K1、K2 回歸常數(shù) 2 2、無機結(jié)合料混合料、無機結(jié)合料混合料單軸單軸、三軸試驗三軸試驗、小梁試驗小梁試驗

43、水泥砼水泥砼單軸試驗單軸試驗：150150150150300mm300mm 無機結(jié)合料混合料無機結(jié)合料混合料室內(nèi)承載板法試驗室內(nèi)承載板法試驗： 1-3AOaPPLEcFPA終荷載 L-試件軸向標(biāo)距長度m Po初荷載 F試件橫截面積m2 a變形差m承載板直徑D=37.4mm 承載板單位壓力200-700KPa 試件直徑高=150mm150mm =0.252(1)4rPDEl21KrEK四、應(yīng)力應(yīng)變特性：四、應(yīng)力應(yīng)變特性：第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性51 3 3、瀝青混合料：、瀝青混合料： :低溫 單軸、小梁實驗高溫：三軸壓縮實驗溫度和時間對應(yīng)力溫度和時間對應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變

44、特性影響很大（黏變特性影響很大（黏彈性性狀。彈性性狀。1=480壓縮蠕變實驗1=30四、應(yīng)力應(yīng)變特性：四、應(yīng)力應(yīng)變特性：第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面材料的力學(xué)強度特性52勁度模量勁度模量S St,Tt,T: : 在給定溫度和加荷時間條件下的應(yīng)力在給定溫度和加荷時間條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參數(shù)。應(yīng)變關(guān)系參數(shù)。 通過實驗，運用范德普（通過實驗，運用范德普（Vander PeelVander Peel）諾模圖確定：）諾模圖確定：,()t Tt TS施加應(yīng)力KPa S模量KPa 總應(yīng)變 t時間s T溫度OC123、蠕變模量實驗、動態(tài)模量實驗、回彈模量實驗第六節(jié)第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強度特性路面

45、材料的力學(xué)強度特性四、應(yīng)力應(yīng)變特性：四、應(yīng)力應(yīng)變特性：53重復(fù)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的破壞：重復(fù)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的破壞：n由于重復(fù)荷載作用引起的路面結(jié)構(gòu)破壞極限狀態(tài)，不同于由于重復(fù)荷載作用引起的路面結(jié)構(gòu)破壞極限狀態(tài)，不同于最大極限荷載引起的破壞極限狀態(tài)。最大極限荷載引起的破壞極限狀態(tài)。n重復(fù)荷載作用下出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)主要有兩種：重復(fù)荷載作用下出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)主要有兩種：路面材料處于路面材料處于彈塑性彈塑性工作狀態(tài)，則重復(fù)荷載作用將引起塑性變形工作狀態(tài)，則重復(fù)荷載作用將引起塑性變形的累積，超過一定限度時，路面使用功能將下降至允許限度以下；的累積，超過一定限度時，路面使用功能將下降至允許限度以下

46、；路面材料處于路面材料處于彈性彈性工作狀態(tài)，重復(fù)荷載導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微量損工作狀態(tài)，重復(fù)荷載導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微量損傷，累積到一定限度以后，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂。傷，累積到一定限度以后，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂。n累積變形累積變形與與疲勞破壞疲勞破壞這兩種破壞發(fā)生的共同特點就是破壞這兩種破壞發(fā)生的共同特點就是破壞極限的發(fā)生極限的發(fā)生不僅同荷載的應(yīng)力大小有關(guān)，而且和荷載的作不僅同荷載的應(yīng)力大小有關(guān)，而且和荷載的作用次數(shù)有關(guān)用次數(shù)有關(guān)。第七節(jié)第七節(jié) 路面材料的累積變形與疲勞特性路面材料的累積變形與疲勞特性54一、累積變形：一、累積變形： 路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載重復(fù)作用下因塑性變形累積而產(chǎn)生路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載重復(fù)作用下因塑性變形累積而產(chǎn)生的的沉陷沉陷或或車轍車轍，是路面結(jié)構(gòu)的主要病害。這種永久性的變形，是路面結(jié)構(gòu)的主要病害。這種永久性的變形是是路基路面各結(jié)構(gòu)層材料塑性變形的綜合路基路面各結(jié)構(gòu)層材料塑性變形的綜合。 它不僅同它不僅同荷載的大小、作用次數(shù)荷載的大小、作用次數(shù)以及以及路基土的性狀路基土的性狀有關(guān)有關(guān)，也受，