第二章行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學特性

§2-1行車荷載

§2-2環(huán)境因素影響

§2-3土基的力學強度特性

§2-4

土基的承載能力

§2-5

路基的變形破壞及防治

§2-6

路面材料的力學強度特性

§2-7路面材料的累積變形及疲勞特性§2-1行車荷載

對行車荷載的研究內(nèi)容：

1.汽車的輪重與軸重；

2.不同車型的車軸布置；

3.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；

4.汽車的靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較。一、車輛的種類

道路上通行的車輛主要分為客車與貨車兩大類。

客車：小客車、中客車、大客車；

貨車：整車、牽引式半掛車、牽引式掛車。

二、汽車的軸型

我國公路與城市道路設(shè)計規(guī)范中均以100kN作為標準軸重。目前我國公路行駛的車輛，后軸軸載一般在60～130kN范圍內(nèi)。

三、汽車對道路的靜態(tài)壓力

靜態(tài)壓力P的影響因素：

1.汽車輪胎內(nèi)壓；

2.輪胎的剛度和輪胎與路面的接觸的形態(tài)；

3.輪載的大小。

四、運動車輛對道路的動態(tài)影響

1.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)生推移、擁包、波浪、車轍等破壞。

2.輪載的動態(tài)（振動）

輪載動態(tài)變化的影響因素：車速、路面平整度、車輛的振動特性。

沖擊系數(shù)：振動輪載的最大值與靜載的比值。

3.輪載作用的瞬時性

車輪通過路面的時間約為0.01～0.1s左右，當應(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作用那樣完整表現(xiàn)出來。

4.車輛荷載作用的重復性

路面材料產(chǎn)生疲勞破環(huán)的主要原因

五、交通分析

1.交通量及其增長率

①交通量：指一定時間間隔內(nèi)，各種車輛通過某一道路斷面的數(shù)量。

②年平均日交通量，考慮月分布不均勻系數(shù)、日分布不均勻系數(shù)等。

③交通量年平均增長率。

④設(shè)計年限內(nèi)的累計交通量

2.軸載組成與軸載換算

軸載換算：道路是行駛的車輛軸載與通行次數(shù)可以按照等效原則換算為某一標準軸載的當量通行次數(shù)。我國的標準軸載為BZZ-100。

軸載等效換算的原則：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。

3.輪跡橫向分布

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)不會集中在橫斷面上某一固定位置，而是按一定規(guī)分布在車道橫斷面上。

輪跡橫向分布頻率的影響因素：交通量、交通組成、車道寬度、交通管理規(guī)則等。

§2-2

環(huán)境影響因素一、溫度的影響作用

1.影響機理路基土和路面材料的體積會隨著路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和濕度的升降而產(chǎn)生膨脹和收縮。由于溫度和濕度在路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化沿深度方向是不均勻的，所以不同深度處脹縮的變化也是不同的。當這種不均勻脹縮受到某種原因的約束而不能實現(xiàn)時，路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生附加應(yīng)力，即溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力，進而對路基路面產(chǎn)生破壞。2.影響溫度變化的因素：

內(nèi)部：路面各結(jié)構(gòu)層材料的熱物理參數(shù)，如熱傳導率、熱容量、對輻射熱的吸收能力等；

外部：主要是氣象條件：如太陽輻射、氣溫、風速、降水、蒸發(fā)量等。

二、濕度的影響作用

1.對路基的影響

凍脹翻漿（與溫度作用共同進行）

過大的濕度直接降低路基土的強度和穩(wěn)定性

2.做好路基路面排水的重要性

§2-3土基的力學強度特性一、路基的受力狀況路基承受路基自重和汽車荷載。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)，當車輛駛過后，路基能立即恢復原狀。路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應(yīng)力σz的近似計算：

σz＝P：一側(cè)輪重荷載（kN）;K:系數(shù)，一般取0.5；

Z：荷載中心下應(yīng)力作用點的深度（m）.

路基土本身自重在路基內(nèi)深度為Z處所引起的垂直應(yīng)力σB：

σB＝γZγ：土的容重（kN/m3）

Z:應(yīng)力作用點深度（m）。路基內(nèi)任一點垂直應(yīng)力包括由車輪引起σz的和由土基自重引起的σB兩者共同作用。二、路基工作區(qū)

概念：在路基某一深度處，當車輪荷載引起的垂直應(yīng)力σz與路基土自重引起的垂直應(yīng)力σz相比所占比例很小，僅為1/10～1/5時，該深度Zα范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。

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。

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)提出較高的要求。

三、路基土的應(yīng)力－應(yīng)變特性

路基土的變形包括彈性變形和塑性變形，過大的塑性變形導致瀝青路面出現(xiàn)車轍和縱向不平整，會導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。

理想線彈性體的變形特征：

土基土的組成包括固相、液相和氣相三部分（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。

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)。即當荷載完全卸除時，變形不會全部恢復。（殘余變形或塑性變形）

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，而且與荷載作用持續(xù)的時間有關(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)出流變特性，主要與塑性應(yīng)變有關(guān)。四、重復荷載對路基土的影響

重復荷載對土基的影響主要體現(xiàn)在塑性變形累積。

一是土體逐漸被壓密，每次的塑性變形量逐漸減小，直至最后穩(wěn)定，這種不會導致土體產(chǎn)生剪切破壞；

二是每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成能引起土體整體破壞的剪裂面，最后達到破壞?！?-4土基的承載能力

路基的承載能力都用一定應(yīng)力級位下的抗變形能力來表征，主要參數(shù)有E、K、CBR。一、土基的回彈模量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變形性質(zhì)，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。柔性承載板與剛性承載板。剛性承載板用于土基回彈模量的測試。二、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。

溫克勒地基的假定：土基頂面任意一點的彎沉l，僅同作用于該點的垂直壓力p成正比，而同其它相鄰點處的壓力無關(guān)。

三、加州承載比（CBR）加州承載比是早年由美國加利福尼亞州提出的一種評定土基及路面材料承載能力的指標。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)量標準碎石為標準，以它們的相對比值表示CBR值。

CBR值的室內(nèi)測試及現(xiàn)場測試。室內(nèi)要按施工現(xiàn)場的含水量和壓實度成型圓柱形標準試件，在加載前要浸水4d。室外測試結(jié)果受現(xiàn)場含水量和壓實均勻性的影響，必須加以修正。§2-5路基的變形破壞及防治

一、路基的主要病害

1.

路基沉陷自身壓縮沉陷；天然地基承載力不足引起的沉陷。

2.邊坡滑塌

3.碎落和崩塌

4.路基沿山坡滑動

5.不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞§2-6路面材料的力學強度特性路面材料的分類：（1）松散顆粒型材料及塊料；（2）瀝青結(jié)合料類；（3）無機結(jié)合料類。按不同的成型方式（密實型、嵌擠型和穩(wěn)定型）形成各種結(jié)構(gòu)層。一、抗剪強度路面結(jié)構(gòu)層因抗剪強度不足而導致的破壞有三種情況：（1）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，導致路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞；（2）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；（3）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。二、抗拉強度

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。

抗拉強度可由直接拉伸或間接拉伸試驗確定。

間接拉伸試驗通常采用劈裂試驗。三、抗彎強度

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。

彎拉強度大多采用簡支小梁試驗進行評定。

四、應(yīng)力－應(yīng)變特性

1.無結(jié)合料的碎石、礫石材料無法通過成型試件測試應(yīng)力－應(yīng)變特性，可用三軸壓縮試驗結(jié)果來反映。其表現(xiàn)出明顯的非線性特征。

2.水泥混凝土的抗壓強度和抗壓彈性模量采用棱柱體的單軸加壓進行測試。

3.無機結(jié)合料宜采用三軸壓縮試驗測定其應(yīng)力—應(yīng)變特性關(guān)系。結(jié)果也呈現(xiàn)出非線性特征。

4.瀝青混合料的應(yīng)力－應(yīng)變特性測試也相同。在低溫下，可采用單軸試驗或小梁試驗，在高溫下，可用三軸壓縮試驗測定。

由于瀝青混合料中的結(jié)合料—瀝青具有依賴于溫度和加荷時間的粘—彈性性狀，所以不能用一個常量彈性模量來表征瀝青混合料的引力—應(yīng)變特性關(guān)系。

§2-7路面材料的累積變形及疲勞特性

由于重復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)。重復荷載作用下出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)主要有兩種：路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，則重復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；另一種是路面材料處于彈性工作狀態(tài)，重復荷載導致材料內(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。累積變形與疲勞破壞這兩種破壞發(fā)生的共同特點就是破壞極限的發(fā)生不僅同荷載的應(yīng)力