道路工程第6章

第一节交通荷载及其对路面的作用第二节标准轴载、轴载换算与累计标准轴载作用次数第四节路面材料的设计参数第三节土基的力学强度特性及参数第六章交通荷载及路面设计参数第一节交通荷载及对路面的作用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（6个座位～20个座位的中型客车）；大客车（20个座位以上的大型客车）2、货车按载重量可以分为：轻型货车：自身质量和满载总质量小于25KN的货车中型货车：自身质量和满载总质量为25KN～70KN的货车重型货车：自身质量和满载总质量大于70KN的货车按车身组合情况分为：整车、牵引式挂车和牵引式半挂车一、车辆的种类二、车辆的轴型客、货车车轴分前轴和后轴；大多数情况下，前轴为单轴（载重约1/3），而后轴有单轴、双轴或三轴3种。汽车货运日趋向大型重载方向发展，一般采用多轴多轮形式，以满足轴限的要求，从而减轻对路面的压力。三、汽车对道路的静态作用汽车的两种状态：停驻状态和行驶状态；汽车在停驻状态下对路面的作用力称为静态压力，其大小受下述因素的影响:①汽车轮胎的内压力pi，接触面压力略小于内压；②轮胎的刚度—新旧和轮胎与路面接接触面的形状和花纹；③轮载的大小。在工程设计中，对接触压力p进行如下简化：①以轮胎内压力为轮胎的接触压力；②接触面形状为圆形；③接触面上的压力为均匀分布。胎壁受拉胎壁受压胎压触压力（1）单轮：pPP为轮载(kN)；p为轮压(kPa)；δ为当量圆半径(m)（2）双轮：①单圆荷载：每一侧的双轮用一个圆表示时称为单圆荷载。其圆直径D为：pPD8②双圆荷载：每一侧的双轮用两个圆表示时称为双圆荷载。其圆直径d为：pPd4四、运动车辆对道路的动态影响（1）水平力动态作用：垂直作用力、水平力和振动力等速、加速、减速以及在弯道上行驶时，会产生向前、向后或侧向水平力。车辆在紧急制动时对路面产生的水平力较大，可达垂直力的80％，在路面设计时，不容忽视其影响。水平力分布在与垂直力相同的接触面内，通常假设水平力也是均匀分布的。在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态。特别是面层结构，直接承受水平荷载的作用，若抗剪强度不足，则会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。水平力作用深度一般不大，约为7～10cm左右。（2）振动力产生：因车身自身的振动和路面的不平整使车轮在路面上跳动而产生。冲击系数=振动轮载的最大峰值∕静载轮载的振动作用可用冲击系数来衡量较平整的路面上，车速不超过50km/h，冲击系数不超过1.3路面设计时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。路面设计时，由于柔性路面有一定的抗振作用，所以一般不考虑行车荷载的振动力；对于刚性路面则必须考虑振动力的影响。（3）车辆荷载作用的瞬时性路面结构中应力传递是通过相邻颗粒来完成，变形来不及完全呈现，表现为路面刚度和强度相对增大。根据美国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对其作过测定：速度由3.2km/h→56km/h时，沥青路面总弯沉减少36%速度由3.2km/h→96.7km/h时，水泥砼路面板角挠度和板边应变量减少29%左右4.车辆荷载作用的重复性重复荷载与一次荷载作用的效果并不一样：弹性材料→表现出疲劳性质，即材料强度随荷载重复次数的增加而降低。弹塑性材料（如土基和柔性路面）→产生变形累积因此，对于路面设计，在荷载指标上应同时考虑轴重静力和动力量值以及轴载的作用次数。五、车轮轮迹横向分布概念：一般而言，轴载通行次数是按一定规律分布在车道横断面上，这称为轮迹的横向分布。轮迹横向分布系数（一个比值）：对于路面横断面上某一宽度范围内的频率，也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数同通过该横断面的总作用次数的比值。轴载横向分布规律一般是用频率曲线表示：条带频率＝条带上受到车轮的作用次数/车道上受到的作用次数第二节标准轴载、轴载换算与累计标准轴载作用次数一、交通量交通量是指一定时间间隔内各种车辆通过某一道路横断面的数量。交通量通过交通流量调查分析得到。年平均日交通量和初始年平均日交通量的计算方法①通过观测站的调查与分折得到对于公路设计，不仅要收集交通总量，还要对车型进行分类。4类：小客车、中型车、大型车、拖挂车。对于路面结构设计，还应确定轴型和轴载大小，同时应估计货车的满载程度，确定空车率。利用自动化轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后按轴载大小分类统计累计轴载数。轴载谱调查与交通量统计相互校核与补充②轴载谱调查单轴双轮轴载谱0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%1～1021～3041～5061～7081～90101～110121～130141～150161～170181～190201～210221～230241～250轴载范围（kN）各轴载范围车轴所占百分比2.标准轴载1）标准轴载标准轴载：取决于公路性质、车辆类型和交通强度等级要求；要求对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。我国现行路面设计规范中规定的标准轴载100kN。2）超载与超限超载运输：是指车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输：指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响；超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响；颁布相关法律条例解决超载和超限问题。14某高速公路上的超载车辆15某公路上的超载车队3.轴载换算①为什么要进行轴载换算？我国水泥砼路面和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载100kN作为标准轴载（BZZ-100），其它各种轴载与通行次数按照等效换算原则换算成标准轴载的当量通行次数。②等效换算原则：等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）；等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。③换算公式轴载换算系数ηiiisnsiiNNPP式中：a为反映轴型和轮组的影响系数；n为同路面结构特性有关的系数；Ni为第i级轴载作用次数；Ns为第i级轴载换算为标准轴载的作用次数。不同的路面结构其结构特性不同，损伤标准也不同，因而a、n的取值也不同;破坏状态：弯沉值、层底拉应力和层底拉应变。沥青路面：以弯沉值和层底拉应力为指标；水泥混凝土路面：以弯拉应力为指标。4.累计标准轴载作用次数在进行路面结构设计时必须确定设计年限内标准轴载累计作用次数Ne。确定步骤如下：①首先，通过调查分折确定初始年标准轴载日平均当量作用次数N1siiisiiiiNNNNNN13651365②然后，通过分折论证，确定交通量年平均增长率γ③最后，按下式确定设计年限内标准轴载累计作用次数3651)1(1NNte一、为什么研究土基的力学强度特性及其设计参数第三节土基的力学强度特性及设计参数路面变形的特点弹性变形：会引起沥青面层和水泥混凝土面层疲劳开裂。塑性变形：对于沥青路面，会产生车辙和纵向不平整；对于混凝土路面，会引起板块开裂。路面破坏的原因自身的强度、变形。土基的变形引起路面破坏。土基的变形占大部分，约为70%～95%。路基工作区内，土基的强度和稳定性很重要。填料选择和压实度要有更高要求。在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小（约1/n=1/10～1/5）时，该深度范围的路基称为路基工作区。132KnPZZZPnKnaaaBZ二、研究对象三、土基的受力特性1、非线性三轴压缩试验的结果表明：土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分；应力-应变关系曲线没有直线段，即非线弹性。本构方程：非线性变形———局部线性体即在曲线的一个微小线段内近似视为直线，以其斜率为模量1)、初始切线模量应力值为零应力—应变曲线斜率2)、切线模量某一应力处应力—应变曲线斜率，反映该应力处变化3)、割线模量某一应力对应点与起点相连割线模量，反应该范围内应力—应变平均状态4)、回弹模量应力卸除阶段，应力—应变曲线的割线模量反映地基瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。总结：①前三种应变包含回弹应变和残余应变②回弹模量则仅包含回弹应变，部分反映了土的弹性性质。土的应力应变关系曲线2、流变性土的流变性：变形随荷载作用时间的增加而增大。土的流变性主要同塑性变形有关。车辆行驶时，车辆荷载对路基的作用时间短，产生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。可以在一般情况下，不考虑土基的流变性质。3、重复荷载下土基的变形特性土基承受着车轮荷载的多次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形即刻消失而塑性变形则残留在土基之中，随着作用次数的增加，产生塑性变形积累。最终导致两种可能的结果：土体逐渐压密。土体颗粒之间进一步靠扰，每次加载产生的塑性变形愈来愈小，直至稳定。土体破坏。在重复荷载的作用下，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。四、土基的强度指标a.柔性压板法b.刚性压板法2221)(raparp4)1(22EpalEpalrr)1(2020Epalarar)1(42土基的承载能力都采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。用于表征土基承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比（CBR）等。1、土基回弹模量2、土基反应模量a.定义：用温克勒（E.Winkler）地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量K表征土基的承载力。（温克勒地基也称K地基、弹簧地基、稠密液体地基）lpKb.K的测定用承载板试验确定，板直径为76cm，采用逐级加载到位的方法。3、加州承载比（CBR）a.定义加州承载比是美国加利福尼亚州（California）提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力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sppCBRb.试验方法用一个端部面积为19.35cm²的标准压头，以0.127cm∕min的速度压入土中，记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度达到1.27cm时为止。此外，标准压力ps值是用高质量标准碎石由试验求得。一、参数选取原则测试方法简便，测试结果稳定；测得的模量值和强度值能较好反应路面材料的真实力学特性；模量值和强度值应用于厚度计算中，材料设计参数与设计方法相匹配，计算厚度与实际使用经验相吻合。第四节路面材料的设计参数路面特点分层；理论基础：弹性理论参数：结构参数和材料参数（模量和泊松比）。二、无机结合料稳定材料适用范围：基层和底基层；参数：无侧限抗压强度、劈裂强度、无侧限抗压回弹模量和劈裂模量；参数特点：现场试样测试值较小，试验室测试值较大；将代表值适当折减可得推荐值。参数取值：P190材料特点：P187三、沥青材料沥青混凝土：沥青胶结料和集料胶结在一起；力学特性为粘弹性，表现受加载速率、温度影响大，以及会发生较明显的蠕变、松弛现象。三、水泥混凝土材料特点：优点：抗压强度高；可以配置不同性质的混凝土，即不同强度、流动性、抗渗性等；凝固前具有较强的可塑性；符合就地取材和经济性原则；缺点：抗拉强度小，自重大和养护时间长；参数：抗折强度、抗折弹性模量、劈裂强度等；参数取值：弯拉强度标准值和抗弯拉模量（P201）。参数：抗压强度、回弹模量、劈裂强度、抗弯强度等。代表值→推荐值参数取值：P194。本章小结1.荷载分析荷载类型；荷载对路面的作用；2.疲劳分析标准轴载轴载换算标准轴载作用次数3.力学强度及设计参数土基路面