练习题及解答update

11、汽车车型如何分类？为什么要限制轴载？在我国路面设计方法中如何考虑轴载？答：(1)道路上通行的汽车主要分为货车和客车两大类。货车分为整车，牵引式拖车，和牵引式半拖车；客车分为大客车，中客车，小客车。交通调查中，一般将汽车分为八类：大型货车，中型货车，小型货车，大型客车，小型客车、拖挂车，集装箱，大中型拖拉机。汽车按轴型（轮轴的组合型式）分类，大致可以将行驶在道路上的车辆分为三大类：固定车身类、牵引车类、挂车类。(2)汽车的重量通过车轮传递给路面，轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载能力和结构强度，为了保护路面结构不因超载而破坏，许多国家对汽车的轴载都有限制；(3)我国路面设计方法中，一般以后轴重100kn作为标准轴载，表示为BZZ—100，低等级公路也可以采用后轴重60kn作为标准轴载，表示为BZZ—60；把不同类型的轴载作用次数换算为标准轴载的作用次数，应遵循两项原则：其一，换算以达到相同的临界状态为标准；其二，对某一交通组成，不论以哪一种标准轴载进行轴载换算，由换算所得的轴载作用次数计算是路面厚度应相同。路面结构设计和验算使用的交通量是标准轴载累计作用次数。实际计算时，对沥青路面，只将轴载大于25kN的汽车计入；对水泥混凝土路面，只将大于40kN的单轴和80kN的双轴的汽车计入，小汽车，小客车对标准轴载的影响极小，可以忽略不计。2、双层、三层弹性体系应力、应变位移分析的基本原理及其存在的问题，哪些方法应用这一原理？(1)基本原理：在求解弹性层状体系应力与位移时，采用下列四条基本假设：a.各层都是由均质的各向同性的材料组成，用弹性模量E和泊松比来表征;b.假定土基在水平方向和向下的深度方向为无限，其上各弹性层为厚度有限，水平方向为无限；c.假定路面上表层作用有垂直荷载和水平荷载，认为水平方向的无限远处和最下一层向下的无限深处的应力和位移等于零；d.各层间接触面上采用完全连续或完全光滑的假定；根据以上假定，按柱坐标系采用弹性力学中的几何方程，物理方程，平衡微分方程，利用应力函数和汉克尔变换方法，可以解出弹性层状半空间体系中应力和位移分量的一般表达式；然后根据相应的边界条件和层间结合条件，可以确定一般表达式中的待定积分常数。(2)存在的问题：我国多年的研究和实践表明，弹性层状体系理论公式是基本适用的，但是由于路面各层材料的力学性质、路面各层之间的接触情况以及实际荷载情况等与理论假设不完全一致，而且路面材料和土基模量的测定方法也不能充分反映它在结构层中的实际工作状态，造成理论计算值与实际值存在偏差；而且，由不同材料结构层和土基组成的路面结构，在荷载作用下其应力应变关系一般呈非线形特征，且形变随荷载作用时间而变化，同时，应力卸除后常有一部分变形不能恢复。因此，严格地说，柔性路面在力学性质上属于非线形的弹—粘—塑—性体。(3)壳牌（SHELL）设计法、前苏联柔性路面设计新法以及我国柔性路面设计法均采用这一原理（三层弹性体系）。粘弹性体：材料在外力作用下产生变形缓慢增加,撤除外力后变形缓慢回复,这种加-卸荷过程中变形不随外力即时达到平衡而有所滞后的现象称为延迟弹性,也称粘弹性3、试分析面层厚度和模量、基层厚度对面层底面拉应力的影响。如何指导设计？（假设层间完全连续）（提示：利用应力—模量、厚度分布曲线）在垂直荷载作用下，面层底面的径向应力并非都是拉应力。面层较薄而相对刚度较小时，可能出现压应力。面层厚度较厚和相对刚度较大时，便出现拉应力。它随面层的厚度和刚度的增大而增2大，特别是面层的刚度很大时，面层底面的拉应力随面层的刚度的增大而急剧增大。底面最大拉应力的位置，一般在荷载面的中轴处，对于双圆荷载，也是在某一荷载面的中轴处，但在面层很厚时，最大拉应力的位置随着层的增加而移向双圆荷载面的对称轴处。当面层较薄时，其底面也会出现较大的径向拉应力。4、何为路面的结构损坏和路面的功能损坏？简述其发展过程及其相互之间的联系。结构性破坏∶整个道面结构或某些组成部分已经不能再承受荷载作用的破坏，如断裂等；一般要彻底翻修。功能性破坏∶道面结构在使用过程中，在荷载和自然因素的多次循环重复作用而出现的使用品质的逐渐降低，如车辙的加深，平整度和抗滑性能的降低，一般可通过维修而恢复。特点：不一定同时发生，但都是经逐渐累积而成。功能性破坏一般可通过维修而恢复；结构性破坏一般要彻底翻修。5、试述弹性层状体系的边界条件，层间完全连续和层间完全光滑分别应满足的条件怎样确定？弹性层状体系的边界条件：在水平方向无穷远处和垂直方向无限深处的应力和位移都等于0。在弹性层状体系中，顶面的边界条件：0)()(11jzrjzp在第j层和第j+1层之间的结合面上，若这两层是完全连续，则连续条件：1111)()()()()()()()(jjjjjzrjzrjzjzwwuu，若这两层是完全光滑，则光滑条件：111)()(0)()()()(jjjzrjzrjzjzww，在地基向下的无限深度和水平方向的无限远处，应力与位移都趋向于0，即0),,,,(zrzrzwu6、试分析轴重的改变、轮胎压力的改变对路面面层强度与结构层总厚度的敏感性。（提示：可利用应力—深度分布曲线）在刚性路面中，路面厚度随着轮胎压力的增大，轴重的增加而增加，计算表明，轮胎压力增大70kpa，则需增加板厚约0.5cm。在沥青路面中，垂直应力的大小取决于荷载轮胎压力的大小，轮胎压力对表层的垂直应力影响很大，当深度达90cm（3.6in.）以下时，轮胎压力对垂直应力就没有影响了。因此，为适应高压轮胎的作用，沥青路面上层应采用高质量的材料。轮胎数量对沥青路面体系的垂直应力也有影响，采用双轮比单轮（即轴重减少）可以显著改善路面体系的垂直应力状态。而沥青路面所需的总厚度，受轮胎压力的影响不大。7、试简述威斯特卡德荷载应力公式阿灵顿试验修正的主要内容，修正后公式的实用性。1930年美国在阿灵顿进行了混凝土路面足尺试验，通过试验，对应力计算公式进行了修正。【１】荷载作用于板中阿灵顿试验发现，实测的板中应力值比板中加载的威斯特卡德应力计算公式计算的结果小。这是因为地基反力同挠度相比更加集中于荷载的周围，并不像温克勒地基假设那样，地基反力和挠度成正比。因此，荷载附近反力增加，板体的挠度和应力就略有降低。布拉德伯利和凯利都提出了板3中的板底最大应力修正公式，其结果分别是威斯特卡德公式的87％～91％，72％～82％。【２】荷载作用于板边在没有翘曲的情况下，对于常用的轮印，实测应力与理论计算结果很一致；假如ａ值较大，则实测应力大于理论计算结果；假如ａ较小，则实测应力小于理论计算结果，但差异很小。在白天有翘曲的情况下，对于常用的轮印，实测应力略大于理论计算结果；在夜晚有翘曲的情况下，对于常用的轮印，实测应力明显大于理论计算结果。凯利提出了修正，修正后的计算公式所得结果比威氏结果大6％～17％。【３】荷载作用于板角阿灵顿试验表明，在正常气候条件下，在白天，板角向下翘曲，板与地基保持接触的条件下，实测应力与威斯特卡德理论计算结果完全一致。但在夜间，板角向上翘曲时，实测应力比威斯特卡德理论计算结果高出很多。且大于布拉德伯利提出的修正公式。他的修正公式相当于将原来板角附近的反应模量减少为原有的四分之一，以此来提高混凝土路面板的应力。8、机场道面、道路道面各有什么特点，两者在功能和构造方面有什么主要区别？各自的设计原理和方法有什么相同点和不同点？（1）机场道面是指在民用航空运输机场飞行区范围内供飞机运行使用的铺筑在跑道，滑行道，站坪，停机坪上的结构物。（2）在功能上，由于飞机运行方式对安全使用的要求高，机场道面要求比道路道面具有更好的抗滑性能，更好的稳定性，更好的平整度，快速的排水能力以及耐久性；在构造上，由于飞机荷载重量和轮胎接地压力远大于车辆荷载等原因，所以要求机场道面的厚度更厚，面层材料质量更好，这样才会有更高的承载能力。（3）公路路面所用的设计原理同样可以用于机场道面，在水泥混凝土路面设计中，荷载应力都是采用弹性地基上的弹性薄板理论和考虑接缝传荷能力的有限元法计算；在沥青混凝土路面设计中，都是采用弹性层状体系理论分析。它们考虑的主要因素基本相同，但每一因素所选定的数值相差很大。飞机的总质量远大于汽车质量，机场道面实际作用的飞机荷载较公路路面的汽车荷载也大得多，同时飞机胎压也远大于汽车胎压，但是机场道面的荷载实际作用次数远小于公路道面的作用次数，一般到达2～8万次，而公路路面的实际作用的标准轴载次数达到100～1700万次。而且它们设计考虑荷载的方法也不同。公路选择有代表性的汽车后轴作为标准轴载（用BZZ-100表示），其它轴载的作用次数按照一定的方法换算成为该标准轴载的作用次数。而在机场道面设计中，在预计使用的飞机中，以运行次数最多和主起落架轮载较大的机型作为设计机型，其主起落架上的一个机轮的动荷载即为设计荷载，当道面供多种飞机混合使用时，应以设计飞机为换算标准，按换算公式将其它飞机换算为设计飞机的平均当量运行次数。在公路路面设计中采用的是移动荷载，而在机场跑道中部采用移动荷载，端部采用静荷载，因此跑道端部的厚度大于中部的厚度。由于飞机的左右偏离，要考虑它的横向偏离对荷载重复作用次数的影响。9、AASHO当量轴载换算方法、原理及应用前景。Answer：AASHO设计法是以试验路行车试验结果为依据的方法，它将道路试验所得的大量数据，通过统计分析把路面耐用性的变化、荷载大小、荷载重复次数和路面各层的厚度联系起来，得出AASHO设计法中的基本方程式：GCpCClog()(loglog)001从这个基本方程式可以得到在给定的耐用性指数下加权的各种荷载作用总次数与结构数SN的关系。把基本方程式写成：log=log+G/=f(SN,轴重,轴数,G)4即在给定的结构（SN为定值）和给定的耐用性指数（G为定值）下，是轴重、轴数的函数。AASHO选定的标准轴载为单轴、轴重为80千牛，这样对不同的轴载，可以算得在给定的耐用性指数下加权的标准轴载作用总次数与其它不同轴载作用总次数的比值s/x，这个比值称为轴载当量换算系数。有了轴载当量换算系数，就可以把不同轴载作用次数很方便地换算为标准轴载的作用次数。AASHO轴载当量换算方法建立了不同轴载间的等效关系，使轴载轻、重与交通量多寡对路面的作用建立了合理的关系，解决了过去设计方法中一直未能解决的交通荷载问题。特别是单后轴间的轴载换算关系被许多国家的设计法所采用。AASHO轴载当量换算方法简单可行，应用方便，还考虑了路面耐用性（即工作状态的概念）与轴载作用总次数的关系，至今仍然具有很大的现实意义，对其它国家轴载当量换算法有很大的影响。但是它全部是建立在试验的基础上，强度标准不明确，未能揭示路面结构内部应力应变的关系，这是它的缺陷，如何在其中加入力学的概念和力学的分析方法将是它将来一个重要发展方向。10、何为飞机漫行？在飞机道面设计方法中如何考虑飞机漫行的影响？飞机轮载在机场跑道横断面上的随机分布称为飞机漫行。飞机的漫行程度与道面类型有显著的关系。例如在划有中线标志的滑行道上呈渠化交通状态，机轮轨迹横向分布的标准偏离值为0.6～1.05m（2－3.5ft）。在跑道上，其标准偏离在很大程度上取决于飞机的类型以及飞机是在着陆还是在起飞。对于起飞情况，不同飞机的标准偏离值大约在2.25-4.5m（7.5-15ft）之间；对于着陆情况，在3.9-6m（13-20ft）。所以滑行道采用的设计值为0.6m（2ft），跑道为4.8m（16ft）。在设计中需要考虑飞机的漫行对荷载重复作用次数的影响。波特兰水泥协会为考虑飞机的横向漫行作用而引进了一个荷载重复系数（LRF）。LRF＝1.0表示每通过一次都是满载的重复。各种飞机的荷载重复系数可以预先计算出来。将各种飞机的预计通过次数乘以其荷载重复系数，就可以计算出实际荷载重复作用次数。在设计中考虑飞机漫行的影响，在美国主要有以下三种方法