交通荷载及路面设计参数

1第六章交通荷载及路面设计参数2主要内容第一节交通荷载及其对路面的作用第二节标准轴载及轴载换算第三节路面材料设计参数3第一节交通荷载及其对路面的作用核心内容车辆的种类汽车的轴型汽车对道路的静态压力运动车辆对道路的动态影响交通分析4第一节交通荷载及其对路面的作用交通荷载汽车荷载既是路基路面的服务对象，又是造成路基路面结构损伤的主要原因；它是不断移动着的、具有振动和冲击影响的动荷载；汽车荷载的特性包括：汽车轮重与轴重的大小与特性、车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、汽车静态与动态荷载特性等。51、车辆的种类道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。客车又分为小客车、中客车与大客车；货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。62、汽车的轴型轴载－－轴型分布单轴单轮单轴双轮双轴单轮双轴双轮多轴多轮72、汽车的轴型汽车的轴型82、汽车的轴型图2-1不同轴型的货车示意图汽车的轴型简化图92、汽车的轴型轴轮组与轴重：整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为P/3），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种。表6-3汽车及挂车单轴的最大允许轴载的最大限制单位：Kg102、汽车的轴型轮压与压圆轮胎对路面的静态压力大小与胎内压相接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。11图2-2车轮荷载计算图式a)单圆图式；b)双圆图式汽车的轮压与压圆PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面a)b)3、汽车对道路的静态压力12对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下：a)双圆荷载的当量圆半径δ：b)单圆荷载的当量圆直径D：82PDdp3、汽车对道路的静态压力pP荷载圆半径和直径13道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。图6-2车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向PPPPVQQa)b)c)d)4、运动车辆对道路的动态影响141）水平力：行车安全要求qmax≤p⋅，其中为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。4、运动车辆对道路的动态影响152）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。4、运动车辆对道路的动态影响162）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。4、运动车辆对道路的动态影响173）瞬时作用及重复：路面点的车轮作用时间约为0.01~0.10s，结构变形来不及呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲劳。4、运动车辆对道路的动态影响车速与路面变形的关系181）交通调查与重复荷载交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算获得设计年限内累计交通量。对路面而言，主要是轴重。轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。2）轮迹横向分布：总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象称为轮迹横向分布，车道综合累计需考虑。5、交通分析195、交通分析序号轴型分布代表车型代号整车类1中型货车(载重2.5~10T)跃进、解放、东风等U1.12重型货车(载重10T)黄河、罗曼、斯太尔等U1.1大通、交通、太脱拉等U1.2半挂类33轴半挂车解放、东风等国产牵引车S1.1.144轴半挂车斯堪尼亚、沃尔沃、斯太尔等进口牵引车或红岩、黄河等引进技术生产的牵引车S1.1.255轴半挂车S1.2.2S1.2.36=6轴半挂车≥S1.2.3按轴型分类的车辆类别1）交通调查与重复荷载205、交通分析轴型分类及代号轴型示意图整车类SingleUnitTruckU1.1U1.2半挂类Semi-TractorTrailorS1.1.1S1.1.2S1.2.2S1.2.3各类轴型示意图1）交通调查与重复荷载215、交通分析我国常用的汽车的路面设计参数标准车2）轴载谱222）轴载谱5、交通分析轴载谱轴载谱：不同轴载在道路上的比例关系233）车辆荷载的轮迹横向分布5、交通分析图6-6轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）图6-7轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）243）车辆荷载的轮迹横向分布5、交通分析沥青混凝土路面车道系数水泥混凝土路面轮迹横向分布系数25第二节标准轴载及轴载换算核心内容交通量标准轴载轴载换算累计标准轴载作用次数标准轴载作用次数的调查与分析261、交通量年平均日交通量(AADT)交通量是指在单位时间内，通过道路某一断面的交通实体数。我国的《公路工程技术标准》（JTGB01）确定道路等级时规定的标准车是小客车，即将混合交通量换算成为以小客车为标准的交通当量。初始年平均日交通量272、标准轴载选用标准轴载的原因作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定原则换算成标准轴载。标准轴载（EquivalentSingleAxleLoad-ESAL）根据实际选定的一种代表车型，中国为单轴双轮，称为BZZ-100，轴重100kN。美国为单轴双轮，轴重80kN标准轴载要求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。282、标准轴载几个概念超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输指被运输的设备、构件或货物，其外形尺寸、高度、重量、长度超过了交通部门所规定的范围。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，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。29某高速公路上的超载车辆30某公路上的超载车队31在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)；若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、坑槽严重32轴载换算的基本原则：①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）；②等厚度原则：不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。轴载换算系数公式：()nsiiisNPNP3、轴载换算333、轴载换算沥青路面轴载换算系数公式：343、轴载换算沥青路面轴载换算系数公式：353、轴载换算水泥混凝土路面轴载换算系数公式：36初始年平均日交通量N1的计算设计年限内一个车道内的累计交通量eN36511365iiNN4、累计标准轴载作用次数沥青路面-车道系数水泥混凝土路面-横向分布系数37例题：已知某公路使用初期设计车道上标准轴载作用次数Ns=700次/日，交通量年增长率r=5%，该水泥路设计使用年限为30年，轮迹横向分布系数为0.2，试计算该路设计使用年限内标准轴载累计作用次数Ne=？11365[(1)1]365[(1)1](1)tettetNNNN解：次＝5023392.05.0]10.5)[(1700365Ne30Ne385、标准轴载作用次数的调查与分析调查方法地磅静态称重人工千斤顶称量移动式称重WIM（weigh-in-motion）WIM设备可以分成固定式和移动式两类395、标准轴载作用次数的调查与分析交通量增长率交通量年平均增长率(γ)变化范围(%)交通量增长率计算方法：回归T年交通量与年限的关系406、交通荷载分级分级原因由于不同等级道路承受不同的交通荷载作用，为了判别道路承受荷载的轻重，公路《沥青路面设计规范》和《公路水泥混凝土路面设计规范》分别进行了交通荷载等级的划分。具体分级沥青路面交通荷载分级水泥混凝土路面交通荷载分级41第三节路面材料设计参数核心内容概述无机结合料稳定材料沥青混合料水泥混凝土材料级配碎石421）主要材料类型①松散颗粒型材料granular②沥青结合类材料asphaltmixture③无机结合料类材料inorganicbindingmaterial④水泥混凝土材料cementconcrete由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。0、概述◆1、路面材料的几种强度432）抗剪强度shearstrength三轴抗剪试验摩尔—库仑强度理论：=c+tg直接抗剪试验P/A（极限抗剪力/抗剪面积）其中c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的黏聚力（kpa），是材料内摩阻角，对于土，可以通过直剪试验得到；对于松散粒料无法做直接剪切试验，可用三轴压缩试验测定。三轴试验确定c.φcφστ0、概述440、概述3）抗压强度compressivestrength无侧限的强度试验：指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。有侧限的强度试验：描述路面实际的三维状态。三轴试验；钢管混凝土。454）抗拉强度tensilestrength气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产生半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即在材料内产生拉应力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。5）抗弯拉强度flexiblestrength路面材料的实际工作状态是弯曲反复变化的，结构层底首先容易出现局部拉裂、产生弯曲断裂。材料的抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行测定。0、概述460、概述◆2、路面材料的强度试验1）抗压强度试验一般有大试件、中试件和小试件。小试件指Φ50mm*50mm；中试件指Φ100mm*100mm；大试件指Φ150mm*150mm。47间接拉伸试验1-压条；2-试件pp112接拉伸试验1-上盖帽；2-变形传感器；3-金属箍；4-下盖帽；5-试件321540、概述2）抗拉强度试验（直接拉伸试验和间接拉伸试验）①沥青和水泥混凝土间接抗拉强度试验②沥青混凝土抗弯拉强度试验③水泥混凝土抗弯拉强度试验—弯拉试验抗弯拉强度试验劈裂实验示意图480、概述直接拉伸间接拉伸试验①沥青和水泥混凝土间接抗拉强度试验49我国《沥青及沥青混合料试验规程》中标准弯曲实验试件为250mm×30mm×35mm的棱柱体小梁，跨径2000.5mm。试验温度采用150.5℃，评价低温拉伸性能时，宜采用-100.5℃。0、概述②沥青混凝土抗弯拉强度试验弯曲实验有切口的弯曲实验50150mm×150mm×550mm的棱柱体梁图小梁试验加载图式(1-试验梁；2-承压板；3-支点；4-顶杆；5-千分表)LPhl/3l/321345l1l00、概述③水泥混凝土抗弯拉强度试验—弯拉试验510、概述3、疲劳概念疲劳：路面材料在循环加载下，在某点或某些点产生局部损伤，在一定循环次数后形成裂纹，并进一步扩展直到完全断裂的现象称为疲劳。疲劳破坏：在低于材料强度极限的循环加载作用下，材料发生破坏的现象称为疲劳破坏。疲劳强度：是指材料在多次循环加载作用下出现疲劳破坏所对应的应力（应变）称为疲劳强度或疲劳应变。520、概述疲劳极限：当重复荷载作用次数为无限大时的