9.路面行车载荷、环境因素、材料的力学特性

第九章行车荷载、自然环境与材料的力学特性§9-1行车荷载§9-2交通分析§9-3自然环境对路面的作用§9-4路面材料力学特性§9-1行车荷载对行车荷载的研究内容：1.汽车的轮重与轴重；2.不同车型的车轴布置；3.设计期限内，汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐年变化；4.汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。一、车辆的种类道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。客车：小客车、中客车、大客车；货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。二、汽车的轴型我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。目前我国公路行驶的车辆，后轴轴载一般在60～130kN范围内。不同轴型的货车示意图NoImage三、汽车对道路的静态压力1.静态压力P的影响因素：（1）车轮胎内压（2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态（3）轮载的大小图22成重高速剪应力等值线图图23京津塘高速剪应力等值线图不同刚度路面双轮组荷载压力的分布2.轮载静态压力的简化简化为单圆简化为双圆单圆当量圆直径双圆当量圆直径3.路面设计的标准轴载标准轴载BZZ—100标准轴载P（kN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量圆直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d四、运动车辆对道路的动态影响1.水平力对路面造成的影响：面层材料抗剪强度不足时，在水平荷载作用下，会产生推移、拥包、波浪、车辙等破坏。轮载对路面的水平力纵向水平力横向水平力水平力：Qmax≤Pφ，P—轮载重量，φ—路面附着系数φ的最大值一般不超过0.7～0.8，车速提高时，φ将减小水平力在路面产生的剪应力只分布在最上层，向下迅速衰减。设计时应予考虑2.轮载的动态（振动）轮载动态变化的影响因素：车速、路面平整度、车辆的振动特性。冲击系数：振动轮载的最大值与静载的比值。由于车身自身的震动和路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动。其偏离静荷载的机会是均等的，设计时仍然按照静荷载考虑。动态轮载不均匀性3.轮载作用的瞬时性车轮通过路面的时间约为0.01～0.1s左右，当应力出现的时间很短时，来不及传递分布，其变形特性不能像静载作用那样完整表现出来。试验表明：随着车速的提高，路基路面变形比停车状态要小很多，这个影响量在设计中要予以考虑（可以考虑为路面结构刚度的相对提高）。对于弹缩性材料，由于应力作用的瞬时性，允许按弹性结构分析。动荷载作用下路面变形减小4.车辆荷载作用的重复性弹性路面材料在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质；弹塑性材料，如土基和柔性路面，呈现出变形的累计。在设计中要予以考虑。疲劳破坏或变形积累§9-2交通分析1.交通量（1）初始年平均日交通量：1-1365NNt1e（2-6）（2）设计年限内累计交通量：1-11365NNt1tte（2-7）一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量2.轴载组成与等效换算（1）轴载谱（2）轴载作用次数：每日通行的轴载数×相应的轴载谱百分率不同重量的轴载给路面结构的损伤程度是不同的，对于路面结构设计，除了设计期限内的交通量之外，另一个重要的因素就是各级轴载所占的比例。（3）标准轴载当量作用次数标准轴载：双轮组单轴轴载100kN等效换算原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度轴载换算系数：（2-8）式中：Ps—标准轴载重，kN；Ns—标准轴作用次数；Pi、Ni—i级轴载重及作用次数α—反映轴型和轮组轮胎数影响的系数；n—同路面结构特性有关的系数。3.轮迹横向分布车轮的轨迹总在横断面中心附近一定范围内左右摆动，由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一点，而是按一定规律分布在车道横断面上单向行驶一个车道混合行驶双车道§9-3自然环境对路面的作用路基路面结构直接暴露在大气当中，必然要经受着自然环境因素的影响。路基土和路面材料的刚度和强度随着路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。温度对沥青路面弹性模量的影响湿度对路基刚度的影响一、温度的影响作用1.影响机理路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩。由于温度和湿度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不同的。当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即温度应力和湿度应力，进而对路基路面产生破坏。观测结果分析：路表温度变化与气温大致同步，但温度较气温高不同深度处的温度同样随气温变化呈周期变化，升降幅度随深度增加而减小，峰值出现也随深度增加而滞后沥青面层温度日变曲线水泥混凝土面层温度日变曲线观测结果分析：顶面与底面之间的温差，在一天内经历了由负到正，再由正到负的循环变化温度梯度变化与气温变化大致同步，具有周期性特点2.影响温度状况的因素外部因素：太阳辐射、气温、风速、降水量等内部因素：结构层材料的热物理特性参数（1）影响因素（2）路面温度状况预估方法统计方法和理论方法统计方法：通过连续观测及气象资料收集，建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程:Tmax=a+bTa·max+cQ（2-9）理论方法：应用热传导理论方程式推演出各项气象资料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程式二、湿度影响（或水分的影响）1.影响湿度状况的因素降水、地面积水、地下水侵入地下水影响高度：粘土：6m，砂质粘土或粉土：3m，砂土：0.9m。2.保持路基路面干燥的主要方法（1）设置良好的地面排水和路面排水设施（2）采用不透水面层（3）处置路肩，防止水渗入§9-4路面材料的力学强度特性路面材料松散颗粒型材料及块料沥青结合料无机结合料一.抗剪强度1.剪切破坏路路面结构层较薄，刚度不足，车轮荷载通过薄层传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体发生剪切破坏无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏面面层结构的材料抗剪强度较低，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏2.抗剪强度：式中：c—材料的粘结力，kPa；φ—材料的内摩阻角沥沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、试验温度、加荷速率等因素有关沥青含量越多，φ值下降越多，而集料级配良好，有助于提高φ二.抗拉强度1.抗拉强度来源：由混合料中结合料的粘结力提供2.抗拉强度测试试验直接拉伸试验间接拉伸试验（劈裂试验）APt2水泥混凝土：三.抗弯拉强度式中：P—破坏荷载，kN；l—支点间距，m水泥混凝土抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm，集料粒径应不大于40mm。试验规程：四、应力－应变特性1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力－应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明显的非线性特征。2.水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试。3.无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力—应变特性关系。结果也呈现出非线性特征。4.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下，可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试验测定。由于沥青混合料中的结合料—沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘—弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力—应变特性关系。五、路面材料的累积变形及疲劳特性路面材料处于弹塑性工作状态，重复荷载作用引起塑性变形积累，累积变形超出一定限度时，出现破坏极限状态路面材料处于弹性工作状态，重复荷载作用下虽不产生塑性变形，但结构内部产生微量损伤，微量损伤达到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂路面结构在重复荷载作用下处于何种破坏极限状态，与路面所用材料、大气温度、湿度等均有关系。一.累积变形易产生车辙或沉陷1.碎、砾石混合料级配良好的混合料在重复加载试验中，当偏应力低于某一值时，塑性变形随作用次数增加而增加，且逐渐趋于稳定。偏应力较大时，塑性变形量随作用次数的增加而不断增加，直至破坏。级配不良或含有细粒过多的混合料，在应力重复作用多次后，塑性变形累积过大，不宜修筑路面。2.沥青混合料塑性变形量随重复作用次数的增加而增加。温度越高，塑性变形累积量越大。同一温度下，控制累积应变量的是加荷时间总和，而不仅是重复作用次数。影响累积变形的因素，除温度、施加应力大小及加荷时间外，同集料的状况也有关。二.疲劳特性关于疲劳的几个概念：疲劳：对弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用的极限应力时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳破坏：由于材料微结构局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用下微损伤逐步累积扩大，导致结构破坏。疲劳强度：出现疲劳破坏的重复应力值。疲劳极限：材料在应力重复一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此温度值为疲劳极限。1.水泥混凝土及无机结合料处治的混合料应力比增大，出现疲劳破坏的重复作用次数降低。重复应力级位相同时，Nf变化幅度较大，试验结果离散，但概率分布基本符合对数正态分布。疲劳方程：Nf＝107时，应力比为0.55，此时尚未发现疲劳现象。应力比小于0.75时，重复应力施加的频率对试验结果影响很微小。2.沥青混合料疲劳特性室内试验采用简支小梁或圆柱体试验等方法，有两种试验方法：控制应力与控制应变。控制应力试验，材料的疲劳破坏以试件出现断裂为标志；而控制应变试验，可以以劲度模量下降到初始值的50％作为疲劳破坏的标准。条件相同试验中，控制应变试验所得疲劳寿命大得多。较厚的沥青面层，宜采用控制应力试验方法；较薄的沥青面层，宜采用控制应变的试验方法。drfCN13.曼诺定律问题的提出：室内疲劳试验一般采用单一不变的应力或应变作为重复加载的基本模式，而实际路面受到的是重力不同的车辆荷载，所以需解决如何综合不同荷载的疲劳作用问题。曼诺定律：各级荷载作用下材料所出现的疲劳损坏可线性叠加：假设某一级荷载Pi作用Ni此后材料达疲劳破坏，则该荷载作用一次相当于消耗材料疲劳寿命的1/Ni，实际各级荷载的作用次数为ni，则相应各级荷载消耗的疲劳寿命为ni/Ni。在各级荷载作用下，材料的综合疲劳损伤为：（2-40）提高路面抗疲劳性能的措施：合理的材料设计合理的结构设计沥青路面的疲劳破坏弯拉疲劳剪切疲劳