第2章 行车荷载、环境因素与土基的承载能力

上节内容回顾：1.道路工程的发展概况→路基路面工程的科研成果；2.路基路面的功能和要求：(a)强度和刚度→抵抗荷载作用下产生的各种应力和长期荷载作用下产生的变形；(b)足够的稳定性；(c)耐久性；(d)表面平整性；(e)表面抗滑性.3.影响路基路面稳定性因素(a)自然因素(地质和地理条件，气候条件，水文及水文地质，土的类别和强度)(b)人为因素(荷载作用，路基路面结构，施工方法与质量，养护措施)4.路基土的分类及工程性质(根据塑性指标、颗粒组成、有机质含量分为：巨粒土、粗粒土、细粒土、特殊土)5.公路自然区划一级自然区划：根据地理、地貌、气候、土质等因素划分为7个区；二级自然区划：以气候和地形为主导因素，以潮湿系数为主要标志体系；三级自然区划：以行政区域作为界限，有两种区划方法：按照地貌、水文和土类划分；按照水热、地理和地貌划分。6.路基的水温状况和干湿类型(分界稠度)7.路面结构及层次划分(对面层、基层、垫层的要求)8.路面等级与分类路面等级：高级、次高级、中级、低级；路面分类：柔性路面、刚性路面、半刚性路面.第2章行车荷载、环境因素与土基的承载能力路基路面工程参考教材：路基路面工程，主编：邓学钧，人民交通出版社，2005本章主要介绍道路上行车荷载的特点、道路交通分析、环境因素对路面结构的影响、土基的力学强度特性与承载能力等基础知识，是基础章。2.1行车荷载2.2交通分析2.3环境因素对路面结构的影响2.4土基的力学强度特性2.5土基的承载能力2.6路基的变形、破坏及防治2.7路面材料的力学特性（选讲）本章内容2.1行车荷载2.1.1车辆种类注：1）货车总的发展趋向是向大吨位发展（集装箱，40-50吨）2）汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要以轴重作为荷载标准，3）在设计时：结构设计，主要考虑重型车路面表面特性(平整性，抗滑性)：以小汽车为主要对象。(bus)客车小客车自重和满载重量小，车速高120km/h以上中客车6~20个座位大客车20个座位以上，长途客运和城市公共交通货车(truck)整车货箱与汽车发动机一体。牵引式挂车牵引车与挂车分离，牵引车提供动力，牵引后挂的拖车、有时可以拖挂两辆以上的拖车牵引式半挂车牵引车与挂车分离，铰接，牵引车的后轴也担负部分货车的重量，货车厢的后部有轮轴系统，而前部通过铰接悬挂在牵引车上对于路面结构设计而言，主要考虑汽车的轴重。由于轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，为了统一设计标准和便于交通管理，各个国家对于轴重的最大限度均有明确的规定。据国际道路联合会1989年公布的统计数据，在141个成员国和地区中，轴限最大的为140KN，近40%执行100KN轴限。我国公路与城市道路路面设计规范中均以100KN作为设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为100KN。2.1.2汽车的轴型1）定义：汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态。当汽车处于停驻状态下，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直压力p，其大小主要取决于车轮的总重。2）影响因素：a、汽车轮胎的内压力pi。b、轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状。c、轮载的大小。货车轮胎的标准静内压力pi一般在0.4～0.7MPa范围内。2.1.3汽车对道路的静态压力(接触压力)3）接触压力：a、通常停驻时接触压力p约为(0.8～0.9)pib、行驶→温度↑→内压力↑→p约(0.9～1.1)pic、轮胎新旧、接触面形状、轮胎的花纹→影响接触压力的分布，一般接触面上的压力分布是不均匀的。在路面设计中，通常忽略上述因素的影响，认为p=pi，并假定在接触面上，压力是均匀分布的。2.1.3汽车对道路的静态压力(接触压力)4）荷载图式：汽车轮胎与路面接触形状近似于椭圆(长短轴差别不大)，其面积称为轮迹面积。在路面设计中，将其换算为等面积的当量圆(轮迹当量圆，相应的面积则称为轮迹当量圆面积)，并将车轮荷载简化为圆形均布荷载。对于单轮组车轴：当量圆半径计算：对于双轮组车轴：每一侧双轮用一个圆表示，称为单圆荷载：每一侧双轮用两个圆表示，称为双圆荷载：注：P—作用在车轮上的荷载，KN。动载特性—汽车在道路上行驶，由于车身本身的振动和路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳跃前进，作用在路面上的轮载也呈时大时小的波动形式。（水平力、振动力）（瞬时性、重复性）2.1.4汽车对道路的动力作用中等平整度路面，车速60km/h，轮胎着地长23cm通过时间0.0138s汽车运动形式不同，所产生的水平力的大小和方向也不同。上坡和加速—汽车对路面产生向后的水平力；下坡制动及减速—产生向前的水平力；在弯道上行驶—产生侧向水平力；直线等速运动—克服各种阻力而对路面施加一定的水平力。后果：水平力易使路面产生波浪、拥包、推挤等损坏，要求面层材料有足够的抗剪强度—城市道路大小：与垂直压力P、轮与路面附着系数ψ有关qmax≤p×ψ1）汽车对道路的水平力作用a、轮载振动力可近似地看作为呈正态分布，其变异系数(标准离差/轮载静载)影响因素：行车速度：车速越高，变异系数越大；路面的平整度：平整度越差，变异系数越大；车辆的振动特性：轮胎刚度，减振装置效果。正常情况下，变异系数一般均小于0.3。b、冲击系数：振动轮载的最大峰值与静载之比。在较平整的路面上，行车速度不超过50km/h时，冲击系数不超过1.30。路面设计时，有时要计入冲击系数的影响。以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。2）汽车对道路的振动力作用动荷载的瞬时性：作用时间0.01～0.10S左右行车速度由3.2km/h提高到56km/h，沥青路面的总弯沉减少36%；当行车速度由3.2km/h提高到96.7km/h，水泥混凝土路面的板角挠度和板边应变量减少29%左右。动荷载作用时间短暂，应力来不及传递到较深的土层，路面变形量减小；可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者是路面结构强度的相对提高。重复作用：材料的疲劳/弹塑性材料变形的累积路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，道路通行的各类轴载的累积作用次数也是路面设计的重要参数。3）动荷载的其它影响2.2.1交通量：定义：一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。对于路面结构设计，不仅要求收集交通总量，还必须区分不同的车型。交通量观测调查：1、直接观测：分车型2、轴载谱调查：交通量年平均增长率根据长期交通观测资料得到，设计年限内累计交通量Ne：N1为设计初始年平均日交通量；Nt=N1(1+γ)t-12.2交通分析注：Ne乘以方向系数和车道系数后即可得到车道交通量。方向系数：一个行车方向的交通量与行车道交通量的比例。1)轴载组成/轴载谱不同重量的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的→各级轴载所占的比例即为轴载组成/谱。由交通量调查得到的各类车辆的日交通量乘以与相应的轴载谱百分率→各类车辆各级轴载的相应日作用次数。2.2.2轴载组成与轴载换算轴载谱的应用：轴载调查→轴载谱→各级轴载作用次数；“实践→理论→实践”2）轴载换算道路上行驶的汽车轴载与通行次数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通行次数。我国水泥混凝土路面设计规范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。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。注：其以结构损伤为基础(区别道勘交通量折算→车辆占用道路净空)换算公式：式中：α—反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数；n—同路面结构特性有关的系数。不同路面结构换算公式不同，具体公式见相应规范章节。nsiisippNN3）轮迹横向分布a）车辆在道路横断面上的分布，通常在中心线附近一定范围内摆动，由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而车道上的轴载作用次数既不会集中在横断面的某一固定位置，也不可能平均分配到每一点上，而是按一定的规律在车道横断面上分布，该现象称为轮迹横向分布→轮迹横向分布频率曲线。b）影响因素：交通量、交通组成，车道宽度、交通管理规则等。c）轮迹横向分布系数η：取轮迹横向分布频率曲线中二个条带的宽度50cm(20+10+20)的条带频率之和称为轮迹横向分布系数。3）轮迹横向分布2.2.4交通量预测分析步骤1）交通调查；2）轴载组成分析；3）轴载换算，求当量轴载作用次数；4）求N1；5）求Ne2.2.4交通量预测分析(例题)例2.1某沥青路面，由交通调查资料得知，其中5轴和5轴以上的牵引式半拖车和拖车类车辆的日交通量为165辆，由称重得到的这类车辆的轴载组成列于下表，请确定这类车辆的等效轴载换算系数。轴载（kN）轴次数轴载换算系数当量轴次数单轴2000.0016020~4000.0081040~6010.0625060~8060.2401180~1001440.656194100~110161.215519110~12011.7492双轴40140.0032040~80210.0162080~120440.1256120~160420.480220160~180441.04446180~200211.62934200~2201012.431246220~240433.498150累计当量轴次数619[解]：由规范，取标准轴载为100KN。（1）交通调查，由题目给出；（2）轴载组成分析，如表：（3）计算各种轴载的换算系数，结果如表：（4）轴载换算，计算各种轴载的当量轴载次数；见表：（5）求和，可得累计当量轴载作用次数；（6）则等效轴载换算系数为：619.31/165=3.75所以，其等效轴载换算系数为3.752.2.4交通量预测分析(例题)例2.2某二级汽车专用公路，沥青路面，设计年限为15年。由交通量调查资料得到，初始年平均日交通量为7000辆，其中同路面损坏有关的各类车辆的交通量列于下表中，方向系数为0.5。请计算设计年限内标准轴载累计作用次数。[解]：由规范，取标准轴载为100KN。（1）交通调查，由题目给出；（2）计算各种车型的等效轴载换算系数，结果如表：（4）轴载换算，计算各种车型的当量轴载次数见表：（5）由题可知t=15，查表取交通量年平均增长率r=4%，可计算各种车型的当量轴载在设计年限内累计作用次数Ne'，见表；（5）求和，可得设计年限内标准轴载累计作用次数Ne=6,172,345辆。所以，设计年限内标准轴载累计作用次数为6,172,345辆。车辆类型初始交通量等效轴载换算系数标准轴载作用次数N1设计年限内累计作用次数Ne2轴公共汽车480.512324.5904179,7223轴公共汽车251.117827.945204,2392轴4轮货车16050.019230.816225,2222轴6轮货车5180.7041364.7232,665,6243轴货车1951.11216.451,581,9483轴牵引式半拖车400.710828.432207,7984轴牵引式半拖车251.546438.66282,5515轴牵引式半拖车52.152510.762578,6594轴货车+拖车650.820453.326389,7395轴货车+拖车170.978516.6345121,5755轴以上货车+拖车261.238132.1906235,269合计25696,172,3452.3环境因素对路面结构的影响2.3.1原因路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素，路基路面结构的温度和湿度状况随周围环境的变化而变化，路基路面体系的性质与状态也随之发生变化。1）强度、刚度、稳定性2）温度应力、湿度应力道路直接暴露于大气中，受温度、湿度影响大→温度湿度变化→体积变化→变化受限→胀缩应力(温度应力和湿度应力)→破坏。2.3.2温度对路面结构内温度的影响规律2.3.2温度对路面结构内温度的影响规律（与沥青路面对比）（1）温度分布规律和温度梯度变化规律(P30图12、13)；（2）月平均温度变化曲线.2.3.2温度对路面结构内温度的影响