1、第一节第一节 交通荷载及其对路面的作用交通荷载及其对路面的作用第二节第二节 标准轴载、轴载换算与累计标准轴载作用次数标准轴载、轴载换算与累计标准轴载作用次数第四节第四节 路面材料的设计参数路面材料的设计参数第三第三节节 土基的力学强度特性及参数土基的力学强度特性及参数 第一节第一节 交通荷载及对路面的作用交通荷载及对路面的作用 道路上通行的汽车按道路上通行的汽车按用途用途分为客车和货车两大类：分为客车和货车两大类： 1、客车、客车 小客车小客车；中客车（中客车（6个座位个座位20个座位的中型客车）；大客个座位的中型客车）；大客车车（20个座位以上的大型客车个座位以上的大型客车） 轻型货车：自身
2、质量和满载总质量小于轻型货车：自身质量和满载总质量小于25KN25KN的货车的货车 中型货车：自身质量和满载总质量为中型货车：自身质量和满载总质量为25KN25KN70KN70KN的货车的货车 重型货车：自身质量和满载总质量大于重型货车：自身质量和满载总质量大于70KN70KN的货车的货车整车、牵引式挂车和牵引式半挂车整车、牵引式挂车和牵引式半挂车一、车辆的种类一、车辆的种类 二、车辆的轴型二、车辆的轴型 客、货车车轴分客、货车车轴分前轴前轴和和后轴；后轴；大多数情况下，前轴为单轴（载重约大多数情况下，前轴为单轴（载重约1/3），而后轴有单轴、双轴或三轴），而后轴有单轴、双轴或三轴3种。种。
3、汽车汽车货运日趋向大型重载方向发展，一般采用货运日趋向大型重载方向发展，一般采用多轴多轮多轴多轮形式，以形式，以满足满足轴限轴限的要求，从而减轻对路面的压力。的要求，从而减轻对路面的压力。 三、汽车对道路的静态作用三、汽车对道路的静态作用 u汽车的两种状态：停驻状态和行驶状态；u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: 汽车轮胎的内压力pi，接触面压力略小于内压；轮胎的刚度新旧和轮胎与路面接接触面的形状和花纹；轮载的大小。 在工程设计中，对接触压力p进行如下简化：以轮胎内压力为轮胎的接触压力；接触面形状为圆形；接触面上的压力为均匀分布。胎胎壁壁受受拉拉胎胎壁壁受受压
4、压胎压胎压触压力触压力（1）单轮： pPP为轮载为轮载(kN)；p为轮压为轮压(kPa)；为当量圆半径为当量圆半径(m) （2）双轮： 单圆荷载单圆荷载：每一侧的双轮用：每一侧的双轮用一个圆表示时称为单圆荷载。其一个圆表示时称为单圆荷载。其圆直径圆直径D为：为：pPD8 双圆荷载双圆荷载：每一侧的双轮用：每一侧的双轮用两个圆表示时称为双圆荷载。其圆两个圆表示时称为双圆荷载。其圆直径直径d为：为：pPd4四、运动车辆对道路的动态影响四、运动车辆对道路的动态影响 （1）水平力）水平力动态作用：动态作用：垂直作用力、水平力和振动力垂直作用力、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
5、向前、向等速、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。后或侧向水平力。u 车辆在车辆在紧急制动紧急制动时对路面产生的水平力较大，可达垂直时对路面产生的水平力较大，可达垂直力的力的80，在路面设计时，不容忽视其影响。水平力分布，在路面设计时，不容忽视其影响。水平力分布在与在与垂直力相同的接触面内垂直力相同的接触面内，通常假设水平力也是，通常假设水平力也是均匀分均匀分布布的。的。u 在水平荷载的作用下，结构层产生在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态复杂的应力状态。特。特别是面层结构，直接承受水平荷载的作用，若抗剪强度不别是面层结构，直接承受水平荷载的作用，若抗剪强度不足
6、，则会导致足，则会导致推挤、拥包、波浪、车辙推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。等破坏现象。u 水平力水平力作用深度作用深度一般不大，约为一般不大，约为710cm左右。左右。 （2）振动力）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u较平整的路面上，车速不超过50km/h，冲击系数不超过1.3u路面设计时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。u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）车辆荷载作用的瞬时性u路
7、面结构中应力传递是通过路面结构中应力传递是通过相邻颗粒相邻颗粒来完成，变形来不及完全呈现，表来完成，变形来不及完全呈现，表现为路面现为路面刚度和强度相对增大刚度和强度相对增大。 根据美国各州公路工作者协会根据美国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对其作过试验路曾对其作过测定：测定： 速度由速度由3.2km/h56km/h时，沥青路面时，沥青路面总弯沉减少总弯沉减少36% 速度由速度由3.2km/h96.7km/h时，水泥砼路面时，水泥砼路面板角挠度和板角挠度和板边应变量板边应变量减少减少29%左右左右 4. 车辆荷载作用的重复性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：
8、重复荷载与一次荷载作用的效果并不一样：u弹性材料弹性材料表现出表现出疲劳性质疲劳性质，即材料强度随荷载重复次数，即材料强度随荷载重复次数的增加而降低。的增加而降低。u弹塑性材料弹塑性材料（如土基和柔性路面）（如土基和柔性路面）产生产生变形累积变形累积因此，对于路面设计，在荷载指标上应同时考虑因此，对于路面设计，在荷载指标上应同时考虑轴重静力轴重静力和和动力量值动力量值以及轴载的以及轴载的作用次数作用次数。五、车轮轮迹横向分布五、车轮轮迹横向分布 u概念概念：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：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，这称为称为轮迹的横向分布轮
9、迹的横向分布。 u轮迹横向分布系数（轮迹横向分布系数（一个比值一个比值）：）：对于路面横断面上某一宽度范围内的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。次数的比值。轴载横向分布规律一般是用轴载横向分布规律一般是用频率曲线频率曲线表示：表示： 条带频率条带上受到车轮的作用次数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车道上受到的作用次数第二节第二节 标准轴载、轴载换算与累计标准标准轴载、轴载换算与累计标准轴载作用次数轴载作用次数 一、交通量一、交通量 交通
10、量是指交通量是指一定时间间隔一定时间间隔内各种车辆通过内各种车辆通过某一道路横断面某一道路横断面的的数量数量。交通量通过交通流量调查分析得到。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年平均日交通量和初始年平均日交通量的计算方法的计算方法 通过通过观测站观测站的调查与分折得到的调查与分折得到u 对于对于公路设计公路设计，不仅要收集，不仅要收集交通总量交通总量，还要对车型进行，还要对车型进行分类分类。4类类：小客车、中型车、大型车、拖挂车。：小客车、中型车、大型车、拖挂车。u 对于对于路面结构设计路面结构设计，还应确定，还应确定轴型轴型和和轴载大小轴载大小，同时，同时应
11、估计货车的满载程度，确定应估计货车的满载程度，确定空车率空车率。利用自动化轴载仪直接记录通行车辆的利用自动化轴载仪直接记录通行车辆的轴数轴数和和轴载大小轴载大小，然后按轴载大小分类然后按轴载大小分类统计累计轴载数统计累计轴载数。u 轴载谱调查与交通量统计轴载谱调查与交通量统计相互校核相互校核与与补充补充 轴载谱调查轴载谱调查单轴双轮轴载谱0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%1102130415061708190101110121130141150161170181190201210221230241250轴载范围（kN）各轴载范围车轴所占百分比2. 标准轴载标准轴载1）标准轴载u
12、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。u 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u超载运输：是指车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。u超限运输：指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。u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. 轴载换算轴载换算为什么要进行轴载换算？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我国水泥砼路面和沥青路面设
13、计规范均选用双轮组单轴轴载双轮组单轴轴载100kN作为作为标准轴载（标准轴载（BZZ-100），其它各种轴载与通行次，其它各种轴载与通行次数按照数按照等效换算原则等效换算原则换算成标准轴载的换算成标准轴载的当量通行次数当量通行次数。 等效换算原则：等效换算原则：u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）；u等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。换算公式换算公式轴载换算系数轴载换算系数i iisnsiiNNPP 式中：式中：a为反映轴型和轮组的影响系数；为反映轴型和轮组的影响系数；n为同路面结构特为同路面结构特性有关的系数；性有关的系数；Ni
14、为第为第i级轴载作用次数；级轴载作用次数；Ns为第为第i级轴载换级轴载换算为标准轴载的作用次数。算为标准轴载的作用次数。u 不同的路面结构不同的路面结构其结构特性不同，其结构特性不同，损伤标准损伤标准也不同，因也不同，因而而a、n的取值也不同的取值也不同;u破坏状态：弯沉值、层底拉应力和层底拉应变。u沥青路面：以弯沉值和层底拉应力为指标；u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累计标准轴载作用次数 在进行路面结构设计时必须确定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设计年限内标准轴载累计作用次数次数Ne。确定步骤如下：。确定步骤如下： 首先，通过调查分折确定首
15、先，通过调查分折确定初始年标准轴载日平均当量作用初始年标准轴载日平均当量作用次数次数N1siiisiiiiNNNNNN13651 365 然后，通过分折论证，确定然后，通过分折论证，确定交通量年平均增长率交通量年平均增长率 最后，按下式确定最后，按下式确定设计年限内标准轴载设计年限内标准轴载累计累计作用次数作用次数 3651)1 (1NNte一、为什么研究土基的力学强度特性及其设计参数一、为什么研究土基的力学强度特性及其设计参数 第三节第三节 土基的力学强度特性及土基的力学强度特性及设计参数设计参数 路面变形的特点路面变形的特点u弹性变形：会引起沥青面层和水泥混凝土面层疲劳开疲劳开裂。裂。u塑
16、性变形：对于沥青路面，会产生车辙车辙和纵向不平整纵向不平整；对于混凝土路面，会引起板块开裂板块开裂。路面破坏的原因路面破坏的原因u自身的强度、变形。u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，土基路基工作区内，土基的强度和稳定性很重的强度和稳定性很重要。填料选择和压实要。填料选择和压实度要有更高要求。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（约重引起的垂直应力相比所占比例很小（约1/n=1/101/5）时，）时，该深度范围的路基称为该深度范围的路基
17、称为路基工作区路基工作区。 132KnPZZZPnKnaaaBZ二、研究对象二、研究对象 三、土基的受力特性三、土基的受力特性 1、非线性、非线性 三轴压缩试验的结果三轴压缩试验的结果表明表明：u土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分；u应力-应变关系曲线没有直线段，即非线弹性。本构方程：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
18、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：前三种应变包含回弹应变和残余应变 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、流变性 土的流变性土的流变性：变形随荷载作用时间的增加而增大。变形随荷载作用时间的增加而增大。u土的流变性主要同塑性变形有关。u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、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
19、的增加，产生塑性变形积累。最终导致两种可能的结果： u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。u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，形成形成能引起土体整体破坏的剪裂面剪裂面，最后达到破坏。四、土基的强度指标四、土基的强度指标a. 柔性压板法柔性压板法b. 刚性压板法刚性压板法2221)(raparp 4)1(22Epal Epalrr)1 (2 020Epalarar)1 (4 2土基的承载能力都采用土基的承载能力都采用一定应力级位下的抗变形能力一定应力级位下的抗变形能力来表征。来表征。用于表征用于表征土基承载力
20、的参数指标有土基承载力的参数指标有回弹模量回弹模量、地基反应模量地基反应模量和和加州承载比（加州承载比（CBR）等。等。1、土基回弹模量、土基回弹模量 2、土基反应模量、土基反应模量 a. 定义定义：用温克勒（：用温克勒（E.Winkler）地基模型描述土基工作状态）地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量时，用地基反应模量K表征土基的承载力。（温克勒地基也表征土基的承载力。（温克勒地基也称称K地基地基、弹簧地基、稠密液体地基弹簧地基、稠密液体地基） lpK b. K的测定的测定 用承载板试验确定，板直径为用承载板试验确定，板直径为76cm，采用逐级加载到位，采用逐级加载到位的方法。的方法。
21、 3、加州承载比（、加州承载比（CBR）a. 定义定义 加州承载比是美国加利福尼亚州（加州承载比是美国加利福尼亚州（California）提出的一种提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标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，以它们的相征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示对比值表示CBR值。值。100sppCBRb. 试验方法试验方法 用一个端部面积为用一个端部面积为19.35cm的标准压头，以的标准压头，以0.127cmmin的速度压入土中，的速度压入土中，记录每
22、贯入记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度达到时的单位压力，直至压入深度达到1.27cm时为止。时为止。此外，标准压力此外，标准压力ps值是用高质量标准碎石由试验求得。值是用高质量标准碎石由试验求得。 一、参数选取原则一、参数选取原则 u测试方法简便，测试结果稳定；u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；u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。第四节第四节 路面材料的设计参数路面材料的设计参数 路面特点路面特点 u分层；u理论基础：弹性理论u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二、无机
23、结合料稳定材料u适用范围：基层和底基层；u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；u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。u参数取值：P190u材料特点：P187三、沥青材料三、沥青材料u沥青混凝土：沥青胶结料和集料胶结在一起；u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、水泥混凝土材料三、水泥混凝土材料u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；u参数：抗折强度、抗折弹性模量、劈裂强度等；u参数取值：弯拉强度标准值和抗弯拉模量（P201）。u参数：抗压强度、回弹模量、劈裂强度、抗弯强度等。u代表值推荐值u参数取值：P194。本章小结本章小结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
