路面行車載荷、環(huán)境因素、材料的力學特性.pptVIP

第九章 行車荷載、自然環(huán)境與材料的力學特性,9-1 行車荷載 9-2 交通分析 9-3 自然環(huán)境對路面的作用 9-4 路面材料力學特性,9-1 行車荷載,對行車荷載的研究內(nèi)容： 1.汽車的輪重與軸重； 2.不同車型的車軸布置； 3.設計期限內(nèi)，汽車的軸型分布及汽車年通過量的 逐年變化； 4.汽車的靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較。,一、車輛的種類 道路上通行的車輛主要分為客車與貨車兩大類。 客車：小客車、中客車、大客車； 貨車：整車、牽引式半掛車、牽引式掛車。 二、汽車的軸型 我國公路與城市道路設計規(guī)范中均以100kN作為標準軸重。目前我國公路行駛的車輛，后軸軸載一般在60130kN范圍內(nèi)。,不同軸型的貨車示意圖,三、汽車對道路的靜態(tài)壓力 1. 靜態(tài)壓力P的影響因素： （1）車輪胎內(nèi)壓 （2）輪胎的剛度和輪胎與路面的接觸的形態(tài) （3）輪載的大小,圖22 成重高速剪應力等值線圖,圖23 京津塘高速剪應力等值線圖,不同剛度路面雙輪組荷載壓力的分布,2.輪載靜態(tài)壓力的簡化,簡化為單圓,簡化為雙圓,單圓當量圓直徑,雙圓當量圓直徑,3.路面設計的標準軸載,四、運動車輛對道路的動態(tài)影響 1. 水平力對路面造成的影響： 面層材料抗剪強度不足時，在水平荷載作用下，會產(chǎn)生推移、擁包、波浪、車轍等破壞。,輪載對路面的水平力,水平力：QmaxP ，P輪載重量，路面附著系數(shù) 的最大值一般不超過0.70.8 ，車速提高時， 將減小,水平力在路面產(chǎn)生的剪應力只分布 在最上層，向下迅速衰減。設計時應予考慮,2.輪載的動態(tài)（振動） 輪載動態(tài)變化的影響因素：車速、路面平整度、車 輛的振動特性。 沖擊系數(shù)：振動輪載的最大值與靜載的比值。,由于車身自身的震動和路面的不平整，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動。其偏離靜荷載的機會是均等的，設計時仍然按照靜荷載考慮。,動態(tài)輪載不均勻性,3. 輪載作用的瞬時性 車輪通過路面的時間約為0.010.1s左右，當應力出現(xiàn)的時間很短時，來不及傳遞分布，其變形特性不能像靜載作用那樣完整表現(xiàn)出來。試驗表明：隨著車速的提高，路基路面變形比停車狀態(tài)要小很多，這個影響量在設計中要予以考慮（可以考慮為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對提高 ）。對于彈縮性材料，由于應力作用的瞬時性，允許按彈性結(jié)構(gòu)分析。,4.車輛荷載作用的重復性 彈性路面材料在重復荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)；彈塑性材料，如土基和柔性路面，呈現(xiàn)出變形的累計。在設計中要予以考慮。,9-2 交通分析,1. 交通量,（1）初始年平均日交通量：,（2-6）,（2）設計年限內(nèi)累計交通量：,（2-7）,一定時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量,2. 軸載組成與等效換算,（1）軸載譜,（2）軸載作用次數(shù)：,（3）標準軸載當量作用次數(shù),標準軸載：雙輪組單軸軸載100kN,等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相 同的損傷程度,軸載換算系數(shù)：,（2-8）,3. 輪跡橫向分布,車輪的軌跡總在橫斷面中心附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上,單向行駛一個車道,混合行駛雙車道, 9-3 自然環(huán)境對路面的作用,路基路面結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣當中，必然要經(jīng)受著自然環(huán)境因素的影響。路基土和路面材料的剛度和強度隨著路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和濕度的變化有時會有大幅度的增減。,一、溫度的影響作用 1.影響機理 路基土和路面材料的體積會隨著路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和濕度的升降而產(chǎn)生膨脹和收縮。 由于溫度和濕度在路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化沿深度方向是不均勻的，所以不同深度處脹縮的變化也是不同的。 當這種不均勻脹縮受到某種原因的約束而不能實現(xiàn)時，路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生附加應力，即溫度應力和濕度應力，進而對路基路面產(chǎn)生破壞。,觀測結(jié)果分析：,路表溫度變化與氣溫大致同步，但溫度較氣溫高,不同深度處的溫度同樣隨氣溫變化呈周期變化，升降幅度隨深度增加而減小，峰值出現(xiàn)也隨深度增加而滯后,瀝青面層溫度日變曲線,水泥混凝土面層溫度日變曲線,觀測結(jié)果分析：,頂面與底面之間的溫差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負到正，再由正到負的循環(huán)變化,溫度梯度變化與氣溫變化大致同步，具有周期性特點,2. 影響溫度狀況的因素,外部因素：太陽輻射、氣溫、風速、降水量等,內(nèi)部因素：結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù),（1）影響因素,（2）路面溫度狀況預估方法,統(tǒng)計方法和理論方法,統(tǒng)計方法：通過連續(xù)觀測及氣象資料收集，建立不同深度處各種路面溫度指標的回歸方程:,Tmax= a + bTamax + cQ,（2-9）,理論方法：應用熱傳導理論方程式推演出各項氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預估方程式,二 、濕度影響（或水分的影響）,1. 影響濕度狀況的因素,降水、地面積水、地下水侵入,地下水影響高度： 粘土：6m，砂質(zhì)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）設置良好的地面排水和路面排水設施,（2）采用不透水面層,（3）處置路肩，防止水滲入, 9-4 路面材料的力學強度特性,路面材料,松散顆粒型材料及塊料,瀝青結(jié)合料,無機結(jié)合料,一. 抗剪強度,1. 剪切破壞,路路面結(jié)構(gòu)層較薄，剛度不足，車輪荷載通過薄層傳遞給土基的剪應力過大，導致路基路面整體發(fā)生剪切破壞,無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠恚瑑?nèi)部剪應力過大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞,面面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強度較低，經(jīng)受較大的水平推力時，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞,2. 抗剪強度：,式中：,c 材料的粘結(jié)力，kPa；, 材料的內(nèi)摩阻角,瀝瀝青混合料的抗剪強度與瀝青的粘度、用量、試驗溫度、加荷速率等因素有關(guān),瀝青含量越多，值下降越多，而集料級配良好，有助于提高,二. 抗拉強度,1. 抗拉強度來源：,由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供,2. 抗拉強度測試試驗,直接拉伸試驗,間接拉伸試驗（劈裂試驗）,水泥混凝土：,三. 抗彎拉強度,式中：,P 破壞荷載，kN；,l 支點間距，m,水泥混凝土抗折強度標準試件尺寸為150mm150mm550mm，集料粒徑應不大于40mm。,試驗規(guī)程：,四、應力應變特性 1.無結(jié)合料的碎石、礫石材料無法通過成型試件測試應力應變特性，可用三軸壓縮試驗結(jié)果來反映。其表現(xiàn)出明顯的非線性特征。 2. 水泥混凝土的抗壓強度和抗壓彈性模量采用棱柱體的單軸加壓進行測試。 3.無機結(jié)合料宜采用三軸壓縮試驗測定其應力應變特性關(guān)系。結(jié)果也呈現(xiàn)出非線性特征。 4.瀝青混合料的應力應變特性測試也相同。在低溫下，可采用單軸試驗或小梁試驗，在高溫下，可用三軸壓縮試驗測定。 由于瀝青混合料中的結(jié)合料瀝青具有依賴于溫度和加荷時間的粘彈性性狀，所以不能用一個常量彈性模量來表征瀝青混合料的引力應變特性關(guān)系。,五、路面材料的累積變形及疲勞特性,路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，重復荷載作用引起塑性變形積累，累積變形超出一定限度時，出現(xiàn)破壞極限狀態(tài),路面材料處于彈性工作狀態(tài)，重復荷載作用下雖不產(chǎn)生塑性變形，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微量損傷，微量損傷達到一定限度時，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂,路面結(jié)構(gòu)在重復荷載作用下處于何種破壞極限狀態(tài)，與路面所用材料、大氣溫度、濕度等均有關(guān)系。,一. 累積變形,易產(chǎn)生車轍或沉陷,1. 碎、礫石混合料,級配良好的混合料在重復加載試驗中，當偏應力低于某一值時，塑性變形隨作用次數(shù)增加而增加，且逐漸趨于穩(wěn)定。偏應力較大時，塑性變形量隨作用次數(shù)的增加而不斷增加，直至破壞。,級配不良或含有細粒過多的混合料，在應力重復作用多次后，塑性變形累積過大，不宜修筑路面。,2. 瀝青混合料,塑性變形量隨重復作用次數(shù)的增加而增加。,溫度越高，塑性變形累積量越大。,同一溫度下，控制累積應變量的是加荷時間總和，而不僅是重復作用次數(shù)。,影響累積變形的因素，除溫度、施加應力大小及加荷時間外，同集料的狀況也有關(guān)。,二. 疲勞特性,關(guān)于疲勞的幾個概念：,疲勞：對彈性狀態(tài)的路面材料承受重復應力作用時，可能在低于靜載一次作用的極限應力時出現(xiàn)破壞，這種材料強度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。,疲勞破壞：由于材料微結(jié)構(gòu)局部不均勻，誘發(fā)應力集中而出現(xiàn)微損傷，在應力重復作用下微損傷逐步累積擴大，導致結(jié)構(gòu)破壞。,疲勞強度：出現(xiàn)疲勞破壞的重復應力值。,疲勞極限：材料在應力重復一定次數(shù)后，疲勞強度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此溫度值為疲勞極限。,1. 水泥混凝土及無機結(jié)合料處治的混合料,應力比增大，出現(xiàn)疲勞破壞的重復作用次數(shù)降低。,重復應力級位相同時，Nf變化幅度較大，試驗結(jié)果離散，但概率分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布。,疲勞方程：,Nf107時，應力比為0.55，此時尚未發(fā)現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。,應力比小于0.75時，重復應力施加的頻率對試驗結(jié)果影響很微小。,2. 瀝青混合料,疲勞特性室內(nèi)試驗采用簡支小梁或圓柱體試驗等方法，有兩種試驗方法：控制應力與控制應變。,控制應力試驗，材料的疲勞破壞以試件出現(xiàn)斷裂為標志；而控制應變試驗，可以以勁度模量下降到初始值的50作為疲勞破壞的標準。條件相同試驗中，控制應變試驗所得疲勞壽命大得多。,較厚的瀝青面層，宜采用控制應力試驗方法；較薄的瀝青面層，宜采用控制應變的試驗方法。,3. 曼諾定律,問題的提出：室內(nèi)疲勞試驗一般采用單一不變的應力或應變作為重復加載的基本模式，而實際路面受到的是重力不同的車輛荷載