路基路面工程-行車荷載溫度環(huán)境及材料力學性質(zhì).ppt

1,第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料力學性質(zhì),2,路面設計中，以軸重作為荷載標準，重型貨車與大客車起決定作用。評定路面表面特征時，如路面的平整度、防滑性，應考慮小客車的安全性和可靠性。,第一節(jié) 行車荷載（vehicle-load）,3,一、 車輛的種類（vehicle types),4,軸重是路面設計的關鍵。 整車客貨車：1、前軸：兩個單輪組成的單軸占約1/3。 極少數(shù)為雙軸單輪。約占1/2。 2、后軸：有單軸、雙軸、三軸類型。 大部分為雙軸雙輪。,據(jù)國際道路聯(lián)合會1989年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在141個成員國和地區(qū)中，軸限最大的為140KN，近40%執(zhí)行100KN軸限，我國公路與城市道路路面設計規(guī)范中均以100KN作為設計標準軸重。通常認為我國的道路車輛軸限為100KN。,二、汽車的軸型、軸載。,5,三、汽車對道路的靜力作用。 1、定義： 靜止狀態(tài)的汽車對道路的作用，稱為靜力作用，其大小主要取決于車輪總重。 2、影響因素： 1）汽車輪胎的內(nèi)壓力。 2）輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀。 3）輪載的大小。 3、半徑：輪胎與路面的接觸形狀近似于橢圓，且a、b差別不大。 路面設計中，以圓形表示。,6,雙輪組車軸： 每一側(cè)雙輪用一個圓表示，稱為單圓荷載。 每一側(cè)雙輪用兩個圓表示，稱為雙圓荷載。,雙圓當量圓直徑,單圓當量圓直徑,P作用在車輪 上的荷載,KN；p 輪胎接觸壓力,kPa; -接觸面當量圓半徑,m.,標準軸載設計參考： 標準軸載：BZZ-100雙輪組單軸載。 標準軸載 P（KN）100/4 輪胎接地壓強 p(MPa)0.70 單輪傳壓面當量圓直徑d 21.30cm 兩輪當量圓直徑D 1.5d(30.2),8,四、運動車輛對道路的動力作用。 因為路面不平整車身震動，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，輪載成動態(tài)波動。,當行駛車輛啟動、加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)向時，受力不同,運動車輛對路面有著垂直壓力、水平力、振動力。 水平力：易使路面產(chǎn)生波浪、擁包、推擠等損壞，要求面層材料有足夠的抗裂強度。 路面與車輪的附著系數(shù)：與車輪的垂直壓力P綜合作用，決定車輪施加于路面上的水平力。P32 振動力： 輪載的變異系數(shù)：車輛行駛過程中，輪載的波動程度，與行車速度、路面平整度、車輛振動特性相關。 振動輪載沖擊系數(shù)：振動輪載最大峰值與靜載之比。 行車荷載的重復作用： 彈性材料：疲勞性質(zhì)。 彈塑性材料：變形累積。,10,五、交通分析： 1、交通量：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。對于路面結(jié)構(gòu)設計，不僅要求收集交通總量，還必須區(qū)分不同的車型。 N1初始年平均日交通量； Ni每日實際交通量； r交通量年均增長率（表2-3）； Ne設計年限內(nèi)累積交通量,11,2、軸載的組成與等效換算： 標準：雙輪組單軸載100KN作為標準軸載。 等效原則換算：某一種路面結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下達到相同的損壞程度為根據(jù)的。 新規(guī)范修訂： 1）近年交通量增長很快，重車增長多，貨車超載現(xiàn)象嚴重，應考慮重車對路面的影響。 2）由于新修路面廣泛采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，承載力提高，輕型車對路面的疲勞損傷減小。本次修訂取消了60KN的標準，統(tǒng)一采用100KN的標準。,12,1)當以設計彎沉作為指標及瀝青層層底拉應力驗算時。 凡軸載大于25KN的各級軸載（包括車輛的前、后車輛）p1的作用次數(shù)n1，用下面的公式換算成標準荷載p的軸載當量作用次數(shù) 式中：N標準軸載的當量軸次，次/日； ni被換算車輛的各級軸載作用次數(shù)，次/日； P標準軸載，KN； Pi被換算車輛的各級軸載，KN； k被換算車輛的類型數(shù)； C1軸載系數(shù)， C1=1+1.2（m-1),m是軸數(shù)。當軸間距大于3米時，按單獨的一個軸載計算，當間距小于3米時，應考慮軸載系數(shù)。 C2輪組系數(shù)，單輪組為6.4，雙輪組為1，四輪組為0.38。,13,2)當進行半剛性基層層底拉應力驗算時，凡軸載大于50KN的各級軸載換算。,C1軸載系數(shù)， C1=1+2（m-1),m是軸數(shù)。 C2輪組系數(shù)，單輪組為1.85，雙輪組為1.0，四輪組為0.09 3、輪跡橫向分布： 1） 車輛在道路上行駛時候，車輪的輪跡總是在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右搖擺，并按一定的頻率分布在車道橫斷面上，稱為車輪的橫向分布。 2）輪跡橫向分布頻率曲線影響因素： 交通量、交通組成、車輛高度、交通管制。,14,分布頻率曲線中的直方圖條帶寬為25cm，大約接近輪跡寬度，以條帶上受到的車輪作用次數(shù)除以車道上受到的作用次數(shù)作為該條帶的頻率。 由圖2-7可見，對于單向行車的一個車道上，由于行車的渠化，頻率曲線出現(xiàn)二個峰值，達到30%左右，而車道邊緣處頻率很低。 由圖2-8可見，混合行駛的雙車道，車輛集中在雙車道中央，頻率曲線出現(xiàn)一個峰值，約為30%左右，兩側(cè)邊緣頻率很低。,15,在路面結(jié)構(gòu)設計中，用橫向分布系數(shù)來反映輪跡橫向分布頻率的影響。通常取寬度為二個條帶的寬度，即50cm，因為雙輪組每個輪寬20cm，輪隙寬10cm。這時的二個條帶頻率之和稱為輪跡橫向分布系數(shù)。,16,第二節(jié) 環(huán)境因素的影響,直接暴露于大氣中，受溫度、濕度影響大 溫度濕度變化溫度應力濕度應力變化 體積變化脹縮應力破壞,17,瀝青面層日溫度變化曲線大于氣溫,水泥混凝土面層溫度日變化,18,一天內(nèi)不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化,19,一 、路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化可通過外部和內(nèi)部影響因素之間聯(lián)系來預估。 方法1： 統(tǒng)計方法 路面結(jié)構(gòu)層不同深處埋設測溫元件連續(xù)觀測，收集當?shù)貧庀筚Y料（氣溫、輻射熱），對記錄的路面溫度和氣象因素進行逐年回歸分析。,Tmax 路面某一深度處的最高溫度，； Ta.max相應的日最高氣溫， ； Q相應的太陽日輻射熱，J/； a.b.c回歸常數(shù)。,特點：不包含所有復雜因素，精度有地區(qū)局限性，只可在條件相似的地區(qū)參考使用。,20,方法2： 理論法 應用熱傳導理論方程式推導出。 各種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。 特點：參數(shù)確定難度大，理論假設理想化，結(jié)果與實測有一定的誤差。 溫度對路基的影響：北方 凍脹翻漿 南方雨季積水濕軟路基,第三節(jié) 土基的力學強度特征,21,22,（一）行車荷載和自重是作用在路基的兩種主要外力，對于路基都按照豎直荷載考慮 （二）行車荷載產(chǎn)生附加應力，對于路基的擾動影響隨深度降低；自重應力隨深度變大 （三）附加應力作用是瞬時的，自重應力作用是永久的 （四）行車荷載或車輪荷載可變，對于某一深度的路基土體影響較大，我們將這樣的深度叫做路基工作區(qū)，確切深度大約在附加應力為自重應力的1/101/5左右。,一、路基受力狀況,23,p車輪荷載換算的均布荷載 KN/ D圓形均布荷載作用面積的直徑。 Z應力作用點深度。 土的容重。,Z車輪荷載引起的附加應力（1-1-2）,B路基自重應力（1-1-3）,Za路基工作區(qū)（1-1-4）,路基工作區(qū)內(nèi)，土基的強度和穩(wěn)定性對保持路面結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性極為重要，所以對路基工作區(qū)深度范圍內(nèi)的路基結(jié)構(gòu)層（路床和上路堤）的密實程度和含水量都做相對下層更加嚴格的限制,24,二、路基土的應力應變特性 彈性變形和塑性變形 提高路基土的抗變形能力是提高路基路面整體強度和剛度重要方面。,壓入承載板試驗,三軸壓縮試驗,土的應力應變關系曲線,25,三軸壓縮試驗是測定土抗剪強度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。 常規(guī)試驗方法的主要步驟如下：將土切成圓柱體套在橡膠膜內(nèi)，放在密封的壓力室中，然后向壓力室內(nèi)壓入水，使試件在各個方向受到周圍壓力，并使液壓在整個試驗過程中保持不變，這時試件內(nèi)各向的三個主應力都相等，因此不發(fā)生剪應力。然后再通過傳力桿對試件施加豎向壓力，這樣，豎向主應力就大于水平向主應力，當水平向主應力保持不變，而豎向主應力逐漸增大時，試件終于受剪而破壞。,26,非線性變形局部線性體 即在曲線的一個微小線段內(nèi)近似視為直線，以其斜率為模量 1、初始切線模量 應力值為零應力應變曲線斜率 2、切線模量 某一應力處應力應變曲線斜率，反映該應力處變化 3、割線模量 某一應力對應點與起點相連割線模量，反應該范圍內(nèi)應力應變平均狀態(tài) 4、 回彈模量 應力卸除階段，應力應變曲線的割線模量 總結(jié)：前三種應變包含回彈應變和殘余應變 回彈模量則僅包含回彈應變，部分反映了土的彈性性質(zhì)。,三、重復荷載對路基土的影響,車輪荷載重復作用彈性變形消失、塑性變形積累 （1）路基壓實； （2）土體破壞。 取決于： （1）土的性質(zhì)、狀態(tài)； （2）重復載荷大小； （3）載荷作用性質(zhì)。,27,28,（1）單圓荷載柔性板,圓形均布荷載的壓強為p，半徑為，利用集中荷載公式，通過積分建立距荷載中心點r處的彎沉，并求得：,r=0,r=,圓形均布荷載作用下的荷載彎沉關系,第四節(jié) 土基的承載能力,一、土基回彈模量,29,（2）單圓荷載剛性板,剛性板的板底壓強呈鞍形分布，平均為柔性板的 ，故其板底彎沉為 單圓柔性板中心處的,本方法便于應用于實際中測定土基回彈模量，采用類似逐級加載的方法，對 其試驗曲線進行直線回歸后用如下公式計算回彈模量,30,二、 溫克勒（E.winkler）地基模型稠密液體地基,表征參數(shù)地基反應模量,形式簡單，任一點的垂直壓力p與彎沉l之比， 不涉及泊松比，適用于剛性路面分析,31,三、加州承載比（CBR California Bearing Ratio ）,pi、ps相同慣入量時的測試材料和標準碎石的單位壓力，kpa.,適用于CBR經(jīng)驗路面設計法，或用于對土或其他筑路材料以及土基本身進行強度評價?？梢耘c彈性模量建立相關性很好的換算關系。,承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征 19.35cm2標準壓頭，以0.127cm/min壓入土體，記錄每壓入0.254cm時的單位壓力，直至深度達到1.27cm為止。,32,一、 路基的主要變形破壞 荷載因素：自重、行車荷載、自然因素 影響穩(wěn)定性的因素：水分、溫度變化（正溫度、負溫度）、風蝕作用。 變形：彈性的、殘留的（不能恢復的） 1、 路堤沉陷：垂直方向產(chǎn)生較大的沉落,第五節(jié) 路基的變形、破壞及防治,33,原 因： 1）填料不當 2）填筑方法不合理 ： 不同土混雜； 未分層填筑、壓實； 土中有未經(jīng)打碎的大塊土或凍土塊； 荷載、 水和溫度綜合變化； 原地面軟弱，如泥沼、流沙、 垃圾堆積 未做處理等； 凍脹、翻漿。,34,2、路基邊坡的滑塌（滑坡）常見的路基病害，也是水毀的普遍現(xiàn)象 溜方： 少量土體沿土質(zhì)邊坡向下移動而形成。邊坡上表面薄層土體下溜。 原因：流動水沖刷邊坡、施工不當引起。 滑坡： 一部分土體在重力作用下沿某一滑動層滑動。 原因：土體穩(wěn)定性不足引起。,35,3 、碎落和崩塌 剝落和碎落： 路塹邊坡風化巖層表面，大氣溫度與濕度交替作用以及雨水沖刷和動力作用之下，表面巖石從坡面上剝落下來，向下滾落。 崩塌： 大塊巖石脫離坡面沿邊坡滾落稱為崩塌。 崩塌：整體巖塊在重力作用下傾倒、崩落。 原因：巖體風化破碎，邊坡較高。 影響：危害較大的病害之一。,36,比較： 崩塌無固定滑動面。 崩塌體各部分相對位置在移動過程中完全打亂。 碎落 滑坡 4、路基沿山坡滑動 原因：山坡較陡； 原地面未清除雜草或人工挖臺階； 坡腳未進行必要的支撐。 5、不良地質(zhì)和水文條件造成路基破壞 不良地質(zhì)條件：泥石流、溶洞等。 較大自然災害：大暴雨地區(qū)。,37,二、路基病害防治 提高路基穩(wěn)定性，防止各種病害產(chǎn)生，采取措施： 1、正確設計路基橫斷面。 2、選擇良好的路基用土填筑路基，必要時對填土作穩(wěn)定處理。 3、采取正確的填筑方法，充分壓實路基，保證達到規(guī)定的壓實度。 4、適當提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進入路基工作區(qū)范圍。 5、正確進行排水設計。 6、必要時設計隔離層隔絕毛細水，設置隔溫層減少路基冰凍深度和水分累積。 7、采取邊坡加固、修筑擋土結(jié)構(gòu)物、土體加固等防護技術措施，以提高其穩(wěn)定性。,38,第六節(jié) 路面材料的力學強度特性,路面材料按形態(tài) 和成型性質(zhì)分為三類： 1、松散顆粒型材料及塊料 密實型 2、瀝青結(jié)合料類 嵌擠型 3、無機結(jié)合料類 穩(wěn)定型 一、力學強度特性 1、抗剪強度： 剪切破壞 ： 路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄總體剛度不足,土基遭受的剪應力過大，路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞 無機結(jié)合料基層層位不合理內(nèi)部剪力過大引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞 面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強度較低高溫條件下瀝青面層,39,按摩爾(MohrCoulumb)強度理論，材料的抗剪強度包括摩擦阻力和粘結(jié)力兩部分組成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正應力成正比；粘結(jié)力為材料固有性質(zhì)，與法向正應力無關：,40,41,2、抗拉強度： 瀝青路面、水泥混凝土路面及各種半剛性基層在氣溫急驟下降時產(chǎn)生收縮，水泥混凝土路面和各種半剛性基層在大氣濕度變化時，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當材料的抗拉強度不足以抵抗上述拉應力時，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生拉伸斷裂。 抗拉強度主要由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供 試驗 ： 直接拉伸試驗圓柱型試件、變形傳感器、應力應變值。 間接拉伸試驗（劈裂試驗）圓柱型試件、壓條、試件開裂破壞。 水泥混凝土劈裂抗拉強度采用邊長150mm的立方體試件。,42,43,3 、抗彎拉強度 水泥混凝土、瀝青混合料及半剛性路面材料修筑的結(jié)構(gòu)層。車輛的荷載作用下處于受彎曲工作狀態(tài)，產(chǎn)生彎拉應力，當該應力超過材料的抗彎拉強度時，材料會產(chǎn)生彎拉斷裂。 試驗：簡支小梁試驗 三分點加載,44,4、應力應變特性： 用于基層和底基層的碎礫石材料無法作成試件，但可由三軸試驗可得到應力應變的非線性。,通常，密實度越高，模量值越大；顆粒棱角多，模量高；細料含量不多時，含水量的影響很小。,、水泥混凝土、無機結(jié)合料處治的混合料。 采用規(guī)則試件進行測定：三軸試驗、單軸試驗、小梁試驗。,45,水泥混凝土混合料抗壓強度和抗壓彈性模量測定用的單軸試驗取150mm150mm300mm的直角棱柱體試件。先測定抗壓強度，然后取同樣的試件施加40%的抗壓強度用于測定抗壓回彈模量。用傳感器或千分表記錄軸向壓縮變形量。,46,、瀝青混合料 ：低溫（單軸或小梁試驗） 高溫（溫度敏感性強用三軸壓縮試驗）,47,應力應變特性：隨溫度和加載時間變化的粘彈性體，用勁度模量來表示。 瀝青混合料勁度模量是在給定溫度和加載條件下的應力應變的關系參數(shù)。 試驗表明：加載時間短或溫度較低時（材料處于彈性狀態(tài)） 中間過程（彈粘性狀態(tài)） 加載時間很長或溫度較高時（粘滯性狀態(tài)）,48,第七節(jié) 路面材料的累積變形與疲勞特性,路面結(jié)構(gòu)在荷載應力重復作用下，可能出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)有二類： 第一類，若路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，則重復荷載作用將引起塑性變形的累積，當累積變形超出一定限度時，路面使用功能