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第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质
　　　　　　　　发表日期：2008-6-10
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§2-1 行车荷载 
一、车辆的种类
    分为客车与货车两大类。
    客车：小客车、中客车与大客车。
    货车：整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。
    路面结构设计——轴重作为荷载标准。
二、车辆的轴型
    我国公路与城市道路路面设计规范中以100kN作为设计标准轴重。
三、汽车对道路的静态压力
  1.汽车处于停驻状态下——静态压力。
    垂直压力P：与汽车轮胎的内压力Pi、轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状、轮载的大小等有关。
    轮胎与路面接触面上的压力p<内压力Pi，约为(0.8～0.9)Pi。
  2. 接触压力
    直接取内压力作为接触压力，并假定在接触面上压力是均匀分布的。
  3.轮胎与路面的接触面形状
    近似于椭圆形，在工程设计中采用圆形接触面积。
  4.当量的圆
    将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为接触压力p，轮胎与路面接触圆的半径可以按式(2.1)确定。
               （2.1）
    单圆荷载：对于双轮组车轴，每一侧的双轮用一个圆表示；
    双圆荷载：每一侧的双轮用两个圆表示。
  5. 标准轴载
    我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ—100的P=100/4kN，p=700kPa：
    d100=0.213m， D100=0.302m
四、运动车辆对道路的动态影响 
    运动状态的汽车：垂直静压力、水平力、振动力。
    动力影响还有瞬时性的特征。
  1.水平力
    车轮施加于路面的各种水平力Q值与车轮的垂直压力P，以及路面与车轮之间的附着系数φ有关，其最大值Qmax不会超过P与φ的乘积，即：
               Qmax≤Pφ (2.2)
  2. 动载特性
    其变异系数：
  (1)行车速度：车速越高，变异系数越大；
  (2)路面的平整度：平整度越差，变异系数越大；
  (3)车辆的振动特性：轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。
    冲击系数：振动轮载的最大峰值与静载之比。
  3. 瞬时性
    0.1～0.01s左右。
五、交通分析
  1.交通量
    交通量是指一定时间间隔内通过道路某一断面的车辆总数。
  2.交通量预测
    在路面结构设计中，通过调查分析确定初始年平均日交通量N1，设计年限内累计交通量Ne可以按式（2.3）预估：
           (2.3)
  3.标准轴载等效换算
    汽车的轴载与通行次数可以按照等效原则换算成标准轴载的作用次数。
    我国沥青路面和水泥混凝土路面规范均以单轴100kN作为标准轴载，以BZZ-100表示。
    各级轴载等效换算为标准轴载所依据的原则：
    同一种路面结构在不同轴载作用下，要达到相同的疲劳损坏程度。
  4.轴迹横向分布
    轮迹横向分布的图形和峰值：交通的渠化程度，它随许多因素变化，诸如：交通组织类型(不分车道混合交通，划标线分道行驶或设分隔带分道行驶)、车道宽、交通密度、交通组成、车速以及司机的驾驶习惯和经验等。
§2-2环境因素影响
  1.温度变化对路面的影响
  2.温度变化预测
  3.大气湿度
§2-3 土基的力学强度特性
一、路基受力状况
    路基：自重、轮重
    设计：路基受力在路基弹性限度范围内
    轮载引起的垂直应力：
    自重垂直应力：
    路基任意点：
二、路基工作区
    概念：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（1/10-1/5），该深度范围内的路基称为应力工作区。
    工作区内：强度、稳定性重要，压实度提高。
三、路基土的应力——应变特性
    路基土变形：弹性、塑性
    试验：压入承载板试验和三轴压缩试验
    绘应力与回弹变形的关系——非线性
    应力——应变特性：非线性、弹塑性
    模量：初始切线模量、切线模量、割线模量、回弹模量
四、重复荷载对路基土的影响
    塑性变形积累：土的性质、相对荷载、荷载作用的性质
§2-4 土基的承载能力
    土基承载能力：路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。
一、土基回弹模量
    反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。
    测定：圆形承载板。
    柔性压板：土基与压板之间的接触压力为常量。
    刚性压板：压板下土基顶面的挠度为等值。
    承载板直径：车轮的轮印当量圆直径。
二、地基反应模量
    文科勒地基：土基顶面任一点的弯沉仅同该点的垂直压力成正比，而与其他相邻点处的压力无关。
            K=p/l
    承载板试验测定（一次加载到位）。
            KR=1.77K
三、加州承载比
    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，以它们的相对比值表示CBR值。
    19.2cm压头——0.127cm/min——单位0.254cm——1.27cm

   式中： p——对应于某一贯入度的土基单位压力；
          ps——相应贯入度的标准压力。
          CBR试验：室内和室外试验
§2-5 路基的变形、破坏及防治
一、路基的主要病害
  1．路基沉陷
    路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。
    路基的沉陷：
    一是路基本身的压缩沉降；
    二是由于路基下部天然地面承载能力不足，在路基自用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。
  2．边坡滑塌
    路基边坡滑塌分为溜方与滑坡两种情况。
  1)溜方：由于少量土体沿土质边坡向下移动所形成。
    主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的。
  2)滑坡：一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动。
    滑坡主要是由于土体的稳定性不足所引起的。
  3)碎落和崩塌：路堑边坡风化岩层表面从坡面上剥落。
  4)路基沿山坡滑动：整个路基沿倾斜的原地面向下滑动。
  5)不良地质和水文条件造成的路基破坏
二、路基病害防治
  1．正确设计路基横断面。
  2．选择良好的路基用土填筑路基。
  3．采取正确的填筑方法，保证达到规定的压实度。
  4．适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入路基工作区范围。
  5．正确进行排水设计。
  6．必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积，砂垫层以疏干土基。
  7．采取边坡加固、修筑挡土结构物、上体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。
§2-6 路面材料的力学强度特性
    路面所用的材料，按其不同的形态及成型性质大致可分为三类：松散颗粒型材料及块料； 沥青结合料类； 无机结合料类。
一、抗剪强度
    材料的抗剪强度由摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力与作用在剪切面上的法向正应力成正比。
    沥青混合料：矿质颗粒之间的摩擦阻力，粒料与沥青的粘结力以及沥青膜之间的粘滞阻力共同形成抗剪强度。
    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。
    混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。沥青含量越多，φ值下降越多，而集料级配良好，富有棱角时，有助于提高摩阻角。
二、抗拉强度
    沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温急骤下降时产生收缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。
    路面材料的抗拉强度：混合料中结合料的粘结力所提供，
    采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力一应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。
    直接拉伸试验：混合料制成圆柱形试件。
    间接拉伸试验：劈裂试验。
    沥青混合料在常温条件下，试验温度增加，抗拉强度减小；在负温条件下，温度降低，抗拉强度增大。
三、抗弯拉强度
    用水泥混凝土，沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。由车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，路面会产生弯曲断裂。
    路面材料的抗弯拉强度，通过简支小梁试验评定。
四、应力——应变特性
  1.碎、砾石材料
  1)由三轴压缩试验所得到的应力—应变关系曲线
    应力—应变特性具有明显的非线性特征。
    碎、砾石材料的回弹模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关。
    密实度越高，模量值越大；颗粒棱角多，模量高。
  2.水泥混凝土和无机结合料混合料
    采用单轴、三轴压缩小梁试验方法。
  3.混合料中的沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘一弹性性状—沥青混合料在荷载作用之下的应变具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。
    当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，处于弹性状态并兼有弹粘性性质。
    当沥青混合料受力较大，且力的作用时间较长时，应力——应变关系呈现出弹性，弹——粘性和弹——粘——塑性等不同性状。
    应力——应变特性关系：劲度模量St,T表征。
    沥青混合料的劲度模量实质上就是在特定温度与特定加荷时间条件下的常量参数。
    沥青混合料的劲度模量可以根据当地自然和交通条件，选择恰当的试验温度和加荷时间，用单轴压缩，三轴压缩或小梁试验方法进行测定。
§2-7 路面材料的累积变形与疲劳特性
    路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏圾限状态有二类：
  1.弹塑性工作状态——塑性变形的累积——破坏极限状态；
  2.弹性工作状态——结构内部将产生微量损伤——疲劳断裂——破坏极限状态。
    水泥混凝土路面——弹性工作状态——出现疲劳破坏；
    沥青路面在低温环境中——弹性工作状态——出现疲劳破坏，
    在高温环境中——弹塑性工作状态——出现累积变形。
    在季节性温差很大的地区，沥青路面兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。
    无机结合料处治的半刚性路面材料——弹性状态——疲劳破坏；
    粘土为结合料的碎、砾石路面——弹塑性状态——塑性变形的累积。 
一、累积变形
  1.碎、砾石混合料
    碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。
    级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很多次以后，塑性变形仍有增大趋势。
    含有细粒过多的混合料，由于混合料密实度降低，变形累积过大，因此均不宜用于修筑路面。
  2.沥青混合料
    重复应力作用下变形累积：单轴压缩试验或重复作用三轴压缩试验来进行。
    影响累积变形的因素，除了温度、应力大小以及加荷时间之外，同集料的状况也有关系。
二、疲劳特性
    疲劳破坏：路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终导致破坏。
    疲劳寿命：导致材料最终破坏的荷载作用次数。
    路面材料的疲劳特性：与荷载应力（应变）、荷载作用次数有很大关系。
  1．水泥混凝土及无机结合料处治的混合料
    小梁试件施加重复应力。
    通常用不同应力水平达到破坏时的荷载反复作用次数所绘成的散点图来说明。
    重复弯拉应力与极限弯拉应力值之比称为应力比。
    绘制应力比与重复作用次数的关系曲线，称为疲劳曲线。
    无机结合料处治的混合料其疲劳特性同水泥混凝土相类似，但疲劳极限明显比水泥混凝土低。
  2.沥青混合料
    沥青混合料疲劳特性的室内试验：
    小梁试件，进行反复弯曲疲劳试验，
    圆柱形试件进行间接拉伸疲劳试验。
    两种试验方法：控制应力和控制应变试验。
    控制应变所得到的材料疲劳寿命比控制应力所得到的结果的大得多。
  3.Miner定律
    各级荷载作用下材料的疲劳损坏叠加。
    疲劳破坏是路面结构损伤的主要现象，路面材料的抗疲劳性能直接关系到路面的使用寿命。
    提高路面的抗疲劳性能：合理的材料设计和结构设计。
    影响沥青混合料疲劳特性的因素：沥青混合料的密实度、劲度、沥青含量、集料特性、温度及加载速度等。