路基路面工程-行車(chē)荷載溫度環(huán)境及材料力學(xué)性質(zhì).ppt

1,第二章 行車(chē)荷載、環(huán)境因素、材料力學(xué)性質(zhì),2,路面設(shè)計(jì)中，以軸重作為荷載標(biāo)準(zhǔn)，重型貨車(chē)與大客車(chē)起決定作用。評(píng)定路面表面特征時(shí)，如路面的平整度、防滑性，應(yīng)考慮小客車(chē)的安全性和可靠性。,第一節(jié) 行車(chē)荷載（vehicle-load）,3,一、 車(chē)輛的種類(lèi)（vehicle types),4,軸重是路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 整車(chē)客貨車(chē)：1、前軸：兩個(gè)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(lèi)型。 大部分為雙軸雙輪。,據(jù)國(guó)際道路聯(lián)合會(huì)1989年公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在141個(gè)成員國(guó)和地區(qū)中，軸限最大的為140KN，近40%執(zhí)行100KN軸限，我國(guó)公路與城市道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范中均以100KN作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重。通常認(rèn)為我國(guó)的道路車(chē)輛軸限為100KN。,二、汽車(chē)的軸型、軸載。,5,三、汽車(chē)對(duì)道路的靜力作用。 1、定義： 靜止?fàn)顟B(tài)的汽車(chē)對(duì)道路的作用，稱(chēng)為靜力作用，其大小主要取決于車(chē)輪總重。 2、影響因素： 1）汽車(chē)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(shè)計(jì)中，以圓形表示。,6,雙輪組車(chē)軸： 每一側(cè)雙輪用一個(gè)圓表示，稱(chēng)為單圓荷載。 每一側(cè)雙輪用兩個(gè)圓表示，稱(chēng)為雙圓荷載。,雙圓當(dāng)量圓直徑,單圓當(dāng)量圓直徑,P作用在車(chē)輪 上的荷載,KN；p 輪胎接觸壓力,kPa; -接觸面當(dāng)量圓半徑,m.,標(biāo)準(zhǔn)軸載設(shè)計(jì)參考： 標(biāo)準(zhǔn)軸載：BZZ-100雙輪組單軸載。 標(biāo)準(zhǔn)軸載 P（KN）100/4 輪胎接地壓強(qiáng) p(MPa)0.70 單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d 21.30cm 兩輪當(dāng)量圓直徑D 1.5d(30.2),8,四、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)道路的動(dòng)力作用。 因?yàn)槁访娌黄秸?chē)身震動(dòng)，車(chē)輪實(shí)際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動(dòng)，輪載成動(dòng)態(tài)波動(dòng)。,當(dāng)行駛車(chē)輛啟動(dòng)、加速、勻速、減速、轉(zhuǎn)向時(shí)，受力不同,運(yùn)動(dòng)車(chē)輛對(duì)路面有著垂直壓力、水平力、振動(dòng)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(qiáng)度。 路面與車(chē)輪的附著系數(shù)：與車(chē)輪的垂直壓力P綜合作用，決定車(chē)輪施加于路面上的水平力。P32 振動(dòng)力： 輪載的變異系數(shù)：車(chē)輛行駛過(guò)程中，輪載的波動(dòng)程度，與行車(chē)速度、路面平整度、車(chē)輛振動(dòng)特性相關(guān)。 振動(dòng)輪載沖擊系數(shù)：振動(dòng)輪載最大峰值與靜載之比。 行車(chē)荷載的重復(fù)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(shí)間間隔內(nèi)各類(lèi)車(chē)輛通過(guò)某一道路橫斷面的數(shù)量。對(duì)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要求收集交通總量，還必須區(qū)分不同的車(chē)型。 N1初始年平均日交通量； Ni每日實(shí)際交通量； r交通量年均增長(zhǎng)率（表2-3）； Ne設(shè)計(jì)年限內(nèi)累積交通量,11,2、軸載的組成與等效換算： 標(biāo)準(zhǔn)：雙輪組單軸載100KN作為標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(zhǎng)很快，重車(chē)增長(zhǎng)多，貨車(chē)超載現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)考慮重車(chē)對(duì)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(chē)對(duì)路面的疲勞損傷減小。本次修訂取消了60KN的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一采用100KN的標(biāo)準(zhǔn)。,12,1)當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉作為指標(biāo)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)。 凡軸載大于25KN的各級(jí)軸載（包括車(chē)輛的前、后車(chē)輛）p1的作用次數(shù)n1，用下面的公式換算成標(biāo)準(zhǔn)荷載p的軸載當(dāng)量作用次數(shù) 式中：N標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次/日； ni被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/日； P標(biāo)準(zhǔn)軸載，KN； Pi被換算車(chē)輛的各級(jí)軸載，KN； k被換算車(chē)輛的類(lèi)型數(shù)； C1軸載系數(shù)， C1=1+1.2（m-1),m是軸數(shù)。當(dāng)軸間距大于3米時(shí)，按單獨(dú)的一個(gè)軸載計(jì)算，當(dāng)間距小于3米時(shí)，應(yīng)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(dāng)進(jìn)行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，凡軸載大于50KN的各級(jí)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(chē)輛在道路上行駛時(shí)候，車(chē)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(chē)道橫斷面上，稱(chēng)為車(chē)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(chē)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(chē)輪作用次數(shù)除以車(chē)道上受到的作用次數(shù)作為該條帶的頻率。 由圖2-7可見(jiàn)，對(duì)于單向行車(chē)的一個(gè)車(chē)道上，由于行車(chē)的渠化，頻率曲線出現(xiàn)二個(gè)峰值，達(dá)到30%左右，而車(chē)道邊緣處頻率很低。 由圖2-8可見(jiàn)，混合行駛的雙車(chē)道，車(chē)輛集中在雙車(chē)道中央，頻率曲線出現(xiàn)一個(gè)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(shè)計(jì)中，用橫向分布系數(shù)來(lái)反映輪跡橫向分布頻率的影響。通常取寬度為二個(gè)條帶的寬度，即50cm，因?yàn)殡p輪組每個(gè)輪寬20cm，輪隙寬10cm。這時(shí)的二個(gè)條帶頻率之和稱(chēng)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(yīng)力濕度應(yīng)力變化 體積變化脹縮應(yīng)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(shí)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(guò)外部和內(nèi)部影響因素之間聯(lián)系來(lái)預(yù)估。 方法1： 統(tǒng)計(jì)方法 路面結(jié)構(gòu)層不同深處埋設(shè)測(cè)溫元件連續(xù)觀測(cè)，收集當(dāng)?shù)貧庀筚Y料（氣溫、輻射熱），對(duì)記錄的路面溫度和氣象因素進(jìn)行逐年回歸分析。,Tmax 路面某一深度處的最高溫度，； Ta.max相應(yīng)的日最高氣溫， ； Q相應(yīng)的太陽(yáng)日輻射熱，J/； a.b.c回歸常數(shù)。,特點(diǎn)：不包含所有復(fù)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(yīng)用熱傳導(dǎo)理論方程式推導(dǎo)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(yù)估方程。 特點(diǎn)：參數(shù)確定難度大，理論假設(shè)理想化，結(jié)果與實(shí)測(cè)有一定的誤差。 溫度對(duì)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(xué)強(qiáng)度特征,21,22,（一）行車(chē)荷載和自重是作用在路基的兩種主要外力，對(duì)于路基都按照豎直荷載考慮 （二）行車(chē)荷載產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)于路基的擾動(dòng)影響隨深度降低；自重應(yīng)力隨深度變大 （三）附加應(yīng)力作用是瞬時(shí)的，自重應(yīng)力作用是永久的 （四）行車(chē)荷載或車(chē)輪荷載可變，對(duì)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(yīng)力為自重應(yīng)力的1/101/5左右。,一、路基受力狀況,23,p車(chē)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(yīng)力作用點(diǎn)深度。 土的容重。,Z車(chē)輪荷載引起的附加應(yīng)力（1-1-2）,B路基自重應(yīng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)保持路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性極為重要，所以對(duì)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(shí)程度和含水量都做相對(duì)下層更加嚴(yán)格的限制,24,二、路基土的應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度和剛度重要方面。,壓入承載板試驗(yàn),三軸壓縮試驗(yàn),土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,25,三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土抗剪強(qiáng)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?chē)鷫毫ο到y(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)等組成。 常規(guī)試驗(yàn)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(gè)方向受到周?chē)鷫毫?，并使液壓在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持不變，這時(shí)試件內(nèi)各向的三個(gè)主應(yīng)力都相等，因此不發(fā)生剪應(yīng)力。然后再通過(guò)傳力桿對(duì)試件施加豎向壓力，這樣，豎向主應(yīng)力就大于水平向主應(yīng)力，當(dāng)水平向主應(yīng)力保持不變，而豎向主應(yīng)力逐漸增大時(shí)，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(gè)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(yīng)力值為零應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率 2、切線模量 某一應(yīng)力處應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率，反映該應(yīng)力處變化 3、割線模量 某一應(yīng)力對(duì)應(yīng)點(diǎn)與起點(diǎn)相連割線模量，反應(yīng)該范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變平均狀態(tài) 4、 回彈模量 應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的割線模量 總結(jié)：前三種應(yīng)變包含回彈應(yīng)變和殘余應(yīng)變 回彈模量則僅包含回彈應(yīng)變，部分反映了土的彈性性質(zhì)。,三、重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響,車(chē)輪荷載重復(fù)作用彈性變形消失、塑性變形積累 （1）路基壓實(shí)； （2）土體破壞。 取決于： （1）土的性質(zhì)、狀態(tài)； （2）重復(fù)載荷大??； （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(qiáng)為p，半徑為，利用集中荷載公式，通過(guò)積分建立距荷載中心點(diǎn)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(guān)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(qiáng)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(yīng)用于實(shí)際中測(cè)定土基回彈模量，采用類(lèi)似逐級(jí)加載的方法，對(duì) 其試驗(yàn)曲線進(jìn)行直線回歸后用如下公式計(jì)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(yīng)模量,形式簡(jiǎn)單，任一點(diǎn)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(shí)的測(cè)試材料和標(biāo)準(zhǔn)碎石的單位壓力，kpa.,適用于CBR經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)法，或用于對(duì)土或其他筑路材料以及土基本身進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)?？梢耘c彈性模量建立相關(guān)性很好的換算關(guān)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(biāo)準(zhǔn)壓頭，以0.127cm/min壓入土體，記錄每壓入0.254cm時(shí)的單位壓力，直至深度達(dá)到1.27cm為止。,32,一、 路基的主要變形破壞 荷載因素：自重、行車(chē)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(fù)溫度）、風(fēng)蝕作用。 變形：彈性的、殘留的（不能恢復(fù)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(dāng) 2）填筑方法不合理 ： 不同土混雜； 未分層填筑、壓實(shí)； 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(jiàn)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(dòng)而形成。邊坡上表面薄層土體下溜。 原因：流動(dòng)水沖刷邊坡、施工不當(dāng)引起。 滑坡： 一部分土體在重力作用下沿某一滑動(dòng)層滑動(dòng)。 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(fēng)化巖層表面，大氣溫度與濕度交替作用以及雨水沖刷和動(dòng)力作用之下，表面巖石從坡面上剝落下來(lái)，向下滾落。 崩塌： 大塊巖石脫離坡面沿邊坡滾落稱(chēng)為崩塌。 崩塌：整體巖塊在重力作用下傾倒、崩落。 原因：巖體風(fēng)化破碎，邊坡較高。 影響：危害較大的病害之一。,36,比較： 崩塌無(wú)固定滑動(dòng)面。 崩塌體各部分相對(duì)位置在移動(dòng)過(guò)程中完全打亂。 碎落 滑坡 4、路基沿山坡滑動(dòng) 原因：山坡較陡； 原地面未清除雜草或人工挖臺(tái)階； 坡腳未進(jìn)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(zāi)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(shè)計(jì)路基橫斷面。 2、選擇良好的路基用土填筑路基，必要時(shí)對(duì)填土作穩(wěn)定處理。 3、采取正確的填筑方法，充分壓實(shí)路基，保證達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度。 4、適當(dāng)提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進(jìn)入路基工作區(qū)范圍。 5、正確進(jìn)行排水設(shè)計(jì)。 6、必要時(shí)設(shè)計(jì)隔離層隔絕毛細(xì)水，設(shè)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(hù)技術(shù)措施，以提高其穩(wěn)定性。,38,第六節(jié) 路面材料的力學(xué)強(qiáng)度特性,路面材料按形態(tài) 和成型性質(zhì)分為三類(lèi)： 1、松散顆粒型材料及塊料 密實(shí)型 2、瀝青結(jié)合料類(lèi) 嵌擠型 3、無(wú)機(jī)結(jié)合料類(lèi) 穩(wěn)定型 一、力學(xué)強(qiáng)度特性 1、抗剪強(qiáng)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(yīng)力過(guò)大，路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞 無(wú)機(jī)結(jié)合料基層層位不合理內(nèi)部剪力過(guò)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(qiáng)度較低高溫條件下瀝青面層,39,按摩爾(MohrCoulumb)強(qiáng)度理論，材料的抗剪強(qiáng)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(yīng)力成正比；粘結(jié)力為材料固有性質(zhì)，與法向正應(yīng)力無(wú)關(guān)：,40,41,2、抗拉強(qiáng)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(shí)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(shí)，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時(shí)，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當(dāng)材料的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗上述拉應(yīng)力時(shí)，路面結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生拉伸斷裂。 抗拉強(qiáng)度主要由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力提供 試驗(yàn) ： 直接拉伸試驗(yàn)圓柱型試件、變形傳感器、應(yīng)力應(yīng)變值。 間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）圓柱型試件、壓條、試件開(kāi)裂破壞。 水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度采用邊長(zhǎng)150mm的立方體試件。,42,43,3 、抗彎拉強(qiáng)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(chē)輛的荷載作用下處于受彎曲工作狀態(tài)，產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)材料的抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生彎拉斷裂。 試驗(yàn)：簡(jiǎn)支小梁試驗(yàn) 三分點(diǎn)加載,44,4、應(yīng)力應(yīng)變特性： 用于基層和底基層的碎礫石材料無(wú)法作成試件，但可由三軸試驗(yàn)可得到應(yīng)力應(yīng)變的非線性。,通常，密實(shí)度越高，模量值越大；顆粒棱角多，模量高；細(xì)料含量不多時(shí)，含水量的影響很小。,、水泥混凝土、無(wú)機(jī)結(jié)合料處治的混合料。 采用規(guī)則試件進(jìn)行測(cè)定：三軸試驗(yàn)、單軸試驗(yàn)、小梁試驗(yàn)。,45,水泥混凝土混合料抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量測(cè)定用的單軸試驗(yàn)取150mm150mm300mm的直角棱柱體試件。先測(cè)定抗壓強(qiáng)度，然后取同樣的試件施加40%的抗壓強(qiáng)度用于測(cè)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(yàn)） 高溫（溫度敏感性強(qiáng)用三軸壓縮試驗(yàn)）,47,應(yīng)力應(yīng)變特性：隨溫度和加載時(shí)間變化的粘彈性體，用勁度模量來(lái)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(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系參數(shù)。 試驗(yàn)表明：加載時(shí)間短或溫度較低時(shí)（材料處于彈性狀態(tài)） 中間過(guò)程（彈粘性狀態(tài)） 加載時(shí)間很長(zhǎng)或溫度較高時(shí)（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(yīng)力重復(fù)作用下，可能出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)有二類(lèi)： 第一類(lèi)，若路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，則重復(fù)荷載作用將引起塑性變形的累積，當(dāng)累積變形超出一定限度時(shí)，路面使用功能