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第二章 行车荷载、环境因素、 材料的力学特性

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第二章 行车荷载、环境因素、 行车荷载、环境因素、 材料的力学特性第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 行车荷载 环境因素影响 土基的力学强度特性 土基的承载能力 路基的变形破坏及防治 路面材料的力学强度特性 路面材料的累积变形及疲劳特性《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》

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第一节 行车荷载研究行车荷载的原因：1.汽车是路基路面的服务对象。路基路面的主要功 1.汽车是路基路面的服务对象。路基路面的主要功 能是保证车辆快速、安全、舒适、经济通行。 2.汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。 2.汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。 要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行 分析。《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》

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行车荷载的主要研究内容：汽车的轮重与轴重； 不同车型的车轴布置； 设计期限内，汽车的轴型分布及汽车年通过量 的逐年变化； 汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。

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一、车辆的种类道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 客车：小客车、中客车、大客车； 客车：小客车、中客车、大客车； 货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。 货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构 汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构 设计主要以轴重作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合 设计主要以轴重作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合 中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要 对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要 对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要 求。 《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》

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二、汽车的轴型轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度， 各个国家均对轴重的最大限度有明确的规定。我国公路与城 市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。目前我国公路是 市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。目前我国公路是 行使的车辆，后轴轴载一般在60~130kN范围内。 行使的车辆，后轴轴载一般在60~130kN范围内。 汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有增加趋势， 超载运输问题在我国日益突出。多轴多轮化发展。 对超载的定义：2000年2月，交通部《超限运输车辆行驶公 超载的定义：2000年 月，交通部《 路管理条例》规定：“单轴

(每侧单轮胎)载质量6000kg, 路管理条例》规定：“单轴(每侧单轮胎)载质量6000kg, 单轴(每侧双轮胎)载质量10000kg,双联轴(每侧双轮胎) 单轴(每侧双轮胎)载质量10000kg,双联轴(每侧双轮胎) 载质量18000kg。 载质量18000kg。”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不 得超过13000kg。 得超过13000kg。 《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》

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三、汽车对道路的静态压力静态压力P 静态压力P的影响因素： 1.汽车轮胎内压； 1.汽车轮胎内压； 2.轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态； 2.轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态； 3.轮载的大小。 3.轮载的大小。

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四、运动车辆对道路的动态影响1.水平力对路面造成的影响： 1.水平力对路面造成的影响： 水平力对路面造成的影响 面层材料抗剪强度不足时，在水平荷载作用下，会产 生推移、拥包、波浪、车辙等破坏。 2.轮载的动态(振动) 2.轮载的动态 振动) 轮载的动态( 轮载动态变化的影响因素：车速、路面平整度、车辆 的振动特性。 冲击系数：振动轮载的最大值与静载的比值。 3. 轮载作用的瞬时性 车轮通过路面的时间约为0.01~0.1s左右，当应力出 车轮通过路面的时间约为0.01~0.1s左右，当应力出 现的时间很短时，来不及传递分布，其变形特性不能像静 载作用那样完整表现出来。 4.车辆荷载作用的重复性 4.车辆荷载作用的重复性 路面材料产生疲劳破环的主要原因

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五、交通分析1.交通量及其增长率 1.交通量及其增长率 ①交通量：指一定时间间隔内，各种车辆通过某一道路断面的数量； ②年平均日交通量，考虑月分布不均匀系数、日分布不均匀系数等； ③交通量年平均增长率； ④设计年限内的累计交通量。 2.轴载组成与轴载换算 2.轴载组成与轴载换算 轴载换算：道路是行驶的车辆轴载与通行次数可以按照等效原则换算为 某一标准轴载的当量通行次数。我国的标准轴载为BZZ-100。 某一标准轴载的当量通行次数。我国的标准轴载为BZZ-100。 轴载等效换算的原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损 伤程度。 3.轮迹横向分布 3.轮迹横向分布 由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而总的轴载通行次数既不会集中 在横断面上某一固定位置，也不回平均分配到每一点上，而是按一定规 在车道横断面上。 轮迹律分布横向分布频率的影响因素：交通量、交通组成、车道宽度、 交通管理规则等。

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第二节一、温度的影响作用

环境影响因素

1.影响机理 1.影响机理 路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的 温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩。 温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩。 由于温度和湿度在路基路面结构内部的变化沿深度方 向是不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不同的。 向是不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不同的。 当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时， 当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时 ， 路基路面结构内部就会产生附加应力， 路基路面结构内部就会产生附加应力，即温度应力和湿度应 力，进而对路基路面产生破坏。 进而对路基路面产生破坏。 2.影响温度变化的因素 2.影响温度变化的因素 内部：路面各结构层材料的热物理参数，如热传导率、 热容量、对辐射热的吸收能力等； 外部：主要是气象条件：如太阳辐射、气温、风速、降 水、蒸发量等。 《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》

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二、湿度的影响作用1.对路基的影响 1.对路基的影响 冻胀翻浆(与温度作用共同进行) 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性 2.做好路基路面排水的重要性 2.做好路基路面排水的重要性

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第三节

土基的力学强度特性

一、路基的受力状况路基承受路基自重和汽车荷载。 在路基上部靠近路面结构的一定深度内， 在路基上部靠近路面结构的一定深度内 ， 路基土主要承受车辆荷载的影 响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性限度以内，当车辆驶过后，路基 能立即恢复原状，以保证路基的相对稳定，路面不致引起破坏。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力σz的近似计算：

σz =P:一侧轮重荷载(kN); :一侧轮重荷载(kN); K:系数，一般取0.5; K:系数，一般取0.5; Z:荷载中心下应力作用点的深度(m)。 :荷载中心下应力作用点的深度(m 路基土本身自重在路基内深度为Z 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直应力σB :

σB =γZγ:土的容重(kN/m3); :土的容重(kN/m3); Z:应力作用点深度(m)。 Z:应力作用点深度(m 路基内任一点垂直应力包括由车轮引起σz的和由土基自重引起的σB两者共同 作用。

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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σz与路基土自 概念：在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力σ 重 引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为1/10~1/5时，该深 引起的垂直应力σ 相比所占比例很小，仅为1/10~1/5时，该深 度Zα范围内的路

基称为路基工作区。 在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和车轮荷载影响较大，在 工作区范围以外的路基，影响逐渐减小。 路基工作区深度的确定： n= 得到：

σΒ σΖ

= ΚΡ 2Ζ3

γΖ

Zα= Zα=

Κ Ρ

γ

路基工作区内，土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性 极为重要，对工作区范围内的土质选择、路基的压实度应提出较高的 要求。

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三、路基土的应力-应变特性 路基土的应力-路基土的变形包括弹性变形和塑性变形，过大的塑性变形导致沥青路面 出现车辙和纵向不平整，会导致水泥混凝土路面板的断裂。在柔性路面 结构中，土基的变形占很大部分。 土基土的组成包括固相、液相和气相三部分(三相体)。路基土在应力 作用下呈现的变形特性同理想的线弹性体有很大区别。 土基的应力应变关系除了出现非线性特性以外，还表现出塑性性质。即 当荷载完全卸除时，变形不会全部恢复。(残余变形或塑性变形) 路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关系， 而且与荷载作用持续的时间有关系。加载初期，变形量随荷载持续时间 的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。表现出流变特性，主要与塑性应变 有关。

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四、重复荷载对路基土的影响重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积。 一是土体逐渐被压密，每次的塑性变形量逐渐 减小，直至最后稳定，这种不会导致土体产生剪切 破坏； 二是每一次加载作用在土体中产生了逐步发展 的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面， 最后达到破坏。

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第四节

土基的承载能力

路基的承载能力都用一定应力级位下的抗变形 能力来表征，主要参数有E 能力来表征，主要参数有E、K、CBR。 CBR。

一、土基的回弹模量以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土 基在瞬间荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以 应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。以 回弹模量作为表征土基承载能力的参数，可以在弹 性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用。 柔性承载板与刚性承载板 刚性承载板用于土基回弹模量的测试。《路基路面工程》精品课程 路基路面工程》