1、第六章 交通荷載及路面設計參數本章摘要本章主要介紹交通荷載的類型、荷載對路面的作用特點和軸載換算原則與方法，以及路面結構層不同材料（瀝青混合料、無機結合料穩定材料、水泥混凝土材料和級配碎石）的模量、強度和疲勞參數的測定方法。目錄Content6.1交通荷載及其對路面的作用6.2標準軸載及軸載換算6.3路面材料設計參數路面結構及其分類 路面結構及其分類u 2、我國常用的高速公路瀝青路面的結構u 3、水泥混凝土路面u 4、路面的結構層次與材料要求u 5、路面的分類u 1、瀝青路面 柔性基層瀝青路面(Asphalt pavement with flexible base) 半剛性基層瀝青路面(Asp

2、halt pavement with semi-rigid base) 剛性基層瀝青路面(Asphalt pavement with rigid base) 全厚式瀝青路面(Full Depth asphalt pavement)1、瀝青路面(Asphalt Pavement) 高速公路瀝青路面結構2、我國常用的高速公路瀝青路面的結構3、水泥混凝土路面 普通混凝土（JPCPJPCP） 鋼筋混凝土（JRCPJRCP） 連續配筋混凝土（CRCPCRCP） 鋼纖維混凝土 預應力混凝土、裝配式混凝土、碾壓混凝土4、路面的結構層次與材料要求由于行車荷載、自然因素等對路面的影響隨深度的增加而逐漸減弱，路面

3、的強度、抗變形能力和穩定性也應隨深度而逐漸降低要求，因此，路面的結構應分層鋪筑，分為若干層次結構，并按各結構層次的特定狀況進行相應的材料要求。4、路面的結構層次與材料要求路面結構按照使用要求、受力狀況、土基支承條件和自然因素影響程度的不同分成若干層次，通常按照各個層位功能的不同劃分為面層、基層和路基三個層次，其中基層包括底基層在內。4、路面的結構層次與材料要求面層： 直接同行車荷載、大氣接觸，承受較大的行車荷載作用（包括沖擊），同時受到降水、氣溫等的影響。特點：與其它層次相比，它應具有較高的結構強度、抗變形能力，較好的水穩定性和溫度穩定性，而且應耐磨、不透水、抗滑、平整（另外還應能適應基層開裂

4、對其影響）。材料的使用應能適應此功能要求。材料：水泥混凝土、瀝青混凝土、瀝青碎石、泥灰結石、塊料等材料。4、路面的結構層次與材料要求基層：主要承受由面層傳來的車輛荷載垂直力并將其擴散到下面的墊層及土基，是路面結構的主要承重層（對于瀝青路面）或重要功能層（對于水泥砼路面）。特點：它應具有足夠的強度與剛度，并應具有良好的擴散應力的能力；基層受大氣影響較面層小，但仍可能被面層滲入雨水浸濕或地下水影響，也可受溫度影響變形，因此仍應具有足夠的水溫穩定性；同時，為保證面層平整，它還應具有較好的平整度。材料：材料主要有各種結合料穩定土或穩定碎石、貧水泥砼、天然砂礫、碎石/ /塊石/ /片石/ /礫石、工業廢

5、渣結合混合料等。當用不同材料修筑基層時，最下層的統一材料層稱為底基層，它可就近使用當地的材料或土。4、路面的結構層次與材料要求路基墊層：墊層介于基層和土基之間，它可改善土基的濕度和溫度狀況、使面層與基層免受土基水溫狀況變化的不良影響或保護土基處于穩定狀態；同時，也可擴散基層傳遞的荷載應力，減小土基的應力與變形，并可阻止路基土擠入基層。一般墊層修于特定狀況道路工程結構中，如防砂土基礎擠入基層、軟土地基擴散應力、凍土保溫隔溫等。材料：材料主要有松散粒料類透水層或穩定土等穩定隔離層。4、路面的結構層次與材料要求路面類型可從不同角度來進行劃分，一般常按照面層所用的材料來進行區分，如水泥混凝土路面、瀝青

6、路面、砂石路面等等。但在工程設計中，則主要從路面結構的力學特性和設計方法的相似性出發，將路面劃分為柔性路面、剛性路面和半剛性路面三類。5、路面的分類柔性路面總體結構剛度較小，荷載作用下的彎沉變形較大，抗彎拉強度較低，傳遞給土基的單位壓力也較大，它主要包括各種未經處理的粒料基層和各類瀝青面層、碎（礫）石面層或塊石面層組成的路面結構。剛性路面主要指用水泥混凝土作面層或基層的路面結構，其強度高、彈性模量高、處于板體工作狀態，傳遞給基礎的單位壓力小。半剛性路面通過改善瀝青混凝土性能使其呈半剛性特性，其剛度介于瀝青混凝土和水泥混凝土之間。5、路面的分類 交通荷載及其對路面的作用6.1u 2、車輛的種類與

7、作用特點u 3、軸輪組與軸重u 4、輪壓與壓圓u 5、運動車輛對道路的動態影響u 1、行車荷載及其對路面的影響 汽車荷載既是路基路面的服務對象，又是造成路基路面結構損傷的主要原因； 它是不斷移動著的、具有振動和沖擊影響的動荷載； 汽車荷載的特性包括汽車輪重與軸重的大小與特性、車軸的布置、汽車軸載的時間分布特性、以及汽車靜態與動態荷載的特性比較等不同方面。1、行車荷載及其對路面的影響 道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。 客車又分為小客車、中客車與大客車； 貨車又分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。 汽車及其客貨總重量通過車身傳遞到車軸，再傳遞到車輪，最終由輪胎傳遞到路面，因此，路面結

8、構設計主要以軸重或者輪壓來進行控制。2、車輛的種類與作用特點軸載軸型分布 單軸單輪 單軸雙輪 雙軸單輪 雙軸雙輪 多軸多輪2、車輛的種類與作用特點汽車的軸型2、車輛的種類與作用特點汽車的軸型簡化圖2、車輛的種類與作用特點 整車分前軸和后軸，絕大部分車輛的前軸為兩個單輪組成的單軸（軸載約為P/3），極少數汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為P/2）。大部分貨車后軸由雙輪組組成，有單軸、雙軸和三軸等三種，大部分軸重在100KN以下，一般都在60130KN范圍以內。3、軸輪組與軸重 輪胎對路面的靜態壓力大小與胎內壓相接近，壓面近似為圓形，d由p、P來計算，p可近似取輪胎氣壓。 汽車的輪壓與壓圓4、輪壓與壓

9、圓 荷載圓半徑和直徑 對于雙輪組車軸，可以按雙圓考慮，也可以按單圓對待，其當量圓的直徑計算如下： a)雙圓荷載的當量圓半徑：b)單圓荷載的當量圓直徑D：4、輪壓與壓圓 道路上行駛的汽車除給路面施加垂直靜壓力外，還施加水平力和振動力，對路面固定點而言，這種影響又具有瞬時性和重復性。5、運動車輛對道路的動態影響 1）水平力：行車安全要求qmax p ，其中為路表與車輪的附著系數，它同路面類型與濕度以及行車速度有關。路表層水平力過大易導致推擠、擁包、波浪及車轍等病害。 2）振動力：振動輪載最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數，設計路面時，應以靜輪載乘以沖擊系數作為設計荷載。 3）瞬時作用及重復：路面點的車

10、輪作用時間約為0.010.10s，結構變形來不及呈現，瞬時作用利于結構，但多次重復作用又易使其疲勞。5、運動車輛對道路的動態影響 路表與車輪的附著系數5、運動車輛對道路的動態影響1）交通調查與重復荷載交通量調查與分析：調查內容包括交通總量、車型分布、軸型軸載、實載率等，有的還調查軸載譜：分析主要是確定交通量年平均增長率，并來算獲得設計年限內累計交通量、對路面而言，主要是軸重。軸載組成與軸載換算：不同軸載的作用次數的頻率組成即為軸載譜，各不同軸載應根據某一指標按其對路面結構的損傷作用的等效性換算成其他軸載的作用次數，從而可使用標準軸載來綜合累計。2）輪跡橫向分布總軸載作用按一定規律分布于車道橫斷

11、面的現象稱為輪跡橫向分布，車道綜合累計需考慮。6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析6、交通分析4）車輛荷載的輪跡橫向分布 標準軸載與軸載換算6.2u 2、超載與超限u 3、交通荷載軸載換算和統計計算u 4、標準軸載作用次數的調查與分析u 5、交通荷載分級u 1、標準軸載 作用在路面的設計荷載千變萬化，一般選用一種軸載作為路面結構設計的標準軸載，其他各種軸載按照一定原則換算成標準軸載。 標準軸載 根據實際選定的一種代表車型，中國為單軸雙輪，稱為BZZ-100，軸重100kN。 標準軸載要求 對路面的響應較大、又能反映本國公路運輸運營車輛的總體軸載水平。1、標準軸載Stan

12、dard Axle Load 超載是車輛所裝載貨物超過車輛額定載貨質量。 超限是指被運輸的設備、構件或貨物，其外形尺寸、高度、重量、長度超過了交通部門所規定的范圍，指運輸車輛超過路面結構的容許承載能力。 超載但不超限的車輛對路面的使用壽命有一定的影響，超載且超限的車輛對路面的使用壽命有很大的影響，有的甚至超過路面或橋梁結構的極限承載力，使路面結構出現結構性破壞、使橋梁結構出現整體破壞、產生嚴重的安全事故。2、超載與超限over load and over limit軸載換算的基本原則：等破壞原則：同一種路面結構在不同軸載作用下在使用末期達到相同的損傷程度（破壞狀態）；等厚度原則：用不同標準軸載

13、設計的路面結構厚度相同。 軸載換算系數公式：3、軸載換算 瀝青路面軸載換算公式：3、軸載換算 瀝青路面軸載換算公式：3、軸載換算 水泥混凝土路面軸載換算公式：3、軸載換算初始年平均日交通量N1設計年限內累計交通量設計年限內一個車道內的累計標準軸載作用次數：3、累計軸載作用次數 1）調查方法路面設計的交通量調查與道路可行性研究中的交通量調查方法完全不同，后者主要關心通過某一橫斷面的交通數量，而前者不僅關心交通數量，還重視各類車型的軸載質量。車輛軸載稱量的方法：地磅靜態稱重設備、人工千斤頂稱量、橋涵感應式車輛稱重設備WIM(weigh in motion)技術4、標準軸載作用次數的調查與分析 2）

14、交通量增長率路基設計使用年限內標準軸載的累計作用次數與交通量的增長率有關。4、標準軸載作用次數的調查與分析111ttNN也可通過數值解法獲得t年內的平均增長率：111ttiiNN 1）瀝青路面的交通荷載等級分為四級5、交通荷載等級 2）水泥混凝土路面的交通荷載等級分為五級5、交通荷載等級 路面材料設計參數6.3u 2、瀝青混合料u 3、水泥混凝土材料u 4、級配碎石u 1、無機結合料穩定材料 路面材料主要包括模量和泊松比。路面設計時，某一材料的泊松比為定值 路面材料的模量值是表征材料剛度特性的指標，模量包括形變模量和回彈模量，形變模量中的變形包括回彈變形和塑性變形，而回彈模量中的變形僅考慮材料

15、的回彈變形。 根據加載形式的不同，材料回彈模量又可分為靜態模量和動態模量。概述1.路面材料的幾種強度1）主要材料類型松散顆粒型材料granular瀝青結合類材料asphalt mixture無機結合料類材料inorganic binding material水泥混凝土材料cement concrete由于材料（整體性材料和非整體性材料）的基本性質和成型方式的不同，各種路面結構具有不同的力學強度特性（即應力-應變關系），也使得路面具有不同的使用品質和使用壽命。概述1.路面材料的幾種強度2）抗剪強度shear strength摩爾庫侖強度理論： 其中c和是表征路面材料抗剪強度的兩項參數，可以通過直

16、剪試驗或三軸壓縮試驗測定。概述tanc三軸試驗確定c,1.路面材料的幾種強度3）抗壓強度compressive strength指試樣在無側向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限應力。材料經過標準成型和養生后通過無側限抗壓試驗測定的強度。概述1.路面材料的幾種強度4）抗拉強度tensile strength 氣溫變化會引起路面材料收縮，濕度變化使得半剛性材料干縮，當收縮變形受到約束，即在材料內產生拉應力，材料抗拉強度不足即可引起路面結構拉伸斷裂。 路面材料的抗拉強度主要由混合料中的結合料粘結力提供，可采用直接拉伸或間接拉伸試驗測定材料的抗拉強度。概述1.路面材料的幾種強度5）抗彎拉強度flexibl

17、e strength路面材料的實際工作狀態是彎曲反復變化的，結構層底首先容易出現局部拉裂、產生彎曲斷裂。材料的抗彎拉強度一般采用簡支梁三分點加載進行測定。概述2.路面材料的強度試驗1）抗壓強度試驗一般有大試件、中試件和小試件。小試件指50mm *5 0mm；中試件指 100mm *100mm；大試件指 150 m m* 1 50mm概述2.路面材料的強度試驗2）抗拉強度試驗直接拉伸試驗和間接拉伸試驗概述直接拉伸試驗間接拉伸試驗1-上蓋帽；2-變形傳感器；3-金屬箍；4-下蓋帽；5-試件1-壓條；2-試件2.路面材料的強度試驗3）抗拉強度試驗彎拉試驗概述抗彎拉強度試驗無機結合料穩定材料的無側限抗

18、壓強度試驗按照預定干密度和壓實度用靜力壓實法制備試件，試件高：直徑1：1的圓柱體，養生時間為7天（整個養生期間的溫度，在北方地區應保持202，在南方地區應保持252，養生期的最后一天，將試件浸泡在水中，水面高出試件約2.5cm），側向沒有圍壓時的單軸抗壓強度。試驗計算公式（6-18）平行試驗的數量：細粒土6個試件，中粒土9個試件，粗粒土13個試件無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料的無側限抗壓回彈模量試驗 在養生期的最后一天首先將圓柱形試件的兩個端面用水泥漿徹底抹平。然后將試件直立桌上，在表面撒少量0.25-0.5mm的細砂，將直徑大于試件的平面圓形鋼板放在頂面，加壓旋轉圓鋼板，使頂面齊平。最

19、后將端面已經處理平整的試件浸水一晝夜進行養生。 加載：加載板上的計算單位壓力的選定值：對于無機結合料穩定基層材料，用0.5-0.7MPa；對于無機結合料穩定底基層材料,用0.20.4MPa，實際加載的最大單位壓力應略大于選定值。無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料的劈裂強度試驗（間接抗拉強度） 試件的制作與無限抗壓強度試驗的試件制作相同，只是在試驗時在側向測定試件的最大劈裂強度，計算得到無機結合料穩定材料的劈裂強度。 側向加壓時試件上下端各放置一個壓條（上下壓條與試件的接觸線必須位于試件直徑的兩端，并與升降臺垂直）。壓條采用半徑與試件半徑相同的弧面壓條，其長度應大于試件的高度。（表6-13）

20、形變速率1mm/min，計算公式6-20無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料的劈裂模量試驗 試件成型和加載的要求與無側限抗壓回彈模量試驗相同. 要求在加載過程中，每到一定荷載，就讀記一次形變，在試件破壞前應能記錄67次荷載和相應形變。然后將試件壓至破壞，讀記破壞時的荷載和形變。并繪制單位壓力與形變的關系曲線。無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料疲勞強度的試驗 無機結合料穩定材料的疲勞壽命是通過梁的疲勞試驗確定其疲勞性能。 試驗采用三分點施加正弦波動態周期荷載進行疲勞試驗無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料的設計參數無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料的設計參數無機結合料穩定材料無機結合料穩定材

21、料的設計參數無機結合料穩定材料無機結合料穩定材料抗壓模量和劈裂強度參數無機結合料穩定材料抗壓模量和劈裂強度參數瀝青混凝土的抗壓強度和抗壓回彈模量 瀝青混合料的彎沉計算時抗壓回彈模量的試驗溫度為20、彎拉驗算時抗壓回彈模量的試驗溫度為15、劈裂強度的試驗溫度也為15。 試驗采用圓柱體試件，其直徑為100mm，高為100mm，試驗加載的速率為2mm/min。試件成型采用靜壓法、輪碾法、搓揉法和旋轉壓實成型法，試件的密度應符合馬歇爾標準擊實密度100，用于抗壓強度試驗的試件個數不得少于3個，用于抗壓回彈試驗的試件個數不得少于6個?？箟簭姸纫笠?mm/min的加載速率均勻加載直至破壞，由破壞荷載P和

22、圓柱體試件的面積參數計算得出試件的抗壓強度（MPa）。瀝青混合料瀝青混凝土的劈裂試驗 此既可以為瀝青路面設計提供設計參數，也可以評價瀝青混凝土的低溫特性。當用于評價瀝青混凝土的低溫特性時的試驗溫度為-10（試驗加載速率為1mm/min）。 我國瀝青混凝土路面的設計參試采用靜參數，采用的試驗溫度為15、試驗加載速率為50mm/min，計算時相應的泊松比采用0.30。瀝青混合料瀝青混凝土的劈裂試驗 試件馬歇爾擊實成型的方法、輪碾機成型的板體試件和道路現場鉆孔試件。采用馬歇爾擊實成型的試件的尺寸要求為直徑101.6mm，高為63.5mm；輪碾機成型的板體試件和道路現場鉆孔試件的尺寸要求為直徑100m

23、m或150mm，高為40mm。瀝青混合料瀝青混凝土材料的設計參數-模量參數建議值瀝青混合料水泥混凝土抗折強度和水泥混凝土抗折彈性模量水泥混凝土抗折強度試件為直角棱柱體小梁，標準試件尺寸為150mm*150mm*550mm，在標準條件下，經養護28d后，按三分點處雙點加載(如圖6-10)測定其抗折強度(fcf) 和抗折彈性模量。水泥混凝土材料 水泥混凝土抗折強度和水泥混凝土抗折彈性模量參數值水泥混凝土材料 路面材料的累積變形與疲勞破壞 1）路面材料處于彈塑性工作狀態：重復荷載作用引起塑形變形累積，當累積變形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允許限度以下，從而出現破壞極限狀態（此為使用極限狀態）

24、 2）路面材料處于彈性工作狀態：重復荷載作用雖不產生塑性變形，但結構內產生微裂縫，當微量損傷累積到一定限度時即致使路面材料出現疲勞斷裂，達到破壞極限狀態（即結構承載疲勞極限狀態）（*這種重復荷載的大小遠小于材料一次性受力破壞時的荷載大?。?、路面結構破壞的極限狀態 水泥混凝土：處于彈性工作狀態，呈現疲勞破壞。 瀝青混合料：低溫環境中基本處于彈性工作狀態，出現疲勞破壞；高溫環境處于彈塑性工作狀態，出現累積變形；溫度在上述范圍內變化時則兼有疲勞破壞和累積變形兩種極限狀態。 無機結合料穩定材料：低齡期時處于低塑性的彈塑性狀態，其后基本處于彈性工作狀態，因此使用過程中主要為疲勞破壞極限狀態。 碎（礫）

25、石：屬于松散類材料，具有移動變形，可引起結構塑性變形累積，但在其上有結合料類材料時可因支撐不足引起其上材料的疲勞破壞。 土（碎石土）：細粒土受大氣濕度影響，因此路面結構處于彈塑性工作狀態，塑性變形累積是主要極限狀態形式。2、路面材料在重復載下破壞類型 疲勞：路面材料在承受重復荷載作用時會出現比靜載一次作用破壞應力值低的材料破壞，這種材料強度降低的現象稱為疲勞。 疲勞破壞：材料由于微結構不均勻誘發應力集中而出現微損傷，在重復應力作用下微量損傷累積擴大而導致的結構破壞稱為疲勞破壞。 疲勞強度：承受規定重復荷載作用所對應的應力（應變）值稱為疲勞強度。3、疲勞概念 疲勞極限：重復作用次數隨重復應力（應

26、變）值的減少而隨增加，當重復應力（應變）值減少到重復荷載作用次數無限大時的重復應力（應變）值即稱為疲勞極限。 疲勞壽命：材料從開始加載到破壞所對應的重復荷載作用次數稱為疲勞壽命。 疲勞曲線：將重復彎拉應力（應變）r（r ）與一次加載破壞的極限彎拉應力（應變）的比值(稱為應力比或應變比)作為縱坐標，繪制出 r/ f或r/f與重復作用次數Nf的關系曲線，即稱為疲勞曲線。3、疲勞概念 通過小梁試件施加重復應力（應變）來試驗，可點繪出不同應力（應變）比水平對應的重復荷載作用次數，從而得到疲勞曲線，并可回歸出疲勞方程： 水泥混凝土材料，Nf=107時應力比 r/ f =0.50，此時不出現疲勞破壞。 無

27、機結合料穩定材料的疲勞極限明顯低于水泥混凝土。4、無機結合料處置的混合料及水泥混凝土的疲勞特性 瀝青混凝土材料疲勞試驗有控制應力與控制應變兩種試驗方法； 厚瀝青路面宜采用控制應力的方法； 薄瀝青路面宜采用控制應變的方法； 一般路面厚度可采取其中一種方法。 目前一般建議采用控制應變的方法。5、瀝青混合料的疲勞特性 不同車型荷載作用下的材料，其所出現的疲勞損傷可以進行線性疊加，某一級荷載對材料疲勞壽命的影響可表示為ni/(Nf)i 材料的綜合損傷為各級荷載重復作用消耗的材料疲勞壽命的總和，即：6、Miner定律 1、簡述路面基層的功能與作用及對其材料的技術要求。 2、何謂底基層？為何對底基層材料要求可較基層低？ 3、何謂墊層？其主要功能？通常在什么場合下需設置墊層？用作墊層的材料有何特點？列舉兩種墊層材料。 4、為何基層材料的耐磨性可不予重視？基層施工中也應保證有平整的表面，有此要求的必要性何在？ 5、何謂累