1、第九章 行車荷載 環境因素和力學參數9.1 行車荷載行車荷載9.2 環境因素環境因素9.3 路面材料的力學特性路面材料的力學特性9.1 行車荷載行車荷載 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；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；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、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、以及汽車靜車軸的布置、汽車軸載的時間分布特性、以及汽車靜態與動

2、態荷載的特性比較等不同方面。態與動態荷載的特性比較等不同方面。2、車輛的種類與作用特點道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。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；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。貨車又分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。路面結構設計以軸重或者輪壓來進行控制。路面結構設計以軸重或者輪壓來進行控制。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 汽車的軸型圖圖2-1 2-1 不同軸型的貨車示意圖不同軸型的貨車示意圖3、軸輪組與軸重 整車分前軸和后軸，絕大部分車輛的前軸為兩整車分前

3、軸和后軸，絕大部分車輛的前軸為兩個單輪組成的單軸（軸載約為個單輪組成的單軸（軸載約為P/3P/3），極少數），極少數汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為汽車前軸為雙軸單輪組（軸重約為P/2P/2）。大）。大部分貨車后軸由雙輪組組成，有單軸、雙軸和部分貨車后軸由雙輪組組成，有單軸、雙軸和三軸等三種，大部分軸重在三軸等三種，大部分軸重在100KN100KN以下，一般以下，一般都在都在6060130KN130KN范圍以內。范圍以內。圖圖2-2 車輪荷載計算圖式車輪荷載計算圖式a)單圓圖式；單圓圖式；b)雙圓圖式雙圓圖式PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面路面路面a)b)4、輪壓與壓圓輪胎對路面的靜態

4、輪胎對路面的靜態壓力大小與胎內壓壓力大小與胎內壓相接近，壓面近似相接近，壓面近似為橢圓，為方便計為橢圓，為方便計算分析，簡化為圓算分析，簡化為圓形均布。半徑形均布。半徑D或或d由由p、P來計算，來計算，p可可近似取輪胎氣壓。近似取輪胎氣壓。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：82PDdppP 道路上行駛的汽車除給路面施加道路上行駛的汽車除給路面施加垂直靜壓力垂直靜壓力外，還施加外，還施加水平力水平力和和振動力振動力，對路面固定點而言，這種影響又具有，對路面固定點而言，這種影響又具有瞬瞬時性和重復性時性和

5、重復性。圖圖2-3車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓力車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓力a)停駐；停駐；b)啟動、一般行駛、加速；啟動、一般行駛、加速；c)減速、制動；減速、制動；d)轉向轉向PPPPVQQa)b)c)d)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。（城市瀝青路面設計考慮水平力影響、公路瀝青路面和水泥路面設計不計水平力影響）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。（瀝青路面設

6、計直接使用靜載忽略動載影響，水泥路面設計引用動載修正系數）3）瞬時作用及重復： 路面點的車輪作用時間約為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。 作用在路面的設計荷載千變萬化，為考慮累積疲勞影響，多數國家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。6、標準軸載我國BZZ-60到BZZ-100的發展,世界各國的標準軸載國家中國美國加拿大歐洲各國軸重單軸108.2-10.05.5（前軸），9.19-13雙軸10（單輪）,18（雙輪）14.5-

7、18.11716-22三軸12（單輪）,22（雙輪）202420-36車輛總重4033-7423.7（三軸）,31.6（三軸）,39.5（四軸），46.5（五軸）,53.5（六軸）35-50道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值（道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值（10KN） 1 1）交通調查與重復荷載）交通調查與重復荷載 交通量調查與分析：交通量調查與分析：調查內容包括交通總量、車型分布、軸輪調查內容包括交通總量、車型分布、軸輪型分布、實載率等，有的還調查軸載譜；分析主要是確定交通型分布、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，并求算獲得設計年限（基準期）內累計

8、交通量年平均增長率，并求算獲得設計年限（基準期）內累計交通量。對路面而言，主要是量。對路面而言，主要是軸重軸重。 7、交通荷載軸載換算和統計計算交通量交通量:一定時間間隔內通過道路某一斷面的車輛總數。平均日交通量平均日交通量:每晝夜通過道路某一橫斷面的車輛總數。交通量觀測方法交通量觀測方法:1）直接記錄不同類型車輛的通行次數；2）軸載譜調查。當年平均日交通量當年平均日交通量設計年限（基準期）設計年限（基準期）增長率增長率設計年限內設計年限內累計交通量（分車型）累計交通量（分車型）11n3651TN累計2.2.軸載組成與軸載換算軸載組成與軸載換算 軸載譜：不同軸載的作用次數的頻率組成即為軸載譜：

9、不同軸載的作用次數的頻率組成即為軸載譜軸載譜，各不，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它軸載的作用次數，從而可使用標準軸載來綜性換算成其它軸載的作用次數，從而可使用標準軸載來綜合累計。合累計。單軸單單軸單輪輪單軸雙單軸雙輪輪雙雙軸軸三三軸軸軸載譜的使用：.AASHTO力學經驗設計指南的三等級.軸載譜類型：基于全樣本的軸載譜；基于軸型和軸數分類的軸載譜（整車分為2、3軸，掛車分為3、4、5、6及6以上，東南大學分類）.我國目前的軸載譜問題（瀝青路面、水泥路面）圖圖2-7 輪跡橫向分布頻率曲線輪跡橫向分布頻率曲線（單向

10、行駛一個車道）（單向行駛一個車道）圖圖2-8 輪跡橫向分布頻率曲線輪跡橫向分布頻率曲線（混合行駛雙車道）（混合行駛雙車道） 2 2）輪跡橫向分布：）輪跡橫向分布：總軸載作用按一定規律分布于車道總軸載作用按一定規律分布于車道橫斷面的現象稱為橫斷面的現象稱為，車道綜合累計需考慮。，車道綜合累計需考慮。輪跡橫向分布系數：一定寬度條帶內車輛累積作用頻率輪跡橫向分布系數：一定寬度條帶內車輛累積作用頻率瀝青路面設計瀝青路面設計:車道系數不同情況車道的橫向分布系數與單車道的橫向分布系數之比（取最高作用頻率點）。水泥混凝土路面設計水泥混凝土路面設計:橫向分布系數3 3）軸載的換算）軸載的換算軸載換算的基本原則

11、：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）（Miner定理）；等厚度原則：用不同標準軸載設計的路面結構厚度相同。3 3）軸載換算系數公式：）軸載換算系數公式：( )nsiiisNPNP4）瀝青路面軸載換算系數公式9.89.89.99.99.109.109.119.11 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交通量11365(1)1365(1)1(1)tettetNNNN36511365iiNN6）累計軸載作用次數9.12交通等級交通等級BZZ-100KN累計標準軸次Ne(萬次/車道)大客車及中型以上的各種貨車（輛次/日

12、/車道）A級特輕交通100300B級輕交通100400300750C級中等交通40012007501500D級重交通1200250015003000E級特重交通25003000我國瀝青路面交通等級 7）我國水泥土路面與瀝青路面軸載換算的區別 換算公式區別 引用軸載譜區別 軸載譜中包含車型區別 輪跡橫向分布區別 設計基準期設計年限區別 溫度溫度 濕度濕度圖圖2-9 溫度對瀝青混凝土動彈性模量的影響溫度對瀝青混凝土動彈性模量的影響圖圖2-10 濕度對路基剛度的影響濕度對路基剛度的影響含水量含水量(%)重復應力重復應力28kPa80020103040120回彈模量（回彈模量（MPa）-20-100

13、10203040溫溫度度（）動動彈彈性性模模量量（MPa）1 1、溫度濕度對道路的影響概述、溫度濕度對道路的影響概述9.2 環境因素對道路的影響環境因素對道路的影響 溫度造成路基體的膨脹與收縮，甚至引起路基的凍脹（在結構設計中考慮）（在結構設計中考慮）溫度造成水泥砼路面的溫度應力及條塊分割（在結構設計中考慮）（在結構設計中考慮） 溫度造成瀝青路面的塑性變形累積及低溫開裂 （在材料設計中考慮）（在材料設計中考慮）2 2、溫度對道路的影響、溫度對道路的影響圖圖2-11 瀝青面層溫度瀝青面層溫度日變化日變化曲線曲線表面下表面下2cm2cm7cm7cm15cm15cm氣溫氣溫時刻（時刻（h h）4 4

14、6 68 81010121214141616181820202222242410102020303040405050溫度（溫度（）圖圖2-15 瀝青面層瀝青面層月平均溫度月平均溫度的年變化曲線的年變化曲線1234567891011121103040020表面下表面下2cm2cm7cm7cm30cm30cm氣溫氣溫月份月份溫度（溫度（）圖圖2-12 水泥混凝土面層溫度水泥混凝土面層溫度日變化日變化曲線曲線810121416182022242468232629323520氣溫氣溫表面下表面下1.5cm5cm11cm16cm時刻（時刻（h h）溫度（溫度（）圖圖2-13 一天內不同時刻一天內不同時刻

15、沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線23273135394101052015溫度（溫度（）深度（深度（cm）5:008:0024:0010:0019:0016:0014:00圖圖2-14 水泥混凝土面層水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化溫度梯度與氣溫的日變化曲線曲線0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2氣溫氣溫溫度梯度溫度梯度面層厚面層厚22cm時刻（時刻（h）溫度（溫度（）梯度（梯度（cm）溫度的預估 1）統計法埋設測溫元件，連續觀測，回歸統計 不能包含所有因素，精確度有限，各地區不同 2）理論法 應用熱傳

16、導理論方程式，推演出各項氣象資料和路面材料的熱物理特性參數組成的溫度預估方程式。 參數確定難度大，理論假設理想化，預估與實測有差距濕度對路基的影響：濕軟、冰凍及整體不穩定，需設置良好的排水設施，并控制路基的干濕類型（在結構設計中考慮）濕度對路面的影響：水分積蓄于路基路面體內，降低路基路面的強度與剛度，造成路面破壞，并可進一步加劇路面透水性（在結構設計和材料設計中考慮） 3 3、濕度對道路的影響、濕度對道路的影響l 1）主要材料類型）主要材料類型松散顆粒型材料及塊料松散顆粒型材料及塊料 granular, block瀝青結合類材料瀝青結合類材料 asphalt binder無機結合料類材料無機結

17、合料類材料 inorganic binding material水泥混凝土材料水泥混凝土材料 cement concrete 9.3 路面結構設計參數路面結構設計參數1、路面材料的幾種強度、路面材料的幾種強度 摩爾庫侖強度理論： =c+ tg 其中c是材料的粘結力（kpa），是材料內摩阻角，對于土，可以通過直剪試驗得到；對于松散粒料無法做直接剪切試驗，可用三軸壓縮試驗測定。圖圖2-27 2-27 三軸試驗確定三軸試驗確定c.c.c 2）抗剪強度）抗剪強度 指試樣在無側向壓力條件下，抵抗軸向壓力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的極限應力。材料經過標準成

18、型和養生后通過過無側限抗壓試驗無側限抗壓試驗測定的強度。測定的強度。 一般有大試件、中試件和小試件。一般有大試件、中試件和小試件。 小試件小試件指指50mm *5 0mm； 中試件中試件指指 100mm *100mm； 大試件大試件指指 150 m m* 1 50mm。 3）抗壓強度）抗壓強度氣溫變化會引起路面材料收縮，濕度變化能產氣溫變化會引起路面材料收縮，濕度變化能產生半剛性材料干縮，當收縮變形受到約束，即生半剛性材料干縮，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；引起路面結構拉伸斷裂；路面材料的抗拉強度主要

19、由混合料中的結合料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，可采用粘結力提供，可采用直接拉伸或間接拉伸試驗直接拉伸或間接拉伸試驗測定材料的抗拉強度。測定材料的抗拉強度。4）抗拉強度）抗拉強度圖圖2-28 2-28 直接拉伸試驗直接拉伸試驗1-1-上蓋帽；上蓋帽；2-2-變形傳感器；變形傳感器；3-3-金屬箍；金屬箍；4-4-下蓋帽；下蓋帽；5-5-試件試件圖圖2-29 2-29 間接拉伸試驗間接拉伸試驗1-1-壓條；壓條；2-2-試件試件pp11232154 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或

20、中點加載進行測定。5）抗彎拉強度）抗彎拉強度 LPhl/3l/321345l1l0圖圖2-30 2-30 小梁試驗加載圖式小梁試驗加載圖式( (1-1-試驗梁；試驗梁；2-2-承壓板；承壓板；3-3-支點；支點；4-4-頂桿；頂桿；5-5-千分表千分表) )9.4 路面材料的累積變形與疲勞破壞路面材料的累積變形與疲勞破壞疲勞特性疲勞特性疲勞極限、疲勞壽命、疲勞曲線疲勞極限、疲勞壽命、疲勞曲線 疲勞極限 容許重復作用次數隨重復應力（應變）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

21、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。疲勞極限1 1、疲勞破壞、疲勞破壞路面材料處于彈性工作狀態：重復荷載作用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，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當微量損傷累積到一定限度時即致使路面材料出現料出現疲勞斷裂疲勞斷裂，達到破壞極限狀態（即，達到破壞極限狀態（即結結構承載疲勞極限狀態構承載疲勞極限狀態）（）（*這種重復荷載的大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小小遠小于材料一次性受力破壞時的荷載大小）路面材料處于彈塑性工作狀態：重復荷載作用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