行车荷载

第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质
第一节行车荷载
汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。

而其中汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要成因。

一．车辆的种类
道路上通行的汽车车辆主要分为客车和货车两大类。

其中：
客车：小客车、中客车、大客车
货车：整车、牵引式挂车、牵引术半挂车
汽车的总荷载通过车辆与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要以轴载作为荷载的标准。

二. 汽车的轴型
我国公路与城市道路路面设计规范中均以100KN作为设计标准轴重。

整车客货车：1.前轴：两个单轮组成的单轴约占1/3/。

极少数为双轴单轮约占1/2。

2.后轴：有单轴、双轴、三轴类型。

大部分为双轴双轮。

三．汽车对道路的静态压力
1.定义：汽车在道路上行驶可分为停驻状态和行驶状态。

当汽车处于停住状态时，对路
面的作用为静态压力主要是由轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素的影响。

2.影响因素：
a．汽车轮胎的内力pi；
b.轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形态；
c.轮载的大小。

3.半径：轮胎与路面的接触形状近似于椭圆，且a、b差别不大。

路面设计中以圆表示。

四.运动车辆对道路的动态影响
因为路面不平整车身震动，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，轮载成动态波动。

行车荷载的重复作用：
弹性材料：疲劳性质
弹塑性材料：变形累积
五．交通分析
1.交通量：一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。

对于路面结构设计不仅要求收集交通总量，还必须区分不同车型
2.轮载的组成和等效换算：
标准：双轮组单轴载100KN作为标准轮载。

等效原则换算：某一种路面结构在不同荷载的作用下达到相同的破坏程度为根据的。

第二节环境因素影响
直接暴露于空气中，受温度、湿度影响大。

温度的影响作用
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。

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。

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，即温度应力和湿度应力，进而对路基路面产生破坏。

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。

温度对路基的影响：北方——冻胀翻浆
南方——雨季积水湿软路基
湿度的影响作用
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
第三节土基的力学强度特性
一．路基受力状况
路基承受路基自重和汽车两种荷载。

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 ＝kp/Z2
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 ＝γZ
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。

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。

三．路基土的应力——应变特性
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）。

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。

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，主要取决于：
1.土的性质（类型）和状态（含水率、密实度、结构状态）
2.重复荷载的大小，以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示，称为相
对荷载
3.荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度、每次作用的持续时间及重复作用的频
率。

第四节．土基的承载能力
路基的承载力都用一定应力级位下的抗变形能力来表征，主要参数为E、K、CBR 一．土基回弹模量
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。

二．地基反应模量
用温克勒地基模型描述土基工作状态时。

用地基反应模量表征土基的承载能力。

温克勒地基的假定：土基顶面任意一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力p成正比，而同其它相邻点处的压力无关。

三．加州承载比
1.加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及路面材料承载能力的
指标。

承载能力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。

2.CBR值的室内测试及现场测试。

3.室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水4d。

4.室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影响，必须加以修正。

第五节．路基的变形、破坏及防治
一．路基的主要病害有以下几种：
1.路基沉陷
2.边坡滑塌
3.碎落和崩塌
4.路基沿山坡滑动
5.不良地质和水文条件造成的路基破坏
二．路基病害防治
为了提高路基的稳定性，防治各种病害的发生，主要有一些措施：
1.正确设计路基横断面
2.选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路基上层填土作稳定处理。

3.采取正确的天筑方法，充分压实路基，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.必要时设置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积累，设置砂
垫层以疏干土基。

6.正确进行排水设计
7.采取边坡加固、修筑挡土墙、土体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。

第六节．路面材料的力学强度特性
路面材料按形态和成型性质分为三类：
1.颗粒型材料及块料：密实型
2.沥青结合料类：嵌挤型
3.无机结合料类：稳定型
力学强度特性
1.抗剪强度：
路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况：
（1）路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏；
（2）无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏；
（3）面层材料的抗剪强度过低，在受到较大水平力作用时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。

2.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骤降时产生收缩（温缩），水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度发生变化时，产生明显的干缩，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。

抗拉强度可由直接拉伸或间接拉伸试验确定。

直接拉伸试验
间接拉伸试验：通常采用劈裂试验。

3.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。

有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。

弯拉强度大多采用简支小梁试验进行评定。

4.应力——应变特性
a.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力－应变特性，可用三轴压缩试
验结果来反映。

其表现出明显的非线性特征。

b. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试。

c.无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力—应变特性关系。

结果也呈现出非线性特
征。

d.沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。

在低温下，可采用单轴试验或小梁试验，
在高温下，可用三轴压缩试验测定。

由于沥青混合料中的结合料—沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘—弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力—应变特性关系
第七节.路面材料的累积变形与疲劳特性
由于重复荷载引起的路面结构破坏极限状态，不同于最大极限荷载引起的破坏极限状态。

重复荷载作用下出现的破坏极限状态主要有两种：
1.路面材料处于弹塑性工作状态，则重复荷载作用将引起塑性变形的积累，超过
一定限度时，路面使用功能将下降至允许限度以下。

2.路面材料处于弹性工作状态重复荷载导致材料内部产生微量损伤，累积到一定
程度后，路面结构发生疲劳断裂。

一．累积变形
路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形积累而产生的沉陷或车辙，是路面结构主要的病害。

这种永久性的变形是路基路面各结构层材料变形的综合。

1.碎、砾石混合料
2.沥青混合料
二．疲劳特性
材料在经受重复荷载作用后其强度的降低行为称之为疲劳。

材料在经受低于其一次作用下的极限应力值的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为破坏疲劳。

疲劳极限：在应力作用一定次数后，材料的疲劳强度不再下降而趋于稳定，这稳定值称为疲劳极限。