路基路面工程第二章行车荷载环境因素材料的力学性质

研究行车荷载的原因：1）汽车是路基路面的服务对象。

路基路面的主要功能是心之所向，所向披靡1.保证车辆快速、安全、平稳地通行。

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。

2.对行车荷载的研究内容：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。

3.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；货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。

4.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，提出较高的要求。

5.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。

目前我国公路上行驶的车辆，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。

对超载的定义：2000年2月，交通部《超限运输车辆行驶公路管理条例》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）载质量18000kg。

”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不得超过13000kg。

6.静态压力P的影响因素：汽车轮胎内压；轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态；轮载的大小。

7.轮胎与路面的接触形状近似于椭圆，在设计中以圆形接触面积来表示。

该圆称为当量圆。

标准轴载BZZ－100的设计参数：轮载P＝100／4kN，p=700kPa，双圆均布荷载的当量圆直径为：0.213m。

8.运动车辆对道路的动态影响：1）水平力：前进方向上的水平力和转弯时的侧向水平力。

水平力对路面造成的影响：当路面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）：影响因素：车速、路面平整度、车辆的振动特性。

3）轮载作用的瞬时性：车轮通过路面上任意一点的时间，约为0.01～0.1s左右，由于路面结构中应力传递是通过相邻的颗粒完成的，当应力出现的时间很短时，则来不及传递分布，其变形特性不能像静载作用那样完整表现出来。

动载作用下，路面变形量的减小，可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者路面结构强度的相对增大。

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9.冲击系数：振动轮载的最大值与静载的比值。

在较平整的路面上，行车速度不超过50㎞∕ｈ时，冲击系数不超过1.30.车速增加，或路面平整度不良，则冲击系数还要增大。

在路面设计时，有时以静态荷载乘以冲击系数作为设计荷载。

10.标准离差与轮载荷载之比为变异系数，一般均小于0.3.其影响因素有1）行车速度：车速越高，变异系数越大；2）路面的平整度：平整度越差，变异系数越大；3）车辆的振动特性：轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。

11.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。

12.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。

13.不同轴载大小的车辆通过一次对路面造成的损失大小是不一样的。

路面结构设计中，除了知道N e外，还必须知道各级轴载所占的比例，即轴载组成或轴载谱。

轴载谱是指各级轴载所占的比例。

14.轴载换算：道路上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。

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。

15.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，而是按一定规律分布在车道横断面上。

16.轮迹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。

17.在路面结构设计中，用横向分布系数η来反映轮迹横向分布频率的影响。

通常取宽度为两个条带的宽度，即50厘米，因为双轮组每个轮宽20厘米，轮隙宽10厘米。

这时的两个条带频率之和称为轮迹横向分布系数。

18.各种自然环境因素中，温度和湿度对路基路面结构有着重要的影响，路基路面体系的性质与状态随着温度和湿度的变化而会发生变化。

19.温度的影响机理：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，但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20.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。

其中太阳辐射和气温是决定路面温度状况的两项最主要的因素。

21.路面结构内部的温度状况预估：统计方法（在条件相似地区参考使用）和理论方法（结果与实测结果有一定的差距）22.湿度的影响作用:1)通过降水、地面积水和地下水浸入路基路面结构，影响路基土土湿度的变化，使路基产生各种不稳定状态，对路面结构也有许多不利影响；2）路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化。

如在北方季节性冰冻地区，冰冻开始时，路基水分向冻结线积聚形成冻胀，春暖融冻初期形成翻浆的现象较为普遍。

而在南方非冰冻地区，当雨季来临时，未能及时排除的地面积水和离地面很近的地下水将使路基土浸润而软化；3）面层的透水性对路基路面的湿度也有很大影响。

4）路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构以下的路基也有影响。

通常在路面边缘以内1米左右，湿度开始增大，直至路面边缘与路肩下的湿度相当，路肩如果经过处治，防止雨水渗入，则路面下的土基湿度将趋于稳定，与路基中心湿度相当。

23.保持路基干燥的主要方法是设置良好的地面排水设施和路面结构排水设施，经常养护、保持通畅。

地下水对路基湿度的影响随地下水位的高低与土的性质而异。

粘质土为6米，粉质土约为3米，砂类土为0.9米.24.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，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。

25.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＝2ZPKP：一侧轮重荷载（kN）;K:系数，一般取0.5；Z：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处所引起的垂直应力σB：σB＝γZ;γ：土的容重（kN/m3）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。

26.路基工作区: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σz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=Z B σσ=2Z PK Zγ得到：Z α＝3γKP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。

27. 路基土的应力－应变特性:土基的应力应变特性对路基路面结构的整体强度和刚度有很大的影响。

路基过大的变形，将会导致路面结构的损坏。

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。

故其设计指标之一就是土基顶面的压应变。

28. 理想线弹性体的变形特征：在一定的应力范围内,应力与应变的关系呈线性特性.而且当应力消失时,应变随之消失,恢复到初始状态.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。

29. 承载板试验：以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面，逐级加载卸载，记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形，根据试验结果，可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。

通过实验测得的回弹变形可以用下式计算土基的回弹模量：l pD )1(2μ-=E l ：承载板的回弹变形（m ）D ：承载板的直径（m ）E ：土体的回弹模量（kPa ）μ：土体的泊松比；p ：承载板的压强（kPa ）。

土基的回弹模量E 并不是常数。

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）30. 模量值E 的取值方法：初始切线模量、切线模量、割线模量和回弹模量。

31. 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。

32. 土基的应力应变的非线性特性由三轴压缩试验也可证明33. 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。

34. 土基在重复荷载作用下产后的塑性变形累积，最终将导致何种状况，取决于：1）土的性质（类型）和状态（含水量、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以及重复作用的频率 35. 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 、K 、CBR 。

36. 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。

适用于弹性半空间地基(一般柔性路面)37. 用圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。

分柔性承载板(接触压力为常量,挠度与坐标ｒ有关)与刚性承载板(挠度为等值,但板底压力随ｒ变化,呈马鞍形分布)。

承载板直径大小对回弹模量的测定结果有影响。