车辆载荷作用下土壤力学特性
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长安大学
地面力学作业论文
题目__车辆载荷作用下土壤的力学特性探讨_____学院工程机械学院
专业机械设计制造及其自动化
指导教师杨士敏
二Ο一二年四月十二日
车辆载荷作用下土壤的力学特性探讨
摘要:在分析行车载荷相关特性的基础上,探究了车辆的种类、轴型因素以及汽车对路面的静态和动态影响,下来分析了土体在垂直载荷作用下的应力—变形关系和土体在水平载荷作用下的应力—变形关系。通过理论分析、研究以及未来展望,提出了解决问题的措施,得出了车辆载荷作用下土壤的力学特性研究的方案,并且对将来的这方面地面力学工作做出展望。
关键词:车辆载荷土壤力学特性
在对车辆载荷作用下土壤的力学特性探究中,经过实践证明,行车载荷作为重要因素应该首先被理论研究,解决这些问题对整个课题实施具有指导意义。
1 行车荷载的相关特性及对路面的影响
1.1车辆的种类
道路上通行的车辆主要分为客车和货车两大类。
客车又分为小客车、中客车、大客车。小客车自重与满载总重都比较轻,单车速比较快,一般可达120km/h;中客车一般包括6个座位至20个座位的中型客车;大客车是指20个座位以上的客车,主要用于长途客运与城市公路交通。
火车分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。货车的总的发展趋
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向事项大吨位发展,特别是集装箱运输水陆联运开战之后,货车最大吨位已经超过40t-50t。
汽车的总载荷通过车轴和车轮传递给路面,所以路面结构的设计主要以轴载作为载荷标准。在道路上行驶的多种车辆的组合中,重型货车与大客车起决定作用,轻型货车与中、小型客车影响很小,有时可以不计。但是在考虑路面表面特性要求时,如如平整度、抗滑性等,以小汽车为主要对象,因为小车的行驶速度高,所以要求在高速行驶条件下具有良好的平稳性与安全性。
1.2汽车的轴型
无论是客车还是货车,车身的全部重力都通过车轴上的轮子传给路面,因此,对于路面结构设计而言,更加重视汽车的轴载。由于轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载能力与结构强度,为了统一设计标准和便于交通管理,各个国家对于轴载的最大限度均有明确的规定。据国际道路联合会1989年公布的统计数据,在141个成员国和地区中,轴限最大的为140kN,而通常我国的道路车辆轴限为100kN。
通常,整车的形式的客、货车车轴分前轴和后轴。绝大部分车辆的前轴为两个前轮组成的单轴,轴载约为汽车总重力的1/3。每一根后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。目前,在我国公路上行驶的货车的后轴轴载,一般在60-130kN以下。
由于汽车货运向大型重载方向发展,货车的总载有增加趋势。
1.3汽车对道路的静态压力
汽车在道路上行驶分为停驻和行驶状态。当汽车处于停驻状态时,对路面的作用力为静态压力,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:
1.汽车轮胎的内压力pi;
2.轮胎的刚度和轮胎与路面接触的状态;
3.轮载的大小。
货车轮胎的标准内压力pi一般在0.4-0.7MPa范围内。通常轮胎与路面接触面上的压力p略小于内压力pi,约为(0.8-0.9)pi。车轮在行驶过程中,内压力会因轮胎充气温度升高而增加,因此,滚动的车轮接触压力也有所增加,达到(0.9-1.1)pi。
图1.1 车轮载荷计算图式
a单圆图示;b双圆图示.
轮胎与路面的接触面形式如图 1.1所示,它的轮廓近似于椭圆形,因其长轴与短轴差别不大,在工程设计上以圆轴来表示。将车轮载荷简化成当量的圆形均布载荷,并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力p 。当量圆的半径d 可以按公式确定。 d=p P
π
式中:P —作用在车轮上的载荷(kN);
p —轮胎接触压力(kPa );
d —接触面当量圆半径(m )。
1.4运动车辆对道路的动态影响
汽车在道路上等速行驶,车轮受到路面给它的滚动摩擦力,路面也相应受到车轮施加于它的一个向后的水平力;汽车在上坡行驶,或者在加速行驶过程,为了克服重力与惯性力,需要给路面施加向后的水平力,相应在下坡或者加速行驶过程,为了克服重力与惯性力作用,需要给路面施加向前的水平力。汽车在弯道上行驶,为了克服离心力,保护车身平稳不产生那个侧滑,需要给路面施加侧向的水平力。特别是在汽车起动和制动过程中,施加于路面的水平力相当大。
车轮施加于路面的各种水平力Q 值与车轮的垂直压力P ,以及路面与车轮之间的附着系数ϕ有关(图1.2),其最大值Qmax 不会超过P 与ϕ的乘积,即:
Qmax ≦P ϕ
图1.2 车轮作用与路面的垂直压力与水平力
a.停驻;
b.起动、一般行驶、加速;
c.减速、制动;
d.转向
若以q和p分别表示接触面上的单位水平力和单位只接触压力,则最大水平力qmax应满足:
qmax≦pϕ
ϕ的最大值一般不超过0.7-0.8,同路面类型和湿度以及行车速度有关,相同的路面结构类型,干燥状态的ϕ值比潮湿状态高;路面结构类型和干燥状态相同的情况下,车速越高,ϕ越小。
图1.3 一定车速下轴载的动态波动
汽车在道路上行驶,由于自身的振动和路面的不平整,汽车论实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动,作用在路面上的轮载时而大于静态轮载,时而小于静态轮载,呈波动态,图1.3即为轴载波动的实例。
正常情况下,变异系数一般均小于0.3。
美国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对不同车速下沥青路面和水泥混凝土路面变形进行测量(图 1.4),结果表明,当车行驶速度3.2km/h提高到56km/h,沥青路面的总弯沉减小36%;当行车速度由3.2km/h提高到96.7km/h,水泥混凝土路面的半角绕度和板边应量减小29%左右。
图1.4 车速与路面变性的关系
1.刚性路面,板角绕度和板边应变量随车速的变化;
2.柔性路面,表面总弯沉量随车速的变化