第六章 路面结构的力学分析

2. 3.
•
不同的路面结构采用了不同的力学模型，这既有路面结构特点的 原因，也有当时技术水平的原因
6.1
•
• • • •
引言-2
弹性半空间模型 多层弹性体模型，轴对称模型 弹性地基板模型 多层弹性结构上的板模型 非线性、粘性、塑性的考虑
4.
•
•
解算方法
理论解 近似解：数值解，有限元解
6.2 层弹性体轴对称模型的基本假定
计算的局限性
1. 2. 3. 4.
较深处的应力、变形是可计算的。 层间接触条件对计算结果有较大影响。 材料的性能随环境的变化很大。 在目前的多层弹性体理论中，近域应力难以准确计算。
6.3 弹性多层体理论解，计算方法
1.
多层弹性体理论解
D.M.Burmister1943年提出了双层体系解，奠定了现代路面分析 的基础。之后人们又陆续建立了三层、多层体的解析解。虽然人们 给出了解析解的表达，但无法简单计算，仍然只能使用数值解。

4厘米以下的 剪应力 迅速减小
新 胎 7 0 0 kpa / 7 1 5 kg 新 胎 2 5 0 kpa / 7 1 5 kg 新 胎 3 9 0 kpa / 7 1 5 kg 旧 胎 3 9 0 kpa / 7 1 5 kg 旧 胎 5 3 0 kpa / 7 1 5 kg
300000
最大剪 应力（Pa）
2.
临界计算点和计算方法
等效换算原理
对特定计算点和计算指标，在保持该计算点的计算指 标值不变的前提下，将多层结构简化为三层结构，从而 可以采用三层体的计算图表进行多层体的计算。这是一 种工程中常用的经验性方法。要注意的是：等效的指标 不同时，换算结果（方法）不同；同一换算指标、不同 计算点位时，换算结果也不同。
第六章

路面结构的力学分析
引言 多层弹性体轴对称模型的基本假定 弹性多层体理论解，计算方法 应力与位移分析 小结与设计考虑
6.1
1.
引言-1
路面作为一类土木工程结构物，设计时必然要考虑在荷 载作用下的应力、应变大小，这是结构设计的基础。路 面作为一类土木工程结构物，设计时必然要考虑在荷载 作用下的应力、应变大小，这是结构设计的基础。 进行广泛的应力、应变分析，了解路面结构的应力、变 形分布，为路面结构组合设计提供基础。 模型
应力、位移完全连续----连续体系 竖向的应力和位移连续，层间水平摩擦力为零----滑动体系 竖向的应力和位移连续，层间水平摩擦力不为零----半连续体系
5.
无限深度处的应力和位移为零
假设的局限性
1. 2.
当荷载位于路面边缘时，轴对称的假设与实际受力情 况不符，所以路面边缘最好加宽或支挡。 当路面出现裂缝后，路面内的应力将发生重新分布。
路基和面层模量对弯沉的影响

随着面层和路基模量的增加， 路面弯沉都随之减小
随着路基模量的增加，弯沉 显著减小；但当路基模量减 小到一定水平时，继续增大 路基模量的效果变得越来越 差 面层模量的影响与路基模量 的影响类似 效果变差的分界点以图中的 红线为界，不同结构可能不 同，但规律类似



竖向荷载作用下的面层底面弯拉应力状况
剪切应力的变化
0.40

基层模量越大，弯沉越
0.38
max/MPa
小，面层结构承受的剪
应力却越大

0.36 0.34 0.32 0.30
凸型分布 均匀分布
凹型分布
基层模量的变化，剪应 力增18－31％
τ
0.28 0.26 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80 E/MPa
当一个层次的参数（厚度和模量）较弱时，增强该层次的参数考虑的 效果是最显著的 厚度的改变是容易的，模量的改变并不容易，这意味着改变材料类型。 竖向的应力和位移连续，层间水平摩擦力不为零----半连续体系
2.


设计考虑
厚度设计时 结构组合时，加强某一层次可能会造成其他层次的受力状况改变 了解不同因素的影响规律，非常有助于结构的优化
面层特性对剪切应力的影响
0.40 0.38
max/MPa

面层模量越低，所承受的 剪应力越大
0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 0.26
凸 型分布 凹型分布 均匀分布

面层模量变化，剪应力增 17－36％
τ
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
△E
基层底面弯拉应力变化

随着基层模量的增加,基
6.4 应力与位移分析
1.
2. 3. 4.
弯沉
面层底面的径向应力 面层剪应力 基层底面的弯拉应力 路基顶面压应力
5.
面层、基层厚度对路面弯沉的影响



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随着面层、基层厚度的增 加，路面弯沉都将减小 随着基层厚度的增加，弯 沉迅速减小（红线左侧）； 当基层厚度增大到一定厚 度时，增加基层厚度是十 分不经济的 面层厚度较小时，增加厚 度的效果是很好的，但随 着面层厚度的增加，继续 增加厚度的作用不断减小 效果变差的分界点以图中 的红线为界，不同结构可 能不同，但规律类似
层底面应力随之增加 随着厚度的增加，基层

底面的应力减小

当厚度基数较大时，增 加厚度的效果在不断减小
面层、基层的厚度和模量对路基顶面 应力的影响


当面层、基层较薄时，增加面层、基层的厚度和模量的 效果都十分显著 当基层达到一定厚度时，增加基层厚度的效果在减小
6.5 小结与设计考虑
1.
• •
小结
水平荷载作用下路面内径向应力的变化


水平荷载作用下产生的表面径向应力产生在轮载边缘处， 离荷载越远，应力迅速减小 面层底面的最大应力产生在荷载边缘外侧。 应力随面层厚度的增加而减小
面层内的剪应力
0.0

路 面 结 构 深 度 (m)
最大剪切应力出现在 0－4cm的范围内
-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 0 50000 100000 150000 200000 250000





随着基层模量的增大或面层模量 的减小，面层底面弯拉应力迅速 减小 面层厚度很小时，底面将会产生 压应力 随着面层厚度的增加，底面应力 将产生一个最大值，当面层达到 一定厚度时，面层厚度的增加将 使底面弯拉应力减小 图中不同的曲线并不平行，说明 了底面应力变化的复杂性 面层较厚时，最大弯拉应力可能 并不产生在面层的底面
1.
2.
3.
4.
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路面结构由多个性能不同的层次组成，在圆形均布荷载的 作用下，呈现轴对称的特性 每个层次都是由均质的、各向同性的线弹性材料组成，材 料性能可采用弹性参数E、μ表征 结构的最下层为水平向无限延伸的半无限体，其上各层为 水平向无限延伸、竖向有一定厚度的层次 层间接触条件可以有多种状况