第二章行车荷载环境因素及材料力学性质

§2-2 环境因素的影响 路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自 然环境因素的影响。温度和湿度是对路基路面 结构有重要影响的自然环境因素。 图2－9给出了沥青混凝土的动弹性模量随温度 升高而降低的情况，图2－l0所示为路基回弹模 量随湿度增长而急剧下降的情况 .
路基土和路面材料的体积随路基路面结构内温度和湿度 的升降而引起膨胀和收缩。 温度和湿度： 1 随环境而变 2 沿着结构的深度呈不均匀分布 因此材料涨缩也是变化的。 如果不均匀的胀缩受到约束而不能完全实现时，路基和 路面结构内便会产生附加应力，即温度应力和湿度应力。
多轴货车
由于汽车货运向大型重载方向发展，货车的 总重有增加的趋势，因此出现了各种多轴的 货车。 平板挂车，采用多轴多轮，以便减轻对路面 的压力。
三、汽车对道路的静态压力
汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶 状态。当汽车处于停驻状态下，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，它的大小受下述因素的影响。 汽车轮胎的内压力pi ； 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状； 轮载的大小；
二、汽轴轴型
对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴重。 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，近40％执行 100kN轴限，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。通常认为我国的道路车辆轴 限为100kN。
整车形式的客、货车车轴分前轴和后轴。绝大部分 车辆的前轴为二个单轮组成的单轴，轴载约为汽车 总重力的1/3。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成， 双前轴的载重约为汽车总重的一半。汽车的后轴有 单轴、双轴和三轴三种。大部分汽车后轴由双轮组 组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴。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范围内，大部分在100kN以下。
汽车轮胎的内压力
货车轮胎的标准静内压力：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。 在轮胎软而旧，或轮载超荷，或实际内压力比标准 低很多，接触压力p才达到(1.1－1.3)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.
五、交通分析
路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆 对路面的综合累计损伤作用，必须对现有的 交通量、轴载组成以及增长规律进行调查和 预估，并通过适当的方式将它们换算成当量 标准轴载的累计作用次数。
1、交通量
交通量是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道 路横断面的数量。 可以通过现有的交通流量观测站得到调查资料， 也可以根据需要，设临时设站进行观测。 根据月分布不均匀系数、日分布不均匀系数和小 时分布换算系数，将临时观测结果按相应的换算 系数换算成年平均日交通量。
轮载瞬态作用
行驶的汽车对路面施加的荷载有瞬时性。车轮通过路面 上任一点，路面承受荷载的时间大约只有0.01－0.10s 左右。在路面以下一定深度处，应力作用的持续时间略 长一点。 美国AASHO试验路的试验结果： 当行车速度由3．2km／h提高到56km／h，沥青路面的总 弯沉减少36％；当行车速度由3.2km／h提高到96.7km／ h，水泥混凝土路面的板角挠度和板边应变量减少29％ 左右. 动荷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，或者是路面结构强度的相对增大。
Байду номын сангаас
轴载换算系数公式
3．轮迹横向分布 车辆在道路上行驶时，车轮的轨迹总是在横断面中心线 附近一定范围内左右摆动，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，也不可能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，称为轮迹的横向分布。
轴载通行次数分布频率曲线中的直方图条带宽为25cm， 大约接近轮迹宽度，以条带上受到的车轮作用次数除 以车道上受到的作用次数作为该条带的频率。 轮迹横向分布频率曲线图形随许多因素如：交通量、 交通组成，车道宽度、交通管理规则等而变化，需分 别各种不同情况，通过实地调查，才能确定。 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。通常取宽度为二个条带的宽度， 即50cm，因为双轮组每个轮宽20cm，轮隙宽10cm。这 时的二个条带频率之和称为轮迹横向分布系数。
轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状
影响轮胎的刚度的因素：轮胎的新旧程度， 接触面的形状和轮胎的花纹等等。 接触面上的压力分布是不均匀的。 轮胎与路面的接触面形状轮廓近似于椭圆形， 因其长轴与短轴的差别不大，在工程设计中 以圆形接触面积来表示。将车轮荷载简化成 当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作 为轮胎接触压力.
附着系数
车轮施加于路面的各种水平力值与车轮的垂直压力，以及路面 与车轮之间的附着系数 有关，其最大值不会超过垂直力P与 的乘积，即：
Q p
m ax

车速度有关。 路面表面必须保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要 条件。但是从路面结构本身来看，附着系数的大小直接关系结 构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下，结构层产生复 杂的应力状态，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，若 是抗剪强度不足，将会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现 象。
四、运动车辆对道路的动态影响
行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施 加水平力、振动力。这些动力影响还有瞬时性的特征。 汽车在道路上等速行驶，车轮受到路面给它的滚动摩阻力，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中，为了克服重力与惯 性力，需要给路面施加向后的水平力，相应在下坡行驶或者在 减速行驶过程中，为了克服重力与惯性力的作用，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，保持车身稳定不产生侧 滑，需要给路面施加侧向水平力。汽车起动和制动过程中，施 加于路面的为水平力。
交通量的计算
N1
N
i 1
365
i
Ne
365 N1
365
初始年平均交通量 每日实际交通量

(1 ) 1
t
N1
N e 设计年限内的累计交通量
N1
设计的初始年平均日交通量
Ni
N t 设计的末年年平均日交通量
然后通过调查研究，分析论证， 以确定交通量年平均增长率。

t
设计年限内交通量年平均增长率 设计年限
货车---整车
牵引式半挂车
牵引式半挂车
牵引式挂车(拖车)
汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路 面结构的设计主要以轴重作为荷载标准。 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， 如平整性、抗滑性等，以小汽车为主要对象，因为 小车的行驶速度高，所以要求在高速行车条件下具 有良好的平稳性与安全性。
的最大值一般不超过0．7－0．8，同路面类型和湿度以及行
轴载波动
汽车在道路上行驶，由于车身自身的振动和路面的不平整，其 车轮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，呈波动状态，
轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数 （标准离差与轮载静载之比）主要随下述三因素而变化： 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。 正常情况下，变异系数一般均小于0.3. 振动轮载的最大峰值与静载之比称为冲击系数，在较平整的路 面上，行车速度不超过50km／h对，冲击系数不超过1.30。
轮载的循环重复作用
汽车荷载对路面的多次重复作用也是一项重要的动态影响。 1、弹性材料在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质， 也就是材料的强度将随荷载重复次数的增加而降低。 2、弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下， 将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积。 所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值， 道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素。
对于路面结构设计，要收集交通总量，还必须区分 不同的车型。目前各地观测站进行交通量调查，将 车辆分成11类：小型货车、中型货车、大型货车、 小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中 型拖拉机泪行车、人力车和畜力车。 小型货车、小型客车、拖拉机和非机动车可忽略不 计，这些车辆所占的比例应从总量中扣除。其余各 类列入统计范畴的车辆按轴型和轴载大小分类（单 后轴货车、双后轴货车、牵引拖挂车、牵引半拖挂 车等）和分级统计。
对于双轮组车轴，每一侧的双轮用一个圆表 示，称为单圆荷载；如用二个圆表示，则称 双圆荷载。其当量圆直径分别按下式计算：
d 4P p D 8P p 2d
双圆荷载当量圆直径
单圆荷载当量圆直径
双圆荷载当量圆的直径和半径
当量圆半径：

P p

P －作用在车轮上的荷载 p－轮胎接触压力 δ－接触面当量圆半径 在标准轴载BZZ-100的P=100/4kN， p=700kPa，则d=0.213m，D=0.302m。
货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。 整车的货厢与汽车发动机为一整体； 牵引半挂车的牵引车与挂车也是分离的，但是通过铰 接相互连接，牵引车的后轴也担负部分货车的重量， 货车厢的后部有轮轴系统，而前部通过铰接悬挂在牵 引车上。 牵引式挂车的牵引车与挂车是分离的，牵引车提供动 力，牵引后挂的挂车，有时可以拖挂两辆以上的挂车；
一、车辆的种类
道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。 客车又分为小客车、中客车与大客车。 小客车自身重量与满载总重都比较轻，但车速高； 中客车一般包括6个座位至20个座位的中型客车； 大客车一般是指20个座位以上的大型客车（包括铰 接车和双层客车),主要用于长途客运与城市公共交 通。
道路上行驶的汽车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，我国水泥混凝土路面设 计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载l00kN 作为标准轴载。 各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是，同一种路面 结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同， 损伤的标准也不相同，因而系数a和n取值各不相同。
第二章 行车荷载 、环境因素、材料 的力学性质
§2-1 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。汽车荷 载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。因此，为 了保证设计的路基路面结构达到预计的功能，具有良 好的结构性能，首先应对行驶的汽车作分析，包括汽 车轮重与轴重的大小与特性；不同车型车轴的布臵； 设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量逐年增 长的规律；汽车静态荷载与动态荷载特性比较等。
有交通量观测站配置有自动化的轴载仪直接 记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后按轴 载大小分类统计累计轴载数，这种调查称为 轴载谱的调查。轴载谱调查与交通量的统计 相互进行校核与补充。 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增长 的，要确定路面设计年限内的总交通量，还 需要预估该年限内交通的发展。 交通量调查，经济增长速度
2．轴载组成与等效换算
不同重力的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。 对于路面结构设计，除了设计期限的累计交通量之外， 另一个重要的交通因素便是各级轴载所占的比例在轴载 组成或轴载谱。 由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数，乘以相应 的轴载谱百分率，即可推算出所有车辆各级轴载的作用 次数。