车辆载荷作用下土壤的力学特性探讨

长安大学

地面力学论文

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

指导老师: 杨士敏

二Ο一二年四月十四日车辆载荷作用下土壤的力学特性探讨

摘要：在分析了车辆载荷作用下，土中的应力分布情况的基础上，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

车辆在地面上行驶要靠土来支撑，要借助土的反力来发挥推进力，还要用推进力来牵引作业机具进行地面作业。许多工程机械的作业对象就是土，所以工程机械和地面是一个自然的统一体。但是长久以来，人们往往把这个统一体分开，孤立地研究车辆本身，希望通过单纯的提高车辆参数来提高行驶性能，却很少涉及车辆与地面之间的相互作用问题。例如对于车辆的牵引性能，只是用一些安全系数很大的参数来评价。随着科技的发展，人民对机器性能的要求越来越高，许多在安全系数掩盖下的未知因素的作用逐渐突出，这就迫使人们去深入研究车辆和地面之间的相互作用过程和关系。

要提高车辆的牵引性能，必须从根本上改变车的形态，而不能只于几何尺寸的变更；必须把车辆和车辆的作用介质统一起来研究，而不能单独研究任何一个方面。将土的性质和车辆牵引力有机的统一起来进行分析研究，是本文时刻注意的一个问题。

一．与车辆载荷相关的土壤的特性及行车载荷的特性

1.土的有关性质简述

这里所研究的土并不只是土的颗粒，而是松散堆积物的整体。土是由不同的相（固相、液相、气相）所构成的多相体系。土的各相之间的相对含量和相互作用对土的状态和性质有着明显的影响。

影响车辆牵引力的土的因素有很多。其中最主要的因素之一土的抗剪强度。土的抗剪强度直接影响土在水平载荷作用下的剪切应力—变形关系。土的抗剪强度与法向应力的关系可由库仑定律表示为:

c tan f

τσϕ=+ 〔1〕 式中：f τ---------土的抗剪强度；

σ---------作用在剪切面上的法相应力；

ϕ---------土的强度指标，内摩擦角；

c ---------土的强度指标，黏聚力。

由上式可见，土体的破坏不是土体颗粒的破坏，而是土颗粒间联结的破坏。对于砂性土，因为土的黏聚力C 很小，所以决定其抗剪强度的重要指标是内摩擦角ϕ（由砂土的密实度，颗粒形状，大小和颗粒级配等决定）；对于粘性土，其抗剪强度与含水率密切相关。含水率过高或者过低都会使C 值下降从而导致土的抗剪强度f τ下降。因此，为了使车辆发挥较好的牵引性能，应在含水率适中的土体上进行作业。

2.均布水平载荷作用下土中应力分布

车辆在行走过程中，常常作用于土体上水平分力，在这种情况下，土中的应力分布可以简化成水平线载荷作用下土中应力分布的平面课题。〔2〕如图2-1所示，引用弹性理论的结论，可得：采用极坐标时，土体中任一点M θ（r,）的应力分量为：

可见，由水平载荷p 引起的应力状态是沿径向的简单压缩。在直角坐标系中，任意一点的M （x,z ）应力分量为：

2p sin r 00

r r θθσθπστ==

=3

2222222222

2222p

sin ()2p cos ()2p

cos sin ()x r z r xz r x x z xz x z zx x z σσθπσσθπτσθθπ==+==+==

+

2.3土体在水平载荷作用下的

3.土体在水平载荷作用下的应力—变形关系

土体在水平方向承受载荷，就产生在水平方向的力和位移的关系，即水平载荷作用下的土的应力—变形关系。当轮胎或者履带被驱动时，它们在和地面接触的面积上产生剪切作用。为了预测车辆的牵引力和打滑，需要了解土中的剪切应力τ和剪切变形j 之间的关系。

车辆在松软地面上行驶时所能产生的最大牵引力受到土切向抗剪切强度的限制，因此土的剪切特性是影响车辆在松软地面通过性的重要特性。常见的松软地面的剪应力—剪切位移的特性曲线通常可以分为两个典型的情况〔3〕：一类为塑性土，如图2-2中的曲线A 所示，其最大剪应力τmax 发生在当土被压实一段距离A j 时，此后抗剪切强度保持不变，即其大小与

以后的土位移无关，整个曲线无明显“驼峰”；另一类为脆性土，如上图2-2中的曲线B 所示，这种土的B j 可以很快达到，而后立刻开始剪切位移，有驼峰。在位移时，原始的结构发生破

坏，新的结构不具有原先的抗剪切强度，因而随后τ的值迅速下降。

土的类型不同，其相应的剪切特性就不同，在地面力学中最常碰到的土壤与其剪切位移的关系曲线都类似于图2-2中的曲线A 。常见的塑性土的剪切模型有Janos 模型、双曲模型、纯指数模型等，其中最常用的便是Janosi 等人提出的土壤剪切模型。根据Janosi 的塑性土剪

切理论，土的剪切力与土的剪切位移成如下关系： /(1)f

j k e ττ-=- 式中：f τ前面已经给出，为土的剪切模量。

K 为土的剪切变形模量。

4.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。

图2-1作用于土体表面的水平载荷

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。

5.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.bfgd