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第二章

第二章. 行车荷载、环境因素、材料的力学性质. 第一节 行车荷载 第二节 环境因素影响 第三节 路基应力工作区 第四节 路基土的应力应变特性 第五节 土基的承载力 第六节 路基的变形、破坏及防治 第七节 路面材料的力学强度特性 第八节 路面材料的累积变形及疲劳特性. §2-1 行车荷载. 车辆种类 1 、客车 2 、货车. 路面使用状况评定采用小汽车 路面结构设计主要采用载重汽车、 客车. 二、汽车的轴型轮组 单后轴单轮组 双后轴双轮组. 三、汽车对路面的静态压力

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Presentation Transcript

  1. 第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学性质

  2. 第一节 行车荷载 • 第二节 环境因素影响 • 第三节 路基应力工作区 • 第四节 路基土的应力应变特性 • 第五节 土基的承载力 • 第六节 路基的变形、破坏及防治 • 第七节 路面材料的力学强度特性 • 第八节 路面材料的累积变形及疲劳特性

  3. §2-1 行车荷载 车辆种类 1、客车 2、货车 路面使用状况评定采用小汽车 路面结构设计主要采用载重汽车、 客车

  4. 二、汽车的轴型轮组 单后轴单轮组 双后轴双轮组

  5. 三、汽车对路面的静态压力 1、垂直压力P 一般p<pi p=(0.8-0.9)pi 超载p>pi 设计通常取p=pi

  6. 2、单圆图示： 3、双圆图示： 标准轴载Bzz-100 P=25KN p=700KPa d=0.213m D=0.302m

  7. 四、汽车对路面的动态影响： 1、水平力 Qmax≤PQ----纵向滑移路面附着系数 ※公路一般不考虑水平力 城市道路计算水平力，剪应力破坏

  8. 2、轮载的动态变动 ：呈正态分布 影响系数 （变异系数） 冲击系数：振动轮载的最大峰值与静载之比 ： Kd=P动/P静 v<50Km/h Kd<1.3 3、轮载作用的瞬时性 :v=60Km/h S=0.01-0.03s 滞后性

  9. 五、交通分析： 1、交通量： a、初始年平均日交通量 b、交通量年平均增长率γ c、设计年限内累积交通量 或

  10. 2、轮载组成与等效换算： a、观测：人工、自动 共11类车辆 b、轴载谱：不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大，所以除关注交通量，还要关注各级轴载超载危害 超载 １倍　　危害１６倍 　　　２倍　　危害６４倍…… c、等效换算：双轮组单轴Bzz-100

  11. 2、轮栽组成与等效换算： a、观测：人工、自动 共11类车辆 b、轴载谱：不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大，所以除关注交通量，还要关注各级轴载超载危害 超载 １倍　　危害１６倍 　　　２倍　　危害６４倍…… c、等效换算：双轮组单轴Bzz-100

  12. 3、轮迹横向分布: 方向分布系数: 主要方向交通量与断面双向交通量的比值 车道系数:慢车道的交通量占该方向交通量总和的比例系数 柔性路面设计考虑方向系数,车道系数 刚性路面设计考虑轮迹横向分布系数

  13. §2-2 环境因素影响 一 、温度与温度变化对路基路面的影响 1 、材料强度与刚度 2、 整体稳定性 二 、温度状况的预估

  14. §2-3 路基应力工作区 一 、 路基受力状况 汽车轮载作用下的垂直应力 路基土自重在深度Z处的垂直压应力 二、路基应力工作区 Za------m K-------系数=0.5 P-------KN γ-----KN/m3 一般γ=18KN/m3 n------系数 n=5~10 推导

  15. §2-4 路基土的应力—应变特性 一、应力—应变关系 1、压入承载板实验 2、三轴压缩实验 结论：土体是非线性弹塑体

  16. 评定土体的应力—应变状态 表征其值及设计路面时用模量E 定义以下模量： （1）、初始切线模量：应力值为厘 米时的应力—应变曲线的斜率 （2）、切线模量：某一应力级位处应力—应变曲线的斜率 （反映该级位应力处应力—应变变化的精确关系） （3）、割线模量：以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连 的割线的斜率（反映土基在工作应力范围内的应力—应变的 平均状态） （4）、回弹模量：应力卸除阶段，应力—应变曲线的割线模量 （反映土的弹性性质）

  17. 二、应力重复作用： 土基变形累积导致 取决于

  18. §2-5 土基的承载能力 土基回弹模量： 以圆形承载板压入土基测定回弹模量（荷载—弯沉关系） 柔性压板 弹性半空间体E地基 地基假设 若l已测得，由p、a、μ反算出E

  19. 2、刚性压板 p----平均单位压力 挠度等值 鞍形分布 刚性系数 若已知l、p、a、μ反算E (1) 1mm线性归纳法：逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，卸载 稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载， 回弹变形值超过1mm，则停止加载。点绘荷载— 回弹弯沉曲线。

  20. 一般取p<0.5MPa li<1mm的部分计算 代入（1）式计算Eo 承载板直径D=2a=28cm或30cm

  21. 二、地基反应模量： 1、E.WinKler地基假设：土基顶面在一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力P成正比，而同其相邻点处的压力无关。 （弹簧地基，稠密液体地基） 2、K值的确定： 刚性压板 D=76cm a、当地基较软弱时，用l=0.127cm的弯沉量控制承载板荷载 b、当地基坚硬，沉降难以达到0.127cm时，用p=70KPa控制承载板荷载 D值越小，K值越大 K76=0.43K30 地基回弹反应模量Ko=1.77K

  22. 三、加州承载比（CBR）California Bearing Ratio 1、定义：评定土基及路面材料承载能力的指标，以材料 抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高 质量标准碎石为标准，它们的相对比值表示 CBR值。 2、测定方法：标准压头端部面积19.35cm2以0.127cm/min 的速度压入土中，记录每贯入0.254cm时的单位 压力，直到压入深度达到1.27cm时为止。 CBR=p/ps100 p—对应某贯入度的土基单位压力KPa Ps—相应贯入度的标准压力 KPa 计算CBR值时，取贯入度位0.254cm；但当0.254cm时的CBR值小于贯入度为0.508cm时的CBR值时，应采用后者。

  23. 3、实验方法： CBR值优点: 缺点:

  24. §2-6路基的变形、破坏及防治 路基的主要病害： 1、路基沉陷：路基表面在垂直方向产生较大的竖向位移 2、边坡滑塌

  25. 3、碎落和崩塌：表层风化石在外界因素作用下从 坡面上剥落成片称碎落；大块岩石滚落称崩塌 4、路基沿山坡滑动：整体路基沿倾斜的原地面向 下滑动路基整体失去移动 5、不良地质和水文条件造成的路基破坏：泥石流、 瀑雨、溶洞…。

  26. 五、路基病害防治： 1、合理设计路基 2、选择良好的填料 3、正确施工，充分压实 4、正确进行排水系统设计 5、针对不同条件，合理设置处理与防护措施

  27. §2-7路面材料的力学强度特性 按形态分 按成型方式

  28. 一、抗剪强度： 摩尔强度理论 ※沥青混合料的抗剪强度不仅同材料的级配组成、形状和 表面特性有关，也同沥青的粘结力和用量有关； 粘结力取决于 Τ —抗剪强度KPa C —粘结力KPa Δ —法向正应力KPa —内摩阻角

  29. 二、抗拉强度： 水泥砼劈裂强度测试150mm×150mm×150mm立方体试件 A---劈裂面面积 m2 τ—抗剪强度KPa c—粘结力KPa σ—法向正应力KPa φ—内摩阻角

  30. 三、抗弯拉强度： 简支小梁试验测定 水泥砼 150×150×550mm P—破坏荷载KN l—支点间距m b，h—高和宽m

  31. 四、应力—应变特性： 1、碎砾石材料—三轴压缩实验(与土基曲线类似) (颗粒材料) θ——三向主应力之和KPa Er=K1θK2 K1、K2——回归常数 2、无机结合料混合料—单轴、三轴实验、小实验 水泥砼150×150×300mm 无机结合料混合料： 侧限应力δ3 偏应力εα PA—终荷载 L-试件轴向标距长度m Po—初荷载 F—试件横截面积m2 Δa—变形差m 承载板直径D=37.4mm 承载板单位压力200-700KPa 试件直径高=150mm150mm μ=0.25

  32. 3、沥青混合料： 温度和时间对应力—应变特性影响很大

  33. 劲度模量St,T:在给定温度和加荷时间条件下的应力—应变关系参数。 通过实验，运用范德普（Vander Peel）诺模图确定： δ—施加应力KPa S—模量KPa ε—总应变 t—时间s T—温度OC

  34. §2-8路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构破坏极限状态 （荷载重复应力） 一 、累积变形：沉陷 车辙 1．碎、砾石混合料 2．沥青混合料 二、疲劳特性

  35. 1．水泥砼及无机结合料处治的混合料 应力比：重复弯拉应力δr与一次加载出现的极限弯拉应力δf值之比δr/δf （1）随着δr/δf应力比增大出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低 （2）重复应力级位相同时，Nf变动幅度较大离散，符合对数正态分布， 须大量的试验 （3）回归分析 疲劳方程 （在半对数坐标上，Nf=102-107之间呈直线） 水泥砼 （4）当重复作用次数Nf=107时，应力比δr/δf=0.55，此时尚未发现有 疲劳现象 （5）当应力比δr/δf〈0.75时，重复应力施加的频率对实验结果影响微 小。无机结合料处治的混合料 疲劳特性与上述类似 但α，β值不同， 疲劳极限明显低于水泥砼

  36. 2．沥青混合料：简支小梁或圆柱体 • 方程： 以试件出现完全断裂未疲劳 以劲度模量下降到初始模量的50% 破坏标志，较厚的沥青面层 为标志，较薄的沥青面层适用 适用（下限15cm） （上限5cm） 条件相同实验 疲劳寿命Nf<< 疲劳寿命Nf/

  37. 3.曼诺（Miner）定律： 定义：各级荷载作用下材料所出现的疲劳破坏可以线性叠加pi作 用Ni次疲劳破坏 则pi作用1次相当于消耗疲劳寿命的1/Ni 综合疲劳损伤

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