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,,第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì),1,§2-1 行車荷載,汽車是路基路面的服務對象，路基路面的主要功能是長期保證車輛快速、安全、平穩(wěn)地通行。汽車荷載又是造成路基路面結(jié)構(gòu)損傷的主要成因。 因此，為了保證設計的路基路面結(jié)構(gòu)達到預計的功能，具有良好的結(jié)構(gòu)性能，首先應對行駛的汽車作分析，包括汽車輪重與軸重的大小與特性；不同車型車軸的布置；設計期限內(nèi)，汽車軸型的分布以及車軸通行量逐年增長的規(guī)律；汽車靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較等。,2,一、車輛的種類,道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。 客車又分為小客車、中客車與大客車。 小客車自身重量與滿載總重都比較輕，但車速高； 中客車一般包括6個座位至20個座位的中型客車； 大客車一般是指20個座位以上的大型客車（包括鉸接車和雙層客車),主要用于長途客運與城市公共交通。,3,4,5,6,貨車又分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車。 整車的貨廂與汽車發(fā)動機為一整體； 牽引半掛車的牽引車與掛車也是分離的，但是通過鉸接相互連接，牽引車的后軸也擔負部分貨車的重量，貨車廂的后部有輪軸系統(tǒng)，而前部通過鉸接懸掛在牽引車上。 牽引式掛車的牽引車與掛車是分離的，牽引車提供動力，牽引后掛的掛車，有時可以拖掛兩輛以上的掛車；,7,貨車---整車,8,牽引式半掛車,9,10,牽引式半掛車,11,牽引式掛車(拖車),12,13,14,汽車的總重量通過車軸與車輪傳遞給路面，所以路面結(jié)構(gòu)的設計主要以軸重作為荷載標準。 在道路上行駛的多種車輛的組合中，重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、小客車影響很小，有時可以不計。但是在考慮路面表面特性要求時，如平整性、抗滑性等，以小汽車為主要對象，因為小車的行駛速度高，所以要求在高速行車條件下具有良好的平穩(wěn)性與安全性。,15,二、汽軸軸型,對于路面結(jié)構(gòu)設計而言，更加重視汽車的軸重。 據(jù)國際道路聯(lián)合會1989年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在141個成員國和地區(qū)中，軸限最大的為140kN，近40％執(zhí)行100kN軸限，我國公路與城市道路路面設計規(guī)范中均以100kN作為設計標準軸重。通常認為我國的道路車輛軸限為100kN。,16,整車形式的客、貨車車軸分前軸和后軸。絕大部分車輛的前軸為二個單輪組成的單軸，軸載約為汽車總重力的1/3。極少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成，雙前軸的載重約為汽車總重的一半。汽車的后軸有單軸、雙軸和三軸三種。大部分汽車后軸由雙輪組組成，只有少量輕型貨車由單輪組成后軸。每一根后軸的軸載大約為前軸軸載的兩倍。 目前，在我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般在60－130kN范圍內(nèi)，大部分在100kN以下。,17,多軸貨車,由于汽車貨運向大型重載方向發(fā)展，貨車的總重有增加的趨勢，因此出現(xiàn)了各種多軸的貨車。 平板掛車，采用多軸多輪，以便減輕對路面的壓力。,18,,19,20,三、汽車對道路的靜態(tài)壓力,汽車對道路的作用可分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)。當汽車處于停駐狀態(tài)下，對路面的作用力為靜態(tài)壓力．主要是由輪胎傳給路面的垂直壓力，它的大小受下述因素的影響。 汽車輪胎的內(nèi)壓力pi ； 輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀； 輪載的大??；,21,汽車輪胎的內(nèi)壓力,貨車輪胎的標準靜內(nèi)壓力：一般在0.4－0.7MPa范圍內(nèi)。 通常輪胎與路面接觸面上的壓力p略小于內(nèi)壓力pi,約為(0.8－0.9)pi。 在輪胎軟而舊，或輪載超荷，或?qū)嶋H內(nèi)壓力比標準低很多，接觸壓力p才達到(1.1－1.3)pi. 車輪在行駛過程中，內(nèi)壓力會因輪胎充氣溫度升高而增加，因此，滾動的車輪接觸壓力也有所增加，達到(0.9－1.1)pi.,22,輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀,影響輪胎的剛度的因素：輪胎的新舊程度，接觸面的形狀和輪胎的花紋等等。 接觸面上的壓力分布是不均勻的。 輪胎與路面的接觸面形狀輪廓近似于橢圓形，因其長軸與短軸的差別不大，在工程設計中以圓形接觸面積來表示。 將車輪荷載簡化成當量的圓形均布荷載，并采用輪胎內(nèi)壓力作為輪胎接觸壓力.,23,24,雙圓荷載當量圓的直徑和半徑,當量圓半徑： P －作用在車輪上的荷載 p－輪胎接觸壓力 δ－接觸面當量圓半徑,,,25,對于雙輪組車軸，每一側(cè)的雙輪用一個圓表示，稱為單圓荷載；如用二個圓表示，則稱雙圓荷載。其當量圓直徑分別按下式計算： 雙圓荷載當量圓直徑 單圓荷載當量圓直徑 在標準軸載BZZ-100的P=100/4kN，p=700kPa，則d=0.213m，D=0.302m。,26,四、運動車輛對道路的動態(tài)影響,行駛狀態(tài)的汽車除了施加給路面垂直靜壓力之外，還給路面施加水平力、振動力。這些動力影響還有瞬時性的特征。 汽車在道路上等速行駛，車輪受到路面給它的滾動摩阻力，路面也相應受到車輪施加于它的一個向后的水平力； 汽車在上坡行駛，或者在加速行駛過程中，為了克服重力與慣性力，需要給路面施加向后的水平力，相應在下坡行駛或者在減速行駛過程中，為了克服重力與慣性力的作用，需要給路面施加向前的水平力。 汽車在彎道上行駛，為了克服離心力，保持車身穩(wěn)定不產(chǎn)生側(cè)滑，需要給路面施加側(cè)向水平力。汽車起動和制動過程中，施加于路面的為水平力。,27,附著系數(shù),車輪施加于路面的各種水平力值與車輪的垂直壓力，以及路面與車輪之間的附著系數(shù) 有關，其最大值不會超過垂直力P與 的乘積，即： 的最大值一般不超過0．7－0．8，同路面類型和濕度以及行車速度有關。 路面表面必須保持足夠的附著系數(shù)，這是保證正常行車的重要條件。但是從路面結(jié)構(gòu)本身來看，附著系數(shù)的大小直接關系結(jié)構(gòu)層承受的水平力荷載。在水平荷載的作用下，結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)，特別是面層結(jié)構(gòu)，直接遭受水平荷載作用，若是抗剪強度不足，將會導致推擠、擁包、波浪、車轍等破壞現(xiàn)象。,28,軸載波動,汽車在道路上行駛，由于車身自身的振動和路面的不平整，其車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，作用在路面上的輪載時而大于靜態(tài)輪載，時而小于靜態(tài)輪載，呈波動狀態(tài) 輪載的這種波動，可近似地看作為呈正態(tài)分布，其變異系數(shù)（標準離差與輪載靜載之比）主要隨下述三因素而變化： 1）行車速度：車速越高，變異系數(shù)越大； 2）路面的平整度：平整度越差，變異系數(shù)越大； 3）車輛的振動特性：輪胎的剛度低，減振裝置的效果越好，變異系數(shù)越小。 正常情況下，變異系數(shù)一般均小于0.3. 振動輪載的最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數(shù)，在較平整的路面上，行車速度不超過50km／h對，沖擊系數(shù)不超過1.30。,29,輪載瞬態(tài)作用,行駛的汽車對路面施加的荷載有瞬時性。車輪通過路面上任一點，路面承受荷載的時間大約只有0.01－0.10s左右。在路面以下一定深度處，應力作用的持續(xù)時間略長一點。 美國AASHO試驗路的試驗結(jié)果： 當行車速度由3．2km／h提高到56km／h，瀝青路面的總彎沉減少36％；當行車速度由3.2km／h提高到96.7km／h，水泥混凝土路面的板角撓度和板邊應變量減少29％左右. 動荷載作用下路面變形量的減小．可以理解為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對提高，或者是路面結(jié)構(gòu)強度的相對增大。,30,31,輪載的循環(huán)重復作用,汽車荷載對路面的多次重復作用也是一項重要的動態(tài)影響。 1、彈性材料在重復荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，也就是材料的強度將隨荷載重復次數(shù)的增加而降低。 2、彈塑性材料，如土基和柔性路面，在重復荷載作用下，將呈現(xiàn)出變形的逐漸增大，稱為變形的累積。 所以對于路面設計，不僅要重視軸重靜力與動力的量值，道路通行的各類軸載的通行數(shù)量也是重要的因素。,32,五、交通分析,路面結(jié)構(gòu)設計中，要考慮設計年限內(nèi)，車輛對路面的綜合累計損傷作用，必須對現(xiàn)有的交通量、軸載組成以及增長規(guī)律進行調(diào)查和預估，并通過適當?shù)姆绞綄⑺鼈儞Q算成當量標準軸載的累計作用次數(shù)。,33,,,,34,1、交通量,交通量是指一定時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量。 可以通過現(xiàn)有的交通流量觀測站得到調(diào)查資料，也可以根據(jù)需要，設臨時設站進行觀測。 根據(jù)月分布不均勻系數(shù)、日分布不均勻系數(shù)和小時分布換算系數(shù)，將臨時觀測結(jié)果按相應的換算系數(shù)換算成年平均日交通量。,35,對于路面結(jié)構(gòu)設計，要收集交通總量，還必須區(qū)分不同的車型。目前各地觀測站進行交通量調(diào)查，將車輛分成11類：小型貨車、中型貨車、大型貨車、小型客車、大型客車、拖掛車、小型拖拉機、大中型拖拉機、自行車、人力車和畜力車。 小型貨車、小型客車、拖拉機和非機動車可忽略不計，這些車輛所占的比例應從總量中扣除。其余各類列入統(tǒng)計范疇的車輛按軸型和軸載大小分類（單后軸貨車、雙后軸貨車、牽引拖掛車、牽引半拖掛車等）和分級統(tǒng)計。,36,有交通量觀測站配置有自動化的軸載儀直接記錄通行車輛的軸數(shù)和軸載大小，然后按軸載大小分類統(tǒng)計累計軸載數(shù)，這種調(diào)查稱為軸載譜的調(diào)查。軸載譜調(diào)查與交通量的統(tǒng)計相互進行校核與補充。 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增長的，要確定路面設計年限內(nèi)的總交通量，還需要預估該年限內(nèi)交通的發(fā)展。 交通量調(diào)查，經(jīng)濟增長速度,37,交通量的計算,初始年平均交通量,每日實際交通量,然后通過調(diào)查研究，分析論證，以確定交通量年平均增長率。,設計年限內(nèi)的累計交通量,設計的初始年平均日交通量,設計的末年年平均日交通量,設計年限內(nèi)交通量年平均增長率,設計年限,38,2．軸載組成與等效換算,不同重力的軸載給路面結(jié)構(gòu)帶來的損傷程度是不同的。對于路面結(jié)構(gòu)設計，除了設計期限的累計交通量之外，另一個重要的交通因素便是各級軸載所占的比例在軸載組成或軸載譜。 由交通調(diào)查得到某類車輛每日通行的軸載數(shù)，乘以相應的軸載譜百分率，即可推算出所有車輛各級軸載的作用次數(shù)。,39,,40,道路上行駛的汽車軸載與通行次數(shù)可以按照等效原則換算為某一標準軸載的當量通行次數(shù)，我國水泥混凝土路面設計規(guī)范和瀝青路面設計規(guī)范均選用雙輪組單軸軸載l00kN作為標準軸載。 各種軸載的作用次數(shù)進行等效換算的原則是，同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的損傷程度。 瀝青路面、水泥混凝土路面和半剛性路面的結(jié)構(gòu)特性不同，損傷的標準也不相同，因而系數(shù)a和n取值各不相同。,41,軸載換算系數(shù)公式,42,3．輪跡橫向分布,車輛在道路上行駛時，車輪的軌跡總是在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點上，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上，稱為輪跡的橫向分布。,,43,44,軸載通行次數(shù)分布頻率曲線中的直方圖條帶寬為25cm，大約接近輪跡寬度，以條帶上受到的車輪作用次數(shù)除以車道上受到的作用次數(shù)作為該條帶的頻率。 輪跡橫向分布頻率曲線圖形隨許多因素如：交通量、交通組成，車道寬度、交通管理規(guī)則等而變化，需分別各種不同情況，通過實地調(diào)查，才能確定。 在路面結(jié)構(gòu)設計中，用橫向分布系數(shù)η來反映輪跡橫向分布頻率的影響。通常取寬度為二個條帶的寬度，即50cm，因為雙輪組每個輪寬20cm，輪隙寬10cm。這時的二個條帶頻率之和稱為輪跡橫向分布系數(shù)。,45,§2-2 環(huán)境因素的影響,路基路面結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣之中，經(jīng)受著自然環(huán)境因素的影響。溫度和濕度是對路基路面結(jié)構(gòu)有重要影響的自然環(huán)境因素。 圖2－9給出了瀝青混凝土的動彈性模量隨溫度升高而降低的情況，圖2－l0所示為路基回彈模量隨濕度增長而急劇下降的情況。,46,47,48,路基土和路面材料的體積隨路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度和濕度的升降而引起膨脹和收縮。 溫度和濕度： 1 隨環(huán)境而變 2 沿著結(jié)構(gòu)的深度呈不均勻分布 因此材料漲縮也是變化的。 如果不均勻的脹縮受到約束而不能完全實現(xiàn)時，路基和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)便會產(chǎn)生附加應力，即溫度應力和濕度應力。,49,如不能充分估計這種因自然環(huán)境因素變化產(chǎn)生的后果，則路基路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載和自然因素共同作用之下，將提前出現(xiàn)損壞，縮短路面的使用年限。 因此，應考慮自然因素的影響。,50,溫度因素 大氣的溫度在一年四季和一晝夜之間發(fā)生著周期性的變化，受大氣直接影響的路面溫度也相應地在一年之間和一日之間發(fā)生著周期性的變化。 圖2-11和圖2-12分別顯示了夏季晴天，瀝青面層和水泥混凝土面層內(nèi)溫度的晝夜變化觀測結(jié)果。 瀝青路面，由于吸熱量高，溫度增值的幅度超過水泥混凝土路面。面層結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度處的溫度同樣隨氣溫的變化呈周期性變化，升降的幅度隨深度的增加而減小，其峰值的出現(xiàn)時間也隨深度的增加而滯后。,51,溫度因素 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度隨深度的分布狀況，可以從一天內(nèi)不同時刻的路面溫度隨深度的分布曲線圖中看到。見圖2-l3與圖2-14。 溫度梯度的變化與氣溫的變化大致是同步的，具有周期性特點。 除了日變化之外，一年四季面層不同深度處的溫度還隨氣溫的變化而經(jīng)歷著年變化，圖2－15所示為瀝青面層不同深度處的月平均氣溫變化的情況，可以看出，平均氣溫最高和最低的7月和二月份，面層的平均氣溫也相應為最高值和最低值。,52,53,54,溫度因素 影響路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況的因素很多，可分為外部和內(nèi)部兩類。 外部條件主要是氣象條件，如太陽輻射、氣溫、風速、降水量和蒸發(fā)量等。太陽輻射和氣溫是決定路面溫度狀況的二項最重要的因素。 內(nèi)部因素則為路面各結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù)，如熱傳導率、熱容量和對輻射熱的吸收能力等。,55,56,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度狀況，可通過在外部和內(nèi)部影響因素之間建立聯(lián)系的方法來預估。這種方法有兩類，即統(tǒng)計方法和理論方法。 統(tǒng)計方法就是在路面結(jié)構(gòu)層的不同深處埋設測溫元件，連續(xù)觀測年循環(huán)內(nèi)不同時刻的溫度變化，同時收集當?shù)氐臍庀筚Y料，包括對應的氣溫和輻射熱等，對記錄的路面溫度和氣象因素進行逐步回歸分析。選擇符合顯著性檢驗要求的因素，分別建立不同深度處各種路面溫度指標的回歸方程式，如式所示。,57,由于統(tǒng)計方法不可能包含所有的復雜因素，所以計算的精確度有地區(qū)局限性，只可以在條件相似的地區(qū)參考使用。理論法是應用熱傳導理論方程式推演出各項氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預估方程式。通常，由于參數(shù)確定的難度大、理論假設的理想化，預估的結(jié)果與實測結(jié)果有一定的差距。,58,濕度因素 大氣濕度的變化，通過降水、地面積水和地下水浸入路基路面結(jié)構(gòu)，是自然環(huán)境影響的另一個重要方面。它除了影響路基土濕度的變化，使路基產(chǎn)生各種不穩(wěn)定狀態(tài)之外，對路面結(jié)構(gòu)層也有許多不利的影響。 路基路面結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性在很大程度上取決于路基的濕度變化。例如在北方季節(jié)性冰凍地區(qū)，冰凍開始時，路基水分向凍結(jié)線積聚形成凍脹，春暖融凍初期形成翻漿的現(xiàn)象較普遍。而在南方非冰凍區(qū)，當雨季來臨時，未能及時排除的地面積水和離地面很近的地下水將使路基土浸潤而軟化。,59,濕度因素,保持路基干燥的主要方法是設置良好的地面排水設施和路面結(jié)構(gòu)排水設施，經(jīng)常養(yǎng)護，保持暢通。 地下水對路基濕度的影響隨地下水位的高低與土的性質(zhì)而異。通常認為受地下水影響的高度對粘土為6m，砂質(zhì)粘土或粉土約為3m，砂土為0.9m。在這個深度范圍內(nèi)，路基濕度受地下水位控制，其影響程度隨土質(zhì)而異。在這個范圍以上部分，路基濕度主要受大氣降水，蒸發(fā)以及地面排水控制。對于干旱地區(qū)，路基的濕度主要受空氣相對濕度的控制，受降水的影響很小，相當于當?shù)馗采w土相同深度處的濕度。,60,61,面層的透水性對路基路面的濕度有很大影響。不透水的面層結(jié)構(gòu)，將減少降水和蒸發(fā)的影響。在道路完工二、三年內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)與路基上部中心附近的濕度逐漸趨向穩(wěn)定。對于透水的面層結(jié)構(gòu)，若不作專門處理，則路面結(jié)構(gòu)和上層路基的濕度狀況將受到降水和蒸發(fā)的影響而產(chǎn)生季節(jié)性的變化。 路肩以下路基濕度的季節(jié)性變化對路面結(jié)構(gòu)及以下的路基也有影響。通常在路面邊緣以內(nèi)lm左右，濕度開始增大，直至路面邊緣與路肩下的濕度相當。路肩如果經(jīng)過處治，防止雨水滲入，則路面下的土基濕度將趨向于穩(wěn)定，與路基中心濕度相當。,62,§2-4 土基的承載能力,用于表征土基承載力參數(shù)指標有:回彈模量、地基反應模量、加州承載比（CBR）等 一、土基回彈模量 回彈模量能較好地反映土基所具有的部分彈性性質(zhì)，所以，在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時，可以用回彈模量表示土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質(zhì)。我國公路路面和公路剛、瀝青路面設計方法中，都以回彈模量E作為土基的剛度指標，為了模擬車輪(或車輪)印跡的作用，通常都以圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量。,63,柔性承載板和剛性承載板測定土基回彈模量,,圖2-20土基在圓形承載板下的壓力與撓度分布曲線,（a）柔性承載板 （b）剛性承載板,64,用柔性承載板測定土基回彈模量時，土基與承載板之間的接觸壓力為常量，如圖2-20a)所示，即： 承載板的撓度l(r)與坐標r有關，在承載板中心處(r=0)，即：,,,65,在柔性承載板邊緣處(r=a)，其撓度可以按下式計算 ：,,66,用剛性承載板測定土基回彈模量時，承載板上土基頂面的撓度為等值，不隨坐標r而變化。但是板底接觸壓力則隨r值而變化，成鞍形分布，如圖4-6b)所示，其撓度l值和接觸壓力p(r)值可分別按式(4-7)與(4-8)計算。,,,67,式中各項：l——承載板撓度(m)； p(r)——接觸壓力(MPa)； r——計算點離承載板中心的距離(m)； P——總壓力(MN)： p——單位壓力(MPa)； a——承載板半徑(m)。,68,二、地基反應模量,土基回彈模量是表征彈性半空間體地基荷載與變形的關系，地基反應模量是表征文克勒地基的變形特性。文克勒地基模型基本假定是地基上任一點的彎沉l，僅與作用于該點的壓力p成正比，而與相鄰點處的壓力無關，反映壓力與彎沉值關系的比例常數(shù)k稱為地基反應模量，即： （4-9） 式中 k——地基的反應模量(MPa/m或MN/m3)； p——單位壓力(MPa)； l——彎沉值(m)。,,69,根據(jù)假定，可以把地基看作是無數(shù)彼此分開的小土柱組成的體系，或者是無數(shù)互不相聯(lián)的彈簧體系，如下圖所示。文克勒地基又可稱為稠密液體地基，地基反應模量k相當于液體的密度，地基反力相當于液體的浮力。,,圖2-22文克勒地基模,70,地基反應模量k值，用剛性承載板試驗測定，通過逐級加載測定相應的總彎沉值，得到荷載-彎沉曲線，如圖所示。,,地基反應模量k同承載板直徑D的關系,71,三、加州承載比CBR,加州承載比CBR是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用標準碎石的承載能力為標準，以相對值的百分數(shù)表示CBR值。這種方法后來也用于評定土基的強度。,72,CBR試驗方法,CBR室內(nèi)試驗裝置如圖所示。在直徑15.24cm、高17.78cm的金屬筒內(nèi)，放入12.70cm高的試樣。試樣安土基施工時的含水量和密實度在試筒內(nèi)制備。并將試樣浸水四晝夜，以模擬土基的最不利工作狀態(tài)。為模擬路面結(jié)構(gòu)對土基的作用，在試樣浸水過程中及壓入試驗時，在其頂面施加環(huán)形砝碼，其大小根據(jù)路面結(jié)構(gòu)狀況確定，但不得小于45.3N，通常情況下采用111.2N，壓入的金屬圓柱壓頭底面積為19.35cm。,,CBR室內(nèi)試驗裝置,73,,試驗時，荷載按試件頂面每分鐘壓入變形0.127cm的速度施加，記錄每壓入0.254cm時的單位壓力p值，直至壓入變形量達到1.27cm時為止。標準碎石的承載力由試驗測得，見下表。,74,CBR值按下式計算： 式中 p——試件材料在一定貫入值情況下的單位壓力(MPa)； p0——標準碎石要相同貫入值情況下的單位壓力(MPa)；,,75,§2-5 路面材料的力學強度特性,路面材料，按其不同的形態(tài)及成型性質(zhì)大致可分為三類： 1）松散顆粒型材料及塊料； 2）瀝青結(jié)合料類； 3）無機結(jié)合料類； 路面材料在車輪荷載和環(huán)境因素的作用下所表現(xiàn)出的力學強度特性，對路面的使用品質(zhì)和使用壽命有重大影響。,76,一、抗剪強度,路面結(jié)構(gòu)層因抗剪強度不足而產(chǎn)生破壞的情況有以下三種： 1）路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，總體剛度不足，車輪荷載通過薄層結(jié)構(gòu)傳給土基的剪應力過大，導致路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞； 2）無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠?，?nèi)部剪應力過大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞； 3）面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強度較低，如高氣溫條件下的瀝青面層；級配碎石面層等，經(jīng)受較大的水平推力時，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞。,77,摩爾強度理論,材料的抗剪強度包括摩擦阻力和粘結(jié)力兩部分組成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正應力成正比；粘結(jié)力為材料固有性質(zhì)，與法向正應力無關，即：,一材料的內(nèi)摩阻角。,一抗剪強度，kPa；,C 一材料的粘結(jié)力，kPa；,一法向正應力，kPa；,78,用 3 ～ 4 個相同的土樣，采用不同的垂直壓力，測得 3 ～ 4 組 ( s 、 t max ) 的數(shù)據(jù)，繪制 s - t曲線，由此 求得抗剪強度指標 c 、 值、 。,,79,C和φ是表征路面材料抗剪強度的兩項參數(shù)，可以通過直接剪切試驗，繪出曲線后，按上式確定。對于松散粒料無法進行直剪試驗時，可以由三軸壓縮試驗，繪制摩爾圓和相應的包絡線，按上式直線關系近似確定C、 φ值。 三軸試驗試件的直徑應大于集料中最大粒徑的4倍，試件的高度和直徑之比不小于2。目前普遍使用試件直徑為10cm，高為20cm，粒料最大粒徑不應大于2.5cm。 瀝青混合料經(jīng)受剪切時，除了礦質(zhì)顆粒之間存在摩擦阻力之外，還有粒料與瀝青的粘結(jié)力以及瀝青膜之間的粘滯阻力共同形成抗剪強度。因此瀝青混合料的抗剪強度與瀝青的粘度、用量、試驗溫度、加荷速率等因素有關。,80,,81,82,二、抗拉強度,瀝青路面、水泥混凝土路面及各種半剛性基層在氣溫急驟下降時產(chǎn)生收縮，水泥混凝土路面和各種半剛性基層在大氣濕度變化時，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當材料的抗拉強度不足以抵抗上述拉應力時，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生拉伸斷裂。 路面材料的抗拉強度主要由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力所提供。可以采用直接拉伸或間接拉伸試驗，測繪應力一應變曲線，取曲線的最大應力值為抗拉強度。,83,直接拉伸試驗: 是將混合料制成圓柱形試件，試件兩端粘結(jié)在有球形鉸結(jié)的金屬蓋帽上，通過安裝在試件上的變形傳感器，測定試件在各級拉應力下的應變值。,84,間接拉伸試驗:即劈裂試驗，是將混合料制成圓柱形試件，直徑為D，高度為h，試驗時通過壓條，沿直徑方向按一定的速率施加荷載，直至試件開裂破壞,85,水泥混凝土劈裂抗拉強度測試采用邊長為150m的立方塊試件， 瀝青混合料是溫度敏感性材料，其抗拉強度與溫度有關，在常溫條件下，隨著試驗溫度增加，抗拉強度減小；在負溫條件下，隨著溫度降低，抗拉強度增大。,86,三、抗彎拉強度,用水泥混凝土，瀝青混合料以及半剛性路面材料修筑的結(jié)構(gòu)層，在車輪荷載作用下，處于受彎曲工作狀態(tài)。由車輪荷載引起的彎拉應力超過材料的抗彎拉強度時，材料會產(chǎn)生彎曲斷裂。 路面材料的抗彎拉強度，大多通過簡支小梁試驗進行評定。小梁截面邊長的尺寸應不低于混合料中集料最大粒徑的4倍。通常采用三分點加載。 我國現(xiàn)行水泥混凝土試驗規(guī)程（JTJ053－94）規(guī)定，混凝土抗折強度標準試件尺寸為150mmx150mmx550mm，集料粒徑應不大于40mm。如確有必要，允許采用 100mmx100mmx400mm試件，集料粒徑應不大于30mm。,87,,88,四、應力－應變特性,路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下的應力、應變和位移量，不僅同荷載狀態(tài)有關，還取決于路面材料的應力一應變特性。 無結(jié)合料碎、礫石材料可以由三軸壓縮試驗所得到的應力一應變關系曲線求得表征其應力一應變特性的回彈模量值． 無結(jié)合料碎、礫石材料的應力一應變特性具有明顯的非線性特征，即彈性模量隨偏應力的增大而減小，隨側(cè)壓力的增大而增大。根據(jù)大量試驗，碎、礫石材料的回彈模量值可以用下列形式表示：,89,由回歸分析得到，一般情況下碎石集料的K1變動于7.0－15.7；K2變動于0.46－0.64之間。,90,碎、礫石材料的回彈模量值同材料的級配、顆粒形狀、密實度等因素有關，取值范圍為100－700MPa。 水泥混凝土混合料抗壓強度和抗壓彈性模量測定用的單軸試驗取150mm X 150mm X300mm的直角棱柱體試件。先測定抗壓強度然后取同樣的試件施加 40％的抗壓強度用于測定抗壓回彈模量，用傳感器或千分表記錄軸向壓縮變形量。混凝土的抗壓彈性模量按下式計算：,91,92,無機結(jié)合料混合料的應力一應變關系曲線呈現(xiàn)出非線性狀，其彈性模量是三向主應力的函數(shù)。在應力級位較低時（低于極限應力50％),應力一應變曲線可近似看作是線性的。按回彈應變量確定的回彈模量值，可以近似看作為常數(shù)。 在不具備三軸壓縮試驗條件時，可以采用室內(nèi)承載板法測定無機結(jié)合料混合料早期抗壓回彈模量。用于承載板法試驗的試件取直徑 x高＝150mm x 150mm，承載板直徑 37．4mm，面積11cm。試驗時取承載板的單位壓力為200－700kPa，分級加載，同時記錄承載板的沉降量，回彈模量值按式計算：,93,94,水泥混凝土路面與無機結(jié)合料處治的混合料基層，在車輪荷載作用下處于彎曲受力狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)分析時，采用相應的計算參數(shù)抗折彈性模量。測量抗折彈性模量所用的試件尺寸與測量抗折強度時所用的小梁試件相同，加載方法也相同。取抗折強度對應荷載的50％，作為最大荷載，加載時同時記錄小梁跨中的撓度。,95,瀝青混合料應力一應變特性的測試方法與以上各種材料所用的方法相類似，在低溫條件下可以用單軸試驗或小梁試驗，在高溫條件下，由于瀝青材料的溫度敏感性強，用三軸壓縮試驗更能符合實際受力狀態(tài)。 瀝青混合料的應力一應變特性同上述材料有很明顯的不同。由于混合料中的瀝青材料具有依賴于溫度和加荷時間的粘一彈性性狀，因此，瀝青混合料在荷載作用之下的應力一應變具有隨溫度和荷載作用時間而變化的特性。,96,對瀝青混合料進行三軸壓縮試驗，在不變應力的作用下，可以得出應變同應力作用時間的關系曲線，如圖2－31所示。,97,考慮到溫度與加荷時間對瀝青混合料力學特性的影響，用勁度模量表征其應力一應變關系。瀝青混合料的勁度模量是在給定溫度和加荷時間條件下的應力一應變比值，用式表示：,98,99,瀝青混合料的勁度模量實質(zhì)上就是在特定溫度與特定加荷時間條件下的常量參數(shù)。 圖2-32：時溫等效效應：溫度對勁度的影響與加荷時間對勁度的影響具有等效互換性。利用這一個重要性質(zhì)可以廣泛研究它的各項性能以及相互之間的關系.,100,,101,§2-7路面材料的累積變形與疲勞特性,路面結(jié)構(gòu)在荷載應力重復作用下，可能出現(xiàn)的破壞極限狀態(tài)有二類： 第一類，若路面材料處于彈塑性工作狀態(tài)，則重復荷載作用將引起塑性變形的累積，當累積變形超出一定限度時，路面使用功能將下降至允許限度以下，出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)； 第二類，路面材料處于彈性工作狀態(tài)，在重復荷載作用之下雖不產(chǎn)生塑性變形，但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生微量損傷，當微量損傷累積達到一定限度時，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂，出現(xiàn)破壞極限狀態(tài)。 累積變形與疲勞破壞這二種破壞極限的共同點就是破壞極限的發(fā)生不僅同荷載應力的大小有關，而且同荷載應力作用的次數(shù)有關。,102,,103,水泥混凝土路面在重復荷載作用之下易出現(xiàn)疲勞破壞；瀝青路面在低溫環(huán)境中，基本上處于彈性工作狀態(tài)，因此出現(xiàn)疲勞破壞，而在高溫環(huán)境中，處于彈塑性工作狀態(tài)，因此出現(xiàn)累積變形。 在季節(jié)性溫差很大的地區(qū)，瀝青路面兼有疲勞破壞和累積變形兩種極限狀態(tài)。 無機結(jié)合料處治的半剛性路面材料，在早期（1至3個月）處于低塑性的彈塑性狀態(tài)，在此之后，基本處于彈性狀態(tài)，因此，在使用期間，主要的極限狀態(tài)是疲勞破壞。 以粘土為結(jié)合料的碎、礫石路面，由于混合料中的細粒粘土受大氣濕度影響，因此路面結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，塑性變形的累積是極限狀態(tài)的主要形式。,104,1、累積變形,路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載重復作用下因塑性變形累積而產(chǎn)生沉陷或車轍，是路面結(jié)構(gòu)的主要病害。這種永久性的變形是路基路面各結(jié)構(gòu)層材料塑性變形的綜合。它不僅同荷載的大小，作用次數(shù)以及路基土的性狀有關，也受路面各結(jié)構(gòu)層材料變形特性的影響。,105,A、碎、礫石混合料,碎、礫石混合料在重復應力作用下的塑性變形累積規(guī)律同細粒土相似。圖2-33所示是一種級配良好的混合料的重復加載試驗結(jié)果。由圖可見，當偏應力內(nèi)低于某一數(shù)值時，塑性變形隨作用次數(shù)增加而增加，且逐漸趨向穩(wěn)定。重復次數(shù)大于104次后，達到一平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)的應變量同比值大小有關。當偏應力較大時，塑性變形量隨作用次數(shù)增加而不斷增長，直至破壞。 級配不良、顆粒尺寸單一的混合料，在應力重復作用很多次以后，塑性變形仍有增大趨勢。含有細粒過多的混合料，由于混合料密實度降低，變形累積過大，因此均不宜用于修筑路面。,106,107,B、瀝青混合料,由圖2－34(密實型瀝青碎石混合料)可以看出塑性應變量隨重復作用次數(shù)的增加而增加的情況。溫度越高，塑性應變累積量越大。許多試驗結(jié)果表明，在同一溫度條件下，控制累積應變量的是加荷時間的總和，而不僅是重復作用的次數(shù)；加荷頻率以及應力循環(huán)的間隔時間對累積應變一時間關系的影響不大。 影響累積變形的因素，除了溫度、施加應力大小以及加荷時間之外，同集料的狀況也有關系。有棱角的集料比圓角的集料能獲得較高的勁度模量，因此累積變形量較?。幻軐嵓壟涞臑r青混合料比開級配瀝青混合料的累觸形量?。淮送鈮簩嵉姆椒?，壓實的程度對變形累積的規(guī)律都有一定影響。,108,2、疲勞特性,對于彈性狀態(tài)的路面材料承受重復應力作用時，可能在低于靜載一次作用下的極限應力值時出現(xiàn)破壞，這種材料強度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞的出現(xiàn)，是由于材料微結(jié)構(gòu)的局部不均勻，誘發(fā)應力集中而出現(xiàn)微損傷，在應力重復作用之下微量損傷逐步累積擴大，終于導致結(jié)構(gòu)破壞，稱為疲勞破壞。 出現(xiàn)疲勞破壞的重復應力值（即疲勞強度），隨重復作用次數(shù)的增加而降低。有些材料在應力重復作用一定次數(shù)（例如106－107次）后，疲勞強度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此穩(wěn)定值稱為疲勞極限。當重復應力低于此值時，材料可經(jīng)受無限多次的作用而不出現(xiàn)破壞。 研究疲勞特性的主要目的是探索提高疲勞強度，延長路面使用年限，為路面設計提供參數(shù)。,109,A. 水泥混凝土及無機結(jié)合料處治的混合料,此類材料的疲勞性能研究，可通過對小梁試件施加重復應力來進行。將重復彎拉應力與一次加載得出的極限彎拉應力（抗折強度）值之比稱為應力比。繪制應力比與重復作用次數(shù)的關系曲線，稱為疲勞曲線，由疲勞曲線，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律： 1）隨著應力比的增大，出觀疲勞破壞的重復作用次數(shù)Nf降低； 2）重復應力級位相同時，Nf的變動幅度較大，表明試驗結(jié)果離散，但其概率分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布，因此，若要得到可靠的均值必須進行大量的試驗；,110,3）通過回歸分析，可得到描述應力比和作用次數(shù)關系的疲勞方程。 4）當重復作用次數(shù)為Nf=107時，應力比＝0.55，此時尚未發(fā)現(xiàn)有疲勞現(xiàn)象； 5）當應力比＜0.75時，重復應力施加的頻率對試驗結(jié)果(即疲勞方程）的影響很微小。 無機結(jié)合料處治的混合料其疲勞特性同水泥混凝土相類似，但疲勞方程的系數(shù)值則有所不同，疲勞極限明顯比水泥混凝土低。,111,B.瀝青混合料,瀝青混合料疲勞特性的室內(nèi)試驗可以用簡支小梁或圓柱體試驗等方法進行。由于瀝青混合料的勁度模量較低，在應力反復加荷過程中，試件的受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，為此根據(jù)不同的要求有兩種試驗方法：控制應力和控制應變試驗。 控制應力試驗是在試驗過程中保持荷載或應力值始終不變，而應變量的增長速率不斷增加；控制應變試驗，是在試驗過程中不斷調(diào)節(jié)所施加的荷載或應力值，使應變量始終保持不變。在試驗中材料的勁度仍不斷下降，保持不變應變量所需要的力不斷減小。,112,控制應力試驗，材料的疲勞破壞往往以試件出現(xiàn)斷裂為標志?？刂茟冊囼灒⒉粫霈F(xiàn)明顯的疲勞破壞現(xiàn)象，可以以勁度模量下降到初始模量值的5O％作為疲勞破壞的標準。在條件相同的試驗中，控制應變試驗所得到的材料疲勞壽命比控制應力試驗所得的結(jié)果大得多。 采用控制應力試驗方法得到的重復彎拉應力和疲勞破壞作用次數(shù)，在雙對數(shù)坐標上呈直線型，即可以用以下方程估算材料的疲勞壽命： 式中參數(shù)為由試驗得到的回歸常數(shù)，與混合料性質(zhì)、溫度和其它試驗條件有關。 采用控制應變試驗方法，也可得到同式相似的疲勞方程式。但是從試驗結(jié)果看來，有同控制應力試驗方法相反的規(guī)律，即隨著溫度的升高（即勁度降低），材料的疲勞壽命反而增加。,113,行駛在路面上的車輛，對路面施加的是軸載和接觸壓力，不是變形，從這個意義來看，整個路面結(jié)構(gòu)受應力控制，因而對于較厚的瀝青面層，它的強度在路面結(jié)構(gòu)體系中起主要作用，應采用控制應力試驗方法； 而對于較薄的瀝青面層，它本身不發(fā)揮承重層作用，而是隨基層共同產(chǎn)生位移，挪用控制應變試驗方法。 莫尼史密斯（Monisndth）等人提出，厚面層厚度的下限約為15cm，薄面層厚度的上限約為5cm，處于兩者之間的厚度，可采取其中任何一種方法進行試驗。,試驗方法的選擇,114,,115,3、Miner定律,在疲勞試驗中，為了簡化，通常都采用單一不變的應力或應變作為重復加載的基本模式。而實際路面受到的是重力不同的車輛荷載，要把室內(nèi)單一加荷基本模式得到的疲勞方程式應用于路面結(jié)構(gòu)分析，還需解決如何綜合不同荷載的疲勞作用問題。 目前，常用曼諾在研究金屬疲勞時所作出的假定來處理以上的問題：各級荷載作用下材料所出現(xiàn)的疲勞損壞可以線性疊加。假設某一級荷載pi作用Ni次后使材料達到疲勞破壞，則該級荷載作用一次相當于消耗了材料疲勞壽命的1／Ni?，F(xiàn)有P1，P2…Pi級荷載，分別作用N1，N2…Nj次后，材料均可達到疲勞破壞，而實際上各級荷載的作用次數(shù)分別為n1,n2…nj次，則相應于各級荷載消耗的材料疲勞壽命分別為n1／N1,n2／N2… n3/Nj.在各級荷載作用之下．材料的綜合疲勞損傷為其加權之和：,116,提高路面抗疲勞性能,疲勞破壞是路面結(jié)構(gòu)損傷的主要現(xiàn)象，路面材料的抗疲勞性能直接關系到路面的使用壽命。 提高路面的抗疲勞性能應該注意從兩方面加強配合: 一是合理的材料設計，使混合料達到最佳配合比和最大密度，使混合料具有較高的強度； 另一方面是合理的結(jié)構(gòu)設計，使得各結(jié)構(gòu)層的層位與厚度達到理想的程度，在車輛荷載作用之下，確保結(jié)構(gòu)層的最大應力和應力比在控制范圍以內(nèi)。,117,