國家級國家級精品課程——《路基路面工程第九行車荷載、自然環境材料特長安大學公路學張久鵬博士、副教主主要內主要內主要內第一第二第三第四行車荷交通分自然環境對路面的作路面材料力學特第一第一行車荷汽車荷載的特性包括汽車輪重與軸重、車軸布置、汽車軸載的時間分布特性、以及汽車靜與動態荷載的特性比較等不同方面第一第一1、車輛的類行車荷道路上通行的汽車主要分為客車與貨車兩大類客第一1、車輛的類第一1、車輛的類行車荷道路上通行的汽車主要分為客車與貨車兩大類客車分為轎車（小客車）、客車（大客車轎車（小客車）：2-8人，微型、輕型、中型和大質量一般大于1.2t，車速大于客車（大客車）：9人以上，大于10t，車速大于類總質量總長小中4-6-大11-9-鉸接雙9-第一第一1、車輛的類行車荷道路上通行的汽車主要分為客車與貨車兩大類貨第一第一1、車輛的類行車荷道路上通行的汽車主要分為客車與貨車兩大類輕型重型以上）也可分為整車、牽引式掛車和牽引式半掛車第一第一1、車輛的類行車荷路面結構設計中主要考慮大客車與貨車兩大類汽車及其客貨總重量通過車身傳遞到車軸，再傳遞到車輪，最終由輪胎傳遞到路面，因此，路面結構設計主要以軸重或者輪壓來進行控制第一第一2、汽車的軸行車荷整車形式的客、貨車，分前軸、后前軸單軸單輪（軸重約1/3P）后軸：單軸雙雙軸雙多軸雙輪（三及軸以上標準軸載：BZZ-第一汽車的第一汽車的軸 行車荷第一第一軸型簡化 行車荷第一3、靜態壓行車荷第一3、靜態壓行車荷輪胎對路面的靜態壓力與胎內壓接近，壓面近似圓形，直徑由p、P來計算，p可近似取輪胎氣壓PPD路P我國現行規范D單圓圖第一3、靜態壓行車荷輪胎對路面的第一3、靜態壓行車荷輪胎對路面的靜態壓力與胎內壓接近，壓面近似圓形，d由p、P來計算，p可近似取輪胎氣壓pdPPddd路PP我國現行規范d=0.213m，中心距dd雙圓圖第一行車荷4、運動車輛對道路的第一行車荷4、運動車輛對道路的動態影道路上行駛的汽車除給路面施加垂直靜壓力外，還加水平力和振動力，對路面固定點而言，這種影響又具有瞬時性和重復性。VPPPP QQ 圖2-3車輪作用于路面的垂直壓力與水平壓a)停駐；b)啟動、一般行駛、加速；c)減速、制動；d)轉第一行車荷第一行車荷4、運動車輛對道路的動態影1）水平力行車安全要求xp?j，其中j為路2）振動力病害路面點的車輪作用時間約為0.01~0.10s，變形來不呈現，瞬時作用利于結構，但多次重復作用又易使其疲勞第一行車荷4、運動車輛對道路的動第一行車荷4、運動車輛對道路的動態影路表與車輪的附著系車速路面狀路面類碎瀝青混凝水泥混凝————干——潮——第二第二交通分1、交通量和累計交通交通量調查與分調查內容包括交通總量、車型分布、軸型軸載、實載率等，有的還調查軸載譜分析主要是確定交通量年平均增長率，并求算獲得對路面結構設計而言，更重要的是軸載，各不同軸載應根據某一指標按其對路面結構的損傷作用的等效性換算成其它軸載的作用次數，從而可使用標準軸載來綜合累計第二交第二交通分1、交通量和累計交通交通量調查與分設計年《公路工程技術標準》JTGB01-高速公路和具干線功能的一級公路按20公路以及二三級公路應按15年預測，四級公路據實際情況確定《公路瀝青路面設計規范》JTGD50-《公路水泥混凝土路面設計規范》JTGD40-1、交通量和累1、交通量和累計交通 N1第二第二交通分2、軸載組成與軸載換軸載譜：不同軸載的作用次數的頻率組成即為軸第二第二交通分2、軸載組成與軸載換軸載換基本原則①等破壞原則：達到相同的損傷程②等厚度原則：最終設計的厚度相軸載換算公式第二第二交通分瀝青路面軸載換算系數公式第二第二交通分瀝青路面軸載換算系數公式第二第二交通分水泥混凝土路面軸載換算系數公式第二3、輪第二3、輪跡橫向分交通分輪跡橫向分布頻率曲（單向行駛一個車道輪跡橫向分布頻率曲（混合行駛雙車道描述橫向分布的系數有兩個車道系輪跡橫向分布系第二第二4、累計當量軸瀝青路交通分第二4第二4、累計當量軸水泥路交通分第三第三自然環境對路面的作1、溫度的作溫度造成水泥砼路面的溫度應力及條塊分第三第三自然環境對路面的作1、溫度的作溫度造成瀝青路面塑性變形累積及低溫開第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下氣468時刻瀝青面層溫度日變化曲圖2-溫第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下氣第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下氣01234567月891圖2-瀝青面層月平均溫度的年變化曲溫第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下第三自然環境對路面的作2、溫度場的變表面下氣82468時刻水泥混凝土面層溫度日變化曲圖2-溫第三自然環境對路面的作2、溫度場的變溫度第三自然環境對路面的作2、溫度場的變溫度05圖2-一天內不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲深第三自然環境對路面的作2、溫度場的變氣面層厚第三自然環境對路面的作2、溫度場的變氣面層厚溫度梯02468時刻水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲圖2-溫梯度（第三第三自然環境對路面的作3、溫度場的影響因外因：氣候條件，主要是氣溫和太陽輻內因：熱物理特性、厚度第三自第三自然環境對路面的作4、濕度的作濕度的來第三自第三自然環境對路面的作4、濕度的作濕度對路基的影響濕軟、冰凍及整體不穩定，需設置良好的排水設施并控制路基的干濕類濕度對路面的影響水分積蓄于路基路面體內，降低路基路面的強度與度，造成路面破壞，并可進一步加劇路面透水第三自然環境對路面的作4第三自然環境對路面的作4、濕度的作重復應力0含水量圖2-濕度對路基剛度的影回彈模第四路面材第四路面材料力學特1、主要材料類①松散顆粒型材②瀝青結合類材料asphalt③無機結合料類材料inorganicbinding④水泥混凝土材料cement由于材料（整體性材料和非整體性材料）的基本性質和成型方式的不同，各種路面結構具有不同的力學強度特第四路面材料力學特2、第四路面材料力學特2、路面材料的強度特1）抗剪強度shear摩爾—庫侖強度理論t=c+其中c和j是表征路面材料抗剪強度的兩項參數，c是材料的粘結力（a），j是材料內摩阻角，對于土，可以通過直剪試驗得到；對于松散粒料無法做直接剪切試驗，可用測定。τφcσ圖2-三軸試驗確定第四路面材料力學第四路面材料力學特2、路面材料的強度特2）抗壓強度compressive指試樣在無側向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限應力。料經過標準成型和養生后通過無側限抗壓試驗測定的強度也有側壓的強度試驗三軸試驗鋼管混凝土描述實際的狀態，如路面的三位狀態第四第四路面材料力學特2、路面材料的強度特3）抗拉強度tensile氣溫變化引起路面材料收縮，濕度變化能產生半剛性材料干縮，當收縮變形受到約束，即在材料內產生拉應力，材路面材料抗拉強度主要由混合料中的結合料粘結力提供，4）抗彎拉強度flexible路面材料的實際工作狀態是彎曲反復變化的，結構層底首先容易出現局部拉裂、產生彎曲斷裂。材料的抗彎拉強度第四路面第四路面材料力學特3、應力-應變特1）抗壓回彈模半剛性基層材瀝青混合2）抗彎拉模量flexible水泥混凝3）泊松比poisson第四第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試1）抗剪強度試驗——三軸剪切試=c第四路面材第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試2）抗壓強度與抗壓回彈模量試瀝青混合料一般有大試件）、中試（Φ1000mm）和小試件（Φ50mm半剛性基層材料采用圓柱體試件水泥混凝土一般采用邊長150mm的立方體試第四路面第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試2）抗壓強度與抗壓回彈模量試圓柱體試件），進行無側限抗壓強第四第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試2）抗壓回彈模量試第四路面材料力學特4、路面第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試3）抗拉強度試驗—直接拉伸試驗和間接拉伸試p11523421p間接拉伸試間接拉伸受力狀直接拉伸試第四第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試3）抗拉強度試驗—直接拉伸試驗和間接拉伸試第四路面材料力學第四路面材料力學特4、路面材料設計參數的相關試4）水泥混凝土抗折強度和水泥混凝土抗折彈性模hF標準試件尺寸(fcf)和抗折彈性模量fbL第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參1）無機結合料穩定材無機結合料穩定材料的強第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參1）無機結合料穩定材無機結合料穩定材料的模第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參1）無機結合料穩定材無機結合料穩定材料的模第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參1）無機結合料穩定材無機結合料穩定材料的模量建議第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參2）瀝青混凝土材瀝青混凝土材料的參數建議第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參3）水泥混凝土材水泥混凝土參數建議第四第四路面材料力學特5、路面材料的設計參4）無粘結材①重復荷載三軸試②無粘結材料參數取第五第五累積變形與疲勞破1、路面結構破壞的極限狀1）路面材料處于彈塑性工作狀態：重復荷載作用引起塑形變形累積，當累積變形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允許限度以下，從而出現破壞極限狀態（使） ）路面材料處于彈性工作狀態：重復荷載作用雖不產生塑性變形，但結構內產生微裂縫，當微量損傷累積到一定限度時即致使路面材料出現，達到破壞極限狀態（即）（*這種重復荷載的大小遠第五第五累積變形與疲勞破2水泥混凝土：處于彈性工作狀態，呈現疲勞破壞瀝青混合料：低溫環境中基本處于彈性工作狀態，出現疲勞破壞；高溫環境處于彈塑性工作狀態，出現累積變形；溫度在無機結合料穩定材料：低齡期時處于低塑性的彈塑性狀態，其后基本處于彈性工作狀態，因此使用過程中主要為疲勞破壞碎（礫）石：屬于松散類材料，具有移動變形，可引起結構塑性變形累積，但在其上有結合料類材料時可因支撐不足引起 土（碎石土）：細粒土受大氣濕度影響，因此路面結構處于塑性變形累積第五3、累積變變第五3、累積變變形分累積變形與疲勞破彈性粘彈性+粘塑性粘彈性粘塑性+塑性彈性塑性時間第五3、累積變變形累98累積變形與疲勞破應第五3、累積變變形累98累積變形與疲勞破應變不斷增大，直至剪切破壞應變趨于穩1=a+lg765432100 800023lge=c+clgN+lg+lg20123第五4、疲第五4、疲勞破疲勞累積變形與疲勞破材料強度降低的現象稱為~。疲勞破壞材料由于微結構不均勻誘發應力集中而出現微損傷，在重復應力作下微量損傷累積擴大而導致的結構破壞稱為~疲勞強度承受規定重復荷載作用所對應的應力（應變）值稱為。第五4、疲第五4、疲勞破累積變形與疲勞破疲勞極限減少而增加，當重復應力（應變）減少到重復荷載作用次數無限大時的重復應力（應變）值即稱為~。疲勞壽命材料從開始加載到破壞所對應的重復荷載作用次數稱為疲勞曲線將重復彎拉應力（應變sr（εr）與一次加載破壞的極限彎拉力（應變）的比值(稱為應力比或應變比)作為縱坐標，繪制sr/sf或 εf與重復作用次數Nf的關系曲線，即稱為 第五累積變第五累積變形與疲勞破5、無機結合料穩定材及水泥混凝土的疲勞特通過小梁試件施加重復應力（應變）來試驗，可點繪不同應力（應變）比水平對應的重復荷載作用次數，而得到疲勞曲線，并可回歸出疲勞方程：sr/sf=a-