第九章路面结构荷载及材料.ppt

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1、,第八章,交通荷载 环境因素和力学参数,主要内容,第二节 环境因素对道路的影响 Environmental Impact,第三节 交通荷载参数 Traffic Parameters,第四节 路面结构设计参数 Structure Design Parameters,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏 Accumulative Deformation and Fatigue Broken,第一节 路面结构及其分类 Structure and Category,第一节 路面结构及其分类,1、沥青路面(Asphalt Pavement)柔性基层沥青路面(Asphalt pavement with f

2、lexible base)半刚性基层沥青路面(Asphalt pavement with semi-rigid base)刚性基层沥青路面(Asphalt pavement with rigid base)全厚式沥青路面(Full Depth asphalt pavement),2、我国常用的高速公路沥青路面的结构,第一节 路面结构及其分类,3、水泥混凝土路面（水泥路面）普通混凝土（JPCP）钢筋混凝土（JRCP）连续配筋混凝土（CRCP）钢纤维混凝土预应力混凝土、装配式混凝土、碾压混凝土,由于行车荷载、自然因素等对路面的影响随深度的增加而逐渐减弱，路面的强度、抗变形能力和稳定性也应随深度而逐

3、渐降低要求，因此，路面的结构应分层铺筑、分为若干层次结构，并按各结构层次的特定状况进行相应的材料要求。,4、路面的结构层次与材料要求,第一节 路面结构及其分类,路面结构按照使用要求、受力状况、土基支承条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次，通常按照各个层位功能的不同划分为面层、基层和垫层三个层次，基层中包括底基层在内。面 层：直接同行车荷载、大气接触，承受较大的行车荷载作用（包括冲击），同时受到降水、气温等的影响。与其它层次相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应耐磨、不透水、抗滑、平整（另外还应能适应基层开裂对其影响或旧路面病害的反映）。材料的使用应能适

4、应此功能要求。,4、路面的结构层次与材料要求,第一节 路面结构及其分类,基 层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的垫层及土基，是路面结构的主要承重层（对于沥青路面）或重要功能层（对于水泥砼路面），因此，它也应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能被面层渗入雨水浸湿或地下水影响，也可受温度影响变形，因此仍应具有足够的水温稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。垫层：垫层介于基层和土基之间，它可改善土基的湿度和温度状况、使面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态；同时，也可扩散基层传递的荷载应力、减

5、小土基的应力与变形，并可阻止路基土挤入基层。一般垫层修于特定状况道路工程结构中，如防砂土基础挤入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。,4、路面的结构层次与材料要求,第一节 路面结构及其分类,面层：用水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石、泥灰结石、块料等材料。基层（包括底基层）：材料主要有各种结合料稳定土或稳定碎石、贫水泥砼、天然砂砾、碎石/块石/片石/砾石、工业废渣结合混合料等。当用不同材料修筑基层时，最下层的统一材料层称为底基层，它可就近使用当地的材料或土。路基及垫层：材料主要有松散粒料类透水层或稳定土等稳定隔离层。,4、路面的结构层次与材料要求,第一节 路面结构及其分类,第一节 路面结构及

6、其分类,路面类型可从不同角度来进行划分，一般常按照面层所用的材料来进行区分，如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等等。但在工程设计中，则主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。,5、路面的分类,第一节 路面结构及其分类,柔性路面 总体结构刚度较小，荷载作用下的弯沉变形较大，抗弯拉强度较低，传递给土基的单位压力也较大，它主要包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构，其强度高、弹性模量高、处于板体工作状态，传递给基础的单位压力小。半刚性路面 主要指半刚性

7、基层和沥青混凝土面层修筑的路面结构，其刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。,5、路面的分类,第二节 环境因素对道路的影响,温度造成路基体的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂,1、温度对道路的影响,第二节 环境因素对道路的影响,图2-11 沥青面层温度日变化曲线,1、温度对道路的影响,第二节 环境因素对道路的影响,图2-15 沥青面层月平均温度的年变化曲线,1、温度对道路的影响,第二节 环境因素对道路的影响,图2-12 水泥混凝土面层温度日变化曲线,1、温度对道路的影响,第二节 环境因素对道路的影响,1、温度对道路的

8、影响,第二节 环境因素对道路的影响,1、温度对道路的影响,第二节 环境因素对道路的影响,湿度对路基的影响：湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基的干湿类型湿度对路面的影响：水分积蓄于路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性,2、湿度对道路的影响,第三节 交通荷载参数,1、行车荷载及其对路面的影响汽车荷载既是路基路面的服务对象，又是造成路基路面结构损伤的主要原因；它是不断移动着的、具有振动和冲击影响的动荷载；汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重的大小与特性、车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静态与动态荷载的特性比较等不同方面。,第三节

9、 交通荷载参数,2、车辆的种类与作用特点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；货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。,第三节 交通荷载参数,2、车辆的种类与作用特点轴载轴型分布 单轴单轮 单轴双轮双轴单轮双轴双轮多轴多轮,第三节 交通荷载参数,汽车的轴型,第三节 交通荷载参数,图2-1 不同轴型的货车示意图,汽车的轴型,第三节 交通荷载参数,3、轴轮组与轴重：整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为P/

10、3），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种，大部分轴重在100KN以下，通常都在60130KN范围以内。4、轮压与压圆：轮胎对路面的静态压力大小与胎内压强接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。,图2-2 车轮荷载计算图式a)单圆图式；b)双圆图式,汽车的轮压与压圆,第三节 交通荷载参数,对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下：a)双圆荷载的当量圆半径：b)单圆荷载的当量圆直径D：,第三节 交通荷载参数,荷载圆半径和直径,第三节 交通荷载参数,5、运动车辆对道路的动态影响 道路上

11、行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。,图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向,第三节 交通荷载参数,1）水平力：行车安全要求 qmax p，其中 为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。2）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。3）瞬时作用及重复：路面点的车轮作用时间约为0.010.10s，结构变形来不及呈现，瞬时作用利于结构，但多次

12、重复作用又易使其疲劳。,表2-2 纵向滑移路面附着系数,路表与车轮的附着系数,第三节 交通荷载参数,第三节 交通荷载参数,6、标准轴载 standard load作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定原则换算成标准轴载。标准轴载要求对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。,第三节 交通荷载参数,7、超载与超限 overload and over limit超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的

13、使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。,第三节 交通荷载参数,1）交通调查与重复荷载 交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算获得设计年限内累计交通量。对路面而言，主要是轴重。轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。2）轮迹横向分布：总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象称为，车道

14、综合累计需考虑。,8、交通荷载轴载换算和统计计算,第三节 交通荷载参数,按轴型分类的车辆类别,1）交通调查与重复荷载,第三节 交通荷载参数,各类轴型示意图,1）交通调查与重复荷载,第三节 交通荷载参数,2）车辆荷载的轮迹横向分布,图2-7 轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）,图2-8 轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）,第三节 交通荷载参数,3）轴载的换算轴载换算的基本原则：等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）；等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。3）轴载换算系数公式：,第三节 交通荷载参数,4）沥青路面轴载换算系数公式：,

15、第三节 交通荷载参数,4）沥青路面轴载换算系数公式：,第三节 交通荷载参数,5）水泥混凝土路面轴载换算系数公式：,6）累计轴载作用次数初始年平均日交通量N1 设计年限内累计交通量设计年限内一个车道内的累计交通量,第三节 交通荷载参数,第四节 路面结构设计参数,1）主要材料类型松散颗粒型材料及块料 granular,block沥青结合类材料 asphalt binder无机结合料类材料 inorganic binding material水泥混凝土材料 cement concrete 由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变

16、关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。,1、路面材料的几种强度,第四节 路面结构设计参数,2）抗剪强度 shear strength 摩尔库仑强度理论：=c+tg 其中c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的粘结力（kpa），是材料内摩阻角，对于土，可以通过直剪试验得到；对于松散粒料无法做直接剪切试验，可用三轴压缩试验测定。,2、路面材料的几种强度,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的几种强度3）抗压强度 compressive strength指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。一般有大试件、中试件和小

17、试件。小试件指50mm*5 0mm；中试件指 100mm*100mm；大试件指 150 m m*1 50mm。,第四节 路面结构设计参数,4）抗拉强度 tensile strength气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产生半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即在材料内产生拉应力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。5）抗弯拉强度 flexible strength路面材料的实际工作状态是弯曲反复变化的，结构层底首先容易出现局部拉裂、产生弯曲断裂。材料的抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载

18、进行测定。,2、路面材料的几种强度,第四节 路面结构设计参数,1）抗压强度试验一般有大试件、中试件和小试件。小试件指50mm*5 0mm；中试件指 100mm*100mm；大试件指 150 m m*1 50mm。,3、路面材料的强度试验,第四节 路面结构设计参数,2）抗拉强度试验直接拉伸试验和间接拉伸试验,3、路面材料的强度试验,第四节 路面结构设计参数,3）抗拉强度试验弯拉试验,图2-30 小梁试验加载图式(1-试验梁；2-承压板；3-支点；4-顶杆；5-千分表),3、路面材料的强度试验,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的无侧限抗压强

19、度试验按照预定干密度和压实度用静力压实法制备试件、试件高：直径1：1的圆柱体、养生时间为设计龄期（整个养生期间的温度，在北方地区应保持202，在南方地区应保持252，养生期的最后一天，将试件浸泡在水中，水的深度应使水面在试件顶上约2.5cm）、侧向没有围压时的单轴抗压强度。,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的劈裂强度试验（间接抗拉强度）试件的制作与无限抗压强度试验的试件制作相同，只是在试验时在侧向测定试件的最大劈裂强度，计算得到无机结合料稳定材料的劈裂强度。侧向加压时应放置压条，并将试件横置在压条上，同时在试件的顶面也放一压条（上下压条

20、与试件的接触线必须位于试件直径的两端，并与升降台垂直）。压条采用半径与试件半径相同的弧面压条，其长度应大于试件的高度。,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的无侧限抗压回弹模量试验在养生期的最后一天首先将圆柱形试件的两个端面应用水泥净浆彻底抹平。然后将试件直立桌上，在表面撒少量0.25-0.5mm的细砂，用直径打于试件的平面圆形钢板放在顶面，加压旋转圆钢板，使顶面齐平。最后将端面已经处理平整的试件浸水一昼夜进行养生。加载板上的计算单位压力的选定值：对于无机结合料稳定基层材料，用0.5-0.7MPa；对于无机结合料稳定底基层材料,用0.20.

21、4MPa，实际加载的最大单位压力应略大于选定值。,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的劈裂模量试验试件成型和加载的要求与无侧限抗压回弹模量试验相同.要求在加载过程中，每到一定荷载，就读记一次形变，在试件破坏前应能记录67次荷载和相应形变。然后将试件压至破坏，读记破坏时的荷载和形变。并绘制单位压力与形变的关系曲线，必要时对曲线进行修正。,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料疲劳强度的试验无机结合料稳定材料抗拉强度试验方法主要有直接抗拉试验、间接抗拉试验和弯拉试验。常用的疲劳强度试验有弯拉

22、疲劳试验和劈裂疲劳试验。我国规范采用劈裂疲劳试验方法。,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数-疲劳参数,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数-疲劳参数,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数-模量参数,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计参数-模量参数,第四节 路面结构设计参数,4、路面材料的设计参数 1）无机结合料稳定材料无机结合料稳定材料的设计

23、参数-模量参数建议值,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的设计参数 2）沥青混凝土材料沥青混凝土的抗压试验沥青混合料的弯沉计算时抗压回弹模量的试验温度为20、弯拉验算时抗压回弹模量的试验温度为15、劈裂强度的试验温度也为15。试验采用圆柱体试件，其直径为100mm，高为100mm，试验加载的速率为2mm/min。试件成型采用静压法、轮碾法、搓揉法和旋转压实成型法，试件的密度应符合马歇尔标准击实密度100，用于抗压强度试验的试件个数不得少于3个，用于抗压回弹试验的试件个数不得少于36个。对抗压强度要求以2mm/min的加载速率均匀加载直至破坏，由破坏荷载P和圆柱体试件的面积参数计算得出试件的

24、抗压强度（MPa）。,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的设计参数 2）沥青混凝土材料沥青混凝土的劈裂试验沥青混凝土的劈裂试验既可以为沥青路面设计提供设计参数，也可以评价沥青混凝土的低温特性。当用于评价沥青混凝土的低温特性时的试验温度为-10（试验加载速率为1mm/min）。我国沥青混凝土路面的设计参试采用静参数，采用的试验温度为15、试验加载速率为50mm/min，计算时相应的泊松比采用0.30。试件马歇尔击实成型的方法、轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件。采用马歇尔击实成型的试件的尺寸要求为直径101.6mm，高为63.5mm；轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件的尺寸要求为直径

25、100mm或150mm，高为40mm。,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的设计参数 2）沥青混凝土材料沥青混凝土材料的设计参数-模量参数建议值,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的设计参数 3）水泥混凝土材料水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模量水泥混凝土抗折强度试件为直角棱柱体小梁，标准试件尺寸为150mm*150mm*550mm，在标准条件下，经养护28d后，按三分点处双点加载(如图6-11)测定其抗折强度(fcf)和抗折弹性模量。,第四节 路面结构设计参数,2、路面材料的设计参数 3）水泥混凝土材料 水泥混凝土抗折强度和水泥混凝土抗折弹性模量参数值,第四节 路面结构设计参数

26、,2、路面材料的设计参数 4）无粘结材料重复荷载三轴试验 无粘结粒状材料的回弹反应通常是通过回弹模量和泊松比表现其特性。对于有恒定围压的重复荷载三轴试验。无粘结材料参数取值,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,1）路面材料处于弹塑性工作状态：重复荷载作用引起塑形变形累积，当累积变形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允许限度以下，从而出现破坏极限状态（此为使用极限状态）2）路面材料处于弹性工作状态：重复荷载作用虽不产生塑性变形，但结构内产生微裂缝，当微量损伤累积到一定限度时即致使路面材料出现疲劳断裂，达到破坏极限状态（即结构承载疲劳极限状态）（*这种重复荷载的大小远小于材料一次性受力破坏时的

27、荷载大小）,1、路面结构破坏的极限状态,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,水泥混凝土：处于弹性工作状态，呈现疲劳破坏。沥青混合料：低温环境中基本处于弹性工作状态，出现疲劳破坏；高温环境处于弹塑性工作状态，出现累积变形；温度在上述范围内变化时则兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。无机结合料稳定材料：低龄期时处于低塑性的弹塑性状态，其后基本处于弹性工作状态，因此使用过程中主要为疲劳破坏极限状态。碎（砾）石：属于松散类材料，具有移动变形，可引起结构塑性变形累积，但在其上有结合料类材料时可因支撑不足引起其上材料的疲劳破坏。土（碎石土）：细粒土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性工作状态，塑性变形

28、累积是主要极限状态形式。,2、路面材料在重复载下破坏类型,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,3、疲劳概念疲劳：路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破坏应力值低的材料破坏，这种材料强度降低的现象称为。疲劳破坏：材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤，在重复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为。疲劳强度：承受规定重复荷载作用所对应的应力（应变）值称为。,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,3、疲劳概念疲劳极限：重复作用次数随重复应力（应变）值的减少而随增加，当重复应力（应变）值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力（应变）值即称为。疲劳寿命：材料从开始加载到破坏

29、所对应的重复荷载作用次数称为疲劳曲线：将重复弯拉应力（应变）r（r）与一次加载破坏的极限弯拉应力（应变）的比值(称为应力比或应变比)作为纵坐标，绘制出r/f或r/f与重复作用次数Nf的关系曲线，即称为。,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,4、无机结合料处治的混合料 及水泥混凝土的疲劳特性通过小梁试件施加重复应力（应变）来试验，可点绘出不同应力（应变）比水平对应的重复荷载作用次数，从而得到疲劳曲线，并可回归出疲劳方程：r/f=-lgNf。水泥混凝土材料，Nf=107时应力比r/f=0.50，此时不出现疲劳破坏。无机结合料稳定材料的疲劳极限明显低于水泥混凝土。,第五节 路面材料的累积变形与疲劳

30、破坏,5、沥青混合料的疲劳特性沥青混凝土材料疲劳试验有控制应力与控制应变两种试验方法；厚沥青路面宜采用控制应力的方法；薄沥青路面宜采用控制应变的方法，介于两者之间时可采取其中一种方法。目前一般建议采用控制应变的方法。,第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏,6、Miner定律不同车型荷载作用下的材料，其所出现的疲劳损伤可以进行线性叠加，某一级荷载对材料疲劳寿命的影响可表示为ni/(Nf)i。材料的综合损伤为各级荷载重复作用消耗的材料疲劳寿命的总和，即：D=ni/(Nf)i（i=1，m）,复习题,1、简述路面基层的功能与作用及对其材料的技术要求。2、何谓底基层？为何对底基层材料要求可较基层低？3、

31、何谓垫层？其主要功能？通常在什么场合下需设置垫层？用作垫层的材料有何特点？列举两种垫层材料。4、为何基层材料的耐磨性可不予重视？基层施工中也应保证有平整的表面，有此要求的必要性何在？5、何谓累计当量轴次Ne？怎样确定？它在路面设计中有何用处？6、不同轴载通行次数是按等效原理进行换算的，请说明该“等效原理”的主要依据是什么？7、碎砾石在不同偏应力下抵抗累积变形性能有何不同？,复习题,8、名词解释：疲劳、疲劳破坏、疲劳极限、疲劳曲线、疲劳寿命、疲劳方程，Miner定律9、不同路面材料的疲劳特性有何不同？10、请对表21中的序号为1、9、15按沥青路面要求进行轴载换算？11、加如表21中的汽车超载10、20、50，上面的结果如何？12、请对表21中的序号为1、9、15按水泥混凝土路面要求进行轴载换算？13、加如表21中的汽车超载10、20、50，上面按水泥混凝土路面要求进行轴载换算的结果如何？,课外任务,课外任务一：请谈谈你对路面上行驶的车辆荷载对路面作用的瞬时性与重复性的认识，并请根据其不利方面提出你认为合理的结构考虑措施!,