第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质§2-1 行车荷载一、车辆的类型小客车：车速大，重量轻，120km—200km/h客车中客车：6～20个座位1、汽车车辆大客车：速度较快，重量大；长途客运，城市公共交通货车整车（固定车身类）：货箱与发动机一体牵引式挂车（挂车类）：牵引车与挂车分离牵引式半挂车（牵引车类）：牵引车与挂车分离，但通过铰接装置，牵引车后附加挂车，牵引车后轴担负部分货车重量2、路面结构的设计中：主要考虑大客车、重型货车的重量，以轴重作为荷载标准，我国规定100KN。

评定路面表面特性时：以小汽车为主要对象。

二、汽车的轴型（对整车形式的客、货车）单前轴：1/3 汽车总重绝大部分前轴双前轴：1/2 汽车总重极少数1、轴单后轴：后轴双后轴：每根后轴轴载约为前轴轴载的2倍三后轴：前轴——单轮组2、轮后轴单轮组（轻型货车）双轮组（大部分）3、一般的后轴轴载在60—130KN范围内，大部分在100KN以下，我国轴限为100KN。

货车载重增加，又有轴限规定，须增加轴数来提高载重，采用多轴多轮，减少单位面积路面的压力。

三、汽车对道路的静态压力1、静态压力：当汽车处于停驻状态下，轮胎传给路面的垂直作用力，用p表示。

影响因素：（1）汽车轮胎的内压力p i标准静内压力p i=0.4～0.7MPa;通常p=(0.8～0.9) p i滚动的车轮p=(0.9～1.1) p i（2）轮胎的刚度、轮胎与路面接触形状、轮胎的花纹（3）轮载的大小超载p＞p i工程设计中：取p= p i，假定接触面上压力是均匀分布的2、接触面积工程设计中：近似为圆形接触面积。

车轮荷载简化为当量的圆形均布荷载 （2）接触圆半径（当量圆半径）：单圆荷载：对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载，直径D 双圆荷载：对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用两个圆表示，称为双圆荷载，直径d D=p Pπ8 d=pP π4 我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZ Z —100，轮载P=25KN ，p=700KPa ，用以上公式计算得：D=0.302m, d=0.213m 四、运动车辆对道路的动态影响 1、行使的汽车施加于路面的水平力汽车：静止 等速、上坡、加速行使、启动 下坡、减速、制动 转弯、弯道上行使 路面：垂直压力 向后的水平力 向前的水平力 侧向水平力 （1）各种水平力：Q max ≤P ϕ（ϕp q ≤max ） ϕ—车轮与路面间的附着系数 路面结构相同，干燥状态ϕ＞潮湿状态 路面结构、干湿状态相同：车速越高，ϕ越小附着系数过小，不能保证正常的行车；ϕ过大，路面结构层易遭受水平荷载的破坏，如：推挤、拥包、波浪等。

2、轮载的动态变动由于车身自身的振动和路面的不平整而产生的车轮跳动，跳动的频繁程度和剧烈程度用以下指标衡量：见p18图2-3，p32图2-4 （1）变异系数=标准离差 / 静载 ，一般＜0.3影响变异系数的因素：① 车速越大，系数越大 ② 平整度越差，系数越大 ③ 轮胎刚度低，减振装置效果好，系数小（2）冲击系数（动荷系数）：振动轮载的最大峰值/静载 一般＜1.30在设计刚性路面时，其承受的荷载大，对振动冲击敏感，所以有时以静轮载×冲击系数作为设计荷载。

在柔性路面设计时，因其比较平整，吸收应力的能力也大，所以不考虑动态影响。

3、以上动力影响的瞬时性、重复性（1）路面承受荷载的时间—瞬时性，大约只有0.01～0.10s ，见p18图2-4车速越大，路面承受荷载的时间越短，路面变形量就越小，也可以理解为路面结构刚度和强度的相对增大。

（2）轮载的多次重复作用弹性材料：疲劳性质，即材料的强度随重复次数的增加而降低 弹塑性材料：变形逐渐增大，称变形的累积 所以要考虑道路在一定时间内的通行数量。

五、交通分析在路面结构设计中，要对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进行调查预估，以便将它们折算成当量标准轴载的累计作用次数。

1、交通量：指在一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。

（1）交通量的调查人工调查 分类：车辆按轴型、轴载分成11类 相互校核 （短期的） 分级：满载程度 相互补充 自动调查：自动化的轴载仪 轴载谱的调查，记录轴数、轴载，分类统计 （2）交通量的增长率γ年平均日交通量是逐年增长的，需要预估设计年限内交通的发展。

预估原则：原路面，直接调查路上交通量，沿线工业、开发区吸引来的交通量新建路，调查和它相近路的交通量，沿线工农业、开发区、道路建成后吸引来的交通量利用以上调查资料通过回归分析，假定交通量在设计年限内以固定的增长百分率γ逐年增长 （3）初始年平均日交通量N 136536511∑==i iNN（4）设计年限内累计交通量（等比数列求和[]110--=q q a S n ）()[]113651-+=-te N N γγ2、轴载组成与等效换算（1）轴载组成（轴载谱）：各级轴载所占的比例，见p35图2-6已知一种轴载的通行次数，利用轴载谱可推算出所有车辆各级轴载的通行次数。

例：轴重6～7t 的车每日通行400次，求轴重13～14t 的车每日通行多少次？ 解：由p35的图2-6知：日次/86028.013.0400=⇒=χχ（2）标准轴载：大部分国家用100KN ，美国规定82KN ，少数国家130KN 。

我国规范选用双轮组单轴轴载100KN 为标准轴载，以BZZ －100表示。

（3）交通量的等效换算（轴载换算）换算原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。

对某一道路 P 1轴载 作用N 1次后P 2轴载 作用N 2次后 道路所出现的损伤程度相同换算公式：ns i i s i P P N N⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==αη α—反映轴型、轮组影响的系数 n —同路面结构特性有关的系数3、轮迹横向分布：车辆在道路上行驶时，车轮的轮迹按一定规律分布在车道横断面上，称～。

（1）单向行驶一个车道（图2-7）：在3.75m 宽的车道上分了15个条带，每条宽25cm ，以条带上所受行车次数/车道上所受行车次数 作为该条带的频率，频率曲线有两个峰值，对应的频率达30%左右。

车道边缘频率很低。

（2）混合行驶双车道（图2-8）：在7m 宽的路上划分成28个条带，每条宽25cm ，频率曲线出现一个峰值，对应频率30%左右。

两侧边缘频率很低。

（3）影响频率曲线的因素：交通量、交通组成、车道数、车道宽、交通管理规则等。

（4）评定指标：轮迹横向分布系数η—取两个条带频率之和，宽约50cm§2-2 环境因素影响主要是温度和湿度的影响。

一般情况下，温度对路面影响大，湿度对路基影响大。

路基路面受温湿变化的影响产生胀缩，受限产生附加应力，即温度、湿度应力。

因此，分析设计路基路面时，除了考虑车轮荷载引起的损伤，还应考虑自然因素的影响。

1、路面结构的温度变化（日变化、年变化）（1）气温：路面结构随气温周期性变化，路表向下越深变化幅度越小，峰值出现越滞后。

见图2-11、图2-22。

（2）太阳辐射：路表吸热，表面温度比气温高。

见图2-13沥青路面最高可高出气温25℃水泥砼路面最高可高出气温20℃（3）温度梯度：单位深度内平均温度坡差。

其变化与气温变化大致同步，具有周期性。

见图2-14。

2、影响路面温度状况的因素外因：主要是气温、太阳辐射，其次风力、降水、蒸发等。

内因：材料的物理特性参数，热传导率、热容量等。

3、路面结构内温度的预估（1）统计方法：埋测温元件，连续观测年循环内不同时刻的温度具有地区局限性，只可在条件相似地区参考使用。

（2）理论方法：理论方程式推演。

由于参数确定难度大，理论假设的理想化，预估结果与实测结果有差异§2-3 土基的力学强度特性一、路基受力状况1、 路基受到：路基自重、汽车轮重设计要求：路基所受的力在路基弹性限度范围内（车辆驶过，路基能恢复原状） 2、 汽车轮重在路基土内引起的垂直应力假定：车轮荷载为一圆形均布垂直荷载；路基为一弹性均质半空间体 计算公式：2ZP KZ =σ 3、 路基土自重在路基内深度为Z 处所引起的垂直应力Z B ⋅=γσ注：路面结构材料的容重近似取为路基土容重。

4、路基内任一点处的垂直应力=B Z σσ+ 如图2-16所示。

二、路基工作区1、定义：随着深度的增加，车轮荷载引起的垂直应力逐渐减小。

当车轮荷载引起的垂直应力σz 与路基土自重引起的垂直应力σB 相比所占比例很小，仅为1/10～1/5时，所对应的深度称为路基工作区深度，该深度范围内的路基称为路基工作区。

（约1～2m ） 2、计算公式：3γPn K Z a ⋅⋅= 随车轮荷载P ↑，Z a ↑，路基工作区随车轮荷载的加大而加深。

3、路基工作区内：路基工作区的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要，对工作区深度范围内的土质选择及路基的压实度有较高的要求。

当工作区深度大于路基填土高度时，或对于挖方路段，天然地基的上部土层也进入路基工作区，因此，这部分天然地基也应满足工作区的要求，充分压实。

见图2-17. 三、路基土的应力-应变特性土是非线性、弹塑性体。

路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。

过大的塑性变形：沥青路面：产生车辙和纵向不平整； 水泥混凝土路面：引起板块断裂。

过大的弹性变形：使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂。

在路面结构总变形中，土基的变形占约占70%～95%，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要方面。

1、土基应力-应变的非线性⑴ 压入承载板试验：一定尺寸的刚性承载板，放于土基顶面，逐级加荷卸荷，记录荷载及其引起的变形，绘出应力-变形曲线。

由公式（2-13）计算回弹模量。

P42图2-18b ⑵ 三轴压缩试验：应力-应变曲线非线性。

P42图2-18b ⑶ 其它试验结果：土的弹性模量是应力的函数2、土基应力-应变的弹塑性土体在内部应力作用下表现出的变形：从微观角度看，是土的颗粒之间的相对移动。

当移动的距离超出一定限度时，即使将应力解除，土体的颗粒已不再能回复原位。

从宏观角度看，土基将产生不可恢复的残余变形，即塑性变形。

见p42图2-18c 3、局部线性化法得到的几种模量值因E 不是常数，它随应力-应变关系而变，但在评定土基状态及路面结构设计时还得用E 来表征承载能力高低，所以用局部线性化法：将曲线的某一微小线段近似视为直线，以它的斜率作为模量值。

⑴ 初始切线模量：应力值为零时的应力--应变曲线的斜率⑵ 切线模量：某一应力级位处应力--应变曲线的斜率，反映该级应力处应力--应变变化的精确关系 ⑶ 割线模量：某一应力级位处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；⑷ 回弹模量：应力卸除阶段，应力--应变曲线的割线模量。