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大连交通大学大连交通大学土木与安全工程学院土木与安全工程学院授课:赵丽华授课:赵丽华主要内容主要内容第二节第二节 环境因素对道路的影响环境因素对道路的影响 Environmental Impact第三节第三节 交通荷载参数交通荷载参数 Traffic Parameters第四节第四节 路面结构设计参数路面结构设计参数 Structure Design Parameters第五节第五节 路面材料的累积变形与疲劳破坏路面材料的累积变形与疲劳破坏 Accumulative Deformation and Fatigue Broken第一节第一节 路面结构及其分类路
2、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)柔性基层沥青路面柔性基层沥青路面(Asphalt pavement with flexible base)半刚性基层沥青路面半刚性基层沥青路面(Asphalt pavement with semi-rigid base)刚性基层沥青路面刚性基层沥青路面(Asphalt pavement with rigid base)全厚式沥青路面全厚式沥青路面(Full Depth asphalt pavement)半刚性基层沥青路面结构半刚性基层沥青路面结构 土基土基(A级或
3、级或 B级)沥青级)沥青AC-25 Sup-25 6cm-8cm(A级或级或 B级或改性)沥青级或改性)沥青AC-20 Sup-19 6cm-8cm(A级或改性)沥青级或改性)沥青 AC-13 Sup-13 SMA-13 4cm水泥稳定碎石或二灰碎石水泥稳定碎石或二灰碎石 30cm-40cm 二灰土或石灰土二灰土或石灰土 20cm-40cm u2、我国常用的高速公路沥青路面的结构、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 由由于于
4、行行车车荷荷载载、自自然然因因素素等等对对路路面面的的影影响响随随深深度度的的增增加加而而逐逐渐渐减减弱弱,路路面面的的强强度度、抗抗变变形形能能力力和和稳稳定定性性也也应应随随深深度度而而逐逐渐渐降降低低要要求求,因因此此,路路面面的的结结构构应应分分层层铺铺筑筑、分分为为若若干干层层次次结结构构,并并按按各各结结构构层层次次的的特特定定状状况况进进行行相相应应的的材材料要求。料要求。44、路面的结构层次与材料要求路面的结构层次与材料要求第一节 路面结构及其分类 路路面面结结构构按按照照使使用用要要求求、受受力力状状况况、土土基基支支承承条条件件和和自自然然因因素素影影响响程程度度的的不不同
5、同分分成成若若干干层层次次,通通常常按按照照各各个个层层位位功功能能的的不不同同划划分分为为面面层层、基基层层和和垫垫层层三三个个层次,基层中包括底基层在内。层次,基层中包括底基层在内。面面 层层:直直接接同同行行车车荷荷载载、大大气气接接触触,承承受受较较大大的的行行车车荷荷载载作作用用(包包括括冲冲击击),同同时时受受到到降降水水、气气温温等等的的影影响响。与与其其它它层层次次相相比比,它它应应具具有有较较高高的的结结构构强强度度、抗抗变变形形能能力力,较较好好的的水水稳稳定定性性和和温温度度稳稳定定性性,而而且且应应耐耐磨磨、不不透透水水、抗抗滑滑、平平整整(另另外外还还应应能能适适应应
6、基基层层开开裂裂对对其其影影响响或或旧旧路路面面病病害害的的反反映映)。材材料料的的使使用用应应能适应此功能要求。能适应此功能要求。44、路面的结构层次与材料要求路面的结构层次与材料要求第一节 路面结构及其分类 基基 层层:主主要要承承受受由由面面层层传传来来的的车车辆辆荷荷载载垂垂直直力力并并将将其其扩扩散散到到下下面面的的垫垫层层及及土土基基,是是路路面面结结构构的的主主要要承承重重层层(对对于于沥沥青青路路面面)或或重重要要功功能能层层(对对于于水水泥泥砼砼路路面面),因因此此,它它也也应应具具有有足足够够的的强强度度与与刚刚度度,并并应应具具有有良良好好的的扩扩散散应应力力的的能能力力
7、;基基层层受受大大气气影影响响较较面面层层小小,但但仍仍可可能能被被面面层层渗渗入入雨雨水水浸浸湿湿或或地地下下水水影影响响,也也可可受受温温度度影影响响变变形形,因因此此仍仍应应具具有有足足够够的的水水温温稳稳定定性性;同时,同时,为保证面层平整为保证面层平整,它还应具有较好的平整度。,它还应具有较好的平整度。垫垫层层:垫垫层层介介于于基基层层和和土土基基之之间间,它它可可改改善善土土基基的的湿湿度度和和温温度度状状况况、使使面面层层与与基基层层免免受受土土基基水水温温状状况况变变化化的的不不良良影影响响或或保保护护土土基基处处于于稳稳定定状状态态;同同时时,也也可可扩扩散散基基层层传传递递
8、的的荷荷载载应应力力、减减小小土土基基的的应应力力与与变变形形,并并可可阻阻止止路路基基土土挤挤入入基基层层。一一般般垫垫层层修修于于特特定定状状况况道道路路工工程程结结构构中中,如如防防砂砂土土基基础础挤挤入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。44、路面的结构层次与材料要求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。用水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石、泥灰结石、块料等材料。基基层层(包包括括底底基基层层):材材料料主主要要有有各各种种结结合合料料稳稳定定土土或或稳稳定定碎碎
9、石石、贫贫水水泥泥砼砼、天天然然砂砂砾砾、碎碎石石/块块石石/片片石石/砾砾石石、工工业业废废渣渣结结合合混混合合料料等等。当当用用不不同同材材料料修修筑筑基基层层时时,最最下下层层的的统统一一材材料料层层称称为为底底基基层层,它它可可就就近近使使用用当当地地的材料或土。的材料或土。路基及垫层路基及垫层:材料主要有松散粒料类透水层或稳定土等稳定隔离层。材料主要有松散粒料类透水层或稳定土等稳定隔离层。44、路面的结构层次与材料要求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等级路面等级面层材料类型面层材料类型适用的技术等级适用的技术等级高高 级级 沥青混凝土,水泥混凝土沥青混凝土,水泥混
10、凝土高速、一级、二级、高速、一级、二级、三级、四级三级、四级次高级次高级沥青贯入式沥青贯入式,沥青碎石沥青碎石,沥青沥青表面处治表面处治,整齐石块或条石,整齐石块或条石二级、三级、四级二级、三级、四级中中 级级碎、砾石(泥结或级配)碎、砾石(泥结或级配),半半整齐块石整齐块石,其它粒料其它粒料 三级、四级三级、四级低低 级级粒料加固土粒料加固土,其它当地材料加其它当地材料加固或改善土,不整齐石块固或改善土,不整齐石块四级四级第一节 路面结构及其分类 路面类型可从不同角度来进行划分,一般常按照路面类型可从不同角度来进行划分,一般常按照面层面层所用的材料所用的材料来进行区分,如水泥混凝土路面、沥青
11、路面、来进行区分,如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等等。但在砂石路面等等。但在工程设计中,则主要从工程设计中,则主要从路面结构的力路面结构的力学特性和设计方法学特性和设计方法的相似性出发,将路面划分为的相似性出发,将路面划分为柔性路面柔性路面、刚性路面刚性路面和和半刚性路面半刚性路面三类。三类。55、路面的分类、路面的分类第一节 路面结构及其分类 柔柔性性路路面面 总总体体结结构构刚刚度度较较小小,荷荷载载作作用用下下的的弯弯沉沉变变形形较较大大,抗抗弯弯拉拉强强度度较较低低,传传递递给给土土基基的的单单位位压压力力也也较较大大,它它主主要要包包括括各各种种未未经经处处理理的的粒粒料料基基
12、层层和和各各类类沥沥青青面面层层、碎碎(砾砾)石石面面层层或或块块石石面面层层组组成成的的路路面面结结构。构。刚刚性性路路面面主主要要指指用用水水泥泥混混凝凝土土作作面面层层或或基基层层的的路路面面结结构构,其其强强度度高高、弹弹性模量高、处于板体工作状态,传递给基础的单位压力小。性模量高、处于板体工作状态,传递给基础的单位压力小。半半刚刚性性路路面面 主主要要指指半半刚刚性性基基层层和和沥沥青青混混凝凝土土面面层层修修筑筑的的路路面面结结构构,其其刚刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。55、路面的分类、路面的分类第二节第二节 环境因素对道路的影响环境因素对道
13、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 1、温度对道路的影响、温度对道路的影响第二节 环境因素对道路的影响图图2-11 沥青面层温度沥青面层温度日变化日变化曲线曲线表面下表面下2cm2cm7cm7cm15cm15cm气温气温时刻(时刻(h h)4 46 68 81010121214141616181820202222242410102020303040405050温度(温度()1 1、温度对道路的影响、温度对道路的影响第二节 环境因素对道路的影响图图2-15 沥青面层沥青面层月平均温度月平均
14、温度的年变化曲线的年变化曲线1234567891011121103040020表面下表面下2cm2cm7cm7cm30cm30cm气温气温月份月份温度(温度()1 1、温度对道路的影响、温度对道路的影响第二节 环境因素对道路的影响图图2-12 水泥混凝土面层温度水泥混凝土面层温度日变化日变化曲线曲线810121416182022242468232629323520气温气温表面下表面下1.5cm5cm11cm16cm时刻(时刻(h h)温度(温度()1 1、温度对道路的影响、温度对道路的影响第二节 环境因素对道路的影响图图2-13 一天内不同时刻一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线沿
15、水泥混凝土面层深度的温度变化曲线23273135394101052015温度(温度()深度(深度(cm)5:008:0024:0010:0019:0016:0014:001 1、温度对道路的影响、温度对道路的影响第二节 环境因素对道路的影响图图2-14 水泥混凝土面层水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化温度梯度与气温的日变化曲线曲线0.31710121416182022242468232629322000.60.91.2气温气温温度梯度温度梯度面层厚面层厚22cm时刻(时刻(h)温度(温度()梯度(梯度(cm)1 1、温度对道路的影响、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
16、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 2、湿度对道路的影响、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 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
17、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 汽车的轴型汽车的轴型第三节 交通荷载参数图图2-1 2-1 不同轴型的货车示意图不同轴型的货车示意图 汽车的轴型汽车的轴型第三节 交通荷载参数3 3、轴轮组与轴重:、轴轮组与轴重:整车分前轴和后轴,绝大部分车辆的前整车分前轴和后轴,绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴(轴载约为轴
18、为两个单轮组成的单轴(轴载约为P/3P/3),极少数汽车),极少数汽车前轴为双轴单轮组(轴重约为前轴为双轴单轮组(轴重约为P/2P/2)。大部分货车后轴由)。大部分货车后轴由双轮组组成,有单轴、双轴和三轴等三种,大部分轴重在双轮组组成,有单轴、双轴和三轴等三种,大部分轴重在100KN100KN以下,通常都在以下,通常都在6060130KN130KN范围以内。范围以内。4 4、轮压与压圆:、轮压与压圆:轮胎对路面的静态压力大小与胎内压强接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,近,压面近似为圆形,d d由由p p、P P来计算,来计算,p p可近似取轮胎气可近似取轮胎气压。压。图
19、图2-2 车轮荷载计算图式车轮荷载计算图式a)单圆图式;单圆图式;b)双圆图式双圆图式 汽车的轮压与压圆汽车的轮压与压圆PPPPPdPPdddD1.5dD路面路面路面路面a)b)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。图图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平压力车轮作用于路面的
20、垂直压力与水平压力a)停驻;停驻;b)启动、一般行驶、加速;启动、一般行驶、加速;c)减速、制动;减速、制动;d)转向转向PPPPVQQa)b)c)d)第三节 交通荷载参数1 1)水平力:)水平力:行车安全要求行车安全要求 q qmaxmax p p ,其中,其中 为路表与车轮的附着系数,它同路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、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、波浪及车辙等病害波浪及车辙等病害。2 2)振动力:)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,应以静轮振动轮载最大峰值与静载之比
21、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。载乘以冲击系数作为设计荷载。3 3)瞬时作用及重复:)瞬时作用及重复:路面点的车轮作用时间约为路面点的车轮作用时间约为0.010.010.10s0.10s,结构变形来不及呈现,瞬时,结构变形来不及呈现,瞬时作用利于结构,但多次重复作用又易使其疲劳。作用利于结构,但多次重复作用又易使其疲劳。表表2-2 纵向滑移路面附着系数纵向滑移路面附着系数路面状况路面类型车速(km/h)123264干燥碎石0.60沥青混凝土0.701.000.500.65水泥混凝土0.700.850.600.80潮湿碎石0.40沥青混凝土0.400.650.100
22、.50水泥混凝土0.600.700.350.55路表与车轮的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
23、的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 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
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- 第九 路面 结构 荷载 材料
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