路基路面工程SubgradeandPavementEngineering-1-路基路面工程SubgradeandPavementEn1路基路面工程學時安排1緒論2學時2行車荷載的分析3學時3自然因素的影響3學時4材料的力學特性4學時5一般路基設計6學時6路基穩(wěn)定性分析4學時7擋土墻設計6學時8柔性路面結(jié)構(gòu)設計6學時9水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設計6學時10路面狀況的調(diào)查和評定2學時11路基建筑2學時12路面建筑2學時總復習2學時路基路面工程學時安排1緒論2第一章

緒論

Introduction路基路面的定義:路基路面是道路的基本組成部分,它們共同承受行車荷載和自然因素的作用.本章學習要求:(1)明確路基路面的功能和對它們的基本要求(2)了解路基路面的斷面構(gòu)造(3)懂得路基路面設計與建筑要解決的問題及其途徑路基的定義:路基是在地表按照道路路線位置和一定技術(shù)要求開挖或堆填而成的巖土結(jié)構(gòu)物路面的定義:路面是在路基頂面行車部分用各種堅硬材料鋪設的層狀結(jié)構(gòu)物1.1路基路面的功能和要求第一章緒論

Introduction路基路面的定義3

對路基路面的要求(1)路基整體應穩(wěn)定牢固；正確選定路基的斷面形狀和尺寸,采取必要的排水、防護和加固措施(2)路基上層應密實均勻；基上層部分最好選用良好的土填筑,要注意充分壓實,必要時,設置隔離或采取其他處治措施(3)路面結(jié)構(gòu)應堅硬耐久;考慮當?shù)氐淖匀粭l件,采取合適的材料組成和結(jié)構(gòu)措施,使路面結(jié)構(gòu)在不利季節(jié)仍足夠堅強和穩(wěn)定(4)路面表面應平整抗滑。要合理選用路面結(jié)構(gòu)、嚴格控制施工質(zhì)量和經(jīng)常及時的養(yǎng)護來獲得平整的路面;抗滑性可通過選用堅硬、耐磨、粗糙的表面材料或采用表面拉毛或刻槽等工藝措施來實現(xiàn).對路基路面的要求(2)路基上層應密實均勻；(3)路面結(jié)構(gòu)應41.2路基路面的構(gòu)造一.路基的斷面型式1、路堤:指基身頂面高于原地面的填方路基.有一般路堤、浸水路堤和陡坡路堤.2.路塹:全部為挖方路基稱為路塹.有全路塹、半路塹和半山洞三種型式.3.半填半挖路基:整個橫斷面上既有填方又有挖方的路基.出現(xiàn)在地面橫坡較陡,路基又較寬,而路中線的設計標高與地面標高相差不大的地方.1.2路基路面的構(gòu)造一.路基的斷面型式2.路塹:全部為5面層基層墊層路面結(jié)構(gòu)30上路床80上路堤下路床下路堤150路基結(jié)構(gòu)路槽地基面層基層墊層路面結(jié)構(gòu)30上路床80上路堤下路床下路堤150路6二.路面的結(jié)構(gòu)組成

路面大多采用多層不同性質(zhì)材料建成，按其層位和作用可分為面層、基層和墊層。

1.面層：有水泥混凝土面層（CC路面）和瀝青混凝土面層（AC路面）。

面層是直接同車輪和大氣相接觸的結(jié)構(gòu)層。受到水平力、豎向力和沖擊力的反復作用。且受到降水的侵蝕和氣溫變化的影響。

路面的使用品質(zhì)取決于面層。故面層要求是結(jié)構(gòu)強度高，氣候穩(wěn)定性好，耐久、防滲，良好的平整度和粗糙度。面層可由1-3層組成。高速公路一般12-18CM，一級公路10-15CM，二級公路5-10CM，三級公路2-4CM，四級公路1-2.5CM。路面面層要注意排水。應設置一定的橫向坡度，有路拱和超高。路面橫斷面做成中間拱的形狀叫路拱，坡度與路面類型有關(guān)，CC和AC路面一般為1-2%。拐彎處設置為單向坡度，外高內(nèi)低的叫超高。二.路面的結(jié)構(gòu)組成路面大多采用多層不同72?；鶎樱褐饕惺苡擅鎸觽飨聛淼男熊嚭奢d豎向力的作用，并把它擴散到墊層和土基。故應具有足夠的強度和剛度。但由于仍可能受到地下水和路表水的滲入，故應具有足夠的水穩(wěn)性?；鶎铀貌牧嫌袨r青穩(wěn)定類、無機結(jié)合料穩(wěn)定類、粒料等及片石或圓石。

為保護面層的邊緣，基層每側(cè)應比面層至少寬出25CM。在基層之下還可設置底基層，底基層每側(cè)宜比基層寬出15CM。3.墊層：當路基水溫狀況不良和土基濕軟時，應在路基與基層（底基層）之間加設墊層。起排水、隔水、防凍、防污和擴散應力作用。

墊層可用材料有顆粒材料或無機結(jié)合料、穩(wěn)定粗粒土等鋪筑。墊層每側(cè)應比基層至少寬出25CM，或與路基同寬。其它：路緣帶、硬路肩—可增加行車道寬，便利于臨時停車。高速公路與一級公路與路面同材，其它等級公路將使用次一級材料。2?；鶎樱褐饕惺苡擅鎸觽飨聛淼男熊嚭奢d豎向力的作用，并把它81.3路基路面工程的特點與內(nèi)容一、工程特點3結(jié)構(gòu)型式簡單，但是復雜的復合結(jié)構(gòu)。1變異性大5與環(huán)境相互作用，牽涉范圍廣，施工安排不易等。2分期修建4設計、施工、監(jiān)測、管理是相互作用的。1.3路基路面工程的特點與內(nèi)容一、工程特點3結(jié)構(gòu)型式簡9二、設計與建筑內(nèi)容１、路基路面設計的內(nèi)容：勘察調(diào)查（收集資料）、路基設計、路面設計、設計方案比選２、路基路面建筑的內(nèi)容：準備工作、路基施工、路面施工、質(zhì)量控制和檢驗。-9-3、目的與根本任務：以最低的代價，提供符合一定使用要求的路基路面結(jié)構(gòu)物。1.4本課程與其他課程的關(guān)系本課程是一門重要的專業(yè)課。主要介紹路基路面設計與建筑的基本知識、原理和方法。它以工程地質(zhì)為基礎，與土力學有關(guān)，涉及到水力學、橋梁水文、道路建筑材料，是道路勘測設計中橫斷面設計的延續(xù)與補充。也以交通工程為基礎。路基路面的設計方案的經(jīng)濟分析、施工組織設計與工程質(zhì)量管理等在工程造價管理中介紹。二、設計與建筑內(nèi)容１、路基路面設計的內(nèi)容：２、路基路面建筑的10行車荷載的分析AnalysisOfVehicleLoading第二章行車荷載的分析第二章11

汽車是路面的服務對象，也是使路基和路面結(jié)構(gòu)遭受破壞的主要肇因。要能設計和修建出既符合使用要求又經(jīng)久耐用的路基和路面結(jié)構(gòu)物，就必須首先對行駛在路上的車輛作一考察。要考慮的車輛因素主要有：車輛荷載的大小和特性、分布、持續(xù)時間、在使用期內(nèi)行車的變化情況及數(shù)量等。本章先從介紹汽車的種類和軸型出發(fā)，從靜態(tài)的角度來分析汽車荷載的作用圖式和大小，接著考察運動著的車輛荷載對路面的影響，最后討論怎樣分析和考察路面結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)所收到的各種車輛荷載的累計作用次數(shù)。汽車是路面的服務對象，也是使路基和路面結(jié)構(gòu)遭122-1車輛荷載的分析一、車輛的類型：1.小型客車：包括小臥車、小面包車等，它們的車速高，重量小，總重一般大于12KN，最高車速一般大于100km/h,6m長,2m高,1.8寬.2.大型客車:用于城市交通或城鄉(xiāng)運營,有些地方還使用鉸接式大客車。滿載重量一般大于100KN,最小車速常不小于60km/h3.載貨汽車:有一般載貨汽車、自卸汽車牽引車及被牽引的拖掛車、平板車和集裝箱車等。一般總重為50~150KN,最高車速約為70-80km/h.自卸車總重為150~500KN以上,多用于礦山內(nèi)部運輸及施工工地的材料運輸,一般不作長途運輸,最高車速約為40-50km/h.牽引車自重約為50KN,被牽引的拖掛車,平板車,集裝箱車的最大重量大于1000KN.在路面設計中,一般將特種工程車輛視為載貨汽車.

在路面結(jié)構(gòu)設計及路基穩(wěn)定性驗算中,主要考慮大型客車及載貨汽車的作用。而在評定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)時,應考慮小車高速行駛的安全性和舒適性.2-1車輛荷載的分析一、車輛的類型：1.小型客車：包括小13

汽車通過安裝在車軸上的輪子把荷載傳給路面。汽車類型眾多,車輪與車軸的組合型式也變化繁多,目前,輪軸型式分為三大類：1.固定車身類:最大量最普通的一類.車軸可分為前軸和后軸.大部分的前軸為兩側(cè)各一個單輪組成的單軸,約為汽車總重的1/4~1/3.少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成,雙前軸的軸載約為汽車總重的一半.汽車的后周有單軸和雙軸,后軸由雙軸組成的較多,每根后軸的軸載約為前軸軸載的兩倍.３.掛車類:+1.1,+1.2,+2.2２.牽引車類:--11,--22,--44二、汽車的軸型汽車通過安裝在車軸上的輪子把荷載傳給路面。汽車類型眾多,142-2車輛的重力作用含自重和載重,車輛通過輪胎將其重力傳給路面,再由路面擴至路基。一.接觸壓力:處于靜載時,汽車的輪胎對路面的平均垂直壓強.同輪胎大小,輪胎的充氣內(nèi)壓力及其輪胎的性質(zhì)有關(guān).

一般輪胎的氣壓為0.4-0.7MPa,路面設計時,接觸壓力視為均勻分布二.接觸面積:

實際—胎面的花紋,實用上—接觸時的投影面積,有圓形和橢圓形,常用圓形.P為車輪荷載

當車輪的一側(cè)為雙輪組時，其接觸面積一般可換算為面積與它相等的一個圓形面積。若將雙輪組的每一個輪子與路面的接觸面積為面積相等的圓形面積，則雙輪組可換算為兩個圓形面積。前者叫單圓式，后者叫雙圓式。都是當量圓，不是真正的圓形。2-2車輛的重力作用含自重和載重,車輛通過輪胎將其重力傳給15三、等代荷載：在路基路面穩(wěn)定性驗算中，車輛荷載常換算成等代均布土層厚度。在高速、一級公路（有集裝箱公路）：用汽超20級，掛車-120在二、三級公路：用汽-20級，掛車-100在改建三級公路：用汽-15級，掛車-80在四級公路：用汽-10級，履帶-502-3行車的動態(tài)分析主要研究路面的受力狀況。如動力作用、水平力、瞬時性、重復性。一、動力作用：由于路面不平和自身振動，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動著。1、沖擊系數(shù)2、動荷系數(shù)3、影響因素（行車速度、路面平整度、車輛的振動特性）三、等代荷載：在路基路面穩(wěn)定性驗算中，車輛荷載常換算成等代均16變差系數(shù)：標準離差與靜載的比值。通常變差系數(shù)﹤0.3二、輪載作用的瞬時性：

使路面變形量↓，意味著路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力（剛度）和強度↑動荷載與靜載的比值稱為沖擊系數(shù)μ，μ常為1.3（在較平整路面上，車速50km/h時）如此短的荷載作用時間，使路面結(jié)構(gòu)中的應力來不及傳遞分布，其變形不會像靜載時那樣充分。美國公路工作者協(xié)會（AASHO）曾經(jīng)做過試驗發(fā)現(xiàn)：不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面表面的變形進行過實測，表明：當車速由3.2km/h→56km/h時，柔性路面的總彎沉量f（變形）減少了36-38%；而當車速由3.2km/h→96.7km/h時，剛性路面的板角撓度f和板邊應變量ε降低了29%左右。設計時：設計輪載=μ·靜輪載行車以一定速率行經(jīng)路面時，路表面上任一點所經(jīng)受輪載的時間很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度處應力持續(xù)作用時間稍長些，但仍很短。見P14變差系數(shù)：標準離差與靜載的比值。通常變差系數(shù)﹤0.317三、水平力：2.牽引力引起的水平力：Fd≦Φ

·

P

Φ通常為0.5-0.7（干燥）

0.3-0.5（潮濕）

0.1-0.2（結(jié)冰）

1.滾動阻力：F0=μ·Pμ=0.01-0.02（AC、CC路面）1-2%

向前←（輪胎對路面）μ=0.025-0.05（砂石路面）3.起動（制動）阻力：Fs≦fs

·

Pfs通常為0.7-0.8（干燥）fs為路面與輪胎間的制動摩阻系數(shù)，常≦f0路面的縱向滑移摩阻系數(shù)見P15表2-2f0同路面類型、路面特性、路面干濕狀況和車速有關(guān)。4.車輛（加）減速實時，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P5.離心力：Fl≌0.1

P可見，水平力最大為緊急制動時：可達豎直力的80%，設計時必須考慮。水平力分布也假設為均布的，且在豎向力相同的接觸面內(nèi)。三、水平力：2.牽引力引起的水平力：Fd≦Φ·P182-4交通分析路面結(jié)構(gòu)設計時要考慮荷載重復作用的次數(shù)，這就涉及到分析道路的交通量。各種軸型、各級軸載重復作用的累計次數(shù)。路面所受荷載為重復荷載，其破壞機理為疲勞破壞。

AC路面：10-15年，CC路面：20年不大修。一.交通量的統(tǒng)計與預測：1.平均日交通量n：指一定時間（每日，一晝夜24小時）通過道路某一斷面的車輛總數(shù)。通過交通量調(diào)查：連續(xù)式—每天24小時（一年）；費時費力，但較全面

間隙式—每月選幾天，省時省事，但代表性差實用上可根據(jù)觀測資料中周和年的變化規(guī)律特點，選擇有代表性的觀測日。也可根據(jù)觀測的結(jié)果乘以相應的不均勻系數(shù)。如月觀測系數(shù)、日觀測系數(shù)或周觀測系數(shù)。見P16例題。目前，我國公路交通量觀測站在調(diào)查記錄時，將車輛分為載重量不滿25KN的小型貨車、25-80KN的中型貨車、大于80KN的大型貨車、小型客車、大型客車、汽車拖掛車、拖拉機（大中學、小學）和非機動車（獸力車、人力車、自行車）11類。其中：小型拖拉機、小客車、小型載貨汽車及非機動車對路面結(jié)構(gòu)性能影響很小，在路面結(jié)構(gòu)設計時，不予考慮，故在統(tǒng)計時加以扣除。2-4交通分析路面結(jié)構(gòu)設計時要考慮荷載192.使用期內(nèi)累計交通量：道路的交通量會隨年份而增長的。現(xiàn)在的車比以前多得多，且每年都在增長，而要求得路面在使用期內(nèi)通過的累計車輛次數(shù)，必須考慮交通量的年增長率γ。當然γ很難正確估計，只能預估，考慮今后可能達到的飽和量和地方經(jīng)濟文化發(fā)展趨勢等因素定。則：在使用期內(nèi)的累計交通量：t為使用年限，n1為開始年的年平均日交通量。在雙向車道上：還要考慮方向不均勻系數(shù)，一般為0.5-0.6

在多車道上：要考慮車道不均勻系數(shù)，1.0（1車道/方向）

0.8-1.0（2車道/方向）

0.6-0.8（3車道/方向）二.軸（輪）載譜:指行駛在路上的車輛，各輪（軸）重各不相同，對路面的破壞程度也不同，故還需考慮不同大小的軸載在整個車輛中所占的比例軸載譜可通過在路面埋置地磅或傳感器來記錄，其次數(shù)、重量可畫成直方圖。見P172-6圖由交通調(diào)查可得各級軸載的年平均日作用次數(shù)，若已知γ，則可得各級軸載的累計作用次數(shù)。年平均日作用次數(shù)=平均軸數(shù)×平均日交通量2.使用期內(nèi)累計交通量：道路的交通量會20三、軸載的等效換算：1.組成：由于軸載的種類很多，通常將各級軸載換算為某一標準軸載來考慮。如100KN（我國和大部分國家），也有些國家以130KN或80KN作為標準軸載。2.等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的疲勞損壞程度時，相應的作用次數(shù)被認為是等效的。

3.換算公式（換算系數(shù)公式）：Ns為每日通過的標準軸載次數(shù)，下標s為標準的，i為i級軸載.Ps=100KN,α為反映軸數(shù)、輪組數(shù)的影響系數(shù)。1).瀝青路面：

①計算路表彎沉及瀝青層層底拉應力時:（見P163-164）相當于:α

=C1C2n=4.35C1與軸數(shù)有關(guān),C1=1+1.2(m-1)m為軸數(shù)C2與輪數(shù)有關(guān),單輪C2=6.4,雙輪C2=1.0四輪C2=0.38三、軸載的等效換算：1.組成：由于軸載的種類很多，通常212).水泥路面(P210)

②計算半剛性基層層底拉應力時:n=8αi

為軸數(shù)系數(shù),單軸αi

=1.0雙軸時Pi=200KNC1′=1+2(m-1)m為軸數(shù)單輪C2′=18.5,雙輪C2′=1.0四輪C2′=0.09(縱縫處)

(橫縫處)2).水泥路面(P210)②計算半剛性基層層底拉應力22四、輪跡的橫向分布：1.水泥混凝土路面設計規(guī)范(輪跡橫向分布系數(shù)η)。從P19圖2-7:分車道單向行駛,寬3.75m的車道上實測到的輪跡橫向分布頻率曲線,可見在離邊緣0.9-3.0m附近的分布頻率達峰值.輪跡覆蓋帶寬為50cm.(輪寬20cm,輪隙10cm,雙輪組)故圖中相鄰兩條帶頻率之和即為橫向分布系數(shù)(頻率)。2.瀝青路面設計規(guī)范(車道系數(shù)):

從P19圖2-8:不分車道混合行駛時輪跡橫向分布頻率曲線上可見中間頻率達最大.作業(yè):2.5

四、輪跡的橫向分布：1.水泥混凝土路面設計規(guī)范(輪跡橫23第三章InfluenceofNaturalFactors自然因素的影響第三章InfluenceofNaturalFa24路基和路面結(jié)構(gòu)外露在地表，直接感受到自然因素（地質(zhì)、水文、氣候、地形、地貌）的影響。這些自然因素主要是溫度和濕度。它將引起路基土和路面材料的性狀發(fā)生變化，還會造成非交通性損壞（如剝落、滑坡、凍脹、縮裂、老化等）。因此，在路基路面設計時要考慮自然因素的影響。

路基土和路面材料的強度和剛度隨路面體系內(nèi)溫度和濕度的升高而減少。路基土和路面材料的體積隨路面體系內(nèi)溫度和濕度的升降而脹縮。由于溫度和濕度沿路基路面體系深度呈不均勻分布，不同深度處的脹縮變化也是不相同的。這種不均勻脹縮變形受到各種因素的約束而不能實現(xiàn)時，路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)會產(chǎn)生附加的內(nèi)應力（溫度應力和濕度應力）。

3.1公路自然區(qū)劃

我國地大物博，各地的自然條件差別很大，為了區(qū)分不同地理區(qū)域自然條件對公路工程影響的差異性，對全國進行公路自然區(qū)劃，并在路基路面的設計、施工、養(yǎng)護中采取合適的設計參數(shù)和技術(shù)措施，以保證路基路面的強度和穩(wěn)定性。一、區(qū)劃的原則：以自然氣候因素的綜合性和主導性相結(jié)合為原則，使在同一區(qū)內(nèi)的筑路特點相似。路基和路面結(jié)構(gòu)外露在地表，直接感受到自然因素25二、區(qū)劃的分級：分為三個等級一級區(qū)劃：按大范圍內(nèi)的氣候、地理、地貌的差異劃分，將全國分為7個一級自然區(qū)。二級區(qū)劃：在一級區(qū)劃的基礎上，以潮濕系數(shù)K為主要指標.

潮濕系數(shù)K為年降水量與蒸發(fā)量的比值.按K可分為過濕、中濕、潤濕、潤干、中干、過干等6級,以2.0,1.5,1.0,0.5,0.25分界。考慮氣候特征、地貌、自然病害等,考慮氣候特征、地貌、自然病害等,將全國分為33個二級區(qū)及19個副區(qū),共52個二級自然區(qū)。三、各自然區(qū)的筑路特點：Ⅰ區(qū)：北部多年凍土區(qū).Ⅰ1連續(xù)多年凍土區(qū),Ⅰ2島狀多年凍土區(qū).Ⅱ區(qū)：東部溫潤季凍區(qū).5個主區(qū),5個副區(qū).Ⅲ區(qū)：黃土高原干濕過渡區(qū).4個主區(qū),2個副區(qū).Ⅳ區(qū)：東南濕熱區(qū).7個主區(qū),5個副區(qū).Ⅴ區(qū)：西南潮暖區(qū).5個主區(qū),3個副區(qū).Ⅵ區(qū)：西北干旱區(qū).4個主區(qū),3個副區(qū).Ⅶ區(qū)：青藏高寒區(qū).6個主區(qū),1個副區(qū).二、區(qū)劃的分級：分為三個等級一級區(qū)劃：按大范圍內(nèi)的氣候、地理263.2路面溫度狀況一、路面溫度的變化:路面直接接觸大氣,大氣的溫度在年內(nèi)和月內(nèi)發(fā)生周期性的變化,故路面溫度也發(fā)生周期性的變化。路面表面層溫度的周期性起伏同氣溫的變化幾乎完全同步,其溫度較氣溫高.由于部分太陽輻射被路面吸收,在夏天烈日照射下,瀝青路面表層的最高溫度可高出氣溫23度左右.水泥混凝土路面也要高出14度左右.當然,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度處同樣也隨氣溫呈周期性變化,但起伏的幅度隨深度增加而下降,其峰值的出現(xiàn)也隨深度的增加而越來越滯后.溫度的狀況還可用一日內(nèi)不同時刻的路面溫度沿深度的變化曲線來表示.路面溫度T隨深度z一般呈曲線分布,既不是常數(shù).面層頂面與底面之間的溫差在一日內(nèi)的變化,具有同氣溫變化近乎同步的周期性特點(見圖3-4).通常在早晨某一時刻(7:00-9:00)溫差為零,午后某時(1:00-2:00)頂溫高于底溫(正溫差)達最大值,而在凌晨某時(3:00-5:00)負溫差達最大值.在一年中,路面結(jié)構(gòu)不同深度處月均溫度的周期性變化與月均氣溫的變化基本上是同步的(見圖3-5).平均氣溫最高為7月份,最低為1月份.路面結(jié)構(gòu)也一樣.面層的最大溫度梯度在一年內(nèi)也呈周期性變化,最高在5-7月份,最低為12-1月份.3.2路面溫度狀況一、路面溫度的變化:27二、影響路面溫度的因素:

路面材料的物理性能參數(shù)2、內(nèi)部因素:輻射熱的吸收能力b(%),熱傳導率λ(cul/s),熱容量S(T/㎏℃).路面材料的物理性能見下表.1、外部因素:太陽輻射能,氣溫,風,雨,蒸發(fā)等.三、路面溫度的預測方法:1、理論法:美國Barber從溫度場概念來描述,設路面在水平方向為均布.1)沿深度方向溫度均可用一維熱傳導方程來表示.二、影響路面溫度的因素:路面材料的物理性能參數(shù)2、內(nèi)部因282)邊界條件:①路面結(jié)構(gòu)為均質(zhì)半無限體②用有效溫度代替路表溫度③有效溫度te隨時間呈正弦周期性變化.

tM為平均有效溫度,tV為有效溫度振幅

tA為日平均氣溫,tR為日氣溫差(℃)C為路面材料熱物理性能綜合參數(shù)，H為對流換熱系數(shù)與面層材料導熱系數(shù)比值

V為平均風速R為溫度增量,Q為太陽輻射日總量

由這些條件可解出:

求路面最高溫度時,以z=0,sin函數(shù)為1計,則2)邊界條件:①路面結(jié)構(gòu)為均質(zhì)半無限體②用有效溫度代替路292.統(tǒng)計法:由實測(在不同深度處埋設測溫元件)→回歸分析→回歸方程無錫(AC路面):上海(AC路面):綜合上海、重慶、廣州、北京等地水泥混凝土路面統(tǒng)一回歸后,得水泥混凝土(22cm厚)最大溫度梯度.按均質(zhì)半無限體假設,由路表熱平衡和傳熱學原理也可推得二元回歸:一元回歸:(相關(guān)系數(shù)r=0.845,標準離差別s=0.103℃/㎝)理論公式此理論公式與二元回歸經(jīng)驗公式結(jié)果非常相近.2.統(tǒng)計法:由實測(在不同深度處埋設測溫元件)→回歸分析→30四、全國溫度區(qū)域劃分:

由全國56個氣象觀測站資料,水泥混凝土路面(面層厚度為22㎝)設計時T′max建議值,見下表:

夏季、氣溫高時取大值,海拔高、空氣濕度大時取高值.

對其它厚度面層取值可考慮面層修正系數(shù)αh,路面越薄,修正系數(shù)越高.四、全國溫度區(qū)域劃分:由全國56個氣象觀測站資料,水313.3路基濕度狀況一、濕度的來源和變遷:1.大氣降水或蒸發(fā):蒸發(fā)將循相同路徑使水分從路基內(nèi)溢出。上述因素對路基濕度的影響情況和程度同當?shù)氐淖匀粭l件和道路結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。2）由不透水路面的接縫或裂縫滲入；1）由透水的路肩、邊坡滲水（通過毛細潤濕作用向路基中部移動；3）由透水路面滲入。2.地面水:徑流，洼地積水，溝渠或河塘中的水可通過滲透或毛細潤濕作用（非飽和土具有負孔隙水壓力）→路基。3.地下水:地下水位高于路基時→地下水遷移；地下水位低于路基時→地下水毛細上升作用影響路基的濕度狀況4.溫度:ΔT較大時，水分從高（熱）處往低（冷）處遷移，對多年凍土地區(qū)影響很大。3.3路基濕度狀況一、濕度的來源和變遷:1.大氣降水32北方季節(jié)性冰凍地區(qū)，路基在凍結(jié)時，土中未凍的水分會向凍結(jié)線（冰凍線）附近積聚，春暖花開時，由于路面導熱性大，使路基上中部的土先溶解，水分無法排除，而呈過濕狀態(tài)，隨著土中水分排除和蒸發(fā)，路基濕度才會下降。粉性土比砂性土毛細作用更強，滲透性又好，容易積聚水分。對不透水路面，會減少降水和蒸發(fā)對路基濕度的影響。對于透水路面，上層路基的濕度狀況將受到降水和蒸發(fā)的影響，季節(jié)性變化大。二、路基的干濕類型：1、類型：干燥、中濕、潮濕、過濕四種。當然干燥、中濕為較理想路基。2、判定標準：1）不利季節(jié)路槽底面以下80cm內(nèi)的土層“平均相對含水量”Wλ2）不利季節(jié)路槽底面以下80cm內(nèi)的土層“平均稠度”Wc（見P32表3-6，3-7）為含水量平均值，Wy為76g錐液限WL為土的塑限，WP為100g錐所測的液限北方季節(jié)性冰凍地區(qū)，路基在凍結(jié)時，土中未凍的333、分類標準：臨界高度有H1、H2、H3。（見P32-35表3-8）干燥：Wc≧Wc1H﹥H13）路基相對高度H（相對于地下水位或明的地表積水位）在無地表積水且地下水較深地段，為利于充分排水，保證路基干燥穩(wěn)定的最小填土高度見P35表3-9。水文地質(zhì)條件不良地段，路基設計最小填土高度應滿足路基處于干燥、中濕狀態(tài)的臨界高度。對潮濕、過濕路基須進行處理，以符合設計要求。中濕：Wc1﹥Wc≧Wc2H2﹤

H≦H1潮濕：Wc2﹥Wc≧Wc3H3﹤

H≦H2過濕：Wc≧Wc3H﹤H33、分類標準：臨界高度有H1、H2、H3。（見P32-35表34三、濕度狀況預估—經(jīng)驗法1.按所屬自然區(qū)劃和路基干濕類型預估。見P36例題2.現(xiàn)場調(diào)查預估法1）將路分段；2）每段上取幾個斷面測定含水量；3）畫出相對含水量斷面圖3.類比法：在同一范圍內(nèi)有類似的現(xiàn)有道路路段（已有濕度資料或?qū)崪y濕度）還要進行可靠性設計，讓保證率達到90-95%或95%左右。四、季節(jié)性冰凍地區(qū)濕度狀況及其工程意義1、負濕度梯度：由于自由表面能下降，使水分向上遷移，為達到平衡，引起凍脹和水分積聚2、工程問題：1）凍脹引起開裂；2）春融引起路基性能降低（此時孔隙水壓力很大）3）泥漿上滲，引起翻漿、冒泥。3、翻漿、冒泥形成5個條件：1）土質(zhì)條件；與毛細力大小、滲透性大小有關(guān)。粉土、極細砂易形成凍脹土；砂的凍脹較輕（毛細上升系數(shù)小，滲透性大）；粘土凍脹也輕（毛細上升系數(shù)大，但滲透性小）。2）水文條件；3）氣候條件；4）行車荷載；5）養(yǎng)護條件。作業(yè)：3.6；3.7三、濕度狀況預估—經(jīng)驗法1.按所屬自然區(qū)劃和路基干濕類型預估35第四章材料的力學性能MechanicalPropertyofMaterial第四章材料的力學性能36前兩章考慮了外部對路基路面的影響，這章將從內(nèi)部考慮對路基路面的影響。路基路面材料大致可分外為三類：1.土和顆粒材料2.瀝青類材料（有機結(jié)合料）3.水硬性材料（無機結(jié)合料）-水泥、石灰、粉煤灰材料的力學特性：1.強度（破壞）特性：抗剪強度、抗拉強度、疲勞強度2.剛度（變形）特性：應力-應變關(guān)系、變形累積3.穩(wěn)定性：前兩章考慮了外部對路基路面的影響，這章將從內(nèi)部考慮對374.1極限強度定義：指材料靜載一次作用下達到極限狀態(tài)或出現(xiàn)破壞時所能承受的最大應力。路基路面結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的強度破壞常為兩種：1.剪應力過大引起某一滑動面的滑移或相對變位。如路基的坍塌↓和瀝青面層的擁起→等。2.正應力過大引起的斷裂。如氣溫突然下降或輪載過重。一.抗剪強度：面層厚度較薄而剛度較低時，傳給土基的應力較大，有可能出現(xiàn)土基承載力不足而引起的剪切破壞。對于高等級路面，這種情況一般不會出現(xiàn)。面層較厚但剛度較低（如高溫下瀝青面層）時，如受到較大的水平力（如緊急制動），就有可能因瀝青混合料的抗剪強度不足而出現(xiàn)推移等破壞?？辜魪姸葹椴牧鲜芗魰r的極限或最大應力。按摩爾-庫倫強度理論，抗剪強度由兩部分組成：4.1極限強度定義：指材料靜載一次作用下達到極限狀態(tài)或出38一是摩擦阻力部分，同作用在剪切面上的法向應力σ成正比。σtgφ另一是同法向應力無關(guān)的粘結(jié)力部分。τ

=σtgφ+c

φ為內(nèi)摩擦角，c、φ是表征材料抗剪強度的兩個參數(shù)。c、φ①可通過直剪試驗繪出τ—σ曲線后按上式確定。②也可通過三軸壓縮試驗繪出摩爾圓和相應的包絡線后按上式的直接關(guān)系近似確定。由于三軸試驗與實際受力狀況接近，目前大多數(shù)采用這種方法。三軸試驗中試件的直徑應大于集料中最大粒徑的4倍，試件高度和直徑之比不應小于2（h/d≥2)，集料最大粒徑小于2.5cm時，目前大多采用10cm試件直徑，高為20cm.③對能做抗拉和無側(cè)限抗壓試驗的材料，還可根據(jù)所測的抗壓強度σc和抗拉強度σt來推算c、σ。土和顆粒材料抗剪強度是由礦質(zhì)顆粒之間的摩擦、嵌擠以及毛細和吸附等作用形成的。故其τ

f與顆粒的大小和形狀、礦物成分和級配、密實度和含水量、受力條件等因素有關(guān)。飽和軟粘土在快速加荷時φ≌0；干砂沒有粘聚力

c=0，而φ≌28°~35°；碎石材料的φ可達40°~60°；石料等級高，形狀接近于立方體，有棱角、尺寸均勻、表面粗糙、壓實緊密的，φ就大。一是摩擦阻力部分，同作用在剪切面上的法向應力σ成正比。σt39瀝青混合料的粘結(jié)力取決于：1）瀝青的粘度。粘度越高，粘結(jié)力也越大。2）瀝青用量。用量過少，不足于充分涂敷在礦質(zhì)顆粒；用量過多，又將使顆粒被擠開，兩種情況都會使粘結(jié)力降低。因而存在一最佳瀝青用量，使粘結(jié)力達最大。4）混合料中礦質(zhì)顆粒存在相互滑移和錯位阻力，但因有瀝青涂敷，其σ比純粒料有所下降，瀝青含量越高，σ值下降越多。而集料級配良好，富有棱角時，有助于提高φ。3）瀝青的粘度受溫度和應力作用時間（剪切速率）的影響很大，隨溫度升高而下降，隨剪切速率下降而c下降。二、抗拉強度σt

：1）車輛緊急剎車時，車輪后側(cè)的路面將受到很大的徑向力；σt可由直接拉伸試驗或間接拉伸試驗確定。2）面層在氣溫驟降，其收縮受下層摩阻約束時，也會產(chǎn)生較大拉應力。1.直接拉伸試驗：將混合料做成h/d=2.5~3倍的圓柱形試件，見P40,其兩端用環(huán)氧樹脂粘于金屬帽上，通過安裝在試件上的變形傳感器測得各級荷載應力下的應變（變形）值，做成σ-ε曲線，σmax為抗拉強度。瀝青混合料的粘結(jié)力取決于：1）瀝青的粘度。粘度越高，粘結(jié)力也402.間接拉伸試驗（劈裂試驗）：將材料做成較短的圓柱形試件（h<D）,見P40,測試時沿試件的直徑方向加壓，按一定速率加在墊條上，直到試件開裂破壞，抗拉強度σt=2Pmax/(πhD)。試驗中墊條對試件的應力分布和極限強度Pmax有顯著影響，常取墊條寬a=1.27cm,由硬質(zhì)橡膠或金屬做成，其一面的弧度與試件相同。若考慮其影響可乘一改正系數(shù)0.9838。路面材料的抗拉強度σt主要由粘結(jié)力c提供：影響因素為1）瀝青混合料的σt，隨瀝青含量和施荷速率增加而增加，隨針入度和溫度T增加而下降，而在負溫下，σt隨針入度和溫度T降低而下降；增加混合料的密實度，σt上升，密級配混合料的σt高于開級配混合料，對密級配混合料，σt隨粒徑dmax減少而增加。2）水泥混凝土、石灰穩(wěn)定土、工業(yè)廢渣等水硬性材料，其σt除受集料組成、含量及拌制均勻性、壓實程度影響外，而且與齡期有關(guān)。2.間接拉伸試驗（劈裂試驗）：將材料做成較短的圓柱形試件（h413.抗彎拉強度（抗折強度）σ

b

：大多通過室內(nèi)小梁試驗測定。試件高h和寬b不小于集料最大粒徑的4倍。整體性材料（水泥混凝土、水泥穩(wěn)定土或石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土）及常、低溫下的瀝青混合料具有一定的抗彎拉強度。在超過允許荷載作用下，有可能在結(jié)構(gòu)層底面產(chǎn)生較大的拉應力，而在材料的σb

不足時出現(xiàn)斷裂破壞。根據(jù)材料情況可做成三種小梁：采用三分點加荷，材料的抗彎拉強度:1）5cm×5cm×24cm,測試支點跨度為15cm，可用于石灰（或水泥）穩(wěn)定土和瀝青砂（細粒式）。２）10cm×10cm×40cm,測試支點跨度為30cm，用于最大粒徑為２.５cm的穩(wěn)定類材料和中粒式瀝青混合料。３）15cm×15cm×55cm,測試支點跨度為45cm，用于最大粒徑為3.５cm的穩(wěn)定類材料、粗粒式瀝青混合料和水泥混凝土。影響瀝青混合料或水硬性材料的σ

b與抗拉強度σt相同。lP3.抗彎拉強度（抗折強度）σb：大多通過室內(nèi)小梁42４.２疲勞特性１.定義：材料承受多次重復應力作用會在低于材料極限強度的應力值出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。２.產(chǎn)生原因：材質(zhì)不均勻，引起應力σ集中后出現(xiàn)裂紋，在應力σ反復作用下逐漸擴展，從而使受力面積減少，應力σ下降，導致破壞。３.疲勞極限：出現(xiàn)疲勞破壞的反復應力大?。ㄆ趶姸龋╇S應力重復次數(shù)的增加而降低。有些材料在應力反復作用一定次數(shù)（如一千萬次）后，出現(xiàn)破壞時的反復應力值不再下降而趨于穩(wěn)定，此穩(wěn)定值叫疲勞極限。４.研究目的：１）了解影響疲勞特性的因素，以便改進材料的組成，提高其使用壽命。２）尋求材料的疲勞強度與反復應力作用次數(shù)間的定量關(guān)系（疲勞方程），以便估計路面的疲勞壽命。一、瀝青混合料的疲勞特性：１.試驗方法和疲勞方程：室內(nèi)研究是在簡支小梁或梯形懸臂式試件或圓柱體試件（間接拉伸疲勞）上施加脈沖或正弦式反復荷載應力進行的。由于瀝青混合料的模量較低，應力反復施加過程中，試件的實際應力狀態(tài)和應變量會不斷發(fā)生變化，為此采用控制正應力σ或正應變ε試驗。４.２疲勞特性１.定義：材料承受多次重復應力作用會在低于材43１）控制應力的疲勞試驗：在試驗過程中每次施加的荷載或應力值保持不變。這時由于試件內(nèi)的微裂紋逐步擴展，材料的勁度不斷下降，應變不斷增加，最終導致試件破裂。２）控制應變的疲勞試驗：不斷調(diào)節(jié)（減少）所施加的荷載或應力，使試件產(chǎn)生的變形或應變值保持不變。前一種試驗疲勞破壞以試件出現(xiàn)斷裂為標志，后一種試驗并不出現(xiàn)明顯的疲勞破壞現(xiàn)象，只能主觀地以勁度下降到加荷200次時的某一百分率（40%或50%)作為疲勞破壞的統(tǒng)一標準。３）試驗表明：①其疲勞壽命Nf隨施加應力σr或應變εr的增大而減小。a、b、c、d同瀝青混合料的組成和試驗條件有關(guān)的回歸系數(shù)。②控制應變試驗得到的Nf比控制應力得到的Nf大得多。二者差別大小與溫度有關(guān)，高溫下差別很大。③提高瀝青混合料的密實度、適當增加瀝青用量可減輕應力集中現(xiàn)象，使壽命延長。１）控制應力的疲勞試驗：在試驗過程中每次施加的荷載或應力值保44影響Nf因素見42表4-1。

兩種試驗方法得到不同和疲勞性狀。原因在于破壞機理的差異。σ集中產(chǎn)生微裂隙后，在控制應力試驗中：模量E↓，裂隙迅速擴展；而在應變控制試驗中，應力不斷減小，裂隙的擴展便延續(xù)很長時間。E越小，延續(xù)時間越長，于是勁度低的材料，其Nf越大。疲勞試驗時應選擇何種加載方式應視具體情況而定。厚瀝青面層，選用控制應力試驗，得出Nf小，偏安全。對薄瀝青面層，采用控制應變試驗。室內(nèi)疲勞試驗與路面的野外實際并不一致，所得Nf比實際小，故常采用室內(nèi)試驗與試驗路面相結(jié)合定。二、水硬性材料的疲勞特性：1、試驗方法和疲勞特性：1）方法：小梁（室內(nèi)）試驗，施加不變反復荷載（控制應力）進行。其Nf取決于σr/σb的比值。2）疲勞方程：σr/σb=α-βtgNf，α、β為回歸系數(shù)，與材料性質(zhì)和試驗條件有關(guān)。在σr<0.75σb的范圍內(nèi)，反復應力施加的頻率對試驗的結(jié)果影響很小。在一定σ下，水硬性材料的疲勞壽命Nf取決于極限強度。故有助于提高材料強度的措施，也有利于Nf的提高。影響Nf因素見42表4-1。疲勞試驗時應453）上述疲勞試驗是σr在0-最大的變動循環(huán)內(nèi)進行的，但水泥混凝土路面實際受到荷載應力σ荷和溫度應力σ溫共同作用，變動于σmin（溫）和σ溫+荷之間，稱為高低應力比R=σmin/σmax。通過對高低應力比的疲勞試驗進行回歸分析，有：Β=0.0724，其中α、a、b由可靠度定。見表4-2（P43)

室內(nèi)試驗同樣與野外實際有出入，但由于野外自然環(huán)境對混凝土的不利影響，使室內(nèi)的疲勞方程反而偏不安全。同樣要結(jié)合實際進行修正。三、邁因納定律：

使用中用單一不變的荷載反復作用，而實際上車輛荷載是輕重不一的，故還須考慮不同級位荷載產(chǎn)生的綜合疲勞破壞問題。常用邁因納定律：即各級荷載級位下材料的疲勞損耗可以采用線性疊加的方法予以累積。Ni荷載級位i的作用次數(shù)，Ni第i級荷載的疲勞壽命。也可用換算系數(shù)N為標準軸載的疲勞壽命。3）上述疲勞試驗是σr在0-最大的變動循環(huán)內(nèi)進行的，但水泥464.3變形特性一、變形分析：材料受力后，變形有彈性、粘彈性、粘性和塑性四種變形。左圖表材料在脈沖應力σ

0作用下ε與t的關(guān)系曲線，加荷后立即產(chǎn)生彈性應變和塑性應變（εe+εp),僅同σ

0有關(guān)。卸荷后εe立即消失，而εp保留下來。粘性應變εv和粘彈性應變εve在受荷時間內(nèi)會不斷增大，但粘性應變εv在卸載后不再變化，而εve在卸載后不斷變小，在施加另一脈沖荷載時，還會殘存部分εve′間歇時間tB越長，則εve′越小。εe、εve屬可恢復的，統(tǒng)稱為回臺彈變形。殘余應變有εp，εv和εve′逐漸積累。σ

0εeεpσtBttεeεVe′εVεPεVeεVεVe′4.3變形特性一、變形分析：材料受力后，變形471.瀝青混合料的蠕變試驗：在一定溫度、荷載下隨時間增加應變將增長。當σ小，t短時，基本處于彈性或粘彈性狀態(tài)。當σ大，t長時，處于彈-粘-塑性狀態(tài)。且瀝青的粘滯性同溫度關(guān)系很大。低溫時，屬彈性體，高溫時屬彈-粘性或彈-粘-塑性體。2.土和顆粒材料：具彈-塑性質(zhì)，當細料含量和濕度增加時，還會呈粘性性質(zhì)。3.水硬性材料：隨齡期增加，接近彈性變形體。二、應力應變關(guān)系：E=σ/ε

路基土和路面材料都不是理想彈性體，σ-ε

關(guān)系為非線性，其E隨應力級位的大小和取值而異。1)切線彈性模量Et;2)割線模量Es;3)回彈模量Er;4)彎拉模量Eb.1.土和顆粒材料：用三軸試驗測得Er（回彈模量）隨σd增大而減小。隨側(cè)應力σ3增大而增大。試驗表明，粘性土受σ3影響可忽略，而砂性土和碎（礫）石材，2.水硬性材料的模量E：同強度一樣隨齡期增加會不斷增大，σ與ε在大范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，見P46圖4-12，彎拉回彈模量與壓縮回彈模量值較接近，同一量級。

K1、K2為回歸系數(shù)，θ為主應力之和，θ=σ

1+σ

2+σ

3=σ

d+3σ

3,Er除受σd、σ

3影響外，還與材料顆粒形狀、密實度、級配、細料有關(guān)。1.瀝青混合料的蠕變試驗：在一定溫度、荷載下隨時間增加應變將483.瀝青混合料的模量Sm：不僅同荷載大小有關(guān)，且與時間及溫度有關(guān)，叫勁度模量。Sm可通過疲勞試驗在控制時間和溫度下測得應力和應變的振幅（或最大值）,按兩者的比值確定.Sm可由瀝青勁度Sb及集料的體積Vg（%）和瀝青體積Vb來予估。（諾謨圖）見P47當溫度較高且時間較長時，而瀝青Sb<10MPa時，瀝青作用減弱。混合料的勁度除了受Vg、Vb、Sb影響外，還與集料組成、形狀、級配、密實度、壓實方法、空隙率側(cè)限條件有關(guān)。因為此時混合料的抗變形能力幾乎全由骨料承擔。三、泊松比：μ=-ε′/εSmTt=0.02st=0.1sμ對應力、位移計算結(jié)果影響小，故取用它們的代表值。

CC：μ=0.15；細粒料：μ=0.3~0.5；顆粒材料：μ=0.2~0.5；瀝青混合料：μ=0.25~0.5；水硬性材料：μ=0.1~0.25四、變形積累：路面在行車荷載反復作用下，會引起疲勞破壞外，還會因變形累積產(chǎn)生沉陷和車轍。3.瀝青混合料的模量Sm：不僅同荷載大小有關(guān)，且與時間及溫度491.土進行重復加載試驗表明，σd（重復加載應力水平)/σc(靜抗壓強度)低時，軸向總應變εa(或殘余應變)隨應力作用次數(shù)N的增長在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標上呈線性關(guān)系,尤其是加載應力較低時,累積應變會因土體被壓實而趨穩(wěn)定.但重復加載應力超過某一臨界值后，土體會產(chǎn)生剪切變形而剪裂。此臨界值同土體的類型、狀態(tài)(含水量、密實度)有關(guān)。土相對含水量<0.7時,其臨界值為0.45~0.55;土相對含水量>0.7時,其臨界值急劇下降,粘土:0.09;粉性土:0.1;砂性土:0.12~0.15回彈模量Er則隨回彈應變εr值在應力重復過程中波動,且在路基土通常范圍(<0.1MPa)隨重復應力的增大而下降.2.碎(礫)石材料在重復應力作用下與細粒土相似,級配好的顆粒材料在σd小時,隨N增加εk趨于穩(wěn)定,但σd較大時,則永久應變隨作用次數(shù)不斷增長,直到破壞.級配差的材料,在應力重復作用很多次后,永久變形仍繼續(xù)發(fā)展.3.瀝青在稠度低、加荷時間長(t大)和溫度高(T大)時,表現(xiàn)為彈-粘-塑性體,出現(xiàn)大的εr。T越高,σ越大，則永久應變累積就越大，與加荷速率、間歇時間關(guān)系不大,但與集料情況有關(guān)。有棱角的比圓形的E大,ε??；密級配的比開級配的好,壓實方法和程度也會有影響。總之,瀝青的累積變形與P、T、t、瀝青含量、級配、集料形狀、作用次數(shù)有關(guān).控制累積變形主要是加載的總的時間.1.土進行重復加載試驗表明，σd（重復加載應力水平)/σ504.4荷載和彎沉關(guān)系在實際車輪荷載下，路基路面結(jié)構(gòu)在各點的應力都不一樣，而其模量又隨作用應力的大小而變，即使土和材料本身是均質(zhì)和各向同性的，它們在各點的模量值仍不相同，而在設計中要考慮這E的變化很困難。為此實際中采用直接研究路基頂面在局部荷載下的豎向變形（又稱彎沉），實際是撓度。利用承載板試驗得到的荷載-彎沉關(guān)系確定一個單一的當量模量。這種模量是相當于整個路基內(nèi)某種應力場的平均模量值。此外，也有采用地基反應模量和加州承載比。一、半無限體的荷載—彎沉關(guān)系：1、對于集中力作用下半無限體表面距荷載作用點r處的彎沉：2、對q分布在半徑δ上的均勻荷載：0為荷載作用中心點處。δ為荷載作用邊緣處。rδpoδ4.4荷載和彎沉關(guān)系在實際車輪荷載下，51為荷載作用r>δ處。m=δ/r3.在雙輪均布荷載作用下：其他點處的彎沉可由疊加而得。4.剛性圓形承載板加載時：壓板本身不變形p(r)l

(r)2δpδ2δpe為荷載作用r>δ處。m=δ/r3.在雙輪均布荷載作用下52二、路基回彈模量E0：反映路基土體的彈性性質(zhì)

試驗時，采用鋼質(zhì)的剛性承載板，以逐級加載、卸載法測得各級荷載下回彈變形值，畫出荷載-回彈變形曲線。柔性路面設計時，按1.0彎沉值定E0.承載板直徑大小對測定結(jié)果也有影響，規(guī)定采用標準軸載（100KN）一側(cè)雙輪組輪胎的傳壓面的當量圓直徑，δ=15.1cmEr除隨壓力大小而變外，與路基土本身類型、濕度有關(guān)，設計時通過試驗實測而得。路基回彈模量E0或地基回彈模量Er規(guī)定取回彈變形不超過1（0.5）mm的點，用線性歸納法計算。D=30cm,土基μ=0.35，層狀地基μ=0.3

pi為各級荷載的單位壓力，li為對應pi的回彈變形。1、當用百分表測變形時，回彈變形等于加載時與卸載時百分表讀數(shù)之差。2、當用彎沉儀測變形時，回彈變形等于加載與卸載讀數(shù)差再乘以2。P184二、路基回彈模量E0：反映路基土體的彈性性質(zhì)533、若在汽車大梁的后部設加勁橫梁作為千斤頂加載的反力架時，應待加載結(jié)束后取走千斤頂重新記錄百分表初讀數(shù)，再將汽車開出10m之外，又記錄百分表終讀數(shù)。得汽車后輪對承載板回彈變形的影響值a。此外，各級荷載的回彈變形應加上該級荷載的影響量，最后得到實際回彈模量。各級荷載下的影響量等于各級荷載下的影響量系數(shù)K乘以總影響量a。書上列出了兩種車型K，見P52例題.4、彎沉測定法：將彎沉儀測頭直接放在汽車后軸雙輪中間，用前進卸載法測得表面回彈彎沉值，按反推法計算。在野外還可采用施加震動荷載法測動彈模量。路基動彈模量比回彈模量大30%~50%三、地基反應模量K:在水泥混凝土路面設計中，采用文克勒（Winker)地基。假定地基（路基）頂面任一點的下沉量l僅同作用于該點的單位壓力p成正比，l=p/kK(地基反應模量)也用承載板試驗測定，用逐級加載法測得p-l曲線，可知K隨p而變?？紤]到CC路面板下地基（基層）頂面可能達到的下沉量或壓力值，常規(guī)定l=1.27mm,或p=0.07MPa,由k=p/l確定k值。k值與承載板直徑也有關(guān)，D越小，k越大，但當D≧76cm時，k趨于穩(wěn)定。見P53圖4-22。綜合上述假設的地基好象由許多各不相連的彈簧所組成或像稠密的液體。這種假設雖與實際不符，但便于分析路面板的應力。國外多用。3、若在汽車大梁的后部設加勁橫梁作為千斤頂加載的反力架時，應54四、加州承載比（CBR):CBR是美國加利福尼亞州提出的一種評定路基土和路面材料承載能力的指標（試驗方法），它用來表征材料抵抗局部荷載壓入變形的能力，并采用碎石的承載力為標準，以相對值表示。CBR試驗是在一內(nèi)徑R=15.2cm，高17.0cm的金屬桶內(nèi)。試樣高12cm,用直徑5cm的剛性壓頭進行，見P54圖4-23。路基土試件則按施工時的含水量和壓實度要求在試驗桶內(nèi)制備，并于加載前浸在水中飽水4天。為模擬路面的約束作用，在浸水和壓入試驗時，試件頂面附加相應的環(huán)形砝碼，壓頭以1~1.25mm/min的速度壓入試件內(nèi)，測得不同貫入深度時的荷載值。CBR=p/ps×100%；p為所測得材料在某一貫入量時的單位壓力；ps為標準碎石在相同貫入量時的單位壓力，其值見表4-5，計算CBR時，常取貫入量2.5mm時的數(shù)值。但當貫入量為2.5mm時的CBR小于貫入量為5.0mm時CBR值時，以5.0mm時的為準。做CBR試驗時，應模擬材料在使用過程中所處的最不利狀態(tài)。當潮濕程度和一般情況下試件飽水4天時的含水量有明顯差異，則可適當改變試件的飽水方法和時間，使CBR試驗更符合實際。CBR試驗也可在野外現(xiàn)場做，由于野外試驗不受試桶側(cè)限影響，所以CBR值與室內(nèi)不全相同。CBR值與地基反應模量k在一定程度上反映了某一級位時荷載與變形（回彈變形、殘余變形）的關(guān)系，兩者之間可建立關(guān)系曲線。同樣CBR與回彈模量間也可建立這種經(jīng)驗關(guān)系，以便于利用CBR試驗估算大型承載板的E。四、加州承載比（CBR):CBR是美國加利福尼亞州提出的一種55第六章路基穩(wěn)定性分析Analysethestablizationofsubgrade第六章路基穩(wěn)定性分析56一、須做路基穩(wěn)定性分析的路基類型：1、高路堤（陡坡路堤）；2、深路塹；3、浸水路基；4、軟基上路堤二、方法：1、工程地質(zhì)類比法；2、力學驗算法：1）極限平衡法（安全系數(shù)法）--條分法（簡單條分法、畢肖普法、傳遞系數(shù)法）2）數(shù)值分析法（FEM,BEM,……）6.1基本分析方法一、工程地質(zhì)類比法：參照當?shù)匾延械念愃乒こ痰刭|(zhì)條件而處于極限狀態(tài)穩(wěn)定的自然山坡和穩(wěn)定的人工邊坡來判定路基的設計斷面是否穩(wěn)定。如路基挖方邊坡的坡度常用這種方法定。因為影響挖方邊坡穩(wěn)定的因素很多，難以進行理論分析。在分析巖石挖方邊坡的穩(wěn)定性時，應注意巖體中結(jié)構(gòu)面（地質(zhì)界面）的情況與結(jié)構(gòu)面的延展性、規(guī)模、形狀和密集程度、充填與膠結(jié)情況、產(chǎn)狀和組合等有關(guān)，最關(guān)鍵的還是結(jié)構(gòu)面與邊坡面的關(guān)系。當結(jié)構(gòu)面的走向與路線夾角α<40°時，且摩擦角φm<α<坡角，又有地下水浸濕時很易產(chǎn)生順層滑坍，可通過調(diào)查分析進行力學驗算來判定其穩(wěn)定性。當結(jié)構(gòu)面走向同路線的夾角較大或背離路線時，可按巖石的種類和風化程度查表5-6定邊坡。一、須做路基穩(wěn)定性分析的路基類型：1、高路堤（陡坡路堤）；257二、力學驗算法：—極限平衡法（常用方法）1.將巖土看成本身無變形的塑性材料；2.破壞面上的剪應力等于下滑力與巖土體所能提供的抗滑力之比：安全系數(shù)：抗剪強度：根據(jù)條塊側(cè)面的邊界條件簡化，將條分法分為：1.簡單條分法：2.畢肖普法（Bishop)：3.傳遞系數(shù)法：二、力學驗算法：—極限平衡法（常用方法）1.將巖土看成本身無586.2條分法的解路基是一線型結(jié)構(gòu)物，常沿路縱向截取1m進行穩(wěn)定性分析，且不考慮前后兩豎直截面上的力（偏于安全），把路基作為平面問題來研究。條分法是將滑動體用n-1個豎直面分為n個條塊。作用在任取條塊上的力有：1.已知的豎向力Wi（重力、車輛荷載）和水平力Qi（地震力）;2.未知的條間力Fi（Ti、Ei）及滑動底面反力（Si、Ni）假定各條塊取同一安全系數(shù)Ks（即假設各條塊一起滑動）。由極限平衡條件：Ci、fi為條塊滑動底面處巖土的粘聚力和摩擦系數(shù)，fi=tgφili為條塊滑動底面的長度。每一條塊有3個獨立靜力平衡條件共3n個，而未知量有一個安全系數(shù)K，n個底面法向力Ni，（n-1）個條間切向力Ti和條間法向力Ei及其作用位置，共（4n-2）個未知量。因此存在（n-2）次超靜定。所以，若不考慮巖土的應力—應變關(guān)系，則必須對條間力作些假設或另加條件，才能解答。12354iabdcEi-1EiTi-1NiSiTiQiWiabcd6.2條分法的解路基是一線型59一、簡單條分法：Fellenius法（瑞典法）考慮滑動面為一圓弧面，且不計條間力的作用。QiWiSiNiαiXiαiyiRyoxzi由各條塊同時達到極限平衡假設?？紤]ΣM。=0,ΣSiR=ΣWi

Xi+ΣQi

Zi一般情況下，Qi與Wi相比很小，或Zi與Yi相差不大，則Qi·Zi/R近似用Qicosαi代替。此法因為未考慮條間力，故算出的Ks偏小。偏低可達10%~20%，過于保守，但計算簡單，故廣泛采用，不過僅適用于園弧滑動面情況。一、簡單條分法：Fellenius法（瑞典法）考慮滑動面為一60考慮條間力簡化為一水平推力Ei，而忽略Ti影響，其誤差僅為2~7%.此時：因為坡體處于平衡狀態(tài)，ΣΔEi=0，二、畢肖普法（Bishop法）：根據(jù)ΣY=0，上式推導不受滑動面形狀的限制。適用于任何滑動面。當為圓弧滑動面時，將Ni代入簡單條分法，則考慮條間力簡化為一水平推力Ei，而忽略Ti影響，其誤差僅為261三、傳遞系數(shù)法（推力傳遞法）：設條間力Fi的作用方向為上側(cè)條塊滑動面的方向。即Ti/Ei=tgαi，稱為滑動面方向推力法。FiFi-1NiSiWiQiαiαi-1由平衡方程由于安全系數(shù)中含有mi，而mi有包含Ks，只能用試算法（疊代法）求解Ks。一般情況下，收斂很快。稱Ψi-1為傳遞系數(shù)。求算時，先定一個Ks，用上式從上而下計算其剩余下滑力。若算得某一塊剩余下滑力為負時，則不列入下一塊的計算，如算得最后一塊剩余下滑力Fn≠0須重新設Ks，如Fn>0，Ks減??；如Fn<0，Ks增大；直到Fn=0為止，此時Ks值則為所求安全系數(shù)。這種方法常用于折線滑動面情況的穩(wěn)定性驗算，驗算時，可不必求Ks，只須按所規(guī)定Ks求Fn。當Fn≦0時，認為是穩(wěn)定的；反之，F(xiàn)n>0則不穩(wěn)定，可采取支擋措施（將下滑力作為推力）。三、傳遞系數(shù)法（推力傳遞法）：設條間力Fi的作用方向為上側(cè)條62當滑動面為直線時，αi=αi-1=α，則φ

i-1=0，將條塊的Fi-Fi-1相加，且設Fn=0此外，還有一些其它方法如揚布法、分塊極限平衡法、最危險滑弧圓心位置確定法（4.5H法，36°法）等。6.3穩(wěn)定性驗算穩(wěn)定性驗算基本程序如下：1.根據(jù)路基可能出現(xiàn)的滑動面形狀，選擇分析方法；2.進行適當?shù)臈l塊劃分；4.選取抗剪強度指標，求Ks;3.按不同的荷載組合計算條塊自重及其他已知力（Qi)；5.將每種荷載組合下的Ks（取最小值）與容許Ks比較，判定是否穩(wěn)定。當滑動面為直線時，αi=αi-1=α，則φ63一、荷載組合：?？紤]三種荷載組合1.主要組合：重力、汽車荷載、常水位時的浮力。2.附加組合：將主要組合中的汽車荷載該為平板掛車或履帶車。或考慮最不利水位時浮力和滲流力。3.地震組合：重力、地震力及常水位條件下的浮力。在地震基本烈度為8度以上地區(qū)需進行抗震驗算。路基失穩(wěn)時，滑動面的形狀和位置同路基外形、巖土性質(zhì)和地層情況等有關(guān)。1.粘性差（透水砂、碎石組成）的土構(gòu)成的坡體：滑坍時破壞面接近于平面，用直線滑動面法驗算。土質(zhì)均勻的路基邊坡破壞時，滑動面常過坡腳或變坡點，通常都假設幾個可能滑動面，求得Ks最小的滑動面為最危險滑動面。大量計算表明，最危險滑動面的圓心是在一條輔助線附近，此輔助線位置可用4.5H法定。其中β1、β2輔助角可見表6-1，當邊坡不陡于1：1時，可用36°法定。這兩種方法均適用于邊坡坡頂水平、滑動圓弧過邊坡坡腳的情況。2.有一定粘性的土構(gòu)成的坡體：滑坍時破壞面接近于曲面，用圓弧滑動面法驗算。（簡單條分法、Bishop法）二、滑動面的形狀和位置：一、荷載組合：?？紤]三種荷載組合1.主要組合：重力、汽車荷載64

36°法:較4.5H法簡單，但精度不如4.5H法。

4.5H法：過A向下作垂直AC=H，過C作水平線CD=4.5H，過A作一線AO與AB夾β1角，過B作OB與水平線夾角β2，交于O點，連OD作延長線，在其上取O1、O2、O3點，求K1、K2、K3，取小值。O1O2O336°B4.5HOBDACHHβ1β2O1O2O3K1K2K336°法:較4.5H法簡單，但精度不如4.5H法。4.5653.軟土地基上的路堤：當h<H，滑動面下限切于軟土底層。(h為軟土層高）HhAG當h>H，滑動面深度為1~1.5H。HhAG1~1.5H4.斜坡（陡坡）路堤：這類滑移面多為直線或折線形或曲線組合型。當?shù)谈叱^極限高度時，堤身常和地基一起滑動，滑動面形狀多為圓弧形。三、條塊的劃分和自重計算：保證：Ci，φi值同一條塊是定值，對圓弧面：取寬2-6m，塊數(shù)n取10左右。劃分原則：1）土層條件有變化時；2）填料有分層時；3）滑移面坡度有變化時。自重：由面積乘土的容積而得，當由幾層土組成時，應分層計算，然后疊加。3.軟土地基上的路堤：當h<H，滑動面下限切于軟土底層。(h66在作穩(wěn)定性驗算時，應將車輛荷載按最不利情況排列，并換算為相當?shù)耐翆雍穸萮0。再計入條塊面積內(nèi)一起計算重力。四、車輛荷載換算：土柱高:n為車道數(shù)，G為重車重（KN），B為車輛荷載的橫向分布寬度，L為車輛荷載縱向分布長度，為填料容重（KN/m3)。B=nb+(n-1)d+eb為車兩側(cè)輪中距1.8m，d為1.3m，e為輪胎著地寬度（0.5，0.6，0.7）汽10：G=150KN，L=4.2m；汽15：G=200KN，L=4.2m；汽20：G=300KN，L=5.6m；汽超20：G=550KN，L=13m。換算得到的土柱荷載（高h.0)可按寬度布置在道路行車部分范圍內(nèi)；也可分布在整個路基寬度上。定最危險滑移面圓心位置時，可將換算土柱荷載頂端作為邊坡頂處理，h0計入邊坡高度內(nèi)。在作穩(wěn)定性驗算時，應將車輛荷載按最不利情況排67浸水土體會受到浮力（靜水壓力）和滲流力（動水壓力）的作用，使材料抗剪強度下降。只要將浸水部分采用浮容重計算土的自重即可。五、浮力和滲流力的考慮：浮容重：γ′=γm-γw=γd-(1-n)γw

γm為飽和容重；γw為水容重；γd為干容重；n為孔隙率。當邊坡內(nèi)有水位差時，就會發(fā)生滲流力現(xiàn)象，則有動水壓力，若坡外水位較坡內(nèi)低，滲流力指向坡體外，則降低坡體的穩(wěn)定性。要考慮。D=Aγm·I

I為水力坡降，A為滑動體面積。對于透水材料（砂、石，I=0）或幾乎不透水材料筑成的路堤，均可不計滲流力?？紤]滲流力時：六、地震力的計算：分水平和豎向豎向震動時對路基危害比水平震動小得多，可忽略不計。水平震動力：Q=CiCzKhWCi為重要性系數(shù)，Cz為綜合系數(shù)0.25；Kh水平地震系數(shù)（0.1，0.2，0.4）；W為重力。浸水土體會受到浮力（靜水壓力）和滲流力（動水68七、土工參數(shù)的選取：γ由試驗或經(jīng)驗確定；在使用過程中或在施工過程中，路基出現(xiàn)失穩(wěn)征兆時，應采取整治措施。1.清方、減重或反壓。2.排水和防護：攔截、疏干、排除滑動區(qū)域內(nèi)外的地面、地下水。八、容許安全系數(shù)：一般在1.0~1.5之間。主要組合是為1.25；附加組合時為1.15；地震組合時為1.10（當邊坡高大于20米時取1.15，對三、四級公路取1.05。C、φ（或f

）取決于試驗方法，一般應根據(jù)現(xiàn)場的排水條件固結(jié)狀態(tài)。在填土與地基土中選取小的值。6.4整治措施3.支撐和加固：設抗滑石垛、擋土墻、抗滑柱等支擋結(jié)構(gòu)物。也可用灌漿法、深層攪拌法等地基加固措施來穩(wěn)定滑動體。七、土工參數(shù)的選?。害糜稍囼灮蚪?jīng)驗確定；在使用過程中或在施工69第七章?lián)跬翂υO計第七章?lián)跬翂υO計70一、設置擋土墻情形：1.節(jié)約用地（限制）或減小土方量。2.抗滑保護措施（穩(wěn)定）。3.防水流沖淘岸坡。二、設計內(nèi)容：1.類型選擇：原則：穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠、耐久、美觀。2.構(gòu)造設計；3.材料選?。?.土壓力計算；5.穩(wěn)定性分析。7.1擋土墻的類型、構(gòu)造和布置一、類型：按結(jié)構(gòu)形式和特點分有：重力式、薄壁式、錨固式、垛式、加筋土式等按位置分有：路肩墻、路堤墻、路塹墻。1.重力式：依靠墻身自重抵抗側(cè)土壓力（墻后土體的），斷面尺寸較大。又分為直線式（仰斜、俯斜和垂直墻背）和折線式（凸式和衡重式）。2.薄壁式：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻身斷面較薄，靠土重來平衡側(cè)向壓力。有懸臂式、扶壁式和柱板式（路塹高邊坡）一、設置擋土墻情形：1.節(jié)約用地（限制）或減小土方量。2.抗713.錨固式：錨桿式、錨定板式、樁板式。4.垛式：鋼筋混凝土構(gòu)件縱橫交錯拼裝成框架。5.加筋土式：面板、拉筋、填土三者的結(jié)合體。填土與拉筋間的摩擦力改善了土的性質(zhì)，使得填土與拉筋結(jié)合成為一體。面板的作用是阻擋填土塌落擠出，迫使土與拉筋結(jié)合為整體。二、構(gòu)造：包括墻身、基礎、填料、排水設施和沉降伸縮縫等。1.墻身：根據(jù)墻的用途、高度及墻址處的地形、性質(zhì)、水文等條件定，考慮材料強度和整體穩(wěn)定。1）石砌擋土墻：仰斜墻背：1：0.15~1：0.25，不能緩于1：0.30俯斜墻背：1：0.15~1：0.4，低墻H<4m時，可取1：0豎直墻背。衡重式擋土墻：上墻墻背俯斜，下墻墻背仰斜，上下墻高比常取2：31：0~1：0.451：0.25左右

墻面一般為仰斜平面，地面橫坡較陡時，