《路基路面工程 第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《路基路面工程 第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì)（47頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學性質(zhì) 2-1行車荷載 汽車是路基路面的服務對象，路基路面的主要功能是長期保證車輛快速、安全、平穩(wěn)地通行。汽車荷載又是造成路基路面結(jié)構(gòu)損傷的主要成因。因此，為了保證設計的路基路面結(jié)構(gòu)達到預計的功能，具有良好的結(jié)構(gòu)性能，首先應對行駛的汽車作分析。包括汽車輪重與軸重的大小與特性；不同車型車軸的布置；設計期限內(nèi)，汽車軸型的分布以及車軸通行量逐年增長的規(guī)律；汽車靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較等。 一、車輛的種類 道路上通行的汽車車輛主要分為客車與貨車兩大類。 客車又分為小客車，中客車與大客車。小客車自身重量與滿載總重都比較輕，但車速高，一般可達120km/

2、h，有的高檔小車可達200km/h以上；中客車一般包括6個坐位至20個坐位的中型客車；大客車一般是指20個坐位以上的大型客車包括鉸接車和雙層客車，主要用于長途客運與城市公共交通。 貨車又分為整車、牽引式拖車和牽引式半拖車。整車的貨廂與汽車發(fā)動機為一整體；牽引式拖車的牽引車與拖車是分離的，牽引車提供動力，牽引后掛的拖車、有時可以拖掛兩輛以上的拖車；牽引式半拖車的牽引車與拖車也是分離的，但是通過鉸接相互聯(lián)接，牽引車的后軸也擔負部分貨車的重量，貨車廂的后部有輪軸系統(tǒng)，而前部通過鉸接懸掛在牽引車上。貨車總的發(fā)展趨向是向大噸位發(fā)展，特別是集裝箱運輸水陸聯(lián)運業(yè)務開展之后，貨車最大噸位已超過40-50噸。

3、 汽車的總重量通過車軸與車輪傳遞給路面，所以路面結(jié)構(gòu)的設計主要以軸重作為荷載標準，在道路上行駛的多種車輛的組合中，重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、小客車影響很小，有時可以不計。但是在考慮路面表面特性要求時，如平整性，抗滑性等，以小汽車為主要對象，因為小車的行駛速度高，所以要求在高速行車條件下具有良好的平穩(wěn)性與安全性。 二、汽車的軸型 無論是客車還是貨車，車身的全部重量都通過車軸上的輪子傳給路面，因此，對于路面結(jié)構(gòu)設計而言，更加重視汽車的軸重。由于軸重的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設計承載力與結(jié)構(gòu)強度，為了統(tǒng)一設計標準和便于交通管理，各個國家對于軸重的最大限度均有明確的規(guī)定。據(jù)國際道

4、路聯(lián)合會1989年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在141個成員國和地區(qū)中，軸限最大的為140KN，近40%執(zhí)行100KN軸限，我國公路與城市道路路面設計規(guī)范中均以100KN作為設計標準軸重。通常認為我國的道路車輛軸限為100KN。 通常，整車型式的客、貨車車軸分前軸和后軸。絕大部分車輛的前軸為二個單輪組成的單軸，軸載約為汽車總重量的三分之一。極少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成，雙前軸的載重約為汽車總重的一半。汽車的后軸有單軸、雙軸和三軸三種，大部分汽車后軸由雙輪組組成，只有少量輕型貨車由單輪組成后軸。每一根后軸的軸載大約為前軸軸載的兩倍。目前，在我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般在60～130KN范圍內(nèi)，大

5、部分在100KN以下。 由于汽車貨運向大型重載方向發(fā)展，貨車的總重有增加的趨勢，為了滿足各個國家對汽車軸限的規(guī)定，趨向于增加軸數(shù)以提高汽車總重。因此出現(xiàn)了各種多軸的貨車。有些運輸專用設備的平板拖車，采用多軸多輪，以便減輕對路面的壓力。各種不同軸型的貨車如圖2-1所示。 圖2-1 同軸型的貨車示意圖 三、汽車對道路的靜態(tài)壓力 汽車對道路的作用可分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)。當汽車處于停駐狀態(tài)下，對路面的作用力為靜態(tài)壓力，主要是由輪胎傳給路面的垂直壓力p，它的大小受下述因素的影響。 1) 汽車輪胎的內(nèi)壓力pi； 2) 輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形狀； 3) 輪載的大小。 貨車輪胎的標

6、準靜內(nèi)壓力pi一般在0.4～0.7MPa范圍內(nèi)。通常輪胎與路面接觸面上的壓力p略小于內(nèi)壓力pi，約為(0.8～0.9)pi。車輪在行駛過程中，內(nèi)壓力會因輪胎充氣溫度升高而增加，因此，滾動的車輪，接觸壓力也有所增加，達到(0.9～1.1)pi。 輪胎的剛度隨輪胎的新舊程度而有不同，接觸面的形狀和輪胎的花紋也會影響接觸壓力的分布，一般情況下，接觸面上的壓力分布是不均勻的。不過在路面設計中，通常忽略上述因素的影響，而直接取內(nèi)壓力作為接觸壓力，并假定在接觸面上，壓力是均勻分布的。 輪胎與路面的接觸面形狀如圖2-2所示，它的輪廓近似于橢圓形，因其長軸與短軸的差別不大，在工程設計中以圓形接觸面積來表示

7、。將車輪荷載簡化成當量的圓形均布荷載，并采用輪胎內(nèi)壓力作為輪胎接觸壓力p。當量圓的半徑δ可以按式(2-1)確定。 δ=〖ＫＦ（〗〖ＳＸ（〗P〖〗πp (2-1) 式中：〖ＺＫ（〗P——作用在車輪上的荷載，KN； p——輪胎接觸壓力，KPa； δ——接觸面當量圓半徑，m?！迹冢耍? 對于雙輪組車軸，若每一側(cè)的雙輪用一個圓表示，稱為單圓荷載；如用二個圓表示，則稱為雙圓荷載(見圖2-2)。單圓荷載的當量圓直徑D和雙圓荷載的直徑d，分別按式(2-2)、式(2-3)計算： 我國現(xiàn)行路面設計規(guī)范中規(guī)定的標準軸載BZZ-100的P=100/4KN,p=700KPa，用式(2-2)、式(2-3)計

8、算，可分別得到相應的當量直徑為： 圖2-2車輪荷載計算圖式 a) 單圓圖式；b) 雙圓圖式 四、運動車輛對道路的動態(tài)影響 行駛狀態(tài)的汽車除了施加給路面垂直靜壓力之外，還給路面施加水平力，震動力。此外，由于汽車以較快的速度通過，這些動力影響還有瞬時性的特征。 汽車在道路上等速行駛，車輪受到路面給它的滾動摩阻力，路面也相應受到車輪施加于它的一個向后的水平力；汽車在上坡行駛，或者在加速行駛過程中，為了克服重力與慣性力，需要給路面施加向后的水平力，相應在下坡行駛或者在減速行駛過程中，為了克服重力與慣性力的作用，需要給路面施加向前的水平力。汽車在彎道上行駛，為了克服離心力，保持車身穩(wěn)定不產(chǎn)生側(cè)

9、滑，需要給路面施加側(cè)向水平力。特別是在汽車啟動和制動過程中，施加于路面的水平力相當大。 車輪施加于路面的各種水平力Q值與車輪的垂直壓力P，以及路面與車輪之間的附著系數(shù)φ有關(guān)(見圖2-3)，其最大值Qmax不會超過P與φ的乘積，即： Qmax≤Pφ (2-4) 若以q和p分別表示接觸面上的單位水平力和單位垂直接觸壓力，則最大水平力qmax應滿足： qmax≤pφ (2-5) 圖2-3車輪作用于路面的垂直壓力與水平力 縱向滑移路面附著系數(shù)φ表2-2 表2-2所列的φ值為實地測量的資料。由表列φ值可以看出，φ的最大值一般不超過0.7～0.8，同路面類型和濕度以及行車速度有關(guān)，相同

10、的路面結(jié)構(gòu)類型，干燥狀態(tài)的φ值比潮濕狀態(tài)高；路面結(jié)構(gòu)類型與干燥狀態(tài)相同的情況下，車速越高，φ值越小。 路面表面必需保持足夠的附著系數(shù)，這是保證正常行車的重要條件。但是從路面結(jié)構(gòu)本身來看，附著系數(shù)的大小直接關(guān)系結(jié)構(gòu)層承受的水平力荷載。在水平荷載的作用下，結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)，特別是面層結(jié)構(gòu)，直接遭受水平荷載作用，若是抗剪強度不足，將會導致推擠、擁包、波浪、車轍等破壞現(xiàn)象。 汽車在道路上行駛，由于車身自身的震動和路面的不平整，其車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，作用在路面上的輪載時而大于靜態(tài)輪載，時而小于靜態(tài)輪載，呈波動狀態(tài)，圖2-4所示即為軸載波動的實例。 圖2-4軸載的動態(tài)

11、波動 車速：60km/h；路面平整度中等；輪胎著地 長：23cm；通過時間：0.0138S 輪載的這種波動，可近似地看作為呈正態(tài)分布，其變異系數(shù)(標準離差與輪載靜載之比)主要隨下述三因素而變化： (1) 行車速度。車速越高，變異系數(shù)越大； (2) 路面的平整度。平整度越差，變異系數(shù)越大； (3) 車輛的振動特性。輪胎的剛度低，減振裝置的效果越好，變異系數(shù)越小。 正常情況下，變異系數(shù)一般均小于0.3。 振動輪載的最大峰值與靜 載之比稱為沖擊系數(shù)，在較平整的路面上，行車速度不超過50km/h時，沖擊系數(shù)不超過130。車速增加，或路面平整性不良，則沖擊系數(shù)還要增大。在設計路面時，有

12、時以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設計荷載。 行駛的汽車對路面施加的荷載有瞬時性，車輪通過路面上任一點，路面承受荷載的時間是很短的，大約只有0.01～0.10S左右。在路面以下一定深度處，應力作用的持續(xù)時間略長一點，但仍然是十分短暫的。由于路面結(jié)構(gòu)中應力傳遞是通過相鄰的顆粒來完成的，若應力出現(xiàn)的時間很短，則來不及傳遞分布，其變形特性便不能像靜載那樣呈現(xiàn)得那樣完全。美國各州公路工作者協(xié)會(AASHO)試驗路曾對不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面的變形進行量測(見圖2-5)，結(jié)果表明，當行車速度由3.2km/h提高到56km/h，瀝青路面的總彎沉減少36%；當行車速度由3.2km/h提高到96.7km/

13、h，水泥混凝土路面的板角撓度和板邊應變量減少29%左右。 動荷載作用下路面變形量的減小，可以理解為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對提高，或者是路面結(jié)構(gòu)強度的相對增大。 圖2-5車速與路面變形的關(guān)系 1——剛性路面，板角撓度和板邊應變量隨車速的變化； 2——柔性路面，表面總彎沉量隨車速的變化。 汽車荷載對路面的多次重復作用也是一項重要的動態(tài)影響，在行車繁密的道路上，路面結(jié)構(gòu)每天將承受上千次，甚至數(shù)萬次車輪荷載的作用，在路面的整個使用期限內(nèi)，承受的輪載作用次數(shù)更為可觀。路面承受一次輪載作用和承受多次重復輪載作用的效果并不一樣。對于彈性材料，在重復荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，也就是材料的強度將隨荷載

14、重復次數(shù)的增加而降低。對于彈塑性材料，如土基和柔性路面，在重復荷載作用下，將呈現(xiàn)出變形的逐漸增大，稱為變形的累積，所以對于路面設計，不僅要重視軸重靜力與動力的量值，道路通行的各類軸載的通行數(shù)量也是重要的因素。 五、交通分析 道路上通行的車輛不僅具有不同的類型和不同的軸重。而且通行的車輛數(shù)目也是變化的。路面結(jié)構(gòu)設計中，要考慮設計年限內(nèi)，車輛對路面的綜合累計損傷作用，必須對現(xiàn)有的交通量、軸載組成以及增長規(guī)律進行調(diào)查和預估，并通過適當?shù)姆绞綄⑺鼈儞Q算成當量標準軸載的累計作用次數(shù)。 1、交通量 交通量是指一定時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有的交通流量觀測站的調(diào)查資料，得

15、到該道路設計的初始年平均日交通量。也可以根據(jù)需要，臨時設站進行觀測。當然這種觀測只是短期的，僅為若干天，而且每天也可能僅觀測若干小時。對此，可利用當?shù)亻L期觀測所得的時間分布規(guī)律、即月分布不均勻系數(shù)，日分布不均勻系數(shù)和小時分布換算系數(shù)，將臨時觀測結(jié)果按相應的換算系數(shù)換算成年平均日交通量。 對于路面結(jié)構(gòu)設計，不僅要收集交通總量，還必須區(qū)分不同的車型，目前各地觀測站進行交通量調(diào)查，將車輛分成11類：小型貨車、中型貨車、大型貨車、小型客車、大型客車、拖掛車、小型拖拉機、大中型拖拉機、自行車、人力車和畜力車。小型貨車、小型客車、拖拉機和非機動車對路面結(jié)構(gòu)損傷作用極其輕微，可忽略不計，這些車輛所占的比例

16、應從總量中扣除。其余各類列入統(tǒng)計范疇的車輛按軸型和軸載大小分類(如單后軸貨車、雙后軸貨車、牽引拖掛車、牽引半拖掛車等)和分級統(tǒng)計。還要通過目測大致估計這些貨車的滿載程度，以便確定空車數(shù)占貨車總數(shù)的百分率。 有的交通量觀測站配置有自動化的軸載儀直接記錄通行車輛的軸數(shù)和軸載大小，然后按軸載大小分類統(tǒng)計累計軸載數(shù)，這種調(diào)查稱為軸載譜的調(diào)查。軸載譜調(diào)查與交通量的統(tǒng)計相互進行校核與補充。 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增長的。要確定路面設計年限內(nèi)的總交通量，還需要預估該年限內(nèi)交通的發(fā)展。通常，可根據(jù)最近若干年內(nèi)連續(xù)觀測的交通量資料，通過整理得出交通量年增長率的變化規(guī)律。而后，利用它外延得到所需年

17、份的平均日交通量。表2-3所列為我國25條國道1980-1989年間的交通量觀測資料整理出的不同年限內(nèi)交通量年平均增長率的變化范圍，可供參考。選用時，還需考慮公路所在地區(qū)人口、經(jīng)濟和交通的發(fā)展趨勢，作適當調(diào)整。 交通量年平均增長率(γ)變化范圍(%)表2-3 注：初始交通量大的取下限，反之取上限 路面結(jié)構(gòu)設計中，通過調(diào)查分析確定初始年平均日交通量N\-1，按式(2-6)進行計算， N\-1=〖SX(〗Σ〖DD(〗365〖〗i=1〖DD)〗N\-i〖〗365〖SX)〗 〖JY〗(2-6) 式中： N\-1——初始年平均日交通量； Ni——每日實際交通量。 然后通過調(diào)查研究，分析論

18、證，以確定交通量年平均增長率γ。逐年的交通量大致符合幾何級數(shù)增長規(guī)律。即在設計年限內(nèi)，以固定的增長百率γ逐年增加。γ值的變化幅度很大，不同地區(qū)，不同經(jīng)濟條件，不同時間，γ值都是不一樣的。通常在發(fā)達國家，大城市附近，由于經(jīng)濟基礎已具相當規(guī)模，交通量的基數(shù)較大，所以增長率γ較小。對于發(fā)展中國家、新開發(fā)的經(jīng)濟區(qū)，一般γ值較大，若干年之后又逐步下降，趨向穩(wěn)定。 在路面結(jié)構(gòu)設計中，設計年限內(nèi)，累計交通量N〖TX-〗e可以按式(2-7)預估： 或 (2-7) 式中： Ne——設計年限內(nèi)的累計交通量； N\-1——設計的初始年平均日交通量； Nt——設計的末年年平均日交通量； γ——設計年限

19、內(nèi)交通量年平均增長率； t——設計年限。 圖2-6軸載譜 2、軸載組成與等效換算 不同重量的軸載給路面結(jié)構(gòu)帶來的損傷程度是不同的。對于路面結(jié)構(gòu)設計，除了設計期限的累計交通量之外，另一個重要的交通因素便是各級軸載所占的比例，即軸載組成或軸載譜。 根據(jù)實測的通過軸載次數(shù)和相應的軸重，整理成圖2-6那樣的直方圖，作為該道路通行的各級軸載的典型軸載譜。由交通調(diào)查得到某類車輛每日通行的軸載數(shù)，乘以相應的軸載譜百分率，即可推算出所有車輛各級軸載的作用次數(shù)。 道路上行駛的汽車軸載與通行次數(shù)可以按照等效原則換算為某一標準軸載的當量通行次數(shù)，我國水泥混凝土路面設計規(guī)范和瀝青路面設計規(guī)范均選用雙輪組單

20、軸軸載100KN作為標準軸載。 各種軸載的作用次數(shù)進行等效換算的原則是，同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的損傷程度。通過室內(nèi)或道路現(xiàn)場的重復作用試驗，可以建立荷載量級同達到相同程度損傷的作用次數(shù)之間的關(guān)系。依據(jù)這一關(guān)系，可以推算出不同軸載的作用次數(shù)等效換算成標準軸載當量作用次數(shù)的軸載換算系數(shù)公式(2-8)。 ηi=〖SX(〗N\-s〖〗N\-i〖SX)〗=α(〖SX(〗P\-i〖〗P\-s〖SX)〗)n (2-8) 式中： ηi——i級軸載換算為標準軸載的換算系數(shù)； Ps——標準軸載重，KN； Ns——標準軸載作用次數(shù)； Pi——i級軸載重，KN； Ni——i級軸載作

21、用次數(shù)； α——反映軸型(單軸、雙軸或三軸)和輪組輪胎數(shù)(單輪或雙輪)影響的系數(shù)； n——同路面結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的系數(shù)。 瀝青路面、水泥混凝土路面和半剛性路面的結(jié)構(gòu)特性不同，損傷的標準也不相同，因而系數(shù)α和n取值各不相同。具體數(shù)值在有關(guān)章節(jié)分別作介紹。 3、輪跡橫向分布 車輛在道路上行駛時，車輪的軌跡總是在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動。由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點上，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上，稱為輪跡的橫向分布。圖2-7所示為單向行駛時一個車道內(nèi)的輪跡橫向分布頻率曲線，圖2-8所示為混合行駛時

22、雙車道內(nèi)輪跡橫向分布頻率曲線。 圖2-7輪跡橫向分布頻率曲線(單向行駛一個車道) 圖2-8輪跡橫向分布頻率曲線(混合行駛雙車道) 分布頻率曲線中的直方圖條帶寬為25cm，大約接近輪跡寬度，以條帶上受到的車輪作用次數(shù)除以車道上受到的作用次數(shù)作為該條帶的頻率。由圖2-7可見，對于單向行車的一個車道上，由于行車的渠化，頻率曲線出現(xiàn)二個峰值，達到30%左右，而車道邊緣處頻率很低。由圖2-8可見，混合行駛的雙車道，車輛集中在雙車道中央，頻率曲線出現(xiàn)一個峰值，約為30%左右，兩側(cè)邊緣頻率很低。 輪跡橫向分布頻率曲線圖形隨許多因素而變化，如：交通量、交通組成，車道寬度、交通管理規(guī)則等。需分別各種不同

23、情況，通過實地調(diào)查，才能確定。 在路面結(jié)構(gòu)設計中，用橫向分布系數(shù)η來反映輪跡橫向分布頻率的影響。通常取寬度為二個條帶的寬度，即50cm，因為雙輪組每個輪寬20cm，輪隙寬10cm。這時的二個條帶頻率之和稱為輪跡橫向分布系數(shù)。 2-2環(huán)境因素影響 路基路面結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣之中，經(jīng)受著自然環(huán)境因素的影響。溫度和濕度是對路基路面結(jié)構(gòu)有重要影響的自然環(huán)境因素，路基路面結(jié)構(gòu)的溫度和濕度狀況隨周圍環(huán)境的變化而變化，路基路面體系的性質(zhì)與狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。 路基土和路面材料的強度與剛度隨路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和濕度的變化有時會有大幅度的增減。圖2-9給出了瀝青混凝土的動彈性模量隨溫度升高而降低的情況

24、。圖2-10所示為路基回彈模量隨濕度增長而急劇下降的情況。 圖2-9溫度對瀝青混凝土彈性模量的影響 圖2-10濕度對路基剛度的影響 路基土和路面材料的體積隨路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度和濕度的升降而引起膨脹和收縮。由于溫度和濕度是隨環(huán)境而變化的，而且沿著結(jié)構(gòu)的深度呈不均勻分布，因此在不同時期和不同深度處，脹縮的變化也是不相同的。如果這種不均勻的脹縮因某種原因受到約束而不能實現(xiàn)時，路基和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)便會產(chǎn)生附加應力。即溫度應力和濕度應力。 路基土和路面材料的幾何性質(zhì)和物理性質(zhì)隨溫度與濕度產(chǎn)生的變化，將使路基路面結(jié)構(gòu)設計復雜化。如不能充分估計這種因自然環(huán)境因素變化產(chǎn)生的后果，則路基路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載和

25、自然因素共同作用之下，將提前出現(xiàn)損壞，縮短路面的使用年限。因此，在分析和設計路基路面結(jié)構(gòu)時，除了充分考慮車輪荷載可能引起的各種損傷之外，還應考慮自然因素的影響。 大氣的溫度在一年四季和一晝夜之間發(fā)生著周期性的變化。受大氣直接影響的路面溫度也相應地在一年之間和一日之間發(fā)生著周期性的變化。圖2-11和圖2-12分別顯示了夏季晴天，瀝青面層和水泥混凝土面層內(nèi)溫度的晝夜變化觀測結(jié)果。由圖可見，路表面溫度變化與氣溫變化大致是同步的，但是由于部分太陽輻射熱被路面所吸收，路表面的溫度較氣溫高，尤其是瀝青路面，由于吸熱量高，溫度增值的幅度超過水泥混凝土路面。面層結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度處的溫度同樣隨氣溫的變化呈周期性

26、變化，升降的幅度隨深度的增加而減小。其峰值的出現(xiàn)也隨深度的增加而越來越滯后。 圖2-11瀝青面層溫度日變化曲線 圖2-12水泥混凝土面層溫度日變化曲線 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度隨深度的分布狀況，可以從一天內(nèi)不同時刻的路面溫度隨深度的分布曲線圖中看到。圖2-13即為水泥混凝土面層的一個實例。由圖可見，頂面與底面之間的溫差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負(頂溫低于底溫)到正(頂溫高于底溫)，再由正到負的循環(huán)變化。如果以單位深度內(nèi)的平均溫度坡差作為溫度梯度，則由圖2-14所示的曲線可以看出，溫度梯度的變化與氣溫的變化大致是同步的，具有周期性特點。 圖2-13一天內(nèi)不同時刻沿水泥混凝土面層深度的溫度變化曲線 圖2-

27、14水泥混凝土面層溫度梯度與氣溫的日變化曲線 除了日變化之外，一年四季面層不同深度處的溫度還隨氣溫的變化而經(jīng)歷著年變化，圖2-15所示為瀝青面層不同深度處的月平均氣溫變化的情況，可以看出，平均氣溫最高和最低的7月和1月份，面層的平均氣溫也相應為最高值和最低值。 圖2-15瀝青面層月平均溫度的年變化曲線 影響路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況的因素很多，可分為外部和內(nèi)部兩類。外部條件主要是氣象條件，如太陽輻射、氣溫、風速、降水量和蒸發(fā)量等。而其中，太陽輻射和氣溫是決定路面溫度狀況的二項最重要的因素。內(nèi)部因素則為路面各結(jié)構(gòu)層材料的熱物理特性參數(shù)，如熱傳導率，熱容量和對輻射熱的吸收能力等。 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度

28、狀況，可通過在外部和內(nèi)部影響因素之間建立聯(lián)系的方法來預估。這種方法有兩類，即統(tǒng)計方法和理論方法。 統(tǒng)計方法就是在路面結(jié)構(gòu)層的不同深處埋設測溫元件，連續(xù)觀測年循環(huán)內(nèi)不同時刻的溫度變化。同時收集當?shù)氐臍庀筚Y料，包括對應的氣溫和輻射熱等。對記錄的路面溫度和氣象因素進行逐步回歸分析。選擇符合顯著性檢驗要求的因素，分別建立不同深度處各種路面溫度指標的回歸方程式。如式(2-9)所示。 Tmax=a+bTamax+cQ (2-9) 式中： Tmax——路面某一深度處的最高溫度，℃； Tamax——相應的日最高氣溫，℃； Q——相應的太陽日輻射熱，J/m\+2； a,b,c——回歸常數(shù)。 由

29、于統(tǒng)計方法不可能包含所有的復雜因素，所以計算的精確度有地區(qū)局限性，可以在條件相似的地區(qū)參考使用。理論法應用熱傳導理論方程式推演出各項氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預估方程式。通常，由于參數(shù)確定的難度大、理論假設的理想化， 預估的結(jié)果與實測結(jié)果有一定的差距。 大氣濕度的變化，通過降水，地面積水和地下水浸入路基路面結(jié)構(gòu)，是自然環(huán)境影響的另一個重要方面，它除了影響路基土濕度的變化，使路基產(chǎn)生各種不穩(wěn)定狀態(tài)之外，對路面結(jié)構(gòu)層也有許多不利的影響。 路基路面結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性在很大程度上取決于路基的濕度變化。例如在北方季節(jié)性冰凍地區(qū)，冰凍開始時，路基水分向凍結(jié)線積聚形成凍脹，春暖融凍

30、初期形成翻漿的現(xiàn)象較普遍。而在南方非冰凍區(qū)，當雨季來臨時，未能及時排除的地面積水和離地面很近的地下水將使路基土浸潤而軟化。 保持路基干燥的主要方法是設置良好地面排水設施和路面結(jié)構(gòu)排水設施，經(jīng)常養(yǎng)護保持暢通。地下水對路基濕度的影響隨地下水位的高低與土的性質(zhì)而異。通常認為受地下水影響的高度對粘土為6m，砂質(zhì)粘土或粉土約為3m，砂土為0-9m。在這個深度范圍內(nèi)，路基濕度受地下水位控制，其影響程度隨土質(zhì)而異，在這個范圍以上部分，路基濕度主要受大氣降水，蒸發(fā)以及地面排水控制，對于干旱地區(qū)，路基的濕度主要受空氣相對濕度的控制，受降水的影響很小，相當于當?shù)馗采w土相同深度處的濕度。 面層的透水性對路基路面

31、的濕度有很大影響，若采用不透水的面層結(jié)構(gòu)，將減少降水和蒸發(fā)的影響。在道路完工二、三年內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)與路基上部中心附近的濕度逐漸趨向穩(wěn)定。對于透水的面層結(jié)構(gòu)，若不作專門處理，則路面結(jié)構(gòu)和上層路基的濕度狀況將受到降水和蒸發(fā)的影響而產(chǎn)生季節(jié)性的變化。 路肩以下路基濕度的季節(jié)性變化對路面結(jié)構(gòu)及以下的路基也有影響。通常在路面邊緣以內(nèi)1m左右，濕度開始增大，直至路面邊緣與路肩下的濕度相當，路肩如果經(jīng)過處治，防止雨水滲入，則路面下的土基濕度將趨向于穩(wěn)定，與路基中心濕度相當。 2-3土基的力學強度特性 一、路基受力狀況 路基承受著路基自重和汽車輪重這兩種荷載。在兩種荷載共同作用之下，在一定深度范圍內(nèi)

32、，路基土處于受力狀態(tài)。正確的設計應使得路基所受的力在彈性限度范圍內(nèi)，而當車輛駛過后，路基能恢復原狀，以保證路基相對穩(wěn)定，路面不致引起破壞。 路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應力σ2可以用近似公式(2-10)計算。計算時，假定車輪荷載為一圓形均布垂直荷載，路基為一彈性均質(zhì)半空間體(見圖2-16)，則 σ\-2=〖SX(〗p〖〗1+2.5(〖SX(〗Z〖〗D〖SX)〗)2 (2-10) 式中： p——車輪荷載的均布單位壓力，KPa； D——圓形均布荷載作用面積的直徑，m； Z——圓形均布荷載中心下應力作用點的深度，m。 圖2-16土基中應力分布圖 路基土本身自重在路基內(nèi)深度為Z

33、處所引起的垂直壓應力σ\-B按式(2-11)計算。 σB=γZ (2-11) 式中：γ——土的容重，KN/m\+3； Z——應力作用點深度，m。 雖然路面結(jié)構(gòu)材料的容重比路基土的容重略大，但是結(jié)構(gòu)層的厚度相對于路基某一深度而言，這個差別可以忽略，仍可視作為均質(zhì)土體。 路基內(nèi)任一點處的垂直應力包括由車輪荷載引起的σZ和由土基自重引起的σB，兩者的共同作用，如圖2-16所示。 二、路基工作區(qū) 在路基某一深度Za處，當車輪荷載引起的垂直應力σZ與路基土自重引起的垂直應力σB相比所占比例很小，僅為1/5-1/10時，該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。在工作區(qū)范圍內(nèi)的路基，對于支承路

34、面結(jié)構(gòu)和車輪荷載影響較大，在工作區(qū)范圍以外的路基，影響逐漸減少。 路基工作區(qū)深度Za可以用式(2-12)計算。 Za=〖KF(S〗3〖〗〖SX(〗KnP〖〗γ (2-12) 式中Za——路基工作區(qū)深度，m； P——一側(cè)輪重荷載，KN； K——系數(shù)，取K=0.5； γ——土的容重，KN/m\+3； n——系數(shù)，n=5-10?！迹冢耍? 由式(2-12)可見，路基工作區(qū)隨車輪荷載的加大而加深。表2-4列出了與各種型號的汽車對應的路基工作區(qū)深度。 圖2-17工作區(qū)深度和路基高度a) 路堤高度大于Za，b) 路堤高度小于Za 路基工作區(qū)內(nèi)，土基的強度和穩(wěn)定性對保證路面結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)

35、定性極為重要，對工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇，路基的壓實度應提出較高的要求。 當工作區(qū)深度大于路基填土高度時(圖2-17)，行車荷載的作用不僅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土層，因此，天然地基上部土層和路堤應同時滿足工作區(qū)的要求，均應充分壓實。 路基工作區(qū)深度表2-4 三、路基土的應力——應變特性 路基是路面結(jié)構(gòu)的支承體，車輪荷載通過路面結(jié)構(gòu)傳至路基。所以路基土的應力——應變特性對路基路面結(jié)構(gòu)的整體強度和剛度有很大影響。路面結(jié)構(gòu)的損壞，除了它本身的原因之外，路基的變形過大是重要原因之一。路基土的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。過大的塑性變形將導致各種瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不

36、平整，對于水泥混凝土路面，路基土的塑性變形將引起板塊斷裂。彈性變形過大將使得瀝青面層或水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開裂。在路面結(jié)構(gòu)總變形中，土基的變形占很大部分，約占70-95%，所以提高路基土的抗變形能力是提高路基路面結(jié)構(gòu)整體強度和剛度的重要方面。 理想的線性彈性體在一定的應力范圍內(nèi)，應力與應變的關(guān)系呈線性特性。而且當應力消失時，應變隨之消失，恢復到初始狀態(tài)。路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，包括固相、液相和氣相三部分所組成。固相部分又由不同成分、不同粒徑的顆粒所組成。所以路基土在應力作用下呈現(xiàn)的變形特性同理想的線性彈性體有很大區(qū)別。 壓入承載板試驗是研究土基應力——應變特性最常用的一種方法。這種方法

37、是以一定尺寸的剛性承載板置于土基頂面，逐級加荷卸荷，記錄施加于承載板上的荷載及由該荷載所引起的沉降變形，根據(jù)試驗結(jié)果，可繪出土基頂面壓應力與回彈變形的關(guān)系曲線。圖2-18a)是這種關(guān)系的典型情況。 根據(jù)彈性力學理論，通過試驗測得的回彈變形可以用式(2-13)計算土基的回彈模量， E=〖SX(〗pD(1-μ2) (2-13) 式中： l——承載板的回彈變形，m； D——承載板的直徑，m； E——土體的回彈模量，KPa； μ——土體的泊松比； p——承載板壓強，KPa。 假如土體為理想的線性彈性體，則E應為一常量，施加的荷載p與回彈變形l之間應呈直線關(guān)系。但是實際上圖2-18a)

38、所示的p與l之間的曲線關(guān)系是普遍的。因此，土基的回彈模量E并不是常數(shù)。 土基應力——應變的非線性特性由三軸壓縮試驗的結(jié)果也可以證明。圖2-18b)為三軸壓縮試驗應力——應變關(guān)系曲線。土的豎向壓應變ε1可以按照式(2-14)計算。 (2-14) 式中： ε1——豎向應變； σ1——豎向應力，KPa； σ3——側(cè)向應力，KPa； E——土的彈性模量，KPa； μ——土的泊松比，約為0.3-0.5，隨土質(zhì)而異。 當側(cè)向應力σ3保持一個常數(shù)不變，若E值為常數(shù)時，豎向應力σ1與豎向應變ε1之間應保持直線關(guān)系。但是實際試驗結(jié)果表明σ1與ε1之間普遍存在著非線性關(guān)系。所以E值不能視為不

39、變的常量。 圖2-18土的應力——應變關(guān)系曲線 土體在內(nèi)部應力作用下表現(xiàn)出的變形，從微觀的角度看，是土的顆粒之間的相對移動。當移動的距離超出一定限度時，即使將應力解除，土體的顆粒已不再能回復原位，從宏觀角度看，土基將產(chǎn)生不可恢復的殘余變形。因此，土基的應力——應變關(guān)系除了出現(xiàn)非線性特性之外，還表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì)。由圖2-18c)可以看出，當荷載卸除，應力恢復到零時，曲線由A回到B，OB即為塑性或殘余變形。 盡管土基的應力——應變關(guān)系如此復雜，但是在評定土基應力——應變狀態(tài)以及設計路面時通常仍然用模量值E來表征。最簡單的方法是采用局部線性化的方法，即在曲線的某一個微小線段內(nèi)，近似地將它視為直

40、線，以它的斜率作為模量值。按照應力——應變曲線上應力取值方法的不同。模量有以下幾種： (1) 初始切線模量——應力值為零時的應力——應變曲線的斜率，如圖2-18c)中的①所示； (2) 切線模量——某一應力級位處應力——應變曲線的斜率，如圖2-18c)中的②所示。反映該級應力處應力——應變變化的精確關(guān)系； (3) 割線模量——以某一應力值對應的曲線上的點同起始點相連的割線的斜率，如圖2-18c)中③所示。反映土基在工作應力范圍內(nèi)的應力——應變的平均狀態(tài)； (4) 回彈模量——應力卸除階段，應力——應變曲線的割線模量，如圖2-18e)中④所示。 前三種模量中的應變值包含殘余應變和回彈應

41、變，而回彈模量則僅包含回彈應變，它部分地反映了土的彈性性質(zhì)。 土基應力——應變的非線性特性還有另一種表示方法，即將回彈模量值以應力或應變的函數(shù)形式來表示。如根據(jù)試驗結(jié)果，砂性土路基的回彈模量可以按式(2-15)計算確定。 ER=K1θK2 (2-15) 式中： ER——土基回彈模量，KPa； θ——全應力，即三向主應力之和，θ=σ1+σ2+σ3，KPa； K1，K2——回歸常數(shù)，見圖2-19a) 對于粘性土，其模量值隨應力的變化又有另外的形式。如圖2-19b)所示，在一定的應力范圍內(nèi)，隨著應力的增加，模量逐漸降低，超過一定范圍后，模量又緩慢增大，式(2-16)表示典型的粘性土的回

42、彈模量與應力的函數(shù)關(guān)系。 圖2-19回彈模量與應力的關(guān)系曲線a) 砂性土；b) 粘性土 ER=K2+K｜K1-(σ1-σ2)｜ (2-16) 式中： ER——土基回彈模量，KPa； σ1，σ2——最大，最小主應力，KPa； K1，K2——回歸常數(shù)，KPa； K——系數(shù)，當(σ1-σ3)

43、增大，以后逐漸趨向穩(wěn)定。這又稱為土的流變特性。試驗表明，回彈應變與荷載的持續(xù)時間關(guān)系不大，土的流變特性主要同塑性應變有關(guān)。 汽車在道路上行駛，車輪對土基作用的時間很短，在這一瞬間，產(chǎn)生的塑性應變比之于靜荷載長期作用下的塑性應變小得多。因此，一般情況下，土基的流變影響可以不予考慮。 四、重復荷載對路基土的影響 土基承受著車輪荷載的多次重復作用。每一次荷載作用之后，回彈變形即時消失，而塑性變形則不能消失，殘留在土基之中。隨著作用次數(shù)的增加，產(chǎn)生塑性變形的積累，總變形量逐漸增大。最終會導致二種不同的情況，一種情況是土體逐漸壓密，土體顆粒之間進一步靠攏，每一次加載產(chǎn)生的塑性變形量愈來愈小，直至穩(wěn)

44、定，停止增長，這種情況不致形成土基的整體性剪切破壞；另一種情況是荷載的重復作用造成了土體的破壞，每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成能引起土體整體破壞的剪裂面，最后達到破壞階段。 土基在重復荷載作用下產(chǎn)生的塑性變形積累，最終將導致何種狀況，主要取決于： (1) 土的性質(zhì)(類型)和狀態(tài)(含水量、密實度、結(jié)構(gòu)狀態(tài))； (2) 重復荷載的大小以重復荷載同一次靜載下達到的極限強度之比來表示，即相對荷載； (3) 荷載作用的性質(zhì)，即重復荷載的施加速度、每次作用的持續(xù)時間以及重復作用的頻率。 例如，對于相對含水量小于07的干土，取相對荷載小于0.45至0.55時，荷載重復作用的

45、結(jié)果產(chǎn)生第一種情況，土體逐漸固結(jié)硬化；而取相對荷載大于此值，經(jīng)過多次重復加載后，便出現(xiàn)第二種情況，土體產(chǎn)生破壞。當土的相對含水量大于0.7至0.8處于較濕的狀態(tài)下，若要保證在荷載重復作用下不發(fā)生破壞的變形，則安全的相對荷載值很小，對粘土小于0.09；砂性土小于0.15-0.12；粉性土不超過0.10，稱為重復應力的臨界值。在重復應力低于臨界值的范圍內(nèi)，總應變的累積規(guī)律在半對數(shù)(或?qū)?shù))坐標上一般呈線性關(guān)系，可表示為 ε1=a+blgN (2-17) 式中： a——應力一次作用下的初始應變； b——應變增長回歸系數(shù)； N——應力重復作用次數(shù)。 路基承受著車輪荷戴的重復作用，為適應這一

46、特點，可采用重復加載的三軸壓縮試驗來確定土的回彈模量值。應力施加頻率為每分鐘20-30次，每次作用的持續(xù)時間為0.2-0.1S；按重復應力作用600-1000次后的回彈應變確定回彈模量E\-R值。 2-4土基的承載能力 在車輪荷載作用下，路基路面結(jié)構(gòu)的強度與剛度除了路面材料的品質(zhì)之外，路基的支承起著決定性的作用。路基作為路面結(jié)構(gòu)的基礎，它的抵抗車輪荷載能力的大小，主要決定干路基頂面在一定應力級位下抵抗變形的能力。所以路基的承載能力都采用一定應力級位下的抗變形能力來表征。盡管柔性路面設計和剛性路面設計以不同的理論體系為基礎，不同的設計方法有不同的假定前提，但是用于表征路基承載力的各種指標

47、，它們的前提，基本上是相同的。也就是土基在一定應力級位下的抗變形能力。用于表征土基承載力的參數(shù)指標有回彈模量、地基反應模量和加州承載比(CBR)等。 一、土基回彈模量 以回彈模量表征土基的承載能力，可以反映土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質(zhì)。因而可以應用彈性理論公式描述荷載與變形之間的關(guān)系。以回彈模量作為表征土基承載能力的參數(shù)，可以在以彈性理論為基本體系的各種設計方法中得到應用。為了模擬車輪印跡的作用，通常都以圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量。 有兩種承載板可以用于測定土基回彈模量，即柔性壓板與剛性壓板。用柔性壓板測定回彈模量，土基與壓板之間的接觸壓力為常量，如圖2-20a)所示即

48、： p(r)=〖SX(〗P〖〗πa2 (2-18) 圖2-20土基在圓形承載板下的壓力與撓度分布曲線 a) 柔性承載板；b) 剛性承載板 承載板的撓度l(r)與坐標r有關(guān)，在壓板中心處(r=0)，即： lr=0=〖SX(〗2pa(1-μ2)〖〗E (2-19) 在柔性壓板邊緣處r=a，其撓度可以按下式計算： lr=a=4pa(1-μ2)〖〗πE (2-20) 因此，當測得壓板中心或者壓板邊緣處撓度之后，假如μ為已知值，即可通過式(2-19)或式 (2-20)反算，得到回彈模量E\-R值。 用剛性承載板測定土基回彈模量，壓板下土基頂面的撓度為等值，不隨坐標r而變化。但是板底接

49、觸壓力則隨r值的變化，成鞍形分布，如圖2-10b)所示。其撓度l值與接觸壓力p值可分別按式(2-21)或式(2-22)計算。 l=〖SX(〗2pa(1-μ2)〖〗E〖SX)〗 〖SX(〗π〖〗4〖SX)〗 (2-21) p(r)=〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗 〖SX(〗pa〖〗〖KF(〗a\+2-r\+2(2-22) 測得剛性板撓度之后，即可按式(2-21)反算，得到回彈模量E\-R值。式中p為平均單位壓力。 圖2-21荷載——回彈彎沉曲線 在實際測定中，剛性承載板用得較多，因為它的撓度易于量測，壓力容易控制。試驗時宜采用逐級加載卸載法，每級增加0.04MPa，待卸載穩(wěn)定1min后

50、讀取回彈彎沉值，再加下一級荷載?；貜椬冃沃党^1mm時，則停止加載。如此，即可點繪出荷載——回彈彎沉曲線，如圖2-21所示。 在多數(shù)情況下，試驗曲線呈非線性。在確定模量值時，可以根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最大壓應力級位，或可能出現(xiàn)的最大彎沉范圍，在曲線上選取合適的量值按式(2-23)進行計算。 E0=〖SX(〗πa〖〗2〖SX)〗〖SX(〗Σpi〖〗li〖SX)〗(1-u2.0) (2-23) 式中：pi,li分別為各級荷載的單位壓力與相對應的回彈彎沉值。 圖2-22溫克勒地基模型 承載板直徑的大小對測定結(jié)果也有影響，通常用車輪的輪印當量圓直徑作為承載板的直徑。但是對于剛性路面下的土基，

51、有時采用較大直徑承載板進行測定，因為荷載通過剛性路面板施加于地基表面的壓力范圍較之柔性路面為大。 二、地基反應模量 用溫克勒(E.Winkler)地基模型描述土基工作狀態(tài)時，用地基反應模量K表征土基的承載力。根據(jù)溫克勒地基假定，土基頂面任一點的彎沉l，僅同作用于該點的垂直壓力p成正比，而同其相鄰點處的壓力無關(guān)。符合這一假定的地基如同由許多各不相連的彈簧所組成(如圖2-22所示)。壓力p與彎沉l之比稱為地基反應模量K。即： K=〖SX(〗p〖〗l〖SX)〗 (KN/m\+3) (2-24) 溫克勒地基又稱為稠密液體地基。地基反應模量K值相當于該液體的比重，路面板受到的地基反力相當于液體產(chǎn)

52、生的浮力。 圖2-23地基反應模量K同承載板直徑D的關(guān)系 地基反應模量K值用承載板試驗確定。承載板的直徑規(guī)定為76cm。測定方法與回彈模量測定方法相類似，但是采取一次加載到位的方法，施加荷載的量值根據(jù)不同的工程對象，有兩種方法供選用。當?shù)鼗^為軟弱時，用0-127cm的彎沉量控制承載板的荷載。因為，通常情況下混凝土路面板的彎沉不會超出這一范圍。假如地基較為堅實，彎沉值難以達到0.127cm時，則采用另一種控制方法，以單位壓力p=70KPa控制承載板的荷載。這也是考慮到混凝土路面下土基承受的壓力通常不會超過這一范圍。 承載板直徑的大小對K值有一定影響，直徑越小，K值越大。但是由試驗得知，當

53、承載板直徑大于76cm時，K值的變化很小，如圖2-23所示。因此規(guī)定以直徑為76cm的承載板為標準。當采用直徑為30cm的承載板測定時，可按下式進行修正： K76=0.4K30(2-25) 按上述方法確定的K值是一定荷載或沉降條件下的荷載應力與總彎沉之比，其中包含回彈彎沉和殘余彎沉。如果只考慮回彈彎沉，則可以得到地基回彈反應模量K\-R，通常K\-R與總彎沉對應的地基反應模量K之間有如下關(guān)系。 K\-R=1.77K (2-26) 三、加州承載比(CBR) 加州承載比是早年由美國加利福尼亞州(California)提出的一種評定土基及路面材料承載能力的指標。承載能力以材料抵抗局部荷載壓

54、入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標準碎石為標準，以它們的相對比值表示CBR值。 試驗時，用一個端部面積為1935cm\+2的標準壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中。記錄每貫入0.254cm時的單位壓力，直至壓入深度達到1.27cm時為止。標準壓力值是用高質(zhì)量標準碎石由試驗求得，其值如表2-5所示。 CBR值按式(2-27)計算： CBR=〖SX(〗p〖〗ps〖SX)〗100 (2-27) 式中： p——對應于某一貫入度的土基單位壓力，KPa； ps——相應貫入度的標準壓力(見表2-5)，KPa。〖ＺＫ）〗 計算CBR值時，取貫入度為0.254cm，但是當貫入度為0.

55、254cm時的CBR值小于貫入度為0.508cm時的CBR值時，應采用后者為準。 CBR試驗設備有室內(nèi)試驗與室外試驗兩種。室內(nèi)用CBR試驗裝置如圖2-24所示。試件按路基施工時的含水量及壓實度要求在試筒內(nèi)制備。并在加載前浸泡在水中，飽水4天。為了模擬路面結(jié)構(gòu)對土基的附加壓力，在浸水過程中，及壓入試驗時，在試件頂面施加環(huán)形法碼，其重量應根據(jù)預計的路面結(jié)構(gòu)重量來確定。 CBR值野外試驗方法基本上與室內(nèi)試驗相同，但其壓入試驗直接在土基頂面進行。有時，野外試驗結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果不完全相同，這主要是由于土壤含水量不一樣，室內(nèi)試驗時，試件處于飽水狀態(tài)；野外試驗時，土基處于施工時的濕度狀態(tài)。所以對野外試

56、驗結(jié)果必須加以修正，換算成飽水狀態(tài)的CBR值。表2-6所列為常用路基土的CBR值。 圖2-24CBR試驗裝置 常用路基土的CBR值表2-6 土類〖〗CBR(%) 級配良好的礫石，礫石——砂混合料〖〗60～80〖BH〗 級配差的礫石，礫石——砂混合料〖〗35～60〖BHDG3〗 均勻顆粒的礫石或砂質(zhì)礫石粉質(zhì)礫石，礫石——砂——粉土混合料〖〗40～80〖BH〗 粘土質(zhì)礫石，礫石——砂——粘土混合料；級配良好的砂，礫石質(zhì)砂；粉質(zhì)砂，砂——粉土 混合料〖〗20～40〖BHDG2〗 級配差的砂或礫石質(zhì)砂〖〗15～25〖BH〗 粘土質(zhì)砂，石砂——粘土混合料〖〗10～20〖BHDG3〗

57、 粉土，砂質(zhì)粉土，礫石質(zhì)粉土；貧粘土，砂質(zhì)粘土，礫石質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土〖〗5～15 無機質(zhì)粉土，貧有機質(zhì)粘土，云母質(zhì)粘土或硅藻土〖〗4～8〖BH〗〖HJ4/5〗 有機質(zhì)粘土，肥粘土，有機質(zhì)粉土〖〗3～5 2-5路基的變形、破壞及防治 一、路基的主要病害 路基裸露在大氣中，經(jīng)受著土體自重、行車荷載和各種自然因素的作用，路基的各個部位將產(chǎn)生變形。路基的變形分為可恢復的變形和不可恢復變形，路基的不可恢復變形將引起路基標高和邊坡坡度、形狀的改變。嚴重時，造成土體位移，危及路基的整體性和穩(wěn)定性、造成路基各種破壞。 路基的主要病害有以下幾種。 1、路基沉陷 路基沉陷是指路基表面在垂直方

58、向產(chǎn)生較大的沉落，如圖2-25a)所示。路基的沉陷可以有兩種情況，一是路基本身的壓縮沉降；二是由于路基下部天然地面承載能力不足，在路基自重的作用下引起沉陷或向兩側(cè)擠出而造成的。 路基的沉縮是因路基填料選擇不當，填筑方法不合理，壓實度不足，在路基堤身內(nèi)部形成過濕的夾層等因素，在荷載和水溫綜合作用之下，引起路基沉縮。如圖2-25b)所示。 地基的沉陷是指原天然地面有軟土，泥沼或不密實的松土存在，承載能力極低，路基修筑前未經(jīng)處理，在路基自重作用下，地基下沉或向兩側(cè)擠出，引起路基下陷。如圖2-25c)所示。 圖2-25路基沉陷 2、邊坡滑塌 路基邊坡滑塌是最常見的路基病害，根據(jù)邊坡土質(zhì)類別，

59、坡壞原因和規(guī)模的不同，可分為溜方與滑坡兩種情況。 1) 溜方。由于少量土體沿土質(zhì)邊坡向下移動所形成。溜方通常指的是邊坡上表面薄層土體下溜。主要是由于流動水沖刷邊坡或施工不當而引起的。如圖2-26a)、b)所示。 2) 滑坡。一部分土體在重力作用下沿某一滑動面滑動?；轮饕怯捎谕馏w的穩(wěn)定性不足所引起的。如圖2-26c)所示。 路堤邊坡坡度過陡，或邊坡坡腳被沖刷淘空，或填土層次安排不當是路堤邊坡發(fā)生滑坡的主要原因。 路塹邊坡滑坡的主要原因是邊坡高度和坡度與天然巖土層次的性質(zhì)不相適應。粘性土層和蓄水的砂石層交替分層蘊藏，特別是有傾向于路塹方向的斜坡層理存在時，就容易造成滑動。 圖2-26

60、路基邊坡的破壞 3、碎落和崩塌 剝落和碎落是指路塹邊坡風化巖層表面，在大氣溫度與濕度的交替作用，以及雨水沖刷和動力作用之下，表層巖石從坡面上剝落下來，向下滾落。大塊巖石脫離坡面沿邊坡滾落稱為崩塌。 4、路基沿山坡滑動 在較陡的山坡填筑路基，若路基底部被水浸濕，形成滑動面，坡腳又未進行必要的支撐，在路基自重和行車荷載作用下，整個路基沿傾斜的原地面向下滑動，路基整體失去穩(wěn)定。 5、不良地質(zhì)和水文條件造成的路基破壞 公路通過不良地質(zhì)條件(如泥石流、溶洞等)和較大自然災害(如大暴雨)地區(qū)，均可能導致路基的大規(guī)模毀壞。 二、路基病害防治 為提高路基的穩(wěn)定性，防治各種病害的產(chǎn)生，主要有以下

61、一些措施： 1、正確設計路基橫斷面。 2、選擇良好的路基用土填筑路基，必要時對路基上層填土作穩(wěn)定處理。 3、采取正確的填筑方法，充分壓實路基，保證達到規(guī)定的壓實度。 4、適當提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進入路基工作區(qū)范圍。 5、正確進行排水設計(包括地面排水，地下排水，路面結(jié)構(gòu)排水以及地基的特殊排水)。 6、必要時設計隔離層隔絕毛細水上升，設置隔溫層減少路基冰凍深度和水分累積，設置砂墊層以疏干土基。 7、采取邊坡加固，修筑擋土結(jié)構(gòu)物，土體加筋等防護技術(shù)措施，以提高其整體穩(wěn)定性。 以上各項技術(shù)措施的宗旨在于限制水分侵入路基，使已侵入路基的水分迅速排除，保持干燥，提

62、高路基的整體強度與穩(wěn)定性。 2-6路面材料的力學強度特性 路面所用的材料，按其不同的形態(tài)及成型性質(zhì)大致可分為三類：(1) 松散顆粒型材料及塊料；(2) 瀝青結(jié)合料類；(3) 無機結(jié)合料類。這些材料按不同的成型方式(密實型、嵌擠型和穩(wěn)定型)形成各種結(jié)構(gòu)層。由于材料的基本性質(zhì)和成型方式不同，各種路面結(jié)構(gòu)層具有不同的力學強度特性。 路面材料在車輪荷載和環(huán)境因素的作用下所表現(xiàn)出的力學強度特性，對路面的使用品質(zhì)和使用壽命有重大影響。因此，深刻理解路面材料的力學強度特性將有助于正確判別路面各種病害的真實成因，同時將有助于正確理解路面設計方法基本原理的物理背景。 一、抗剪強度 路面結(jié)構(gòu)層因抗剪

63、強度不足而產(chǎn)生破壞的情況有以下三種：(1) 路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，總體剛度不足，車輪荷載通過薄層結(jié)構(gòu)傳給土基的剪應力過大，導致路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞；(2) 無結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠恚瑑?nèi)部剪應力過大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞；(3) 面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強度較低。如高氣溫條件下的瀝青面層；級配碎石面層等，經(jīng)受較大的水平推力時，面層材料產(chǎn)生縱向或橫向推移等各種剪切破壞。 按摩爾(Mohr Coulumb)強度理論，材料的抗剪強度包括摩擦阻力和粘結(jié)力兩部分組成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正應力成正比；粘結(jié)力為材料固有性質(zhì)，與法向正應力無關(guān)，即： τ=c+σtgφ (2--28)

64、 式中： τ——抗剪強度，KPa； c——材料的粘結(jié)力，KPa； σ——法向正應力，KPa； φ——材料的內(nèi)摩阻角。 c和φ是表征路面材料抗剪強度的兩項參數(shù)，可以通過直接剪切試驗，繪出τ-σ曲線后，按上式確定。對于松散粒料無法進行直剪試驗時，可以由三軸壓縮試驗，繪制摩爾圓和相應的 圖2-27三軸試驗確定c、φ值〖JZ)〗〖TS)〗 包絡線，按上式直線關(guān)系近似確定c、φ值，如圖2-27所示。由于三軸試驗較接近實際受力狀態(tài)，因此得到廣泛應用。三軸試驗試件的直徑應大于集料中最大粒徑的4倍，試件的高度和直徑之比不小于2。目前普遍使用試件直徑為10cm，高為20cm，粒料最大粒徑不應大于2

65、.5cm。 瀝青混合料經(jīng)受剪切時，除了礦質(zhì)顆粒之間存在摩擦阻力之外，還有粒料與瀝青的粘結(jié)力以及瀝青膜之間的粘滯阻力共同形成抗剪強度。因此瀝青混合料的抗剪強度與瀝青的粘度，用量、試驗溫度，加荷速率等因素有關(guān)。混合料中的礦質(zhì)粒料因有瀝青涂敷，其摩阻力比純粒料有所下降。瀝青含量越多，φ值下降越多，而集料級配良好，富有棱角時，有助于提高摩阻角。 二、抗拉強度 瀝青路面、水泥混凝土路面及各種半剛性基層在氣溫急驟下降時產(chǎn)生收縮，水泥混凝土路面和各種半剛性基層在大氣濕度變化時，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當材料的抗拉強度不足以抵抗上述拉應力時，路面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生拉伸斷

66、裂。 路面材料的抗拉強度主要由混合料中結(jié)合料的粘結(jié)力所提供，可以采用直接拉伸或間接拉伸試驗，測繪應力——應變曲線，取曲線的最大應力值為抗拉強度。 直接拉伸試驗(圖2-28)，是將混合料制成圓柱形試件，試件兩端粘結(jié)在有球形絞結(jié)的金屬蓋帽上，通過安裝在試件上的變形傳感器，測定試件在各級拉應力下的應變值。 間接拉伸試驗，即劈裂試驗，將混合料制成圓柱形試件，直徑為D，高度為h(見圖2-29)。試驗時通過墊條、沿直徑方向，按一定的速率施加荷載，直至試件開裂破壞?？估瓘姸扔上率接嬎愦_定： σt=〖SX(〗2P〖〗πhD〖SX)〗 (2-29) 式中： σt——混合料的抗拉強度，KPa； P——試驗最大荷載，KN； h,D——試件的高度和直徑，m。 劈裂試驗試件尺寸(h,D)的大小與混合料中集料的最大粒徑有關(guān)，用于瀝青混合料的試件尺寸與用于半剛性材料的試件尺寸不一樣，可在有關(guān)試驗規(guī)程中查閱。 水泥混凝土劈裂抗拉強度測試采用邊長為150mm的立方塊試件，抗拉強度按式(2-30)計算： σt=〖SX(〗2P〖〗πA (2-30) 式中：A——試件劈裂面面積，m