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1、第二章 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì) 2-1行車荷載 汽車是路基路面的服務(wù)對(duì)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(shè)計(jì)的路基路面結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)計(jì)的功能，具有良好的結(jié)構(gòu)性能，首先應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)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(dòng)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(dá)120km/

2、h，有的高檔小車可達(dá)200km/h以上；中客車一般包括6個(gè)坐位至20個(gè)坐位的中型客車；大客車一般是指20個(gè)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(yùn)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(dòng)機(jī)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(dòng)力，牽引后掛的拖車、有時(shí)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(dān)負(fù)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(yùn)輸水陸聯(lián)運(yùn)業(yè)務(wù)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(shè)計(jì)主要以軸重作為荷載標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)可以不計(jì)。但是在考慮路面表面特性要求時(shí)，如平整性，抗滑性等，以小汽車為主要對(duì)象，因?yàn)樾≤嚨男旭偹俣雀?，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(duì)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)承載力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為了統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和便于交通管理，各個(gè)國家對(duì)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(huì)1989年公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在141個(gè)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(shè)計(jì)規(guī)范中均以100KN作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重。通常認(rèn)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(gè)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(yùn)向大型重載方向發(fā)展，貨車的總重有增加的趨勢(shì)，為了滿足各個(gè)國家對(duì)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(yùn)輸專用設(shè)備的平板拖車，采用多軸多輪，以便減輕對(duì)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(duì)道路的靜態(tài)壓力 汽車對(duì)道路的作用可分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)。當(dāng)汽車處于停駐狀態(tài)下，對(duì)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(biāo)

6、準(zhǔn)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(huì)因輪胎充氣溫度升高而增加，因此，滾動(dòng)的車輪，接觸壓力也有所增加，達(dá)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(huì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中以圓形接觸面積來表示

7、。將車輪荷載簡化成當(dāng)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(dāng)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(dāng)量圓半徑，m?！迹冢耍? 對(duì)于雙輪組車軸，若每一側(cè)的雙輪用一個(gè)圓表示，稱為單圓荷載；如用二個(gè)圓表示，則稱為雙圓荷載(見圖2-2)。單圓荷載的當(dāng)量圓直徑D和雙圓荷載的直徑d，分別按式(2-2)、式(2-3)計(jì)算： 我國現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100的P=100/4KN,p=700KPa，用式(2-2)、式(2-3)計(jì)

8、算，可分別得到相應(yīng)的當(dāng)量直徑為： 圖2-2車輪荷載計(jì)算圖式 a) 單圓圖式；b) 雙圓圖式 四、運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)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(dòng)力。此外，由于汽車以較快的速度通過，這些動(dòng)力影響還有瞬時(shí)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(dòng)摩阻力，路面也相應(yīng)受到車輪施加于它的一個(gè)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(yīng)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(dòng)和制動(dòng)過程中，施加于路面的水平力相當(dāng)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(huì)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(yīng)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(shí)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(fù)雜的應(yīng)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(qiáng)度不足，將會(huì)導(dǎo)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(dòng)和路面的不平整，其車輪實(shí)際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動(dòng)，作用在路面上的輪載時(shí)而大于靜態(tài)輪載，時(shí)而小于靜態(tài)輪載，呈波動(dòng)狀態(tài)，圖2-4所示即為軸載波動(dòng)的實(shí)例。 圖2-4軸載的動(dòng)態(tài)

11、波動(dòng) 車速：60km/h；路面平整度中等；輪胎著地 長：23cm；通過時(shí)間：0.0138S 輪載的這種波動(dòng)，可近似地看作為呈正態(tài)分布，其變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(shè)計(jì)路面時(shí)，有

12、時(shí)以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設(shè)計(jì)荷載。 行駛的汽車對(duì)路面施加的荷載有瞬時(shí)性，車輪通過路面上任一點(diǎn)，路面承受荷載的時(shí)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(yīng)力作用的持續(xù)時(shí)間略長一點(diǎn)，但仍然是十分短暫的。由于路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力傳遞是通過相鄰的顆粒來完成的，若應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)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(huì)(AASHO)試驗(yàn)路曾對(duì)不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面的變形進(jìn)行量測(見圖2-5)，結(jié)果表明，當(dāng)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(dāng)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(yīng)變量減少29%左右。 動(dòng)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(duì)提高，或者是路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相對(duì)增大。 圖2-5車速與路面變形的關(guān)系 1——?jiǎng)傂月访?，板角撓度和板邊?yīng)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(duì)路面的多次重復(fù)作用也是一項(xiàng)重要的動(dòng)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(gè)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(fù)輪載作用的效果并不一樣。對(duì)于彈性材料，在重復(fù)荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，也就是材料的強(qiáng)度將隨荷載

14、重復(fù)次數(shù)的增加而降低。對(duì)于彈塑性材料，如土基和柔性路面，在重復(fù)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(duì)于路面設(shè)計(jì)，不僅要重視軸重靜力與動(dòng)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(shè)計(jì)中，要考慮設(shè)計(jì)年限內(nèi)，車輛對(duì)路面的綜合累計(jì)損傷作用，必須對(duì)現(xiàn)有的交通量、軸載組成以及增長規(guī)律進(jìn)行調(diào)查和預(yù)估，并通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺鼈儞Q算成當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)作用次數(shù)。 1、交通量 交通量是指一定時(shí)間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量。可以通過現(xiàn)有的交通流量觀測站的調(diào)查資料，得

15、到該道路設(shè)計(jì)的初始年平均日交通量。也可以根據(jù)需要，臨時(shí)設(shè)站進(jìn)行觀測。當(dāng)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(shí)。對(duì)此，可利用當(dāng)?shù)亻L期觀測所得的時(shí)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(shí)分布換算系數(shù)，將臨時(shí)觀測結(jié)果按相應(yīng)的換算系數(shù)換算成年平均日交通量。 對(duì)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jī)、大中型拖拉機(jī)、自行車、人力車和畜力車。小型貨車、小型客車、拖拉機(jī)和非機(jī)動(dòng)車對(duì)路面結(jié)構(gòu)損傷作用極其輕微，可忽略不計(jì)，這些車輛所占的比例

16、應(yīng)從總量中扣除。其余各類列入統(tǒng)計(jì)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(jí)統(tǒng)計(jì)。還要通過目測大致估計(jì)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(dòng)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(jì)累計(jì)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(jì)相互進(jìn)行校核與補(bǔ)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(shè)計(jì)年限內(nèi)的總交通量，還需要預(yù)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(shí)，還需考慮公路所在地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)和交通的發(fā)展趨勢(shì)，作適當(dāng)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(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)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(shí)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(jí)數(shù)增長規(guī)律。即在設(shè)計(jì)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(jì)條件，不同時(shí)間，γ值都是不一樣的。通常在發(fā)達(dá)國家，大城市附近，由于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)已具相當(dāng)規(guī)模，交通量的基數(shù)較大，所以增長率γ較小。對(duì)于發(fā)展中國家、新開發(fā)的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)年限內(nèi)，累計(jì)交通量N〖TX-〗e可以按式(2-7)預(yù)估： 或 (2-7) 式中： Ne——設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)交通量； N\-1——設(shè)計(jì)的初始年平均日交通量； Nt——設(shè)計(jì)的末年年平均日交通量； γ——設(shè)計(jì)年限

19、內(nèi)交通量年平均增長率； t——設(shè)計(jì)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(duì)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)期限的累計(jì)交通量之外，另一個(gè)重要的交通因素便是各級(jí)軸載所占的比例，即軸載組成或軸載譜。 根據(jù)實(shí)測的通過軸載次數(shù)和相應(yīng)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(jí)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(yīng)的軸載譜百分率，即可推算出所有車輛各級(jí)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(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量通行次數(shù)，我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范和瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范均選用雙輪組單

20、軸軸載100KN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。 各種軸載的作用次數(shù)進(jìn)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(dá)到相同的損傷程度。通過室內(nèi)或道路現(xiàn)場的重復(fù)作用試驗(yàn)，可以建立荷載量級(jí)同達(dá)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(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)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(jí)軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的換算系數(shù)； Ps——標(biāo)準(zhǔn)軸載重，KN； Ns——標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)； Pi——i級(jí)軸載重，KN； Ni——i級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(dòng)。由于輪跡的寬度遠(yuǎn)小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會(huì)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(diǎn)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(shí)一個(gè)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(shí)

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(gè)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(duì)于單向行車的一個(gè)車道上，由于行車的渠化，頻率曲線出現(xiàn)二個(gè)峰值，達(dá)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(gè)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(shí)地調(diào)查，才能確定。 在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)條帶的寬度，即50cm，因?yàn)殡p輪組每個(gè)輪寬20cm，輪隙寬10cm。這時(shí)的二個(gè)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(duì)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(qiáng)度與剛度隨路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和濕度的變化有時(shí)會(huì)有大幅度的增減。圖2-9給出了瀝青混凝土的動(dòng)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(duì)瀝青混凝土彈性模量的影響 圖2-10濕度對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)，路基和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。即溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)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(shè)計(jì)復(fù)雜化。如不能充分估計(jì)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(shè)計(jì)路基路面結(jié)構(gòu)時(shí)，除了充分考慮車輪荷載可能引起的各種損傷之外，還應(yīng)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(yīng)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(shí)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(gè)實(shí)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(fù)(頂溫低于底溫)到正(頂溫高于底溫)，再由正到負(fù)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(diǎn)。 圖2-13一天內(nèi)不同時(shí)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(yīng)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(fēng)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(xiàng)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(dǎo)率，熱容量和對(duì)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(yù)估。這種方法有兩類，即統(tǒng)計(jì)方法和理論方法。 統(tǒng)計(jì)方法就是在路面結(jié)構(gòu)層的不同深處埋設(shè)測溫元件，連續(xù)觀測年循環(huán)內(nèi)不同時(shí)刻的溫度變化。同時(shí)收集當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，包括對(duì)應(yīng)的氣溫和輻射熱等。對(duì)記錄的路面溫度和氣象因素進(jìn)行逐步回歸分析。選擇符合顯著性檢驗(yàn)要求的因素，分別建立不同深度處各種路面溫度指標(biāo)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(yīng)的日最高氣溫，℃； Q——相應(yīng)的太陽日輻射熱，J/m\+2； a,b,c——回歸常數(shù)。 由

29、于統(tǒng)計(jì)方法不可能包含所有的復(fù)雜因素，所以計(jì)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(yīng)用熱傳導(dǎo)理論方程式推演出各項(xiàng)氣象資料和路面材料熱物理特性參數(shù)組成的溫度預(yù)估方程式。通常，由于參數(shù)確定的難度大、理論假設(shè)的理想化， 預(yù)估的結(jié)果與實(shí)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(gè)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(duì)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(qiáng)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(shí)，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(dāng)雨季來臨時(shí)，未能及時(shí)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(shè)置良好地面排水設(shè)施和路面結(jié)構(gòu)排水設(shè)施，經(jīng)常養(yǎng)護(hù)保持暢通。地下水對(duì)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(rèn)為受地下水影響的高度對(duì)粘土為6m，砂質(zhì)粘土或粉土約為3m，砂土為0-9m。在這個(gè)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(gè)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(duì)于干旱地區(qū)，路基的濕度主要受空氣相對(duì)濕度的控制，受降水的影響很小，相當(dāng)于當(dāng)?shù)馗采w土相同深度處的濕度。 面層的透水性對(duì)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(duì)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(duì)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(dāng)，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(dāng)。 2-3土基的力學(xué)強(qiáng)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(shè)計(jì)應(yīng)使得路基所受的力在彈性限度范圍內(nèi)，而當(dāng)車輛駛過后，路基能恢復(fù)原狀，以保證路基相對(duì)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(yīng)力σ2可以用近似公式(2-10)計(jì)算。計(jì)算時(shí)，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(yīng)力作用點(diǎn)的深度，m。 圖2-16土基中應(yīng)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(yīng)力σ\-B按式(2-11)計(jì)算。 σB=γZ (2-11) 式中：γ——土的容重，KN/m\+3； Z——應(yīng)力作用點(diǎn)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(duì)于路基某一深度而言，這個(gè)差別可以忽略，仍可視作為均質(zhì)土體。 路基內(nèi)任一點(diǎn)處的垂直應(yīng)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(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力σZ與路基土自重引起的垂直應(yīng)力σB相比所占比例很小，僅為1/5-1/10時(shí)，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(duì)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(jì)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(hào)的汽車對(duì)應(yīng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)保證路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)

35、定性極為重要，對(duì)工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇，路基的壓實(shí)度應(yīng)提出較高的要求。 當(dāng)工作區(qū)深度大于路基填土高度時(shí)(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(yīng)同時(shí)滿足工作區(qū)的要求，均應(yīng)充分壓實(shí)。 路基工作區(qū)深度表2-4 三、路基土的應(yīng)力——應(yīng)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(yīng)力——應(yīng)變特性對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)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(dǎo)致各種瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不

36、平整，對(duì)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(qiáng)度和剛度的重要方面。 理想的線性彈性體在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系呈線性特性。而且當(dāng)應(yīng)力消失時(shí)，應(yīng)變隨之消失，恢復(fù)到初始狀態(tài)。路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(yīng)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(yàn)是研究土基應(yīng)力——應(yīng)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(jí)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(yàn)結(jié)果，可繪出土基頂面壓應(yīng)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(xué)理論，通過試驗(yàn)測得的回彈變形可以用式(2-13)計(jì)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(qiáng)，KPa。 假如土體為理想的線性彈性體，則E應(yīng)為一常量，施加的荷載p與回彈變形l之間應(yīng)呈直線關(guān)系。但是實(shí)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(yīng)力——應(yīng)變的非線性特性由三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果也可以證明。圖2-18b)為三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系曲線。土的豎向壓應(yīng)變?chǔ)弄?可以按照式(2-14)計(jì)算。 (2-14) 式中： ε1——豎向應(yīng)變； σ1——豎向應(yīng)力，KPa； σ3——側(cè)向應(yīng)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(dāng)側(cè)向應(yīng)力σ3保持一個(gè)常數(shù)不變，若E值為常數(shù)時(shí)，豎向應(yīng)力σ1與豎向應(yīng)變?chǔ)?之間應(yīng)保持直線關(guān)系。但是實(shí)際試驗(yàn)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(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系曲線 土體在內(nèi)部應(yīng)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(duì)移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)的距離超出一定限度時(shí)，即使將應(yīng)力解除，土體的顆粒已不再能回復(fù)原位，從宏觀角度看，土基將產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形。因此，土基的應(yīng)力——應(yīng)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(dāng)荷載卸除，應(yīng)力恢復(fù)到零時(shí)，曲線由A回到B，OB即為塑性或殘余變形。 盡管土基的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系如此復(fù)雜，但是在評(píng)定土基應(yīng)力——應(yīng)變狀態(tài)以及設(shè)計(jì)路面時(shí)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(gè)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(yīng)力——應(yīng)變曲線上應(yīng)力取值方法的不同。模量有以下幾種： (1) 初始切線模量——應(yīng)力值為零時(shí)的應(yīng)力——應(yīng)變曲線的斜率，如圖2-18c)中的①所示； (2) 切線模量——某一應(yīng)力級(jí)位處應(yīng)力——應(yīng)變曲線的斜率，如圖2-18c)中的②所示。反映該級(jí)應(yīng)力處應(yīng)力——應(yīng)變變化的精確關(guān)系； (3) 割線模量——以某一應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的曲線上的點(diǎn)同起始點(diǎn)相連的割線的斜率，如圖2-18c)中③所示。反映土基在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力——應(yīng)變的平均狀態(tài)； (4) 回彈模量——應(yīng)力卸除階段，應(yīng)力——應(yīng)變曲線的割線模量，如圖2-18e)中④所示。 前三種模量中的應(yīng)變值包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)

41、變，而回彈模量則僅包含回彈應(yīng)變，它部分地反映了土的彈性性質(zhì)。 土基應(yīng)力——應(yīng)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(yīng)力或應(yīng)變的函數(shù)形式來表示。如根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，砂性土路基的回彈模量可以按式(2-15)計(jì)算確定。 ER=K1θK2 (2-15) 式中： ER——土基回彈模量，KPa； θ——全應(yīng)力，即三向主應(yīng)力之和，θ=σ1+σ2+σ3，KPa； K1，K2——回歸常數(shù)，見圖2-19a) 對(duì)于粘性土，其模量值隨應(yīng)力的變化又有另外的形式。如圖2-19b)所示，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，隨著應(yīng)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(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。 圖2-19回彈模量與應(yīng)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(yīng)力，KPa； K1，K2——回歸常數(shù)，KPa； K——系數(shù)，當(dāng)(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(yàn)表明，回彈應(yīng)變與荷載的持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大，土的流變特性主要同塑性應(yīng)變有關(guān)。 汽車在道路上行駛，車輪對(duì)土基作用的時(shí)間很短，在這一瞬間，產(chǎn)生的塑性應(yīng)變比之于靜荷載長期作用下的塑性應(yīng)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(fù)荷載對(duì)路基土的影響 土基承受著車輪荷載的多次重復(fù)作用。每一次荷載作用之后，回彈變形即時(shí)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(huì)導(dǎo)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(jìn)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(fù)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(dá)到破壞階段。 土基在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的塑性變形積累，最終將導(dǎo)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(shí)度、結(jié)構(gòu)狀態(tài))； (2) 重復(fù)荷載的大小以重復(fù)荷載同一次靜載下達(dá)到的極限強(qiáng)度之比來表示，即相對(duì)荷載； (3) 荷載作用的性質(zhì)，即重復(fù)荷載的施加速度、每次作用的持續(xù)時(shí)間以及重復(fù)作用的頻率。 例如，對(duì)于相對(duì)含水量小于07的干土，取相對(duì)荷載小于0.45至0.55時(shí)，荷載重復(fù)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(duì)荷載大于此值，經(jīng)過多次重復(fù)加載后，便出現(xiàn)第二種情況，土體產(chǎn)生破壞。當(dāng)土的相對(duì)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(fù)作用下不發(fā)生破壞的變形，則安全的相對(duì)荷載值很小，對(duì)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(fù)應(yīng)力的臨界值。在重復(fù)應(yīng)力低于臨界值的范圍內(nèi)，總應(yīng)變的累積規(guī)律在半對(duì)數(shù)(或?qū)?shù))坐標(biāo)上一般呈線性關(guān)系，可表示為 ε1=a+blgN (2-17) 式中： a——應(yīng)力一次作用下的初始應(yīng)變； b——應(yīng)變?cè)鲩L回歸系數(shù)； N——應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)。 路基承受著車輪荷戴的重復(fù)作用，為適應(yīng)這一

46、特點(diǎn)，可采用重復(fù)加載的三軸壓縮試驗(yàn)來確定土的回彈模量值。應(yīng)力施加頻率為每分鐘20-30次，每次作用的持續(xù)時(shí)間為0.2-0.1S；按重復(fù)應(yīng)力作用600-1000次后的回彈應(yīng)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(qiáng)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(chǔ)，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(yīng)力級(jí)位下抵抗變形的能力。所以路基的承載能力都采用一定應(yīng)力級(jí)位下的抗變形能力來表征。盡管柔性路面設(shè)計(jì)和剛性路面設(shè)計(jì)以不同的理論體系為基礎(chǔ)，不同的設(shè)計(jì)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(biāo)

47、，它們的前提，基本上是相同的。也就是土基在一定應(yīng)力級(jí)位下的抗變形能力。用于表征土基承載力的參數(shù)指標(biāo)有回彈模量、地基反應(yīng)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(shí)荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)。因而可以應(yīng)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(shè)計(jì)方法中得到應(yīng)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(biāo)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(jì)算： lr=a=4pa(1-μ2)〖〗πE (2-20) 因此，當(dāng)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(biāo)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(jì)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(shí)際測定中，剛性承載板用得較多，因?yàn)樗膿隙纫子诹繙y，壓力容易控制。試驗(yàn)時(shí)宜采用逐級(jí)加載卸載法，每級(jí)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(jí)荷載。回彈變形值超過1mm時(shí)，則停止加載。如此，即可點(diǎn)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(yàn)曲線呈非線性。在確定模量值時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力級(jí)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(jìn)行計(jì)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(jí)荷載的單位壓力與相對(duì)應(yīng)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(duì)測定結(jié)果也有影響，通常用車輪的輪印當(dāng)量圓直徑作為承載板的直徑。但是對(duì)于剛性路面下的土基，

51、有時(shí)采用較大直徑承載板進(jìn)行測定，因?yàn)楹奢d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(yīng)模量 用溫克勒(E.Winkler)地基模型描述土基工作狀態(tài)時(shí)，用地基反應(yīng)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(diǎn)的彎沉l，僅同作用于該點(diǎn)的垂直壓力p成正比，而同其相鄰點(diǎn)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(yīng)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(yīng)模量K值相當(dāng)于該液體的比重，路面板受到的地基反力相當(dāng)于液體產(chǎn)

52、生的浮力。 圖2-23地基反應(yīng)模量K同承載板直徑D的關(guān)系 地基反應(yīng)模量K值用承載板試驗(yàn)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(duì)象，有兩種方法供選用。當(dāng)?shù)鼗^為軟弱時(shí)，用0-127cm的彎沉量控制承載板的荷載。因?yàn)?，通常情況下混凝土路面板的彎沉不會(huì)超出這一范圍。假如地基較為堅(jiān)實(shí)，彎沉值難以達(dá)到0.127cm時(shí)，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(huì)超過這一范圍。 承載板直徑的大小對(duì)K值有一定影響，直徑越小，K值越大。但是由試驗(yàn)得知，當(dāng)

53、承載板直徑大于76cm時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用直徑為30cm的承載板測定時(shí)，可按下式進(jìn)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(yīng)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(yīng)模量K\-R，通常K\-R與總彎沉對(duì)應(yīng)的地基反應(yīng)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(píng)定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)碎石為標(biāo)準(zhǔn)，以它們的相對(duì)比值表示CBR值。 試驗(yàn)時(shí)，用一個(gè)端部面積為1935cm\+2的標(biāo)準(zhǔn)壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中。記錄每貫入0.254cm時(shí)的單位壓力，直至壓入深度達(dá)到1.27cm時(shí)為止。標(biāo)準(zhǔn)壓力值是用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石由試驗(yàn)求得，其值如表2-5所示。 CBR值按式(2-27)計(jì)算： CBR=〖SX(〗p〖〗ps〖SX)〗100 (2-27) 式中： p——對(duì)應(yīng)于某一貫入度的土基單位壓力，KPa； ps——相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力(見表2-5)，KPa。〖ＺＫ）〗 計(jì)算CBR值時(shí)，取貫入度為0.254cm，但是當(dāng)貫入度為0.

55、254cm時(shí)的CBR值小于貫入度為0.508cm時(shí)的CBR值時(shí)，應(yīng)采用后者為準(zhǔn)。 CBR試驗(yàn)設(shè)備有室內(nèi)試驗(yàn)與室外試驗(yàn)兩種。室內(nèi)用CBR試驗(yàn)裝置如圖2-24所示。試件按路基施工時(shí)的含水量及壓實(shí)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(duì)土基的附加壓力，在浸水過程中，及壓入試驗(yàn)時(shí)，在試件頂面施加環(huán)形法碼，其重量應(yīng)根據(jù)預(yù)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)重量來確定。 CBR值野外試驗(yàn)方法基本上與室內(nèi)試驗(yàn)相同，但其壓入試驗(yàn)直接在土基頂面進(jìn)行。有時(shí)，野外試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，試件處于飽水狀態(tài)；野外試驗(yàn)時(shí)，土基處于施工時(shí)的濕度狀態(tài)。所以對(duì)野外試

56、驗(yàn)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(yàn)裝置 常用路基土的CBR值表2-6 土類〖〗CBR(%) 級(jí)配良好的礫石，礫石——砂混合料〖〗60～80〖BH〗 級(jí)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(jí)配良好的砂，礫石質(zhì)砂；粉質(zhì)砂，砂——粉土 混合料〖〗20～40〖BHDG2〗 級(jí)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(jī)質(zhì)粉土，貧有機(jī)質(zhì)粘土，云母質(zhì)粘土或硅藻土〖〗4～8〖BH〗〖HJ4/5〗 有機(jī)質(zhì)粘土，肥粘土，有機(jī)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(gè)部位將產(chǎn)生變形。路基的變形分為可恢復(fù)的變形和不可恢復(fù)變形，路基的不可恢復(fù)變形將引起路基標(biāo)高和邊坡坡度、形狀的改變。嚴(yán)重時(shí)，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(dāng)，填筑方法不合理，壓實(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)水沖刷邊坡或施工不當(dāng)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(dòng)面滑動(dòng)?；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(dāng)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(yīng)。粘性土層和蓄水的砂石層交替分層蘊(yùn)藏，特別是有傾向于路塹方向的斜坡層理存在時(shí)，就容易造成滑動(dòng)。 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(fēng)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(dòng)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(dòng) 在較陡的山坡填筑路基，若路基底部被水浸濕，形成滑動(dòng)面，坡腳又未進(jìn)行必要的支撐，在路基自重和行車荷載作用下，整個(gè)路基沿傾斜的原地面向下滑動(dòng)，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(zāi)害(如大暴雨)地區(qū)，均可能導(dǎo)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(shè)計(jì)路基橫斷面。 2、選擇良好的路基用土填筑路基，必要時(shí)對(duì)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(shí)路基，保證達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度。 4、適當(dāng)提高路基，防止水分從側(cè)面滲入或從地下水位上升進(jìn)入路基工作區(qū)范圍。 5、正確進(jìn)行排水設(shè)計(jì)(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(shí)設(shè)計(jì)隔離層隔絕毛細(xì)水上升，設(shè)置隔溫層減少路基冰凍深度和水分累積，設(shè)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(hù)技術(shù)措施，以提高其整體穩(wěn)定性。 以上各項(xiàng)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(qiáng)度與穩(wěn)定性。 2-6路面材料的力學(xué)強(qiáng)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(jī)結(jié)合料類。這些材料按不同的成型方式(密實(shí)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(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度特性，對(duì)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(xué)強(qiáng)度特性將有助于正確判別路面各種病害的真實(shí)成因，同時(shí)將有助于正確理解路面設(shè)計(jì)方法基本原理的物理背景。 一、抗剪強(qiáng)度 路面結(jié)構(gòu)層因抗剪

63、強(qiáng)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(yīng)力過大，導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)度較低。如高氣溫條件下的瀝青面層；級(jí)配碎石面層等，經(jīng)受較大的水平推力時(shí)，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(qiáng)度理論，材料的抗剪強(qiáng)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(yīng)力成正比；粘結(jié)力為材料固有性質(zhì)，與法向正應(yīng)力無關(guān)，即： τ=c+σtgφ (2--28)

64、 式中： τ——抗剪強(qiáng)度，KPa； c——材料的粘結(jié)力，KPa； σ——法向正應(yīng)力，KPa； φ——材料的內(nèi)摩阻角。 c和φ是表征路面材料抗剪強(qiáng)度的兩項(xiàng)參數(shù)，可以通過直接剪切試驗(yàn)，繪出τ-σ曲線后，按上式確定。對(duì)于松散粒料無法進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，可以由三軸壓縮試驗(yàn)，繪制摩爾圓和相應(yīng)的 圖2-27三軸試驗(yàn)確定c、φ值〖JZ)〗〖TS)〗 包絡(luò)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(yàn)較接近實(shí)際受力狀態(tài)，因此得到廣泛應(yīng)用。三軸試驗(yàn)試件的直徑應(yīng)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(yīng)大于2

65、.5cm。 瀝青混合料經(jīng)受剪切時(shí)，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(qiáng)度。因此瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度與瀝青的粘度，用量、試驗(yàn)溫度，加荷速率等因素有關(guān)?；旌狭现械牡V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(jí)配良好，富有棱角時(shí)，有助于提高摩阻角。 二、抗拉強(qiáng)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(shí)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(shí)，產(chǎn)生明顯的干縮，這些收縮變形受到約束阻力時(shí)，將在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉力，當(dāng)材料的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗上述拉應(yīng)力時(shí)，路面結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生拉伸斷

66、裂。 路面材料的抗拉強(qiáng)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(yàn)，測繪應(yīng)力——應(yīng)變曲線，取曲線的最大應(yīng)力值為抗拉強(qiáng)度。 直接拉伸試驗(yàn)(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(jí)拉應(yīng)力下的應(yīng)變值。 間接拉伸試驗(yàn)，即劈裂試驗(yàn)，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(yàn)時(shí)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。抗拉強(qiáng)度由下式計(jì)算確定： σt=〖SX(〗2P〖〗πhD〖SX)〗 (2-29) 式中： σt——混合料的抗拉強(qiáng)度，KPa； P——試驗(yàn)最大荷載，KN； h,D——試件的高度和直徑，m。 劈裂試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程中查閱。 水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度測試采用邊長為150mm的立方塊試件，抗拉強(qiáng)度按式(2-30)計(jì)算： σt=〖SX(〗2P〖〗πA (2-30) 式中：A——試件劈裂面面積，m