第3章 环境因素-3

1、明德至诚明德至诚博学远志博学远志第三章第三章 自然因素自然因素 刘红坡（）自然因素自然因素 刘红坡刘红坡2公路自然区划公路自然区划1路面温度状况分析路面温度状况分析路基湿度状况分析路基湿度状况分析123自然因素自然因素 刘红坡刘红坡3第一节第一节 概述概述v实践表明，很多路面因自然力而导致的破坏比车轮荷实践表明，很多路面因自然力而导致的破坏比车轮荷载所造成的破坏更为严重。载所造成的破坏更为严重。v路基路面体系的路基路面体系的温度和湿度温度和湿度状况随周围自然因素的变状况随周围自然因素的变化而变化，这些变化使路基路面体系的化而变化，这些变化使路基路面体系的材料性质和状材料性质和状态态发生了相应的

2、改变。发生了相应的改变。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡4第一节第一节 概述概述v在进行路面结构的分析和设计时，应考虑在进行路面结构的分析和设计时，应考虑自然因素自然因素的影响。的影响。 温度状况主要是讨论温度状况主要是讨论路面面层路面面层结构内的温度状况；结构内的温度状况； 湿度状况则以湿度状况则以土基土基为主为主。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡5第二节 公路路面的温度状况v大气的温度在一天和一年内发生着大气的温度在一天和一年内发生着周期性的变化，与的变化，与大气直接接触的大气直接接触的路面温度路面温度也相应地在一天和一年内发也相应地在一天和一年内发生着生着周期性周期性变化。变化。v路表温度与

3、气温基本同步变化，而且路表温度与气温基本同步变化，而且路表温度（高温）路表温度（高温）远高于气温远高于气温。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡6第二节 公路路面的温度状况v面层结构内面层结构内不同深度处的温度不同深度处的温度同样随气温而呈现周期同样随气温而呈现周期性变化，但起伏的幅度则随深度的增加而减小，其峰性变化，但起伏的幅度则随深度的增加而减小，其峰值也随深度增加而越来越滞后出现。值也随深度增加而越来越滞后出现。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡7沥青面层月平均温度的年变化曲线沥青面层月平均温度的年变化曲线平均气温最高和最低的平均气温最高和最低的7月和月和1月份，月份，面层的平均气温也相应为最高值

4、和最低值。面层的平均气温也相应为最高值和最低值。第二节 公路路面的温度状况自然因素自然因素 刘红坡刘红坡8第二节 公路路面的温度状况v温度沿面板厚度方向是不均匀分布的，温度沿深度一温度沿面板厚度方向是不均匀分布的，温度沿深度一般呈曲线分布。般呈曲线分布。v一般当上面的温度大于下面的温度时，称为正温度梯一般当上面的温度大于下面的温度时，称为正温度梯度，反之称为负温度梯度。度，反之称为负温度梯度。v温度梯度：同一时刻，单位深度内温度的增量温度梯度：同一时刻，单位深度内温度的增量/mv白天路表最高温度与其下某一深处的温度差远大于夜白天路表最高温度与其下某一深处的温度差远大于夜间路表最低温度与其下同一

5、深处的温度差。间路表最低温度与其下同一深处的温度差。v最大正温度梯度一般比最大负温度梯度的绝对值大，最大正温度梯度一般比最大负温度梯度的绝对值大，正温度梯度是刚性路面设计的主要温度依据。正温度梯度是刚性路面设计的主要温度依据。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡9第二节 公路路面的温度状况v水泥混凝土板内温度状况的不断变化，使面板发生位水泥混凝土板内温度状况的不断变化，使面板发生位移和变形：移和变形： 板的平均温度的变化，会使板长产生一定的变化；板的平均温度的变化，会使板长产生一定的变化；当板长变化受阻时，板内便产生温度伸缩应力。当板长变化受阻时，板内便产生温度伸缩应力。 板截面上温度的不均匀分布，

6、会使板产生翘曲变形。板截面上温度的不均匀分布，会使板产生翘曲变形。当翘曲变形受阻时，板内便产生温度翘曲应力。当翘曲变形受阻时，板内便产生温度翘曲应力。 伸缩应力和翘曲应力伸缩应力和翘曲应力在设计时需考虑：面板分块；设计时需要计入温度应力。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡10第二节 公路路面的温度状况v在高温状态下，在高温状态下，沥青混凝土材料粘弹性很强，模量很沥青混凝土材料粘弹性很强，模量很低，且具有良好的应力松弛性能低，且具有良好的应力松弛性能，因此，尽管夏季，因此，尽管夏季，沥青路面的温度梯度远比水泥路面大，但由此产生的沥青路面的温度梯度远比水泥路面大，但由此产生的温度应力却非常小，但是其变

7、形过大导致车辙损害。温度应力却非常小，但是其变形过大导致车辙损害。v在低温状态下，在低温状态下，沥青混凝土材料表现出很强的弹性，沥青混凝土材料表现出很强的弹性，模量较高，不具有良好的应力松弛性能模量较高，不具有良好的应力松弛性能，因此，沥青，因此，沥青路面设计中所关心的是，在骤然降温的情况下，沥青路面设计中所关心的是，在骤然降温的情况下，沥青混凝土收缩受到限制而由此产生的温度拉应力及在此混凝土收缩受到限制而由此产生的温度拉应力及在此应力下路面是否开裂的规律。应力下路面是否开裂的规律。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡11v决定路面结构温度的因素：决定路面结构温度的因素：v外部因素外部因素：太阳辐射

8、：太阳辐射日照和云量）、气温、风日照和云量）、气温、风速、降水量和蒸发量。速、降水量和蒸发量。v 内部因素内部因素：路面各结构层材料的热传导率、热容：路面各结构层材料的热传导率、热容量（比热）和对辐射热的吸收能力等。量（比热）和对辐射热的吸收能力等。v路面结构内温度状况可通过在外部和内部影响因素路面结构内温度状况可通过在外部和内部影响因素之间建立联系的方法来预估。之间建立联系的方法来预估。第二节 公路路面的温度状况自然因素自然因素 刘红坡刘红坡12第二节 公路路面的温度状况v路面结构内的温度预测路面结构内的温度预测v方法方法1： 统计方法统计方法（适应的地区与观测点的相同）（适应的地区与观测点

9、的相同）v在路面结构层不同深度处埋设测温元件连续观测，收在路面结构层不同深度处埋设测温元件连续观测，收集当地气象资料（气温、辐射热），对对路面结构的集当地气象资料（气温、辐射热），对对路面结构的观测温度和各个气象因素进行逐年回归分析。观测温度和各个气象因素进行逐年回归分析。 Tmax路面某一深度处的最高温度；路面某一深度处的最高温度； Ta.max相应的日最高气温；相应的日最高气温； Q相应的太阳日辐射热；相应的太阳日辐射热； a.b.c回归常数。回归常数。cQbTaTamax.max自然因素自然因素 刘红坡刘红坡13v路面结构内的温度预测：路面结构内的温度预测：v方法方法2： 理论推导法理论

10、推导法v应用热传导理论方程式推导出。应用热传导理论方程式推导出。v由各种气象资料和路面材料热物理特性参数组成由各种气象资料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程。的温度预估方程。v特点：参数确定难度大，理论假设理想化，结果特点：参数确定难度大，理论假设理想化，结果与实测有一定的误差。与实测有一定的误差。v另外，还可以采用有限元软件进行计算。另外，还可以采用有限元软件进行计算。第二节 公路路面的温度状况自然因素自然因素 刘红坡刘红坡14第三节第三节 路基的湿度状况路基的湿度状况v路面结构受路面结构受湿度变化影响最大的是路基。路基受到各。路基受到各种外界因素的作用，其湿度不断发生变化。种外界因

11、素的作用，其湿度不断发生变化。v导致路基湿度变化的主要因素有：导致路基湿度变化的主要因素有： 大气降水和蒸发 大气降水通过路面、路肩和边大气降水通过路面、路肩和边坡渗入路基；坡渗入路基；蒸发使水分从路基中逸出而促使路基蒸发使水分从路基中逸出而促使路基趋向干燥。趋向干燥。 地面水 地势低洼及排水不良时，积滞在地势低洼及排水不良时，积滞在地表的地表的水，以渗透和毛细水的形式进入路基；水，以渗透和毛细水的形式进入路基； 地下水 靠近地面的地下水，借助毛细作用或温靠近地面的地下水，借助毛细作用或温差作用上升到路基内部；差作用上升到路基内部； 温度 在土颗粒空隙中流动的水蒸气，遇冷凝结在土颗粒空隙中流动

12、的水蒸气，遇冷凝结为水。为水。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡15第三节 路基的湿度状况v大气降水和蒸发：大气降水和蒸发： 采用不透水面层时，将减少降水和蒸发对路基的采用不透水面层时，将减少降水和蒸发对路基的影响。当面层为透水性结构时，上层路基的湿度状影响。当面层为透水性结构时，上层路基的湿度状况还将受到降水和蒸发况还将受到降水和蒸发(通过面层通过面层)的影响。的影响。 采用不透水性路肩时，路面边缘下路基的湿度状采用不透水性路肩时，路面边缘下路基的湿度状况同路面中心区下的相似。路肩为透水的情况下，况同路面中心区下的相似。路肩为透水的情况下，不透水面层下路基的湿度，由于路肩处水分的渗透不透水面层下

13、路基的湿度，由于路肩处水分的渗透和蒸发作用路基湿度变化较大。和蒸发作用路基湿度变化较大。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡16第三节 路基的湿度状况v地面水的影响地面水的影响： 当设置了完善的排水设施和加强养护措施后，通常当设置了完善的排水设施和加强养护措施后，通常是可以消除其对路基湿度的影响。是可以消除其对路基湿度的影响。v地下水地下水： 地下水位如离地表较近，则路基湿度主要受地下水地下水位如离地表较近，则路基湿度主要受地下水位控制，并随地下水位的升降而波动。位控制，并随地下水位的升降而波动。v温度温度： 在季节性冰冻地区，温度梯度比较大，因温差出现在季节性冰冻地区，温度梯度比较大，因温差出现的

14、湿度积聚现象主要较为严重。而在非冰冻地区，的湿度积聚现象主要较为严重。而在非冰冻地区，温度梯度一般不大，水分积聚以气态为主，不会成温度梯度一般不大，水分积聚以气态为主，不会成为影响路基湿度的主要因素。为影响路基湿度的主要因素。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡17第三节 路基的湿度状况v影响路基湿度的几个要素中，都可以采取措施而减小影响路基湿度的几个要素中，都可以采取措施而减小其对路基湿度影响。其对路基湿度影响。v减小“大气降水和蒸发”的影响： 设计时注意采取合理的结构措施，设计时注意采取合理的结构措施，面层和路肩均至面层和路肩均至少有一层不透水结构少有一层不透水结构。v减小“地面水”的影响： 设

15、置完善的排水设施和加强养护。设置完善的排水设施和加强养护。v减小“地下水”的影响： 需要抬高路基或降低地下水位，从而减少地下水的需要抬高路基或降低地下水位，从而减少地下水的影响。影响。v对于温度的影响，应掌握其会造成的破坏现象和机应掌握其会造成的破坏现象和机理，才能采取相应的措施。理，才能采取相应的措施。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡18第三节 路基的湿度状况温度的影响v负温度与水的共同作用，往往给路基带来不利的影响。，往往给路基带来不利的影响。冬季冻胀，春季翻浆，这是冬季冻胀，春季翻浆，这是季节性冰冻地区季节性冰冻地区公路的主公路的主要病害之一。要病害之一。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡19

16、冻胀和翻浆的过程冻胀和翻浆的过程v水的一个特性水的一个特性： 沿着路基深度出现较大的沿着路基深度出现较大的温度梯度温度梯度时，水分在温差时，水分在温差的影响下，以液态或气态由温度高处向温度低处移的影响下，以液态或气态由温度高处向温度低处移动，并积聚在较冷的地方。动，并积聚在较冷的地方。v冻胀和翻浆的过程（季节性冰冻地区）：冻胀和翻浆的过程（季节性冰冻地区）：v水分上移水分上移在季节性冰冻地区，当气温下降到零度以下时，在季节性冰冻地区，当气温下降到零度以下时，路面结构内的温度也由上而下逐渐降低到零下。路面结构内的温度也由上而下逐渐降低到零下。路基正温度区的水分向负温度区零度等温线附近路基正温度区

17、的水分向负温度区零度等温线附近移动。移动。自然因素自然因素 刘红坡刘红坡20冻胀冻胀。积聚的水冻结后体积增大，使路基隆起而造成积聚的水冻结后体积增大，使路基隆起而造成面层开裂的冻胀现象。面层开裂的冻胀现象。冰融冰融。春天气温升高，路面结构由上而下逐渐解冻。春天气温升高，路面结构由上而下逐渐解冻。积聚在路基上层的冰先融解，水分积聚在路基上层的冰先融解，水分难以迅速排出难以迅速排出，造，造成路基上层的湿度增加，路基变软，路面结构承载力成路基上层的湿度增加，路基变软，路面结构承载力显著降低。显著降低。冻胀和翻浆的过程冻胀和翻浆的过程自然因素自然因素 刘红坡刘红坡21翻浆翻浆。在交通繁重的地区，经重车

18、的反复作用，路在交通繁重的地区，经重车的反复作用，路面结构产生较大变形，严重时，路基土以泥浆的形面结构产生较大变形，严重时，路基土以泥浆的形式从胀裂的路面缝隙中冒出，形成翻浆。式从胀裂的路面缝隙中冒出，形成翻浆。冻胀和翻浆的过程冻胀和翻浆的过程自然因素自然因素 刘红坡刘红坡22第四节第四节 路基的干湿类型路基的干湿类型v路基土的强度和稳定性，同路基的干湿状态有密切关路基土的强度和稳定性，同路基的干湿状态有密切关系，并在很大程度上影响着路面结构设计。系，并在很大程度上影响着路面结构设计。v正确区分路基的干湿类型，是做好路基路面设计的前正确区分路基的干湿类型，是做好路基路面设计的前提。提。v土基干

19、湿类型可分为土基干湿类型可分为干燥、中湿、潮湿和过湿干燥、中湿、潮湿和过湿四种。四种。v路基土所处的状态是由土体的含水量或稠度决定的，路基土所处的状态是由土体的含水量或稠度决定的，含水量取决于湿度的来源及作用的延续时间。含水量取决于湿度的来源及作用的延续时间。v路基设计时，要求路基保持路基设计时，要求路基保持干燥或中湿干燥或中湿状态。状态。v对对潮湿、过湿潮湿、过湿的路基，必须采取一定的技术措施，保的路基，必须采取一定的技术措施，保证路基的强度和稳定性。证路基的强度和稳定性。 自然因素自然因素 刘红坡刘红坡23v分界稠度法v实测不利季节路床表面以下实测不利季节路床表面以下80cm深度内土的平均

20、稠度。深度内土的平均稠度。vwc土的稠度；vwL土的液限；v 土的平均含水量；vwp土的塑限。 pLLcwwwwww路基干湿类型的判断路基干湿类型的判断面层面层基层基层土基土基上面层上面层中面层中面层下面层下面层上基层上基层下基层（底基层）下基层（底基层）上路床上路床下路床下路床上路堤上路堤下路堤下路堤3-5cm5-6cm6-8cm20-40cm30cm50cm70cm自然因素自然因素 刘红坡刘红坡24v分界稠度法分界稠度法vwc1干燥和中湿的分界稠度；干燥和中湿的分界稠度；vwc2中湿和潮湿的分界稠度；中湿和潮湿的分界稠度；vwc3潮湿和过湿的分界稠度；潮湿和过湿的分界稠度；土组土组干燥状态

21、干燥状态中湿状态中湿状态潮湿状态潮湿状态过湿过湿状态状态WcWC1WC1 WcWC2WC2 WcWC3WcWC3土质砂土质砂Wc1.201.20 Wc1.001.0 Wc 0.85Wc0.85粘性土粘性土Wc1.101.10 Wc0.950.95 Wc0.80Wc0.80粉质土粉质土Wc1.051.05 Wc0.900.90 Wc0.75Wc0.75路基干湿类型的判断路基干湿类型的判断自然因素自然因素 刘红坡刘红坡25路基干湿类型判断练习路基干湿类型判断练习 某公路位于上海市某地区。在最不利季节，现场测得路床顶下某公路位于上海市某地区。在最不利季节，现场测得路床顶下80cm内各土层的含水量。已

22、知路基采用粘质土填筑，己测得内各土层的含水量。已知路基采用粘质土填筑，己测得其塑限为其塑限为23%，液限为，液限为33%，试按照平均稠度法判断路基的，试按照平均稠度法判断路基的干湿类型。干湿类型。深度/cm0-100-1010-2010-2020-3020-3030-4030-4040-5040-5050-6050-6060-7060-7070-8070-80含水量/%23.223.423.423.623.623.823.823.923.924.024.024.124.1上海位于上海位于IV1区，黏质土的分界稠度区，黏质土的分界稠度 wc1=1.10；wc2=0.95；

23、wc3=0.80土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态WcWC1WC1 WcWC2WC2 WcWC3WcWC3自然因素自然因素 刘红坡刘红坡26v解：上海位于解：上海位于IV1区，黏质土的分界稠度区，黏质土的分界稠度 wc1=1.10；wc2=0.95；wc3=0.80路床底面以下路床底面以下80cm内的平均含水量：内的平均含水量： v路床底面以下路床底面以下80cm内的平均稠度内的平均稠度: vwC=(wL- w)/( wL-wP)=（33-23.6）/（33-23）=0.94 vwc2=0.95wcwc3=0.80，路基处于潮湿状态。，路基处于潮湿状态。土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态W

24、cWC1WC1 WcWC2WC2 WcWC3WcWC36238124024923823623423223123881.wwii自然因素自然因素 刘红坡刘红坡27v临界高度法临界高度法v对于新建公路，路基尚未建成，无法实地测定对于新建公路，路基尚未建成，无法实地测定wc，路路基干湿类型确定根据公路所在地的自然区划、土质类基干湿类型确定根据公路所在地的自然区划、土质类型、排水条件及路床表面距地下水位或地面积水位高型、排水条件及路床表面距地下水位或地面积水位高度等因素来确定，即临界高度法。度等因素来确定，即临界高度法。v路基临界高度：在不利季节，当路基处于某种干湿状路基临界高度：在不利季节，当路基处

25、于某种干湿状态时，与分界稠度相对应的态时，与分界稠度相对应的路床表面路床表面距地下水位或地距地下水位或地表积水水位的最小高度。表积水水位的最小高度。路基干湿类型的判断路基干湿类型的判断自然因素自然因素 刘红坡刘红坡28分界稠度和临界高度的对应关系分界稠度和临界高度的对应关系干湿类型干湿类型 c c与与cici 一般特征一般特征干燥干燥 ccc1c1土基干燥、路面强度和稳定性不受地下土基干燥、路面强度和稳定性不受地下水和地表水影响。水和地表水影响。 1 1 中湿中湿c1 c1 c c c2c2土基上部处于地下水或地表积水影响的土基上部处于地下水或地表积水影响的过渡带区内过渡带区内 112 2潮湿

26、潮湿c2 c2 c c c3c3 土基上部处于地下水或地表积水毛细土基上部处于地下水或地表积水毛细影响区内，影响区内， 2 2 3 3过湿过湿 ccc3c3路基极不稳定，冰冻区春融翻浆，非冰路基极不稳定，冰冻区春融翻浆，非冰冻区软土经处理后方可铺筑路面。冻区软土经处理后方可铺筑路面。 12 2潮湿潮湿c2 c2 c c c3c3 土基上部处于地下水或地表积水毛细土基上部处于地下水或地表积水毛细影响区内，影响区内， 2 2 3 3过湿过湿 ccc3c3路基极不稳定，冰冻区春融翻浆，非冰路基极不稳定，冰冻区春融翻浆，非冰冻区软土经处理后方可铺筑路面。冻区软土经处理后方可铺筑路面。 3 3路基干湿类

27、型路基干湿类型自然因素自然因素 刘红坡刘红坡31路基干湿类型判断练习路基干湿类型判断练习2.某拟建公路位于公路自然区划某拟建公路位于公路自然区划III3区，路基采用砂性土区，路基采用砂性土填筑，路面结构厚度为填筑，路面结构厚度为55cm。 路面距离天然地面平均高度为路面距离天然地面平均高度为1.5m。经过调查得知地。经过调查得知地下水的水位距离天然地面为下水的水位距离天然地面为0.5m；l在在III3区中，砂性土的路基临界高度为区中，砂性土的路基临界高度为H1=1.3-1.6m H2=1.1-1.3m H3=0.9-1.1m；l试判断路基的干湿湿类型，确定土基的稠度范围。试判断路基的干湿湿类型，确定土基的稠度范围。土组土组干燥状态干燥状态中湿状态中湿状态潮湿状态潮湿状态过湿过湿状态状态WcWC1WC1 WcWC