路基路面 行车荷载、环境因素、材料的力学特性

1、第二章 行车荷载、环境因素、材料的力学特性第一第一节节 行车荷载行车荷载第二节第二节 环境因素影响环境因素影响第三节第三节 土基的力学强度特性土基的力学强度特性第四节第四节 土基的承载能力土基的承载能力第五节第五节 路基的变形破坏及防治路基的变形破坏及防治第六节第六节 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性第七节第七节 路面材料的累积变形及疲劳特性路面材料的累积变形及疲劳特性第一节第一节 行车荷载行车荷载研究行车荷载的原因研究行车荷载的原因：1 1、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成路基路面结构损坏的主要成因。路基路面结构损坏的主要成因。 2

2、2、汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量影响路面的使用性能。影响路面的使用性能。 3 3、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。因。要做好路基路面结构设计，必须对行车荷要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行分析。载进行分析。 行车荷载的主要研究内容：车辆的种类；车辆的种类； 汽车的轴型；汽车的轴型； 汽车对道路的静态压力；汽车对道路的静态压力； 运动车辆对道路的动态影响；运动车辆对道路的动态影响； 交通分析。交通分析。一、车

3、辆的种类道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。客车客车：小客车、中客车、大客车；：小客车、中客车、大客车；货车货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。u汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构路面结构设计设计主要以主要以轴重轴重作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要中，重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要对路面的对路面的表面特性表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要如：

4、平整性、抗滑性等，提出较高的要求。求。二、汽车的轴（轮）型汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面 因此，路面结构设计而言，因此，路面结构设计而言，应特别重视轴或应特别重视轴或 轮重和其作用次数轮重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。，而不是汽车种类和数量。整车类：前轴、后轴。整车类：前轴、后轴。 u 牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车：牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车：后轴（单轴或双轴）。后轴（单轴或双轴）。 u 拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根单轴或单前轴和双后轴。单轴或单前轴和双后轴。 轴载的大

5、小直接关系到路面结构的设计承载力轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度。各个国家均对轴重的最大限度有与结构强度。各个国家均对轴重的最大限度有明确的规定。明确的规定。我国公路与城市道路设计规范中我国公路与城市道路设计规范中均以均以100kN100kN作为标准轴重。作为标准轴重。目前我国公路是行目前我国公路是行使的车辆，后轴轴载一般在使的车辆，后轴轴载一般在6060130kN130kN范围内。范围内。 u 汽车货运朝大型重载方向发展，货车的汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有总重量有 增加趋势，超载运输问题在我增加趋势，超载运输问题在我国日益突出。国日益突出。 要发展多轴多轮。要

6、发展多轴多轮。 u对对超载超载的定义：的定义：20002000年年2 2月，交通部月，交通部超超限运输车辆行驶公路管理条例限运输车辆行驶公路管理条例规定：规定：“单轴（每侧单轮胎）载质量单轴（每侧单轮胎）载质量6000kg6000kg，单，单轴（每侧双轮胎）载质轴（每侧双轮胎）载质 量量10000kg10000kg，双联，双联轴（每侧双轮胎）载质量轴（每侧双轮胎）载质量 18000kg18000kg。”附附则第二十九条规定，单轴轴载最则第二十九条规定，单轴轴载最 大不得大不得超过超过13000kg13000kg。某某 高高 速速 公公 路路 上上 重重 载载 交交 通通 车车 辆辆某某 路路

7、上上 的的 载载 重重 车车 队队n在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现 为行车道轮迹带车辙与裂缝为行车道轮迹带车辙与裂缝( (龟裂与纵向裂缝龟裂与纵向裂缝) )； 若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用 下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、坑槽松散、坑槽严重严重 三、汽车对道路的静态压力 1 1、汽车对道路的作用、汽车对道路的作用 停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力。停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力。 行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水行驶

8、状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、平力、 振动力。振动力。 2 2、汽车对道路的静态压力、汽车对道路的静态压力 静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关。静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关。 影响静态垂直压力大小的因素：影响静态垂直压力大小的因素： （1 1）汽车轮胎的内压力）汽车轮胎的内压力pi pi； （2 2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状；）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状； （3 3）轮载的大小。）轮载的大小。胎壁受拉胎壁受压胎压触压力高压轮胎低压轮胎 轮胎轮胎/ /路面接触面与接触应力路面接触面与接触应力轮迹 对于低压轮胎：接触压力大于胎压对于低压轮胎：接触压

9、力大于胎压 对于高压轮胎：接触压力小于胎压对于高压轮胎：接触压力小于胎压 在工程设计中，对接触压力进行如下简化：在工程设计中，对接触压力进行如下简化： 以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pip=pi， 接触形状为圆形，接触形状为圆形， 接触面上的压力为均匀分布接触面上的压力为均匀分布 即即将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压作为轮胎接触压力并采用轮胎内压作为轮胎接触压力p p。 当量圆半径当量圆半径 可以按下式确定。可以按下式确定。 式中：式中：PP作用在车轮上的荷载，作用在车轮上的荷载，kNkN； pp轮胎接

10、触压力，轮胎接触压力，kpakpa； 接触面当量圆半径，接触面当量圆半径，m m。 轮胎与路面的接触形状如下图所示：轮胎与路面的接触形状如下图所示： pP四、 运动车辆对道路的动态影响 （1 1）水平力（与运动状态有关）水平力（与运动状态有关） （2 2）行驶荷载的特性）行驶荷载的特性 振动性振动性 瞬时性瞬时性 重复性重复性运动状态方向大小汽车等速行驶 与汽车行驶方向相反 较小 加速和上坡行驶 与汽车行驶方向相反 最大 减速和下坡行驶 与汽车行驶方向相同 最大 在弯道上行驶 与汽车行驶方向垂直 较大 车辆行使过程中的动态响应和随机动力荷载图F(t) 0 P0 t n汽车在路面上行使过程中，由

11、于车辆自身各种因汽车在路面上行使过程中，由于车辆自身各种因 素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、 驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及辆驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及辆地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动，轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动， 产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间随机变化。随机变化。1. 1.交通量交通量 交通量交通量在一定时间间隔内各类车辆通过某在一定时间间隔内各

12、类车辆通过某一断面的数量。一断面的数量。 年平均日交通量年平均日交通量在一年在一年365365天内的交通量之天内的交通量之和除以和除以365365天。天。 交通量调查方法交通量调查方法直接记录、自动记录仪。直接记录、自动记录仪。 交通量年平均增长率交通量年平均增长率 设计年限内累计交通量设计年限内累计交通量 2. 2.轴载组成与轴载换算轴载组成与轴载换算 轴载换算轴载换算道路上行驶的车辆轴载与通行次道路上行驶的车辆轴载与通行次数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通行次数。量通行次数。 我国的标准轴载为我国的标准轴载为BZZ-100BZZ-100。

13、轴载等效换算的原则轴载等效换算的原则同一种路面结构在不同轴同一种路面结构在不同轴 载作用下达到相同的损伤程度。载作用下达到相同的损伤程度。 3 3轮迹横向分布轮迹横向分布 轮迹（车道）的横向分布轮迹（车道）的横向分布：按一定规律分布在车道横按一定规律分布在车道横断面上。断面上。 轮迹（车道）横向分布系数轮迹（车道）横向分布系数：对于路面横断面上某对于路面横断面上某 一宽度（轮迹宽度和车道宽度）范围内的频率，也一宽度（轮迹宽度和车道宽度）范围内的频率，也 即该宽度范围内所受到的车辆作用次数与通过该横断即该宽度范围内所受到的车辆作用次数与通过该横断 面的总作用次数的比值。面的总作用次数的比值。 影

14、响因素影响因素：路面宽度和车道宽度、交通组织管理方路面宽度和车道宽度、交通组织管理方 式（混合行驶、划线分车道行驶和分隔带（墩）分式（混合行驶、划线分车道行驶和分隔带（墩）分 车道行驶）、交通密度和交通组成。车道行驶）、交通密度和交通组成。第二节 环境因素影响环境因素影响主要表现在环境因素影响主要表现在温度温度和和湿度湿度。 温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环 境因素。境因素。 路基土和路面材料的路基土和路面材料的强度强度与与刚度刚度随路面结构内部温随路面结构内部温 度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。

15、路基土和路面材料的路基土和路面材料的体积体积随路面体系内的温度和随路面体系内的温度和 湿度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能湿度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能 实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即 温度应力和湿度应力）。温度应力和湿度应力）。一、公路路面的温度状况 1 1 、影响机理、影响机理 路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度的升降而产生膨胀和收缩。的温度的升降而产生膨胀和收缩。 由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向

16、是不均匀的，所以不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不同的不同深度处胀缩的变化也是不同的。 当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即温度应温度应力力，进而对路基路面产生破坏。，进而对路基路面产生破坏。 2 2、温度状况预估、温度状况预估 u路面结构内的温度状况，可通过路面结构内的温度状况，可通过在外部和内部影响在外部和内部影响 因素之间建立联系因素之间建立联系的方法来预估。的方法来预估。 这种方法有两类，即统计方法和理论方法。这种方法有两类，即统计方法和理论方法。

17、统计方法统计方法：就是在路面结构层的不同深处埋设：就是在路面结构层的不同深处埋设测温元件测温元件，连续，连续观测年循环内观测年循环内不同时刻的温度变化不同时刻的温度变化，同时收集当地的气象资，同时收集当地的气象资料，包括对应的气温和辐射热等，对记录的路面温度和气象料，包括对应的气温和辐射热等，对记录的路面温度和气象因素进行逐步回归分析。选择符合显著性检验要求的因素，因素进行逐步回归分析。选择符合显著性检验要求的因素，分别建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程式。分别建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程式。 式中：式中：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.

18、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，Jm2； a、 b、c 回归常数。回归常数。 cQbTaTamax.max u理论法理论法：是应用热传导理论方程式推演出各项气象资：是应用热传导理论方程式推演出各项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式。料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程式。 u通常由于参数确定的难度大，理论假设的理想化，预通常由于参数确定的难度大，理论假设的理想化，预估的结果与实测结果有一定的差距。估的结果与实测结果有一定的差距。 tTkrSZT223 3、影响温度变化的因素、影响温度变化的因素 影响路面结构内温度

19、状况的因素很多，可分为外部和内部两影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外部和内部两类。类。 u外部条件外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、主要是气象条件，如太阳辐射、气温、 风速、降水风速、降水量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素。况的二项最重要的因素。 u内部因素内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。 二、公路路面的湿度状况 1. 1.对路基的影响对路基的影响 冻胀翻

20、浆（与温度作用共同进行）冻胀翻浆（与温度作用共同进行） 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性 2. 2.做好路基路面排水的重要性做好路基路面排水的重要性 第三节 土基的力学强度特性一、路基受力状况 u路基承受着路基承受着路基自重路基自重和和汽车轮重汽车轮重这两种荷载。这两种荷载。 在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受在路基上部靠近路面结构的一定深度内，路基土主要承受车辆荷载的影响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性车辆荷载的影响。正确的设计应保证路基所受的力在路基弹性限度以内，当车辆驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基限度以内，当车辆

21、驶过后，路基能立即恢复原状，以保证路基的相对稳定，路面不致引起破坏。的相对稳定，路面不致引起破坏。 u汽车轮重：计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂汽车轮重：计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂 直荷载，路基为一弹性均质半空间体。直荷载，路基为一弹性均质半空间体。 u路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力z可以可以用用 近似如下公式计算。近似如下公式计算。 2ZPKZ P P：一侧轮重荷载（：一侧轮重荷载（kNkN）；）； K: K: 系数，一般取系数，一般取0.50.5； Z Z：荷载中心下应力作用点的深度（：荷载中心下应力作用点的深度（m m）。）。u路基

22、土本身自重在路基内深度为路基土本身自重在路基内深度为Z Z处所引起的垂处所引起的垂直压应力直压应力B按下式计算：按下式计算： ：土的容重（：土的容重（kN/m3kN/m3）；）； Z: Z:应力作用点深度（应力作用点深度（m m）。）。 路基内任一点处的垂直应力路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的包括由车轮荷载引起的z和由土基和由土基自重引起的自重引起的B。B二、路基工作区 概念：概念：在路基某一深度在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的处，当车轮荷载引起的垂直应力垂直应力z与路基土自重引起的垂直应力相比所与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小，仅为占比例很小，仅为11015时，该

23、深度，该深度Za范围内范围内的路基称为路基工作区。的路基称为路基工作区。 确定：确定：路基工作区深度路基工作区深度Za可以用下式计算。可以用下式计算。 3KnPZa 式中式中: :Z Za a路基工作区深度路基工作区深度,m,m； pp一侧轮重荷载一侧轮重荷载, ,MPaMPa； KK系数，取系数，取0.50.5； 土的容重土的容重,kN/m3,kN/m3； nn系数系数,n ,n5 51010。 u 在工作区范围内的路基在工作区范围内的路基, ,对于支承路面结构和车对于支承路面结构和车轮荷载影响较大轮荷载影响较大, ,在工作区范围以外的路基在工作区范围以外的路基, ,影响逐影响逐渐减小。渐减

24、小。u 路基工作区内路基工作区内, ,土基的强度和稳定性对保证路面土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要结构的强度和稳定性极为重要, ,对工作区范围内的对工作区范围内的土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。三、路基土的应力一应变特性 1 1、路基土的非线性变形特性、路基土的非线性变形特性 土应力一应变的非线性特性由土应力一应变的非线性特性由三轴压缩试三轴压缩试验验的结果表明：的结果表明： 土的变形包括土的变形包括弹性变形弹性变形和和塑性变形塑性变形两部分两部分 土土是非线弹性是非线弹性： 具有塑性变形体具有塑性变形体 ： )(f2 2、

25、土基的荷载弯沉关系、土基的荷载弯沉关系 u荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都是变化的，因而是变化的，因而土基内各点的模量值是不同的土基内各点的模量值是不同的。 u目前路面设计而言，最关心的主要是目前路面设计而言，最关心的主要是土基表面土基表面的总变形的总变形（或总回弹变形）。（或总回弹变形）。压入承载板试验压入承载板试验是是研究土基荷载弯沉特性最常用的一种方法。把研究土基荷载弯沉特性最常用的一种方法。把反映荷载弯沉关系的模量，看作土基一个反映荷载弯沉关系的模量，看作土基一个当量当量的均匀模量值的均匀模量值。 u方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶

26、面方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面, ,逐级加荷卸荷逐级加荷卸荷, ,记录施加于承载板上的荷载及由该记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形荷载所引起的沉降变形, ,根据试验结果根据试验结果, ,可绘出土可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形可以计算土基的回弹模量：可以计算土基的回弹模量： 式中：式中：ll承载板的回弹变形，承载板的回弹变形，m m； DD承载板的直径，承载板的直径，m m； EE土体的回弹模量，土体的回弹模量，kPakPa； 土体的泊松比；土

27、体的泊松比； pp承载板压强，承载板压强，kpakpa。 lpDE)1(2 u模量：模量：初始切线模量初始切线模量切线模量切线模量割线模量割线模量回弹模量回弹模量3 3、土基的流变性质、土基的流变性质 u土是具有流变性质材料：在荷载作用下的变形不土是具有流变性质材料：在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用时间荷载作用时间有关。有关。 u回弹变形与荷载的作用时间关系不大，塑性变形回弹变形与荷载的作用时间关系不大，塑性变形与荷载的作用时间关系大，与荷载的作用时间关系大，土的流变性主要同塑性土的流变性主要同塑性变形有关变形有关。 u车辆行驶时，车辆行驶时，车

28、辆荷载对路基的作用时间短，产车辆荷载对路基的作用时间短，产生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。生的塑性变形比静载长期作用下的塑性变形小得多。可以可以在一般情况下，在一般情况下，不考虑土基的流变性质不考虑土基的流变性质四、重复荷载对路基土的影响 u土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最终将导致何种状况，主要取决于：终将导致何种状况，主要取决于： （1 1）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构结构 状态）；状态）； （2 2）重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下达）重复荷载的大小以重复荷载同一

29、次静载下达到的极限强度之比来表示，即相对荷载；到的极限强度之比来表示，即相对荷载； （3 3）荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度，）荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度，每次作用的持续时间以及重复作用的频率；每次作用的持续时间以及重复作用的频率； （4 4）土基中侧向应力的大小。）土基中侧向应力的大小。 u重复荷载对土基的影响主要体现在重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积塑性变形累积： （1 1）土体逐渐被压密）土体逐渐被压密, ,每次的塑性变形量逐渐减小每次的塑性变形量逐渐减小, ,直至最后稳定直至最后稳定, ,这种不会导致土体产生剪切破坏这种不会导致土体产生剪切破坏. . （2 2

30、）每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪）每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形切变形, ,形成能引起土体整体破坏的剪裂面形成能引起土体整体破坏的剪裂面, ,最后达最后达到破坏。到破坏。 在重复应力低于临界值的范围内在重复应力低于临界值的范围内, ,总应变的累积规律在半总应变的累积规律在半对数对数( (或对数或对数) )坐标上一般呈线性关系坐标上一般呈线性关系, ,可表示为可表示为 1 1= =a+blgNa+blgN 式中：式中：a a 应力一次作用下的初始应变；应力一次作用下的初始应变； bb应变增长回归系数；应变增长回归系数； NN应力重复作用次数。应力重复作用次数。 第四节第

31、四节 土基的承载能力u路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷载能力的大小，主要决定于路基顶面在一定应载能力的大小，主要决定于路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。力级位下抵抗变形的能力。u用于表征土基承载力的主要参数指标：用于表征土基承载力的主要参数指标： 回弹模量回弹模量 地基反应模量地基反应模量 加州承载比加州承载比(CBR)以回弹模量表征土基的承载能力，可以以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土反映土 基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以，因而可以 应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。应用弹性理论公

32、式描述荷载与变形之间的关系。 有两种承载板可以用于测定土基回弹模量：有两种承载板可以用于测定土基回弹模量： 、柔性压板：、柔性压板：用柔性压板测定回弹模量，土基与用柔性压板测定回弹模量，土基与压板之间的接触压力为常量，即：压板之间的接触压力为常量，即： 2)(aPrp 承载板的挠度承载板的挠度l(r)与坐标与坐标r有关，在压板中心处有关，在压板中心处 (r0)，即：即： 在柔性压板边缘处在柔性压板边缘处ra，其挠度可以按下式计算：，其挠度可以按下式计算： Epalr)1(220 Epalar)1 (42 、刚性承载板、刚性承载板: : u板底接触压力则随板底接触压力则随r值的变化，成鞍形分布。

33、其挠度值的变化，成鞍形分布。其挠度值与接触压力值与接触压力p值可分别按下式计算。值可分别按下式计算。 4)1(22Epal 2221)(raparp u在实际测定中，刚性承载板用得较多，因为它的挠度在实际测定中，刚性承载板用得较多，因为它的挠度 易于测量，压力容易控制。易于测量，压力容易控制。 u试验时宜采用逐级加载卸载法，每级增加试验时宜采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa 0.04MPa 。 待卸载稳定待卸载稳定1min1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。回弹变形值超过回弹变形值超过1mm1mm时，则停止加载。可点绘出荷时，则停止加载。可点绘出

34、荷载载回弹弯沉曲线。回弹弯沉曲线。 u在曲线上选取合适的量值按下式进行计算。在曲线上选取合适的量值按下式进行计算。 式中：式中：p pi i，l li i分别为各级荷载的单位压力与相对应分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值。的回弹弯沉值。)1(2200 iilpaEu用温克勒用温克勒(E(EWinkler)Winkler)地基模型描述土基工作状地基模型描述土基工作状 态时，用地基反应模量态时，用地基反应模量K K表征土基的承载力。表征土基的承载力。 u温克勒地基假定温克勒地基假定：土基顶面任一点的弯沉：土基顶面任一点的弯沉l l，仅同，仅同 作用于该点的垂直压力作用于该点的垂直压力p

35、p成正比，而同其相邻点处成正比，而同其相邻点处 的压力无关。的压力无关。 u地基如同由许多各不相连的弹簧所组成（稠密液地基如同由许多各不相连的弹簧所组成（稠密液 体地基）体地基） u压力压力p p与弯沉与弯沉l l之比称为地基反应模量之比称为地基反应模量K K。 lpK 地基反应模量用承载板试验确定：地基反应模量用承载板试验确定： u承载板的直径规定为承载板的直径规定为76cm76cm。 u测定方法与回弹模量测定方法相类似，但是采取测定方法与回弹模量测定方法相类似，但是采取一次加载到位的方法。一次加载到位的方法。 u施加荷载的量值根据不同的工程对象，有两种方施加荷载的量值根据不同的工程对象，有

36、两种方法供选用。法供选用。 u当地基较为软弱时当地基较为软弱时：用：用0.127cm0.127cm的弯沉量控制承载的弯沉量控制承载板的荷载。因为，通常情况下混凝土路面板的弯板的荷载。因为，通常情况下混凝土路面板的弯沉不会超出这一范围。沉不会超出这一范围。 u地基较为坚实地基较为坚实：弯沉值难以达到：弯沉值难以达到0.127cm0.127cm时，则采时，则采用另一种控制方法，以单位压力用另一种控制方法，以单位压力p p70kPa70kPa控制承控制承载板的荷载。载板的荷载。 u承载板直径的大小对其值有一定影响，直径越承载板直径的大小对其值有一定影响，直径越小，小，K K值越大。值越大。 u但是由

37、试验得知，当承载板直径大于但是由试验得知，当承载板直径大于76cm76cm时，时，其值的变化很小，因此规定以直径为其值的变化很小，因此规定以直径为76cm76cm的承的承载板为标准。载板为标准。 u当采用直径为当采用直径为30cm30cm的承载板测定时，可按下式的承载板测定时，可按下式进行修正：进行修正： K K76760.4K0.4K3030 三、加州承载比(CBR)u加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的一种一种 评定土基及路面材料承载能力的指标评定土基及路面材料承载能力的指标。承。承载能力载能力以以 材料抵抗局部荷载压入变形的能力表材料抵抗局部荷

38、载压入变形的能力表征征，并，并采用高采用高 质量标准碎石为标准，以它们的质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示相对比值表示CBR CBR 值值。 uCBRCBR值有室内测试和现场测试。值有室内测试和现场测试。 u室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水形标准试件，在加载前要浸水4d4d。 u室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影响，必须加以修正。响，必须加以修正。四、土基各强度指标之间的关系回弹模量回弹模量E E0 0与地基反应模量与地基反应模量k k的关系的关系 E Ec c水泥混凝

39、土板的弹性模量，水泥混凝土板的弹性模量，MpaMpa； h h水泥混凝土板厚度，水泥混凝土板厚度，m m； hEEEkc)1 (1 ()1 (91. 0200320204233200)1(34)1(kEhE 回弹模量回弹模量E E与加州承载比与加州承载比CBRCBR的关系的关系 n n为常数，一般为为常数，一般为211211之间之间 地基反应模量地基反应模量k k与加州承载比与加州承载比CBRCBR的关系：的关系： 76114kCBR85.009.8CBREnCBRE0第五节第五节 路基的变形、破坏及防治 一、路基的主要病害一、路基的主要病害 路基的主要病害有以下几种路基的主要病害有以下几种:

40、 : 1 1、 路基沉陷路基沉陷 ：(1)(1)自身压缩沉陷自身压缩沉陷 (2)(2)天然地基承载力不足引起的沉陷。天然地基承载力不足引起的沉陷。 2 2边坡滑塌：溜方、滑坡边坡滑塌：溜方、滑坡 3 3碎落和崩塌碎落和崩塌 4 4路基沿山坡滑动路基沿山坡滑动 5 5不良地质和水文条件造成的路基破坏不良地质和水文条件造成的路基破坏 二、路基病害防治为提高路基的稳定性，防治各种病害的产生，为提高路基的稳定性，防治各种病害的产生，主要有以主要有以 下一些措施：下一些措施： 1 1正确设计路基横断面。正确设计路基横断面。 2 2选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路选择良好的路基用土填筑路基，必要时对

41、路基上层填土作稳定处理。基上层填土作稳定处理。 3 3采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定达到规定 的压实度。的压实度。 4 4适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上下水位上 升进入路基工作区范围。升进入路基工作区范围。 5 5正确进行排水设计正确进行排水设计( (包括地面排水、地下排水、包括地面排水、地下排水、路路 面结构排水以及地基的特殊排水面结构排水以及地基的特殊排水) )。 6 6必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层温层 减少路基冰冻深度和水分累积，

42、设置砂垫减少路基冰冻深度和水分累积，设置砂垫层以疏层以疏 干土基。干土基。 7 7采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加筋采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加筋等防等防 护技术措施，以提高其整体稳定性。护技术措施，以提高其整体稳定性。 以上各项技术措施的宗旨在于以上各项技术措施的宗旨在于限制水分侵入限制水分侵入路基，或使已侵路基的水分迅速排除，保持干路基，或使已侵路基的水分迅速排除，保持干燥，提高路基的整体强度与稳定性燥，提高路基的整体强度与稳定性。 第六节路面材料的力学强度特性第六节路面材料的力学强度特性 路面所用材料的分类路面所用材料的分类 (1)(1)松散颗粒型材料及块料；松散颗粒型材料及

43、块料； (2)(2)沥青结合料类；沥青结合料类； (3)(3)无机结合料类。无机结合料类。 这些材料按不同的成型方式这些材料按不同的成型方式( (密实型、嵌挤型密实型、嵌挤型和稳定型和稳定型) )形成各种结构层。形成各种结构层。 一、抗剪强度 抗剪强度抗剪强度材料受剪切时的极限或最大应力材料受剪切时的极限或最大应力 路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有：路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有： (1)路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传给土基的剪应力过大，导致载通过薄层结构传给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破

44、坏；路基路面整体结构发生剪切破坏； (2)无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏；力过大而引起部分结构层产生剪切破坏； (3)面层结构的材料抗剪强度较低，如高气温条件面层结构的材料抗剪强度较低，如高气温条件下的沥青面层、级配碎石面层等，经受较大的下的沥青面层、级配碎石面层等，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。各种剪切破坏。 摩尔摩尔(MohrCoumbnb)(MohrCoumbnb)强度理论，材料的抗剪强度强度理论，材料的抗剪强度 包括包括摩擦阻力摩

45、擦阻力和和粘结力粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用两部分组成，摩擦阻力同作用 在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有 性质，与法向正应力无关，即：性质，与法向正应力无关，即： 式中式中 抗剪强度，抗剪强度，kPakPa； cc材料的粘结力，材料的粘结力，kPakPa； 法向正应力，法向正应力，kPakPa； 材料的内摩阻角。材料的内摩阻角。 uc c和和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过 直接剪切试验直接剪切试验，绘出，绘出-曲线后，按上式确定曲线后，按上式确定tgc u对于对于松散粒料松散粒料无法

46、进行无法进行直剪试验直剪试验时，可以由时，可以由三轴压三轴压 缩试验缩试验，绘制摩尔圆和相应的包络线，按上式直线，绘制摩尔圆和相应的包络线，按上式直线 关系近似确定关系近似确定c c、 值。由于三轴试验较接近实际受值。由于三轴试验较接近实际受力状态，因此得到广泛应用。力状态，因此得到广泛应用。 u对于对于能作抗拉和无侧限抗压试验的材料能作抗拉和无侧限抗压试验的材料，可以根据，可以根据 抗拉强度抗拉强度 t t和抗压强度和抗压强度 c c推算推算c c、 值。值。 tcc21)arcsin(tctc u 土和颗粒材料的抗剪强度土和颗粒材料的抗剪强度是由矿质颗粒之间的摩是由矿质颗粒之间的摩擦、嵌挤

47、以及毛细和吸附等作用形成的。其参数同颗擦、嵌挤以及毛细和吸附等作用形成的。其参数同颗粒的大小和形状、矿物成分和级配、密实度和含水量、粒的大小和形状、矿物成分和级配、密实度和含水量、受力条件等因素有关。受力条件等因素有关。 u 沥青混合料的抗剪强度沥青混合料的抗剪强度不仅同矿料的级配组成、形不仅同矿料的级配组成、形状和表面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还状和表面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还与试验温度、加荷速率等因素有关。混合料中的矿质与试验温度、加荷速率等因素有关。混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。 二、抗拉强度

48、 抗拉强度抗拉强度材料受拉时的极限或最大应力材料受拉时的极限或最大应力 沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在在气温气温急骤下降时产生收缩，水泥混凝土路面和各急骤下降时产生收缩，水泥混凝土路面和各种半刚性基层在种半刚性基层在大气湿度变化大气湿度变化时，产生明显的干缩，时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。路面结构会产生拉伸断裂。 抗拉强度的测定抗拉强度的测定通常用下列

49、两种方法测定通常用下列两种方法测定 ： 直接拉伸试验直接拉伸试验 间接拉伸试验（即劈裂试验）间接拉伸试验（即劈裂试验）u抗拉强度主要由混合料中抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力结合料的粘结力提供。提供。 u沥青混合料在常温下沥青混合料在常温下，抗拉强度，随沥青含量，抗拉强度，随沥青含量和加荷速率的增加而增加，随针入度和温度的和加荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而下降；增加而下降； u沥青混合料在负温下沥青混合料在负温下，抗拉强度随沥青针入度，抗拉强度随沥青针入度和温度的降低会略有下降；和温度的降低会略有下降； u水硬性材料水硬性材料，影响抗拉强度的因素有集料（或，影响抗拉强度的因素有

50、集料（或土）组成、结合料含量和活性（或水灰比），土）组成、结合料含量和活性（或水灰比），伴制均匀性和压实程度，龄期。伴制均匀性和压实程度，龄期。三、抗弯拉强度 抗弯拉强度抗弯拉强度材料受弯拉时的极限或最大应力材料受弯拉时的极限或最大应力 路面材料路面材料的抗弯拉强度，大多通过简支小梁的抗弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评定。小梁截面边长的尺寸应不低于混试验进行评定。小梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒径的合料中集料最大粒径的4 4倍。通常采用三分点加倍。通常采用三分点加载，材料的抗弯拉强度按下式计算：载，材料的抗弯拉强度按下式计算： 式中：式中：pp破坏荷载，破坏荷载，kNkN； l

51、l支点间距，支点间距，m m； b b，hh试件截面的宽度和高度，试件截面的宽度和高度，m m。 2bhPlt 四、应力一应变特性 1 1、颗粒材料、颗粒材料 u无结合料碎砾石材料无结合料碎砾石材料 应力应力应变特性具有明显的应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量非线性特征，即弹性模量E Er r，随偏应力，随偏应力 d d(1 1 3 3 ) )的增大而减小，随侧压力的增大而减小，随侧压力 3 3的增大而增大。的增大而增大。 u采用三轴压缩试验进行测定。采用三轴压缩试验进行测定。 2 2、水泥稳定类材料的应力应变特性、水泥稳定类材料的应力应变特性 u水泥稳定材料的应力应变关系可以通过单轴或

52、三水泥稳定材料的应力应变关系可以通过单轴或三 轴压缩试验或小梁弯曲试验得到。轴压缩试验或小梁弯曲试验得到。 u 应力应变关系也呈现出非线性状，模量是应力应变关系也呈现出非线性状，模量是应力（偏应力和侧限应力）函数；在应力级应力（偏应力和侧限应力）函数；在应力级位低于极限荷载的位低于极限荷载的50%60%时，应力应变曲时，应力应变曲线可近似为线性的。线可近似为线性的。 u在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。回弹模量。 3 3、沥青混合料的应力应变特性、沥青混合料的应力应变

53、特性 1)沥青混合料的应力应变关系沥青混合料的应力应变关系 u沥青及沥青混合料的应力应变关系具有随沥青及沥青混合料的应力应变关系具有随温度温度和和荷载作用时间荷载作用时间而变化的特性，具有粘弹性性状。而变化的特性，具有粘弹性性状。 u弹性应变弹性应变加载或卸载时，立即产生或恢复的应变；加载或卸载时，立即产生或恢复的应变； u粘弹性应变粘弹性应变应变随加载时间或卸载时间增加而增应变随加载时间或卸载时间增加而增加或减少的应变；加或减少的应变； u塑性应变塑性应变在卸载后应变不能恢复的应变。在卸载后应变不能恢复的应变。 u随随施加荷载的大小施加荷载的大小和和作用时间的不同作用时间的不同，表现出不同，

54、表现出不同的弹性性质、粘弹性性质和粘弹塑性性质。的弹性性质、粘弹性性质和粘弹塑性性质。 u沥青及沥青混合料的力学特性受沥青及沥青混合料的力学特性受温度温度与与加载时间加载时间的的影响较大。影响较大。沥青混合料沥青混合料 u反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条 件下的应力应变关系的参数，称为劲度。件下的应力应变关系的参数，称为劲度。TtTtES,)(式中：式中： S St t,T,T劲度模量，劲度模量，kPa kPa ； 施加的应力，施加的应力，kPakPa； 总应变；总应变； tt荷载作用时间，荷载作用时间，s s； TT混合料试验温度，混合料试

55、验温度，o oC C。 u由沥青劲度试验曲线可以看出：由沥青劲度试验曲线可以看出： （1 1）当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水）当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明材料处于弹性状态。平，表明材料处于弹性状态。 （2 2）加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘）加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性状；中间过渡段兼有弹一粘性状态。滞性状；中间过渡段兼有弹一粘性状态。 （3 3）各种温度条件下的曲线形状有相似性，只）各种温度条件下的曲线形状有相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。是在水平方向有一个时间间隔。 （4 4）这表明温度对劲度的影响与加荷时间对劲）这表明温度对劲度的影响与加荷时

56、间对劲度的影响具有等效互换性。度的影响具有等效互换性。五、测定沥青混合料的劲度试验方法 1 1、蠕变模量试验、蠕变模量试验 对沥青混合料试件施加恒定的单轴和三轴对沥青混合料试件施加恒定的单轴和三轴荷载测定试件的压缩应变随时间的增长。荷载测定试件的压缩应变随时间的增长。 荷载可以是静态的（大小随时间不变），荷载可以是静态的（大小随时间不变），也可以也可以 是动态的（连续的正弦波形）或重复是动态的（连续的正弦波形）或重复的（正弦或梯形）的（正弦或梯形） 波形，但各次脉冲之间有波形，但各次脉冲之间有一段应力为零的间隙时间。一段应力为零的间隙时间。)( tSd2 2、动态模量试验、动态模量试验 对试件

57、施加连续的正弦波形轴向应力对试件施加连续的正弦波形轴向应力 量测由此产生的正弦变化的轴向应变量测由此产生的正弦变化的轴向应变 复数模量或动态模量复数模量或动态模量 ttsin)(0)sin()(0tt)()(*ttE3 3、回弹模量试验、回弹模量试验 对试件重复施加梯（矩）形或半正弦（三角）对试件重复施加梯（矩）形或半正弦（三角）形形 轴向应力或荷载，量测轴向回弹应变、径向轴向应力或荷载，量测轴向回弹应变、径向回弹应变回弹应变 或回弹挠度进行。或回弹挠度进行。 三轴压缩回弹模量三轴压缩回弹模量 间接拉伸（劈裂）回弹模量间接拉伸（劈裂）回弹模量 弯曲回弹模量弯曲回弹模量rdrE1hPEhrr)2

58、7.0(IPlErr129623第七节 路面材料的累积变形与 疲劳特性u 由于重复荷载作用引起的路面结构破坏极限状由于重复荷载作用引起的路面结构破坏极限状态态, ,不同于最大极限荷载引起的破坏极限状态。不同于最大极限荷载引起的破坏极限状态。 u 路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏极限状态有二类：破坏极限状态有二类： 第一类第一类: :若路面材料处于若路面材料处于弹塑性工作状态弹塑性工作状态，则重复，则重复荷载作用将引起塑性变形的累积，当累积变形超荷载作用将引起塑性变形的累积，当累积变形超出一定限度时，路面使用功能将下降至允许限度出一定限度时，路

59、面使用功能将下降至允许限度以下，出现破坏极限状态；以下，出现破坏极限状态； 第二类第二类: :路面材料处于路面材料处于弹性工作状态弹性工作状态，在重复荷载作，在重复荷载作用下虽不产生塑性变形，但是结构内部将产生微用下虽不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，当微量损伤累积达到一定限度时，路面量损伤，当微量损伤累积达到一定限度时，路面结构产生疲劳断裂，出现破坏极限状态。结构产生疲劳断裂，出现破坏极限状态。一、累积变形 u路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生产生沉陷沉陷或或车辙车辙，是路面结构的主要病害。这种永，是路面结构的主要病害。这种

60、永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综合合。 1. 1.碎、砾石混合料碎、砾石混合料 碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。规律同细粒土相似。 2 2、沥青混合料、沥青混合料 塑性应变量随重复作用次数的增加而增加的情塑性应变量随重复作用次数的增加而增加的情况。温度越高，塑性应变累积量越大。况。温度越高，塑性应变累积量越大。 影响累积变形的因素，除了温度、施加应力大影响累积变形的因素，除了温度、施加应力大小以及加荷时间之外，小以及加荷时间之外， 同集料的状况也有关系。同集料的状