第3章 环境因素-3

第三章自然因素

刘红坡（lhp0301@163.com）第三章自然因素公路自然区划1路面温度状况分析路基湿度状况分析1232第一节概述实践表明，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。路基路面体系的温度和湿度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材料性质和状态发生了相应的改变。3第一节概述在进行路面结构的分析和设计时，应考虑自然因素的影响。温度状况主要是讨论路面面层结构内的温度状况；湿度状况则以土基为主。4第二节公路路面的温度状况大气的温度在一天和一年内发生着周期性的变化，与大气直接接触的路面温度也相应地在一天和一年内发生着周期性变化。路表温度与气温基本同步变化，而且路表温度（高温）远高于气温。5第二节公路路面的温度状况面层结构内不同深度处的温度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，其峰值也随深度增加而越来越滞后出现。6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7月和1月份，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7第二节公路路面的温度状况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。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。温度梯度：同一时刻，单位深度内温度的增量℃/m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深处的温度差。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。8第二节公路路面的温度状况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：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。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。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。9第二节公路路面的温度状况在高温状态下，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，因此，尽管夏季，沥青路面的温度梯度远比水泥路面大，但由此产生的温度应力却非常小，但是其变形过大导致车辙损害。在低温状态下，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，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。10决定路面结构温度的因素：①外部因素：太阳辐射（日照和云量）、气温、风速、降水量和蒸发量。②

内部因素：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。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。第二节公路路面的温度状况11第二节公路路面的温度状况路面结构内的温度预测方法1：统计方法（适应的地区与观测点的相同）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；

Ta.max—相应的日最高气温；

Q—相应的太阳日辐射热；

a.b.c—回归常数。12路面结构内的温度预测：方法2：理论推导法应用热传导理论方程式推导出。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。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。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13第三节路基的湿度状况路面结构受湿度变化影响最大的是路基。路基受到各种外界因素的作用，其湿度不断发生变化。导致路基湿度变化的主要因素有：⑴大气降水和蒸发大气降水通过路面、路肩和边坡渗入路基；蒸发使水分从路基中逸出而促使路基趋向干燥。⑵地面水

地势低洼及排水不良时，积滞在地表的水，以渗透和毛细水的形式进入路基；⑶地下水靠近地面的地下水，借助毛细作用或温差作用上升到路基内部；⑷温度在土颗粒空隙中流动的水蒸气，遇冷凝结为水。14第三节路基的湿度状况大气降水和蒸发：⑴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，上层路基的湿度状况还将受到降水和蒸发(通过面层)的影响。⑵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，不透水面层下路基的湿度，由于路肩处水分的渗透和蒸发作用路基湿度变化较大。15第三节路基的湿度状况地面水的影响：当设置了完善的排水设施和加强养护措施后，通常是可以消除其对路基湿度的影响。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。温度：在季节性冰冻地区，温度梯度比较大，因温差出现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，不会成为影响路基湿度的主要因素。16第三节路基的湿度状况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。⑴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，面层和路肩均至少有一层不透水结构。⑵减小“地面水”的影响：设置完善的排水设施和加强养护。⑶减小“地下水”的影响：需要抬高路基或降低地下水位，从而减少地下水的影响。⑷对于温度的影响，应掌握其会造成的破坏现象和机理，才能采取相应的措施。17第三节路基的湿度状况—温度的影响负温度与水的共同作用，往往给路基带来不利的影响。冬季冻胀，春季翻浆，这是季节性冰冻地区公路的主要病害之一。18冻胀和翻浆的过程水的一个特性：沿着路基深度出现较大的温度梯度时，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动，并积聚在较冷的地方。冻胀和翻浆的过程（季节性冰冻地区）：⑴水分上移在季节性冰冻地区，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。路基正温度区的水分向负温度区零度等温线附近移动。19⑵冻胀。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。⑶冰融。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，水分难以迅速排出，造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。冻胀和翻浆的过程20⑷翻浆。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，路基土以泥浆的形式从胀裂的路面缝隙中冒出，形成翻浆。冻胀和翻浆的过程21第四节路基的干湿类型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。正确区分路基的干湿类型，是做好路基路面设计的前提。土基干湿类型可分为干燥、中湿、潮湿和过湿四种。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。路基设计时，要求路基保持干燥或中湿状态。对潮湿、过湿的路基，必须采取一定的技术措施，保证路基的强度和稳定性。22⑴分界稠度法实测不利季节路床表面以下80cm深度内土的平均稠度。wc——土的稠度；wL——土的液限；——土的平均含水量；wp——土的塑限。

路基干湿类型的判断面层基层土基上面层中面层下面层上基层下基层（底基层）上路床下路床上路堤下路堤3-5cm5-6cm6-8cm20-40cm30cm50cm70cm23⑴分界稠度法wc1——干燥和中湿的分界稠度；wc2——中湿和潮湿的分界稠度；wc3——潮湿和过湿的分界稠度；土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC3土质砂Wc≧1.201.20＞Wc≧1.001.0＞Wc≧0.85Wc＜0.85粘性土Wc≧1.101.10＞Wc≧0.950.95＞Wc≧0.80Wc＜0.80粉质土Wc≧1.051.05＞Wc≧0.900.90＞Wc≧0.75Wc＜0.75路基干湿类型的判断24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80cm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23%，液限为33%，试按照平均稠度法判断路基的干湿类型。深度/cm0-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-80含水量/%23.623.823.924.024.1上海位于IV1区，黏质土的分界稠度wc1=1.10；wc2=0.95；wc3=0.80土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC325解：上海位于IV1区，黏质土的分界稠度wc1=1.10；wc2=0.95；wc3=0.80路床底面以下80cm内的平均含水量：路床底面以下80cm内的平均稠度:

wC=(wL-w)/(wL-wP)=（33-23.6）/（33-23）=0.94wc2=0.95>wc>wc3=0.80，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Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC326⑵临界高度法对于新建公路，路基尚未建成，无法实地测定wc，路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度等因素来确定，即临界高度法。路基临界高度：在不利季节，当路基处于某种干湿状态时，与分界稠度相对应的路床表面距地下水位或地表积水水位的最小高度。路基干湿类型的判断27分界稠度和临界高度的对应关系干湿类型Ｗc与Ｗci一般特征干燥Ｗc≥Ｗc1土基干燥、路面强度和稳定性不受地下水和地表水影响。Ｈ≥Ｈ1中湿Ｗc1＞Ｗc≥Ｗc2土基上部处于地下水或地表积水影响的过渡带区内Ｈ1>Ｈ≥Ｈ2潮湿Ｗc2＞Ｗc≥Ｗc3土基上部处于地下水或地表积水毛细影响区内，Ｈ2>Ｈ≥Ｈ3过湿Ｗc≤Ｗc3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。Ｈ<Ｈ3路基干湿类型28⑴计算路床表面（路槽底）距地下或地表积水位的高度H。⑵根据土组和自然区划，查表3-7确定临界高度H1、H2和H3。⑶确定土基的干湿类型根据H与临界高度H1、H2和H3的大小关系，查表3-6确定土基的干湿类型，并确定路基土的稠度范围。临界高度法29分界稠度和临界高度的对应关系干湿类型Ｗc与Ｗci一般特征干燥Ｗc≥Ｗc1土基干燥、路面强度和稳定性不受地下水和地表水影响。Ｈ≥Ｈ1中湿Ｗc1＞Ｗc≥Ｗc2土基上部处于地下水或地表积水影响的过渡带区内Ｈ1>Ｈ≥Ｈ2潮湿Ｗc2＞Ｗc≥Ｗc3土基上部处于地下水或地表积水毛细影响区内，Ｈ2>Ｈ≥Ｈ3过湿Ｗc≤Ｗc3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。Ｈ<Ｈ3路基干湿类型30路基干湿类型判断练习2.某拟建公路位于公路自然区划III3区，路基采用砂性土填筑，路面结构厚度为55cm。路面距离天然地面平均高度为1.5m。经过调查得知地下水的水位距离天然地面为0.5m；在III3区中，砂性土的路基临界高度为H1=1.3-1.6mH2=1.1-1.3mH3=0.9-1.1m；试判断路基的干湿湿类型，确定土基的稠度范围。土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC3土质砂Wc≧1.201.20＞Wc≧1.001.0＞Wc≧0.85Wc＜0.85310.55m1.5m0.5m32

路床顶距离天然地面为:1.5-0.55=0.95(m)

路床顶距离地下水位为:H=0.95+0.5=1.45(m)在III3区中，砂性土的路基临界高度为H1=1.3-1.6mH2=1.1-1.3mH3=0.9-1.1m

则：H2<H≤H1.路基处于中湿状态。则1.00≤Ｗc<1.20，取Ｗc1=1.10

土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC3土质砂Wc≧1.201.20＞Wc≧1.001.0＞Wc≧0.85Wc＜0.8533第四节公路自然区划我国幅员辽阔，各地气候、地形、地貌、水文地质条件等差异很大。从北到南跨越寒带、温带、亚热带和热带；从西部的青藏高原到东部沿海地区高程相差4000m以上，自然因素变化极为复杂。各地区自然条件特征不同，对公路构造物产生的影响和造成的病害是各不相同的。因此，在公路设计、施工和养护中应考虑的问题也各不相同。如何根据各地自然区域的特征，对公路的勘测、设计、建筑材料的选择和施工方案的拟定等，进行综合考虑是十分必要的。《公路自然区划标准》34第四节公路自然区划《公路自然区划标准》JTJ003-86规划三原则：1.道路工程特征相似的原则在同一区划内，在同样的自然因素下筑路具有相似性。北方不利季一般主要是春融时期，公路设计应着重考虑抗冻要求，主要病害是路面的冻胀和翻浆；南方不利季节在雨季，有冲刷、水毁等病害。35第四节公路自然区划《公路自然区划标准》JTJ003-86规划三原则：2．地表气候区划差异性的原则地表气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。地带性差异：纬度的改变而导致的地表气候的变化。北半球，北方寒冷，南方温暖。非地带性差异：与高程的变化有关的气候变化。青藏高原，由于海拔高，与纬度相同的其它地区相比，气候更加寒冷。36第四节公路自然区划3.自然气候因素既有综合又有主导作用的原则路面结构的损坏有些是自然气候因素综合作用的结果，有些破坏又是其中某种因素起着主导作用。冻害是水和温度综合作用的结果。在南方，只有水而没有寒冷气候的影响，不会有冻害。说明温度起主导作用；西北干旱区与东北潮湿区，同样都有负温度，但前者冻害轻于后者，说明水起主导作用。37第四节公路自然区划我国公路自然区划，采用三级分区。一级区划主要按大范围的气候、地理和地貌等条件的差异，将全国划分为多年冻土、湿润、干湿过渡、湿热、潮暖、西北干旱和高寒7个大区；二级区划是在一级区划基础上以潮湿系数为主进行划分；三级区划是在二级区内划分更低一级的区域或类型单元。一级区划主要为全国性的公路总体规划和设计服务；二级区划主要为各地的公路路基路面设计、施工、养护提供较全面的地理、气候依据和有关计算参数。38第四节公路自然区划Ⅰ区—北部多年冻土区—路面结构设计特点

对于泥沼地多年冻土层，最重要的道路设计原则是保温，不可轻易挖去复盖层，使路堤下保持冻结状态，若受大气热量影响融化，后患无穷。对于非多年冻土层，须将泥炭层全部或局部挖去，排干水分，然后填筑路堤。该区主要是林区道路，表土湿度大，地面迳流大，最易翻浆，应采取换土，稳定土，砂垫层等处理方法。39第四节公路自然区划Ⅱ区—东部温润季冻区—路面结构设计特点

该区路面结构突出的问题是防止翻浆和冻胀。翻浆的轻重程度取决于路基的潮湿状态。可根据不同的路基潮湿状态采取措施。该区缺乏砂石材料，采用稳定土基层已取得一定的经验。Ⅲ区—黄土高原干湿过渡区—路面结构设计特点黄土对水分的敏感性—湿陷性；干燥土基强度高、稳定性好；在河谷盆地的潮湿路段以及灌区耕地，土基稳定性差，强度低，必须认真处理。40第四节公路自然区划Ⅳ区——东南湿热区—路面结构设计特点该区雨量充沛集中，雨型季节性强，台风暴雨多，水毁、冲刷、滑坡是道路的主要病害，路面结构应结合排水系统进行设计。该区水稻田多，土基湿软，强度低，必须认真处理。由于气温高、热季长，要注意黑色面层材料的热稳定性和防透水性。Ⅴ区——西南潮暖区—路面结构设计特点该区山多，筑路材料丰富，应充分利用当地材料筑路，对于水文不良路段，必须采取措施，稳定路基。41第四节公路自然区划Ⅵ区—西北干旱区