第二章（行车荷载环境因素及材料力学性质）

第二章

行车荷载

、环境因素、材料的力学性质第一节：行车荷载

汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要

功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。

另一方面，汽车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。

因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计

的功能，具有良好的结构性能，首先应对行驶

的汽车作分析行车荷载的主要研究内容

车辆的种类；

汽车的轴型；

汽车对道路的静态压力；

运动车辆对道路的动态影响；

交通分析一、车辆的种类

道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类：

1、客车：小客车、中客车、大客车

2、货车：整车、牵引式挂车、牵引式半挂车

按载重量可以分为：轻型货车、中型货车、重型货车

按车身组合情况分为：单一车、牵引式挂车、牵引式半挂车、牵引车与挂车分离式。货车---整车牵引式半挂车牵引式半挂车牵引式挂车(拖车)

在交通调查中，一般将汽车分为八类：大型货车；中型货车；小型货车；大型客车；小型客车；拖挂车；集装箱；大中型拖拉机

通过调查可以得到某断面昼夜混合汽车交通量可作为道路的通行能力评定

路面设计与验算使用的交通量是标准轴载累积作用次数。

昼夜混合交通量用于路面设计时，应有汽车的轴数和轴载。

重型货车与大客车的作用次数在路面结构计算中起作用。

小汽车一般在路基路面结构计算时不考虑，用于路面使用的安全性（抗滑性能）和舒适性（平整性）评定。

对于沥青路面，轴载大于25KN的汽车计入。

对于水泥混凝土路面，轴载大于40KN的汽车计入。

标准轴载的确定标准轴载－－作为路面交通分析和结构设计的轴重，其它轴重要按一定的原则换算为设计的轴重。

标准轴载的确定取决于公路性质、车辆类型和交通强度等级要求。一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国公路运输营运车辆的总体轴载水平。

确定方法：

1、通过对运输营运车辆的分析，人为地加以规定代表性的轴重为标准轴载。我国采用BZZ--100KN为标准轴载。2、预测设计方法。设计标准轴载因路而异，随交通成分而

变化。根据不同轴类（单轴和串轴）和轴重的车辆出现

频率计算而得的：X－－加权平均轴重；fs，ft－－每级单轴和串轴荷载的出现频率；xs，xt－－每级单轴和串轴荷载的中值；F－－修正系数，是串轴和单轴荷载的比值。二、汽轴轴型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，应特别重视轴重或轮

重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。

整车类：前轴、后轴。

牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车：后轴（单轴或双轴）。

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。

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明确的规定。

我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为标准

轴重。目前我国公路行使的车辆，后轴轴载一般在60

～130kN范围内。

汽车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有增加趋势。发展方向：多轴多轮的货车。例如运输专用设备的平板挂车

超载运输问题在我国日益突出

对超载的定义：2000年2月，交通部《超限运输车辆行驶公路管理条例》规定：“单轴（每侧单轮胎）载质量6000kg，单轴（每侧双轮胎）载质量10000kg，双联轴（每侧双轮胎）载质量18000kg。”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不得超过13000kg。某高速公路上重载交通车辆某路上的载重车队

超重对路面的损害

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(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

下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、坑槽严重三、汽车对道路的作用1、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。行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、振动力。2

、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。影响静态垂直压力大小的因素：（1）汽车轮胎的内压力pi；（2）轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状；（3）轮载的大小；轮胎/路面接触面与接触应力汽车轮胎的内压力对于低压轮胎：接触压力大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：1.

以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi，2.

接触形状为圆形，3.

接触面上的压力为均匀分布4.

将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载

当量圆当量圆半径δ

可以按下式确定：

P

p

P

－作用在车轮上的荷载

p－轮胎接触压力

δ－接触面当量圆半径

对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示，称

为单圆荷载；如用二个圆表示，则称双圆荷载。其当

量圆直径分别按下式计算：4

P

pd

2

d

D

8

P

p双圆荷载当量圆直径单圆荷载当量圆直径

在标准轴载BZZ-100的P=100/4kN，p=700kPa，

则d=0.213m，D=0.302m。四、运动车辆对道路的动态影响

行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路

面施加水平力、振动力。这些动力影响还有瞬时性的特征。

汽车在道路上等速行驶，车轮受到路面给它的滚动摩阻力，路面也相应受到车轮施加于它的一个向后的水平力；

汽车在上坡行驶，或者在加速行驶过程中，为了克服重力

与惯性力，需要给路面施加向后的水平力，相应在下坡行

驶或者在减速行驶过程中，为了克服重力与惯性力的作用，

需要给路面施加向前的水平力。

汽车在弯道上行驶，为了克服离心力，保持车身稳定不产

生侧滑，需要给路面施加侧向水平力。汽车起动和制动过

程中，施加于路面的为水平力。附着系数

车轮施加于路面的各种水平力

Q

值与车轮的垂直压力，

以及路面与车轮之间的附着系数

有关，其最大值不会超过垂直力P与

的乘积，即：Qmax

p

以及行车速度有关。

的最大值一般不超过0.7－0.8，同路面类型和湿度

路面表面必须保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要条件。但是从路面结构本身来看，附着系数的大小直接关系结构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，若是抗剪强度不足，将会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。轴载波动

汽车在道路上行驶，由于车身自身的振动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静态轮载，呈波动状态

轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数（标准离差与轮载静载之比）主要随下述三因素而变化：1）行车速度：车速越高，变异系数越大；2）路面的平整度：平整度越差，变异系数越大；3）车辆的振动特性：轮胎的刚度低，减振装置的效果越好，变异系数越小。

正常情况下，变异系数一般均小于0

于0.3.

振动轮载的最大峰值与静载之比称为冲击系数，在较平整的路面上，行车速度不超过50km／h对，冲击系数不超过1.30。轮载瞬态作用

行驶的汽车对路面施加的荷载有瞬时性。车轮通过路面上

任一点，路面承受荷载的时间大约只有0.01－0.10s左右。

在路面以下一定深度处，应力作用的持续时间略长一点。

美国AASHO试验路的试验结果：当行车速度由3．2km／h提高到56km／h，沥青路面的总弯沉减少36％；当行车速度由3.2km／h提高到96.7km／h，水泥混凝土路面的板角挠度和板边应变量减少29％左右.

结论：动荷载作用下路面变形量的减小．可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者是路面结构强度的相对增大。五、交通分析

路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综

合累计损伤作用，必须对现有的交通量、轴载组成以及

增长规律进行调查和预估，并通过适当的方式将它们换

算成当量标准轴载的累计作用次数。1、交通量

交通量是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。

年平均日交通量——在一年365天内的交通量之和除以365天。

交通量调查方法——直接记录、自动记录仪

交通量年平均增长率；

设计年限内累计交通量

轴载组成与轴载换算轴载换算——道路是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量通行次数。我国的标准轴载为BZZ-100。

(1

)

1

NN1

N1交通量的计算初始年平均交通量N1tNe

365N1

365

i

i

1

365

Ni

每日实际交通量然后通过调查研究，分析论证，以确定交通量年平均增长率。

Ne

设计年限内的累计交通量

设计的初始年平均日交通量Nt

设计的末年年平均日交通量

设计年限内交通量年平均增长率

t

设计年限2．轴载组成与等效换算

不同重力的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。对于路面结构设计，除了设计期限的累计交通量之外，另一个重要的交通因素便是各级轴载所占的比例在轴载组成或轴载谱。

由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数，乘以相应的轴载谱百分率，即可推算出所有车辆各级轴载的作用次数。

道路上行驶的汽车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量通行次数，我国水泥混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载l00kN作为标准轴载。

各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是，同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。

沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不相同，因而轴载换算系数取值也各不相同。

轴载换算系数公式nsi

i

Ns

P

Ni

P

3．轮迹横向分布车辆在道路上行驶时，车轮的轨迹总是在横断面中心线附近一定范围内左右摆动，由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一点上，而是按一定规律分布在车道横断面上，称为轮迹的横向分布。

轴载通行次数分布频率曲线中的直方图条带宽为25cm，大约接近轮迹宽度，以条带上受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数作为该条带的频率。

轮迹横向分布频率曲线图形受许多因素影响。如交通量、交通组成，车道宽度、交通管理规则等的变化，需分别考虑各种不同情况，通过实地调查，才能确定。

在路面结构设计中，用横向分布系数η来反映轮迹横向分布频率的影响。通常取宽度为二个条带的宽度，即50cm，因为双轮组每个轮宽20cm，轮隙宽10cm。这时的二个条带频率之和称为轮迹横向分布系数。§2-2

环境因素的影响

环境因素影响主要表现在温度和湿度。

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。温度因素的影响

路基土和路面材料的强度与刚度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。

图2－9给出了沥青混凝土的动弹性模量随温度升高而降低的情况，图2－l0所示为路基回弹模量随湿度增长而急剧下降的情况。温度变化对路基路面的破坏机理

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。

由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是不均匀的，所以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时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即温度应力，进而对路基路面产生破坏。

如不能充分估计这种因自然环境因素变化产生的后果，则路基路面结构在车轮荷载和自然因素共同作用之下，将提前出现损坏，缩短路面的使用年限。

因此，应考虑自然因素的影响。大气温度与面层温度变化

大气的温度在一年四季和一昼夜之间发生着周期性的变化，受大气直接影响的路面温度也相应地在一年之间和一日之间发生着周期性的变化。

图2-11

11和图2

图2-12

12分别显示了夏季晴天，沥青面层和水泥混凝土面层内温度的昼夜变化观测结果。

结论：沥青路面，由于吸热量高，温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化，升降的幅度随深度的增加而减小，其峰值的出现时间也随深度的增加而滞后。温度因素

路面结构内温度随深度的分布状况，可以从一天内不同

时刻的路面温度随深度的分布曲线图中看到。见图2-l3

温度梯度的变化与气温的变化大致是同步的，具有周期见图2性特点。

图2-14

除了日变化之外，一年四季面层不同深度处的温度还随的7气温的变化而经历着年变化，图2－15所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况，可以看出，平均气温最高和最低的

月和2月，面层的平均气温也相应为最高值和最低值。影响温度变化的因素

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。

外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。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。

内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。温度状况预估

路面结构内的温度状况，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。这种方法有两类，即统计方法和理论方法。

统计方法就是在路面结构层的不同深处埋设测温元件，连续观测

年循环内不同时刻的温度变化，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，如式所示。Tmax

a

bT

a.max

cQ

由于统计方法不可能包含所有的复杂因素，所以计算的精确度有地区局限性，只可以在条件相似的地区参考使用。

理论方法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。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。湿度因素

大气湿度的变化，通过降水、地面积水和地下水浸入路基路面结构，是自然环境影响的另一个重要方面。

它除了影响路基土湿度的变化，使路基产生各种不稳定状态之外，对路面结构层也有许多不利的影响。

路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化。例如在北方季节性冰冻地区，冰冻开始时，路基水分向冻结线积聚形成冻胀，春暖融冻初期形成翻浆的现象较普遍。而在南方非冰冻区，当雨季来临时，未能及时排除的地面积水和离地面很近的地下水将使路基土浸润而软化。湿度因素

保持路基干燥的主要方法是设置良好的地面排水设施和路面结构排水设施，经常养护，保持畅通。

地下水对路基湿度随地下水位高低和土的性质而异。通常认为受地下水影响的高度：对粘土为6m，砂质粘土或粉土约为3m，砂土为0.9m。在这个深度范围内，路基湿度受地下水位控制，其影响程度随土质而异。

在这个范围以上部分，路基湿度主要受大气降水，蒸发以及地面排水控制。对于干旱地区，路基的湿度主要受空气相对湿度的控制，受降水的影响很小，相当于当地覆盖土相同深度处的湿度。湿度因素

面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响。不透水的面层结构，将减少降水和蒸发的影响。在道路完工二、三年内，路面结构与路基上部中心附近的湿度逐渐趋向稳定。对于透水的面层结构，若不作专门处理，则路面结构和上层路基的湿度状况将受到降水和蒸发的影响而产生季节性的变化。

路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响。通常在路面边缘以内lm左右，湿度开始增大，直至路面边缘与路肩下的湿度相当。路肩如果经过处治，防止雨水渗入，则路面下的土基湿度将趋向于稳定，与路基中心湿度相当。a'

Z'+Z

Z=σ

B

+Z

σ

Z

K

2Z§1-3

路基的土力强度特性D/2σZBP

σ

Z

σσ

σZB

一.路基受力状态

路基承受行车荷载、路面结构

层和路基土自重的共同作用。(1)行车荷载：假定为弹性均质半空

间体的路基受由车轮荷载换算成

的圆形垂直均布荷载P

的作用下,

在一定深度Z

P

产生垂直应力

σZ

由右式计算

(如右图所示)路基的受力状况路基本身自重力在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力可按照下式计算：

B

Z⑵

路基、路面自重:为便于计算，可将路面重量换算为路基土的当量厚度Za',m

Za

h1E1E0E1、E0

分别为路面、路基的形变模量；m≈2.5；h1为路面厚度。时的深度，称工作区深度

KnP

B

Z

a

Z

Z

n

P

二、路基工作区路基内由轮重引起的垂直应力随深度而减少与深度平方成反比呈曲线状,

由自重引起的应力随深度增加而增大呈直线状，在一定深度当

n(n

=σZ

/σB)＝0.1-0.2,车载应力已很小3KZ

2①

车轮荷载愈大,Za值愈大；1.影响Za的因素②

反之路面强度愈大,则Za值就愈小。

式中:P

为一侧轮重荷载,K=0.5,

n=5-10;ZaHHZa二、路基工作区

举例:

黄河JN150后轴一侧轮重50kN,

若取n=5,

则Za

=1.9m;

若取n=10,

则Za

=2.4m。h1Za'路基高度大于Za工作区深度和路基高度关系图路基高度小于Za确定工作区深度的意义⑴

在对于Za

深度范围内的土质选择、路基土含水量的控制、压实度标准都要更严格些，以保证其强度及稳定性均高于路基的其它部分。例如:

①

路基填筑时,将工程力学性能好的土填在路床的上部,质量差的则填在下部;②

压实度标准:路床部分路基压实度要求≥95%;上路堤（80cm～

150cm）要求≥93%;下路堤（≥150cm）要求≥90%。⑵

当Za大于填土高度时，对天然土基亦应进行地基加固，加强处理碾压。三、路基土的应力应变特性1、路基土的非线性变形特性土应力一应变的非线性特性由三轴压缩试验的结果表明：

土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分

土是非线弹性：

具有塑性变形体：2、土基的荷载－弯沉关系

路面设计而言，最关心的主要是土基表面的总变形（或总回弹变形）。回弹变形经常用回弹模量表示，它反映荷载－弯沉关系。

荷载作用下土基内的应力沿竖向和水平方向都是变化的，因而土基内各点的模量值是不同的，但设计时通常被近似成一个当量的均匀模量值

压入承载板试验是研究土基荷载－弯沉特性最常用的一种方法：以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面，逐级加荷卸荷，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，根据试验结果，可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。2、土基的荷载－弯沉关系

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：式中

E——土体的回弹模量，kPa；D——承载板的直径，m；l——承载板的回弹变形，m；μ——土体的泊松比；p——承载板压强，kpa。3、土基的流变性质

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，而且还与荷载作用时间有关。

弹性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，土的流变性主要同塑性变形有关。

车辆行驶时，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。可以在一般情况下，不考虑土基的流变性质。四、重复荷载对路基土的影响

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：（1）土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构状态）；（2）重复荷载的大小与重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示，即相对荷载；（3）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；（4）土基中侧向应力的大小。

重复荷载对土基的影响主要体现在塑性变形累积：（1）土体逐渐被压密，每次的塑性变形量逐渐减小，直至最后稳定，这种不会导致土体产生剪切破坏.

（2）每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏。在重复应力低于临界值的范围内，总应变的累积规律在半对数(或对数)坐标上一般呈线性关系，可表示为ε1=a+blgN式中：a

——应力一次作用下的初始应变；

b——应变增长回归系数；N——应力重复作用次数。§2-4

土基的承载能力

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力级位下抵抗变形的能力。所以路基的承载能力都采用一定应力级位下抵抗变形能力来表征。

用于表征土基承载力的主要参数指标：

回弹模量

地基反应模量

加州承载比(CBR)回弹模量

以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。

为了模拟车轮印迹的作用，通常以圆形承载板压入土基的方法测定。有两种承载板可用于测定１、柔性压板2、刚性承载板柔性承载板和刚性承载板测定土基回弹模量图2-20

土基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线（a）柔性承载板（b）刚性承载板柔性承载板土基回弹模量

柔性压板：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：

P

a2p

r

承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在承载板中心处(r=0)，即：lr

0

2pa

1

02

E0

柔性承载板土基回弹模量

在柔性承载板边缘处(r=a)，其挠度可以按下式计算

：lr

a

4pa

1

02

E02pa

1

0

2

刚性承载板土基回弹模量

用刚性承载板测定土基回弹模量时，承载板上土基顶面的挠度为

等值，不随坐标r而变化。但是板底接触压力则随r值而变化，成

鞍形分布，如图2-20b)所示，其挠度l值和接触压力p(r)值可分别按

式(2-21)与(2-22)计算。l

E0

4p

r

1

pa2

a2

r

2

式中各项：l

——承载板挠度(m)；

p(r)——接触压力(MPa)；r

——计算点离承载板中心的距离(m)；a——承载板半径(m)。

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。

试验时宜采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，待卸载稳定

1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。回弹变形值超过1mm时

，则停止加载。可点绘出荷载--回弹弯沉曲线。在曲线上选取合适的量值按下式进行计算。式中：pi，li——分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值。K

二、地基反应模量

用温克勒(E．Winkler)地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量K表征土基的承载力。

文克勒地基模型基本假定：地基上任一点的弯沉l，仅与作用

于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关，反映压力与弯沉值关系的比例常数k称为地基反应模量，即：pl式中

K——地基的反应模量(MPa/m或MN/m3)；p——单位压力(MPa)；l——弯沉值(m)。

地基反应模量用承载板试验确定：承载板的直径规定为76cm。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。施加荷载的量值根据不同的工程对象，有两种方法供选用。1.当地基较为软弱时：用0.127cm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沉不会超出这一范围。2.地基较为坚实：弯沉值难以达到0.127cm时，则采用另一种控制方法，以单位压力p＝70kPa控制承载板的荷载

承载板直径的大小对其值有一定影响，直径越小，

K值越大。

但是由试验得知，当承载板直径大于76cm时，其值的变化很小，因此规定以直径为76cm的承载板为标准。

当采用直径为30cm的承载板测定时，可按下式进行修正三、加州承载比CBR

加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定土基和路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石的承载能力为标准，以他们的相对比值表示CBR值。

CBR值有室内测试和现场测试。

室内要按施工现场的含水量和压实度要求制作成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水

水4d。

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。

放入12CBR试验方法

CBR室内试验装置如图所示。

在直径15.24cm、高17.78cm的

金属筒内，

入12.70cm

70cm高的

试样。试样按土基施工时的含

水量和密实度在试筒内制备。

并将试样浸水四昼夜，以模拟

土基的最不利工作状态。为模

拟路面结构对土基的作用，在

试样浸水过程中及压入试验时，

在其顶面施加环形砝码，其大

小根据路面结构状况确定，但

不得小于45.3N，通常情况下

采用111.2N，压入的金属圆柱

压头底面积为19.35cm2。CBR室内试验装置

CBR试验方法

试验时，荷载按试件顶面每分钟压入变形0.127cm的速

度施加，记录每压入0.254cm时的单位压力p值，直至

压入变形量达到1.27cm时为止。

标准碎石的承载力由试验测得，见下表。

标准压力值

ps贯入值(cm)0.2540.5080.7621.0161.27标准压力（kPa）7.0310.5513.3616.1718.23100%

CBR

CBR值按下式计算：pp0式中

p——试件材料在一定贯入值情况下的单位压力(kPa)；p0——标准碎石要相同贯入值情况下的单位压力(kPa)；§2-5

路基的变形、破坏及防治

路基常见病害的种类可归纳为:路基的“三沉”和“三落”、边

坡的“三坍”及路基冻胀翻浆三大类。1.路堤的“三沉”（路堤沉缩、路堤沉移、路基沉陷）沉缩:因路堤填料选择不当,填筑

沉移:陡坡上路堤基地未清基。凿毛、挖台阶或坡脚设必要支撑,

受水润滑时会沿基底下滑。方法不合理,压实度不足,在堤身内部形成过湿的夹层,

在荷载及水温综合作用下,引起路基沉缩。堤身沉陷地基沉陷沉陷:

特征是路基表面作竖向位移。路基的沉陷可以有两

种情况,一是路基本身的压缩沉降,高而松软的路堤

未经充分压实其沉陷可达到危险的程度。二是软弱

地基承载力不足往往引发地基向路基的两侧隆起。2.路堑的“三落”：是指剥落(溜方)、碎落、坠落（其中坠落是碎落的一种形态,

岩块粒径较大,

可达40cm以上。）

边坡上薄的表层土饱水后从坡面分离下溜。

溜方

剥落是表面风化岩土体呈片状碎屑脱落，严重风化后呈块状岩屑剥离滚落就叫碎落。剥落、碎落滑动面

3.边坡的“三坍”(是指石质路堑边坡的崩坍、路基边坡的滑坍以及路基的坍塌)滑坍:

边坡岩土体

层

沿某

个滑动面滑动,是高边

坡路基失稳的主要病

害之一。岩石路堑边坡的崩坍:是一种具有爆发性坍落病害,无固定滑动面,常在坡脚形成倒岩堆。

土坡堆滑塌:

化,坍塌

陡坡岩土体遇水软化

失去支撑而坍塌，滑动体很少有翻滚现象,亦无定型滑动面。Ⅰ.路堤的坍塌:特征是路基失去了正确的形状,

边坡下沉。主要原因是边坡过陡、土质不良以及施工方法不正确引起。Ⅱ.路堑边坡的坍塌：引发的主要原因是构成路堑边坡岩土体的往往是由坡积土构成。下,冻胀：冻季开始,土基由上向下冻结,在聚冰层下部的水分,在结晶力和渗透压力差的综合作用下

以薄膜水和毛细作用的移动方式,不断向上积聚,使聚冰层增厚,土体体积增大。翻浆:土质路基在有负温差条件下受重复荷载作用时产生的一种水份积聚和冻融现象。春融解冻,水分滞留在上部,

土基过湿软化,产生唧泥,造成翻浆病害。b)春融期--翻浆a)

冻结期--冻胀路面过湿土冻土冰晶体冰冻线地下水位路基病害防治措施1.正确设计路基横断面。2.选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路基上层填土作稳定处理。3.采取正确的填筑方法,充分压实路基,保证达到规定的压实度。4.适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入路基工作区。5.正确进行排水设计

(

包括地面排水、地下排水、路面结构排水以及地基的特殊排水)。6.必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积，设置砂垫层以疏干土基。7.采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加筋等技术防护措施。采

取以上各项技术措施旨在于限制水分侵入路基，或使已侵入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。§2-6

路面材料的力学强度特性路面材料，按其不同的形态及成型性质大致可分为三类：1）松散颗粒型材料及块料；2）沥青结合料类；3）无机结合料类；这些材料按不同的成型方式(密实型、嵌挤型和稳定型)形成各种结构层。一、抗剪强度

路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有以下三种：（1）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各种剪切破坏。

摩尔强度理论

材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩

擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力

为材料固有性质，与法向正应力无关，即：

c

tg

一抗剪强度,kPa；

c

一材料的粘结,

kPa；

一法向正应力，kPa；

一材料的内摩阻角。

C和φ是表征路面材料抗剪强度的两项参数，可以通过直接剪切试验，绘出曲线后，按上式确定。

对于松散粒料无法进行直剪试验时，可以由三轴压缩试验，绘

制摩尔圆和相应的包络线，按上式直线关系近似确定C和φ值。

三轴试验试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍，试件的高度和直径之比不小于2。目前普遍使用试件直径为10cm，高为20cm，粒料最大粒径不应大于2

于2.5cm。

沥青混合料的抗剪强度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。二、抗拉强度

抗拉强度－－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在气温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大气湿度变化时，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。

路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供。可以采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力一应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。

直接拉伸试验:将混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在有球形铰结的金属盖帽上，通过安装在试件上的变形传感器，测定试件在各级拉应力下的应变值。

间接拉伸试验:即劈裂试验，是将混合料制成圆柱形试件，直径为D，高度为h，试验时通过压条，沿直径方向按一定的速率施加荷载，直至试件开裂破坏

抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。

沥青混合料在常温下，抗拉强度，随沥青含量和加荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而下降；

沥青混合料在负温下，抗拉强度随沥青针入度和温度的降低会略有下降；

水硬性材料，影响抗拉强度的因素有集料（或土）组成、结合料含量和活性（或水灰比），拌制均匀性和压实程度，龄期。三、抗弯拉强度

抗弯拉强度－－材料受弯拉时的极限或最大应力路面材料的抗弯拉强度

用水泥混凝土，沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。由车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。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合料中集料最大粒径的4倍。通常采用三分点加载，材料的抗弯拉强度按下式计算式中：P——破坏荷载，kN；l——支点间距，m；b，h——试件截面的宽度和高度，m。我国现行水泥混凝土试验规程（JTG

E30-2005）规定，混凝土抗弯拉强度标准试件尺寸为100mmx100mmx400mm，

150mmx150mmx550mm和150mmx150mmx600mm三种。四、应力－应变特性1、颗粒材料的应力－应变特性无结合料碎砾石材料具有应力一应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量Er，随偏应力σd=

(σ1

–σ3

)的增大而减小，随侧压力σ3的增大而增大。采用三轴试验进行测定。2、水泥稳定类材料的应力－应变特性

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。

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；在应力级位低于极限荷载的50%～60%时，应力应变曲线可近似为线性的。

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回弹模量。3、沥青混合料的应力－应变特性

1)沥青混合料的应力－应变关系

沥青及沥青混合料的应力－应变关系具有随温度和荷载作用时间而变化的特性，具有粘弹性性状。弹性应变－加载或卸载时，立即产生或恢复的应变；粘弹性应变－应变随加载时间或卸载时间增加而增加或减少的应变；塑性应变－在卸载后应变不能恢复的应变。

随施加荷载的大小和作用时间的不同，表现出不同的弹性性质、粘弹性性质和粘弹塑性性质。

沥青及沥青混合料的力学特性受温度与加载时间的影响较大。t

T

S

,2)

沥青混合料劲度模量劲度：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。

式中：

St,T——劲度模量，kPa

；

t,Tσ——施加的应力，kPa；ε——总应变；t——荷载作用时间，s；T——混合料试验温度，oC。沥青劲度试验曲线可以看出：（1）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。（2）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。（3）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。（4）这表明温度对劲度的影响与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。§2-7

路面材料的累积变形与疲劳特性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：

第一类，若路面材料处于弹塑性工作状态，则重复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以下，出现破坏极限状态；

第二类，路面材料处于弹性工作状态，在重复荷载作用之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，路面结构发生疲劳断裂，出现破坏极限状态。

累积变形与疲劳破坏这二种破坏极限的共同点：破坏极限的发生不仅同荷载应力的大小有关，而且同荷载应力作用的次数有关。

水泥混凝土路面在重复荷载作用之下易出现疲劳破坏；

沥青路面在低温环境中，基本上处于弹性工作状态，

因此出现疲劳破坏，而在高温环境中，处于弹塑性工

作状态，因此出现累积变形。在季节性温差很大的地

区，沥青路面兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。

无机结合料处治的半刚性路面材料，在早期（1至3个月）处于低塑性的弹塑性状态，在此之后，基本处于弹性状态，因此，在使用期间，主要的极限状态是疲劳破坏。

以粘土为结合料的碎、砾石路面，由于混合料中的细粒粘土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性状态，塑性变形的累积是极限状态的主要形式。1、累积变形

路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生沉陷或车辙，是路面结构的主要病害。

这种永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综合。

影响因素：荷载的大小，作用次数以及路基土的性状有关，也受路面各结构层材料变形特性的影响。A、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规律同细粒土相似。图2-33所示是一种级配良好的混合料的重复加载试验结果。

由图可见，当偏应力内低于某一数值时，塑性变形随作用

次数增加而增加，且逐渐趋向稳定。重复次数大于104次

后，达到一平衡状态，平衡状态的应变量同偏应力与侧向

应力的比值大小有关。当偏应力较大时，塑性变形量随作

用次数增加而不断增长，直至破坏。

级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很多次以后，塑性变形仍有增大趋势。含有细粒过多的混合料，由于混合料密实度降低，变形累积过大，因此均不宜用于修筑路面。B、沥青混合料

由图2－34(密实型沥青碎石混合料)可以看出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。许多试验结果表明，在同一温度条件下，控制累积应变量的是加荷时间的总和，而不仅是重复作用的次数；加荷频率以及应力循环的间隔时间对累积应变一时间关系的影响不大。

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，同集料的状况也有关系。如：有棱角的集料比圆角的集料能获得较高的劲度模量，因此累积变形量较小；密实级配的沥青混合料比开级配沥青混合料的累积变形量小；此外压实的方法，压实的程度对变形累积的规律都有一定影响。2、疲劳特性

对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。

出现疲劳破坏的重复应力值（即疲劳强度），随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数（例如106－107次）后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。

研究疲劳特性的主要目的：探索提高疲劳强度，延长路面使用年限，为路面设计提供参数。A.

水泥混凝土及无机结合料处治的混合料

此类材料的疲劳性能研究，可通过对小梁试件施加重复应力来进行。将重复弯拉应力与一次加载得出的极限弯拉应力（抗弯强度）值之比称为应力比。绘制应力比与重复作用次数的关系曲线，称为疲劳曲线，由疲劳曲线，可发现如下规律：

1）随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低；

2）重复应力级位相同时，Nf的变动幅度较大，表明试验结果离散，但其概率分布基本符合对数正态分布，因此，若要得到可靠的均值必须进行大量的试验；

3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程。

4）当重复作用次数为Nf=107时，应力比＝0.55，此时尚未发现有疲劳现象；

5）当应力比＜0.75时，重复应力施加的频率对试验结果(即疲劳方程）的影响很微小。

无机结合料处治的混合料其疲劳特性同水泥混凝土相类似，但疲劳方程的系数值则有所不同，疲劳极限明显比水泥混凝土低。B.沥青混合料

沥青混合料疲劳特性的室内试验可以用