路基路面 - 第二章

1、2 行車荷載、環(huán)境因素、材料的力學(xué)性質(zhì) 2.1 行車荷載 路基路面是為汽車通行服務(wù)的，其主要功能是長(zhǎng)期保證車輛快速、安全、平穩(wěn)地通行。因此要研究汽車在道路上通行的一些特征，主要包括：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(zhǎng)的規(guī)律；汽車靜態(tài)荷載與動(dòng)態(tài)荷載特性比較 一、車輛的種類 汽車客車貨車小客車中客車大客車小型貨車中型貨車大型貨車拖掛車分類標(biāo)準(zhǔn)： 載運(yùn)量 車型結(jié)構(gòu) 整車牽引式掛車牽引式半掛車 小型拖拉機(jī)大型拖拉機(jī)汽車的總重量通過(guò)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)。其中，重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、

2、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（平整性、抗滑性等）時(shí)，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 車輛荷載傳遞的方式和路徑：車身及載重車軸車輪路面路基土基 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。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(guó)家對(duì)于軸重的最大限度均有明確的規(guī)定。我國(guó)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)軸載。通常認(rèn)為我國(guó)的道路車輛軸限為100kN。 各種車型的各個(gè)軸重知道后，其輪重即可得出。為進(jìn)一步進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)三

3、、汽車對(duì)道路的靜態(tài)壓力 當(dāng)汽車處于停駐狀態(tài)時(shí)，對(duì)路面的作用力為靜態(tài)壓力，即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；標(biāo)準(zhǔn)凈內(nèi)壓力pi=0.40.7MPa (壓強(qiáng))。2. 輪載的大小P；P=軸重/輪數(shù)。 3. 輪胎的剛度以及輪胎與路面接觸的形狀； 輪胎的剛度隨新舊程度而不同，接觸面的形狀和花紋也會(huì)影響接觸壓力的分布，通常，接觸面上的壓力分布是不均勻的。但在路面設(shè)計(jì)中，通常忽略其影響，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的形狀近似于橢圓形，因其長(zhǎng)軸與短軸的差別不大，在工程設(shè)計(jì)中以圓形接觸面來(lái)表示將車輪荷載簡(jiǎn)化成當(dāng)

4、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。 當(dāng)量圓形荷載及標(biāo)準(zhǔn)軸載2 pPPp 設(shè)當(dāng)量圓形荷載的半徑為，則： 我國(guó)規(guī)范規(guī)定以雙輪組單軸軸載100kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，簡(jiǎn)稱BZZ-100。取輪胎內(nèi)壓力p=0.7Mpa=700kPa，并采用雙圓荷載，則：10025 =10.65cm4PkN四、運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響 （一）水平力1. 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; 2. 汽車在上坡行駛或加速行駛過(guò)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；3. 汽車在下坡行駛或減速行駛過(guò)程中，為了克服重力與慣性力的作用，需要給路

5、面施加向前的水平力；4. 汽車在彎道上行駛時(shí)，為了克服離心力，保持車身穩(wěn)定不產(chǎn)生側(cè)滑，需要給路面施加側(cè)向水平力。 v 在汽車起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，施加于路面的水平力相當(dāng)大。 水平力的大小及其對(duì)路面的影響 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)有關(guān)，其最大值Qmax不會(huì)超過(guò)P與的乘積，即: Qmax P （附著條件） 路面表面必須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(lái)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、

6、擁包、波浪、車轍等破壞現(xiàn)象。 （二）輪載的動(dòng)態(tài)影響沖擊效應(yīng) 汽車在道路上行駛，由于車身自身的振動(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)。 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)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(guò)50km/h時(shí)，沖擊系數(shù)不超

7、過(guò)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)，有時(shí)以靜輪載乘以沖擊系數(shù)作為設(shè)計(jì)荷載。 （三）輪載的動(dòng)態(tài)影響輪載作用的瞬時(shí)性 行駛的汽車對(duì)路面施加的荷載有瞬時(shí)性，車輪通過(guò)時(shí)，路面承受荷載的時(shí)間是短暫的，大約只有0.010.1s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(zhǎng)一點(diǎn)，但仍然是很短的。由于路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力傳遞是通過(guò)相鄰的顆粒來(lái)完成的，若應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間很短，則來(lái)不及傳遞分布，其變形就不能像靜載那樣進(jìn)一步發(fā)展。試驗(yàn)研究表明，隨著車速的提高，瀝青路面的總彎沉以及水泥混凝土路面的板角撓度板邊應(yīng)變量有較大幅度的減少。 動(dòng)荷載作用下路面變形量的減小，可以看作路面結(jié)構(gòu)剛度

8、的相對(duì)提高，以及路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相對(duì)增大。 （四）輪載的動(dòng)態(tài)影響輪載的重復(fù)作用 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。在交通繁忙的道路上，路面結(jié)構(gòu)每天承受成千上萬(wàn)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)度將隨荷載重復(fù)作用次數(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（塑性）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，各類軸載的累計(jì)作用次數(shù)也是很重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

9、 五、交通分析 交通分析的目的和內(nèi)容： 道路上通行的車輛類型以及軸重各不相同，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、軸載組成進(jìn)行調(diào)查，在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上對(duì)其增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)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)。 （一）交通量1.交通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)道路某一斷面的車輛數(shù)。2.交通量調(diào)查：通過(guò)交通量觀測(cè)，并對(duì)調(diào)查資料整理分析后，得到該道路設(shè)計(jì)的基年交通量（AADT）。 觀測(cè)方法：連續(xù)式觀測(cè) 間隙式觀測(cè)：通過(guò)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)規(guī)律，利用月不均勻系數(shù)、周日不均勻系數(shù)等資料進(jìn)行換算。 觀測(cè)內(nèi)容：分車型統(tǒng)計(jì)各類車輛的通

10、過(guò)數(shù)量，調(diào)查或估計(jì)客、貨車的載運(yùn)效率。3. 交通量預(yù)測(cè)：道路上通過(guò)的年平均日交通量是逐年增長(zhǎng)的，要確定路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)的總交通量，還需要對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)各年的交通量增長(zhǎng)情況做出預(yù)測(cè)。 預(yù)測(cè)的方法很多，在交通工程學(xué)及經(jīng)濟(jì)管理類課程中介紹。通過(guò)預(yù)測(cè)，可得到各階段交通量的年平均增長(zhǎng)率。 4. 設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量的計(jì)算1365 11teNN1365 111ttetNN已知基年交通量：已知設(shè)計(jì)末年交通量（AADT)：（二）軸載換算 不同的軸載給路面結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損傷程度是不同的。設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)時(shí)，除了了解設(shè)計(jì)期限的累計(jì)交通量之外，另一個(gè)重要的因素是各級(jí)軸載所占的比例，即軸載組成或軸載譜。 根據(jù)實(shí)測(cè)的通過(guò)軸

11、載次數(shù)和相應(yīng)的軸載，可以整理出各級(jí)軸載所占的比例，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標(biāo)準(zhǔn)軸載（BZZ-100）的當(dāng)量通行次數(shù)。 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(guò)室內(nèi)或道路現(xiàn)場(chǎng)的重復(fù)作用試驗(yàn)，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。 瀝青路面、水泥混凝土路面和半剛性路面的結(jié)

12、構(gòu)特性不同，損傷的標(biāo)準(zhǔn)也不相同，因而系數(shù)取值各不相同。具體方法在有關(guān)章節(jié)分別作介紹。 等效原則（三）輪跡橫向分布 車輛在道路上行駛時(shí)，車輪的軌跡在橫斷面上一定范圍內(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。 輪跡橫向分布的頻率隨著交通量大小、交通組成、橫斷面型式、車道數(shù)、車道寬度、交通管理規(guī)則等因素而變化，需分別各種不同情況，通過(guò)實(shí)地調(diào)查，才能確定。 分車道行駛的道路上，輪跡分布的范圍主要集中在一個(gè)車道內(nèi)；混合行駛的雙車道道路，輪跡分布則在道路中線附近。 在路

13、面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用輪跡橫向分布系數(shù)反映輪跡橫向分布的影響。通過(guò)對(duì)其分布頻率的分析，可得到輪跡橫向分布系數(shù)。一般1，可根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定，亦可按照規(guī)范建議選取。 設(shè)ne為累計(jì)當(dāng)量軸次，n1為基年的日平均當(dāng)量軸次，nt為設(shè)計(jì)末年的日平均當(dāng)量軸次，為年平均增長(zhǎng)率，t為設(shè)計(jì)使用年限。則：1365 11tenn1365 111ttetnn2.2 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。1. 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

14、度和濕度的變化有時(shí)會(huì)有大幅度的增減。 瀝青混凝土路面：溫度 ；彈性模量； 路基：濕度 ；回彈模量。（一）表現(xiàn)3. 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)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)在車輪荷載和自然因素共同作用下，將提前出現(xiàn)損壞，縮短使用年限。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之外，還應(yīng)考慮自然因素的影響。（穩(wěn)定性和耐久性）2. 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

15、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。 大氣溫度在一年四季和一晝夜之間發(fā)生著周期性的變化，相應(yīng)地路面溫度也隨之發(fā)生周期性的變化，基本上是同步的，在日變化中，路面結(jié)構(gòu)隨著深度增加，變化相對(duì)滯后。 影響路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度狀況的因素很多，可分為外部因素和內(nèi)部因素兩類。外部因素：太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)速、降水量和蒸發(fā)量等。而其中，太陽(yáng)輻射和氣溫是決定路面溫度狀況的兩項(xiàng)最重要的因素。內(nèi)部因素：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。 （三）濕度變化的影響 大氣濕度的變化，通過(guò)降水、地面積水

16、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。保持路基干燥的主要方法是設(shè)置良好的地面排水設(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。 此外，面層及路肩的結(jié)構(gòu)形式對(duì)路基濕度也有較大的影響。 2.3 土基的力學(xué)強(qiáng)度特性一、路基受力狀況應(yīng)力分布 路基承受著路基自重和汽車輪重這兩種荷載。路基某一深度的垂直壓應(yīng)力由這兩種荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加而成。 zpBZB+ Z1. 路基土本身自重在路基內(nèi)深度為Z處所引起的垂直壓應(yīng)力 BZ2.假定車輪

17、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，則垂直應(yīng)力： 212.5ZpZD 隨著深度的增加，車輪荷載引起的垂直應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力z與路基土自重引起的垂直應(yīng)力B相比所占比例很小，僅為1/101/5時(shí)，所對(duì)應(yīng)的深度稱為路基工作區(qū)深度，該深度范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。路基工作區(qū)深度Za，可按下式計(jì)算： 3KnPZa 可見(jiàn)，路基工作區(qū)隨車輪荷載的加大而加深。路基工作區(qū)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)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)度有較高的要求。 當(dāng)工作區(qū)深度大于路基填土高度時(shí)，或?qū)τ谕诜铰范?，天然地基的上部土層也進(jìn)入路基工作區(qū)，因此，這部分

18、天然地基也應(yīng)滿足工作區(qū)的要求，充分壓實(shí)。 三、路基土的應(yīng)力一應(yīng)變特性 路基是路面結(jié)構(gòu)的支承體，車輪荷載通過(guò)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(guò)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。1. 路基土變形的分類及其影響塑性變形：瀝青路面：產(chǎn)生車轍和縱向不平整； 水泥混凝土路面：引起板塊斷裂。彈性變形：使得瀝青面層和水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開(kāi)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。2. 路

19、基土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 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。其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。0pl 土體在內(nèi)部應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的變形，從微觀角度看，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)。 彈塑性性質(zhì)由下圖可以看出，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。 0

20、plAB 盡管土基的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系較復(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(lái)表征。最簡(jiǎn)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)，近似地將它視為直線，以它的斜率作為模量值。 殘余變形回彈變形總變形0plAB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：(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，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：某一應(yīng)力級(jí)位處同起始點(diǎn)相連的割線的斜率，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。 前三種模量中的應(yīng)變值包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)

21、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)。 (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；四、重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響 1.重復(fù)荷載的后果 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。最終結(jié)果可能有兩種：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(lái)愈小，直至穩(wěn)定，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

22、的剪裂面，最后達(dá)到破壞階段。 2. 決定因素 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)和狀態(tài)：包括土的類型、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(lái)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。 路基承受著車輪荷載的重復(fù)作用，為適應(yīng)這一特點(diǎn)，土的回彈模量值可采用重復(fù)加載的三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)確定。2.4 土基的承載能力 在車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度除了與路面材料的品質(zhì)有關(guān)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)，它的承載能

23、力的大小，主要取決于路基頂面在一定應(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(lái)表征。常用的參數(shù)指標(biāo)有回彈模量Eo、地基反應(yīng)模量K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，其參數(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(cè)定回彈模量。 在實(shí)際測(cè)定中，剛性承載板用得較多，因?yàn)樗膿隙纫子跍y(cè)量，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1m

24、in后讀取回彈彎沉值，再加下一級(jí)荷載。回彈變形值超過(guò)lmm時(shí)，則停止加載。如此，即可點(diǎn)繪出荷載-回彈彎沉曲線。 20(1)2iipaEol二、地基反應(yīng)模量 在剛性路面設(shè)計(jì)中，采用Winkler地基模型時(shí)，用地基反應(yīng)模量K表征土基的承載力。根據(jù)Winkler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(wú)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。壓力P與彎沉l之比稱為地基反應(yīng)模量K。即:K=p/l kN / m3 Winkler地基又稱為稠密液體地基。地基反應(yīng)模量K值相當(dāng)于該液體的相對(duì)密度，路面板受到的地基反力相當(dāng)于液體產(chǎn)生的浮力。 地基反應(yīng)

25、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(cè)定方法與回彈模量測(cè)定方法相類似，但是采取一次加載到位的方法。三、加州承載比(CBR) 加州承載比是早年由美國(guó)加州(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19.35cm2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ps是用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石由試驗(yàn)求得，其值如教材中表2-5所示。 100spCBRp

26、計(jì)算CBR值時(shí)，取貫入度為0.254cm。但是當(dāng)貫入度為0.254cm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。 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。1.路基沉陷、沉縮總體表現(xiàn)：路基表面在垂直方向產(chǎn)生較大的沉落。 路基沉縮：由于路基填料選擇不當(dāng)、填筑方法不合理、壓實(shí)度不足、在路堤內(nèi)部形成過(guò)濕的夾層等因素，

27、在荷載和水溫綜合作用之下，引起路基較大的變形。路基沉陷路基本身的壓縮沉降地基的沉陷： 由于路基下部天然地面承載能力不足，修筑前未經(jīng)處理，在路基自重的作用下引起沉陷或向兩側(cè)擠出而造成的。2. 邊坡滑塌 最常見(jiàn)的路基病害，根據(jù)邊坡土質(zhì)類別，破壞原因和規(guī)模的不同，可分為溜方與滑坡兩種情況。 1)溜方：少量土體沿土質(zhì)邊坡向下移動(dòng)的現(xiàn)象，通常指的是邊坡上表面薄層土體下溜。主要是由于水流沖刷邊坡或施工不當(dāng)而引起的。2)滑坡：一部分土體在重力作用下沿某一滑動(dòng)面滑動(dòng)。主要是由于土體的穩(wěn)定性不足所引起的。主要原因：路堤：邊坡坡度過(guò)陡，邊坡坡腳被沖刷淘空，或填土層次安排不當(dāng)。路塹：邊坡高度和坡度與天然巖土層次的性

28、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)。 3. 碎落、崩塌剝落和碎落：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(lái)，向下滾落。崩塌：大塊巖石脫離坡面沿邊坡滾落。 4. 路基整體滑動(dòng) 在自然坡度較陡的山坡填筑路基，若路基底部被水浸濕，形成滑動(dòng)面，坡腳又末進(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 主要指由于公路通過(guò)地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害及其他自然災(zāi)害造成的路基破壞，如山體滑坡、泥石流、溶洞、洪水

29、等。 二、路基病害防治 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。 2.6 路面材料的力學(xué)強(qiáng)度特性 按照不同的形態(tài)及成型性質(zhì)，路面材料大致可分為三類： (1) 松散顆粒型材

30、料及塊料；(2) 瀝青結(jié)合料類；(3) 無(wú)機(jī)結(jié)合料類。 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)層表現(xiàn)出不同的力學(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)有助于正確理解路面設(shè)計(jì)方法基本原理。 一、抗剪強(qiáng)度 1. 路面結(jié)構(gòu)剪切破壞的形式(1) 路面結(jié)構(gòu)層厚度較薄，總體剛度不足，車輪荷載通過(guò)薄層結(jié)構(gòu)傳給土基的剪應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致路基路面整體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞；(2) 無(wú)結(jié)合料的粒料基層因?qū)游徊缓侠?，?nèi)部剪應(yīng)力過(guò)大而引起部分結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生剪切破壞；(3)

31、面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強(qiáng)度較低，如高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剪切破壞。 2、抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)參數(shù)及測(cè)定方法按照摩爾強(qiáng)度理論，材料的抗剪強(qiáng)度包括摩擦阻力（內(nèi)摩阻力）和粘結(jié)力（粘聚力）兩部分組成。其中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(wú)關(guān)，即:ctgc兩項(xiàng)參數(shù)可以通過(guò)直接剪切試驗(yàn)或三軸壓縮試驗(yàn)獲得。瀝青混合料，除了礦質(zhì)顆粒之間的摩擦阻力之外，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)。 二、抗拉強(qiáng)度 瀝青路

32、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（劈裂）試驗(yàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的最大應(yīng)力值即為極限抗拉強(qiáng)度。 三、抗彎拉強(qiáng)度 用水泥混凝土、瀝青混合料以及半剛性材料修筑的路面結(jié)構(gòu)層，在車輪荷載作用下，處于受彎曲的工作狀態(tài)。當(dāng)車輪荷載引起的層底彎拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生彎曲斷裂。 路面材料的抗彎拉強(qiáng)度，在室內(nèi)用梁式試件在簡(jiǎn)支受力情況下測(cè)定。試件高和寬不小于礦料最大粒徑的四倍，跨徑為高的三倍。水泥砼、粗粒式瀝青混合料：151555cm，跨徑45cm中粒式、細(xì)粒式瀝青混合料：101040cm，跨徑30cm砂質(zhì)瀝青混合料：5524cm，跨徑15cm四、應(yīng)力-應(yīng)變特性 路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移量，不僅同荷載狀態(tài)有關(guān)，還取決于路面材料