《路基路面工程》课件-2.路基的力学特性及影响因素

第二章路基的力学特性及影响因素

2.1路基的作用及基本要求一、路基的作用1.路基是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物，是路面的基础，承受由路面传递下来的行车荷载。

2.贯穿公路全线，与桥梁、隧道相连，构成公路的整体。

3.路基工程对道路的正常使用影响很大，坚固且稳定的路基为道路长期承受车辆荷载和自然因素提供了重要保证，没有稳固的路基就没有稳固的路面。二、对路基的基本要求

现代化公路不仅要求公路能全天侯通行车辆，而且要求车辆能以一定的速度、安全、舒适且经济地在道路上运行，要求公路具有良好的使用性能，提供良好的行驶条件和服务水平。为了保证公路最大限度地满足车辆运行的要求，提供车速、增强安全性和舒适性、降低成本和延长公路使用年限，要求路基具有一系列基本性能。

（1）路基工程设计应符合安全适用、技术经济合理的要求。（2）路基工程应具有足够的强度、稳定性和耐久性。（3）路基设计应符合环境保护的要求，避免引发地质灾害，减少对生态环境的影响。（4）路基设计应做好工程地质勘察工作，查明水文地质和工程地质条件，获取设计所需要的岩土物理力学参数。

（5）路基设计应从地基处理、路基填料选择、路基强度与稳定性、防护工程、排水系统、以及关键部位路基施工技术等方面进行综合设计。（6）路基设计宜避免高路堤与深路堑，当路基中心填方高度超过20m、中心挖方深度超过30m时，宜结合路线方案与桥梁、隧道等构造物或分离式路基作方案比选。（7）受水浸淹路段的路基边缘标高，应不低于路基设计洪水频率的水位加壅水高、波浪侵袭高，以及0.5m的安全高度。（8）水文及水文地质条件不良地段的路基设计最小填土高度不应小于路床处于中湿状态的临界高度；对潮湿、过湿状态的路基进行处理，处理后的土基回弹模量不小于路面设计规范规定的要求。（9）高速公路、一级公路的高边坡路堤、陡坡路堤、挖方高边坡、滑坡、软土地区路基设计应采用动态设计法。动态设计:以完整的施工设计图为基础，提出对施工方案的特殊要求和监测要求，应掌握施工现场的地质状况、施工情况和变形、应力监测的反馈信息，必要时对原设计做校核、修改和补充。（10）路基工程提倡采用成熟的新技术、新结构、新材料和新工艺。2.2行车荷载及交通分析

路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、经济和舒适地通行。路基路面的服务对象是路面上行驶的车辆。路基路面承受的外部作用中主要部分是行车荷载。因此，首先应对行驶的汽车进行分析，了解行车荷载的特点。一车辆种类1、客车小客车（6座以下）、中客车（6座－20）、大客车（20座以下）交通量换算采用小客车为标准车型。1.交通量以小客车为主，占36.3％；2.国际接轨。2、货车整车、牵引式挂车、牵引式半挂车路面使用状况评定，如平整度、抗滑性能，以小客车为主要对象。路面结构设计主要以轴重作为荷载标准，采用重型货车、大客车为主要对象，其他小型车，影响小，有时可以不计。车身全部重量都通过车轴上的车轮传给路面，车辆的轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力和结构强度，为了统一设计标准和便于交通管理，各国对轴重的最大限度均有明确的规定。二、汽车的轴型

单后轴单轮组、单后轴双轮组、双后轴双轮组

我国路面设计标准轴载为单轴双轮组100kN,通常认为我国的道路车辆轴限为100kN，十分敏感问题，关系路面使用寿命和汽车工业发展。同97规范，世界各国设计轴载差距大，我国中等水平。

三、汽车对路面的静态压力车辆在路面上，分为停驻状态和行驶状态，停驻状态时，对路面的作用为静态压力。三项理想化简化：1.接触压力＝轮胎内压力2.接触面上的压力均匀分布。3.接触面形状简化圆形。垂直压力P

工程设计取0.7MPa一般p<pip=(0.8-0.9)pi超载p>pi设计通常取p=pi

当车轮的一侧为双轮组时，其接触面积一般可换算为面积与它相等的一个圆形面积。若将双轮组的每一个轮子与路面的接触面积为面积相等的圆形面积，则双轮组可换算为两个圆形面积。前者叫单圆式，后者叫双圆式。都是当量圆，不是真正的圆形。单圆荷载双圆荷载标准轴载BZZ-100P=100/4=25kNp=700kPad=0.213mD=0.302m四、汽车对路面的动态影响：车辆在路面上，分为停驻状态和行驶状态，行驶状态时，对路面的作用为垂直静压力、水平力、振动力。1、水平力

佛爱

---纵向滑移路面附着系数水泥路面＞沥青路面；车速越高，越小；干燥状态＞潮湿状态※公路一般不考虑水平力城市道路计算水平力，剪应力破坏2、振动力：呈正态分布影响系数（变异系数）轴载变化的变异系数影响因素：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。冲击系数：振动轮栽的最大峰值与静载之比：

Kd=P动/P静

v<50Km/hKd<1.33.路面结构受力有利方面：瞬时性

:v=60Km/hS=0.01-0.03s4.路面结构受力不利方面：

重复性

行车以一定速率行经路面时，路表面上任一点所经受轮载的时间很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度处应力持续作用时间稍长些，但仍很短。

如此短的荷载作用时间，使路面结构中的应力来不及传递分布，其变形不会像静载时那样充分。美国公路工作者协会（AASHO）曾经做过试验发现：不同车速下沥青路面和水泥混凝土路面表面的变形进行过实测，表明：当车速由3.2km/h→56km/h时，柔性路面的总弯沉量f（变形）减少了36-38%；而当车速由3.2km/h→96.7km/h时，刚性路面的板角挠度f和板边应变量ε降低了29%左右。五、交通分析

路面上通行的车辆具有不同的类型、轴重，而且通行的车辆数目也是变化的。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，因此，必须对交通量、轴载组成和增长规律进行调查。通过适当的方法，将它们换算成当量标准轴载的累计作用次数。1、交通量：道路某一断面上单位时间内通过的机动车、非机动车或行人的数量，称为交通量，亦称为交通流量。时间单位以小时计的称为小时交通量，以日计的称为日(或昼夜)交通量。专用于统计车辆的称为车流量、或机动车流量，专用于统计行人的称为人流量。

对于双车道或单车道公路，交通量按双向通过的数量计算；对于多车道公路(高速公路或一级公路)常以一个车道的单向通过车辆数计算，以“车辆数/h/车道”计。

交通量是道路分级和确定道路等级的主要依据。在规划道路等级时，采用推算出来的远景设计年份的日交通量，一般用年平均日交通量(AADT)表示。其定义是一年的总交通量除以365d，并折算为适应不同等级公路的交通量。

年平均日交通量代表着一年内所有日交通量的平均值，可反应出一年中大部分时间的交通流趋势。a、初始年平均日交通量

交通量年平均增长率γ

b、设计年限内累积交通量2、轴载组成与等效换算：1.观测：人工、自动共11类车辆

一定时间、一定期间或连续期间内，对通过公路某一断面各种类型车辆数量的观测记录工作。2.轴载谱：根据实测的通过轴载次数和相应的轴载，整理成图。3.等效换算：道路上行驶的汽车轴载与通行次数―――按照等效原则换算―――标准轴载的当量通行次数。等效换算原则是：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。通过室内或道路现场重复作用试验。：与车辆有关的系数；

不同重力的轴载对路面结构的损伤程度差别较大，所以除关注交通量，还要关注各级轴载超载危害。超载１倍，危害１６倍

２倍，危害６４倍……

：与路面特性有关的系数3.轮迹横向分布某一轴载的通行次数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，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。规律：横断面中心线附近一定范围内左右摆动。单向行驶一车道、混合行驶双车道路面结构设计中，用横向分布系数来反应轮迹的横向分布频率。2.3路基的力学特性及设计指标一.路基受力状况路基承受路面路基自重和汽车荷载两种荷载，路基上部靠近路面结构的一定深度范围内路基主要承受汽车荷载。路基设计应使路基所受的力在路基的弹性范围内，车辆驶过后，路基恢复原状，以保证路基相对稳定，路面不致引起破坏。（一）行车荷载和自重是作用在路基的两种主要外力，对于路基都按照竖直荷载考虑.（二）行车荷载产生附加应力，对于路基的扰动影响随深度降低；自重应力随深度变大（三）附加应力作用是瞬时的，自重应力作用是永久的二、路基应力工作区在路基某一深度处，车轮荷载引起的竖向应力与路基自重引起的竖向应力相比，所占比例很小，将这样的深度叫做路基工作区，确切深度大约在附加应力为自重应力的1/10～1/5左右。三、路基土的应力—应变特性理论力学研究对象：质点、质点组、刚体。研究内容：宏观物体低速机械运动情况。材料力学：杆状构件。结构力学：杆件系统。弹性力学：实体系统（板、壳、挡土墙、堤坝、地基）理想弹性体：1.连续性2.完全弹性3.均匀性4.各向同性5.小变形6.无初始应力路基的应力—应变特性对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响。路基土的内部结构十分复杂，三相物质，固相部分又由不同成分、不同粒径的颗粒组成，在应力作用下的变形特性同理想的线弹性有很大不同。外部作用—内力—应力---应变—位移由于车辆荷载作用的瞬时性，土基在大多数情况下接近弹性工作状态，应用弹性力学的理论来分析土基受力，---回弹模量。

四、应力重复作用五评价指标（土基的承载能力）路基作为路面结构的基础，它抵抗行车荷载的能力的大小，主要决定于路基在一定应力级位下抵抗变形的能力，所以，路基的承载能力采用一定应力级位下抵抗变形的能力。表征路基承载力的参数指标：逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，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，则停止加载。点绘荷载—回弹弯沉曲线。一般取p<0.5MPali<1mm的部分计算承载板直径D=2a=28cm或30cm以土基回弹模量表征路基的承载能力，可以反应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描述路基荷载与变形的关系。形式简单，不涉及泊松比，适用于刚性路面分析E.WinKler地基假设：土基顶面载一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力P成正比，而同其相邻点处的压力无关。（弹簧地基，稠密液体地基）

测定方法：标准压头端部面积19.35cm2以0.127cm/min的速度压入土中，记录每贯入0.254cm时的单位压力，直到压入深度达到1.27cm时为止。3in2标准压头，以0.05in/min压入土体，记录每压入0.1in时的单位压力，直至深度达到0.5in为止。

p—对应某贯入度的土基单位压力KPaPs—相应贯入度的标准压力KPa

计算CBR值时，取贯入度位0.254cm；但当0.254cm时的CBR值小于贯入度为