[工学]路基工程复习PPT.ppt
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1、路基路面工程,1,路基是公路的基本结构,是支撑路面结构的基础,路 面共同承受行车荷载的作用,同时承受气候变化和各种自 然灾害的侵蚀和影响,是开挖或堆填而成的岩土结构物。 路基结构形式可以分为:填方路基、挖方路基和半填 半挖路基三种形式。,路面是铺筑在公路路基上与车轮直接接触的结构层, 承受和传递车轮荷载,承受磨耗,经受自然气候的侵蚀和 影响,是各种混合料铺筑而成的层状结构物。 路面结构一般由面层、基层、底基层与垫层组成。,路基路面工程,2,存在问题:,1.公路网标准低,数量少,布局不合理。,2.道路交通管理落后,城市交通拥挤阻塞。,3.规划不合理,路网总体服务水平低,抵御自然灾害能力差。,4.
2、公路建设质量差,20高速公路出现早期大修。,1 总 论,路基路面工程,3,一、路基、路面的基本概念 两者关系 路基:是在天然地表面按照道路的设计线形(位置)和设计横断面(几何尺寸)的要求开挖或堆填而成的岩土结构物。 路面:是在路基顶面的行车部分由各种混合料铺筑而成的层状结构物。 两者关系:路基是路面结构的基础,坚强而又稳定的路基为路面结构长期承受汽车荷载提供了重要的保证,而路面结构层的存在又保护了路基,使之避免了直接经受车辆和大气的破坏作用,长期处于稳定状态。 路基路面应具有的基本性能:1.承载能力:强度(抵抗应力)、刚度(抗变形) 2.稳定性:结构稳定性、水稳定性、温度稳定性; 3.耐久性:
3、(寿命)抗疲劳破坏能力,抗水损、抗 老化等能力; 4.表面平整度: (舒适性、表面特性) 5.表面抗滑性能: (安全性、表面特性),影响路基路面稳定的因素: (1)自然因素(主要影响路基)1.地理条件 2.地质条件 3.气候条件 4.水文和水文地质条件 5.土的类别 (2)人为因素: 1.荷载 2.路基、路面结构 3.施工方法和质量 4.养护措施,路基路面工程,4,土的划分原则:不同的使用目的和场合,划分原则不同,如农业、公路等公路用路基土,世界各国大致相近,均依据土颗粒的粒径组成、矿物成分或其余物质的含量、土的塑性指标。 我国公路路基土的分类: 划分依据:土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中
4、有 机质存在情况。 分类:巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土,并进一步细 分为11类。 不同路基土的公路工程性质:1巨粒土:强度和稳定性好,良好;也可用于砌筑边坡。2级配良好的砾石混合料:良好;还可用于中级路面和高级路面的基层。3砂土:无塑性,强度和水稳性好,但易松散,压实困难。4砂性土:良好5粉性土:干时易结块,湿时易流动;毛细作用强烈,须经处理才可使用。6粘性土:具有较大的可塑性,持水能力强。压实方法得当,排水设施合理也可使用。7重粘土:不透水、粘聚力大,塑性大,干燥坚硬,难以施工 。,路基路面工程,5,1、划分方法:在全国以均温等值线及海拔高度来划分,以均温等值线和三阶梯的海拔高度线为主要标
5、志,二条等高线:1000m、3000m等高线。自然区划分三级进行区分,具体划分:全国首先划分为三大地带:多年冻土、季节冻土和全年不冻土,再进一步根据水热平衡和地理位置划分为冻土、温润、干湿过渡、湿热、潮暖、和高寒七个大区:,路基路面工程,6,二、一级自然区划,1 总 论,在每一个一级区内,再以潮湿系数为依据,分为六个等级,并结合各大区的地理、气候特征、地貌类型、自然病害等因素,将全国划分为33个二级区和19个副二级区。 三级区划是二级区划的具体划分,一是以水热、地理、地貌为依据,另一种是以地表的地貌、水文和土质依据,由各省、市、自治区自行划定。,路基路面工程,7,三、二级自然区划,1 总 论,
6、一、路基湿度的来源:大气降水 地面水 地下水 毛细水 水蒸气凝结水 薄膜移动水 二、大气温度及其对路基水温状况的影响 路基湿度除受水的来源影响之外,大气温度也是主要影响因素之一。 最典型的是路基冻胀与翻浆现象冻胀翻浆的机理。 湿度对路基路面稳定的影响 湿度对路基的影响: 湿软、冰冻及整体不稳定, 需设置良好的排水设施,并控制路基的干湿类型。 湿度对路面的影响: 水分积蓄于路基路面体内,降低路基路面的强度与刚度,造成路面破坏,并可进一步加剧路面透水性。,路基路面工程,8,第六节 路基水温状况及干湿类型,1 总 论,温度对路基路面稳定的影响: 温度造成路基体的膨胀与收缩,甚至引起路基的冻胀; 温度
7、造成水泥砼路面的温度应力及条块分割; 温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂。 湿度对路基路面稳定的影响 湿度对路基的影响: 湿软、冰冻及整体不稳定, 需设置良好的排水设施,并控制路基的干湿类型。 湿度对路面的影响: 水分积蓄于路基路面体内,降低路基路面的强度与刚度,造成路面破坏,并可进一步加剧路面透水性。,路基路面工程,9,三、路基干湿类型 路基按其干湿状态不同分为四类:干燥、中湿 、潮湿和过湿。一般要求路基处于干燥或中湿状态。 上述四种干湿类型以分界稠度c1 , c2 和c3 来划分。稠度c 定义为土的含水量 与土的液限L 之差与土的塑限p 与液限L 之差的比值。 即 c = (
8、L - )/( L - p ) 1.c = 1.0 , 即=p ,为半固体与硬塑状的分界值; 2.c = 0 ,即= L ,为流塑与流动状的分界值; 3. 1.0 c 0,即L p ,土 处于可塑状态。,路基路面工程,10,一、路面横断面(见书中图1-7) 路面横断面由行车道、硬路肩和土路肩组成。随道 路等级不同而不同。 1、槽式横断面:在路基上挖槽铺筑路面。 2、全铺式横断面: 在路基上全宽内铺筑路面。,路基路面工程,11,第七节 路面结构及层位功能,1 总 论,1.路拱的作用:横向排水 2.路拱横坡的取值(P23表1-10): 有利于横向排水,有利于行车平稳; 1-4; 路肩横披度较路面横
9、坡大1。,路基路面工程,12,二、路拱横坡度,1 总 论,三、 路面结构分层 1.面层 2基层 3基底层 4路基(含垫层),路基路面工程,13,1 总 论,路基路面工程,14,垫层的设置目的与功能可分为以下几类: (1)防水垫层;(2)排水垫层;(3)防污垫层: (4)防冻垫层。 路面分类【按照力学特性分类】 柔性路面 刚性路面 半刚性路面,1 总 论,路基路面工程,15,一、名词解释 1.公路自然区划 2.路基临界高度 3.平均稠度 4.路拱 5.柔性路面 6.刚性路面,二、思考题 1.简述路面结构层的特点、作用及材料。 2.路基和路面在公路中各起什么作用?有哪些基本要求? 3.路基干湿类型
10、有那些划分方法,干湿类型对路基有哪些影响? 4.试述地下水对路基的影响和气温对路面的影响。 5.对路基填料有什么要求,对不同性质的土,填筑路堤时要注意哪些问题? 6.试述面层的作用及对其基本要求。 7.试述基层和垫层的作用及对各自的基本要求 8.我国现行路面是怎样分类与分级的?简述其意义。,研究行车荷载的原因和必要性: 1.汽车是路基路面的服务对象,路基路面的主要功能是保证车辆快速、安全、舒适、经济通行。 2.汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间影响路面的使用性能。 3.汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。要做好路基路面结构设计,必须对行车荷载进行分析。,路基路面工程,16,
11、2 行车荷载、环境因素、材料的力学特性,行车荷载的主要研究内容: 汽车的轮重与轴重; 不同车型的车轴布置; 设计期限内,汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐年变化; 汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。,路基路面工程,17,一、车辆的种类,道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。 汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面,所以路面结构设 计主要以轴重作为荷载标准。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,则主要对路面的表 面特性如:平整性、抗滑性等,提出较高的要求。,路基路面工程,18,路基路面工程,19,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
12、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。,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,我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。,路基路面工程,20,定义: 静止状态的汽车对道路的作用,称为静力作用,其大 小主要取决于车轮总重。 静态压力P的影响因素: 1.汽车轮胎内压pi ;标准静内压力pi=(0.40.7)Mpa 通常轮胎与路面的接触压力p=(0.80.9) pi 滚动时p =(0.91.1
13、) pi 2.轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态; 3.轮载的大小,路基路面工程,21,三、汽车对道路的静态压力,路基路面工程,22,轮胎和路面的接触面积 接触面形状近似于椭圆形,路面设计中简化为圆形接触面,车轮荷载简化为与椭圆形荷载相当的圆形均布荷载,此圆形即为当量圆单圆、双圆 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 若每一侧的双轮用两个圆表示称为双圆荷载 疲劳破坏材料在低于其极限强度的重复荷载作用下发生破坏的现象(导致疲劳开裂等)。 变形累积在重复荷载作用下,将呈现出变形的逐渐增大(土基、沥青路面、粒料类路面)。,1.交通量及其增长率 交通量:指一定时间间隔内,各种车辆通
14、过某一道路断面的数量; 年平均日交通量:考虑月分布不均匀系数、日分布不均匀系数等; 交通量年平均增长率; 设计年限内的累计交通量。 对于路面结构设计,不仅要求收集 交通总量,还必须区分不同的车型。 N1初始年平均日交通量; Ni每日实际交通量; r交通量年均增长率; Ne设计年限内累积交通量,路基路面工程,23,五、交通分析,2.轴载组成与轴载换算 轴载换算:行驶车辆的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。轴载等效换算的原则:同一种路面结构在不同轴载作用 下达到相同的损伤程度。 换算系数公式: n-同路面结构有关的系数。 i- i
15、级轴载换算为标准轴载的换算系数; PS标准轴载(kN); Pi i级轴载; NS-标准轴载作用次数; Ni i 级轴载作用次数; -反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数;,路基路面工程,24,3.轮迹横向分布 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,也不回平均分配到每 一点上,而是按一定规在车道横断面上,称为轮迹横向分布。 轮迹横向分布频率的影响因素:交通量、交通组成、车道宽 度、交通管理规则等。 轮迹横向分布系数反映轮迹横向分布频率的影响,以轮迹横 向分布频率曲线表征。,路基路面工程,25,概念:在路基某一深度处,当
16、车轮荷载引起的垂直应力z与路基土自重 引起的垂直应力B相比所占比例很小,仅为1/101/5时,该深度Z范围内的路基称为路基工作区。 路基工作区内,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,路基路面工程,26,二、路基工作区,1、初始切线模量应力值为零应力应变曲线斜率。 2、切线模量某一应力处应力应变曲线斜率,反映该应力处变化。 3、割线模量:某一应力对应点与起点相连割线模量,反应该范围内应力应变平均状态。 4、回弹模量:应力卸除阶段,应力应变曲线的割线模量。,路基路面工程,27,路基路面工程,28,弯沉 l 荷载作用下结构层表面的竖直变形量。其中,总竖直变形量称为总弯沉;可恢复的
17、竖直变形为回弹弯沉。一般情况下,弯沉均指回弹弯沉。 土基回弹模量E0,用温克勒地基模型描述土基工作状态时,用地基反应模量表征土基的承载能力。 温克勒地基的假定:土基顶面任意一点的弯沉l,仅同作用于该点的垂直压力p成正比,而同其它相邻点处的压力无关。 温克勒地基模型稠密液体地基模型,主要用于分析水泥混凝土路面 表征土基承载能力的参数指标 地基反应模量K 地基表面某点的竖向压力p与弯 沉l之比。 (kN/m3),路基路面工程,29,二、地基反应模量,三、加州承载比(CBR) 表征土基承载能力的参数指标 加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗
18、局部荷载压入变形的能力表征,并采用高质量标准碎石为标准,以它们的相对比值表示CBR值。 CBR值的室内测试及现场测试。 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。,路基路面工程,30,加州承载比CBR值(California Bearing Rate) CBR值即标准试件在贯入量为2.5mm时所施加的试验荷载与用标准碎石材料在相同贯入量时所加荷载之比值,以百分比表示。(见公式2-27),路基路面工程,31,土基的承载能力,土基承载能力,加州承载比CBR值试验方法(见图2-24),路基路面工程,32,路基路
19、面工程,33,现场CBR测试仪,一、路基的主要病害 1.路基沉陷 (1)自身压缩沉陷 (2)天然地基承载力不足 引起的沉陷。 2.边坡滑塌 溜方及滑坡 3.碎落和崩塌 4.路基沿山坡滑动 5.不良地质和水文条件造 成的路基破坏,路基路面工程,34,第五节 路基的变形、破坏与防治,正确设计路基横断面; 选择良好的路基填料,必要时进行稳定处理; 采用正确的填筑方法,充分压实; 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到路基工作区范围; 正确进行排水设计(地面排水、地下排水、路面结构排水即地基的特殊排水); 必要时设置隔离层隔绝毛细水上升,设置隔温层减少路基冰冻和水分累计,设计砂垫层以疏
20、干土基; 采取边坡加固、修筑支挡结构物、土体加筋等技术,提高整体稳定性。,路基路面工程,35,二、路基病害防治,路面材料按形态和成型性质分为三类: (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。 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。,路基路面工程,36,第六节 路面材料的力学强度特性,路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况: (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递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
21、材料的抗剪强度过低,在受到较大水平力作用时,面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。,路基路面工程,37,一、抗剪强度,路基路面工程,38,摩尔(MohrCoumbnb)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: 式中 抗剪强度,kPa; c材料的粘结力,kPa; 法向正应力,kPa; 材料的内摩阻角。 c和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数,通过 直接剪切试验,绘出-曲线后,按上式确定。,沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降时产生收缩(温缩),水泥混凝土路面和各种半刚性
22、基层在大气湿度发生变化时,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。 抗拉强度可由直接拉伸或间接拉伸试验确定。 间接拉伸试验通常采用劈裂试验。水泥混凝土劈裂抗拉强度采用边长150mm的立方体试件。,路基路面工程,39,二、抗拉强度,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。有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。 弯拉强度大多采用简支小梁试验进行评定。,路基路面工程,40,三、抗弯强度,路基路面工程,41,试验:简支小梁试验评定
23、 三分点加载 混凝土抗折强度标准尺寸:150mm150mm550mm 集料粒径不大于40mm,1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力应变特性,可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明显的非线性特征。 2. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试。 3.无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力应变特性关系。结果也呈现出非线性特征。 4.沥青混合料的应力应变特性测试也相同。在低温下,可采用单轴试验或小梁试验,在高温下,可用三轴压缩试验测定。 由于沥青混合料中的结合料沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘 弹性性状,所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力应变特
24、性关系。,路基路面工程,42,四、应力应变特性,路基路面工程,43,水泥混凝土(抗压弹性模量EC)、无机结合料处治的混合料。 采用规则试件进行测定:三轴试验、单轴试验、小梁试验。 沥青混合料 :低温(单轴或小梁试验) 高温(温度敏感性强用三轴压缩试验),用于基层和底基层的碎砾石材料无法作成试件,但可由三轴试验得到应力应变的非线性(Er为弹性模量)。,路基路面工程,44,应力应变特性:随温度和加载时间变化的粘弹性体,用劲度模量来表示。 沥青混合料劲度模量是在给定温度和加载条件下的应力应变的关系参数。 试验表明:加载时间短或温度较低时(材料处于弹性状态) 中间过程(弹粘性状态) 加载时间很长或温度
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