路基路面工程全套讲义课件.ppt

路基路面工程,Subgrade and Pavement Engineering,-1-,路基路面工程学时安排,1 绪论 2学时2 行车荷载的分析 3学时3 自然因素的影响 3学时4 材料的力学特性 4学时5 一般路基设计 6学时6 路基稳定性分析 4学时7 挡土墙设计 6学时8 柔性路面结构设计 6学时9 水泥混凝土路面结构设计 6学时10 路面状况的调查和评定 2学时11 路基建筑 2学时12 路面建筑 2学时总复习 2学时,第一章 绪 论Introduction,路基路面的定义:路基路面是道路的基本组成部分,它们共同承受行车荷载和自然因素的作用.本章学习要求:(1)明确路基路面的功能和对它们的基本要求(2)了解路基路面的断面构造(3)懂得路基路面设计与建筑要解决的问题及其途径,路基的定义:路基是在地表按照道路路线位置和一定技术要求开挖或堆填而成的岩土结构物,路面的定义:路面是在路基顶面行车部分用各种坚硬材料铺设的层状结构物,1.1 路基路面的功能和要求,对路基路面的要求(1)路基整体应稳定牢固；正确选定路基的断面形状和尺寸,采取必要的排水、防护和加固措施,(2)路基上层应密实均匀；基上层部分最好选用良好的土填筑,要注意充分压实,必要时,设置隔离或采取其他处治措施,(3)路面结构应坚硬耐久;考虑当地的自然条件,采取合适的材料组成和结构措施,使路面结构在不利季节仍足够坚强和稳定,(4)路面表面应平整抗滑。要合理选用路面结构、严格控制施工质量和经常及时的养护来获得平整的路面;抗滑性可通过选用坚硬、耐磨、粗糙的表面材料或采用表面拉毛或刻槽等工艺措施来实现.,1.2 路基路面的构造,一.路基的断面型式1、路堤:指基身顶面高于原地面的填方路基.有一般路堤、浸水路堤和陡坡路堤.,2.路堑:全部为挖方路基称为路堑.有全路堑、半路堑和半山洞三种型式.,3.半填半挖路基:整个横断面上既有填方又有挖方的路基.出现在地面横坡较陡,路基又较宽,而路中线的设计标高与地面标高相差不大的地方.,路面结构,路基结构,路槽,地基,二.路面的结构组成,路面大多采用多层不同性质材料建成，按其层位和作用可分为面层、基层和垫层。,1.面层：有水泥混凝土面层（CC路面）和沥青混凝土面层（AC路面）。面层是直接同车轮和大气相接触的结构层。受到水平力、竖向力和冲击力的反复作用。且受到降水的侵蚀和气温变化的影响。,路面的使用品质取决于面层。故面层要求是结构强度高，气候稳定性好，耐久、防渗，良好的平整度和粗糙度。面层可由1-3层组成。高速公路一般12-18CM，一级公路10-15CM，二级公路5-10CM，三级公路2-4CM，四级公路1-2.5CM。路面面层要注意排水。应设置一定的横向坡度，有路拱和超高。路面横断面做成中间拱的形状叫路拱，坡度与路面类型有关，CC和AC路面一般为1-2%。拐弯处设置为单向坡度，外高内低的叫超高。,2。基层：主要承受由面层传下来的行车荷载竖向力的作用，并把它扩散到垫层和土基。故应具有足够的强度和刚度。但由于仍可能受到地下水和路表水的渗入，故应具有足够的水稳性。,基层所用材料有沥青稳定类、无机结合料稳定类、粒料等及片石或圆石。,为保护面层的边缘，基层每侧应比面层至少宽出25CM。在基层之下还可设置底基层，底基层每侧宜比基层宽出15CM。,3.垫层：当路基水温状况不良和土基湿软时，应在路基与基层（底基层）之间加设垫层。起排水、隔水、防冻、防污和扩散应力作用。,垫层可用材料有颗粒材料或无机结合料、稳定粗粒土等铺筑。垫层每侧应比基层至少宽出25CM，或与路基同宽。,其它：路缘带、硬路肩可增加行车道宽，便利于临时停车。高速公路与一级公路与路面同材，其它等级公路将使用次一级材料。,1.3 路基路面工程的特点与内容,一、工程特点,3 结构型式简单，但是复杂的复合结构。,1 变异性大,5 与环境相互作用，牵涉范围广，施工安排 不易等。,2 分期修建,4 设计、施工、监测、管理是相互作用的。,二、设计与建筑内容,、路基路面设计的内容：勘察调查（收集资料）、路基设计、路面设计、设计方案比选,、路基路面建筑的内容：准备工作、路基施工、路面施工、质量控制和检验。,-9-,3、目的与根本任务：以最低的代价，提供符合一定使用要求的路基路面结构物。,1.4 本课程与其他课程的关系,本课程是一门重要的专业课。主要介绍路基路面设计与建筑的基本知识、原理和方法。它以工程地质为基础，与土力学有关，涉及到水力学、桥梁水文、道路建筑材料，是道路勘测设计中横断面设计的延续与补充。也以交通工程为基础。路基路面的设计方案的经济分析、施工组织设计与工程质量管理等在工程造价管理中介绍。,行车荷载的分析AnalysisOf Vehicle Loading,第二章,汽车是路面的服务对象，也是使路基和路面结构遭受破坏的主要肇因。要能设计和修建出既符合使用要求又经久耐用的路基和路面结构物，就必须首先对行驶在路上的车辆作一考察。要考虑的车辆因素主要有：车辆荷载的大小和特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量等。,本章先从介绍汽车的种类和轴型出发，从静态的角度来分析汽车荷载的作用图式和大小，接着考察运动着的车辆荷载对路面的影响，最后讨论怎样分析和考察路面结构在使用年限内所收到的各种车辆荷载的累计作用次数。,2-1 车辆荷载的分析,一、车辆的类型：,1.小型客车：包括小卧车、小面包车等，它们的车速高，重量小，总重一般大于12KN，最高车速一般大于100km/h,6m长,2m高,1.8宽.,2.大型客车:用于城市交通或城乡运营,有些地方还使用铰接式大客车。满载重量一般大于100KN,最小车速常不小于60km/h,3.载货汽车:有一般载货汽车、自卸汽车牵引车及被牵引的拖挂车、平板车和集装箱车等。一般总重为50150KN,最高车速约为70-80km/h.自卸车总重为150500KN以上,多用于矿山内部运输及施工工地的材料运输,一般不作长途运输,最高车速约为40-50km/h.牵引车自重约为50KN,被牵引的拖挂车,平板车,集装箱车的最大重量大于1000KN.在路面设计中,一般将特种工程车辆视为载货汽车.,在路面结构设计及路基稳定性验算中,主要考虑大型客车及载货汽车的作用。而在评定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)时,应考虑小车高速行驶的安全性和舒适性.,汽车通过安装在车轴上的轮子把荷载传给路面。汽车类型众多,车轮与车轴的组合型式也变化繁多,目前,轮轴型式分为三大类：,1.固定车身类:最大量最普通的一类.车轴可分为前轴和后轴.大部分的前轴为两侧各一个单轮组成的单轴,约为汽车总重的1/41/3.,少数汽车的前轴由双轴单轮组成,双前轴的轴载约为汽车总重的一半.,汽车的后周有单轴和双轴,后轴由双轴组成的较多,每根后轴的轴载约为前轴轴载的两倍.,.挂车类:+1.1,+1.2,+2.2,.牵引车类:-11,-22,-44,二、汽车的轴型,2-2 车辆的重力作用,含自重和载重,车辆通过轮胎将其重力传给路面,再由路面扩至路基。,一.接触压力:处于静载时,汽车的轮胎对路面的平均垂直压强.,同轮胎大小,轮胎的充气内压力及其轮胎的性质有关.,一般轮胎的气压为0.4-0.7MPa,路面设计时,接触压力视为均匀分布,二.接触面积:实际胎面的花纹,实用上接触时的投影面积,有圆形和椭圆形,常用圆形.,P为车轮荷载,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。,三、等代荷载：,在路基路面稳定性验算中，车辆荷载常换算成等代均布土层厚度。,在高速、一级公路（有集装箱公路）：用汽超20级，挂车-120,在二、三级公路：用汽-20级，挂车-100,在改建三级公路：用汽-15级，挂车-80,在四级公路：用汽-10级，履带-50,2-3 行车的动态分析,主要研究路面的受力状况。如动力作用、水平力、瞬时性、重复性。,一、动力作用：,由于路面不平和自身振动，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动着。,1、冲击系数 2、动荷系数 3、影响因素（行车速度、路面平整度、车辆的振动特性）,变差系数：标准离差与静载的比值。通常变差系数0.3,二、轮载作用的瞬时性：使路面变形量，意味着路面结构的抗变形能力（刚度）和强度,动荷载与静载的比值称为冲击系数，常为1.3（在较平整路面上，车速50km/h时）,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/h56km/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/h96.7km/h时，刚性路面的板角挠度f和板边应变量降低了29%左右。,设计时：设计轮载=静轮载,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。见P14,三、水平力：,2.牵引力引起的水平力：Fd P 通常为0.5-0.7（干燥）0.3-0.5（潮湿）0.1-0.2（结冰）,1.滚动阻力：F0=P=0.01-0.02（AC、CC路面）1-2%向前（轮胎对路面）=0.025-0.05（砂石路面）,3.起动（制动）阻力：Fsf s P f s通常为0.7-0.8（干燥）,fs为路面与轮胎间的制动摩阻系数，常f 0 路面的纵向滑移摩阻系数见P15表2-2,f 0同路面类型、路面特性、路面干湿状况和车速有关。,4.车辆（加）减速实时，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P,5.离心力：Fl0.1 P,可见，水平力最大为紧急制动时：可达竖直力的80%，设计时必须考虑。水平力分布也假设为均布的，且在竖向力相同的接触面内。,2-4 交通分析,路面结构设计时要考虑荷载重复作用的次数，这就涉及到分析道路的交通量。各种轴型、各级轴载重复作用的累计次数。,路面所受荷载为重复荷载，其破坏机理为疲劳破坏。AC路面：10-15年，CC路面：20年 不大修。,一.交通量的统计与预测：,1.平均日交通量n：指一定时间（每日，一昼夜24小时）通过道路某一断面的车辆总数。,通过交通量调查：连续式每天24小时（一年）；费时费力，但较全面 间隙式每月选几天，省时省事，但代表性差,实用上可根据观测资料中周和年的变化规律特点，选择有代表性的观测日。也可根据观测的结果乘以相应的不均匀系数。如月观测系数、日观测系数或周观测系数。见P16例题。,目前，我国公路交通量观测站在调查记录时，将车辆分为载重量不满25KN的小型货车、25-80KN的中型货车、大于80KN的大型货车、小型客车、大型客车、汽车拖挂车、拖拉机（大中学、小学）和非机动车（兽力车、人力车、自行车）11类。,其中：小型拖拉机、小客车、小型载货汽车及非机动车对路面结构性能影响很小，在路面结构设计时，不予考虑，故在统计时加以扣除。,2.使用期内累计交通量：,道路的交通量会随年份而增长的。现在的车比以前多得多，且每年都在增长，而要求得路面在使用期内通过的累计车辆次数，必须考虑交通量的年增长率。当然 很难正确估计，只能预估，考虑今后可能达到的饱和量和地方经济文化发展趋势等因素定。,则：在使用期内的累计交通量：,t为使用年限，n1 为开始年的年平均日交通量。,在双向车道上：还要考虑方向不均匀系数，一般为0.5-0.6 在多车道上：要考虑车道不均匀系数，1.0（1车道/方向）0.8-1.0（2车道/方向）0.6-0.8（3车道/方向）,二.轴（轮）载谱:指行驶在路上的车辆，各轮（轴）重各不相同，对路面的破坏程度也不同，故还需考虑不同大小的轴载在整个车辆中所占的比例,轴载谱可通过在路面埋置地磅或传感器来记录，其次数、重量可画成直方图。见P17 2-6图,由交通调查可得各级轴载的年平均日作用次数，若已知，则可得各级轴载的累计作用次数。年平均日作用次数=平均轴数平均日交通量,三、轴载的等效换算：,1.组成：由于轴载的种类很多，通常将各级轴载换算为某一标准轴载来考虑。如100KN（我国和大部分国家），也有些国家以130KN或80KN作为标准轴载。,2.等效换算原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损坏程度时，相应的作用次数被认为是等效的。,3.换算公式（换算系数公式）：,Ns为每日通过的标准轴载次数，下标s为标准的，i为i级轴载.,Ps=100KN,为反映轴数、轮组数的影响系数。,1).沥青路面：,计算路表弯沉及沥青层层底拉应力时:（见P163-164）,相当于:,=C1 C2 n=4.35,C1与轴数有关,C1=1+1.2(m-1)m为轴数,C2与轮数有关,单轮 C2=6.4,双轮 C2=1.0 四轮 C2=0.38,2).水泥路面(P210),计算半刚性基层层底拉应力时:,n=8,i 为轴数系数,单轴 i=1.0 双轴时 Pi=200KN,C1=1+2(m-1)m为轴数,单轮 C2=18.5,双轮 C2=1.0 四轮 C2=0.09,(纵缝处)(横缝处),四、轮迹的横向分布：,1.水泥混凝土路面设计规范(轮迹横向分布系数)。,从P19图2-7:分车道单向行驶,宽3.75m的车道上实测到的轮迹横向分布频率曲线,可见在离边缘0.9-3.0m附近的分布频率达峰值.,轮迹覆盖带宽为50cm.(轮宽20cm,轮隙10cm,双轮组),故图中相邻两条带频率之和即为横向分布系数(频率)。,2.沥青路面设计规范(车道系数):,从P19图2-8:不分车道混合行驶时轮迹横向分布频率曲线上可见中间频率达最大.,作业:2.5,第 三 章,Influence of Natural Factors,自 然 因 素 的 影 响,路基和路面结构外露在地表，直接感受到自然因素（地质、水文、气候、地形、地貌）的影响。这些自然因素主要是温度和湿度。它将引起路基土和路面材料的性状发生变化，还会造成非交通性损坏（如剥落、滑坡、冻胀、缩裂、老化等）。因此，在路基路面设计时要考虑自然因素的影响。,路基土和路面材料的强度和刚度随路面体系内温度和湿度的升高而减少。路基土和路面材料的体积随路面体系内温度和湿度的升降而胀缩。由于温度和湿度沿路基路面体系深度呈不均匀分布，不同深度处的胀缩变化也是不相同的。这种不均匀胀缩变形受到各种因素的约束而不能实现时，路基路面结构内会产生附加的内应力（温度应力和湿度应力）。,3.1 公路自然区划,我国地大物博，各地的自然条件差别很大，为了区分不同地理区域自然条件对公路工程影响的差异性，对全国进行公路自然区划，并在路基路面的设计、施工、养护中采取合适的设计参数和技术措施，以保证路基路面的强度和稳定性。,一、区划的原则：以自然气候因素的综合性和主导性相结合为原则，使在同一区内的筑路特点相似。,二、区划的分级：分为三个等级,一级区划：按大范围内的气候、地理、地貌的差异划分，将全国分为7个一级自然区。,二级区划：在一级区划的基础上，以潮湿系数K为主要指标.潮湿系数K为年降水量与蒸发量的比值.,按K可分为过湿、中湿、润湿、润干、中干、过干等6级,以2.0,1.5,1.0,0.5,0.25分界。考虑气候特征、地貌、自然病害等,考虑气候特征、地貌、自然病害等,将全国分为33个二级区及19个副区,共52个二级自然区。,三、各自然区的筑路特点：,区：北部多年冻土区.1 连续多年冻土区,2岛状多年冻土区.,区：东部温润季冻区.5个主区,5个副区.,区：黄土高原干湿过渡区.4个主区,2个副区.,区：东南湿热区.7个主区,5个副区.,区：西南潮暖区.5个主区,3个副区.,区：西北干旱区.4个主区,3个副区.,区：青藏高寒区.6个主区,1个副区.,3.2 路面温度状况,一、路面温度的变化:,路面直接接触大气,大气的温度在年内和月内发生周期性的变化,故路面温度也发生周期性的变化。路面表面层温度的周期性起伏同气温的变化几乎完全同步,其温度较气温高.由于部分太阳辐射被路面吸收,在夏天烈日照射下,沥青路面表层的最高温度可高出气温23度左右.水泥混凝土路面也要高出14度左右.当然,路面结构内不同深度处同样也随气温呈周期性变化,但起伏的幅度随深度增加而下降,其峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后.,温度的状况还可用一日内不同时刻的路面温度沿深度的变化曲线来表示.路面温度T随深度z 一般呈曲线分布,既 不是常数.面层顶面与底面之间的温差在一日内的变化,具有同气温变化近乎同步的周期性特点(见图3-4).通常在早晨某一时刻(7:00-9:00)温差为零,午后某时(1:00-2:00)顶温高于底温(正温差)达最大值,而在凌晨某时(3:00-5:00)负温差达最大值.,在一年中,路面结构不同深度处月均温度的周期性变化与月均气温的变化基本上是同步的(见图3-5).平均气温最高为7月份,最低为1月份.路面结构也一样.面层的最大温度梯度在一年内也呈周期性变化,最高在5-7月份,最低为12-1月份.,二、影响路面温度的因素:,路面材料的物理性能参数,2、内部因素:辐射热的吸收能力b(%),热传导率(cul/s),热容量S(T/).路面材料的物理性能见下表.,1、外部因素:太阳辐射能,气温,风,雨,蒸发等.,三、路面温度的预测方法:,1、理论法:美国Barber从温度场概念来描述,设路面在水平方向为均布.,1)沿深度方向温度均可用一维热传导方程来表示.,2)边界条件:路面结构为均质半无限体 用有效温度代替路表温度有效温度te随时间呈正弦周期性变化.,tM为平均有效温度,tV为有效温度振幅,tA为日平均气温,tR为日气温差(),C为路面材料热物理性能综合参数，H为对流换热系数与面层材料导热系数比值,V为平均风速,R为温度增量,Q为太阳辐射日总量,由这些条件可解出:,求路面最高温度时,以z=0,sin函数为1计,则,2.统计法:,由实测(在不同深度处埋设测温元件)回归分析回归方程,无锡(AC路面):,上海(AC路面):,综合上海、重庆、广州、北京等地水泥混凝土路面统一回归后,得水泥混凝土(22cm厚)最大温度梯度.,按均质半无限体假设,由路表热平衡和传热学原理也可推得,二元回归:,一元回归:,(相关系数 r=0.845,标准离差别 s=0.103/),理论公式,此理论公式与二元回归经验公式结果非常相近.,四、全国温度区域划分:,由全国56个气象观测站资料,水泥混凝土路面(面层厚度为22)设计时Tmax建议值,见下表:,夏季、气温高时取大值,海拔高、空气湿度大时取高值.,对其它厚度面层取值可考虑面层修正系数h,路面越薄,修正系数越高.,3.3 路基湿度状况,一、湿度的来源和变迁:,1.大气降水或蒸发:,蒸发将循相同路径使水分从路基内溢出。,上述因素对路基湿度的影响情况和程度同当地的自然条件和道路结构特性有关。,2）由不透水路面的接缝或裂缝渗入；,1）由透水的路肩、边坡渗水（通过毛细润湿作用向路基中部移动；,3）由透水路面渗入。,2.地面水:径流，洼地积水，沟渠或河塘中的水可通过渗透或毛细润湿作用（非饱和土具有负孔隙水压力）路基。,3.地下水:地下水位高于路基时地下水迁移；地下水位低于路基时 地下水毛细上升作用影响路基的湿度状况,4.温度:T较大时，水分从高（热）处往低（冷）处迁移，对多年冻土地区影响很大。,北方季节性冰冻地区，路基在冻结时，土中未冻的水分会向冻结线（冰冻线）附近积聚，春暖花开时，由于路面导热性大，使路基上中部的土先溶解，水分无法排除，而呈过湿状态，随着土中水分排除和蒸发，路基湿度才会下降。,粉性土比砂性土毛细作用更强，渗透性又好，容易积聚水分。对不透水路面，会减少降水和蒸发对路基湿度的影响。对于透水路面，上层路基的湿度状况将受到降水和蒸发的影响，季节性变化大。,二、路基的干湿类型：,1、类型：干燥、中湿、潮湿、过湿四种。当然干燥、中湿为较理想路基。,2、判定标准：,1）不利季节路槽底面以下80cm内的土层“平均相对含水量”W,2）不利季节路槽底面以下80cm内的土层“平均稠度”Wc（见P32表3-6，3-7）,为含水量平均值，Wy为76g锥液限,WL为土的塑限，WP为100g锥所测的液限,3、分类标准：,临界高度有H1、H2、H3。（见P32-35表3-8）,干燥：W cWc1 HH 1,3）路基相对高度H（相对于地下水位或明的地表积水位）,在无地表积水且地下水较深地段，为利于充分排水，保证路基干燥稳定的最小填土高度见P35表3-9。,水文地质条件不良地段，路基设计最小填土高度应满足路基处于干燥、中湿状态的临界高度。对潮湿、过湿路基须进行处理，以符合设计要求。,中湿：Wc1W cWc2 H2 H H 1,潮湿：Wc2W cWc3 H3 HH 2,过湿：W cWc3 HH3,三、湿度状况预估经验法,1.按所属自然区划和路基干湿类型预估。见P36例题,2.现场调查预估法,1）将路分段；2）每段上取几个断面测定含水量；3）画出相对含水量断面图,3.类比法：在同一范围内有类似的现有道路路段（已有湿度资料或实测湿度）还要进行可靠性设计，让保证率达到90-95%或95%左右。,四、季节性冰冻地区湿度状况及其工程意义,1、负湿度梯度：由于自由表面能下降，使水分向上迁移，为达到平衡，引起冻胀和水分积聚,2、工程问题：1）冻胀引起开裂；2）春融引起路基性能降低（此时孔隙水压力很大）3）泥浆上渗，引起翻浆、冒泥。,3、翻浆、冒泥形成5个条件：,1）土质条件；,与毛细力大小、渗透性大小有关。粉土、极细砂易形成冻胀土；砂的冻胀较轻（毛细上升系数小，渗透性大）；粘土冻胀也轻（毛细上升系数大，但渗透性小）。,2）水文条件；3）气候条件；4）行车荷载；5）养护条件。,作业：3.6；3.7,第四章,材料的力学性能Mechanical Property of Material,前两章考虑了外部对路基路面的影响，这章将从内部考虑对路基路面的影响。,路基路面材料大致可分外为三类：,1.土和颗粒材料,2.沥青类材料（有机结合料）,3.水硬性材料（无机结合料）-水泥、石灰、粉煤灰,材料的力学特性：,1.强度（破坏）特性：抗剪强度、抗拉强度、疲劳强度,2.刚度（变形）特性：应力-应变关系、变形累积,3.稳定性：,4.1 极限强度,定义：指材料静载一次作用下达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大应力。,路基路面结构可能出现的强度破坏常为两种：,1.剪应力过大引起某一滑动面的滑移或相对变位。如路基的坍塌和沥青面层的拥起等。,2.正应力过大引起的断裂。如气温突然下降或轮载过重。,一.抗剪强度：,面层厚度较薄而刚度较低时，传给土基的应力较大，有可能出现土基承载力不足而引起的剪切破坏。对于高等级路面，这种情况一般不会出现。面层较厚但刚度较低（如高温下沥青面层）时，如受到较大的水平力（如紧急制动），就有可能因沥青混合料的抗剪强度不足而出现推移等破坏。,抗剪强度为材料受剪时的极限或最大应力。按摩尔-库伦强度理论，抗剪强度由两部分组成：,一是摩擦阻力部分，同作用在剪切面上的法向应力成正比。tg,另一是同法向应力无关的粘结力部分。,=tg+c 为内摩擦角，c、是表征材料抗剪强度的两个参数。,c、可通过直剪试验绘出曲线后按上式确定。也可通过三轴压缩试验绘出摩尔圆和相应的包络线后按上式的直接关系近似确定。由于三轴试验与实际受力状况接近，目前大多数采用这种方法。三轴试验中试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍，试件高度和直径之比不应小于2（h/d2)，集料最大粒径小于2.5cm时，目前大多采用10cm试件直径，高为20cm.对能做抗拉和无侧限抗压试验的材料，还可根据所测的抗压强度c和抗拉强度t来推算c、。,土和颗粒材料抗剪强度是由矿质颗粒之间的摩擦、嵌挤以及毛细和吸附等作用形成的。故其 f与颗粒的大小和形状、矿物成分和级配、密实度和含水量、受力条件等因素有关。饱和软粘土在快速加荷时 0；干砂没有粘聚力 c=0，而 2835；碎石材料的可达40 60；石料等级高，形状接近于立方体，有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、压实紧密的，就大。,沥青混合料的粘结力取决于：,1）沥青的粘度。粘度越高，粘结力也越大。,2）沥青用量。用量过少，不足于充分涂敷在矿质颗粒；用量过多，又将使颗粒被挤开，两种情况都会使粘结力降低。因而存在一最佳沥青用量，使粘结力达最大。,4）混合料中矿质颗粒存在相互滑移和错位阻力，但因有沥青涂敷，其比纯粒料有所下降，沥青含量越高，值下降越多。而集料级配良好，富有棱角时，有助于提高。,3）沥青的粘度受温度和应力作用时间（剪切速率）的影响很大，随温度升高而下降，随剪切速率下降而c下降。,二、抗拉强度t：,1）车辆紧急刹车时，车轮后侧的路面将受到很大的径向力；,t可由直接拉伸试验或间接拉伸试验确定。,2）面层在气温骤降，其收缩受下层摩阻约束时，也会产生较大拉应力。,1.直接拉伸试验：,将混合料做成h/d=2.53倍的圆柱形试件，见P40,其两端用环氧树脂粘于金属帽上，通过安装在试件上的变形传感器测得各级荷载应力下的应变（变形）值，做成-曲线，max为抗拉强度。,2.间接拉伸试验（劈裂试验）：,将材料做成较短的圆柱形试件（hD）,见P40,测试时沿试件的直径方向加压，按一定速率加在垫条上，直到试件开裂破坏，抗拉强度t=2Pmax/(hD)。试验中垫条对试件的应力分布和极限强度Pmax有显著影响，常取垫条宽a=1.27cm,由硬质橡胶或金属做成，其一面的弧度与试件相同。若考虑其影响可乘一改正系数0.9838。路面材料的抗拉强度t主要由粘结力c提供：影响因素为1）沥青混合料的t，随沥青含量和施荷速率增加而增加，随针入度和温度T增加而下降，而在负温下，t随针入度和温度T降低而下降；增加混合料的密实度，t 上升，密级配混合料的t高于开级配混合料，对密级配混合料，t随粒径dmax减少而增加。2）水泥混凝土、石灰稳定土、工业废渣等水硬性材料，其t除受集料组成、含量及拌制均匀性、压实程度影响外，而且与龄期有关。,3.抗弯拉强度（抗折强度）b：,大多通过室内小梁试验测定。试件高h和宽b不小于集料最大粒径的4倍。,整体性材料（水泥混凝土、水泥稳定土或石灰工业废渣稳定土）及常、低温下的沥青混合料具有一定的抗弯拉强度。在超过允许荷载作用下，有可能在结构层底面产生较大的拉应力，而在材料的b 不足时出现断裂破坏。,根据材料情况可做成三种小梁：采用三分点加荷，材料的抗弯拉强度:,1）5cm5cm24cm,测试支点跨度为15cm，可用于石灰（或水泥）稳定土和沥青砂（细粒式）。,）10cm10cm40cm,测试支点跨度为30cm，用于最大粒径为.cm的稳定类材料和中粒式沥青混合料。,）15cm15cm55cm,测试支点跨度为45cm，用于最大粒径为3.cm的稳定类材料、粗粒式沥青混合料和水泥混凝土。,影响沥青混合料或水硬性材料的 b 与抗拉强度t相同。,l,P,.疲劳特性,.定义：材料承受多次重复应力作用会在低于材料极限强度的应力值出现破坏的现象。.产生原因：材质不均匀，引起应力集中后出现裂纹，在应力反复作用下逐渐扩展，从而使受力面积减少，应力下降，导致破坏。.疲劳极限：出现疲劳破坏的反复应力大小（疲劳强度）随应力重复次数的增加而降低。有些材料在应力反复作用一定次数（如一千万次）后，出现破坏时的反复应力值不再下降而趋于稳定，此稳定值叫疲劳极限。.研究目的：）了解影响疲劳特性的因素，以便改进材料的组成，提高其使用寿命。）寻求材料的疲劳强度与反复应力作用次数间的定量关系（疲劳方程），以便估计路面的疲劳寿命。一、沥青混合料的疲劳特性：.试验方法和疲劳方程：室内研究是在简支小梁或梯形悬臂式试件或圆柱体试件（间接拉伸疲劳）上施加脉冲或正弦式反复荷载应力进行的。由于沥青混合料的模量较低，应力反复施加过程中，试件的实际应力状态和应变量会不断发生变化，为此采用控制正应力或正应变试验。,）控制应力的疲劳试验：在试验过程中每次施加的荷载或应力值保持不变。这时由于试件内的微裂纹逐步扩展，材料的劲度不断下降，应变不断增加，最终导致试件破裂。）控制应变的疲劳试验：不断调节（减少）所施加的荷载或应力，使试件产生的变形或应变值保持不变。前一种试验疲劳破坏以试件出现断裂为标志，后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只能主观地以劲度下降到加荷200次时的某一百分率（40%或50%)作为疲劳破坏的统一标准。）试验表明：其疲劳寿命Nf 随施加应力 r或应变r 的增大而减小。,a、b、c、d同沥青混合料的组成和试验条件有关的回归系数。,控制应变试验得到的Nf 比控制应力得到的Nf 大得多。二者差别大小与温度有关，高温下差别很大。,提高沥青混合料的密实度、适当增加沥青用量可减轻应力集中现象，使寿命延长。,影响Nf 因素见42表4-1。两种试验方法得到不同和疲劳性状。原因在于破坏机理的差异。集中产生微裂隙后，在控制应力试验中：模量E，裂隙迅速扩展；而在应变控制试验中，应力不断减小，裂隙的扩展便延续很长时间。E越小，延续时间越长，于是劲度低的材料，其Nf 越大。,疲劳试验时应选择何种加载方式应视具体情况而定。厚沥青面层，选用控制应力试验，得出Nf 小，偏安全。对薄沥青面层，采用控制应变试验。,室内疲劳试验与路面的野外实际并不一致，所得Nf 比实际小，故常采用室内试验与试验路面相结合定。,二、水硬性材料的疲劳特性：,1、试验方法和疲劳特性：,1）方法：小梁（室内）试验，施加不变反复荷载（控制应力）进行。其Nf 取决于 r/b 的比值。,2）疲劳方程：r/b=-tgNf，、为回归系数，与材料性质和试验条件有关。在 r0.75 b的范围内，反复应力施加的频率对试验的结果影响很小。在一定 下，水硬性材料的疲劳寿命Nf取决于极限强度。故有助于提高材料强度的措施，也有利于Nf的提高。,3）上述疲劳试验是 r在0-最大的变动循环内进行的，但水泥混凝土路面实际受到荷载应力荷和温度应力温共同作用，变动于min（温）和温+荷之间，称为高低应力比R=min/max。通过对高低应力比的疲劳试验进行回归分析，有：,=0.0724，其中、a、b由可靠度定。见表4-2（P43),室内试验同样与野外实际有出入，但由于野外自然环境对混凝土的不利影响，使室内的疲劳方程反而偏不安全。同样要结合实际进行修正。,三、迈因纳定律：,使用中用单一不变的荷载反复作用，而实际上车辆荷载是轻重不一的，故还须考虑不同级位荷载产生的综合疲劳破坏问题。常用迈因纳定律：即各级荷载级位下材料的疲劳损耗可以采用线性叠加的方法予以累积。,Ni荷载级位i的作用次数，Ni第i级荷载的疲劳寿命。,也可用换算系数,N为标准轴载的疲劳寿命。,4.3 变 形 特 性,一、变形分析：,材料受力后，变形有弹性、粘弹性、粘性和塑性四种变形。,左图表材料在脉冲应力 0作用下 与t的关系曲线，加荷后立即产生弹性应变和塑性应变（e+p),仅同 0有关。卸荷后e立即消失，而p保留下来。粘性应变v和粘弹性应变ve在受荷时间内会不断增大，但粘性应变v在卸载后不再变化，而ve在卸载后不断变小，在施加另一脉冲荷载时，还会残存部分ve间歇时间tB越长，则ve越小。e、ve属可恢复的，统称为回台弹变形。残余应变有p，v 和ve逐渐积累。,1.沥青混合料的蠕变试验：在一定温度、荷载下随时间增加应变将增长。当小，t短时，基本处于弹性或粘弹性状态。当大，t长时，处于弹-粘-塑性状态。且沥青的粘滞性同温度关系很大。低温时，属弹性体，高温时属弹-粘性或弹-粘-塑性体。,2.土和颗粒材料：具弹-塑性质，当细料含量和湿度增加时，还会呈粘性性质。,3.水硬性材料：随龄期增加，接近弹性变形体。,二、应力应变关系：E=/,路基土和路面材料都不是理想弹性体，-关系为非线性，其E随应力级位的大小和取值而异。1)切线弹性模量Et;2)割线模量Es;3)回弹模量Er;4)弯拉模量Eb.,1.土和颗粒材料：用三轴试验测得Er（回弹模量）随d增大而减小。随侧应力3增大而增大。试验表明，粘性土受3影响可忽略，而砂性土和碎（砾）石材，,2.水硬性材料的模量E：同强度一样随龄期增加会不断增大，与在大范围内呈线性关系，见P46图4-12，弯拉回弹模量与压缩回弹模量值较接近，同一量级。,K1、K2为回归系数，为主应力之和，=1+2+3=d+3 3,Er除受 d、3影响外，还与材料颗粒形状、密实度、级配、细料有关。,3.沥青混合料的模量Sm：不仅同荷载大小有关，且与时间及温度有关，叫劲度模量。,Sm可通过疲劳试验在控制时间和温度下测得应力和应变的振幅（或最大值）,按两者的比值确定.,Sm可由沥青劲度Sb及集料的体积Vg（%）和沥青体积Vb来予估。（诺谟图）见P47,当温度较高且时间较长时，而沥青Sb10MPa时，沥青作用减弱。混合料的劲度除了受Vg、Vb、Sb影响外，还与集料组成、形状、级配、密实度、压实方法、空隙率侧限条件有关。因为此时混合料的抗变形能力几乎全由骨料承担。,三、泊松比：=-/,对应力、位移计算结果影响小，故取用它们的代表值。,CC：=0.15；细粒料：=0.30.5；颗粒材料：=0.20.5；沥青混合料：=0.250.5；水硬性材料：=0.10.25,四、变形积累：,路面在行车荷载反复作用下，会引起疲劳破坏外，还会因变形累积产生沉陷和车辙。,1.土进行重复加载试验表明，d（重复加载应力水平)/c(静抗压强度)低时，轴向总应变a(或残余应变)随应力作用次数N的增长在单对数或双对数坐标上呈线性关系,尤其是加载应力较低时,累积应变会因土体被压实而趋稳定.但重复加载应力超过某一临界值后，土体会产生剪切变形而剪裂。此临界值同土体的类型、状态(含水量、密实度)有关。,土相对含水量0.7时,其临界值急剧下降,粘土:0.09;粉性土:0.1;砂性土:0.120.15,回弹模量Er则随回弹应变r值在应力重复过程中波动,且在路基土通常范围(0.1MPa)随重复应力的增大而下降.,2.碎(砾)石材料在重复应力作用下与细粒土相似,级配好的颗粒材料在d小时,随N增加k趋于稳定,但d 较大时,则永久应变随作用次数不断增长,直到破坏.级配差的材料,在应力重复作用很多次后,永久变形仍继续发展.,3.沥青在稠度低、加荷时间长(t大)和温度高(T大)时,表现为弹-粘-塑性体,出现大的r。T越高,越大，则永久应变累积就越大，与加荷速率、间歇时间关系不大,但与集料情况有关。有棱角的比圆形的E大,小；密级配的比开级配的好,压实方法和程度也会有影响。,总之,沥青的累积变形与P、T、t、沥青含量、级配、集料形状、作用次数有关.,控制累积变形主要是加载的总的时间.,4.4 荷载和弯沉关系,在实际车轮荷载下，路基路面结构在各点的应力都不一样，而其模量又随作用应力的大小而变，即使土和材料本身是均质和各向同性的，它们在各点的模量值仍不相同，而在设计中要考虑这E的变化很困难。为此实际中采用直接研究路基顶面在局部荷载下的竖向变形（又称弯沉），实际是挠度。,利用承载板试验得到的荷载-弯沉关系确定一个单一的当量模量。这种模量是相当于整个路基内某种应力场的平均模量值。此外，也有采用地基反应模量和加州承载比。,一、半无限体的荷载弯沉关系：,1、对于集中力作用下半无限体表面距荷载作用点r处的弯沉：,2、对q分布在半径上的均匀荷载：,0为荷载作用中心点处。,为荷载作用边缘处。,为荷载作用 r 处。m=/r,3.在双轮均布荷载作用下：,其他 点处的弯沉可由叠加而得。,4.刚性圆形承载板加载时：,压板本身不变形,二、路基回弹模量E 0：反映路基土体的弹性性质,试验时，采用钢质的刚性承载板，以逐级加载、卸载法测得各级荷载下回弹变形值，画出荷载-回弹变形曲线。柔性路面设计时，按1.0弯沉值定E 0.承载板直径大小对测定结果也有影响，规定采用标准轴载（100KN）一侧双轮组轮胎的传压面的当量圆直径，=15.1cm,Er除随压力大小而变外，与路基土本身类型、湿度有关，设计时通过试验实测而得