第二章路基的力學(xué)特性及影響因素

2.1路基的作用及基本要求一、路基的作用1.路基是按照路線位置和一定技術(shù)要求修筑的帶狀構(gòu)造物，是路面的基礎(chǔ)，承受由路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載。

2.貫穿公路全線，與橋梁、隧道相連，構(gòu)成公路的整體。

3.路基工程對(duì)道路的正常使用影響很大，堅(jiān)固且穩(wěn)定的路基為道路長期承受車輛荷載和自然因素提供了重要保證，沒有穩(wěn)固的路基就沒有穩(wěn)固的路面。二、對(duì)路基的基本要求

現(xiàn)代化公路不僅要求公路能全天侯通行車輛，而且要求車輛能以一定的速度、安全、舒適且經(jīng)濟(jì)地在道路上運(yùn)行，要求公路具有良好的使用性能，提供良好的行駛條件和服務(wù)水平。為了保證公路最大限度地滿足車輛運(yùn)行的要求，提供車速、增強(qiáng)安全性和舒適性、降低成本和延長公路使用年限，要求路基具有一系列基本性能。

（1）路基工程設(shè)計(jì)應(yīng)符合安全適用、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的要求。（2）路基工程應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。（3）路基設(shè)計(jì)應(yīng)符合環(huán)境保護(hù)的要求，避免引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。（4）路基設(shè)計(jì)應(yīng)做好工程地質(zhì)勘察工作，查明水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，獲取設(shè)計(jì)所需要的巖土物理力學(xué)參數(shù)。

（5）路基設(shè)計(jì)應(yīng)從地基處理、路基填料選擇、路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性、防護(hù)工程、排水系統(tǒng)、以及關(guān)鍵部位路基施工技術(shù)等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。（6）路基設(shè)計(jì)宜避免高路堤與深路塹，當(dāng)路基中心填方高度超過20m、中心挖方深度超過30m時(shí)，宜結(jié)合路線方案與橋梁、隧道等構(gòu)造物或分離式路基作方案比選。（7）受水浸淹路段的路基邊緣標(biāo)高，應(yīng)不低于路基設(shè)計(jì)洪水頻率的水位加壅水高、波浪侵襲高，以及0.5m的安全高度。（8）水文及水文地質(zhì)條件不良地段的路基設(shè)計(jì)最小填土高度不應(yīng)小于路床處于中濕狀態(tài)的臨界高度；對(duì)潮濕、過濕狀態(tài)的路基進(jìn)行處理，處理后的土基回彈模量不小于路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的要求。（9）高速公路、一級(jí)公路的高邊坡路堤、陡坡路堤、挖方高邊坡、滑坡、軟土地區(qū)路基設(shè)計(jì)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì):以完整的施工設(shè)計(jì)圖為基礎(chǔ)，提出對(duì)施工方案的特殊要求和監(jiān)測(cè)要求，應(yīng)掌握施工現(xiàn)場的地質(zhì)狀況、施工情況和變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)的反饋信息，必要時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)做校核、修改和補(bǔ)充。（10）路基工程提倡采用成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝。2.2行車荷載及交通分析

路基路面的主要功能是長期保證車輛快速、安全、經(jīng)濟(jì)和舒適地通行。路基路面的服務(wù)對(duì)象是路面上行駛的車輛。路基路面承受的外部作用中主要部分是行車荷載。因此，首先應(yīng)對(duì)行駛的汽車進(jìn)行分析，了解行車荷載的特點(diǎn)。一車輛種類1、客車小客車（6座以下）、中客車（6座－20）、大客車（20座以下）交通量換算采用小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型。1.交通量以小客車為主，占36.3％；2.國際接軌。2、貨車整車、牽引式掛車、牽引式半掛車路面使用狀況評(píng)定，如平整度、抗滑性能，以小客車為主要對(duì)象。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以軸重作為荷載標(biāo)準(zhǔn)，采用重型貨車、大客車為主要對(duì)象，其他小型車，影響小，有時(shí)可以不計(jì)。車身全部重量都通過車軸上的車輪傳給路面，車輛的軸重的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力和結(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，各國對(duì)軸重的最大限度均有明確的規(guī)定。二、汽車的軸型

單后軸單輪組、單后軸雙輪組、雙后軸雙輪組

我國路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為單軸雙輪組100kN,通常認(rèn)為我國的道路車輛軸限為100kN，十分敏感問題，關(guān)系路面使用壽命和汽車工業(yè)發(fā)展。同97規(guī)范，世界各國設(shè)計(jì)軸載差距大，我國中等水平。

三、汽車對(duì)路面的靜態(tài)壓力車輛在路面上，分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)，停駐狀態(tài)時(shí)，對(duì)路面的作用為靜態(tài)壓力。三項(xiàng)理想化簡化：1.接觸壓力＝輪胎內(nèi)壓力2.接觸面上的壓力均勻分布。3.接觸面形狀簡化圓形。垂直壓力P

工程設(shè)計(jì)取0.7MPa一般p<pip=(0.8-0.9)pi超載p>pi設(shè)計(jì)通常取p=pi

當(dāng)車輪的一側(cè)為雙輪組時(shí)，其接觸面積一般可換算為面積與它相等的一個(gè)圓形面積。若將雙輪組的每一個(gè)輪子與路面的接觸面積為面積相等的圓形面積，則雙輪組可換算為兩個(gè)圓形面積。前者叫單圓式，后者叫雙圓式。都是當(dāng)量圓，不是真正的圓形。單圓荷載雙圓荷載標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100P=100/4=25kNp=700kPad=0.213mD=0.302m四、汽車對(duì)路面的動(dòng)態(tài)影響：車輛在路面上，分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)，行駛狀態(tài)時(shí)，對(duì)路面的作用為垂直靜壓力、水平力、振動(dòng)力。1、水平力

佛愛

---縱向滑移路面附著系數(shù)水泥路面＞瀝青路面；車速越高，越?。桓稍餇顟B(tài)＞潮濕狀態(tài)※公路一般不考慮水平力城市道路計(jì)算水平力，剪應(yīng)力破壞2、振動(dòng)力：呈正態(tài)分布影響系數(shù)（變異系數(shù)）軸載變化的變異系數(shù)影響因素：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。沖擊系數(shù)：振動(dòng)輪栽的最大峰值與靜載之比：

Kd=P動(dòng)/P靜

v<50Km/hKd<1.33.路面結(jié)構(gòu)受力有利方面：瞬時(shí)性

:v=60Km/hS=0.01-0.03s4.路面結(jié)構(gòu)受力不利方面：

重復(fù)性

行車以一定速率行經(jīng)路面時(shí)，路表面上任一點(diǎn)所經(jīng)受輪載的時(shí)間很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度處應(yīng)力持續(xù)作用時(shí)間稍長些，但仍很短。

如此短的荷載作用時(shí)間，使路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力來不及傳遞分布，其變形不會(huì)像靜載時(shí)那樣充分。美國公路工作者協(xié)會(huì)（AASHO）曾經(jīng)做過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面表面的變形進(jìn)行過實(shí)測(cè)，表明：當(dāng)車速由3.2km/h→56km/h時(shí)，柔性路面的總彎沉量f（變形）減少了36-38%；而當(dāng)車速由3.2km/h→96.7km/h時(shí)，剛性路面的板角撓度f和板邊應(yīng)變量ε降低了29%左右。五、交通分析

路面上通行的車輛具有不同的類型、軸重，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，因此，必須對(duì)交通量、軸載組成和增長規(guī)律進(jìn)行調(diào)查。通過適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⑺鼈儞Q算成當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)作用次數(shù)。1、交通量：道路某一斷面上單位時(shí)間內(nèi)通過的機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車或行人的數(shù)量，稱為交通量，亦稱為交通流量。時(shí)間單位以小時(shí)計(jì)的稱為小時(shí)交通量，以日計(jì)的稱為日(或晝夜)交通量。專用于統(tǒng)計(jì)車輛的稱為車流量、或機(jī)動(dòng)車流量，專用于統(tǒng)計(jì)行人的稱為人流量。

對(duì)于雙車道或單車道公路，交通量按雙向通過的數(shù)量計(jì)算；對(duì)于多車道公路(高速公路或一級(jí)公路)常以一個(gè)車道的單向通過車輛數(shù)計(jì)算，以“車輛數(shù)/h/車道”計(jì)。

交通量是道路分級(jí)和確定道路等級(jí)的主要依據(jù)。在規(guī)劃道路等級(jí)時(shí)，采用推算出來的遠(yuǎn)景設(shè)計(jì)年份的日交通量，一般用年平均日交通量(AADT)表示。其定義是一年的總交通量除以365d，并折算為適應(yīng)不同等級(jí)公路的交通量。

年平均日交通量代表著一年內(nèi)所有日交通量的平均值，可反應(yīng)出一年中大部分時(shí)間的交通流趨勢(shì)。a、初始年平均日交通量

交通量年平均增長率γ

b、設(shè)計(jì)年限內(nèi)累積交通量2、軸載組成與等效換算：1.觀測(cè)：人工、自動(dòng)共11類車輛

一定時(shí)間、一定期間或連續(xù)期間內(nèi)，對(duì)通過公路某一斷面各種類型車輛數(shù)量的觀測(cè)記錄工作。2.軸載譜：根據(jù)實(shí)測(cè)的通過軸載次數(shù)和相應(yīng)的軸載，整理成圖。3.等效換算：道路上行駛的汽車軸載與通行次數(shù)―――按照等效原則換算―――標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量通行次數(shù)。等效換算原則是：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。通過室內(nèi)或道路現(xiàn)場重復(fù)作用試驗(yàn)。：與車輛有關(guān)的系數(shù)；

不同重力的軸載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損傷程度差別較大，所以除關(guān)注交通量，還要關(guān)注各級(jí)軸載超載危害。超載１倍，危害１６倍

２倍，危害６４倍……

：與路面特性有關(guān)的系數(shù)3.輪跡橫向分布某一軸載的通行次數(shù)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)，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。規(guī)律：橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動(dòng)。單向行駛一車道、混合行駛雙車道路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用橫向分布系數(shù)來反應(yīng)輪跡的橫向分布頻率。2.3路基的力學(xué)特性及設(shè)計(jì)指標(biāo)一.路基受力狀況路基承受路面路基自重和汽車荷載兩種荷載，路基上部靠近路面結(jié)構(gòu)的一定深度范圍內(nèi)路基主要承受汽車荷載。路基設(shè)計(jì)應(yīng)使路基所受的力在路基的彈性范圍內(nèi)，車輛駛過后，路基恢復(fù)原狀，以保證路基相對(duì)穩(wěn)定，路面不致引起破壞。（一）行車荷載和自重是作用在路基的兩種主要外力，對(duì)于路基都按照豎直荷載考慮.（二）行車荷載產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)于路基的擾動(dòng)影響隨深度降低；自重應(yīng)力隨深度變大（三）附加應(yīng)力作用是瞬時(shí)的，自重應(yīng)力作用是永久的二、路基應(yīng)力工作區(qū)在路基某一深度處，車輪荷載引起的豎向應(yīng)力與路基自重引起的豎向應(yīng)力相比，所占比例很小，將這樣的深度叫做路基工作區(qū)，確切深度大約在附加應(yīng)力為自重應(yīng)力的1/10～1/5左右。三、路基土的應(yīng)力—應(yīng)變特性理論力學(xué)研究對(duì)象：質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)組、剛體。研究內(nèi)容：宏觀物體低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況。材料力學(xué)：桿狀構(gòu)件。結(jié)構(gòu)力學(xué)：桿件系統(tǒng)。彈性力學(xué)：實(shí)體系統(tǒng)（板、殼、擋土墻、堤壩、地基）理想彈性體：1.連續(xù)性2.完全彈性3.均勻性4.各向同性5.小變形6.無初始應(yīng)力路基的應(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。路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，三相物質(zhì)，固相部分又由不同成分、不同粒徑的顆粒組成，在應(yīng)力作用下的變形特性同理想的線彈性有很大不同。外部作用—內(nèi)力—應(yīng)力---應(yīng)變—位移由于車輛荷載作用的瞬時(shí)性，土基在大多數(shù)情況下接近彈性工作狀態(tài)，應(yīng)用彈性力學(xué)的理論來分析土基受力，---回彈模量。

四、應(yīng)力重復(fù)作用五評(píng)價(jià)指標(biāo)（土基的承載能力）路基作為路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它抵抗行車荷載的能力的大小，主要決定于路基在一定應(yīng)力級(jí)位下抵抗變形的能力，所以，路基的承載能力采用一定應(yīng)力級(jí)位下抵抗變形的能力。表征路基承載力的參數(shù)指標(biāo)：逐級(jí)加載卸載法，每級(jí)增加0.04MPa，卸載穩(wěn)定1min后讀取回彈彎沉值，再加下一級(jí)荷載，回彈變形值超過1mm，則停止加載。點(diǎn)繪荷載—回彈彎沉曲線。一般取p<0.5MPali<1mm的部分計(jì)算承載板直徑D=2a=28cm或30cm以土基回彈模量表征路基的承載能力，可以反應(yīng)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)用彈性理論描述路基荷載與變形的關(guān)系。形式簡單，不涉及泊松比，適用于剛性路面分析E.WinKler地基假設(shè)：土基頂面載一點(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)處的壓力無關(guān)。（彈簧地基，稠密液體地基）

測(cè)定方法：標(biāo)準(zhǔn)壓頭端部面積19.35cm2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，直到壓入深度達(dá)到1.27cm時(shí)為止。3in2標(biāo)準(zhǔn)壓頭，以0.05in/min壓入土體，記錄每壓入0.1in時(shí)的單位壓力，直至深度達(dá)到0.5in為止。

p—對(duì)應(yīng)某貫入度的土基單位壓力KPaPs—相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力KPa

計(jì)算CBR值時(shí)，取貫入度位0.254cm；但當(dāng)0.254cm時(shí)的CBR值小于貫入度為