第一章路面工程概述.docx
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第一章路面工程概述
第一章路面工程概述
第一节路工程道发展概况
一、道路工程发展历史
1、建国以前：
最早在夏禹时代，有道路里程的概念；以后各朝代道路修筑均有所发展，但缓慢；
到建国前：
维持通车8万km，全国1/3的县不同公路，西藏无公路
古代：
唐代2.2万km驿道网
近代：
1921年中国修建了第一条公路“长沙－湘潭”51km,1949年8万km。
特点：
数量少，质量差，标准低。
2、建国后（尤其1978年后）
公路总里程骤增；等级不断提高；高速公路从无到有。
截止2003年底全国公路总里程180.98万km,其中等级公路里程143.87万km，占79.5％，占高速公路29745km.一级29903km,二级211929km,三级324788km,四级842373km,等外路371090km。
由有路面公路里程194.74km占91.0％。
高级路面344271km，次高级443846km,中级425986km，低级433312km，无路面162416km.目前，通公路的行政村占全国总数的91.9％，尚有173个乡镇56693个行政村不通。
2003年底，全国桥梁31.08万座，1246.61万延米；隧道2175处，100.10万延米。
国道交通观测站4638个，连续式观测站247个，间隙式3293个。
3、预期目标
2020年:
东部95%的人口30分钟以内上高速
中部85%的人口60分钟以内上高速
西部75%的人口120分钟内上高速
二、道路工程发展现状
1、发展现状
（1）现代交通运输系统：
铁路、公路、水运、航运、管道五种运输方式各有特点（载体、覆盖范围、特色、局限性）；
（2）高速公路现状：
总里程4.5万km，全国分布密度不均匀；
（3）路基路面技术现状（设计方法、使用性能、存在问题）。
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）公路建设质量差，20％高速公路出现早期大修。
三、道路工程发展趋势
技术发展趋势：
（1）服务功能方面：
安全化（复杂路况、特殊灾害性天气条件、不良地质状况）、智能化（以人为本、彩色、荧光、融雪）、环保化（排水、降噪、低吸热、吸收汽车尾气）；
（2）技术性能方面：
资源节约、环境友好、寿命延长、性能提升（高温、低温、水稳定性、疲劳）。
四、国内外道路工程发展对比
1、国外道路发展；
2、70年底进入大发展时期，目前公路网已经基本建成；
3、进入全面运营管理阶段；
4、国内外道路现状横比。
第二节路基路面工程的特点
一、公路
公路是指联接城市、乡村和工矿基地之间，主要供汽车行驶并具备一定技术标准和设施的道路称公路。
公路的主要组成部分有路基、路面、桥梁、涵洞、渡口码头、隧道、绿化、通讯、照明等设备及其它沿线设施组成。
1、路基
路基是公路的基本结构，是支撑路面结构的基础，与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。
2、路面
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，经受自然气候和侵蚀和影响，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。
二、路基路面的基本特点（宏观）
1、建筑材料广、地方性、废物利用；
2、工程量大；
3、线形带状；
4、施工工艺较简单，但季节性强，讲究工序（水文地质情况复杂，气候多变）；
5、受自然因素和人为因素影响，变异性和不确定性大。
三、路基路面应具有的基本性能
1、承载能力：
强度与刚度；
2、稳定性；
3、耐久性（寿命）；
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）；
6、具有足够的抗渗透性；
7、具有低噪声、低扬尘性并减少对环境的负面影响。
第三节影响路基路面稳定的因素
一、主要影响因素（主要影响路基）
1、地理条件（几何）；
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。
第四节路基土的分类
一、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、土颗粒的矿物成分或其余物质的含量、土的塑性指标等来划分。
二、我国公路路基土的分类
1、划分依据：
土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中有机质存在情况。
2、分类：
巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土，并进一步细分为11类。
三、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。
第五节公路自然区划
一、公路自然区划
为了区分各地自然区域的筑路特性，经过长期研究，制定了公路自然区划标准，见图3—1（见教材）。
（一）、区划的原则与分级
1、区划原则
（1）道路工程特征相似的原则；
（2）地表气候区划差异性的原则；
（3）自然气候因素既有综合又有主导作用的原则。
2、区划分级
（1）一级区划
以两条均温等值线：
全年均温－2℃等值线和一月份均温0℃等值线；两条等高线：
1000m和3000m作为一级区划的标志，将全国分成七个一级区，见表3-1。
代号
一级区名
平均温度（℃）
平均最大冻深（cm）
潮湿系数K
地形阶梯
土质带
I
北部多年冻土区
全年＜－2
＞200
0.5~1.00
东部1000m等高线两侧
棕粘性土
II
东部湿润季冻区
1月＜0
10~200
0.5~1.00
东部1000m等高线以东
棕粘性土,黑粘性土,冲击土,软土
III
黄土高原干湿过渡区
1月＜0
20~140
0.25~1.00
东部1000m等高线以西,西南3000m等高线以东
黄土
IV
东南湿热区
1月＞0
全年14~26
＜10
1.00~2.25
东部1000m等高线以东
黄棕粘土,红粘性土,软土
V
西南潮湿区
1月＞0
全年14~22
＞20
1.00~2.00~
东部1000m等高线以西,西南3000等高线以东
紫粘土,红色石灰土,砖红粘性土
VI
西北干旱区
1月＜0
山区垂直分布
东部100~250,
西部40~100
东部0.25~0.5,
西部＜005
东部1000m等高线以西,西南3000m等高线以北
栗粘性土,砂砾土,碎石土
VII
青藏高寒区
1月＜0
除南端外
40~250
0.25~1.50
西南3000m等高线以北
砂砾土,软土
表3-1自然区划
（2）二级区划
①二级区划以潮湿系数为主要区分标志。
②在7个一级区划内进一步分为33个二级区和19个副区（亚区），具体见《公路自然区划标准》。
潮湿系数K为年降水量（mm）与年蒸发量（mm）的比值，按区内的K值大小分为六个等级，见表3—2表示。
名称
过湿区
中湿区
湿润区
润干区
中干区
过干区
K
＞2.00
2.00~1.50
1.50~1.00
1.00~0.50
0.50~0.25
＜0.25
表公路自然区划
（3）三级区划
三级区划是二级区划的进一步划分。
3.各自然区划的筑路特点
（1）I区——北部多年冻土区：
防止翻浆，应采取换土、稳定土、砂垫层等处理方法。
（2）Ⅱ区——东部温润季冻区：
防止翻浆和冻胀。
（3）Ⅲ区——黄土高原干湿过渡区：
黄土对水分的敏感性，干燥土基强度高、稳定性好。
（4）Ⅳ区——东南湿热区：
防止水毁、冲刷、滑坡。
（5）V区——西南潮暖区：
充分利用当地材料筑路。
（6）Ⅵ区——西北干旱区：
沥青面层材料应具有良好的防透水性；砂石路面经常出现松散，搓板和波浪现象。
（7）Ⅶ区——青藏高寒区：
须按保温原则设计。
二、路基湿度状况分析
（一）路基湿度的来源
1．大气降水；
2.地面水；
3.地下水、毛细水；
4.水蒸汽凝结水；
5.薄膜移动水。
（二）、路基湿度状况的预估
1、按所属自然区划和路基潮湿类型估计
（1）干燥类
（2）中湿类
（3）潮湿类
（4）过湿类
通过对各自然区划内不同潮湿类型路基的湿度状况进行广泛调查后，可编制出区分各类路基潮湿类型的临界高度，以及分界相对稠度值，表3—5和表3—6（见教材）列出其中一部分数值可供参考。
下表所列区划界限确定道路所属的路基干湿类型：
路基干湿类型
路基平均稠度与分界相对稠度的关系
一般特性
干燥
路基干燥稳定,路面强度和稳定性不受地下水和地表水的影响。
路基高度H＞H1
中湿
Wc1≥＞Wc2
路基上部土层处于地下水或地表水影响的过渡带区内,路基高度H2＜H≤H1
潮湿
Wc2≥＞Wc3
路基上部土层处于地下水或地表水毛细影响区内,路基高度H3＜H≤H2
过湿
≤Wc3
路基不稳定、冰冻区春融翻浆,非冰冻区雨季软弹,路基经处理后方可铺筑路面，路基高度H＜H3
对于新建道路可以用路基临界高度作为判别标准，
•
（1）H1相对应于Wc1，为干燥和中湿状态的分界标准；
•
（2）H2相对应于Wc2，为中湿与潮湿状态的分界标准；
•（3）H3相对应于Wc3，为潮湿和过湿状态的分界标准。
•
当路基的地下水位或地表积水水位一定的情况下，路基的湿度由下而上逐渐减小,如图：
第六节路面温度状况分析
一、温度变化
路表温度的周期性起伏，同气温的变化几乎完全同步。
由于部分太阳辐射热被路面所吸收，路面的温度较气温高，面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化而呈现周期性变化，但起伏的幅度则随深度的增加而减小，其峰值也随深度的增加而越来越滞后出现。
图3-4和图3-5分别显示了夏季晴天的情况下沥青类面层和水泥混凝土面层温度的日变化观测结果。
路表温度的周期性起伏，同气温的变化几乎完全同步。
图3-4沥青面层温度日变化曲线
图3-5水泥混凝土面层温度日变化曲线
路面结构内温度状况随深度而变化的情况，可以更明显地从一天内不同时刻的路面温度随深度分布的曲线图中看出，图3-6即为水泥混凝土面层的一个实例。
温度沿深度一般呈曲线分布。
顶面和底面之间的温度坡差（或称梯度），在一天内经历了由负（顶温低于底温）到正（顶温高于底温）再到负的循环变化，具有同气温变化近乎同步的周期性特点，见图3-7。
通常在早晨某一时刻（例如8：
00）梯度接近于零，午后某时刻（例如13：
00～14：
00）正温差达到最大值，而在凌晨某时刻（例如3：
00～5：
00）负温差达到最大值。
图3-7水泥混凝土面层温度梯度日变化曲线
云和雨对面层温度状况有很大的影响，特别在接近表面处。
云层遮住太阳时路面受到的辐射热降低，因而多云天气的面层温度日变化曲线出现局部波动，有许多小峰值。
雨天时，日气温变动很小，面层内各深度处的温度日变化曲线也波动很小，并且气温始终低于面层内温度，见图3-8。
图3-8雨天时沥青路面温度变化曲线
除了日变化之外，面层不同深度处的温度还随气温而经历着年变化，图3-9所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况。
可看出，平均气温为最高和最低的7月和1月份，面层的平均温度也相应为最高和最低值。
二、路面的温度状况
自然气温每年和每月都发生周期性变化，与大气直接接触的路面表面温度也相应的发生周期性变化。
路面表面温度周期性起伏与气温的变化基本上是一致的。
图3-10示沥青路面中一天中的温度变化。
可以看出，太阳辐射和气温对沥青路面有极大的影响。
沥青路面结构内不同深度处的温度，同样随气温变化也呈现出周期性的变化，但变化的幅度随离路表深度增大而减小。
图3-11示一个典型的温度随深度变化的情况。
影响路面结构内温度状况有外部的和内在的两种因素：
（1）外部：
气候条件，例如气温、太阳辐射、风力、降水量、蒸发量和冷凝作用等
（2）内在：
从地球长波辐射热的散发和热的特性,包括路面材料和地基的热传导率、热容量、对辐射热的吸收的能力等。
第七节路面结构及层位功能
一、路面横断面
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：
在路基上按路面行车道及硬路肩设计宽度开挖路槽，保留土路肩，形成浅槽，在槽内铺筑路面。
也可采用培槽方法，在路基两侧培槽，或半填半挖的方法培槽。
2、全铺式横断面：
在路基全部宽度内都铺筑路面。
在高等级公路建设中，有时为了将路面结构内部的水分迅速排出，在全宽范围内铺筑基层材料，保证水分由横向排入边沟。
有时考虑到道路交通的迅速增长，适应扩建的需要，将硬路肩及土路肩的位置全部按行车道标准铺筑面层。
在盛产石料的山区或较窄的路基上，全宽铺筑中、低级路面。
二路面结构与层次划分
（一）路面结构
为了保证路面上雨水及时排出，减少雨水对路面的浸润和渗透而减落路面结构强度，路面表面应做成直线和抛物线形的路拱。
路肩横坡度一般较路面横坡度大1%。
但是高速公路和一级公路的硬路肩采用与路面行车道相同的结构时，应采用与路面行车道相同的路面横坡度。
（二）路面结构层次的划分
路拱横坡度：
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坡大1％。
各类路面的路拱平均横坡度
（三）道路路面结构
1.路面结构：
面层、基层、垫层。
2.路面结构分层及层位功能
（1）面层【区别于路面】
①基本特点：
与外界直接接触。
②功能要求：
结构性及功能性。
③材料类型：
水泥混合料、沥青混合料及其他混合料。
④结构组成：
两层或三层。
面层作用：
面层应具备较高的结构强度，抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应当耐磨，不透水；其表面还应有良好的抗滑性和平整度。
面层结构：
面层有时分两层或三层铺筑，如高速公路沥青面层总厚度18~20cm，可分为上、中、下三层铺筑，并根据各分层的要求采用不同的级配等级。
所需材料：
水泥混凝土、沥青混凝土。
（2）基层
①基本特点：
行车荷载扩散。
②功能要求：
结构性。
③材料类型：
有机、无机结合料稳定类。
④结构组成：
两层或三层。
作用：
基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基层中去，是路面结构中的承重层。
因此，基层应具有强度和刚度，扩散荷载能力、水温稳定性。
结构：
基层也可分为两层或三层铺筑，称为基层（或上基层、基层）、底基层。
对底基层材料质量的要求可低些，可使用当地材料来修筑。
材料：
主要有各种结合料（如石灰、水泥或沥青等）稳定土或稳定碎（砾）石、贫水混凝土、天然砂砾、各种碎石和砾石、片石、块石或圆石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等）和土、砂、石所组成的混合料等。
注：
对于沥青路面来说，基层是主要的承重层；而对于水泥混凝土路面来说，由于路面板的刚度大，传递给基层的应力较小，所以基层的主要作用不是承重，而是提供均匀、密实的支撑。
（3）垫层
①基本特点：
承上启下（土基与基层）
②功能要求：
改善土基的温度和湿度状况，进一步扩散应力。
③材料类型：
水稳定性和隔温性好的松散材料或稳定土。
④结构组成：
一般为一层。
⑤作用：
垫层介于地基与基层之间，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，水稳定性和隔温性能。
⑥材料：
强度要求不一定高，但水稳定性和隔热性能好。
常用的垫层材料分为两类，一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣等组成的透水性垫层；另一类是用水泥或石灰稳定土的修筑的稳定类垫层。
⑦垫层结构位于基层以下，主要用于路基状况不良的路段，以确保路面结构不受路基中滞留的自由水的浸蚀以及冻融的危害。
通常认为路基处于以下状况，应专门设置垫层。
vA.地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段；
vB.排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段；
vC.季节性冰冻地区的中期、潮湿路段．可能产生冻胀需设防冻垫层的路段；
vD.基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。
⑧从垫层的设置目的与功能出发，垫层可分为以下几类：
（1）防水垫层；
（2）排水垫层；
（3）防污垫层：
（4）防冻垫层。
3.路面的等级划分
（1）路面类型
【按照材料组成分类】土路面、砂石路面、块体路面沥青路面、水泥路面、复合式路面、其他。
各类路面各结构层次可选用的组成材料
（2）例如：
沪嘉高速公路某段路面结构厚为69cm，面层由5cm中粒式沥青混凝土（防滑面），6cm粗粒式沥青混凝土组成；基层由8cm贯入式碎石，35cm粉煤式三渣，15cm砾石砂组成。
路面等级划分
（3）根据面层的使用品质、材料组成类型以及结构强度和稳定性，可以分为四个等级。
路面等级
面层类型
所适用的公路等级
高级
水泥混凝土、沥青混凝土、厂拌沥青碎石、整齐石块或条石
高速、一级、二级
次高级
沥青贯入式、路拌沥青碎石、沥青表面处治、半整齐石块
二级、三级
中级
泥结或级配碎砾石、水结碎石、不整齐石块、其它粒料
三级、四级
低级
各种粒料或当地材料改善土，如炉渣土、砾石土和砂砾土等
四级
4.路面的分级与分类
公路等级
路面等级
面层类型
设计年限（车）
设计年限内累计标准轴次万次／一车道
高速公路
一级公路
高级路面
沥青混凝土
１５
＞４００
二级公路
高级路面
沥青混凝土
１２
＞２００
次高级路面
热拌沥青碎石混合料、沥青贯入式
１０
100-200
三级公路
次高级路面
热拌沥青碎石混合料、沥青表面处治
８
１０～１００
四级公路
中级路面
水结碎石、泥结碎石、级配碎砾石、半整齐石块路面
５
≤１０
低级路面
粒料改善土
５
（1）高级路面
①公路等级：
高速、一、二级公路用；
②面层类型：
沥青砼、水泥砼；
③特点：
a.强度、刚度高，稳定性好；
b.使用寿命长，能适应较繁重的交通量；
c.平整无尘，能保证高速行车；
d.养护费用少，运输成本低；
e.投资大。
（2）次高级路面
①公路等级：
二、三级公路；
②面层类型：
沥青贯入式，沥青碎石、沥青表面处治；
③特点：
a.强度、刚度较高；
b.使用寿命较长，适应交通量较多；
c.行车速度较高；
d.造价较低；
e.费用和成本较高。
（3）中级路面
①公路等级：
四级公路；
②面层类型：
碎（砾）石、半整齐块石、粒料类。
③特点：
a.强度、刚度低，稳定性差；
b.平整度差，易扬尘；
c.仅适应较小交通量；
d.行车速度低，造价低；
e.养护费用高、运输成本高。
（4）低级路面
①公路等级：
四级公路；
②面层类型：
粒料、当地材料。
③特点：
a.强度、刚度最低；
b.水稳性、平整度均差，易扬尘；
c.仅适应较小交通量；
d.低速行车，适用较小交通量；
e.造价低，养护运输成本高。
5.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
目前三者之间正在不断转化，无严格区分界限。
路基路面工程的特点与内容
一、路基路面工程的特点
1．变异性大和不确定性因素多
2．设计——施工——养护管理系统
3．路基路面是一种复合结构
二、路基路面工程的研究内容
（一）路基和路面设计的内容
1．勘察调查
2．路基设计
3．路面设计
4．设计方案比选
（二）路基和路面施工的内容
1．准备工作
2．路基施工
3．路面施工
4．质量控制和检验
（三）路基和路面的规划、监测及养护维修内容
1．规划方面
2．监测方面
3．养护维修方面
任务小结
总论主要包含以下内容：
1、路基和路面是道路的主要工程结构物。
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用各种混合料铺筑而成的层状结构物。
2、对路基路面设计的要求主要集中于承载力、稳定性和耐久性等方面，对于路面还要求足够的表面平整度和抗滑性能。
3、根据我国各地自然条件及其对公路建筑物影响的主要特征，制定《公路自然区划标准》（JTJ003-1986），相应地列出了不同地理区域自然条件对公路工程影响的差异性，并在路基路面的设计、施工和养护中采取适当的技术措施和设计参数。
4、我国公路用土依据土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中有机质存在的情况，分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土四类。
要根据各类土的工程性质合理选用。
5、在路基路面设计中，把路基干湿类型划分为四类：
干燥、中湿、潮湿和过湿。
可采用稠度指标进行判定，对于新建道路可采用临界高度判定。
为了保证路基的强度和稳定性不受地下水及地表积水的影响，在设计路基时，要求路基保持干燥或中湿状态，路槽底距地下水或地表积水的距离，要大于或等于干燥、中湿状态所对应的临界高速。
6、路面结构通常是分层铺筑的，按照使用要求、受力状况、土基支承条件和自然因素影响程度的不同，分成若干层次。
通常按照各个层位功能的不同，划分为三个层次，即面层、基层和垫层。
各层均具有各自的功能。
7、按照路面材料的不同，路面可分为沥青混凝土路面、水泥混凝土路面、沥青贯入式路面、沥青碎石路面、沥青表面处治路面及砂石路面等。
按照力学特性，路面可分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面。
习题
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。
三、计算题：
已知某市属于Ⅳ4区，有一段粘土路基，路面底面高出地面0.3m，地下水位距地面0.8m，请确定该路基的干湿类型和平均湿度。
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