路基路面工程教案全.docx
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路基路面工程教案全
第一章总论
教学目标
掌握路基路面工程特点，路面结构基层位功能；熟悉路基的水温状况及干湿类型，路面的等级与分类；了解影响路基路面稳定的因素，公路自然区划，路基土的分类；
重点：
路面结构基层位的基本概念、功能。
§1-1道路工程发展概况
一、古代道路发展概况
1.道路：
4000多年前：
车和行车的路
商代：
驿道传送
西周：
以都市为中心
秦代：
大修驰道、直道
西汉：
驿亭3万处
唐代：
以长安为中心的驿道网
清末：
修建了简陋的公路
1912-1949：
13万km，通车8万km
2.路面结构：
我国古代：
条石、块石和石板
欧洲：
石料
20世纪：
形成新的学科分支
二、我国路基路面工程的成果
1.公路自然区划：
7大区
2.土的工程分类：
巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土
3.路基强度与稳定性
以回弹模量作为评价路基强度与稳定性的力学指标。
4.高路堤修筑技术与支挡结构
5.软土地基稳定技术
6.岩石路基爆破技术
7.沥青路面结构：
60年代初，揭开了用国产沥青筑路的序幕。
早期的沥青路面薄层表面处治层。
70年代末，逐步形成了以贯入式路面为主的沥青路面承重结构。
80年代末采用总厚度超过70cm的重型沥青路面结构。
形成了沥青路面整套技术。
8.水泥混凝土路面结构：
70年代中期，采用水泥混凝土路面结构。
在我国形成丁关于水泥混凝土路面结构的整套技术。
9.柔性路面设计理论与方法：
在力学理论基础方面，建立了弹性力学多层结构承受多个圆形荷载的分析系统。
10.刚性路面设计理论与方法:
在力学基础理论方面，运用解析法及有限元法建立弹性力学层状结构，弹性地基板体结构模型。
11.半刚性路面结构:
一种主要的结构型式。
12.路面使用性能与表面特性:
路面的平整度、破损程度、承载能力及抗滑性能。
13.路面养护管理：
路面管理网络系统、项目和路网级优化管理决策。
三、引起重视的学科
1.材料科学：
材料微观结构研究，复合材料研究。
2.岩土工程学：
土力学、岩石力学、地质学、土质学、水文地质学等。
3.结构分析理论：
设计由经验为主演变成以结构分析理论为主。
4.机电工程：
施工装备的性能与施工工艺。
5.自动控制与量测技术：
在施工过程中严格控制各项指标。
6.现代管理科学：
大型的管理系统，对区域范围内路基路面工程各个阶段的信息进行跟踪、采集、存储、处理、定期作评估和预测。
§1-2路基路面工程的特点
1.路基定义：
在天然地面上按道路的设计线形（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。
2.路面定义：
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。
3.特点：
路基是路面结构的基础，路面结构层的存在又保护了路基。
路基和路面相辅相成。
路基与路面工程工程数量十分可观。
路面结构在道路造价中所占比重很大，达到30％左右。
路基路面是一项线形工程，决定了路基与路面工程复杂多变的特点。
一、承载能力
要求路基路面结构整体及其各组成部分具有与行车荷载相适应的承载能力。
结构承载能力包括强度与刚度两方面。
强度——抵抗车轮荷载引起的各个部位的各种应力的性质。
刚度——在车轮荷载作用下不发生过量的变形的性质。
二、稳定性
1.在地表上开挖或填筑，改变原地层结构。
2.大气降水使得路基路面结构内部的湿度状态发生变化。
3.大气温度周期性的变化对路面结构的稳定性有重要影响如冻胀、翻浆。
三、耐久性
路基路面工程从规划、设计、施工至建成通车需要较长时间，且投资大的工程应有较长的使用年限。
因此路基路面工程应具有耐久的性能。
四、路面表面平整度
影响行车安全，行车舒适性以及运输效益的重要使用性能。
五、抗滑性能
摩擦系数。
§1-3影响路基路面稳定的因素
1.地理条件：
公路沿线的地形、地貌和海拔高度。
平原区地势平坦，路基需要保持一定的最小填土高度。
2.地质条件：
岩石的种类、成因、节理、风化程度和裂隙情况等。
3.气候条件：
气温、降水、湿度。
4.水文和水文地质条件：
河流洪水位，常水位。
5.土的类别：
不同的土类具有不同的工程性质。
§1-4路基土的分类
1.土的分类
（1）分类体系
划分依据：
根据土的颗粒组成，塑性指数和土中有机质含量分类。
分类：
巨粒土、粗粒土、细粒土、特殊土。
（2）分类方法
1）按有机质含量：
有机质土，无机质土。
2）无机质土按粗粒含量：
巨粒土、粗粒土、细粒土三类。
3）巨粒土、粗粒土按其细粒含量和级配进一步细分（粒径大小、不均匀系数和曲率系数）。
4）细粒土按塑指Ip和液限WL在塑性图上进一步细分。
2.公路用土的工程性质
巨粒土：
高强度、稳定性。
砾石混合料：
强度、稳定性满足要求。
砂土：
无塑性，压实困难。
砂性土：
粗、细颗粒适宜，理想材料。
粉性土：
粉土颗粒，毛细作用强烈。
需改良使用。
粘性土：
细颗粒含量多。
重粘土：
不透水，粘聚力大，干燥时很坚硬，施工难易开挖与破碎。
§1-5公路自然区划
一、公路自然区划的制定原则
1.道路工程特征相似性原则
2.地表气候区域差异性原则
3.自然气候因素既有综合又有主导作用的原则
二、公路自然区划的划分
我国公路自然区划分为三个等级。
1.一级区划：
七个一级区
Ⅰ——北部多年冻土区；
Ⅱ——东部温润季冻区；
Ⅲ——黄土高原干湿过渡区；
Ⅳ——东南湿热区；
Ⅴ——西南潮暖区；
Ⅵ——西北干旱区；
Ⅶ——青藏高寒区。
2.二级区划:
依据潮湿系数K，将全国分为33个二级区和18个二级副区。
3.三级区划：
1）以水热、地理和地貌为依据，分为若干个具有相似性的区域单元；
2）以地表的地貌、水文和土质为依据分为若干个类型单元。
§1-6路基水温状况及干湿类型
一、路基湿度来源
（1）大气降水；
（2）地面水；
（3）地下水；
（4）毛细水；
（5）水蒸汽凝结水；
（6）薄膜移动水。
二、大气温度对路基水温状况的影响
冻胀:
沿路基深度出现较大的温度梯度时，水分在温差的影响下以液态或气态由热处向冷处移动，并积聚在该处。
这种现象特别是在季节性冰冻地区尤为严重。
积聚的水冻结后体积增大，使路基隆起而造成面层开裂，即冻胀现象。
翻浆:
春暖化冻时，路面和路基结构由上而下逐渐解冻，而积聚在路基上层的水分先融解，水分难以迅速排除，造成路基上层的湿度增加，路面结构的承载能力便大大降低。
经重车反复作用，路基路面结构会产生较大的变形，路基土以泥浆的形式从胀裂的路面缝隙中冒出，形成了翻浆。
三、路基干湿类型
1.干湿状态
干燥、中湿、潮湿和过湿。
要求路基处于干燥或中湿状态。
2.分界标准
干湿类型以分界稠度wc1、wc2和wc3来划分。
稠度wc定义:
土的含水量w与土的液限wl之差与土的塑限wp与液限之差wL的比值。
即
wc=（wL-w）/（wL-wp）（1.1）
3.公路干湿类型确定:
1）对于原有公路，按不利季节路槽底面以下80cm深度范围内路基土的平均稠度确定。
2）对于新建道路，可用路基临界高度为标准来确定。
路基临界高度:
与分界稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度称为路基临界高度H。
§1-7路面结构及层位功能
一、路面横断面
1.槽式横断面
2.全铺式横断面
二、路拱横坡度
路拱：
横坡度
横坡度：
行车、排水
三、路面结构分层及层位功能
1.面层
特点：
直接同行车和大气接触，承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，受到降水的浸蚀和气温变化的影响。
要求：
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，耐磨，不透水；其表面还应有良好的抗滑性和平整度。
材料：
水泥混凝土、沥青馄凝土、沥青碎（砾）石混合料、砂砾或碎石掺土或不掺土的混合料以及块料等。
分层：
分两层或三层铺筑。
水泥混凝土路面也有分上下两层铺筑。
2．基层
特点：
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中去。
要求：
是路面结构中的承重层，具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力，具有足够的水稳定性。
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、贫水泥混凝土、天然砂砾、碎石或砾石、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。
分层：
分两层或三层。
3．垫层
特点：
改善土基的湿度和温度状况；扩散基层传下的荷载应力。
要求：
水稳性、隔温性。
材料：
松散粒料，砂、砾石；稳定类垫层，水泥、石灰稳定。
§1-8路面的等级与分类
一、路面类型
面层类型
适用范围
沥青混凝土
高速公路、一级公路、二级公路、三级公路
水泥混凝土
高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路
沥青贯入、沥青碎石
沥青表面处治
三级公路、四级公路
砂石路面
四级公路
二、路面分类
1．柔性路面
总体结构刚度较小，产生较大的弯沉变形，抗弯拉强度较低，土基承受较大的单位压力。
主要靠抗压强度和抗剪强度承受车辆荷载的作用。
包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。
2．刚性路面
主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。
抗弯拉强度高，较高的弹性模量，较大的刚性。
竖向弯沉较小，路面结构主要靠水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载，通过板体的扩散分布作用，传递给基础上的单位压力较柔性路面小得多。
3．半刚性路面
用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎（砾）石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层。
前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度均有较大幅度的增长，但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。
课后习题
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.判断土基干湿类型的分界稠度法和临界高度法各自的依据条件和资料有哪些？
4.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？
5.试述新建公路土基干湿类型的确定方法。
6.为何要进行公路目然区划，制定自然区划的原则又是什么?
试述公路自然区划的意义。
7.影响路基路面的水有哪些？
水对路基有哪些影响？
8.试述地下水对路基的影响和气温对路面的影响。
9.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？
10.为什么路面要划分结构层次，如何进行划分？
11.试述面层的作用及对其基本要求。
12.试述基层和垫层的作用及对各自的基本要求。
13.试从材料，物理力学特性，行车性能和设计控制指标各方面讲述柔性路面与刚性路面的区别。
14.我国现行路面是怎样分类与分级的？
简述其意义。
三、计算题：
1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。
第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质
教学目标
掌握路基的承载能力，路基的变形、破坏及防治，路面材料的力学强度特性；熟悉行车荷载，路面材料的累积变形与疲劳特性；了解环境因素对路基路面的影响；
重点：
行车荷载的基本概念、路基的承载能力。
难点：
路面材料的力学强度特性、累计变形与疲劳特性。
课时安排
§2-1行车荷载
一、车辆的种类
分为客车与货车两大类。
客车：
小客车、中客车与大客车。
货车：
整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。
路面结构设计——轴重作为荷载标准。
二、车辆的轴型
我国公路与城市道路路面设计规范中以100kN作为设计标准轴重。
三、汽车对道路的静态压力
1.汽车处于停驻状态下——静态压力。
垂直压力P：
与汽车轮胎的内压力Pi、轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状、轮载的大小等有关。
轮胎与路面接触面上的压力p<内压力Pi，约为（0.8～0.9）Pi。
2.接触压力
直接取内压力作为接触压力，并假定在接触面上压力是均匀分布的。
3.轮胎与路面的接触面形状
近似于椭圆形，在工程设计中采用圆形接触面积。
4.当量的圆
将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为接触压力p，轮胎与路面接触圆的半径可以按式（2.1）确定。
5.标准轴载
我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ—100的P=100/4kN，p=700kPa：
d100=0.213m，D100=0.302m
四、运动车辆对道路的动态影响
运动状态的汽车：
垂直静压力、水平力、振动力。
动力影响还有瞬时性的特征。
1.水平力
车轮施加于路面的各种水平力Q值与车轮的垂直压力P，以及路面与车轮之间的附着系数φ有关，其最大值Qmax不会超过P与φ的乘积，即：
Qmax≤Pφ（2.2）
2.动载特性
其变异系数：
（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：
振动轮载的最大峰值与静载之比。
3.瞬时性
0.1～0.01s左右。
五、交通分析
1.交通量
交通量是指一定时间间隔内通过道路某一断面的车辆总数。
2.交通量预测
在路面结构设计中，通过调查分析确定初始年平均日交通量N1，设计年限内累计交通量Ne可以按式
3.标准轴载等效换算
汽车的轴载与通行次数可以按照等效原则换算成标准轴载的作用次数。
我国沥青路面和水泥混凝土路面规范均以单轴100kN作为标准轴载，以BZZ-100表示。
各级轴载等效换算为标准轴载所依据的原则：
同一种路面结构在不同轴载作用下，要达到相同的疲劳损坏程度。
4.轴迹横向分布
轮迹横向分布的图形和峰值：
交通的渠化程度，它随许多因素变化，诸如：
交通组织类型（不分车道混合交通，划标线分道行驶或设分隔带分道行驶）、车道宽、交通密度、交通组成、车速以及司机的驾驶习惯和经验等。
§2-2环境因素影响
1.温度变化对路面的影响
2.温度变化预测
3.大气湿度
§2-3土基的力学强度特性
一、路基受力状况
路基：
自重、轮重 设计：
路基受力在路基弹性限度范围内轮载引起的垂直应力：
自重垂直应力
二、路基工作区
概念：
在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小（1/10-1/5），该深度范围内的路基称为应力工作区。
工作区内：
强度、稳定性重要，压实度提高。
三、路基土的应力——应变特性
路基土变形：
弹性、塑性
试验：
压入承载板试验和三轴压缩试验
绘应力与回弹变形的关系——非线性
应力——应变特性：
非线性、弹塑性
模量：
初始切线模量、切线模量、割线模量、回弹模量
四、重复荷载对路基土的影响
塑性变形积累：
土的性质、相对荷载、荷载作用的性质
§2-4土基的承载能力
土基承载能力：
路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。
一、土基回弹模量
反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。
测定：
圆形承载板。
柔性压板：
土基与压板之间的接触压力为常量。
刚性压板：
压板下土基顶面的挠度为等值。
承载板直径：
车轮的轮印当量圆直径。
二、地基反应模量
文科勒地基：
土基顶面任一点的弯沉仅同该点的垂直压力成正比，而与其他相邻点处的压力无关。
K=p/l
承载板试验测定（一次加载到位）。
KR=1.77K
三、加州承载比
以材料抵抗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。
§2-5路基的变形、破坏及防治
一、路基的主要病害
1．路基沉陷
路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。
路基的沉陷：
一是路基本身的压缩沉降；
二是由于路基下部天然地面承载能力不足，在路基自用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。
2．边坡滑塌
路基边坡滑塌分为溜方与滑坡两种情况。
1）溜方：
由于少量土体沿土质边坡向下移动所形成。
主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的。
2）滑坡：
一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动。
滑坡主要是由于土体的稳定性不足所引起的。
3）碎落和崩塌：
路堑边坡风化岩层表面从坡面上剥落。
4）路基沿山坡滑动：
整个路基沿倾斜的原地面向下滑动。
5）不良地质和水文条件造成的路基破坏
二、路基病害防治
1．正确设计路基横断面。
2．选择良好的路基用土填筑路基。
3．采取正确的填筑方法，保证达到规定的压实度。
4．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路基工作区范围。
5．正确进行排水设计。
6．必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积，砂垫层以疏干土基。
7．采取边坡加固、修筑挡土结构物、上体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。
§2-6路面材料的力学强度特性
路面所用的材料，按其不同的形态及成型性质大致可分为三类：
松散颗粒型材料及块料；沥青结合料类；无机结合料类。
一、抗剪强度
材料的抗剪强度由摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力与作用在剪切面上的法向正应力成正比。
沥青混合料：
矿质颗粒之间的摩擦阻力，粒料与沥青的粘结力以及沥青膜之间的粘滞阻力共同形成抗剪强度。
沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、试验温度、加荷速率等因素有关。
混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。
沥青含量越多，φ值下降越多，而集料级配良好，富有棱角时，有助于提高摩阻角。
二、抗拉强度
沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温急骤下降时产生收缩，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。
路面材料的抗拉强度：
混合料中结合料的粘结力所提供，
采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力一应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。
直接拉伸试验：
混合料制成圆柱形试件。
间接拉伸试验：
劈裂试验。
沥青混合料在常温条件下，试验温度增加，抗拉强度减小；在负温条件下，温度降低，抗拉强度增大。
三、抗弯拉强度
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。
由车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，路面会产生弯曲断裂。
路面材料的抗弯拉强度，通过简支小梁试验评定。
四、应力——应变特性
1.碎、砾石材料
1）由三轴压缩试验所得到的应力—应变关系曲线
应力—应变特性具有明显的非线性特征。
碎、砾石材料的回弹模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等因素有关。
密实度越高，模量值越大；颗粒棱角多，模量高。
2.水泥混凝土和无机结合料混合料
采用单轴、三轴压缩小梁试验方法。
3.混合料中的沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘一弹性性状—沥青混合料在荷载作用之下的应变具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。
当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，处于弹性状态并兼有弹粘性性质。
当沥青混合料受力较大，且力的作用时间较长时，应力——应变关系呈现出弹性，弹——粘性和弹——粘——塑性等不同性状。
应力——应变特性关系：
劲度模量St,T表征。
沥青混合料的劲度模量实质上就是在特定温度与特定加荷时间条件下的常量参数。
沥青混合料的劲度模量可以根据当地自然和交通条件，选择恰当的试验温度和加荷时间，用单轴压缩，三轴压缩或小梁试验方法进行测定。
§2-7路面材料的累积变形与疲劳特性
路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏圾限状态有二类：
1.弹塑性工作状态——塑性变形的累积——破坏极限状态；
2.弹性工作状态——结构内部将产生微量损伤——疲劳断裂——破坏极限状态。
水泥混凝土路面——弹性工作状态——出现疲劳破坏；
沥青路面在低温环境中——弹性工作状态——出现疲劳破坏，
在高温环境中——弹塑性工作状态——出现累积变形。
在季节性温差很大的地区，沥青路面兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态。
无机结合料处治的半刚性路面材料——弹性状态——疲劳破坏；
粘土为结合料的碎、砾石路面——弹塑性状态——塑性变形的累积。
一、累积变形
1.碎、砾石混合料
碎、砾石混合料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。
级配不良、颗粒尺寸单一的混合料，在应力重复作用很多次以后，塑性变形仍有增大趋势。
含有细粒过多的混合料，由于混合料密实度降低，变形累积过大，因此均不宜用于修筑路面。
2.沥青混合料
重复应力
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