前言 《路基路面工程》是高等学校土木工程领域中公路工程、城市道路工程、桥梁隧道工程、机场工程等专业的重要必修课。课程涉及的内容广泛并与工程实践联系密切，具有一定的地区特点。 本书力争反映本领域最新的科学技术成就，吸收国内外成功的经验和成熟的理论与方法，并且以我国最新出版的有关工程技术标准、规范为依据叙述路基路面工程中的关键技术，以达到理论联系实际的目的。 与路基路面工程相关的科学很多，如材料科学、岩土工程、结构分析、管理科学等，从高等学校本科教育的培养目标出发，本书尽量对相关科学的基本概念、基本理论叙述清楚，若需要引用更为深刻的内容，则授课时，可以在保证主干教学内容的前提之下，适当补充加强。 本课程是一门理论与实践并重，工程性较强的课程，讲授本课程除了系统的课堂教学之外，应配合组织实地参观、实物鉴别、课程作业、施工实习等辅助教学环节，以提高学生的感性认识和系统的接受能力。 本书是根据高等学校路桥及交通工程专业教学指导委员会于1994年10月召开的教材编写大纲审定会议，审议通过的《路基路面工程》教材编写大纲编写的。全书共十七章，第一、二、三章由东南大学邓学钧编写，第四、五、六、十一、十二、十五、十六、十七章由东南大学黄晓明编写，第七、八、九、十、十三、十四、十八章由东南大学黄卫编写。 全书由东南大学邓学钧主编，并担任全书统稿工作，由西安公路交通大学张登良主审。 本书采用国家法定计量单位，即国际单位制(SI)。进行公制与国际单位制换算时，为计算简便，重力加速度一律取为10m/s2。本书如有未尽善之处，希望有关院校师生及读者提出宝贵意见，以便及时修改完善。 邓学钧 1999年5月于东南大学 第一章总论 §1-1道路工程发展概况 中国是一个有5000多年文明史的国家。在这历史的长河中，我国勤劳、智慧的各族人民，在道路，桥梁的修建和车辆制造以及交通管理等方面，都取得过辉煌的成就，是我国古代灿烂文化的一部分。道路交通对于繁荣经济和交流文化，对于维护民族团结和国家统一，都作出了巨大贡献。中国古代道路和桥梁建筑，在世界上曾处于过领先地位，在世界道路交通史上留下了光辉的篇章。 根据《史记》记载，早在4000多年前，中国已有了车和行车的路。商代(约公元前16世纪——约公元前1066年)开始有驿道传送。西周(公元前1066年——公元前771年)开创了以都市为中心的道路体系，还建立了比较完善的道路管理制度。秦代(公元前221年——公元前206年)修驰道、直道，建立了规模宏大的道路交通网，总里程约有1万2千多公里。西汉时期(公元前206年——公元前23年)设驿亭3万处，道路交通呈现出更加繁荣的景象。特别是连接欧亚大陆的“丝绸之路”的开通，为东西方经济文化交流作出了贡献。唐代(公元618——907年)是中国古代经济和文化的昌盛时期，建成了以长安城(今西安)为中心约2万2千多公里的驿道网；到了宋、元、明、清各代(公元960——1911年)道路交通又有发展。 尽管中国曾经创造了领先于世的古代道路文化。但是由于长期的封建制度和近百年帝国主义列强的侵略和掠夺，束缚了生产力的发展，中国公路的兴建迟至本世纪初才开始，并且在旧中国发展十分缓慢。 清末，在原有驿道上修建了一些很简陋的公路。1912——1949年中华民国时期，公路有了初步发展。全国先后共修建了13万公里。这些公路大多标准很低，设施简陋，路况很差。到1949年能够维持通车的仅有8万公里，全国有1/3的县不通公路，西藏地区没有一条公路。汽车运输是从1901年由国外输入第一辆汽车开始的。到1949年汽车保有量约5万辆，且大多数已破旧不堪，全国大部分地区主要还是依靠人力和畜力运输。 1949年建国以来，我国进入了社会主义建设的伟大时代。由于工农业生产迅速发展，人民生活逐步提高，尤其是建立和发展了汽车工业和石油工业，使我国公路交通事业得到了迅速的发展。特别是1978年以后，国家执行了以经济建设为中心的政策，开始了建设有中国特色的社会主义的新时期。公路建设也开创了崭新的局面。到1998年底，全国公路通车里程达到126万公里，其中高速公路总里程为6258万公里，全国汽车保有量约为1500万辆。公路运输已渗入到经济建设和社会生活的各个方面，在国民经济中占有越来越重要的地位。 自80年代中期开始，中国大陆兴建高速公路，十年来，陆续投入运行的主要高速公路有京石、京津塘、沈大、合宁、济青、开洛、广深、太旧、合芜、成渝、沪宁、桂柳、呼包、哈大、泉夏、石安、安新等二十余条线路，总里程为6258公里。高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、舒适地运行提供了良好的条件，标志着我国的公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的时代。 路基路面直接承受行驶车辆的作用，是道路工程的重要组成部分，通常都根据车辆行驶的需要，选用优质材料建成。如我国古代曾以条石、块石或石板等铺筑道路路面，以提供人畜以及人力、兽力车辆的运行。欧洲在公元前3500年，在美索不达米亚(Mesopotamia)，继发明了车轮后不久，即用石料修筑了第一条有硬质路面的道路。进入二十世纪后，随着汽车工业和交通运输的发展，现代化公路的路基路面工程逐步形成了新的学科分支。它主要研究公路，城市道路和机场跑道路基路面的合理结构、设计原理、设计方法、材料性能要求以及施工、养护、维修和管理技术等。 半个世纪以来，我国广大道路工程科技工作者，从我国实际和建设需要出发，引进外国先进技术，刻苦钻研、反复实践，在路基路面工程建设和科学研究中，取得了许多突破性的系列成果。现作简要介绍： 公路自然区划〖ＺＺ）〗。我国幅员辽阔，各地自然条件和道路的工程性质差异很大。为此将自然条件大致相近者划分为区，在同一区划内从事公路规划、设计、施工、管理时，有许多共性因素可以相互参照。我国现行的《公路自然区划标准》分三级区划，一级区划是根据地理、地貌、气候、土质等因素将我国划分为七个大区，二级区划以气候和地形为主导因素，三级区划以行政区域作为界限。 土的工程分类。土是填筑公路路基的主要材料，由于天然成因的差异，不同的路基土表现出截然不同的工程特性。我国依据土颗粒组成特征、土的塑性指标(塑限、液限和塑性指数)、土中有机质存在情况，将公路用土按不同的工程特性划分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土四大类，并细分为十一种土。确认土的类别需应用标准的仪器，按统一的规程进行测试界定。为了在野外勘查中能对不同土类作鉴别，系统地总结了“简易鉴别、分类和描述”的方法与细节。 路基强度与稳定性。路基作为路面结构的基础应具有足够的强度和稳定性，我国较早就确定以回弹模量作为评价路基强度与稳定性的力学指标，并形成了成套的室内外试验标准方法与仪器。为了在施工中以物理量指标控制工程质量从而保证达到规定的强度指标，广泛开展了不同土种的最佳含水量与最大密实度相关关系的研究，并且统一以重型击实试验法作为基本控制标准。为了提高路基的强度与稳定性，根据不同类别土壤的特性，研究了粒料加固、石灰加固、水泥加固、专用固化剂加固等行之有效的技术措施。在多年冻土地区、膨胀土地区、沙漠地区、黄土地区、盐渍土地区等特殊地区，通过研究采用各种有效技术修建公路路基取得十分宝贵的经验。 高路堤修筑技术与支档结构。为了提高高路堤路基的稳定性，研究提出的技术措施包括减轻路堤自重，采用轻质粉煤灰，或采用轻质塑料块修筑路基；修筑轻型路基支档结构，特别是加筋土档样的研究和工程建设在我国取得了许多成果。例如条带加筋、网络加筋、土工织物加筋等均取得良好效果。 软土地基稳定技术。在软土地基上修筑路基路面，天然地面的自然平衡状态将发生改变，在很长时间内路基将处于不稳定状态。为此广泛研究了软土的调查与判别方法，改变软土性质的技术措施，如沙井或塑料板排水固结法；沙层排水加载预压法；无机结合料深层加固法等。在力学分析的研究方面，通过现场跟踪观测与建立预测分析模型，来预估与控制软土地基加固后的工后沉降，从而提高路基的稳定性。 岩石路基爆破技术。利用爆破技术开山筑路在我国有悠久的历史。但是在最近几十年中我国在山区筑路工程中有新的发展，创造了系统的大爆破技术，每次总装炸药量多达数十吨，一次爆破可清除岩石数十万立方米。大爆破以现代爆破理论为基础，事先进行周密的勘测与调查，经过精心设计的大爆破不仅能降低造价，缩短工期，而且能够使爆破后形成的坡面状况十分接近路基横断面设计要求。 沥青路面结构。60年代初，随着我国石油资源的大规模开发，揭开了用国产沥青筑路的序幕。早期的沥青路面主要是铺设在现有中级路面上的薄层表面处治层，以改善其行车条件。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，开始兴建高速公路，沥青路面作为一种主要型式，大量采用总厚度超过70cm的重型沥青路面结构。通过长期的科学研究形成了适合我国实际的沥青路面整套技术。包括沥青原材料的生产工艺、装备；沥青材料的技术指标与标准、试验设备及方法；沥青混合料的技术指标与标准、混合料设计技术、混合料性能检测设备及方法；沥青路面现代化施工整套设备、施工技术与施工管理等。 水泥混凝土路面结构。70年代中期，交通运输发展加快，部分干线公路、城市道路及厂矿道路为提高承重能力，相继采用水泥混凝土路面结构。随后，针对水泥混凝土路面各方面存在的问题，开展了系统而具有相当规模的科学研究。从而在我国形成了关于水泥混凝土路面结构的整套技术，包括道路水泥的性能、指标、标准以及生产工艺；水泥混凝土路面基层的作用，水泥混凝土路面结构性能与设计方法；接缝构造、工作原理以及接缝设计方法；水泥混凝土路面小规模施工和大规模现代化施工成套装备及施工方法、施工组织管理等。 柔性路面设计理论与方法。半个世纪来，中国道路科技工作者通过广泛的调查研究和理论探索，形成了符合中国实际的柔性路面设计理论与方法体系，它吸取了世界上各种流派的学术思想，以及各个国家设计方法的优点。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及相应的计算机程序；提出了能控制路面结构主要性能的设计指标体系；形成了符合我国当前交通状况的荷载模式及交通分析方法；形成了完整的设计参数指标、标准、测试仪器与方法；建立了切实可行的设计计算方法系统。近年来，在路面功能设计、可靠度设计等方面的研究取得了明显的进展，将不断地充实到现有的系统中去。 刚性路面设计理论与方法。70年代起，我国道路科技工作者对刚性路面设计进行较系统而具有相当规模的研究。在力学基础理论方面，运用解析法及有限元法建立了弹性力学层状结构，弹性地基板体结构模型，形成了整套分析计算方法与计算机程序；建立了以弹性力学为基础，以混凝土弯拉应力为设计控制指标，综合考虑荷载应力与温度应力作用的设计体系与方法；研究并建立了地基支承、疲劳效应、动力效应等一整套设计参数的取值与测试方法；对钢纤维混凝土路面、连续配筋混凝土路面、辗压混凝土路面、复合结构混凝土路面等新型路面结构开展系统研究并取得一批实用性研究成果。 半刚性路面结构。利用石灰、水泥、工业废料等无机结合料修筑半刚性路面始于60年代初，三十多年间，对半刚性路面的强度发展规律、强度机理、路用性质等进行了广泛的研究。由于这种路面结构具有很多优势，目前已广泛用于高等级公路与城市道路，成为一种主要的结构型式。目前对它的长期使用性能和变形规律等问题正在作深入的研究，此外对于面层结构的半刚性技术途径也正在研究之中。 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是路面使用性能的重要方面。目前，我国已对这些性能对行车的影响；这些性能与路面结构设计、材料、施工的关系；量测手段与量测方法；评价的指标与标准；在车辆的反复作用下性能的衰减及恢复等开展了广泛的研究，有的已成功地应用于工程之中。 路面养护管理。将系统工程的理论与方法用于协调路面养护，形成路面管理系统是80年代后的新动向。十多年来，我国在路面性能的非破损快速跟踪检测，路面性能预估模型的建立，路面管理网络系统的建立以及项目级和路网级优化管理决策等方面取得了系列研究成果。 综上所述，路基路面工程作为一个学科分支，在我国随着交通运输的发展，正在以较快的速度逐步接近国外同类学科的前沿。进入21世纪，交通运输不论是在中国，还是在其它发达国家，仍然是一个重要的科技领域。我国道路科技工作者将会从中国的实际出发，不断吸取交叉学科的新成就以及世界各国的有用经验，全面推动路基路面工程学科的发展，为我国交通运输现代化做出贡献。根据当前路基路面工程科学技术的发展趋势，对于以下几方面学科的交叉与发展特别应该引起重视。 1、材料科学。回顾历史，路基路面工程每一项新技术的出现，首先在材料方面有所突破。如路基土壤的改良与稳定路基的技术措施、沥青材料、水泥材料的改性研究，路用塑料等都与材料科学有关。材料微观结构研究，复合材料研究的许多成果也正在被引入路基路面工程。 2、岩土工程学。路基路面作为地基结构物依托天然地表的岩石与土壤构筑而成。因此路基路面工程在诸多方面借鉴于岩土工程学的科技成果，如土力学、岩石力学、地质学、土质学、水文地质学等都是路基路面工程学科的重要基础理论。 3、结构分析理论。路基路面设计由经验为主的方法演变成以结构分析理论为主的方法是一次飞跃。由于结构的复杂性以及车辆荷载与环境因素变化的复杂性，目前多数国家的设计方法所依据的静力线弹性力学分析理论还是不能完全满足要求，许多学者仍致力于路基路面结构分析的力学基础研究，如动力荷载与结构动力效应，非线性、粘弹性等数学、力学模型的建立以及适用于各种要求，各种边界条件的数学分析方法和数值解方法。今后进一步发展有可能使宏观结构分析与材料的组成，材料的特性以及材料的微观结构与微观力学相融为一体，成为路基路面工程设计的重要基础。 4、机电工程。现代化道路与机场路基路面工程的固有性能及使用品质越来越多地依赖于施工装备的性能与施工工艺。如振动压路机的吨位，频率与振幅对于各种结构层产生的效果截然不同。许多专用施工设备就是根据结构强度形成理论和工艺要求专门进行设计的。因此有些国家在研究一项路面工程新技术时，将施工工艺与施工装备也列入研究计划作同步开发研究。 5、自动控制与量测技术。为确保路基路面的工程质量和良好的使用品质，必需在施工过程中严格控制各项指标，如材料用量，加热温度，辗压吨位，辗压质量等，竣工后以及开放运行在使用过程中需要长期作跟踪监测。所有这些控制与量测都在逐步采用高新技术，以达到较高的精确度。如配料自动控制，平整度自动控制等。在量测技术方面引用高速摄影，激光装置，红外线装置量测各项质量指标及性能指标等。 6、现代管理科学。从现代管理科学的角度来看，路基路面工程在一个区域范围内属于一个大系统，而且从规划、设计、施工、养护、维修、管理全过程来看，延续数十年之久。通过大型的管理系统，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，必要时提出维修决策，投放资金进行维修养护，使路基路面始终具有良好的使用性能这是现代化管理的总的概念，有许多国家已在这方面取得实质性的进展，用于工程实践。这对于节约维修养护投资，提高运输效率有重要作用。 §1-2路基路面工程的特点 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型(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。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，长久处于稳定状态。路基和路面相辅相成，实际上是不可分离的整体，应综合考虑它们的工程特点、综合解决两者的强度、稳定性等工程技术问题。 路基与路面工程是道路工程的主要组成部分，工程数量十分可观，例如微丘区的三级公路，每公里土石方数量约8000-16000m3，山岭、重丘区的三级公路每公里可达20000-60000m3，对于高速公路，数量更为可观。路面结构在道路造价中所占比重很大，一般都要达到30%左右。因此精心设计，精心施工，使路基路面能长时期具备良好的使用性能，对节约投资，提高运输效益，具有十分重要的意义。 路基路面是一项线型工程，有的公路延续数百公里，甚至上千公里。公路沿线地形起伏、地质、地貌、气象特征多变，再加上沿线城镇经济发达程度与交通繁忙程度不一，因此决定了路基与路面工程复杂多变的特点，工程技术人员必须掌握广博的知识，善于识别各种变化的环境因素，恰当地进行处理，建造出理想的路基路面工程结构。 现代化公路运输，不仅要求道路能全天候通行车辆，而且要求车辆能以一定的速度、安全、舒适而经济地在道路上运行。这就要求路面具有良好的使用性能，提供良好的行驶条件和服务水平。 为了保证公路与城市道路最大限度地满足车辆运行的要求，提高车速、增强安全性和舒适性，降低运输成本和延长道路使用年限，要求路基路面具有下述一系列基本性能： 一、承载能力 行驶在路面上的车辆，通过车轮把荷载传给路面，由路面传给路基，在路基路面结构内部产生应力，应变及位移。如果路基路面结构整体或某一组成部分的强度或抗变形能力不足以抵抗这些应力、应变及位移，则路面会出现断裂、路基路面结构会出现沉陷，路面表面会出现波浪或车辙，使路况恶化，服务水平下降。因此要求路基路面结构整体及其各组成部分都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二方面。路面结构应具有足够的强度以抵抗车轮荷载引起的各个部位的各种应力，如压应力、拉应力、剪应力等，保证不发生压碎、拉断、剪切等各种破坏。路基路面整体结构或各个结构层应具有足够的刚度，使得在车轮荷载作用下不发生过量的变形。保证不发生车辙，沉陷或波浪等各种病害。 二、稳定性 在天然地表面建造的道路结构物改变了自然的平衡，在达到新的平衡状态之前，道路结构物处于一种暂时的不稳定状态。新建的路基路面结构坦露在大气之中，经常受到大气温度、降水与湿度变化的影响，结构物的物理、力学性质将随之发生变化，处于另外一种不稳定状态。路基路面结构能否经受这种不稳定状态，而保持工程设计所要求的几何形态及物理力学性质，称为路基路面结构的稳定性。 在地表上开挖或填筑路基，必然会改变原地面地层结构的受力状态。原来处于稳定状态的地层结构，有可能由于填挖筑路而引起不平衡，导致路基失稳。如在软土地层上修筑高路堤，或者在岩质或土质山坡上开挖深路堑时，有可能由于软土层承载能力不足，或者由于坡体失去支承，而出现路堤沉落或坡体坍塌破坏。路线如选在不稳定的地层上，则填筑或开挖路基会引发滑坡或坍塌等病害出现。因此在选线、勘测、设计、施工中应密切注意，并采取必要的工程措施，以确保路基有足够的稳定性。 大气降水使得路基路面结构内部的湿度状态发生变化，低洼地带路基排水不良，长期积水，会使得矮路堤软化，失去承载能力。山坡路基，有时因排水不良，会引发滑坡或边坡滑塌。水泥混凝土路面，如果不能及时将水分排出结构层，会发生唧泥现象，冲刷基层，导致结构层提前破坏。沥青混凝土路面中水分的侵蚀，会引起沥青结构层剥落，结构松散。砂石路面，在雨季时，会因雨水冲刷和渗入结构层，而导致强度下降，产生沉陷，松散等病害，因此防水，排水是确保路基路面稳定的重要方面。 大气温度周期性的变化对路面结构的稳定性有重要影响，高温季节沥青路面软化，在车轮荷载作用下产生永久性变形，水泥混凝土结构在高温季节因结构变形产生过大内应力，导致路面压曲破坏。北方冰冻地区，在低温冰冻季节，水泥混凝土路面、沥青路面、半刚性基层由于低温收缩产生大量裂缝，最终失去承载能力。在严重冰冻地区，低温引起路基的不稳定是多方面的，低温会引起路基收缩裂缝，地下水源丰富的地区，低温会引起冻胀，路基上面的路面结构也随之发生断裂。春天融冻季节，在交通繁重的路段。有时引发翻浆，路基路面发生严重的破坏。 三、耐久性 路基路面工程投资昂贵，从规划、设计、施工至建成通车需要较长的时间，对于这样的大型工程都应有较长的使用年限，一般的道路工程使用年限至少数十年。承重并经受车辆直接辗压的路面部分要求使用年限二十年以上，因此路基路面工程应具有耐久的性能。 路基路面在车辆荷载的反复作用与大气水温周期性的重复作用下，路面使用性能将逐年下降，强度与刚度将逐年衰变，路面材料的各项性能也可能由于老化衰变，而引起路面结构的损坏。至于路基的稳定性也可能在长期经受自然因素的侵袭后，逐年削弱。因此，提高路基路面的耐久性，保持其强度、刚度，几何形态经久不衰，除了精心设计、精心施工、精选材料之外，要把长年的养护、维修、恢复路用性能的工作放在重要的位置。 四、表面平整度 路面表面平整度是影响行车安全，行车舒适性以及运输效益的重要使用性能。特别是高速公路，对路面平整度的要求更高。不平整的路表面会增大行车阻力，并使车辆产生附加的振动作用。这种振动作用会造成行车颠簸，影响行车的速度和安全，驾驶的平稳和乘客的舒适。同时，振动作用还会对路面施加冲击力，从而加剧路面和汽车机件的损坏和轮胎的磨损，并增大油料的消耗。而且，不平整的路面还会积滞雨水，加速路面的破坏。因此，为了减少振动冲击力，提高行车速度和增进行车舒适性、安全性，路面应保持一定的平整度。 优良的路面平整度，要依靠优良的施工装备，精细的施工工艺，严格的施工质量控制以及经常和及时的养护来保证。同时，路面的平整度同整个路面结构和路基顶面的强度和抗变形能力有关，同结构层所用材料的强度，抗变形能力以及均匀性有很大关系。强度和抗变形能力差的路基路面结构和面层混合料，经不起车轮荷载的反复作用，极易出现沉陷，车辙和推挤破坏，从而形成不平整的路面表面。 五、表面抗滑性能 路面表面要求平整，但不宜光滑，汽车在光滑的路面上行驶时，车轮与路面之间缺乏足够的附着力或摩擦力。雨天高速行车，或紧急制动或突然启动，或爬坡、转弯时，车轮也易产生空转或打滑，致使行车速度降低，油料消耗增多，甚至引起严重的交通事故。通常用摩擦系数表征抗滑性能，摩擦系数小，则抗滑能力低，容易引起滑溜交通事故。对于高速公路高速行车道，要求具有较高的抗滑性能。 路面表面的抗滑能力可以通过采用坚硬、耐磨、表面粗糙的粒料组成路面表层材料来实现，有时也可以采用一些工艺措施来实现，如水泥混凝土路面的刷毛或刻槽等。此外，路面上的积雪、浮冰或污泥等，也会降低路面的抗滑性能，必须及时予以清除。 §1-3影响路基路面稳定的因素 路基路面裸露在大气中，其稳定性在很大程度上由当地自然条件所决定。因此，深入调查公路沿线的自然条件，从总体到局部，从大区域到具体路段的自然情况，分析研究，掌握其规律及对路基路面稳定性的影响，因地制宜地采取有效的工程措施，以确保路基路面具有足够的强度和稳定性。 路基路面的稳定性与下列因素有关 1、地理条件 公路沿线的地形，地貌和海拔高度不仅影响路线的选定，也影响到路基与路面的设计。平原、丘陵、山岭各区地势不同，路基的水温情况也不同。平原区地势平坦，排水困难，地表易积水，地下水位相应较高，因而路基需要保持一定的最小填土高度，路面结构层应选择水稳定性良好的材料，并采取一定的结构排水设施；丘陵区和山岭区，地势起伏较大，路基路面排水设计至关重要，否则会导致稳定性下降，出现破坏现象，影响路基路面的稳定性。 2、地质条件 沿线的地质条件，如岩石的种类、成因、节理，风化程度和裂隙情况，岩石走向，倾向、倾角、层理和岩层厚度，有无夹层或遇水软化的夹层、以及有无断层或其它不良地质现象(岩溶、冰川、泥石流、地震等)都对路基路面的稳定性有一定的影响。 3、气候条件 气候条件如气温、降水、湿度、冰冻深度、日照、蒸发量、风向、风力等都会影响公路沿线地面水和地下水的状况，并且影响到路基路面的水温情况。 在一年之中，气候有季节性的变化，因此路基路面的水温情况也随之变化。气候还受地形的影响，例如山顶与山脚，山南坡与山北坡气候有很大的差别。这些因素都会严重影响路基路面的稳定性。 4、水文和水文地质条件 水文条件如公路沿线地表水的排泄，河流洪水位，常水位，有无地表积水和积水时期的长短，河岸的淤积情况等。水文地质条件如地下水位，地下水移动的规律，有无层间水、裂隙水、泉水等。所有这些地面水及地下水都会影响路基路面的稳定性，如果处理不当，常会引起各种病害。 5、土的类别 土是建筑路基和路面的基本材料，不同的土类具有不同的工程性质，因而将直接影响路基和路面的强度与稳定性。 不同的土类含有不同粒径的土颗粒，砂粒成分多的土，强度构成以内摩擦力为主，强度高，受水的影响小，但施工时不易压实。较细的砂，在渗流情况下，容易流动，形成流砂。粘粒成分多的土，强度形成以粘聚力为主，其强度随密实程度的不同，变化较大，并随湿度的增大而降低。粉土类土毛细现象强烈，路基路面的强度和承载力随着毛细水上升，湿度增大而下降，在负温度坡差作用下，水分通过毛细作用移动并积聚，使局部土层湿度大幅度增加，造成路基冻胀，最后导致路基翻浆，路面结构层断裂等各种破坏。 §1-4路基土的分类 世界各国公路用土的分类方法虽然不尽相同，但是分类的依据则大致相近，一般都根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，土的塑性指标进行区划。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，并进一步细分为十一种土。土的颗粒组成特征用不同粒径粒组在土中的百分含量表示。表1-1所列为不同粒组的划分界限及范围。 粒组划分表〖JZ)〗〖JY，2〗表1-1 巨粒组 粗粒组细粒组 漂石(块石)卵石(小块石)砾(角砾)砂粗中细粗中细 粉粒粘粒 土分类总体系包括四类并且细分为十一种，如以下方框图所示。 公路用土分类的基本代号如表1-2所示。 土的基本代号表表1-2 土类代号特征 巨粒土粗粒土细粒土有机土 成分代号漂石块石卵石小块石砾角砾 砂粉土粘土细粒土(C和M合称)F粗细粒土合称有机质土O 级配和液限高低代号级配良好W高液限H级配不良低〖HJ〗液限L 说明： 1土类名称可用一个基本代号表示。当由两个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示副成分(级配或液限)。当由三个基本代号构成时，第一个代号表示土的主成分，第二个代号表示液限(或级配)，第三个代号表示土中所含次要成分。 2液限的高低以50划分；级配以不均匀系数(Cu)和曲率系数(Cc)表示。详见《公路土工试验规程》JTJ051-93。 巨粒组(大于60mm的颗粒)质量多于总质量50%的土称为巨粒土。巨粒土分类如表1-3所示。 巨粒土分类表表1-3 土组土组代号漂石粒(＞200mm颗粒)含量%漂(卵)石(大于60mm颗粒＞75%) 漂石＞50 卵石≤50 漂(卵)石夹土(大于60mm颗粒占75%～50%) 漂石夹土＞50 卵石夹土≤50 漂(卵)石质土(大于60mm颗粒占50%～15%) 漂石质土＞卵石粒含量 卵石质土＜卵石粒含量 粗粒土分砾类土和砂类土二种，砾粒组(60-2mm的颗粒)质量多于总质量50%的土称为砾类土，如表1-4所示。砾粒组质量少于或等于50%的土称为砂类土，如表1-5所示。 砾类土分类表表1-4 土组土组代号漂石粒(＞200mm颗粒)含量%砾级配良好砾级配不良砾＞ 含细粒土砾5～15 细粒土质砾粉土质砾粘土质砾15～50 砂类土分类表1-5 土组土组代号漂石粒(＞200mm颗粒)含量%砾级配良好砂级配不良砂＜5 含细粒土砂5～15 细粒土质砂粉土质砂粘土质砂15～50细粒组(小于0.074mm的颗粒)质量多于总质量50%的土总称为细粒土。细粒土中粗粒组(60-2mm颗粒)质量少于总质量25%的土称为细粒土，粗粒组质量为总质量25%-50%的土称为含粗粒的细粒土，含有机质的细粒土称为有机质土。 细粒土的分类及性质很大程度与土的塑性指标相关联。图1-1为土的塑性图，表明土的塑性指数(IP)与液限(WL)的相关关系。图中以A线［IP=0.73(WL-20)］和B线［WL=50%］将坐标空间划分为四个区，大致区分了细粒土的塑性性质。细粒土的分类如表1-6所示。 图1-1塑性图 特殊土主要包括黄土、膨胀土、红粘土和盐渍土。黄土、膨胀土、红粘土按图1-2所示，在塑性图上的位置定名。黄土属低液限粘土(CLY)，分布范围大部分在A线以上，WL＜40%；膨胀土属高液限粘土(CHE)，分布范围大部分在A线以上，WL＞50%；红粘土属高液限粉土(MHR)，分布位置大部分在A线以下，WL＞55%。 图1-2特殊塑性图 盐渍土按照土层中所含盐的种类和质量百分率进行分类，如表1-7所示。 盐渍土分类 表1-7 名称 被利用的土层中平均总盐量(以质量%计) 氯化物和硫酸盐氯化物氯化物硫酸盐和硫酸盐 弱盐渍土0.3～1.00.3～0.5 中盐渍土1～50.5～2 强盐渍土5～82～5 过盐渍土＞8＞5 注：表中所指含盐种类名称的定性区分标准为： 氯化物 Cl-/SO２４＞2 硫酸盐氯化物 Cl-/ＳＯ２４=2～1 氯化物硫酸盐 Cl-/ＳＯ２４=1～03 硫酸盐 Cl-/ＳＯ２４＜03 各类公路用土具有不同的工程性质，在选择路基填筑材料，以及修筑稳定土路面结构层时，应根据不同的土类分别采取不同的工程技术措施。 巨粒土包括漂石(块石)和卵石(块石)，有很高的强度和稳定性，用以填筑路基是良好的材料。亦可用于砌筑边坡。 级配良好的砾石混合料，密实程度好，强度和稳定性均能满足要求。除了填筑路基之外，可以用于铺筑中级路面，经适当处理后可以铺筑高级路面的基层、底基层。 砂土无塑性，透水性强，毛细上升高度小，具有较大的内摩擦系数，强度和水稳定性均好，但砂土粘结性小，易于松散，压实困难，但是经充分压实的砂土路基，压缩变形小，稳定性好。为了加强压实和提高稳定性，可以采用振动法压实，并可掺加少量粘土，以改善级配组成。 砂性土含有一定数量的粗颗粒，又含有一定数量的细颗粒，级配适宜，强度、稳定性等都能满足要求，是理想的路基填筑材料。如细粒土质砂土，其粒径组成接近最佳级配，遇水不粘着，不膨胀，雨天不泥泞，晴天不扬尘，便于施工。 粉性土含有较多的粉土颗粒，干时虽有粘性，但易于破碎，浸水时容易成为流动状态。粉性土毛细作用强烈，毛细上升高度大(可达1.5m)。在季节性冰冻地区容易造成冻胀，翻浆等病害。粉性土属于不良的公路用土，如必须用粉性土填筑路基，则应采取技术措施改良土质并加强排水、采取隔离水等措施。 粘性土中细颗粒含量多，土的内摩擦系数小而粘聚力大，透水性小而吸水能力强，毛细现象显著，有较大的可塑性。粘性土干燥时较坚硬，施工时不易破碎。浸湿后能长期保持水分，不易挥发，因而承载力小。对于粘性土如在适当含水量时加以充分压实和设置良好的排水设施，筑成的路基也能获得稳定。 重粘土工程性质与粘性土相似，但其含粘土矿物成分不同时，性质有很大差别。粘土矿物主要包括蒙脱土、伊里土、高岭土。蒙脱土主要分布在东北地区，其塑性大，吸湿后膨胀强烈，干燥时收缩大，透水性极低，压缩性大，抗剪强度低。高岭土分布在南方地区，其塑性较低，有较高的抗剪强度和透水性，吸水和膨胀量较小。伊里土分布在华中和华北地区，其性质介于上述两者之间。重粘土不透水，粘聚力特强，塑性很大，干燥时很坚硬，施工时难以挖掘与破碎。 总之，土作为路基建筑材料，砂性土最优，粘性土次之，粉性土属不良材料，最容易引起路基病害，重粘土，特别是蒙脱土也是不良的路基土。此外，还有一些特殊土类，如有特殊结构的土(黄土)、含有机质的土(腐殖土)以及含易溶盐的土(盐渍土)等，用以填筑路基时必须采取相应技术措施。 §1-5公路自然区划 我国地域辽阔，又是一个多山国家。从北向南处于寒带、温带和热带。从青藏高原到东部沿海高程相差4000m以上，因此自然因素变化极为复杂。不同地区自然条件的差异同公路建设有密切关系。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JTJ003-86》，见图1-3，该区划是根据以下三原则制定的： 1道路工程特征相似的原则 即在同一区划内，在同样的自然因素下筑路具有相似性，例如，北方不利季节主要是春融时期，有翻浆病害，南方不利季节在雨季，有冲刷，水毁等病害； 2地表气候区划差异性的原则 即地表气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。通常，地表气候随着当地纬度而变，如北半球，北方寒冷，南方温暖，这称为地带性差异。除此之外，还与高程的变化有关，即沿垂直方向的变化，如表藏高原，由于海拔高，与纬度相同的其它地区相比，气候更加寒冷。即称为非地带性差异； 3自然气候因素既有综合又有主导作用的原则 即自然气候的变化是各种因素综合作用的结果，但其中又有某种因素起着主导作用。例如道路冻害是水和热综合作用的结果，但是在南方，只有水而没有寒冷气候的影响，不会有冻害，说明温度起主导作用；西北干旱区与东北潮湿区；同样都有负温度，但前者冻害轻于后者，说明水起主导作用。 “公路自然区划”分三级进行区划，首先将全国划分为多年冻土、季节冻土和全年不冻土三大地带，然后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： Ⅰ区——北部多年冻土区； Ⅱ区——东部温润季冻区； Ⅲ区——黄土高原干湿过渡区； Ⅳ区——东南湿热区； Ⅴ区——西南潮暖区； Ⅵ区——西北干旱区； Ⅶ区——青藏高寒区。 二级区划是在每个一级区内，再以潮湿系数为依据，分为六个等级，潮湿系数K为年降雨量R与年蒸发量Z之比，即： K=R/Z〖BH〗 K＞2.0 1级过湿 2.0＞K＞1.5 2级中湿 1.5＞K＞1.0 3级 润湿 1.0＞K＞0.5 4级 润干 0.5＞K＞0.25 5级 中干 0.25＞K 6级 过干 除了这六个潮湿等级外，还结合各个大区的地理、气候特征(如雨季、冰冻深度)地貌类型，自然病害等因素，将全国分为33个二级区和18个二级付区。三级区划是二级区划的具体化。划分的方法有两种，一种以水热，地理和地貌为依据，另一种是以地表的地貌、水文和土质为依据，由各省、自治区自行划定。 我国七个一级自然区的路面结构设计注重的特点各有不同，根据各地区经验，可大致归纳如下： Ⅰ区——北部多年冻土区 该区北部为连续分布多年冻土，南部为岛状分布多年冻土。对于泥沼地多年冻土层，最重要的道路设计原则是保温，不可轻易挖去复盖层，使路堤下保持冻结状态，若受大气热量影响融化，后患无穷。对于非多年冻土层的处理方法则不同，须将泥炭层全部或局部挖去，排干水分，然后填筑路堤。该区主要是林区道路，路面结构为中级路面。林区山地道路，因表土湿度大，地面迳流大，最易翻浆，应采取换土，稳定土，砂垫层等处理方法。 Ⅱ区——东部温润季冻区 该区路面结构突出的问题是防止翻浆和冻胀。翻浆的轻重程度取决于路基的潮湿状态。可根据不同的路基潮湿状态采取措施。该区缺乏砂石材料，采用稳定土基层已取得一定的经验。 Ⅲ区——黄土高原干湿过渡区 该区特点是黄土对水分的敏感性，干燥土基强度高、稳定性好。在河谷盆地的潮湿路段以及灌区耕地，土基稳定性差，强度低，必须认真处理。 Ⅳ区——东南湿热区 该区雨量充沛集中，雨型季节性强，台风暴雨多，水毁、冲刷、滑坡是道路的主要病害，路面结构应结合排水系统进行设计。该区水稻田多，土基湿软，强度低，必须认真处理。由于气温高、热季长，要注意黑色面层材料的热稳定性和防透水性。 Ⅴ区——西南潮暖区 该区山多，筑路材料丰富，应充分利用当地材料筑路，对于水文不良路段，必须采取措施，稳定路基。 Ⅵ区——西北干旱区 该区大部分地下水位很低，虽然冻深多在100～150cm以上，但一般道路冻害较轻。个别地区，如河套灌区，内蒙草原洼地，地下水位高，翻浆严重。丘陵区1.5m以上的深路堑冬季积雪厚，雪水浸入路面造成危害，所以沥青面层材料应具有良好的防透水性，路肩也应作防水处理。由于气候干燥，砂石路面经常出现松散，搓板和波浪现象。 Ⅶ区——青藏高寒区 该区局部路段有多年冻土，须按保温原则设计，由于地处高原，气候寒冷，昼夜气温相差很大，日照时间长，沥青老化很快，又因为年平均气温相对偏低，路面易遭受冬季雪水渗入而破坏。 图1-3全国公路自然区划图 §1-6路基水温状况及干湿类型 一、路基湿度的来源 路基的强度与稳定性在很大程度上与路基的湿度以及大气温度引起的路基的水温状况有密切的关系。路基在使用过程中，受到各种外界因素的影响，使湿度发生变化。路基湿度的来源可分为以下几方面； 1大气降水——大气降水通过路面，路肩边坡和边沟渗入路基； 2地面水——边沟的流水、地表泾流水因排水不良，形成积水、渗入路基； 3地下水——路基下面一定范围内的地下水浸入路基； 4毛细水——路基下的地下水，通过毛细管作用，上升到路基； 5水蒸汽凝结水——在土的空隙中流动的水蒸汽，遇冷凝结成水； 6薄膜移动水——在土的结构中水以薄膜的形成从含水量较高处向较低处流动，或由温度较高处向冻结中心周围流动。 上述各种导致路基湿度变化的水源，其影响程度随当地自然条件和气候特点以及所采取的工程措施等而不同。 二、大气温度及其对路基水温状况的影响 路基湿度除了水的来源之外，另一个重要因素是受当地大气温度的影响。由于湿度与温度变化对路基产生的共同影响称为路基的水温状况。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。 我国华北，东北和西北地区为季节性冰冻地区。这些地区的路基在冬季冻结的过程中会在负温度坡降的影响下，出现湿度积聚现象。气温下降到零度以下，路面和路基结构内的温度也随之由上而下地逐渐降到零下。在负温度区内，自由水、毛细水和弱结合水随温度降低而相继冻结，于是土粒周围的水膜减薄，剩余了许多自由表面能，增加了土的吸湿能力，促使水分由高温处向上移动，以补充低温处失去的部分。由试验得知，在温度下降到-3℃以下时，土中未冻结的水分在负温差的影响下实际上已不可能向温度更低处移动，因此，负温度区的水分移动一般发生在0℃至-3℃等温线之间。在正温度区内，因零度等温线附近土中自由水和毛细水的冻结，形成了与深层次土层之间的温度坡差，从而促使下面的水分向零度等温线附近移动。而这部分上移的水分便又成了负温度区水分移动的补给来源。这就造成了上层路基湿度的大量积聚。 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。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。若是在交通繁重的地区，经重车反复作用，路基路面结构会产生较大的变形，严重时，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。冻胀和翻浆的出现，使路面遭受严重损坏。 当然并不是在季节性冰冻地区所有的道路都会产生冻胀与翻浆，对于渗透性较高的砂性土以及渗透性很低的粘性土，水分都不容易积聚，因此不易发生冻胀与翻浆，而相反，对于粉性土和极细砂则由于毛细水活动力强，极易发生冻胀与翻浆。周边的水文条件和气候条件亦是重要原因。地面排水不良，地下水位高，路基湿度大，水源充足。冬季温和与寒冬反复交替，路基冻结缓慢，这些都是产生冻胀与翻浆重要的自然条件。 三、路基干湿类型 路基的强度与稳定性，同路基的干湿状态有密切关系，并在很大程度上影响路面结构设计。 路基按其干湿状态不同，分为四类：干燥、中湿、潮湿和过湿。为了保证路基路面结构的稳定性，一般要求路基处于干燥或中湿状态。过湿状态的路基必须经处理后方可铺筑路面。上述四种干湿类型以分界稠度wc1、wc2和wc3来划分。稠度wc定义为土的含水量w与土的液限wL之差，与土的塑限wp与液限wL之差的比值。即 wc=(wL-w)/(wL-wp) (1-1) wc——土的稠度； wL——土的液限； w——土的含水量； wp——土的塑限。 土的稠度较准确地表示了土的各种形态与湿度的关系，稠度指标综合了土的塑性特性，包含了液限与塑限，全面直观地反映了土的硬软程度，物理概念明确。 1wc=1.0，即w=wp，为半固体与硬塑状的分界值； 2wc=0，即w=wc，为流塑与流动状的分界值； 31.0>wc>0，即wL>w>wp，土处于可塑状态。 以稠度作为路基干湿类型的划分标准是合理的，但是在不同的自然区划，不同的土组的分界稠度是不同的，详情见表1-8。 各自然区划土基干湿分界稠度 表1-8 土组 分界稠度 自然区划 土质砂粘质土粉质土 wc0wc1wc2wc3 wc0wc1wc2wc3 wc0wc1wc2wc3 附注 粘性土：分母适用于Ⅱ1、2区； 粉性土：分母适用于Ⅱ2a区。 分子适用于粉土地区； 分母适用于粉质亚粘土地区。 注： wc0—干燥状态路基常见下限稠度； wc1、wc2、wc3—分别为干燥和中湿、潮湿和过湿状态的分界稠度。 在公路勘测设计中，确定路基的干湿类型需要在现场进行勘查，对于原有公路，按不利季节路槽底面以下80cm深度内土的平均稠度确定。于路槽底面以下80cm内，每10cm取土样测定其天然含水量、塑限含水量和液限含水量，以下式求算 wci=(wLi-wi)/(wLi-wpi) (1-2) 式中： wi——路槽底面以下80cm内，每10cm为一层，第i层上的天然含水量； wLi——同一层土的液限含水量(76g平衡锥)； wpi——同一层土的塑限含水量； wci——第i层的稠度； wc——路槽以下80cm内土的算术平均稠度。 根据w〖TX-〗c判别路基的干湿类型，要按照道路所在的自然区划和路基土的类别，查表1-8，与分界稠度作比较，并按表1-9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 表1-9 路基干湿类型路基平均稠度wc与分界相对稠度的关系一般特性 干燥wc＜wc路基干燥稳定，路面强度和稳定性不受地下水和地表积水影响。路基高度H＞H1 中湿wc1≤wc＜wc2路基上部土层处于地下水或地表积水影响的过渡带区内，路基高度H2＜H≤H1 潮湿wc2≤wc＜wc3路基上部土层处于地下水或地表积水毛细影响区内，路基高度H3＜H≤H2 过湿wc≥w3路基极不稳定、冰冻区春融翻浆，非冰冻区弹簧，路基经处理后方可铺筑路面，路基高度H＜H3 对于新建道路，路基尚未建成，无法按上述方法现场勘查路基的湿度状况，可以用路基临界高度作为判别标准。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 少，如图1-4所示。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。即， H1相对应于w1，为干燥和中湿状态的分界标准； H2相对应于w2，为中湿与潮湿状态的分界标准； H3相对应于w3，为潮湿和过湿状态的分界标准。 在设计新建道路时，如能确定路基临界高度值，则可以以此作为判别标准，与路基设计高度作比较，由此确定路基的干湿类型，如表1-9所示。 图1-4路基临界高度与路基干湿类型 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度。不同土质和自然区的路基临界高度见表1-10所示。 §1-7路面结构及层位功能 一、路面横断面 在路基顶面铺筑面层结构，沿横断面方向由行车道、硬路肩和土路肩所组成。路面横断面的形式随道路等级的不同，可选择不同的型式，通常分为槽式横断面和全铺式横断面，如图1-5所示。 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。路面横断面形式见图1-5所示。 图1-5路面横断面形式 a) 槽式；b) 全铺式 1-路面；2-土路肩；3-路基；4-路缘石(侧石)；5-加固路肩 二、路拱横坡度 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，减弱路面结构强度，路面表面应做成直线型或抛物线型的路拱。等级高的路面，平整度和水稳定性较好，透水性也小，通常采用直线型路拱和较小的路拱横坡度。等级低的路面，为了有利于迅速排除路表积水，一般采用抛物线型路拱和较大的路拱横坡度。表1-11列出了各种不同类型路面的路拱平均横坡度。 各类路面的路拱平均横坡度 表1-11路面类型路 拱 平 均 横 坡 度(%) 沥青混凝土、水泥混凝土1～2 厂拌沥青碎石、路拌沥青碎(砾)石、沥青贯入碎(砾)石、沥青表面处治、整齐石块。1.5～2.5 半整齐石块，不整齐石块 碎石、砾石等粒料路2.5～3.5 炉渣土、砾石土、砂砾土等3～4 选择路拱横坡度，应充分考虑有利于行车平稳和有利于横向排水两方面的要求。在干旱和有积雪、浮冰地区，应采用低值，多雨地区采用高值；当道路纵坡较大或路面较宽，或行车速度较高时，或交通量和车辆载重较大时，或常有拖挂汽车行驶时，应采用平均横坡度的低值；反之则应取用高值。 高速公路和一级公路设有中央分隔带。通常采用两种方式布置路拱横断面。若分隔带未设置排水设施，则作成中间高，两侧路面低，由单向横坡向路肩方向排水。若分隔带设置排水设施，则两侧路面分别单独作成中间高两边低的路拱，向中间排水设施和路肩二个方向排水。 路肩横坡度一般较路面横坡大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。 三、路面结构分层及层位功能 行车荷载和自然因素对路面的影响，随深度的增加而逐渐减弱。因此，对路面材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随深度的增加而逐渐降低。为了适应这一特点，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。如图1-6所示。 图1-6路面结构层次划分示意图 i-路拱横坡度；1-面层；2-基层(有时包括底基层)； 3-垫层；4-路缘石；5-加固路肩；6-土路肩 1面层 面层是直接同行车和大气接触的表面层次，它承受较大的行车荷载的垂直力，水平力和冲击力的作用。同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响。因此，同其它层次相比，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。 修筑面层所用的材料主要有：水泥混凝土、沥青混凝土、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。 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至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。水泥混凝土路面也有分上下两层铺筑，分别采用不同标号的水泥混凝土材料。水泥混凝土路面上加铺4cm沥青混凝土这样的复合式结构也是常见的。但是砂石路面上所铺的2-3cm厚的磨耗层或1cm厚的保护层，以及厚度不超过1cm的简易沥青表面处治，不能作为一个独立的层次，应看作为是面层的一部分。 2基层 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中去，实际上基层是路面结构中的承重层，它应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力。基层遭受大气因素的影响虽然比面层小，但是仍然有可能经受地下水和通过面层渗入雨水的浸湿，所以基层结构应具有足够的水稳定性。基层表面虽不直接供车辆行驶，但仍然要求有较好的平整度，这是保证面层平整性的基本条件。 修筑基层的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、各种碎石或砾石、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。 基层厚度太厚时，为保证工程质量可分为两层或三层铺筑。当采用不同材料修筑基层时，基层的最下层称为底基层，对底基层材料质量的要求较低，可使用当地材料来修筑。 3垫层 垫层介于土基与基层之间，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化所造成的不良影响。另一方面的功能是将基层传下的车辆荷载应力加以扩散，以减小土基产生的应力和变形。同时也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构的性能。 修筑垫层的材料，强度要求不一定高，但水稳定性和隔温性能要好。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等修筑的稳定类垫层。 §1-8路面的等级与分类 一、路面等级划分 通常按路面面层的使用品质，材料组成类型以及结构强度和稳定性，将路面分为四个等级，如表1-12所示。 各等级路面所具有的面层类型及其所适用的公路等级 表1-12 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 次高级沥青贯入碎(砾)石、路拌沥青碎(砾)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、其他粒料三级、四级 低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 (一) 高级路面 高级路面的特点是强度高，刚度大，稳定性好，使用寿命长，能适应较繁重的交通量，路面平整，无尘埃，能保证高速行车。高级路面养护费用少，运输成本低，但初期建设投资高，需要用质量高的材料来修筑。 (二) 次高级路面 次高级路面与高级路面相比，强度和刚度较差，使用寿命较短，所适应的交通量较小，行车速度也较低，次高级路面的初期建设投资虽较高级路面低些，但要求定期修理。养护费用和运输成本也较高。 (三) 中级路面 中级路面的强度和刚度低，稳定性差，使用期限短，平整度差，易扬尘，仅能适应较小的交通量，行车速度低。中级路面的初期建设投资虽然很低，但是养护工作量大，需要经常维修和补充材料，才能延长使用年限。运输成本也高。 (四) 低级路面 低级路面的强度和刚度最低，水稳定性差，路面平整性差，易扬尘，故只能保证低速行车，所适应的交通量最小，在雨季有时不能通车。低级路面的初期建设投资最低，但要求经常养护修理，而且运输成本最高。 二、路面分类 路面类型可以从不同角度来划分，但是一般都按面层所用的材料区划，如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等。但是在工程设计中，主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面，刚性路面和半刚性路面三类。 (一) 柔性路面 柔性路面的总体结构刚度较小，在车辆荷载作用之下产生较大的弯沉变形，路面结构本身的抗弯拉强度较低，它通过各结构层将车辆荷载传递给土基，使土基承受较大的单位压力。路基路面结构主要靠抗压强度和抗剪强度承受车辆荷载的作用。柔性路面主要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。 (二) 刚性路面 刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。水泥混凝土的强度高，与其它筑路材料比较，它的抗弯拉强度高，并且有较高的弹性模量，故呈现出较大的刚性，在车辆荷载作用下，水泥混凝土结构层处于板体工作状态，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。 (三) 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，在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。由于这种材料的刚性处于柔性路面与刚性路面之间，因此把这种基层和铺筑在它上面的沥青面层统称为半刚性路面。这种基层称为半刚性基层。 刚性路面、柔性路面和半刚性路面，这种以力学特性为标准的分类方法主要是为了便于从功能原理和设计方法出发进行区分，并没有绝对的定量分界界限。近年来材料科学的发展正在逐步改变这种属性，如水泥混凝土的增塑研究正在使它的刚性降低而保留它的高强性质，沥青的改性研究使得沥青混凝土随气候而变化的力学性质趋向于稳定，大幅度提高其刚度。事物都在相互转化之中。 第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质 §2-1行车荷载 汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地通行。汽车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。因此，为了保证设计的路基路面结构达到预计的功能，具有良好的结构性能，首先应对行驶的汽车作分析。包括汽车轮重与轴重的大小与特性；不同车型车轴的布置；设计期限内，汽车轴型的分布以及车轴通行量逐年增长的规律；汽车静态荷载与动态荷载特性比较等。 一、车辆的种类 道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。 客车又分为小客车，中客车与大客车。小客车自身重量与满载总重都比较轻，但车速高，一般可达120km/h，有的高档小车可达200km/h以上；中客车一般包括6个坐位至20个坐位的中型客车；大客车一般是指20个坐位以上的大型客车包括铰接车和双层客车，主要用于长途客运与城市公共交通。 货车又分为整车、牵引式拖车和牵引式半拖车。整车的货厢与汽车发动机为一整体；牵引式拖车的牵引车与拖车是分离的，牵引车提供动力，牵引后挂的拖车、有时可以拖挂两辆以上的拖车；牵引式半拖车的牵引车与拖车也是分离的，但是通过铰接相互联接，牵引车的后轴也担负部分货车的重量，货车厢的后部有轮轴系统，而前部通过铰接悬挂在牵引车上。货车总的发展趋向是向大吨位发展，特别是集装箱运输水陆联运业务开展之后，货车最大吨位已超过40-50吨。 汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要以轴重作为荷载标准，在道路上行驶的多种车辆的组合中，重型货车与大客车起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小，有时可以不计。但是在考虑路面表面特性要求时，如平整性，抗滑性等，以小汽车为主要对象，因为小车的行驶速度高，所以要求在高速行车条件下具有良好的平稳性与安全性。 二、汽车的轴型 无论是客车还是货车，车身的全部重量都通过车轴上的轮子传给路面，因此，对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴重。由于轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，为了统一设计标准和便于交通管理，各个国家对于轴重的最大限度均有明确的规定。据国际道路联合会1989年公布的统计数据，在141个成员国和地区中，轴限最大的为140KN，近40%执行100KN轴限，我国公路与城市道路路面设计规范中均以100KN作为设计标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为100KN。 通常，整车型式的客、货车车轴分前轴和后轴。绝大部分车辆的前轴为二个单轮组成的单轴，轴载约为汽车总重量的三分之一。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成，双前轴的载重约为汽车总重的一半。汽车的后轴有单轴、双轴和三轴三种，大部分汽车后轴由双轮组组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴。每一根后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。目前，在我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般在60～130KN范围内，大部分在100KN以下。 由于汽车货运向大型重载方向发展，货车的总重有增加的趋势，为了满足各个国家对汽车轴限的规定，趋向于增加轴数以提高汽车总重。因此出现了各种多轴的货车。有些运输专用设备的平板拖车，采用多轴多轮，以便减轻对路面的压力。各种不同轴型的货车如图2-1所示。 图2-1〓同轴型的货车示意图 三、汽车对道路的静态压力 汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态。当汽车处于停驻状态下，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素的影响。 1) 汽车轮胎的内压力pi； 2) 轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状； 3) 轮载的大小。 货车轮胎的标准静内压力pi一般在0.4～0.7MPa范围内。通常轮胎与路面接触面上的压力p略小于内压力pi，约为(0.8～0.9)pi。车轮在行驶过程中，内压力会因轮胎充气温度升高而增加，因此，滚动的车轮，接触压力也有所增加，达到(0.9～1.1)pi。 轮胎的刚度随轮胎的新旧程度而有不同，接触面的形状和轮胎的花纹也会影响接触压力的分布，一般情况下，接触面上的压力分布是不均匀的。不过在路面设计中，通常忽略上述因素的影响，而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。 轮胎与路面的接触面形状如图2-2所示，它的轮廓近似于椭圆形，因其长轴与短轴的差别不大，在工程设计中以圆形接触面积来表示。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轮胎接触压力p。当量圆的半径δ可以按式(2-1)确定。 δ=〖ＫＦ（〗〖ＳＸ（〗P〖〗πp (2-1) 式中：〖ＺＫ（〗P——作用在车轮上的荷载，KN； p——轮胎接触压力，KPa； δ——接触面当量圆半径，m。〖ＺＫ）〗 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；如用二个圆表示，则称为双圆荷载(见图2-2)。单圆荷载的当量圆直径D和双圆荷载的直径d，分别按式(2-2)、式(2-3)计算： 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，用式(2-2)、式(2-3)计算，可分别得到相应的当量直径为： 图2-2车轮荷载计算图式 a) 单圆图式；b) 双圆图式 四、运动车辆对道路的动态影响 行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施加水平力，震动力。此外，由于汽车以较快的速度通过，这些动力影响还有瞬时性的特征。 汽车在道路上等速行驶，车轮受到路面给它的滚动摩阻力，路面也相应受到车轮施加于它的一个向后的水平力；汽车在上坡行驶，或者在加速行驶过程中，为了克服重力与惯性力，需要给路面施加向后的水平力，相应在下坡行驶或者在减速行驶过程中，为了克服重力与惯性力的作用，需要给路面施加向前的水平力。汽车在弯道上行驶，为了克服离心力，保持车身稳定不产生侧滑，需要给路面施加侧向水平力。特别是在汽车启动和制动过程中，施加于路面的水平力相当大。 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(见图2-3)，其最大值Qmax不会超过P与φ的乘积，即： Qmax≤Pφ (2-4) 若以q和p分别表示接触面上的单位水平力和单位垂直接触压力，则最大水平力qmax应满足： qmax≤pφ (2-5) 图2-3车轮作用于路面的垂直压力与水平力 纵向滑移路面附着系数φ表2-2 表2-2所列的φ值为实地测量的资料。由表列φ值可以看出，φ的最大值一般不超过0.7～0.8，同路面类型和湿度以及行车速度有关，相同的路面结构类型，干燥状态的φ值比潮湿状态高；路面结构类型与干燥状态相同的情况下，车速越高，φ值越小。 路面表面必需保持足够的附着系数，这是保证正常行车的重要条件。但是从路面结构本身来看，附着系数的大小直接关系结构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下，结构层产生复杂的应力状态，特别是面层结构，直接遭受水平荷载作用，若是抗剪强度不足，将会导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。 汽车在道路上行驶，由于车身自身的震动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的轮载时而大于静态轮载，时而小于静态轮载，呈波动状 态，图2-4所示即为轴载波动的实例。 图2-4轴载的动态波动 车速：60km/h；路面平整度中等；轮胎着地 长：23cm；通过时间：0.0138S 轮载的这种波动，可近似地看作为呈正态分布，其变异系数(标准离差与轮载静载之比)主要随下述三因素而变化： (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。 正常情况下，变异系数一般均小于0.3。 振动轮载的最大峰值与静 载之比称为冲击系数，在较平整的路面上，行车速度不超过50km/h时，冲击系数不超过130。车速增加，或路面平整性不良，则冲击系数还要增大。在设计路面时，有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 行驶的汽车对路面施加的荷载有瞬时性，车轮通过路面上任一点，路面承受荷载的时间是很短的，大约只有0.01～0.10S左右。在路面以下一定深度处，应力作用的持续时间略长一点，但仍然是十分短暂的。由于路面结构中应力传递是通过相邻的颗粒来完成的，若应力出现的时间很短，则来不及传递分布，其变形特性便不能像静载那样呈现得那样完全。美国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对不同车速下沥青路面和水泥混凝土路面的变形进行量测(见图2-5)，结果表明，当行车速度由3.2km/h提高到56km/h，沥青路面的总弯沉减少36%；当行车速度由3.2km/h提高到96.7km/h，水泥混凝土路面的板角挠度和板边应变量减少29%左右。 动荷载作用下路面变形量的减小，可以理解为路面结构刚度的相对提高，或者是路面结构强度的相对增大。 图2-5车速与路面变形的关系 1——刚性路面，板角挠度和板边应变量随车速的变化； 2——柔性路面，表面总弯沉量随车速的变化。 汽车荷载对路面的多次重复作用也是一项重要的动态影响，在行车繁密的道路上，路面结构每天将承受上千次，甚至数万次车轮荷载的作用，在路面的整个使用期限内，承受的轮载作用次数更为可观。路面承受一次轮载作用和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。对于弹性材料，在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随荷载重复次数的增加而降低。对于弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积，所以对于路面设计，不仅要重视轴重静力与动力的量值，道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素。 五、交通分析 道路上通行的车辆不仅具有不同的类型和不同的轴重。而且通行的车辆数目也是变化的。路面结构设计中，要考虑设计年限内，车辆对路面的综合累计损伤作用，必须对现有的交通量、轴载组成以及增长规律进行调查和预估，并通过适当的方式将它们换算成当量标准轴载的累计作用次数。 1、交通量 交通量是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。可以通过现有的交通流量观测站的调查资料，得到该道路设计的初始年平均日交通量。也可以根据需要，临时设站进行观测。当然这种观测只是短期的，仅为若干天，而且每天也可能仅观测若干小时。对此，可利用当地长期观测所得的时间分布规律、即月分布不均匀系数，日分布不均匀系数和小时分布换算系数，将临时观测结果按相应的换算系数换算成年平均日交通量。 对于路面结构设计，不仅要收集交通总量，还必须区分不同的车型，目前各地观测站进行交通量调查，将车辆分成11类：小型货车、中型货车、大型货车、小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中型拖拉机、自行车、人力车和畜力车。小型货车、小型客车、拖拉机和非机动车对路面结构损伤作用极其轻微，可忽略不计，这些车辆所占的比例应从总量中扣除。其余各类列入统计范畴的车辆按轴型和轴载大小分类(如单后轴货车、双后轴货车、牵引拖挂车、牵引半拖挂车等)和分级统计。还要通过目测大致估计这些货车的满载程度，以便确定空车数占货车总数的百分率。 有的交通量观测站配置有自动化的轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后按轴载大小分类统计累计轴载数，这种调查称为轴载谱的调查。轴载谱调查与交通量的统计相互进行校核与补充。 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增长的。要确定路面设计年限内的总交通量，还需要预估该年限内交通的发展。通常，可根据最近若干年内连续观测的交通量资料，通过整理得出交通量年增长率的变化规律。而后，利用它外延得到所需年份的平均日交通量。表2-3所列为我国25条国道1980-1989年间的交通量观测资料整理出的不同年限内交通量年平均增长率的变化范围，可供参考。选用时，还需考虑公路所在地区人口、经济和交通的发展趋势，作适当调整。 交通量年平均增长率(γ)变化范围(%)表2-3 注：初始交通量大的取下限，反之取上限 路面结构设计中，通过调查分析确定初始年平均日交通量N\-1，按式(2-6)进行计算， N\-1=〖SX(〗Σ〖DD(〗365〖〗i=1〖DD)〗N\-i〖〗365〖SX)〗 〖JY〗(2-6) 式中： N\-1——初始年平均日交通量； Ni——每日实际交通量。 然后通过调查研究，分析论证，以确定交通量年平均增长率γ。逐年的交通量大致符合几何级数增长规律。即在设计年限内，以固定的增长百率γ逐年增加。γ值的变化幅度很大，不同地区，不同经济条件，不同时间，γ值都是不一样的。通常在发达国家，大城市附近，由于经济基础已具相当规模，交通量的基数较大，所以增长率γ较小。对于发展中国家、新开发的经济区，一般γ值较大，若干年之后又逐步下降，趋向稳定。 在路面结构设计中，设计年限内，累计交通量N〖TX-〗e可以按式(2-7)预估： 或 (2-7) 式中： Ne——设计年限内的累计交通量； N\-1——设计的初始年平均日交通量； Nt——设计的末年年平均日交通量； γ——设计年限内交通量年平均增长率； t——设计年限。 图2-6轴载谱 2、轴载组成与等效换算 不同重量的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。对于路面结构设计，除了设计期限的累计交通量之外，另一个重要的交通因素便是各级轴载所占的比例，即轴载组成或轴载谱。 根据实测的通过轴载次数和相应的轴重，整理成图2-6那样的直方图，作为该道路通行的各级轴载的典型轴载谱。由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数，乘以相应的轴载谱百分率，即可推算出所有车辆各级轴载的作用次数。 道路上行驶的汽车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，我国水泥混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载100KN作为标准轴载。 各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是，同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。通过室内或道路现场的重复作用试验，可以建立荷载量级同达到相同程度损伤的作用次数之间的关系。依据这一关系，可以推算出不同轴载的作用次数等效换算成标准轴载当量作用次数的轴载换算系数公式(2-8)。 〓〓〓〓ηi=〖SX(〗N\-s〖〗N\-i〖SX)〗=α(〖SX(〗P\-i〖〗P\-s〖SX)〗)n 〖JY〗(2-8) 式中：〖ＺＫ（〗 ηi——i级轴载换算为标准轴载的换算系数； Ps——标准轴载重，KN； Ns——标准轴载作用次数； Pi——i级轴载重，KN； Ni——i级轴载作用次数； α——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； n——同路面结构特性有关的系数。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同，损伤的标准也不相同，因而系数α和n取值各不相同。具体数值在有关章节分别作介绍。 3、轮迹横向分布 车辆在道路上行驶时，车轮的轨迹总是在横断面中心线附近一定范围内左右摆动。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，也不可能平均分配到每一点上，而是按一定规律分布在车道横断面上，称为轮迹的横向分布。图2-7所示为单向行驶时一个车道内的轮迹横向分布频率曲线，图2-8所示为混合行驶时双车道内轮迹横向分布频率曲线。 图2-7轮迹横向分布频率曲线(单向行驶一个车道) 图2-8轮迹横向分布频率曲线(混合行驶双车道) 分布频率曲线中的直方图条带宽为25cm，大约接近轮迹宽度，以条带上受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数作为该条带的频率。由图2-7可见，对于单向行车的一个车道上，由于行车的渠化，频率曲线出现二个峰值，达到30%左右，而车道边缘处频率很低。由图2-8可见，混合行驶的双车道，车辆集中在双车道中央，频率曲线出现一个峰值，约为30%左右，两侧边缘频率很低。 轮迹横向分布频率曲线图形随许多因素而变化，如：交通量、交通组成，车道宽度、交通管理规则等。需分别各种不同情况，通过实地调查，才能确定。 在路面结构设计中，用横向分布系数η来反映轮迹横向分布频率的影响。通常取宽度为二个条带的宽度，即50cm，因为双轮组每个轮宽20cm，轮隙宽10cm。这时的二个条带频率之和称为轮迹横向分布系数。 §2-2环境因素影响 路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素，路基路面结构的温度和湿度状况随周围环境的变化而变化，路基路面体系的性质与状态也随之发生变化。 路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。图2-9给出了沥青混凝土的动弹性模量随温度升高而降低的情况。图2-10所示为路基回弹模量随湿度增长而急剧下降的情况。 图2-9温度对沥青混凝土弹性模量的影响 图2-10湿度对路基刚度的影响 路基土和路面材料的体积随路基路面结构内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩。由于温度和湿度是随环境而变化的，而且沿着结构的深度呈不均匀分布，因此在不同时期和不同深度处，胀缩的变化也是不相同的。如果这种不均匀的胀缩因某种原因受到约束而不能实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力。即温度应力和湿度应力。 路基土和路面材料的几何性质和物理性质随温度与湿度产生的变化，将使路基路面结构设计复杂化。如不能充分估计这种因自然环境因素变化产生的后果，则路基路面结构在车轮荷载和自然因素共同作用之下，将提前出现损坏，缩短路面的使用年限。因此，在分析和设计路基路面结构时，除了充分考虑车轮荷载可能引起的各种损伤之外，还应考虑自然因素的影响。 大气的温度在一年四季和一昼夜之间发生着周期性的变化。受大气直接影响的路面温度也相应地在一年之间和一日之间发生着周期性的变化。图2-11和图2-12分别显示了夏季晴天，沥青面层和水泥混凝土面层内温度的昼夜变化观测结果。由图可见，路表面温度变化与气温变化大致是同步的，但是由于部分太阳辐射热被路面所吸收，路表面的温度较气温高，尤其是沥青路面，由于吸热量高，温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化，升降的幅度随深度的增加而减小。其峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后。 图2-11沥青面层温度日变化曲线 图2-12水泥混凝土面层温度日变化曲线 路面结构内温度随深度的分布状况，可以从一天内不同时刻的路面温度随深度的分布曲线图中看到。图2-13即为水泥混凝土面层的一个实例。由图可见，顶面与底面之间的温差，在一天内经历了由负(顶温低于底温)到正(顶温高于底温)，再由正到负的循环变化。如果以单位深度内的平均温度坡差作为温度梯度，则由图2-14所示的曲线可以看出，温度梯度的变化与气温的变化大致是同步的，具有周期性特点。 图2-13一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线 图2-14水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线 除了日变化之外，一年四季面层不同深度处的温度还随气温的变化而经历着年变化，图2-15所示为沥青面层不同深度处的月平均气温变化的情况，可以看出，平均气温最高和最低的7月和1月份，面层的平均气温也相应为最高值和最低值。 图2-15沥青面层月平均温度的年变化曲线 影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外部和内部两类。外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素。内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率，热容量和对辐射热的吸收能力等。 路面结构内的温度状况，可通过在外部和内部影响因素之间建立联系的方法来预估。这种方法有两类，即统计方法和理论方法。 统计方法就是在路面结构层的不同深处埋设测温元件，连续观测年循环内不同时刻的温度变化。同时收集当地的气象资料，包括对应的气温和辐射热等。对记录的路面温度和气象因素进行逐步回归分析。选择符合显著性检验要求的因素，分别建立不同深度处各种路面温度指标的回归方程式。如式(2-9)所示。 Tmax=a+bTa·max+cQ (2-9) 式中： Tmax——路面某一深度处的最高温度，℃； Ta·max——相应的日最高气温，℃； Q——相应的太阳日辐射热，J/m\+2； a,b,c——回归常数。〖 由于统计方法不可能包含所有的复杂因素，所以计算的精确度有地区局限性，可以在条件相似的地区参考使用。理论法应用热传导理论方程式推演出各项气象资料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程式。通常，由于参数确定的难度大、理论假设的理想化， 预估的结果与实测结果有一定的差距。 大气湿度的变化，通过降水，地面积水和地下水浸入路基路面结构，是自然环境影响的另一个重要方面，它除了影响路基土湿度的变化，使路基产生各种不稳定状态之外，对路面结构层也有许多不利的影响。 路基路面结构的强度、刚度及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化。例如在北方季节性冰冻地区，冰冻开始时，路基水分向冻结线积聚形成冻胀，春暖融冻初期形成翻浆的现象较普遍。而在南方非冰冻区，当雨季来临时，未能及时排除的地面积水和离地面很近的地下水将使路基土浸润而软化。 保持路基干燥的主要方法是设置良好地面排水设施和路面结构排水设施，经常养护保持畅通。地下水对路基湿度的影响随地下水位的高低与土的性质而异。通常认为受地下水影响的高度对粘土为6m，砂质粘土或粉土约为3m，砂土为09m。在这个深度范围内，路基湿度受地下水位控制，其影响程度随土质而异，在这个范围以上部分，路基湿度主要受大气降水，蒸发以及地面排水控制，对于干旱地区，路基的湿度主要受空气相对湿度的控制，受降水的影响很小，相当于当地覆盖土相同深度处的湿度。 面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响，若采用不透水的面层结构，将减少降水和蒸发的影响。在道路完工二、三年内，路面结构与路基上部中心附近的湿度逐渐趋向稳定。对于透水的面层结构，若不作专门处理，则路面结构和上层路基的湿度状况将受到降水和蒸发的影响而产生季节性的变化。 路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响。通常在路面边缘以内1m左右，湿度开始增大，直至路面边缘与路肩下的湿度相当，路肩如果经过处治，防止雨水渗入，则路面下的土基湿度将趋向于稳定，与路基中心湿度相当。 §2-3土基的力学强度特性 一、路基受力状况 路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。在两种荷载共同作用之下，在一定深度范围内，路基土处于受力状态。正确的设计应使得路基所受的力在弹性限度范围内，而当车辆驶过后，路基能恢复原状，以保证路基相对稳定，路面不致引起破坏。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力σ2可以用近似公式(2-10)计算。计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷载，路基为一弹性均质半空间体(见图2-16)，则 σ\-2=〖SX(〗p〖〗1+2.5(〖SX(〗Z〖〗D〖SX)〗)2 (2-10) 式中： p——车轮荷载的均布单位压力，KPa； D——圆形均布荷载作用面积的直径，m； Z——圆形均布荷载中心下应力作用点的深度，m。 图2-16土基中应力分布图 路基土本身自重在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力σ\-B按式(2-11)计算。 σB=γZ (2-11) 式中：γ——土的容重，KN/m\+3； Z——应力作用点深度，m。 虽然路面结构材料的容重比路基土的容重略大，但是结构层的厚度相对于路基某一深度而言，这个差别可以忽略，仍可视作为均质土体。 路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的σZ和由土基自重引起的σB，两者的共同作用，如图2-16所示。 二、路基工作区 在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力σZ与路基土自重引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为1/5-1/10时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。在工作区范围内的路基，对于支承路面结构和车轮荷载影响较大，在工作区范围以外的路基，影响逐渐减少。 路基工作区深度Za可以用式(2-12)计算。 Za=〖KF(S〗3〖〗〖SX(〗KnP〖〗γ (2-12) 式中Za——路基工作区深度，m； P——一侧轮重荷载，KN； K——系数，取K=0.5； γ——土的容重，KN/m\+3； n——系数，n=5-10。〖ＺＫ）〗 由式(2-12)可见，路基工作区随车轮荷载的加大而加深。表2-4列出了与各种型号的汽车对应的路基工作区深度。 图2-17工作区深度和路基高度a) 路堤高度大于Za，b) 路堤高度小于Za 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，对工作区深度范围内的土质选择，路基的压实度应提出较高的要求。 当工作区深度大于路基填土高度时(图2-17)，行车荷载的作用不仅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土层，因此，天然地基上部土层和路堤应同时满足工作区的要求，均应充分压实。 路基工作区深度表2-4 三、路基土的应力——应变特性 路基是路面结构的支承体，车轮荷载通过路面结构传至路基。所以路基土的应力——应变特性对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响。路面结构的损坏，除了它本身的原因之外，路基的变形过大是重要原因之一。路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。过大的塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不平整，对于水泥混凝土路面，路基土的塑性变形将引起板块断裂。弹性变形过大将使得沥青面层或水泥混凝土面板产生疲劳开裂。在路面结构总变形中，土基的变形占很大部分，约占70-95%，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要方面。 理想的线性弹性体在一定的应力范围内，应力与应变的关系呈线性特性。而且当应力消失时，应变随之消失，恢复到初始状态。路基土的内部结构十分复杂，包括固相、液相和气相三部分所组成。固相部分又由不同成分、不同粒径的颗粒所组成。所以路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线性弹性体有很大区别。 压入承载板试验是研究土基应力——应变特性最常用的一种方法。这种方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面，逐级加荷卸荷，记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形，根据试验结果，可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。图2-18a)是这种关系的典型情况。 根据弹性力学理论，通过试验测得的回弹变形可以用式(2-13)计算土基的回弹模量， E=〖SX(〗pD(1-μ2) (2-13) 式中： l——承载板的回弹变形，m； D——承载板的直径，m； E——土体的回弹模量，KPa； μ——土体的泊松比； p——承载板压强，KPa。 假如土体为理想的线性弹性体，则E应为一常量，施加的荷载p与回弹变形l之间应呈直线关系。但是实际上图2-18a)所示的p与l之间的曲线关系是普遍的。因此，土基的回弹模量E并不是常数。 土基应力——应变的非线性特性由三轴压缩试验的结果也可以证明。图2-18b)为三轴压缩试验应力——应变关系曲线。土的竖向压应变ε1可以按照式(2-14)计算。 (2-14) 式中： ε1——竖向应变； σ1——竖向应力，KPa； σ3——侧向应力，KPa； E——土的弹性模量，KPa； μ——土的泊松比，约为0.3-0.5，随土质而异。 当侧向应力σ3保持一个常数不变，若E值为常数时，竖向应力σ1与竖向应变ε1之间应保持直线关系。但是实际试验结果表明σ1与ε1之间普遍存在着非线性关系。所以E值不能视为不变的常量。 图2-18土的应力——应变关系曲线 土体在内部应力作用下表现出的变形，从微观的角度看，是土的颗粒之间的相对移动。当移动的距离超出一定限度时，即使将应力解除，土体的颗粒已不再能回复原位，从宏观角度看，土基将产生不可恢复的残余变形。因此，土基的应力——应变关系除了出现非线性特性之外，还表现出弹塑性性质。由图2-18c)可以看出，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由A回到B，OB即为塑性或残余变形。 尽管土基的应力——应变关系如此复杂，但是在评定土基应力——应变状态以及设计路面时通常仍然用模量值E来表征。最简单的方法是采用局部线性化的方法，即在曲线的某一个微小线段内，近似地将它视为直线，以它的斜率作为模量值。按照应力——应变曲线上应力取值方法的不同。模量有以下几种： (1) 初始切线模量——应力值为零时的应力——应变曲线的斜率，如图2-18c)中的①所示； (2) 切线模量——某一应力级位处应力——应变曲线的斜率，如图2-18c)中的②所示。反映该级应力处应力——应变变化的精确关系； (3) 割线模量——以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图2-18c)中③所示。反映土基在工作应力范围内的应力——应变的平均状态； (4) 回弹模量——应力卸除阶段，应力——应变曲线的割线模量，如图2-18e)中④所示。 前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变，而回弹模量则仅包含回弹应变，它部分地反映了土的弹性性质。 土基应力——应变的非线性特性还有另一种表示方法，即将回弹模量值以应力或应变的函数形式来表示。如根据试验结果，砂性土路基的回弹模量可以按式(2-15)计算确定。 ER=K1θK2 (2-15) 式中： ER——土基回弹模量，KPa； θ——全应力，即三向主应力之和，θ=σ1+σ2+σ3，KPa； K1，K2——回归常数，见图2-19a) 对于粘性土，其模量值随应力的变化又有另外的形式。如图2-19b)所示，在一定的应力范围内，随着应力的增加，模量逐渐降低，超过一定范围后，模量又缓慢增大，式(2-16)表示典型的粘性土的回弹模量与应力的函数关系。 图2-19回弹模量与应力的关系曲线a) 砂性土；b) 粘性土 ER=K2+K｜K1-(σ1-σ2)｜ (2-16) 式中： ER——土基回弹模量，KPa； σ1，σ2——最大，最小主应力，KPa； K1，K2——回归常数，KPa； K——系数，当(σ1-σ3)<K1，则K=K3；当(σ1-σ3)≥K1，则K=K4； K3，K4——回归常数。 路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关，而且与荷载作用的持续时间有关。这是由于土颗粒之间力的传递以及土粒与土粒之间的相对移动都需要一定的时间。通常在施加荷载的初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。这又称为土的流变特性。试验表明，回弹应变与荷载的持续时间关系不大，土的流变特性主要同塑性应变有关。 汽车在道路上行驶，车轮对土基作用的时间很短，在这一瞬间，产生的塑性应变比之于静荷载长期作用下的塑性应变小得多。因此，一般情况下，土基的流变影响可以不予考虑。 四、重复荷载对路基土的影响 土基承受着车轮荷载的多次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形即时消失，而塑性变形则不能消失，残留在土基之中。随着作用次数的增加，产生塑性变形的积累，总变形量逐渐增大。最终会导致二种不同的情况，一种情况是土体逐渐压密，土体颗粒之间进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，停止增长，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏；另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏，每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。 土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累，最终将导致何种状况，主要取决于： (1) 土的性质(类型)和状态(含水量、密实度、结构状态)； (2) 重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示，即相对荷载； (3) 荷载作用的性质，即重复荷载的施加速度、每次作用的持续时间以及重复作用的频率。 例如，对于相对含水量小于07的干土，取相对荷载小于0.45至0.55时，荷载重复作用的结果产生第一种情况，土体逐渐固结硬化；而取相对荷载大于此值，经过多次重复加载后，便出现第二种情况，土体产生破坏。当土的相对含水量大于0.7至0.8处于较湿的状态下，若要保证在荷载重复作用下不发生破坏的变形，则安全的相对荷载值很小，对粘土小于0.09；砂性土小于0.15-0.12；粉性土不超过0.10，称为重复应力的临界值。在重复应力低于临界值的范围内，总应变的累积规律在半对数(或对数)坐标上一般呈线性关系，可表示为 ε1=a+blgN (2-17) 式中： a——应力一次作用下的初始应变； b——应变增长回归系数； N——应力重复作用次数。 路基承受着车轮荷戴的重复作用，为适应这一特点，可采用重复加载的三轴压缩试验来确定土的回弹模量值。应力施加频率为每分钟20-30次，每次作用的持续时间为0.2-0.1S；按重复应力作用600-1000次后的回弹应变确定回弹模量E\-R值。 §2-4土基的承载能力 在车轮荷载作用下，路基路面结构的强度与刚度除了路面材料的品质之外，路基的支承起着决定性的作用。路基作为路面结构的基础，它的抵抗车轮荷载能力的大小，主要决定干路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。所以路基的承载能力都采用一定应力级位下的抗变形能力来表征。尽管柔性路面设计和刚性路面设计以不同的理论体系为基础，不同的设计方法有不同的假定前提，但是用于表征路基承载力的各种指标，它们的前提，基本上是相同的。也就是土基在一定应力级位下的抗变形能力。用于表征土基承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比(CBR)等。 一、土基回弹模量 以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。以回弹模量作为表征土基承载能力的参数，可以在以弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用。为了模拟车轮印迹的作用，通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。 有两种承载板可以用于测定土基回弹模量，即柔性压板与刚性压板。用柔性压板测定回弹模量，土基与压板之间的接触压力为常量，如图2-20a)所示即： p(r)=〖SX(〗P〖〗πa2 (2-18) 图2-20土基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线 a) 柔性承载板；b) 刚性承载板 承载板的挠度l(r)与坐标r有关，在压板中心处(r=0)，即： lr=0=〖SX(〗2pa(1-μ2)〖〗E (2-19) 在柔性压板边缘处r=a，其挠度可以按下式计算： lr=a=4pa(1-μ2)〖〗πE (2-20) 因此，当测得压板中心或者压板边缘处挠度之后，假如μ为已知值，即可通过式(2-19)或式 (2-20)反算，得到回弹模量E\-R值。 用刚性承载板测定土基回弹模量，压板下土基顶面的挠度为等值，不随坐标r而变化。但是板底接触压力则随r值的变化，成鞍形分布，如图2-10b)所示。其挠度l值与接触压力p值可分别按式(2-21)或式(2-22)计算。 l=〖SX(〗2pa(1-μ2)〖〗E〖SX)〗 〖SX(〗π〖〗4〖SX)〗 (2-21) p(r)=〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗 〖SX(〗pa〖〗〖KF(〗a\+2-r\+2(2-22) 测得刚性板挠度之后，即可按式(2-21)反算，得到回弹模量E\-R值。式中p为平均单位压力。 图2-21荷载——回弹弯沉曲线 在实际测定中，刚性承载板用得较多，因为它的挠度易于量测，压力容易控制。试验时宜采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。回弹变形值超过1mm时，则停止加载。如此，即可点绘出荷载——回弹弯沉曲线，如图2-21所示。 在多数情况下，试验曲线呈非线性。在确定模量值时，可以根据实际可能出现的最大压应力级位，或可能出现的最大弯沉范围，在曲线上选取合适的量值按式(2-23)进行计算。 E0=〖SX(〗πa〖〗2〖SX)〗·〖SX(〗Σpi〖〗li〖SX)〗(1-u2.0) (2-23) 式中：pi,li分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值。 图2-22温克勒地基模型 承载板直径的大小对测定结果也有影响，通常用车轮的轮印当量圆直径作为承载板的直径。但是对于刚性路面下的土基，有时采用较大直径承载板进行测定，因为荷载通过刚性路面板施加于地基表面的压力范围较之柔性路面为大。 二、地基反应模量 用温克勒(E.Winkler)地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量K表征土基的承载力。根据温克勒地基假定，土基顶面任一点的弯沉l，仅同作用于该点的垂直压力p成正比，而同其相邻点处的压力无关。符合这一假定的地基如同由许多各不相连的弹簧所组成(如图2-22所示)。压力p与弯沉l之比称为地基反应模量K。即： K=〖SX(〗p〖〗l〖SX)〗 (KN/m\+3) (2-24) 温克勒地基又称为稠密液体地基。地基反应模量K值相当于该液体的比重，路面板受到的地基反力相当于液体产生的浮力。 图2-23地基反应模量K同承载板直径D的关系 地基反应模量K值用承载板试验确定。承载板的直径规定为76cm。测定方法与回弹模量测定方法相类似，但是采取一次加载到位的方法，施加荷载的量值根据不同的工程对象，有两种方法供选用。当地基较为软弱时，用0127cm的弯沉量控制承载板的荷载。因为，通常情况下混凝土路面板的弯沉不会超出这一范围。假如地基较为坚实，弯沉值难以达到0.127cm时，则采用另一种控制方法，以单位压力p=70KPa控制承载板的荷载。这也是考虑到混凝土路面下土基承受的压力通常不会超过这一范围。 承载板直径的大小对K值有一定影响，直径越小，K值越大。但是由试验得知，当承载板直径大于76cm时，K值的变化很小，如图2-23所示。因此规定以直径为76cm的承载板为标准。当采用直径为30cm的承载板测定时，可按下式进行修正： K76=0.4K30(2-25) 按上述方法确定的K值是一定荷载或沉降条件下的荷载应力与总弯沉之比，其中包含回弹弯沉和残余弯沉。如果只考虑回弹弯沉，则可以得到地基回弹反应模量K\-R，通常K\-R与总弯沉对应的地基反应模量K之间有如下关系。 K\-R=1.77K (2-26) 三、加州承载比(CBR) 加州承载比是早年由美国加利福尼亚州(California)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。 试验时，用一个端部面积为1935cm\+2的标准压头，以0.127cm/min的速度压入土中。记录每贯入0.254cm时的单位压力，直至压入深度达到1.27cm时为止。标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得，其值如表2-5所示。 CBR值按式(2-27)计算： CBR=〖SX(〗p〖〗ps〖SX)〗×100 (2-27) 式中： p——对应于某一贯入度的土基单位压力，KPa； ps——相应贯入度的标准压力(见表2-5)，KPa。〖ＺＫ）〗 计算CBR值时，取贯入度为0.254cm，但是当贯入度为0.254cm时的CBR值小于贯入度为0.508cm时的CBR值时，应采用后者为准。 CBR试验设备有室内试验与室外试验两种。室内用CBR试验装置如图2-24所示。试件按路基施工时的含水量及压实度要求在试筒内制备。并在加载前浸泡在水中，饱水4天。为了模拟路面结构对土基的附加压力，在浸水过程中，及压入试验时，在试件顶面施加环形法码，其重量应根据预计的路面结构重量来确定。 CBR值野外试验方法基本上与室内试验相同，但其压入试验直接在土基顶面进行。有时，野外试验结果与室内试验结果不完全相同，这主要是由于土壤含水量不一样，室内试验时，试件处于饱水状态；野外试验时，土基处于施工时的湿度状态。所以对野外试验结果必须加以修正，换算成饱水状态的CBR值。表2-6所列为常用路基土的CBR值。 图2-24CBR试验装置 常用路基土的CBR值表2-6 土类〖〗CBR(%) 级配良好的砾石，砾石——砂混合料〖〗60～80〖BH〗 级配差的砾石，砾石——砂混合料〖〗35～60〖BHDG3〗 均匀颗粒的砾石或砂质砾石粉质砾石，砾石——砂——粉土混合料〖〗40～80〖BH〗 粘土质砾石，砾石——砂——粘土混合料；级配良好的砂，砾石质砂；粉质砂，砂——粉土 混合料〖〗20～40〖BHDG2〗 级配差的砂或砾石质砂〖〗15～25〖BH〗 粘土质砂，石砂——粘土混合料〖〗10～20〖BHDG3〗 粉土，砂质粉土，砾石质粉土；贫粘土，砂质粘土，砾石质粘土，粉质粘土〖〗5～15 无机质粉土，贫有机质粘土，云母质粘土或硅藻土〖〗4～8〖BH〗〖HJ4/5〗 有机质粘土，肥粘土，有机质粉土〖〗3～5 §2-5路基的变形、破坏及防治 〖BT3〗一、路基的主要病害 路基裸露在大气中，经受着土体自重、行车荷载和各种自然因素的作用，路基的各个部位将产生变形。路基的变形分为可恢复的变形和不可恢复变形，路基的不可恢复变形将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变。严重时，造成土体位移，危及路基的整体性和稳定性、造成路基各种破坏。 路基的主要病害有以下几种。 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，如图2-25a)所示。路基的沉陷可以有两种情况，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，在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。 路基的沉缩是因路基填料选择不当，填筑方法不合理，压实度不足，在路基堤身内部形成过湿的夹层等因素，在荷载和水温综合作用之下，引起路基沉缩。如图2-25b)所示。 地基的沉陷是指原天然地面有软土，泥沼或不密实的松土存在，承载能力极低，路基修筑前未经处理，在路基自重作用下，地基下沉或向两侧挤出，引起路基下陷。如图2-25c)所示。 图2-25路基沉陷 2、边坡滑塌 路基边坡滑塌是最常见的路基病害，根据边坡土质类别，坡坏原因和规模的不同，可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。溜方通常指的是边坡上表面薄层土体下溜。主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的。如图2-26a)、b)所示。 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。如图2-26c)所示。 路堤边坡坡度过陡，或边坡坡脚被冲刷淘空，或填土层次安排不当是路堤边坡发生滑坡的主要原因。 路堑边坡滑坡的主要原因是边坡高度和坡度与天然岩土层次的性质不相适应。粘性土层和蓄水的砂石层交替分层蕴藏，特别是有倾向于路堑方向的斜坡层理存在时，就容易造成滑动。 图2-26路基边坡的破坏 3、碎落和崩塌 剥落和碎落是指路堑边坡风化岩层表面，在大气温度与湿度的交替作用，以及雨水冲刷和动力作用之下，表层岩石从坡面上剥落下来，向下滚落。大块岩石脱离坡面沿边坡滚落称为崩塌。 4、路基沿山坡滑动 在较陡的山坡填筑路基，若路基底部被水浸湿，形成滑动面，坡脚又未进行必要的支撑，在路基自重和行车荷载作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动，路基整体失去稳定。 5、不良地质和水文条件造成的路基破坏 公路通过不良地质条件(如泥石流、溶洞等)和较大自然灾害(如大暴雨)地区，均可能导致路基的大规模毁坏。 二、路基病害防治 为提高路基的稳定性，防治各种病害的产生，主要有以下一些措施： 1、正确设计路基横断面。 2、选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路基上层填土作稳定处理。 3、采取正确的填筑方法，充分压实路基，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(包括地面排水，地下排水，路面结构排水以及地基的特殊排水)。 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，设置砂垫层以疏干土基。 7、采取边坡加固，修筑挡土结构物，土体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。 以上各项技术措施的宗旨在于限制水分侵入路基，使已侵入路基的水分迅速排除，保持干燥，提高路基的整体强度与稳定性。 §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：(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。这些材料按不同的成型方式(密实型、嵌挤型和稳定型)形成各种结构层。由于材料的基本性质和成型方式不同，各种路面结构层具有不同的力学强度特性。 路面材料在车轮荷载和环境因素的作用下所表现出的力学强度特性，对路面的使用品质和使用寿命有重大影响。因此，深刻理解路面材料的力学强度特性将有助于正确判别路面各种病害的真实成因，同时将有助于正确理解路面设计方法基本原理的物理背景。 一、抗剪强度 路面结构层因抗剪强度不足而产生破坏的情况有以下三种：(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) 面层结构的材料抗剪强度较低。如高气温条件下的沥青面层；级配碎石面层等，经受较大的水平推力时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。 按摩尔(MohrCoulumb)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： τ=c+σtgφ (2--28) 式中： τ——抗剪强度，KPa； c——材料的粘结力，KPa； σ——法向正应力，KPa； φ——材料的内摩阻角。 c和φ是表征路面材料抗剪强度的两项参数，可以通过直接剪切试验，绘出τ-σ曲线后，按上式确定。对于松散粒料无法进行直剪试验时，可以由三轴压缩试验，绘制摩尔圆和相应的 图2-27三轴试验确定c、φ值〖JZ)〗〖TS)〗 包络线，按上式直线关系近似确定c、φ值，如图2-27所示。由于三轴试验较接近实际受力状态，因此得到广泛应用。三轴试验试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍，试件的高度和直径之比不小于2。目前普遍使用试件直径为10cm，高为20cm，粒料最大粒径不应大于2.5cm。 沥青混合料经受剪切时，除了矿质颗粒之间存在摩擦阻力之外，还有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。因此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，水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度变化时，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。 路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供，可以采用直接拉伸或间接拉伸试验，测绘应力——应变曲线，取曲线的最大应力值为抗拉强度。 直接拉伸试验(图2-28)，是将混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在有球形绞结的金属盖帽上，通过安装在试件上的变形传感器，测定试件在各级拉应力下的应变值。 间接拉伸试验，即劈裂试验，将混合料制成圆柱形试件，直径为D，高度为h(见图2-29)。试验时通过垫条、沿直径方向，按一定的速率施加荷载，直至试件开裂破坏。抗拉强度由下式计算确定： σt=〖SX(〗2P〖〗πhD〖SX)〗 (2-29) 式中： σt——混合料的抗拉强度，KPa； P——试验最大荷载，KN； h,D——试件的高度和直径，m。 劈裂试验试件尺寸(h,D)的大小与混合料中集料的最大粒径有关，用于沥青混合料的试件尺寸与用于半刚性材料的试件尺寸不一样，可在有关试验规程中查阅。 水泥混凝土劈裂抗拉强度测试采用边长为150mm的立方块试件，抗拉强度按式(2-30)计算： σt=〖SX(〗2P〖〗πA (2-30) 式中：A——试件劈裂面面积，m2。 图2-28直接拉伸试验 图2-29间接拉伸试验 沥青混合料是温度敏感性材料，其抗拉强度与温度有关，在常温条件下，随着试验温度增加，抗拉强度减小；在负温条件下，随着温度降低，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 图2-30梁试验加载图式 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，材料会产生弯曲断裂。 路面材料的抗弯拉强度，大多通过简支小梁试验进行评定。小梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒径的4倍。通常采用三分点加载(见图2-30)。材料的抗弯拉强度σt按下式计算： σt=〖SX(〗pl〖〗bh\+2 (2-31) 式中： P——破坏荷载，KN； l——支点间距，m； b，h——试件截面的宽度和高度，m。 我国现行水泥混凝土试验规程(JTJ053-94)规定，混凝土抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm，集料粒径应不大于40mm，如确有必要，允许采用100mm×100mm×400mm试件，集料粒径应不大于30mm。 四、应力——应变特性 路面结构层在车轮荷载作用下的应力、应变和位移量，不仅同荷载状态有关，还取决于路面材料的应力——应变特性。 用于基层和底基层的无结合料碎、砾石材料无法通过成型试件直接测试应力——应变特性，可以由三轴压缩试验所得到的应力——应变关系曲线求得表征其应力——应变特性的回弹模量值Er。经试验发现，它的应力——应变特性具有明显的非线性特征，即弹性模量Er随偏应力σd(σ1-σ3)的增大而减小，随侧压力σ3的增大而增大(见图2-18b))。根据大量试验，碎、砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示： Er=K1θK2 (2-32) 式中： θ——三向主应力之和，KPa； K1,K2——回归常数，同材料性质有关。 由回归分析得到，一般情况下碎石集料的K\-1变动于7.0-15.7；K\-2变动于0.46-0.64之间。 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，取值范围为100-700MPa。通常，密实度越高，模量值越大；颗粒棱角多，模量高；细料含量不多时，含水量的影响很小。 水泥混凝土以及用无机结合料处治的混合料，经捣实成型，并养护一定期限之后具有一定的强度，因此研究这一类材料的应力——应变特性，可以采用规则试件进行测定。常用的试验方法有三种，即单轴试验，三轴试验以及小梁试验。 水泥混凝土混合料抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验取150mm×150mm×300mm的直角棱柱体试件。先测定抗压强度，然后取同样的试件施加40%的抗压强度用于测定抗压回弹模量。用传感器或千分表记录轴向压缩变形量。混凝土的抗压弹性模量按下式计算： Ec=〖SX(〗PA-P0〖〗F〖SX)〗×〖SX(〗L〖〗Δa〖SX)〗KPa (2-33) 式中： PA——终荷载，KN； P0——初荷载，KN； Δa——加载P0及PA作用下之变形差，m； L——试件轴向标距长度，m； F——试件横截面积，m2。 无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。在早期，测定其应力——应变特性关系，不宜采用无侧限单轴试验方法。最理想、最符合路面结构实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验。通过实验发现，这一类材料的应力——应变关系曲线呈现出非线性状，同土一样，其弹性模量是三向主应力的函数。然而，在应力级位较低时(低于极限应力50%)，应力——应变曲线可近似看作是线性的。按回弹应变量确定的回弹模量值，可以近似看作为常数。 在不具备三轴压缩试验条件时，可以采用室内承载板法测定无机结合料混合料早期抗压回弹模量。用于承载板法试验的试件取直径×高=150mm×150mm，承载板直径374mm，面积11cm2。试验时取承载板的单位压为200-700KPa，分级加载，同时记录承载板的沉降量，回弹模量值按式(2-34)计算： Er=〖SX(〗πpD〖〗4l〖SX)〗(1-μ2) (2-34) 式中：〖ＺＫ（〗 p——承载板单位压力，KPa； D——承载板直径，m l——相应于单位压力p的回弹变形，m； μ——泊松系数，可取0,25。 水泥混凝土路面与无机结合料处治的混合料基层，在车轮荷载作用下处于弯曲受力状态，在结构分析时，采用相应的计算参数抗折弹性模量。测量抗折弹性模量所用的试件尺寸与测量抗折强度时所用的小梁试件相同，加载方法也相同。取抗折强度对应荷载的50%，作为最大荷载，加载时同时记录小梁跨中的挠度。 抗折弹性模量按式(2-35)计算： E6=23L3(P05-P0)〖〗1296J｜Δ0.5-Δ0｜ (2-35) 式中： P0.5,P0——终荷载及初荷载，KN； Δ0.5,Δ0——对应于P0.5及P0的跨中挠度，m； L——试件支座间距，m； J——试件断面转动惯量，J=〖SX(〗1〖〗12〖SX)〗bh3,m4； b,h——梁的宽与高，m。 沥青混合料应力——应变特性的测试方法与以上各种材料所用的方法相类似，在低温条件下可以用单轴试验或小梁试验，在高温条件下，由于沥青材料的温度敏感性强，用三轴压缩试验更能符合实际受力状态。 沥青混合料的应力——应变特性同上述材料有很明显的不同。由于混合料中的沥青材料具有依赖于温度和加荷时间的粘——弹性性状，因此，沥青混合料在荷戴作用之下的应力——应变也具有随温度和荷载作用时间而变化的特性。 对沥青混合料进行三轴压缩试验，在不变应力的作用下，可以得出应变同应力作用时间的关系曲线，如图2-31所示。其中图2-31a)为施加应力比较小的情况，一部分应变(ε0)在施荷的同时立即产生，而卸荷后这部分应变又立即消失，这是沥青混合料的弹性应变，应力同应变成正比关系。另一部分应变(εv)随加荷时间延长而增加，卸荷后随时间而逐渐消失，这是沥青混合料的粘弹性应变。这种现象说明，当沥青混合料受力较小，且力的作用时间十分短暂时，基本上处于弹性状态并兼有弹粘性性质。图2-31b)为施加应力较大的情况，这时，除了瞬时弹性应变及滞后弹性应变之外，还存在着随时间而发展的近似直线变化的粘性和塑性流动，卸荷后这部分应变不再能恢复而成为塑性应变。这说明，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。 图2-31沥青混合料压缩蠕变试验 由于沥青混合料的力学特性受温度与加荷时间的影响较大，因此不能像其他材料那样用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的应力——应变特性关系。 考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响，用劲度模量St,T表征其应力——应变关系。沥青混合料的劲度模量是在给定温度和加荷时间条件下的应力——应变关系参数。用式(2-36)表示： St,T=(〖SX(〗σ〖〗ε〖SX)〗) t,T (2-36) 式中： St,—t—劲度模量，KPa； σ——施加的应力，KPa； ε——总应变； t——荷载作用时间，S； T——混合料试验温度，℃。 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。由图2-32 图2-32沥青劲度随时间和温度的变化曲线 的沥青劲度试验曲线可以看出，当加荷时间短或温度较低时，曲线接近水平，表明材料处于弹性状态；而加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性状态；中间过渡段兼有弹——粘性状态。各种温度条件下的曲线形状有相似性，只是在水平方向有一个时间间隔。这表明温度对劲度的影响与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。利用这一个重要性质可以广泛研究它的各项性能以及相互之间的关系。 沥青的劲度可以通过试验，运用范德普(Van der Poel)诺模图确定。沥青混合料的劲度模量可以根据当地的自然和交通条件，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。试验时除了记录施加的各级荷载和相对应的变形之外，同时记录各级荷戴的加荷时间和试验温度。模量的计算方法，可根据式(2-36)的定义，采用各试验方法对应的算式计算确定。 §2-7路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构在整个使用寿命期内，经受着车轮荷载千百万次的重复作用。由于荷载重复作用，引起的路面结构破坏的极限状态，完全不同于其它结构物由于使用期内可能出现的最大极限荷载引起的破坏极限状态。路面结构在荷载应力重复作用下，可能出现的破坏极限状态有二类；第一类，若路面材料处于弹塑性工作状态，则重复荷载作用将引起塑性变形的累积，当累积变形超出一定限度时，路面使用功能将下降至允许限度以下，出现破坏极限状态；第二类，路面材料处于弹性工作状态，在重复荷戴作用之下虽不产生塑性变形，但是结构内部将产生微量损伤，当微量损伤累积达到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂，出现破坏极限状态。累积变形与疲劳破坏这二种破坏极限的共同点就是破坏极限的发生不仅同荷载应力的大小有关，而且同荷载应力作用的次数有关。 水泥混凝土路面从完工通车开放使用，即处于弹性工作状态，因此在重复荷载作用之下，出现疲劳破坏；沥青路面在低温环境中，基本上处于弹性工作状态，因此出现疲劳破坏，而在高温环境中，处于弹塑性工作状态，因此出现累积变形。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，尽管在早期 (1至3个月)，处于低塑性的弹塑性状态，但是过了这个期限之后，基本处于弹性状态，因此，在使用期间，主要的极限状态是疲劳破坏；以粘土为结合料的碎、砾石路面，由于混合料中的细粒粘土受大气湿度影响，因此路面结构处于弹塑性状态，塑性变形的累积是极限状态的主要形式。 一、累积变形 路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生沉陷或车辙，是路面结构的主要病害。这种永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综合。它不仅同荷载的大小，作用次数以及路基土的性状有关，也受路面各结构层材料变形特性的影响。 (一) 碎、砾石混合料 图2-33〖ZK(〗良好级配碎石混合料的变形累积 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，图2-33所示是一种级配良好的混合料的重复加载试验结果。由图可见，当偏应力σd低于某一数值时，塑性变形随作用次数增加而增加，且逐渐趋向稳定。重复次数大于104次后，达到一平衡状态，平衡状态的应变量同σd/σ3的比值大小有关。当偏应力较大时，塑性变形量随作用次数增加而不断增长，直至破坏。 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。 (二) 沥青混合料 沥青混合料在重复应力作用下变形累积过程的研究，可利用单轴压缩试验或重复作用三轴压 图2-34密实型沥青混合料的变形累积 缩试验来进行。两种试验方法所得的累积应变——时间关系的规律基本一致。 图2-34所示为一密实型沥青碎石混合料经受重复三轴试验的结果。由图可以看出塑性应变量随重复作用次数的增加而增加的情况。温度越高，塑性应变累积量越大。许多试验结果表明，在同一温度条件下，控制累积应变量的是加荷时间的总和，而不仅是重复作用的次数；加荷频率以及应力循环的间隔时间对累积应变——时间关系的影响不大。 影响累积变形的因素，除了温度，施加应力大小以及加荷时间之外，同集料的状况也有关系。有棱角的集料比圆角的集料能获得较高的劲度模量，因此累积变形量较小；密实级配的沥青混合料比开级配沥青混合料的累积变形量小；此外压实的方法，压实的程度对变形累积的规律都有一定影响。 二、疲劳特性 对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。 出现疲劳破坏的重复应力值(即疲劳强度)，随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数(例如10\+6-10\+7次)后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度，延长路面使用年限，为路面设计提供参数。 (一) 水泥混凝土及无机结合料处治的混合料 此类材料的疲劳性能研究，可通过对小梁试件施加重复应力来进行。将重复弯拉应力σr与一次加载得出的极限弯拉应力(抗折强度)σf值之比称为应力比。绘制应力比σr/σf与重复作用次数Nf的关系曲线，称为疲劳曲线，如图2-35所示。 图2-35水泥混凝土疲劳试验曲线 由图2-35所示的疲劳曲线，可发现如下规律： 1) 随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低； 2) 重复应力级位相同时，Nf的变动幅度较大，表明试验结果离散，但其概率分布基本符合对数正态分布。因此，若要得到可靠的均值必须进行大量的试验； 3) 通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程。在半对数坐标纸上，Nf=102-107之间呈直线型，可用下式表征； σr/δf=α-βlgNf (2-37) 式中： α、β——由试验确定的系数，与混凝土的性质和试验条件有关。 4) 当重复作用次数为Nf=107时，应力比σr/σf=0.55此时尚未发现有疲劳现象； 5) 当应力比σr/σf<0.75时，重复应力施加的频率对试验结果(即疲劳方程)的影响很微小。 无机结合料处治的混合料其疲劳特性同水泥混凝土相类似，但疲劳方程的系数α和β值则有所不同，疲劳极限明显比水泥混凝土低。 (二) 沥青混合料 沥青混合料疲劳特性的室内试验可以用简支小梁或圆柱体试验等方法进行。由于沥青混合料的劲度模量较低，在应力反复加荷过程中，试件的受力状态不断发生变化，为此根据不同的要求有两种试验方法：控制应力和控制应变试验。 控制应力试验是在试验过程中保持荷戴或应力值始终不变，而应变量的增长速率不断增加 图2-36控制应力和控制应变疲劳试验 a) 应力控制；b) 应变控制 ；控制应变试验，是在试验过程中不断调节所施加的荷载或应力值，使应变量始终保持不变。在试验中材料的劲度仍不断下降，保持不变应变量所需要的力不断减小，见图2-36所示。 控制应力试验，材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标志。控制应变试验，并不会出现明显的疲劳破坏现象，可以以劲度模量下降到初始模量值的50%作为疲劳破坏的标准。在条件相同的试验中，控制应变试验所得到的材料疲劳寿命比控制应力试验所得的结果大得多。 采用控制应力试验方法得到的σr和疲劳破坏作用次数Nf，在双对数坐标上呈直线型，即可以用以下方程估算材料的疲劳寿命； Nf=A(〖SX(〗1〖〗σr〖SX)〗b (2-38) Nf=C(〖SX(〗1〖〗εr〖SX)〗)d (2-39) 式中： A、C、b、d——由试验得到的回归常数，与混合料性质，温度和其它试验条件有关。 采用控制应变试验方法，也可得到同式(2-39)相似的疲劳方程式，但是从试验结果看来，有同控制应力试验方法相反的规律，即随着温度的升高(即劲度降低)，材料的疲劳寿命反而增加。 作用在路面上的车辆，施加的是轴载和接触压力，不是变形，从这个意义来看，整个路面结构受应力控制，因而对于较厚的沥青面层，它的强度在路面结构体系中起主要作用，应采用控制应力试验方法；而对于较薄的沥青面层，它本身不发挥承重层作用，而是随基层共同产生位移，宜采用控制应变试验方法。莫尼史密斯(Monismith)等人提出，厚面层厚度的下限约为15cm，薄面层厚度的上限约为5cm，处于两者之间的厚度，可采取其中任何一种方法进行试验。 (三) 曼诺(Miner)定律 在疲劳试验中，为了简化，通常都采用单一不变的应力或应变作为重复加载的基本模式。而实际路面受到的是重量不同的车辆荷载。要把室内单一加荷基本模式得到的疲劳方程式应用于路面结构分析，还须解决如何综合不同荷载的疲劳作用问题。 目前，常用曼诺在研究金属疲劳时所作出的假定来处理以上的问题：各级荷载作用下材料所出现的疲劳损坏可以线性叠加。假设某一级荷载Pi作用Ni次后使材料达到疲劳破坏，则该级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳寿命的1/Ni。现有P1，P2，…，Pj级荷戴，分别作用N1，N2，…，Nj次后，材料均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷戴的作用次数分别为n1，n2，…，nj次，则相应于各级荷载消耗的材料疲劳寿命分别为n1/N1，n2/N2，…，nj/Nj。在各级荷载作用之下，材料的综合疲劳损伤为： D=Σ〖DD(〗j〖〗i=1〖DD)〗〖SX(〗ni〖〗Ni (2-40) 疲劳破坏是路面结构损伤的主要现象。路面材料的抗疲劳性能直接关系到路面的使用寿命。提高路面的抗疲劳性能应该注意从两方面加强配合，一是合理的材料设计，使混合料达到最佳配合比和最大密度；使混合料具有较高的强度；另一方面是合理的结构设计，使得各结构层的层位与厚度达到理想的程度，在车辆荷载作用之下，确保结构层的最大应力和应力比在控制范围以内。 第三章一般路基设计 §3-1路基设计的一般要求 公路路基是路面的基础，它承受着本身土体的自重和路面结构的重量，同时还承受由路面传递下来的行车荷载，所以路基是公路的承重主体。 公路路基属于带状结构，随着天然地面的高低起伏，标高不同，路基设计需根据路线平、纵、横设计，精心布置，确定标高，为路面结构提供具有足够宽度的平顺基面。 路基承受行车荷载作用，主要在应力作用区的范围之内，其深度一般在路基顶面以下0.8m范围以内。此部分路基按其作用可视为路面结构的路床，其强度与稳定性要求，可根据路基路面综合设计的原则确定。坚固的路基，不仅是路面强度与稳定性的重要保证，而且能为延长路面使用寿命创造有利条件，所以路基路面的综合设计至为重要。 为了确保路基的强度与稳定性，使路基在外界因素作用下，不致产生不允许的变形，在路基的整体结构中还必需包括各项附属设施，其中有路基排水，路基防护与加固，以及与路基工程直接相关的设施，如弃土堆、取土坑、护坡道、碎落台、堆料坪及错车道等。 由于路基标高与原地面标高有差异，且各路段岩土性质的变化，各处附属设施的布置不尽相同，因此各路段的路基横断面形状差别很大。路基横断面形式的选定和各项附属设施的设计，同是路基设计的基本内容。 一般路基通常指在正常的地质与水文等条件下，填方高度和挖方深度小于规范规定高度和深度的路基。通常认为一般路基可以结合当地的地形、地质情况，直接选用典型断面图或设计规定，不必进行个别论证和验算。对于超过规范规定的高填、深挖路基，以及地质和水文等条件特殊的路基，为确保路基具有足够的强度与稳定性，需要进行个别设计和验算。 〖BT2〗§3-2〓路基的类型与构造 通常根据公路路线设计确定的路基标高与天然地面标高是不同的，路基设计标高低于天然地面标高时，需进行挖掘；路基设计标高高于天然地面标高时，需进行填筑。由于填挖情况的不同，路基横断面的典型形式，可归纳为路堤、路堑和填挖结合等三种类型。路堤是指全部用岩土填筑而成的路基，路堑是指全部在天然地面开挖而成的路基，此两者是路基的基本类型。当天然地面横坡大，且路基较宽，需要一侧开挖而另一侧填筑时，为填挖结合路基，也称为半填半挖路基。在丘陵或山区公路上，填挖结合是路基横断面的主要形式。 〖BT3〗一、路堤 图3-1所示为路堤的几种常见横断面形式。按路堤的填土高度不同，划分为矮路堤、高路堤 〖HT〗〖HJ〗〖TPA，+112mm。80mm,Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ〗图3-1〓路堤的几种常用横断面形式 〖JZ〗a)矮路堤；b)一般路堤；c)浸水路堤； 〖JZ〗d)护脚路堤；e)挖沟填筑路堤〖TS)〗 〖HJ4/5〗〖HT4”SS〗 和一般路堤。填土高度小于10～15m者，属于矮路堤；填土高度大于18m(土质)或20m(石质)的路堤属于高路堤；填土高度在15m至18m范围内的路堤为一般路堤。随其所处的条件和加固类型的不同，还有浸水路堤、护脚路堤及挖沟填筑路堤等型式。 矮路堤常在平坦地区取土困难时选用。平坦地区地势低，水文条件较差，易受地面水和地下水的影响，设计时应注意满足最小填土高度的要求。力求不低于规定的临界高度，使路基处于干燥或中湿状态。路基两侧均应设边沟。 矮路堤的高度通常接近或小于路基工作区的深度，除填方路堤本身要求满足规定的施工要求外，天然地面也应按规定进行压实，达到规定的压实度，必要时进行换土或加固处理，以保证路基路面的强度和稳定性。 填方高度不大，h=2-3m时，填方数量较少，全部或部分填方可以在路基两侧设置取土坑，使 之与排水沟渠结合。为保护填方坡脚不受流水侵害，保证边坡稳定，可在坡脚与沟渠之间预 留1～2m甚至大于4m宽度的护坡道。地面横坡较陡时，为防止填方路堤沿山坡向下滑动，应 将天然地面挖成台阶，或设置石砌护脚。 高路堤的填方数量大，占地多，为使路基稳定和横断面经济合理，需进行个别设计，高路堤 和浸水 路堤的边坡可采用上陡下缓的折线形式，或台阶形式，如在边坡中部设置护坡道。为防止水 流侵蚀和冲刷坡面，高路堤和浸水路堤的边坡，须采取适当的坡面防护和加固措施，如铺草 皮、砌石等。 〖BT3〗二、路堑 图3-2所示是路堑的几种常见横断面形式，有全挖路基、台口式路基及半山洞路基。挖方边 〖HT〗〖HJ〗〖TPA，+70mm。75mm,Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-2〓路堑的几种常用横断面形式 a)全挖路基；b)台口式路基；c)半山洞路基〖JZ)〗〖TS)〗 〖HJ4/5〗〖HT4”SS〗 坡可视高度和岩土层情况设置成直线或折线。挖方边坡的坡脚处设置边沟，以汇集和排除路 基范围内的地表迳流。路堑的上方应设置截水沟，以拦截和排除流向路基的地表迳流。挖方 弃土可堆放在路堑的下方。边坡坡面易风化时，在坡脚处设置05～10m的碎落台，坡面 可采用防护措施。 陡峻山坡上的半路堑，路中线宜向内侧移动，尽量采用台口式路基(图3-2b)，避免路基外侧 的少量填方。遇有整体性的坚硬岩层，为节省石方工程，可采用半山洞路基(图3-2c)。 挖方 路基处土层地下水文状况不良时，可能导致路面的破坏，所以对路堑以下的天然地基，要人 工 压实至规定的实程度，必要时还应翻挖，重新分层填筑、换土或进行加固处理，采取加铺隔 离层，设置必要的排水设施。 〖BT3〗三、半填半挖路基 图3-3所示是半填半挖路基的几种常见横断面形式。位于山坡上的路基，通常取路中心的标 高接近原地面的标高，以便减少土石方数量，保持土石方数量横向平衡，形成半填半挖路基 。若处理得当，路基稳定可靠，是比较经济的断面形式。 〖HT〗〖HJ〗〖TPA，+70mm。75mm,Y，PZ〗 〖TS(〗〓〓〓图3-3〓〖ZK(〗半填半挖路基的几种常用横断面形式〖ZK)〗 a)一般填挖路基；b)矮档土墙路基；c)护肩路基；d)砌石护坡路基；e)砌石护墙路基；f)档 土墙支撑路基；g)半山桥路基〖TS)〗 〖HJ4/5〗〖HT4”SS〗 半填半挖路基兼有路堤和路堑两者的特点，上述对路堤和路堑的要求均应满足。填方部分的 局部路段，如遇原地面的短缺口，可采用砌石护肩。如果填方量较大，也可就近利用废石方 ，砌筑护坡或护墙，石砌护坡和护墙相当于简易式档土墙，承受一定的侧向压力。有时填方 部分需要设置路肩(或路堤)式档土墙，确保路基稳定，进一步压缩用地宽度。石砌护肩，护 坡与护墙，以及档土墙等路基，参阅图3-3中c)～f)。如果填方部分悬空，而纵向又有适当 的基岩时，则可以沿路基纵向建成半山桥路基，如图3-3g)所示。 上述三类典型路基横断面形式，各具特点，分别在一定条件下使用。由于地形、地质、水文 等自然条件差异性很大，且路基位置，横断面尺寸及要求等，亦应服从于路线，路面及沿线 结构物的要求，所以路基横断面类型的选择，必需因地制宜，综合设计。 〖BT2〗§3-3〓路基设计 在工程地质和水文地质条件良好的地段修筑的一般路基设计包括以下内容：(1) 选择路基断 面形式，确定路基宽度与路基高度；(2) 选择路堤填料与压实标准；(3) 确定边坡形状与坡 度；(4) 路基排水系统布置和排水结构设计；(5) 坡面防护与加固设计；(6) 附属设施设计 。除了(4)、(5)将在有关章节介绍之外，其余内容在本章作介绍。 〖BT3〗一、路基宽度 路基宽度为行车道路面及其两侧路肩宽度之和。技术等级高的公路，设有中间带、路缘石、 变速车道、爬坡车道、紧急停车带等，均应包括在路基宽度范围内。路面宽度根据设计通行 能力及交通量大小而定，一般每个车道宽度为350～375m，技术等级高的公路及城镇近 郊的一般公路，路肩宽度尽可能增大，一般取1～3m，并铺筑硬质路肩，以保证路面行车不 受干扰。各级公路路基宽度按《公路工程技术标准》JTJ01-88的规定进行设计，如图3-4和 表3-1所示。 路基占用土地，是公路通过农田或用地受限制地区时的突出问题。建路占地必需综合规划， 统筹兼顾，讲究经济效益，农业与交通相互促进。公路建设应尽可能利用非农业用地，少占 农田。高速公路局部路段可选用高架道路，以桥代路。山坡路基应尽量使填挖平衡，扩大和 改善林业用地，保护林区牧地，防止水土流失，维护生态平衡。减少高填深挖，利用植物防 护，绿化与美化路基。所有这些，在路基设计与施工过程中，亦应予以综合考虑。 〖ZT(〗 〖HT〗〖TPA，+85mm。140mm,BP〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-4〓公路路基宽度图 a) 高速公路和一级公路；〓b) 二、三、四级公路〖JZ)〗〖TS)〗〖KH-+1mm〗 〖ZT)〗 〖HT4”SS〗 〓〓 〖ZT(〗 〖HT5H〗〖JZ(2〗公路路基宽度〖JZ)〗〖JY，2〗表3-1① 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK82，K312F〗 公路等级〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K312〗汽〓〓车〓〓专〓〓用〓〓公〓〓路 〖BHDG2，K132，K9。2〗 高速公路〖〗一〖〗二〖ZB)〗 〖BHDG2，FK82，K42，K3，K6，K42。3，K42F〗 地〓〓形〖〗平原微丘〖〗重丘〖〗山〓〓岭〖〗平原微丘〖〗山岭重丘〖〗平原微丘〖〗 山岭重丘 〖BHDG4，FK42，K352F〗 路基宽度(m)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K4，K42，K3。3，K42。4〗 一般值〖〗26.0〖〗24.5〖〗23.0〖〗21.5〖〗24.5〖〗21.5〖〗11.0〖〗9.0〖BH〗 变化值〖〗24.5〖〗23.0〖〗21.5〖〗20.0〖〗23.0〖〗20.0〖〗12.0〖〗- 〖ZB)〗 〖BG)F〗 〖HT5H〗〖JY，2〗表3-1② 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK10，K30F〗 公路等级〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K30〗一〓〓级〓〓公〓〓路 〖BHDG2，K10。3〗 二〖〗三〖〗四〖ZB)〗 〖BHDG2，FK10，K5。5，K5F〗 地〓〓形〖〗平原微丘〖〗山岭重丘〖〗平原微丘〖〗山岭重丘〖〗平原微丘〖〗山岭重丘 〖BHDG4，FK6，K34F〗 路基宽度(m)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K4，K5。4，K10〗 一般值〖〗12.0〖〗8.5〖〗8.5〖〗7.5〖〗6.5 〖BHDG2，K4，K5。6〗 变化值〖〗-〖〗-〖〗-〖〗-〖〗7.0〖〗4.5 〖ZB)〗 〖BG)F〗 〖ZT)〗 〖HT4”SS〗〓〓 〖BT3〗二、路基高度 路基高度是指路堤的填筑高度和路堑的开挖深度，是路基设计标高和 地面标高之差。由于 原地面沿横断面方向往往是倾斜的，因此在路基宽度范围内，两侧的高差常有差别。路基高 度是指路基中心线处设计标高与原地面标高之差。而路基两侧边坡的高度是指填方坡脚或 挖方坡顶与路基边缘的相对高差。所以路基高度有中心高度与边坡高度之分。 路基的填挖高度，是在路线纵断面设计时，综合考虑路线纵坡要求、路基稳定性和工程经济 等因素确定的。从路基的强度和稳定性要求出发，路基上部土层应处于干燥或中湿状态，路 基高度应根据临界高度并结合公路沿线具体条件和排水及防护措施确定路堤的最小填土高 度。 路堤填土的高矮和路堑挖方的深浅，可按《公路工程技术标准》(JTJ01-88)的规定，使用常 规的边坡高度值，作为划分高矮深浅的依据。通常将大于18m的土质路堤和大于20m的石质路 堤视为高路堤，将大于20m的路堑视为深路堑。 高路堤和深路堑的土石方数量大，占地多，施工困难，边坡稳定性差，行车不利，应尽量避 免使用，不得已而一定要用时，应进行个别特殊设计。 为保证路基稳定，应尽量满足路基临界高度的要求，若路基高度低于按地下水位或地面积水 位计算的临界高度，可视为矮路堤。矮路堤通常处于行车荷载应力作用区范围内，同时经受 着 地面和地下水不利水温状况的影响。有时为了增强路基路面的综合强度与稳定性，需要另外 增 加投资加强路面结构或增设地下排水设施。究竟如何合理确定路基的高度，需要进行综合比 较后才可择优取用。 沿河及受水浸淹的路基，其高度应根据技术标准所规定的设计洪水频率(表3-2)，求得设计 水位，再增加05m的余量。如果河道因设置路堤而压缩过水面积，致使上游有壅水，或河 面宽阔而有风浪，就应增加壅水高度和波浪冲上路堤的高度(即波浪侵袭高度)。所以沿河浸 水路堤的高度，应高出上述各值之和，以保证路基不致淹没，并据此进行路基的防护与加固 。 〖HT5H〗〖JZ(2〗路基设计洪水频率〖JZ)〗〖JY，2〗表3-2 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG2，FK10，K52。4，K8F〗 公路等级〖〗高速〖〗一〖〗二〖〗三〖〗四〖BHD〗 洪水频率〖〗1/100〖〗1/100〖〗1/50〖〗1/25〖〗视具体情况而定 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 〖BT3〗三、路基边坡坡度 路基边坡坡度对路基稳定十分重要，确定路基边坡坡度是路基设计的重要任务。公路路基的 边坡坡度，可用边坡高度H与边坡宽度b之比值表示，并取H=1，如图3-5所，H∶b=1∶05( 路堑边坡)或1∶15(路堤边坡)，通常用1∶n(路堑)或1∶m(路堤)表示其坡率，称为边坡坡 率。 〖HT〗〖TPA，+45mm。100mm,BP〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-5〓路基边坡坡度示意图 a) 路堑；〓〓b) 路堤〖JZ)〗〖TS)〗 〖HT4”SS〗 路基边坡坡度的大小，取决于边坡的土质、岩石的性质及水文地质条件等自然因素和边坡的 高度。在陡坡或填挖较大的路段，边坡稳定不仅影响到土石方工程量和施工的难易，而且是 路基整 体稳定性的关键。因此，确定边坡坡度对于路基的稳定性和工程的经济合理性至关重要。一 般路基的边坡坡度可根据多年工程实践经验和设计规范推荐的数值采用。 1、路堤边坡 一般路堤边坡坡度可根据填料种类和边坡高度按表3-3所列的坡度选用。 〖HT5H〗〖JZ(2〗路堤边坡坡度表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-3 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK13，K27F〗 填〓料〓种〓类〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K132。2〗 边坡的最大高度(m)〖〗边〓坡〓坡〓度 〖BHDG2，K42。6〗 全部高度〖〗上部高度〖〗下部高度〖〗全部高度〖〗上部高度〖〗下部高度 〖ZB)〗 〖BHDG2，FK13ZQ1，K42。5，K42F〗 粘性土、粉性土、砂性土〖〗20〖〗8〖〗12〖〗-〖〗1∶1.5〖〗1∶1.75〖BH〗 砾石土、粗砂、中砂〖〗12〖〗-〖〗-〖〗1∶1.5〖〗-〖〗-〖BH〗 碎(块)石土、卵石土〖〗20〖〗12〖〗8〖〗-〖〗1∶1.5〖〗1∶1.75〖BH〗 不易风化的石块〖〗20〖〗8〖〗12〖〗-〖〗1∶1.3〖〗1∶1.5 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 路堤边坡高度超过表列数值时，属高路堤，应进行单独设计。 〖HT〗〖TPA，+60mm。60mm，Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-6〖JZ)〗〖TS)〗〖HT4”SS〗 沿河浸水路堤的边坡坡度，在设计水位以下视填料情况可采用1∶175～1∶20，在常水位 以下部分可采用1∶20～1∶30。 当公路沿线有大量天然石料或路堑开挖的废石方时，可用以填筑路堤。填石路堤应由不易风 化的较大(大于25cm)石块砌筑，边坡坡度一般可用1∶1。 陡坡上的路基填方可采用砌石如图3-6所示，砌石应用当地不易风化的开山片石砌筑。 砌石顶宽一律采用08m基底面以1∶15的坡率向路基内侧倾斜，砌石高度H一般为2-15m， 墙的内外坡依砌石高度，按表3-4选定。 〖HT5H〗〖JZ(2〗砌石边坡坡度表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-4 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG2，FK10，K10。2，K10F〗 编号〖〗高度(m)〖〗内坡坡度〖〗外坡坡度〖BHD〗 1〖〗≤5〖〗1∶0.3〖〗1∶0.5〖BH〗 2〖〗≤10〖〗1∶0.5〖〗1∶0.67〖BH〗 3〖〗≤15〖〗1∶0.6〖〗1∶0.75 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 在地震地区，应参照《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)的有关规定。该规范规定，高 速公路和一级公路的路堤，边坡高度大于表3-5的规定时，应放缓边坡坡度。 〖HT5H〗〖JZ(2〗路堤边坡高度限值(m)〖JZ)〗〖JY，2〗表3-5 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK20，K20F〗 填〓〓〓〓料〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K20〗 基〓〓本〓〓烈〓〓度 〖BHDG2，K10。2〗 8〖〗9 〖ZB)〗 〖BHDG2，FK20ZQ1，K10，K10F〗 岩块和细粒土(粉性土和有机质土除外)〖〗15〖〗10〖BH〗 粗粒土(细砂、极细砂除外)〖〗6〖〗3 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 2、路堑边坡 路堑是从天然地层中开挖出来的路基结构物，设计路堑边坡时，首先应从地貌和地质构造上 判断其整体稳定性。在遇到工程地质或水文地质条件不良的地层时，应尽量使路线避绕它； 而对于稳定的地层，则应考虑开挖后，是否会由于减少支承，坡面风化加剧而引起失稳。 影响路堑边坡稳定的因素较为复杂，除了路堑深度和坡体土石的性质之外，地质构造特征、 岩石的风化和破碎程度、土层的成因类型、地面水和地下水的影响、坡面的朝向以及当地的 气候条件等都会影响路堑边坡的稳定性，在边坡设计时必须综合考虑之。 土质(包括粗粒土)路堑边坡，应根据边坡高度、土的密实程度、地下水和地面水的情况、土 的成因及生成时代等因素，参照表6、表7选定。 〖HT5H〗〖JZ(2〗土质挖方边坡坡度表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-6 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK16，K24F〗 密〓实〓程〓度〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K24〗 边〓〓坡〓〓高〓〓度〓〓〓(m) 〖BHDG2，K12。2〗 <20〖〗20~30 〖ZB)〗 〖BHDG2，FK16，K12，K12F〗 胶结〖〗1∶0.3～1∶0.5〖〗1∶0.5～1∶0.75〖BH〗 密实〖〗1∶0.5～1∶0.75〖〗1∶0.75～1∶1.0〖BH〗 中密〖〗1∶0.75～1∶1.0〖〗1∶1.0～1∶1.5〖BH〗 轻松〖〗1∶1.0～1∶1.5〖〗1∶1.5～1∶1.75 〖BG)F〗 注：〖ＺＫ（〗1、〖ＺＫ（〗边坡较矮或土质比较干燥的路段，可采用较陡的边坡坡度； 边坡较高或土质比较潮湿的路段，可采用较缓的边坡坡度。〖ＺＫ）〗 2、开挖后，密实程度很容易变松的砂土及砂砾等路段，应采用较缓的边坡坡度。 3、土的密实程度的划分见表3-7。〖ＺＫ）〗 〖ZT(〗 〖HT5H〗〖JZ(2〗土的密实程度划分表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-7 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG2，FK10，K30F〗〖HJ〗 分〓〓级〖〗试〓〓坑〓〓开〓〓挖〓〓情〓〓况 〖BHDG2，FK10，K30ZQF〗 较松〖〗铁锹很容易铲入土中，试坑坑壁容易坍塌〖BH〗 中密〖〗天然坡面不易陡立，试坑坑壁有掉块现象，部分需用镐开挖〖BHDG32〗 密实〖〗试坑坑壁稳定，开挖困难，土块用手使力才能破碎，从坑壁取出大颗粒处能保持凹 面形状〖BH〗 胶结〖〗细粒土密实度很高，粗颗粒之间呈弱胶结，试坑用镐开挖很困难，天然坡面可以陡 〖HJ4/5〗立 〖BG)F〗 〖ZT)〗 〖HT4”SS〗〓〓 岩石路堑边坡，一般根据地质构造与岩石特性，对照相似工程的成功经验选定边坡坡率。岩 石的种类、风化程度及边坡的高度是决定坡率的主要因素，设计时可根据这些因素参照表3- 8选定。 〖HT5H〗〖JZ(2〗岩石挖方边坡坡度表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-8 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK16，K8，K16F〗 岩石种类〖〗风化破碎程度〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K16〗边〓坡〓高〓度〓〓(m) 〖BHDG2，K8。2〗 <20〖〗20～30 〖ZB)〗 〖BHDG7，FK16ZQ，K8。2，K8F〗 1、各种岩浆岩2、厚层灰岩或硅、钙质砂砾岩3、片麻、石英、大理岩〖〗〖HJ〗轻度 中等 严重极重〖〗1∶0.1～1∶0.21∶0.1～1∶0.31∶0.2～1∶0.41∶0.3～1∶0.75 〖〗1∶0.1～1∶0.21∶0.2～1∶0.41∶0.3～1∶0.51∶0.5～1∶1.0 〖BH〗〖HJ4/5〗 1、中薄层砂、砾岩2、中薄层灰岩3、较硬的板岩、千枚岩〖〗〖HJ〗轻度中等严 重极 重〖〗1∶0.1～1∶0.31∶0.2～1∶0.41∶0.3～1∶0.51∶0.5～1∶1.0〖〗1∶0.2～ 1∶0.41∶0.3～1∶0.51∶0.5～1∶0.751∶0.75～1∶1.25〖BH〗〖HJ4/5〗 1、薄层砂、页岩2、千枚岩、云母、绿页泥、滑石片岩及岩质页岩〖〗〖HJ〗轻度中等 严重 极重〖〗1∶0.2～1∶0.41∶0.3～1∶0.51∶0.5～1∶1.01∶0.75～1∶1.25〖〗1 ∶0.3～1∶0.51∶0.5～1∶0.751∶0.75～1∶1.251∶1.0～1∶1.5 〖BG)F〗 〖ZT(〗 〖HT5H〗〖JZ(2〗岩石风化破碎程度分级表〖JZ)〗〖JY，2〗表3-9 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK3，K37F〗 分级〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K37〗 外〓〓观〓〓特〓〓征 〖BHDG2，K6，K6，K62，K11，K72〗 颜〓〓色〖〗矿物成分〖〗结构构造〖〗破碎程度〖〗强〓〓度 〖ZB)〗 〖BHDG42，FK3，K6，K6，K62，K11ZQ，K72ZQF〗〖HJ5〗 轻度〖〗较新鲜〖〗无变化〖〗无变化〖〗节理不多，基本上是整体，节理基本不张开〖〗 基本上不降低，用锤敲很容易回弹〖BH〗 中等〖〗造岩矿物失去光泽、色变暗〖〗基本不变〖〗无显著变化〖〗开裂成20～50cm的 大块状，大多数节理张开较小〖〗有减低，用锤敲声音仍较清脆〖BH〗 严重〖〗显著改变〖〗有效生矿物产生〖〗不清晰〖〗开裂成5～20cm的碎石状，有时节 理张开较多〖〗有显著降低，用锤敲声音低沉 〖BHDG42，FK3，K6，K6，K62ZQ，K11ZQ，K72ZQF〗 极重〖〗变化极重〖〗大部成分已改变〖〗只具外形，矿物间已失去结晶联系〖〗节理极 多，爆破以后多呈碎石土状，有时细粒部分已具塑性〖〗极低，用锤敲时，不易回 〖HJ4/5〗弹 〖BG)F〗 〖ZT)〗 〖HT4”SS〗〓〓 由于地表岩层和自然条件，以及路基构造要求与形式变化极大，岩石路堑边坡率难以定型， 表列数值为一般条件下的经验数值，运用时应结合当地的工程地质和水文条件，参考各地现 有自然稳定的山坡和人工成型稳定的山坡，加以对比选用。必要时应进行个别设计和稳定性 验算，还必需采用排水和护坡与加固等技术措施。 在地震地区的岩石路堑边坡坡率应参考《公路工程抗震设计规范》规定。规范规定，当岩石 路堑边坡高度超过10m时，边坡坡度应按表3-10采用。 〖HT5H〗〖JZ(〗高度超过10m的岩石挖方边坡的坡度〖JZ)〗〖JY，2〗表3-10 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK16，K24F〗 岩石种类〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K24〗基〓〓〓本〓〓〓烈〓〓〓度 〖BHDG2，K12。2〗 8〖〗9〖ZB)〗 〖BHDG2，FK16，K12，K12F〗 风化岩石〖〗1∶0.6～1∶1.5〖〗1∶0.75～1∶1.5〖BH〗 一般岩石〖〗1∶0.1～1∶0.5〖〗1∶0.2～1∶0.6〖BH〗 坚〓〓石〖〗1∶0.1～直立〖〗1∶0.1～直立 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 〖BT3〗四、路基压实 路堤填土需分层压实，使之具有一定的密实度。土质路堑开挖至设计标高后，需检验路基顶 面工作区内天然状态土的密实度，该密实度通常低于设计要求，必要时应挖开后再分层压实 ，使之达到一定的密实度。分层压实的路基顶面能防治水分干湿作用引起的自然沉陷和行车 荷载反复作用产生的压密变形，确保路面的使用品质和使用寿命。 1、压实土的特性 〖HT〗〖TPA，+63mm。73mm，Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-7〓压实时含水量——压实度——抗变形能力关系曲线〖JZ)〗〖TS) 〗〖HT4”SS〗 土的压实效果同压实时的含水量有关。存在一最佳含水量w0，在此含水量条件下，采用一 定的压实功能可以达到最大密实度，获得最经济的压实效果。最佳含水量是一相对值，随压 实功能的大小和土的类型而变化。所施加的压实功能越大，压实土的细粒含量越少，最佳含 水量越小，而最大密实度越高。 图3-7所示为粉质土的一组密实度、压实时含水量和抗变形能力的试验结果。由图中关 系曲线的变化趋势可看出，当含水量低于最佳值时，随着压实程度(密实度)的增加，形变模 〖HT〗〖TPA，+63mm。73mm，Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-8〓压实含水量与浸湿后刚度的关系曲线〖JZ)〗〖TS)〗 〖HT4”SS〗 量也增长，表明提高压实度可以增强抗变形能力。但是当含水量超过最佳值，即w>w0时， 增长曲线存在一峰值，超过一定的压实度后形变模量反而随压实度增加而降低。这是由于超 过最佳含水量的土接近于饱和状态，进一步的压实是靠封闭空气的压缩，土中水分的挤动， 土的结构变为离散结构，土变为两相饱和土来实现的，这时由于孔隙水压力高，土体有效应 力减小，导致抗剪强度下降。然而，上述峰值现象，对有些土(例如粘土)表现得不太明显。  压实土遇水浸湿后，其含水量会增长：一部分填满空隙，另一部分被土粒吸附引起体积膨胀 。压实土的膨胀量除了与土质有关之外，很大程度上与压实时的含水量有关，压实含水量低 于最佳含水量w0时压实土的比之于略高于w0时压实的土，有较大的膨胀量。因此，从 水稳定性的角度来看，当接近或略大于最佳含水量时，压实的土，吸水量与膨胀量最小，最 为稳定。压实土浸湿后抗变形能力的变化情况，可参考图3-8所示的试验结果。 图中的曲线表示用三种不同的压实功在不同含水量时压实的试件，浸湿后的抗变形能力同压 实 含水量的关系曲线。曲线表明在最佳含水量时压实的试件抗变形能力最强，低于最佳含水量 及 高于最佳含水量w0时，则抗变形能力下降。因而，在w0时压实的土可望得到最高 的浸湿后的抗变形能力。同时，增加压实功能，提高密度，可以得到较高的浸湿后的抗变形 能力。 综合上述分析可以明显看出，路基土在最佳含水量(w0)状态下进行压实可以提高路基的抗 变形能力和水稳定性。 2、压实标准 路基土压实标准按重型、轻型两种标准击实试验方法确定，见表3-11。重型击实试验方法的 压实功能相当于12-15t压路机的碾压效果。轻型击实试验方法的压实功能相当于6-8t压路机 的碾压效果，因而其最大密实度比重型标准约小6%～12%，最佳含水量约大2%～8%。 〖HT5H〗〖JZ(2〗击实试验方法〖JZ)〗〖JY，2〗表3-11 〖HT5”SS〗 〖BG(!〗〖BHDFG5，FK5，K3，K3，K4，K3，K9，K3，K5，K6，K5F〗〖HJ5〗 试验方法〖〗类别〖〗锤底直径(cm)〖〗锤质量(kg)〖〗落高(cm)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K9〗试筒尺寸 〖BHDG3，K3。3〗内径(cm)〖〗高(cm)〖〗容积(cm\+3)〖ZB)〗〖〗 层数〖〗每层击数〖〗单位击实功(MJ/m\+3)〖〗最大粒径(mm) 〖BHDG4，FK5，K41F〗 轻型(Ⅰ)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K3，K3，K4，K3。5，K5，K6，K5〗 Ⅰ-1〖〗5〖〗2.5〖〗30〖〗10.0〖〗12.7〖〗997〖〗3〖〗27〖〗0.598〖〗25〖BH〗 Ⅰ-2〖〗5〖〗2.5〖〗30〖〗15.2〖〗12.0〖〗2177〖〗3〖〗59〖〗0.593〖〗38 〖ZB)〗 〖BHDG6，FK5，K41F〗 重型(Ⅱ)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K3，K3，K4，K3。5，K5，K6，K5〗〖HJ5：4/5〗 Ⅱ-1〖〗5〖〗4.5〖〗45〖〗10.0〖〗12.7〖〗997〖〗5〖〗27〖〗2.687〖〗25〖BH〗 Ⅱ-2〖〗5〖〗4.5〖〗45〖〗15.2〖〗12.0〖〗2177〖〗5〖〗59〖〗2.687〖〗19〖BH〗 Ⅱ-3〖〗5〖〗4.5〖〗45〖〗15.2〖〗12.0〖〗2177〖〗3〖〗98〖〗2.677〖〗38 〖ZB)〗 〖BG)F〗 〖HT4”SS〗〓〓 用标准击实试验确定的最大干密度与最佳含水量是一种理想的状态。实际工程施工时很难完 全达到百分之百的最大干密度，或者需要付出过多的压实功能才能达到，这从经济上考虑也 是不可取的。 从路基的实际工作状态分析，路基顶面约150cm范围内的土层，较强烈地感受到行车荷载的 反复作用以及水温的反复干湿和冻融作用。在路堤的下层，上述影响因素均很小，但是土体 的自重应力和地下水或地面滞水的毛细浸湿作用影响较大。高路堤的中部，则各项因素的影 响都不严重。因此，对于路基的不同层位应提出不同的压实要求，上层和下层的压实度 应高些，中间层可低些。当然，这还应同路基的填挖情况和自然因素的影响程度结合起来考 虑。例如，在季节性冰冻地区，为缓和冻胀和翻浆的产生，压实度应高些，重冰冻地区应高 于轻冰冻地区；而在干旱地区，路基受潮程度较轻，压实度可低于潮湿地区。 高等级公路对行车平稳性的要求高，应具有较强的抗变形能力，因此对路基的压实度要求 应高于一般公路。 根据上述原则，我国《公路路基设计规范》JTJ013-95针对各种不同情况提出了不同的压实 度标准。压实度是以应达到的干密度绝对值与标准击实法得到的最大干密度之比值的百分率 表征。表3-12所列为适用于各级公路的以重型击实方法为标准的路基压实度。 〖HT5H〗〖JZ(2〗路基压实度(重型)〖JZ)〗〖JY，2〗表3-12 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK10，K8，K22F〗〖HJ5〗 填挖类型〖〗路面底面以下深度(cm)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K22〗 压〓〓实〓〓度〓〓(%) 〖BHDG2，K12，K10〗 高速公路、一级公路〖〗其它等级公路 〖ZB)〗 〖BHDG8，FK4，K36F〗〖GP〗 填 方 路 基〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K6，K8，K12，K10〗〖HJ4/5〗 上路床〖〗0～30〖〗≥95〖〗≥93〖BH〗 下路床〖〗30～80〖〗≥95〖〗≥93〖BH〗 上路堤〖〗80～150〖〗≥93〖〗≥90〖BH〗 下路堤〖〗150以下〖〗≥90〖〗≥90 〖ZB)〗 〖BHDG2，FK10，K8，K12，K10F〗 零填及路堑路床〖〗0～30〖〗≥95〖〗≥93 〖BG)F〗 注：〖ＺＫ（〗①〖ＺＫ（〗表裂数值系按《公路土工试验规程》重型击实试验法求得的最 大干密度的压实度；〖ＺＫ）〗 ②〖ＺＫ（〗当其它等级公路修建高级路面时，其压实度应采用高速公路、一级公路的规定 值；〖ＺＫ）〗 ③〖ＺＫ（〗特殊干旱或特殊潮湿地区，压实度标准可根据试验路资料确定或较表列数值降 低2～3个百分点。〖ＺＫ）〗〖ＺＫ）〗 〖HT4”SS〗〓〓 表3-13所列为以轻型击实方法为标准的路基压实度。轻型击实标准的压实度主要用于铺筑中 级或低级路面的三、四级公路。对于高速公路、一级公路和二级公路，路基填料采用天然稠 度小于11、液限大于40、塑性指数大于18的粘性土时，用于上路床填作路基时仍应达到表 3-12所列的重型击实标准的压实度要求，用于下路床及上、下路堤，而采用重型压实标准难 以达到表3-12所列的压实度时，也可采用轻型击实标准，但不得低于表3-13所列的压实度。  〖ZT(〗 〖HT5H〗〖JZ(2〗路基压实度(轻型)〖JZ)〗〖JY，2〗表3-13 〖HT〗 〖BG(!〗〖BHDFG4，FK10，K8，K22F〗〖HJ5〗 填挖类型〖〗路面底面以下深度(cm)〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K22〗 压〓〓实〓〓度〓〓(%) 〖BHDG2，K12，K10〗 高速公路、一级公路〖〗其它等级公路 〖ZB)〗 〖BHDG8，FK4，K36F〗〖GP〗 填 方 路 基〖〗 〖ZB(〗〖BHDG2，K6，K8，K12，K10〗〖HJ4/5〗 上路床〖〗0～30〖〗-〖〗≥95〖BH〗 下路床〖〗30～80〖〗≥98〖〗≥95〖BH〗 上路堤〖〗80～150〖〗≥95〖〗≥90〖BH〗 下路堤〖〗＞150〖〗≥90〖〗≥90 〖ZB)〗 〖BHDG2，FK10，K8，K12，K10F〗 零填及路堑路床〖〗0～30〖〗-〖〗≥90 〖BG)F〗 注：表列数值系按《公路土工试验规程》轻型击实试验法求得的最大干密度的压实度。 〖ZT)〗 〖HT4”SS〗〓〓 〖BT2〗§3-4〓路基附属设施 为了确保路基的强度，稳定性和行车安全，与一般路基工程有关的附属设施有取土坑、弃土 堆、护坡道、碎落台、堆料坪及错车道等。这些设施是路基设计的组成部分，正确合理地设 置是十分重要的。 〖BT3〗一、取土坑与弃土堆 路基土石方的挖填平衡，是公路路线设计的基本原则，但往往难以做到完全平衡。土石方数 〖HT〗〖TPA，+45mm。70mm，Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-9〓路旁取土坑示意圉1.路堤；2.取土坑〖JZ)〗〖TS)〗〖HT4”SS〗 量经过合理调配后，仍然会有部分借方和弃方(又称废方)，路基土石方的借弃，首先要合理 选择地点，即确定取土坑或弃土堆的位置。选点时要兼顾土质、数量、用地及运输条件等因 素，还必须结合沿线区域规划、因地制宜，综合考虑，维护自然平衡，防止水土流失，做到 借之有利、弃之无害。借弃所形成的坑或堆，要求尽量结合当地地形，充分加以利用，并注 意外形规整，弃堆稳固。对高等级公路或位于城郊附近的干线公路，尤应注意。 平坦地区，如果用土量较少，可以沿路两侧设置取土坑，与路基排水和农田灌溉相结合。路 旁取土坑，大致如图3-9所示，深度约10m或稍大一些，宽度依用土数量和用地允许而定。 为防止坑内积水危害路基，当堤顶与坑底高差不足20m时，在路基坡脚与坑之间需设宽度 ≮10m的护坡平台，坑底设纵横排水坡及相应设施。 河水淹没地段的桥头引道近旁，一般不设取土坑，如设取土坑要距河流中水位边界10m以外 ，并与导治 结构物位置相适应。此类取土坑要求水流畅通，不得长期积水危及路基或构造物的稳定。 路基开挖的废方，应昼量加以利用，如用以加宽路基或加固路堤，填补坑洞或路旁洼地，亦 可兼顾农田水利或基建等所需，做到变废为用，弃而不乱。 废方一般选择路旁低洼地，就近弃堆。原地面倾斜坡度小于1∶5时，路旁两侧均可设弃土堆 ，地面较陡时，宜设在路基下方。沿河路基爆破后的废石方，往往难以远运，条件许可时可 以部分占用河道，但要注意河道压缩后，不致壅水危及上游路基及附近农田等。 图3-10所示为路旁弃土堆一例，要求堆弃整平，顶面具有适当横坡，并设平台、三角土块及 排水沟，宽度d与地面土质有关，最少30m，最大可按路堑深度加50m，即d≥H+50m。 积砂或积雪地段的弃土堆，宜有利于防砂防雪，可设在迎面一侧，并具有足够距离。 〖BT3〗二、护坡道与碎落台 〖HT〗〖TPA，+45mm。70mm，Y，PZ〗 〖TS(〗〖JZ(〗图3-10〓路旁弃土堆示意圉1.弃土堆；2.平台与三角土块；3.路堑〖JZ) 〗〖TS)〗〖HT4”SS〗 护坡道是保护路基边坡稳定性的措施之一，设置的目的是加宽边坡横向距离，减小边坡平均 坡度。护坡愈宽，愈有利于边坡稳定，但最少为10m。宽度大，则工程数量亦随之增加， 要兼顾边坡稳定性与经济合理性。通常护坡道宽度d，视边坡高度h而定，h≥30m时，d=1 0m；h=3～6m时，d=2m；h=6～12m时，d=2～4m。 护坡道一般设在挖方坡脚处，边坡较高时亦可设在边坡上方及挖方边坡的变坡处。浸水路基 的护坡道，可设在浸水线以上的边坡上。 碎落台设于土质或石质土的挖方边坡坡脚处，主要供零星土石碎块下落时临时堆积，以保护 边沟不致阻塞，亦有护坡道的作用。碎落台宽度一般为10～15m，如兼有护坡作用，可 适当放宽。碎落台上的堆积物应定期清理。 〖BT3〗三、堆料坪与错车道 路面养护用矿质材料，可就近选择路旁合适地点堆置备用。亦可在路肩外缘设堆料坪，其面 积可结合地形与材料数量而定，例如每隔50～100m设一个堆料坪，长约5～8m，宽2m。高级 路面或采用机械化养路的路段，可以不设，或另设集中备用料场，以维护公路外形的视觉平 顺和景观优美。 单车道公路，由于双向行车会车和相互避让的需要，通常应每隔200～500m设置错车道一处 。按规定错车道的长度不得短于30m，两端各有长度为10m的出入过渡段，中间10m供停车用 。单车道的路基宽度为45m，而错车道地段的路基宽度为65m。错车道是单车道路基的一 个组成部分，应与路基同时设计与施工。 〖LM〗 〖HJ5：2/3〗 〖BT1〗主要参考文献 1《路面工程》(第二版)，方福森主编，人民交通出版社，1987年6月。 2《路基工程》，方左英主编，人民交通出版社，1987年12月。 3《道路路基和路面工程》，姚祖康编著，同济大学出版社，1994年7月。 4《路面分析与设计》(中泽本)，(美)黄仰贤著，余定选、齐诚泽，人民交通出版社，199 8年5月 5《刚性路面设计》邓学钧、陈荣生编著，人民交通出版社，1990年3月。 6《柔性路面结构设计方法》，林绣贤，人民交通出版社，1988年。 7《路面力学计算》，朱照宏，王秉枫、郭大智编著，人民交通出版社，1985年。 8《路面力学数值计算》，王秉纲、邓学钧编，人民交通出版社，1992年6月。 9《路面结构计算和设计电算方法》，邓学钧，黄卫、黄晓明，东南大学出版社，1997年8 月。 10中华人民共和国行业标准《公路路基设计规范》(JTJ013-95)，人民交通出版社，1996 年10月。 11. 中华人民共和国行业标准《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012-94)，人民交通出 版社，1994年12月。 12. 中华人民共和国行业标准《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)，人民交通出版社，1 997年10月。 13. 中华人民共和国行业标准《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)，人民交通出版社，1 993年12月。 14. 中华人民共和国行业标准《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-93)，人民交通出 版社，1993年12月 15. 中华人民共和国国家标准《沥青路面施工技术规范》，人民交通出版社，1993年。 16. 中华人民共和国国家标准《水泥混凝土路面施工技术规范》，中国计划出版社，1987年 。 17. 中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》(JTJ051-93)，人民交通出版社，1993 年12月。 18. 中华人民共和国行业标准《公路路基路面现场测试规程》(JTJ059-95)，人民交通出版 社，1995年10月。 