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1、1,第 三 章,Influence of Natural Factors,自 然 因 素 的 影 响,2,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
2、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。,3,二、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.,
3、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.,4,3.
4、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
5、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.,5,二、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
6、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.,6,2)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,7,2
7、.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.,8,四、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
8、值可考虑面层修正系数h , 路面越薄,修正系数越高.,9,3.3 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
9、低（冷）处迁移，对多年冻土地区影响很大。,10,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
10、）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,11,3、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
11、湿： Wc2W cWc3 H3 HH 2,过湿： W cWc3 HH3,12,三、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,
