自然因素影响

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1、第三章 自然因素影响第三章 自然因素影响 一、 引言一、 引言 自然因素，也称环境因素，主要指温度、湿度和老化的影响。 1、 温度的影响温度的影响 ? 材料性能的影响 ? 沥青混凝土的模量（劲度）从 0-40时降低了 40 倍，低温更脆 ? 高温蠕变导致车辙、拥抱；水泥路面拱起 ? 低温导致路面冻涨、开裂 ? 内应力 ? 整体性材料、尤其是水泥路面中的翘曲应力 ? 不同层次、不同类型的材料的温缩性能不同，造成变形的约束，导致内应 力 2、 湿度（降雨）的影响湿度（降雨）的影响 为了土基施工、确定土基强度和路表排水，需要了解降雨的状况。 ? 造成材料性能的变化 ? 模量降低 ? 整体性变差 ?

2、水的剥蚀作用 ? 破坏沥青与集料之间的黏附性 ? 细集料流失 ? 干缩-湿涨循环，造成开裂；冻融循环造成强度降低 ? 内应力，涨缩的不均匀造成 3、 施工过程中的影响施工过程中的影响 ? 含水量与压实度 ? 土基的强度 ? 选择合理的施工季节是工程师的责任 4、 使用过程中的影响使用过程中的影响 ? 路面力学参数随湿度而变化 二、 路面温度场二、 路面温度场 1、 温度变化特性温度变化特性 ? 气温呈周期性变化，每天一个周期，每年一个周期 ? 气温的突然变化 ? 路表温度与气温基本同步变化，而且路表温度（高温）大大高于气温，图 3-1、 3-2。低温时，路面的温度与气温大体相等。 ? 路面深处

3、的温度也呈周期变化，像气温一样，但越深越滞后。图 3-1、3-2。 ? 温度沿深度的变化，图 3-3。 ? 温度梯度，路面层顶部-底部温差与厚度的比值，即单位厚度的温度变化值， 与气温变化同步，图 3-4。温度梯度的存在使路面内部存在内部应力。 ? 雨、云、风和气温的变化，使路面温度梯度随之变化，路面的内应力将会非常 复杂。 ? 面层内月平均温度变化，1 月份最低，7 月份最高。 2、 温度状况预测温度状况预测 ? 影响路面温度的因素 外因：气温，太阳辐射（日照和云量） ，风速，降雨量，蒸发等 内因：材料的热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力 要预测路面温度的即时变化是困难的， 通常仅预测路面

4、的极端温度， 即最高温 度和最低温度。 ? 预估方法 ? 统计分析法 统计分析法所建立的路面温度场的回归方程形式简单， 输入参数少， 预测 精度可以满足工程需要， 易于推广并应用于实际； 但其结论只能适用于相应的 地区，在其他地区使用时需要根据当地的情况修正方程系数。 建立路面温度与其影响因素之间的因果关系。一般应考虑：温度作用持续 时间及其滞后性；温度和太阳辐射的作用；表面温度及其沿深度的分布。 根据目前的研究， 气温对路面温度的影响时间大约为 5 个小时。 温度沿深 度的分布呈 3 次曲线的规律。 ? 理论分析法：一维热传导方程 22),(),( ztzT sttzTh= 根据边界条件，假

5、设一个满足微分方程的函数即为方程的解。 ? 预估方程 讲义上给出了本市水泥路面的最大温度和最大温度梯度的预估式。 日本的近藤佳宏、秋山政敬、加拿大的 J. T. Christison 和 K. O. Anderson, 美国 SHRP，我国的统计大学、北京建筑工程学院的徐世法等进行过研究。 日本的秋山政敬日本的秋山政敬 路表温度与气温之间，在雨天时大致呈线性关系，而在晴天及阴天时则呈曲线关系,沥青路面内部最高温度与路表温度之间，不管层厚大小，皆为直线关系: sTaTmaxTsT雨天时： 838. 0233. 1+=asTT晴天及阴天时： aT aseTT126. 0170. 0500. 110

6、0. 1+=bmTTs+=maxSHRP 方法：方法： 4 .242289. 000618. 02+=latlatTTas)10441. 210085. 11048. 21 (38253dddTTsd+= 78.179545. 0)2 .4200618. 0(2 max,max+=stairLTT或 min,minairTT=7 . 1859. 0min,min+=airTT 式中，Ts：路表温度；Td：路面深度d处的温度；Tair,max为最高设计气温，；为历年气象资料中连续 7 天最高气温的平均值；s11 max,max,sTTairair+= max,airT1为历年气象资料中连续 7

7、天最高气温的标准差； 1为保证率系数； Lst为路面所处的地理纬度；Tair,min为最低设计气温，； 为历年气温最低日的日平均气温；S22 min,min,sTTairair= min,airT2为历年气温最低日的气温标准差；1为保证率系数。 研究中的方法：研究中的方法： +=)84.24664. 0(632.1355QTTap 013. 02916. 0)21. 10497. 0326. 0(32HHQTHa+3、 设计中的考虑设计中的考虑 ? 材料设计中的考虑，选择合适的沥青，设计满足高温性能要求的混合料，一系列试 验在 60下进行。 ? 结构设计中的考虑，沥青路面的车辙控制，水泥路面的

8、板块划分和翘曲应力控制 4、 思考思考 ? 从力学的角度考虑，仅预估或仅考虑路面的最高和最低温度是否满足要求？ ? 从使用性能的角度考虑，仅预估或仅考虑路面的最高和最低温度是否满足要求？ 三、 湿度三、 湿度 1、 湿度变化湿度变化 造成路面湿度变化的因素有： ? 地下水位的影响，即地下水位变化+毛细高度变化，主要影响路基湿度 ? 大气降水的影响，主要影响路面结构的湿度，尤其是动水压力的影响，即水份的渗 入，路面，裂缝，接缝，路肩和边坡等，如图 地下水位 ? 蒸发的影响，水的汽化，对路基、路面都有影响，与路面结构层的透水性能有关 ? 温度变化，即水份的积聚，主要影响路基的湿度 2、 平衡湿度平

9、衡湿度 ? 不透水的面层，湿度主要受地下水位的影响 ? 地下水位的影响范围是一定的，一般黏土 6 米、砂质黏土 3 米、砂图 0.9 米左右 ? 土基一般在平衡湿度条件下工作 思考题：土基强度设计验收标准应如何考虑？ 3、 季节性冰冻地区土基的水文状况季节性冰冻地区土基的水文状况 ? 华北、东北和西北地区为季节性冰冻地区 ? 在冻结过程中将在温度坡差的条件下出现湿度积聚的现象，造成冻涨和翻浆， 见图 ? 设计时通过设置垫层，保证路面的最小抗冻厚度、降低地下水位的方法解决 ? 影响水份积聚、即冻涨和翻浆的因素包括 ? 土质条件 ? 水文条件 ? 气候条件 ? 养护条件 温度太低， 无水份迁移 -

10、3 吸湿能力 0 湿度坡差 和蒸发 4、 路表水的影响，动水压力路表水的影响，动水压力 ? 高速行车条件下，路面将受到很大的动水冲击力 ? 光面轮胎、不透水路面条件下，动水压力可以按照贝努力方程求解 2602V=（米） ? 轮胎花纹、路面空隙的存在使动水压力大大减小，仅为理论值的 8%左右 33002V=（米） 见图 5、 路面结构设计中对水的考虑路面结构设计中对水的考虑 ? 地下水：路基高度限制；设计模量的选取 ? 地表水：道路排水系统，路面排水系统；适当的材料设计以阻止水份的进入； 多孔排水路面 图：横坡排水和路面排水系统 多孔排水路面 ? 路面内部水：内部排水系统 四、 路基湿度的预估四

11、、 路基湿度的预估 目前尚无比较好的、 系统化的方法预估路基的湿度， 常用的方法是公路自然区划法和调 查法。 1、 基于公路自然分区的预估方法基于公路自然分区的预估方法 ? 公路自然分区（仿照苏联方法） 根据气候、地理和地貌状况，将全国分为 7 个区，称为一级区；再根据潮湿系数分 为 33 个二级区。在每个二级区内，认为潮湿系数是一致的。 7 个一级区是： I 永冻区； II 东部温润季节冰冻区； 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。见图。 ? 路基的干湿类型 路基的工作区域指路基顶部 80cm，这里所说的路基干湿类型指

12、路基顶部 80cm 范 围内的平均干湿状况。如前所述，路基的湿度主要受地下水位的影响。路基顶距地下水位的 距离 H 决定了路基的干湿程度。 路基顶面 H H3地下水位 H H2 H1按照 H 的大小，可将路基的干湿程度分为 4 个等级，即 HH1 干燥状态 相应的路基平均稠度c=1H2HH1 中湿状态 相应的路基平均稠度c=1-2H3HH2 潮湿状态 相应的路基平均稠度c=23HH3 过湿状态 相应的路基平均稠度c3H1、H2、H3路基湿度状态临界高度，1、2、3临界稠度，见表 3-2、3-3。 2、 现场调查法现场调查法 公路自然区划方法虽然比较简便，但比较粗糙，可以预估宏观的平均状况，但不能准确 地反映具体道路、具体路段的路基湿度状况。所以，更直接的方法是现场调查法。 3、类比调查法、类比调查法 对类似道路的调查。