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1、路基路面工程,Subgrade and Pavement Engineering,张锐（副教授）,长沙理工大学交通运输工程学院,主要内容,(Contents),?,本课程的设置及其重要性,?,第一章,概述,(Introduction),本课程的设置及其重要性,1,、本课程在教学体系中的位置,公共课程,数学、英语、人文,等,基础课程,工程力学、结构力学、弹性力学,等,专业基础课程,土木工程材料、测量学、土力,学与土质学、水力学、交通工程基础等；,专业课程,道路勘测设计、路基路面工程、桥,梁工程、结构设计原理、基础工程,等,专业提高课程,众多选修课程,本课程的设置及其重要性,2,、本课程在工程实践
2、中的重要性,实践环节,室内试验,确定路面结构设计的主要参数,等；,野外试验,确定交通参数、路面结构参数,等；,结构综合设计,进行路面结构设计、施工组织设计,本课程的设置及其重要性,3,、本课程的内容,路基工程,路基路面工程,路面工程,公路路基,机场道基,公路路面,机场道面,课程的具体内容,?,概论,路基工程部分,?,路基土的特性及设计参数,(Characteristics and,Design parameters),?,路基设计,(Embankment Design),?,路基防护与支挡设计,(,design of retaining wall,),?,路基施工,(construction)
3、,课程的具体内容,路面工程部分,?,交通荷载及路面设计参数,(ESAL and Parameters),?,路面基层,(Base),?,沥青路面设计,(Asphalt Pavement Design),?,水泥混凝土路面设计,(Cement Concrete Pavement Design),?,路面施工,(Construction),?,路基路面养护与管理,(Maintenance and,rehabilitations),第一章,概论,第一章,概论,(Introduction),?,第一节,路基路面工程发展概况,(Development),?,第二节,路基路面工程的特点与性能要求,(Cha
4、racteristics),?,第三节,路基路面结构及层位功能,(Pavement layers),?,第四节,路基路面结构的影响因素,(Factors),?,第五节,公路自然区划,(Nature Categories),第一节,路基路面工程发展概况,?,核心内容：,?,道路的衍变,?,道路的分类,?,我国公路建设成果,?,国家高速公路网命名,?,路基路面建设的技术成果,?,交叉学科的发展,1,、道路的衍变,道路的发展可粗分为四个阶段：,第一阶段,：,供行人和牛马及其他兽类,行走、驮运货物的阶段。此时期的道,路通常称为小路或小径,(Trail),。,第二阶段：,供蓄力车辆和行人,通行的大道,(
5、Cart Way),阶段。,在中国，有“康衢”、“路”、,“驰道”、“驿道”等名称；,在欧洲，罗马道路非常发达，,有“条条大道通罗马”之说。,1,、道路的衍变,古罗马道路和结构,1,、道路的衍变,第三阶段,：,行驶汽车的公路（,Highway,）阶段。内燃机汽车是德国在,1886,年由高特列希,?,戴姆勒发明，我国在,1902,年从国外引进汽车，,1906,年苏元春,驻守广西时首建了龙州到镇南关的公路。,通向柏林的,A9,公路,(,东德,),，使用时间超过,50,年，,图中为第一阶段的水泥路面,1,、道路的衍变,第四阶段,：,以高速度分车道行驶为特征的高速公路阶段。,也称为,Freeway,或
6、,Expressway,。,2,、道路分类,道路是供各种车辆、行人等通行的工程设施，按其使用范围分为公路、,城市道路、机场跑道、厂矿道路、林区道路等。,机场,Airport,分类,公路,分级,Highway,公路,城市道路,干线公路：,国家干线,省干线,县公路,乡公路,支线公路,高速公路、一级公路,二级、三级、四级公路,快速路,主干道,次干道,支路及街道,厂矿道路,林区道路,其他道路,3,、我国公路建设成果,高速公路“,7918,”网,到,2020,年，高速公路总规模约,8.5,万公里，其中主线,6.8,万公里，地区环线、联络线等其它路线约,1.7,万公里。,7,条北京放射线,9,条纵向路线,
7、18,条横向路线,3,、我国公路建设成果,?,普通国道网,（,2013,年,-2030,年）,高速公路“,7918,”网,?,7,条：,北京哈尔滨（,G1,）、,北京,上海（,G2,）、北京台北,（,G3,）、北京港澳（,G4,）、北京,昆明,（,G5,）、北京,拉萨,（,G6,）、北京,乌鲁木齐,（,G7,）,?,9,条：,鹤岗,大连,（,G11),、沈阳海口,(G15),、长春深圳,(G25),、,济南广州,(G35),、,大庆,广州（,G45,）、,二连浩特,广州,(G55),、,包头,茂名,(G65),、兰州海口,(G75),、,重庆,昆明,(G85),?,18,条：,绥芬河,满洲里,
8、（,G10,）、,珲春,乌兰浩特,(G12),、,丹东,锡林浩特,(G16),、,荣成,乌海,(G18),、青岛,银川,(G20),、青岛兰,州,(G22),、连云港,霍尔果斯,(G30),、南京洛阳,(G36),、上海西,安,(G40),、上海成都,(G42),、上海,重庆,(G50),、杭州,瑞丽,(G56),、,上海,昆明,(G60),、福州银川,(G70),、泉州南宁,(G72),、厦门,成都,(G76),、汕头,昆明,(G78),、广州,昆明,(G80),?,此外，,国家,高速公路,网还包括辽中环线、成渝环线、海南环线、珠,三角环线、杭州湾环线等共,5,条地区环线，,2,段并行线和,
9、37,段联络线。,3,、我国公路建设成果,3,、我国公路建设成果,3,、我国公路建设成果,3,、我国公路建设成果,有铺装,+,简易铺装,279.86,万,km,+,未铺装,149.07,万,Km,=,总里程,423.75,万,Km,143.89,万,km,简,50.35,万,km,229.51,万,km,中有,64.19,万,km,沥青,229.51,万,km,中有,165.32,万,km,水泥,2012,年底资料,4,、国家高速公路网命名,数字及数字与字母编号,?,首都放射线,编号为,1,位数,，由正北开始按顺时针方,向升序编排，编号区间为,19,。,?,纵向路线,编号为,2,位奇数,，由东
10、向西升序编排，编,号区间为,1189,。,?,横向路线,编号为,2,位偶数,，由北向南升序编排，编,号区间为,1090,。,?,并行路线,的编号采用主线编号后加英文字母“,E,”、,“,W,”、“,S,”、“,N,”组合表示；“,E,”、“,W,”、,“,S,”、“,N,”分别表示并行路线在主线的东、西、,南、北方位。,?,地区环线,的编号按照由北向南的顺序排列，编号区,5,、路基路面建设的技术成果,?,公路自然区划,?,水泥混凝土路面设计理论与,?,土的工程分类,?,路基强度与稳定性,?,高路堤修筑技术与支挡结构,?,软土地基稳定技术,?,岩石路基爆破技术,?,沥青路面结构,?,水泥混凝土路
11、面结构,?,沥青路面设计理论与方法,方法,?,半刚性基层沥青路面结构,?,沥青路面材料组成设计,?,路面使用性能与表面特性,?,绿色道路路面建设技术,?,路面养护管理,6,、交叉学科的发展,?,材料科学,?,岩土工程学,?,结构分析理论,?,机电工程,?,自动控制与量测技术,?,现代管理科学,节尾,第二节,路基路面的工程特点,?,核心内容,?,路基路面的工程特点,?,路基路面的使用要求,?,路基路面的性能要求,1,、路基路面的工程特点,?,路线长、工程量大；,?,沿线地形起伏变化大，地质、地貌、气象特征多变；,?,沿线经济程度和交通特点不一样。,2,、路基路面的使用要求,?,全天候畅通,?,高
12、速,?,安全,?,舒适,?,经济,即：,结构与功能,两个方面要求,3,、路基路面的性能要求,（,1,）路基工程,公路路基,是路面的基础，是公路工程的重要组成部分，它是按照路线,位置和一定的技术要求修筑的带状构造物，与路面共同承受交通荷载的作,用。作为路面的支承结构物，路基必须具有足够的,强度、稳定性和耐久性,(Strength,Stability,Durability),。,一般路基,冻土区通风管路基,（,1,）路基工程,-,冻土,冻土区,冻土区路基,冻土区,冻土区,（,1,）路基工程,-,防护与加固,冻土区,路基防护,铁路路基,（,1,）路基工程,-,防护与加固,3,、路基路面的性能要求,（
13、,2,）路面工程,公路路面,是直接承受交通荷载、大气温度及雨水作用的结构，应具有,良好的稳定性和足够的强度、刚度，其表面还应满足平整、抗滑和排水,的要求。因此，公路路面应根据交通量及其组成情况和公路等级、使用,任务、功能、当地材料及自然条件，结合路基进行综合设计。,各级公路的,行车道、路缘带、匝道、变速车道、爬坡车道、硬路肩和,应急停车带,等均应铺筑路面。,3,、路基路面的性能要求,1.,承载能力,(Bearing Capacity),包括强度和刚度两个方面。,2.,稳定性,(Stability),在地表上开挖或填筑路基，会改变,原地面地层结构的受力状态，从而造成路基失稳；大气降水、大,气周期
14、性变化对稳定性的影响。,3.,耐久性,(Durability),道路工程有较长的使用年限，因此,路基路面工程要求有很好的耐久性能。,4.,表面平整度,(Surface Smoothness),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。,5.,表面抗滑性能,(,Skid Resistance,),保证车轮与路面之间,有足够的附着力和摩擦力，以增加行车安全。,节尾,第三节,路基路面结构及层位功能,?,核心内容,?,路基横断面,?,路面横断面,?,路拱横坡度,?,路面结构分层及层位功能,?,路面面层类型及适用范围,?,路面分类,1,、路基横断面,1,、路基横断面,1,、路基横断面,1,
15、、路基横断面,图,1,4d,城市道路典型路基横断面,2,、路面横断面,?,槽式横断面,?,全铺式横断面,3,、路拱横坡度,目的：,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弱路面结构强度，路面表,面应做成直线形或抛物线形的路拱。,形式：,一次式：直线形、折线形,二次式：,2,次抛物线形，,三次式：,3,次线形方程,要求：,4,、路面结构分层及层位功能,（,1,）路面分层,?,面层,?,基层,?,垫层,（必要时）,?,路基,沥青混凝土路面,水泥混凝土路面,4,、路面结构分层及层位功能,（,2,）路面各层的,要求,面层：,面层是直接同行车及大气接触的表面层次，它承受较大行车荷载的
16、垂直力、水平,力和冲击力的作用，同时还受到降雨的浸蚀和气温变化的影响，因此，同其他层次,相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力和较好的水稳定性与温度稳定性，且,应耐磨、不透水，表面还应有良好的抗滑性与平整度。,基层（含底基层）：,主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的路基（,含垫层及土基），因此，它也应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力,的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能受地下水及面层渗入雨水的浸湿，故,也应具有足够的水稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。,4,、路面结构分层及层位功能,（,2,）路面各层的,要求,?,垫层：,垫层介于基层和土基
17、之间，它可改善土基的湿度和温度状况、使面,层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态；同,时，也可扩散基层传递的荷载应力、减小土基的应力与变形。,?,按其,作用,可分为排水层、隔离层、防冻胀层等。,?,路基处于下列状况的路段,应设置垫层,：地下水位高，排水不,良，路基经常处于潮湿状态的路段；排水不良的土质路堑；,有裂隙水，泉眼水等水文不良情况的岩石挖方路段；季节性,冰冻地区可能产生冻胀的中湿、潮湿路段；,?,基层可能受污染的路段。,4,、路面结构分层及层位功能,（,2,）路面各层的,要求,4,、路面结构分层及层位功能,面,层,上面层（表面层）,中面层,下面层,上基层,4,5c
18、m,5,6cm,6,8cm,20,40cm,基,层,下基层（底基层）,上路床,30cm,50cm,70cm,路,基,下路床,上路堤,下路堤,（,3,）沥青路面分层,70,80cm,4,、路面结构分层及层位功能,面,CTB,、,LFTB,层,上基层,水泥混凝土,基,层,下基层（底基层,）,砂石材料,级配碎石,路,基,上路床,下路床,上路堤,下路堤,改良土,或改善,土,（,4,）水泥路面分层,4,、路面结构分层及层位功能,沪宁高速拓宽铣刨断面,5,、路面面层类型及适用范围,面,层,类,型,沥青混凝土路面,适,用,范,围,高速公路、一级公路、二级公路、三级,公路、四级公路,高速公路、一级公路、二级公
19、路、三级,公路、四级公路,三级公路、四级公路,四级公路,水泥混凝土路面,沥青贯入路面,沥青碎石路面,沥青表面处治路面,砂石路面,6,、路面分类,?,柔性基层沥青路面,?,半刚性基层沥青路面,?,组合式基层沥青路面,?,复合式路面（或刚性基层沥青路面）,?,水泥混凝土路面,节尾,第四节,路基路面结构的影响因素,?,核心内容,?,路基路面稳定性影响因素,?,路基路面工程的环境因素影响,1,、路基路面稳定性影响因素,?,地理条件,?,地质条件,?,气候条件,?,水文和水文地质条件,?,土的类别,（,1,）地理条件,?,地形地貌,?,海拔高度,?,路线与地势地貌的结合程度,（,2,）地质条件,?,岩石
20、或土的种类与成因,?,地质走向与层理,?,有无软弱层或软弱夹层,?,有无地震、泥石流或岩溶等,不良地质情况,（,3,）气候条件,?,气温（季节性与地形性）,?,降水,?,日照,?,风力风向,（,4,）水文条件,?,地表水的水文条件,1,）地表积水水位与存水时间,2,）地表水的排泄,3,）河流的常水位与洪水水位,4,）河流的河岸及河床的淤积,?,地下水的水文条件,1,）地下水的移动规律,2,）地质内的层间水、裂隙水、泉水的存在情况,（,5,）土的类别,?,1,）土的不同颗粒组成形成,不同的材料强度机理,?,2,）不同类别的土受水温影,响的程度不同,?,2,）不同的土类有不同的工,程特征与性质,2
21、,、路基路面工程的环境因素影响,?,路基路面结构的温度和湿度状况变化,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,大气温度的年周期变化和日周期变化,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,大气温度的年周期变化和日周期变化,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,路面结构内温度随深度的分布状况,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,路面结构内温度随深度的分布状况,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,路面结构内温度随深度的分布状况,2,、路基路面工程的环境因素影响,?,分析方法：,?,路面结构内的温度和湿度状况，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。
22、,?,统计方法（公式）,?,T,max,=a+bT,a,max,+cQ,?,理论方法,?,采用有限元技术进行分析与计算,?,热传导理论分析法,节尾,第五节,公路自然区划,1,、公路区划依据的意义,2,、公路区划依据的原则,?,道路工程特征相似的原则,?,地表气候区划差异性原则,?,自然气候因素既有综合又有主,导作用的原则,3,、一级区划指标,?,1,、全年均温,-2,等值线。,在一般情况下，地面大气温度达到,-2,时，地面土开始,冻结。因此，它是区分多年冻土和季节冻土的界线。,?,2,、一月份均温,0,等值线。,是区分季节冻土和全年不冻的界线。,?,3,、我国地势的三级阶梯的两条等高线。,4,
23、、二级区划指标,?,二级区划仍以气候和地形为主导因素，但具体标志与,一级区划有显著差别。二级区划因区而异，将一级区划,指标具体化或加以补充，分为六个等级，主要指标是潮,湿系数,K,。,?,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。,5,、我国的公路自然区划,?,我国的公路自然区划分为三级：,一级区划,按多年冻土、季节冻土及全年不冻土三大地带,考虑冰冻、水热平衡和地理位置分为,北部多年冻土区,、,东部温润季冻区,、,黄土高原干湿过渡区,、,东南湿热区,、,西南潮暖区,、,西北干旱区,和,青藏高寒区,等七个大区；,二级区划,是在一级区划内再以潮湿系数为依据
24、分为,过湿,、,中湿,、,润湿,、,润干,、,中干,和,过干等,六个等级，结合各区,地理、气候特征等因素进行二级区和二级副区的划分；,三级区划,则是二级区划的具体化,。,?,?,?,5,、我国的公路自然区划,6,、区划与路基路面设计的相关性,?,不同地区自然条件的差异同公路建设关系密切,?,路基路面与地势地貌、地质、水文、水热及土质等不同区划,特征紧密相关,?,各区划有各自不同的设计注意点,节尾,小组讨论,?,路基路面结构与温度关系密切，通过分析沥青混凝土,路面和水泥混凝土路面与温度的关系，请结合不同路面,的破坏特征，介绍沥青路面和水泥混凝土路面的功能要,求与层位布置特点。,?,公路是一种线状
25、构造物，沿线环境和地质变化复杂，,请通过选择一条典型道路（如,312,国道上海,-,霍尔果斯,、,104,国道北京,-,福州）介绍沿线特点，说明公路自然,区划的意义和必要性。,练习与讨论,1,、路基路面的工程特点主要包括哪几个方面？,2,、路基路面的功能要求包括哪几个方面？,3,、路基结构承载能力包含哪两个方面？各反映结构的哪些特征？与路面的病害,有何关联？,4,、为什么要对路基进行特别重视？其稳定过程受哪些因素影响？,5,、路面结构为什么要进行分层，水泥混凝土路面和沥青混凝土路面如何进行分,层？,6,、柔性路面、刚性路面、半刚性基层沥青路面各有何特点？如何选择路面结构,类型？,7,、路基路面结构稳定性的影响因素有哪些？为什么路基路面结构十分重视温度,的影响？,8,、我国公路自然区划的原则是什么？各自然区划的道路设计应注重的特点有何,差别？,
