【交通运输】第十章 路面结构的力学分析
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part2路面的力和变形-经典路面力学分析
使用环保材料进行路面建 设，减少对环境的污染和 破坏。
生态恢复
在道路建设和改造过程中， 注重生态恢复和绿化工作， 保护和改善生态环境。
噪音控制
采取有效的噪音控制措施， 降低车辆行驶噪音对周边 居民的影响。
基于经济性的路面设计优化
成本控制
合理控制路面建设的成本，包括 材料、人工、设备等方面的费用。
长期效益
环境耐久性
表示材料抵抗环境因素（如紫外线、氧化等） 的能力，与材料的使用寿命有关。
耐化学腐蚀性
表示材料抵抗化学腐蚀的能力，与材料对各 种化学物质的耐受程度有关。
材料的经济性
成本
材料的生产成本、运输成本、安装成 本等。
可再生性
材料是否可再生或可回收再利用。
维护费用
材料的维护、修理和替换费用。
使用寿命
材料的使用寿命，与材料的耐久性有 关。
03 路面受力分析
车辆载荷
01
车辆载荷是指车辆对路面的压力和摩擦力，是路面 力学分析中的重要因素。
02
车辆载荷的大小和分布取决于车辆的类型、重量、 速度和轮胎与路面的摩擦系数。
03
路面设计时需要考虑到不同车辆载荷对路面的影响， 以确保路面的耐久性和稳定性。
环境载荷
理论形成阶段
随着科学技术的进步，路面力学逐渐形成了系统的理论体系，如弹 性力学、塑性力学等理论的应用，推动了现代路面设计和施工的发 展。
现代发展阶段
现代路面力学研究更加注重跨学科的交叉融合，如新材料、新工艺、 新技术的应用，推动了路面工程领域的不断创新和发展。
02 路面材料特性
材料的力学性质
弹性模量
指导路面设计和施工
路面力学为路面设计和施工提供理论依据和实践指导，有助于实现 更高效、经济和环保的路面建设。
生态恢复
在道路建设和改造过程中， 注重生态恢复和绿化工作， 保护和改善生态环境。
噪音控制
采取有效的噪音控制措施， 降低车辆行驶噪音对周边 居民的影响。
基于经济性的路面设计优化
成本控制
合理控制路面建设的成本，包括 材料、人工、设备等方面的费用。
长期效益
环境耐久性
表示材料抵抗环境因素（如紫外线、氧化等） 的能力，与材料的使用寿命有关。
耐化学腐蚀性
表示材料抵抗化学腐蚀的能力，与材料对各 种化学物质的耐受程度有关。
材料的经济性
成本
材料的生产成本、运输成本、安装成 本等。
可再生性
材料是否可再生或可回收再利用。
维护费用
材料的维护、修理和替换费用。
使用寿命
材料的使用寿命，与材料的耐久性有 关。
03 路面受力分析
车辆载荷
01
车辆载荷是指车辆对路面的压力和摩擦力，是路面 力学分析中的重要因素。
02
车辆载荷的大小和分布取决于车辆的类型、重量、 速度和轮胎与路面的摩擦系数。
03
路面设计时需要考虑到不同车辆载荷对路面的影响， 以确保路面的耐久性和稳定性。
环境载荷
理论形成阶段
随着科学技术的进步，路面力学逐渐形成了系统的理论体系，如弹 性力学、塑性力学等理论的应用，推动了现代路面设计和施工的发 展。
现代发展阶段
现代路面力学研究更加注重跨学科的交叉融合，如新材料、新工艺、 新技术的应用，推动了路面工程领域的不断创新和发展。
02 路面材料特性
材料的力学性质
弹性模量
指导路面设计和施工
路面力学为路面设计和施工提供理论依据和实践指导，有助于实现 更高效、经济和环保的路面建设。
应用弹性层状体系理论进行分析和计算路面结构的应力
中分析各分量。在图2的圆柱坐标 (r、、z)
中，在弹性层状体系内微分单元体上，应力 分量有三个法向应力 r、、和 z及, 三对剪应力：
rz zr , r r , z z
• 当层状体系表面作用着轴对称荷载时， 各应力、形变和位移分量也对称于对称 轴，即它们仅是r和z的函数。因而,
r r 0, z z 三0 对剪应力只剩下
荷载面中轴处的弯沉值 0 限定为1mm，求面
层应有的厚度h。
解：由
0
2 p
E0
0
可得
0
0E0 2 p
0.1 65 2 0.5 14
0.464
E0
E1
65 280
0.232, 从纵轴E0
E1
0.232
处引一水平线，同 0 0.464 的曲线相交作一垂线与横轴相 交得：
h D 0.66, h 0.66 28 18.5cm
，已制
成计算软件，可计算距荷载作用面中心轴r 处的路表弯沉值。
图4 弹性层状体系单圆均布荷载弯沉计算诺谟图
[例1] 已知 p 0.5MN / m2 , 14cm, E0 45MN / m2 , E1 180 MN / m2 , h 20cm
求荷载作用面中轴处的弯沉 0 。
解： E0
E1
整个路面结构在力学性质上属于非线性的弹粘-塑性体。
由于不同材料层组成的路面结构的抗疲劳性 能和使用的耐久性，不允许各结构层在行车 作用下产生塑性变形的累加，尽量将变形控 制在弹性工作阶段，加之高等级道路较厚的 结构厚度、较高的强度、行车作用的瞬时性 （通过路面某点百分之几秒），将其视作线 性弹性体，应用弹性层状体系理论进行分析 和计算路面结构的应力、应变和位移。
22 0 （6）
中，在弹性层状体系内微分单元体上，应力 分量有三个法向应力 r、、和 z及, 三对剪应力：
rz zr , r r , z z
• 当层状体系表面作用着轴对称荷载时， 各应力、形变和位移分量也对称于对称 轴，即它们仅是r和z的函数。因而,
r r 0, z z 三0 对剪应力只剩下
荷载面中轴处的弯沉值 0 限定为1mm，求面
层应有的厚度h。
解：由
0
2 p
E0
0
可得
0
0E0 2 p
0.1 65 2 0.5 14
0.464
E0
E1
65 280
0.232, 从纵轴E0
E1
0.232
处引一水平线，同 0 0.464 的曲线相交作一垂线与横轴相 交得：
h D 0.66, h 0.66 28 18.5cm
，已制
成计算软件，可计算距荷载作用面中心轴r 处的路表弯沉值。
图4 弹性层状体系单圆均布荷载弯沉计算诺谟图
[例1] 已知 p 0.5MN / m2 , 14cm, E0 45MN / m2 , E1 180 MN / m2 , h 20cm
求荷载作用面中轴处的弯沉 0 。
解： E0
E1
整个路面结构在力学性质上属于非线性的弹粘-塑性体。
由于不同材料层组成的路面结构的抗疲劳性 能和使用的耐久性，不允许各结构层在行车 作用下产生塑性变形的累加，尽量将变形控 制在弹性工作阶段，加之高等级道路较厚的 结构厚度、较高的强度、行车作用的瞬时性 （通过路面某点百分之几秒），将其视作线 性弹性体，应用弹性层状体系理论进行分析 和计算路面结构的应力、应变和位移。
22 0 （6）
路面结构组成、稳定性分析、结构设计理论与方法
wc <wc3
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
路基上部土层处于地下水或地 表水影响的过渡带区内，路基
高度 H2 ≤ H < H1
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 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
即： H1相对应于wc1，为干燥和 中湿状态的分界标准； H2相对应于wc2，为中湿与 潮湿状态的分界标准； H3相对应于wc3，为潮湿和 过湿状态的分界标准。
临界高度参考值（见教材P19）
路基干湿类型
干燥 中湿 潮湿 过湿
原有公路
新建公路
路基平均稠度wc与分 界相对稠度的关系
一般特性
wc wc1 wc1 >wc wc2 wc2 wc wc3
性。 Ⅵ区——西北干旱区：气候干燥，可采用沥青混凝土层
解决砂石路面搓泥、松散。注意沙漠地区风蚀和沙埋。 Ⅶ区——青藏高寒区：有多年冻土，注意保温设计，且
沥青路面在日照下易老化。
§1-4 、路基干湿类型
路基干湿类型划分方法
（1）已建公路：不利季节测定路床80cm内土层的含水 量，确定其平均稠度；按自然区划、土类查表确定 分界稠度；比较平均稠度与分界稠度，确定干湿类 型。
路面结构组成、稳定性分 析、结构设计理论与方法
本课程的内容：
◇ 课程的具体内容
概论 路基工程部分
路基的力学特点及影响因素 一般路基设计 路基边坡稳定性分析 路基防护与加固 挡土墙设计 路基排水设计
◇ 课程的具体内容
路面工程部分
路面结构组成 路面材料的力学性质 块料路面、碎砾石路面 无机结合料稳定路面 沥青路面及其设计方法 水泥混凝土路面及其设计方法
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
路基上部土层处于地下水或地 表水影响的过渡带区内，路基
高度 H2 ≤ H < H1
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 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
即： H1相对应于wc1，为干燥和 中湿状态的分界标准； H2相对应于wc2，为中湿与 潮湿状态的分界标准； H3相对应于wc3，为潮湿和 过湿状态的分界标准。
临界高度参考值（见教材P19）
路基干湿类型
干燥 中湿 潮湿 过湿
原有公路
新建公路
路基平均稠度wc与分 界相对稠度的关系
一般特性
wc wc1 wc1 >wc wc2 wc2 wc wc3
性。 Ⅵ区——西北干旱区：气候干燥，可采用沥青混凝土层
解决砂石路面搓泥、松散。注意沙漠地区风蚀和沙埋。 Ⅶ区——青藏高寒区：有多年冻土，注意保温设计，且
沥青路面在日照下易老化。
§1-4 、路基干湿类型
路基干湿类型划分方法
（1）已建公路：不利季节测定路床80cm内土层的含水 量，确定其平均稠度；按自然区划、土类查表确定 分界稠度；比较平均稠度与分界稠度，确定干湿类 型。
路面结构组成、稳定性分 析、结构设计理论与方法
本课程的内容：
◇ 课程的具体内容
概论 路基工程部分
路基的力学特点及影响因素 一般路基设计 路基边坡稳定性分析 路基防护与加固 挡土墙设计 路基排水设计
◇ 课程的具体内容
路面工程部分
路面结构组成 路面材料的力学性质 块料路面、碎砾石路面 无机结合料稳定路面 沥青路面及其设计方法 水泥混凝土路面及其设计方法
第10章路面结构力学分析.ppt
弹性地基板温 度应力分析
二. 翘曲应力
假设温度沿板截面呈直线变化，板的自重忽 略不计，板和地基始终接触，则由此提出长和 宽均为有限的矩形板板中的翘曲应力为：
弹性地基板温 度应力分析
二. 翘曲应力
而板边缘中点的翘曲应力为： （10-55）
翘曲系数Cx（或Cy）同L/l或B/l有关，其数 值可从下表中查取。
弹性层状体系理论
第十章 路面结构力学分析
路面结构通常简化的力学模型：
弹性半空间体 弹性层状体系 粘弹性层状体系 弹性地基上的板 弹性层状体系上的板
弹性层状体系理论
第一节 弹性层状体系理论
一. 层状体系的理论分析
1. 计算图示与基本假定 ①计算图示
弹性层状体系理论
1. 计算图示与基本假定
② 基本假定：
假设地基为弹性半无 限体，其顶面上任一 点的挠度不仅同该点 的压力也同其他各点 的压力有关，即：
q（x，y）＝f [ω（x，y）] （10-22）
弹性地基板荷 载应力分析
三. Winkler地基上板的荷载应力分析
威斯特卡德采用这一地基假说，分析了三种车 轮荷载位置下板的挠度和弯矩
1．轮载作用于无限 大板中央，分布于半 径为R圆面积内； 2．轮载作用于受一 直线边限制的半无限 大板的边缘，分布于 半圆内；
弹性地基板荷 载应力分析
2. 解题方法 简化为平面问题 应力－应变关系
（10-14）
弹性地基板荷 载应力分析
2. 解题方法 各截面上的内力：
（10-15）
可见：应变、应力或内力均 可表示为挠度ω的函数。
弹性地基板荷 载应力分析
二. 板挠曲面微分方程
根据薄板的基本假设及内力与荷载平衡条件得： ∑Fz＝0，∑Mx＝0பைடு நூலகம் ∑My＝0，简化力矩的 平衡方程，得：
路面结构的认识
路面结构的认识
路面结构是指道路表面的材料、构造和层次，是道路工程中的一个重要组成部分。
路面结构的主要目的是为了保证道路的平整、稳定和舒适性，以满足交通运输的需求。
路面结构包括多层结构，一般由基层、下面层、上面层和面层组成。
不同层次的材料和结构设计根据道路的不同功能和使用要求来确定。
基层是路面结构的最底层，主要负责分散和承受车辆荷载，并传导到路基。
常用的基层材料包括砂石、碎石等。
基层的设计要考虑地基的支撑能力和排水性能。
下面层是处于基层和上面层之间的一层结构，也称为支撑层。
下面层的作用是增加路面的稳定性和承载能力，通常使用填土或紧实土等材料进行铺设。
上面层是处于下面层和面层之间的一层结构，主要作用是平整路面、增加平稳性和驾驶的舒适性。
上面层的材料可以选择沥青混凝土、水泥混凝土等。
面层是道路表面最上方的一层，是人车直接接触的部分，所以面层要求具有良好的抗滑性、耐磨性和降噪性能。
常用的面层材料有沥青混凝土、改性沥青等。
路面结构的设计需要考虑交通量、车速和地理环境等因素，以确保路面的使用寿命和安全性。
合理的路面结构能够提高道路的运行效率、减少交通事故发生率，并延长道路的使用寿命。
道路工程结构课件
扩散分布作用，传递到基层上的单位压力要较柔性路面小得多。
道路工程结构
1
（一）、柔性路面
1、路面结构的强 度组合和最小厚度
路面应力的分布规律是上大下小，故路面结构的强 度组合应是面层弹性模量值要高，基层和土基的弹 性模量值可依次递减，各层的强度一般应自上而下 递减。道路厚度应根据路面结构的强度和稳定性计 算决定。各类结构的最小厚度可参见下表
道路工程结构
15
道路工程结构
2、路面结构组合 要有良好的稳定性
稳定性包括气候稳定性和结构稳定性。路面结构气 候稳定性是指水稳定性、干稳性、高温稳定性和冰 冻稳定性。为了保证路面结构气候稳定性，防止路 面冰冻，要求路面总厚度不小于下表的要求。结构 稳定性要求各层次配合得当，连接牢靠
②粘土
粘土的塑性指数一般大于12，粘土中不得含腐殖质或其它杂 物。粘土用量一般不 超过碎石干重的15%。
道路工程结构
12
③泥结碎石路面 a、路基要求
按路堤施工线进行施工，若在施工开挖中偏离指定开挖线， 应重新休整。将开挖路槽的土方弃至两侧并进行碾压处理。 应防止雨水侵蚀地基土壤。机械开挖路槽 土方时，实际施工的沟槽适当留有休整余量，再用人工休整。 需先哇好路槽，做好路基。路基土质为黏性土，路基中不能 含有草皮、树根、杂草以及地面上的淤泥等物。路基土湿度 不得超过20%，路基土要求碾压或夯实，新填路基每层回填 碾压厚度为200mm，路中间要比两边略高一些，以便要突 遇大雨后，可及时排干雨水。回填时回填土干容量 ≥15KN/m3 路基横坡同路面，施工 中注意不能让路基积水。 原有路堤在修弯取直施工时，对需要修弯的地段采用挖机开 挖后，由人工修坡取直。对原有弯道则应开挖成台阶状，填 土分层回填碾压夯实。回填时对原有基层应做好清基，接口 修成牙口。
第十章 碎、砾石路面
图10—2表示不同细料含量时土－砾石混合料的密实 度和CBR的试验结果，图中CBR值为试件浸湿后的测定 结果。砾石：经水流冲击磨去棱角的岩石碎块。 图10—3示用土－碎石混合料的试验结果。碎石：指 岩石碎裂后形成的形状不规则的带有尖锐边角的石块。
图10—4是几种粒状材料用AASHO标准压实法成型 后测得的CBR值和干密度的试验结果。 由上述分析可知，只有在已知粒径分配的情况下， 密实度才可以作为衡量强度和稳定性的依据。细料含量 偏多的混合料强度和稳定性大大低于细料含量偏低的原 因，是由于如图（10—1c）的情况，强度和稳定性受 结合料的影响很大，而在图（10—1 a）的情况下，强 度和稳定性受结合料的影响很小，大部分取决于大颗粒 之间的接触。 图10—5示细料的塑性指数对砾石混合料三轴强度的影响。
级配砾石有时用来作垫层叫做级配砂砾垫层，其级配 砂砾要求颗粒尺寸在4.75～31.5mm之间，其中19～ 31.5mm 含量不少于50%。
二、级配砾（碎）石路面与基（垫）层的施工 级配砾（碎）石路面与基（垫）层的施工，一般按下列 工序进行：（1）开挖路槽；（2）备料运料；（3）铺料； （4）拌和与整型；（5）碾压；（6）铺封层。若施工方法 采用拌和机集中拌制，则第（3）、（4）两工序分别改为拌 和与摊铺整型两工序。
第二阶段 第三阶段
中 重
型 型
头档 (1.5~2.25) 二档(2.5~3.0)
10~14(洒水) 20~25(洒水)
碾压时，应从路两侧开始，逐渐移向路中。碾压轮迹重叠宽度:对 三轮压路机为后轮宽度的1/3~1/2；对双轮压路机则为20~30cm。
二、泥结碎石路面
泥结碎石路面是以碎石作为骨料、泥土作为填充料 和粘结料，经压实修筑成的一种结构。泥结碎石路面厚度 一般为8～20cm；当总厚度等于或超过15cm时，一般 分两层铺筑，上层厚度6～10cm，下层厚度9～14cm。 力学强度和稳定性不仅有赖于碎石的相互嵌挤作用， 同时也有赖于土的粘结作用。 泥结碎石层所用的石料，其等级不宜低于IV级，长 条、扁平状颗粒不宜超过20%。泥结碎石层所用粘土， 应具有较高的粘性，塑性指数以12—15为宜。粘土内不 得含腐殖质或其它杂物。粘土用量一般不超过混合料总 重的15～18%。
路基路面工程第10章
挤或碎石下陷。
第三节 级配砾（ 碎）石路面
1、定义：由各种集料（粗细砾石+砂或石屑）和土，按最佳级 配原理修筑而成的路面层或基层
2、强度构成：摩阻力+粘结力 密实结构 具有一定水稳性和 力学强度
3、作用：中级路面的面层，次高级路面的基层
4、特点：平整度好，施工维修简易，造价低，缺点同前
一 、厚度和材料 ：
2、坑槽车辙的修补：较浅时：相同材料填补，夯压密实 较深时：开挖，用浆拌、干拌和灌浆法填补
3、路面松散和波浪的防治 （1） 原因：材料配合不好、施工不当、养护不善 （2） 防治：松散：扫集.平整.洒水.填料拌和..压实；当厚度
大于3cm 时，提高材料的塑性指数。 波浪：轻微：刮平…修补；
严重：翻修
谢谢
第二节 碎石路面与基层 三、 泥灰结碎石路面：
碎石骨料（嵌挤interlock）+ 石灰和土做粘结 8～20cm
※施工时将石灰与土拌和均匀，其余工序同泥结碎石路面。 ※石灰与土的用量不应大于混合料总重的20% ，石灰剂量为
土重的 8%~20%。
四 、填隙干压碎石基层：单一尺寸的粗碎石+石屑
大块碎石基层 ※石料和嵌缝料的尺寸视结构层的厚度而定。 ※如土基软弱，需铺筑低剂量石灰土或砂砾垫层，以防软土上
施工工序：准备工作 撒铺石料并摊平 预碾碎 石 碾压并撒水
撒铺嵌缝料 碾压洒水 撒铺石屑并洒水碾压成型 初期养护
碾压三阶段：稳定期、压实期、成型期 注意：※用作面层时压实后应用石屑或砂封面
※用作基层时不再加铺密实或石屑封面，其余均相同
第二节 碎石路面与基层 二 、泥结碎石路面：嵌挤+ 土的粘结８～２０cm
注意 大量土时：密实原则
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1、沥青路面补强设计
（1）设计方法
①经验法 ②理论法
（2）加铺形式
①结合式 ②分离式
（3）补强厚度计算方法
①经验法 ②理论法
（2）路面损坏状况指数 PCI=F(T,D,S)
4、路面结构承载能力-1
（1）路面承载力指标：弯沉 （2）弯沉测定方法
①杠杆式弯沉仪（贝克曼梁）
②落锤式弯沉仪（FWD）
4、路面结构承载能力-2
（3）评价方法和标准
l
ld
<0.8时，强度足够，>1.2为不足，0.8-1.2为 临界状态。 （4）水泥混凝土路面
【交通运输】第十章 路面结 构的力学分析
10.2 路面状况调查和评价
1. 路面平整度 2. 路面抗滑性 3. 路面损坏 4. 路面结构承载能力
1、路面平整度
（1）影响行驶舒适性的因素 （2）平整度定义 （3）常用的测定方法和指标
三米直尺法； 拖平仪（拖车式平整度仪）； 激光平整度仪。 间隙量； 标准差； 国际平整度指数。 （4）评价标准
2、路面抗滑性
（1）定义
路面抗滑能力被定义为车辆制动时路面施加给车辆的、沿路表面
的阻力。其定义为： （2）测定方法
①制动距离法:
②锁轮拖车法:
fF W
SDN v2 225Ls
SN F 100 W
③偏转轮拖车法 ④摆式仪法 （3）评价标准
3、路面损坏
（1）路面损坏类 开裂类；变形类；表面损坏类；接缝损坏。
10.3 路面养护
1. 沥青路面养护 2. 水泥路面养护
1、沥青路面养护
（1）日常养护，灌缝，补坑槽，挖补龟裂，清理排水系统，清扫 保洁，绿化等
（2）雾状封层，延缓路面老化 （3）稀浆封层，采用乳化沥青、细集料和矿质填料组成的混合料
摊铺在路面上，以恢复路面的抗滑性能和行驶质量；填缝裂 缝延缓损坏或松散的进一步发展 （4）封层（表处）测定板边弯沉。当板边弯沉>0.2mm时，可判 断有脱空。
5、其他调查内容
（1）交通，包括交通量和轴载组成 （2）路基状况调查 （3）路面修建和养护历史调查
6、路面分段
•
路面评价都是按照均匀路段进行的。所以， 在进行评价之前，首先要按照交通、结构、损坏 和弯沉等指标将道路划分为均匀路段，对均匀路 段进行逐段评价。
2、水泥路面养护
（1）日常养护，填封接/裂缝，坑洞修补，接缝维修，清理排 水系统，
清扫保洁，绿化等 （2）局部修补，半厚度修补 （3）全厚度修补，同时可能会涉及基层的维修 （4）板底灌浆填封 （5）错台磨平 （6）沥青混凝土罩面 （7）水泥混凝土罩面补强
10.4 路面补强设计-1
1. 沥青路面补强设计 2. 水泥路面补强设计