C3自然因素的影響課件

第三章InfluenceofNaturalFactors自然因素的影響1路基和路面結(jié)構(gòu)外露在地表，直接感受到自然因素（地質(zhì)、水文、氣候、地形、地貌）的影響。這些自然因素主要是溫度和濕度。它將引起路基土和路面材料的性狀發(fā)生變化，還會(huì)造成非交通性損壞（如剝落、滑坡、凍脹、縮裂、老化等）。因此，在路基路面設(shè)計(jì)時(shí)要考慮自然因素的影響。

路基土和路面材料的強(qiáng)度和剛度隨路面體系內(nèi)溫度和濕度的升高而減少。路基土和路面材料的體積隨路面體系內(nèi)溫度和濕度的升降而脹縮。由于溫度和濕度沿路基路面體系深度呈不均勻分布，不同深度處的脹縮變化也是不相同的。這種不均勻脹縮變形受到各種因素的約束而不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生附加的內(nèi)應(yīng)力（溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力）。

3.1公路自然區(qū)劃

我國(guó)地大物博，各地的自然條件差別很大，為了區(qū)分不同地理區(qū)域自然條件對(duì)公路工程影響的差異性，對(duì)全國(guó)進(jìn)行公路自然區(qū)劃，并在路基路面的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)中采取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)措施，以保證路基路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。一、區(qū)劃的原則：以自然氣候因素的綜合性和主導(dǎo)性相結(jié)合為原則，使在同一區(qū)內(nèi)的筑路特點(diǎn)相似。2二、區(qū)劃的分級(jí)：分為三個(gè)等級(jí)一級(jí)區(qū)劃：按大范圍內(nèi)的氣候、地理、地貌的差異劃分，將全國(guó)分為7個(gè)一級(jí)自然區(qū)。二級(jí)區(qū)劃：在一級(jí)區(qū)劃的基礎(chǔ)上，以潮濕系數(shù)K為主要指標(biāo).

潮濕系數(shù)K為年降水量與蒸發(fā)量的比值.按K可分為過(guò)濕、中濕、潤(rùn)濕、潤(rùn)干、中干、過(guò)干等6級(jí),以2.0,1.5,1.0,0.5,0.25分界。考慮氣候特征、地貌、自然病害等,考慮氣候特征、地貌、自然病害等,將全國(guó)分為33個(gè)二級(jí)區(qū)及19個(gè)副區(qū),共52個(gè)二級(jí)自然區(qū)。三、各自然區(qū)的筑路特點(diǎn)：Ⅰ區(qū)：北部多年凍土區(qū).Ⅰ1

連續(xù)多年凍土區(qū),Ⅰ2島狀多年凍土區(qū).Ⅱ區(qū)：東部溫潤(rùn)季凍區(qū).5個(gè)主區(qū),5個(gè)副區(qū).Ⅲ區(qū)：黃土高原干濕過(guò)渡區(qū).4個(gè)主區(qū),2個(gè)副區(qū).Ⅳ區(qū)：東南濕熱區(qū).7個(gè)主區(qū),5個(gè)副區(qū).Ⅴ區(qū)：西南潮暖區(qū).5個(gè)主區(qū),3個(gè)副區(qū).Ⅵ區(qū)：西北干旱區(qū).4個(gè)主區(qū),3個(gè)副區(qū).Ⅶ區(qū)：青藏高寒區(qū).6個(gè)主區(qū),1個(gè)副區(qū).3二、影響路面溫度的因素:

路面材料的物理性能參數(shù)2、內(nèi)部因素:輻射熱的吸收能力b(%),熱傳導(dǎo)率λ(cul/s),熱容量S(T/㎏℃).路面材料的物理性能見(jiàn)下表.1、外部因素:太陽(yáng)輻射能,氣溫,風(fēng),雨,蒸發(fā)等.材料名稱(chēng)輻射吸收率b導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/mK)比熱容c(J/㎏·K)瀝青混凝土0.85-0.951.21-3.10835-920水泥混凝土0.60-0.650.92-3.48835-1050三、路面溫度的預(yù)測(cè)方法:1、理論法:美國(guó)Barber從溫度場(chǎng)概念來(lái)描述,設(shè)路面在水平方向?yàn)榫?1)沿深度方向溫度均可用一維熱傳導(dǎo)方程來(lái)表示.52)邊界條件:①路面結(jié)構(gòu)為均質(zhì)半無(wú)限體②用有效溫度代替路表溫度③有效溫度te隨時(shí)間呈正弦周期性變化.

tM為平均有效溫度,tV為有效溫度振幅

tA為日平均氣溫,tR為日氣溫差(℃)C為路面材料熱物理性能綜合參數(shù)，H為對(duì)流換熱系數(shù)與面層材料導(dǎo)熱系數(shù)比值

V為平均風(fēng)速R為溫度增量,Q為太陽(yáng)輻射日總量

由這些條件可解出:

求路面最高溫度時(shí),以z=0,sin函數(shù)為1計(jì),則62.統(tǒng)計(jì)法:由實(shí)測(cè)(在不同深度處埋設(shè)測(cè)溫元件)→回歸分析→回歸方程無(wú)錫(AC路面):上海(AC路面):綜合上海、重慶、廣州、北京等地水泥混凝土路面統(tǒng)一回歸后,得水泥混凝土(22cm厚)最大溫度梯度.按均質(zhì)半無(wú)限體假設(shè),由路表熱平衡和傳熱學(xué)原理也可推得二元回歸:一元回歸:(相關(guān)系數(shù)r=0.845,標(biāo)準(zhǔn)離差別s=0.103℃/㎝)理論公式此理論公式與二元回歸經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果非常相近.7四、全國(guó)溫度區(qū)域劃分:

由全國(guó)56個(gè)氣象觀測(cè)站資料,水泥混凝土路面(面層厚度為22㎝)設(shè)計(jì)時(shí)T′max建議值,見(jiàn)下表:自然區(qū)劃ⅡⅢⅣⅤⅥⅦT′max(℃/㎝)0.83-0.880.90-0.950.86-0.920.83-0.880.86-0.920.93-0.98

夏季、氣溫高時(shí)取大值,海拔高、空氣濕度大時(shí)取高值.

對(duì)其它厚度面層取值可考慮面層修正系數(shù)αh,路面越薄,修正系數(shù)越高.面層厚cm141618202224262830323436αh1.231.171.111.051.000.940.890.840.790.750.710.678北方季節(jié)性冰凍地區(qū)，路基在凍結(jié)時(shí)，土中未凍的水分會(huì)向凍結(jié)線(xiàn)（冰凍線(xiàn)）附近積聚，春暖花開(kāi)時(shí)，由于路面導(dǎo)熱性大，使路基上中部的土先溶解，水分無(wú)法排除，而呈過(guò)濕狀態(tài)，隨著土中水分排除和蒸發(fā)，路基濕度才會(huì)下降。粉性土比砂性土毛細(xì)作用更強(qiáng)，滲透性又好，容易積聚水分。對(duì)不透水路面，會(huì)減少降水和蒸發(fā)對(duì)路基濕度的影響。對(duì)于透水路面，上層路基的濕度狀況將受到降水和蒸發(fā)的影響，季節(jié)性變化大。二、路基的干濕類(lèi)型：1、類(lèi)型：干燥、中濕、潮濕、過(guò)濕四種。當(dāng)然干燥、中濕為較理想路基。2、判定標(biāo)準(zhǔn)：1）不利季節(jié)路槽底面以下80cm內(nèi)的土層“平均相對(duì)含水量”Wλ2）不利季節(jié)路槽底面以下80cm內(nèi)的土層“平均稠度”Wc（見(jiàn)P32表3-6，3-7）為含水量平均值，Wy為76g錐液限WL為土的塑限，WP為100g錐所測(cè)的液限10三、濕度狀況預(yù)估—經(jīng)驗(yàn)法1.按所屬自然區(qū)劃和路基干濕類(lèi)型預(yù)估。見(jiàn)P36例題2.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查預(yù)估法1）將路分段；2）每段上取幾個(gè)斷面測(cè)定含水量；3）畫(huà)出相對(duì)含水量斷面圖3.類(lèi)比法：在同一范圍內(nèi)有類(lèi)似的現(xiàn)有道路路段（已有濕度資料或?qū)崪y(cè)濕度）還要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，讓保證率達(dá)到90-95%或95%左右。四、季節(jié)性冰凍地區(qū)濕度狀況及其工程意義1、負(fù)濕度梯度：由于自由表面能下降，使水分向上遷移，為達(dá)到平衡，引起凍脹和水分積聚2、工程問(wèn)題：1）凍脹引起開(kāi)裂；2）春融引起路基性能降低（此時(shí)孔隙水壓力很大）3）泥漿上滲，引起翻漿、冒泥。3、