《路基工程》第三章

第3章自然因素的影响本章内容：1 公路的自然区划；2 路基路面在自然因素影响下温度、湿度变化规律；3 路基湿度、路面温度预估。

本章要求：1 了解公路自然区划及筑路特点；2 了解自然因素对路基路面的影响；3 掌握预估路基湿度、路面温度的方法。

一条公路绵延百里、千里，道路穿过的地区自然因素（气候、地形、地貌、水文）变化很大。

自然因素长期作用会引起道路非交通破坏，其中自然因素中，温度和湿度是最主要的，它会引起路基路面材料形状发生变化，从而引起道路损坏，因此必须解决自然因素如何影响路基路面。

3.1 公路的自然区划我国地域广大，不同地理位置自然条件相差很大（南方湿热、北方干冷、东部雨水充沛、西部降雨稀少）为了区分不同地理位置、自然条件对公路工程的影响的差异，以及在设计、施工、养护采取合适的参数和技术措施，确保路基路面的强度和稳定性。

3.1.1区划的原则和分级1）区划的原则为区分自然区域的筑路特征，经过长期的研究，制定了《公路自然区划标准JTJ003-86》，其原则：⑴道路工程特征相似性的原则在同一区域内，在同样的自然条件下筑路具有相似性。

例如：北方的不利季节主要是春融时期，有翻浆病害。

南方不利季节在雨季，有冲刷水毁等病害。

⑵地表气候区划差异性的原则地表气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。

地带性差异：地表气候随当地纬度而变。

如北冷、南暖。

非地带性差异：纬度相同的地区，地表高程变化引起地表气候的变化。

如青藏高原比东部沿海地区寒冷的多。

⑶自然因素中既有综合又有主导作用的原则自然气候的变化是各种因素综合作用的结果，但其中有某种因素起主导作用。

例如：道路冻害是水和温度综合作用的结果，南方有水无冷不会有冻害，徐州有水有负温会产生冻害，说明温度起主导作用；西北干旱区与东北潮湿区同样有负温，但前者的冻害轻于后者，说明水起主导作用。

2）分级我国公路自然区划分为三个等级。

⑴一级区划——按大范围地理地貌差异划分全国为7个一级自然区，见图3-1。

划分的标志：①全年均温-2︒C等值线，一月份0︒C均温等值线；② 1000m、3000m两条等高线；③黄土高原的筑路特殊性。

I 区——北部多年冻土区；II 区——东部温润季冻区；III 区——黄土高原干湿过度区；IV 区——东南湿热区；V 区——西南潮暖区；VI 区——西北干旱区；VII 区——青藏高寒区。

⑵二级区划——在一级区划的基础上划分全国为52个二级区（33个二级区、19个副区），划分的主要指标：①潮湿系数 K=年降雨量R/年蒸发量Z，按潮湿系数K的大小分为6级，见表3-1。

②地貌、气候特征、自然病害因素。

表3-1 二级区划干湿类型表3-2 公路自然区划名称图3-1 全国公路自然区划图3.1.2 自然区划筑路的特点I区——北部多年冻土区（东北北部）该区北部冬季温度极低，分布多年冻土，冻胀、雪灾严重。

路基设计以保护冻土为原则，宁填勿挖，路面结构设计采用保温设计。

林区道路地表湿度大，应采取换土、稳定土、砂垫层处理。

II区——东部温润季冻区（东北东南部、华北、华东北部沿海区）该区内筑路的主要矛盾是冬季冻胀，春季翻浆，夏秋水毁。

路基路面采用隔温排水措施防冻胀和翻浆。

路基采用稳定土做防冻层。

III区——黄土高原干湿过度区（陕西、山西、宁夏）该区内广泛分布黄土，主要问题是粉质大孔性黄土遇水湿陷，因此路基排水应良好，路面结构应选用不透水面层或加上层封闭。

同时还应注意边坡稳定。

IV区——东南湿热区（华东沿海地区、苏南、上海、浙江、福建、广东、广西、湖南）该区内春季雨水充沛，沿海有台风、暴雨，区内水网密布，稻田多，夏季气温高。

区内筑路应加强路基排水，处理好软土地基，沥青路面要考虑沥青的热稳定性和不透水性。

V——西南潮暖区该区为东南湿热区向青藏高寒区的过渡区，该区雨期长，土基湿软，山区岩溶分布，地质构造运动强烈，筑路时重点是保证路基整体稳定性。

VI——西北干旱区该区气候干旱，高山区有风雪流、砂漠区有风蚀砂埋灾害，筑路难度大，要采取防风雪、防风砂。

VII——青藏高寒区该区地处高寒，气候寒冷，分布多年冻土和冰川且地质构造活动强烈，雪灾、滑坡、泥石流严重，筑路时保证路基整体稳定是主要矛盾。

沥青路面由于紫外线照射强烈、温差大易老化，因此应采取抗老化措施。

3.2 路面温度状况3.2.1路面温度状况路面温度发生变化后路面结构的力学性质也会发生变化，沥青路面温度增高会变软，抗剪强度降低，水泥混凝土路面温度发生变化时产生温度梯度从而产生温度应力，因此要研究路面温度是如何变化的。

路面直接与大气接触与大气进行热交换，大气温度一日之内、一年之内发生周期性变化，路面温度也随大气在一日和一年内发生周期性变化。

1）沥青面层温度变化情况图3-2是沥青面层温度日变化曲线，图3-2表明路面温度周期性变化和气温变化几乎同步，路面最高温度较气温高，夏日高出气温23︒C。

路面内不同深度的温度也随气温周期性变化，变化的幅度随深度增加而减小，峰值随深度增加越来越出现滞后现象。

图3-5是沥青面层月平均温度的年变化曲线，图3-5表明沥青面层月平均温度也随气温周期性变化，最高7月，最低1月。

2）水泥混凝土面层温度变化情况图3-3是水泥混凝土面层不同深度温度随气温变化情况，图3-3表明水泥混凝土面层不同深度温度随气温周期性变化，温度沿深度呈曲线形分布。

图3-4是水泥混凝土面层温度梯度日变化曲线，图3-4表明水泥混凝土面层顶底面温度梯度一日之内也随气温周期性变化，变化规律为夏季晴天早8：00点温度梯度为0、午后13：00~14:00正温差最大、凌晨3：00~4：00副温差最大。

温度发生变化对沥青路面来说，温度升高变软、温度降低变脆，设计时根据气温情况选择沥青牌号，要验算沥青面层在夏季高温条件下的抗剪强度。

温度发生变化对水泥混凝土面层来说，温度升高降低会发生伸缩产生应力，温度梯度变化也会产生温度应力，前者可通过构造伸缩缝解决，后者要进行验算。

3.2.2温度状况的预估路面的温度状况由外部热源（气温和太阳辐射）和内部吸热、传热特性（路面结构层的热特性——导热系数λ、比热容C 、辐射吸收率b ）所决定，见图3-6。

通过当地气象资料和路面结构的热特性参数建立联系方法——理论法和统计法预估。

1）理论法假设路面温度水平均匀分布，路面温度场用一维导热方程表示：τλρ∂∂⋅=∂∂T c ZT 22（3-1）式中 T —路面温度场，︒C ； Z —离开路表面的深度，m ； τ—时间，s ；ρ—路面材料的密度，Kg/m 3； c —路面材料的比热容，J/Kg ⋅k ； λ—路面材料导热系数， W/m ⋅k 。

应用不同的边界条件和方法求解上述偏微分方程可得到路面温度场的解析式或不同时刻、不同深度的温度值。

最著名的是巴伯公式，巴伯认为路面结构为均质半无限体，用有效温度代表路表面的温度效应（气温、太阳辐射、有效辐射（路面辐射的热量）），并认为它是随时间呈周期性变化。

分析解得路面最高温度T max (也可以求出路面任意一点的温度)：)35.0()(22max R t CC H H R t T R A +++++= （3-2）式中 T max -路表面最高温度，︒C ； t A -日均气温，︒C ；R -日均气温达到平均有效温度的增量，︒C ； C -路面材料综合热特性参数；图3-6 路面吸收与反射的辐射情况示意图t R -日气温差，︒C ； b -太阳辐射吸收率，%； Q-太阳日辐射量，J ； h c -对流换热系数，W/m 2⋅K ；巴伯公式计算的准确性取决于气象资料统计的准确性和路面材料的热特性参数的选取。

2）统计法通过测温（路面不同深度，不同时刻的温度），收集气象资料，两者建立统计关系，采用回归得到预估路面温度的经验公式。

测温采用埋设测温传感器进行年循环不同时刻温度测量，收集气温、太阳辐射等气象资料。

⑴沥青路面温度无锡观测站提出的预估沥青路面最高温度的经验公式：T max =0.9003t max +0.7141Q +0.2725t A +2.436 （3-3）式中 T max —沥青混凝土路面日最高温度，︒C ； t max —日最高气温，︒C ； Q —太阳日辐射总量，MJ/m 2⋅d ； t A —日平均气温，︒C 。

⑵水泥混凝土路面温度梯度上海、重庆、广州、北京观测站回归的水泥混凝土路面（厚22cm ）最大温度梯度经验公式：T /max =0.02675Q C +0.00348t R +0.086 （3-4）式中 T /max —水泥混凝土路面最大温度梯度，︒C/cm ； Q C —日照为12小时的太阳日辐射总量，MJ/m 2⋅d ； t R —日气温差，︒C 。

理论法和统计法相比，前者复杂，后者简便，准确性前者取决于参数选择，λπρλ8640036002467.0cC h H h bQ R cc ==⨯=后者取决于条件相似程度。

实用上采用查表确定，表3-3和表3-4为水泥混凝土路面最大温度梯度建议值。

表3-3 水泥混凝土路面最大温度梯度建议值低值。

2、适用于面层厚度为22cm ；不符合者按表3-4乘以αk 修正。

表3-4 不同面层厚度时的最大温度梯度修正系数3.3 路基湿度状况3.3.1湿度的来源和变迁外界因素的变化会使路基湿度发生变化，图3-7表明湿度的来源主要有： 1）大气降水和蒸发降水后水渗入路基内增加路基的湿度，蒸发从路基内把水分变成气体逸出降低路基的湿度。

2）地面水路基附近地面水（沟渠、地面积水）通过渗透或毛细作用进入路基内增加路基的湿度。

3）地下水路堑上部地下滞水下渗或地下水的毛细作用都会增加路基的湿度。

4）温度路基内不同深度温差会使水分以液或态气态由热处向冷处迁移和积聚，这样也会使路基湿度发生变化。

上述四种因素对路基湿度的影响程度同自然条件和道路结构特性有关，经过2、3年的反复作用最后达到湿度平衡，即平衡湿度。

平衡湿度：道路建成后，路基上部中心附近湿度稳定后的值叫平衡湿度。

图3-7 路基的湿度来源3.3.2路基的干湿类型路基设计时，路基的承载能力（抗压强度、CBR 、弹性模量）与路基湿度有关，不同的湿度条件路基承载能力大小值不同。

为了设计和施工的方便，根据路基不同湿度代表量划分为若干等级，不同等级范围划分为不同干湿类型，每一干湿类型的土有不同强度代表值。

选用不利条件下易测定的路基土的相对含水量和稠度作为划分路基土干湿类型的代表值。

路基土干湿类型判定指标为：不利季节路槽底面以下80cm 深度内的平均相对含水量W x 和稠度w c 。

PL PL L c y x I W W W W W W w W W W -=--==（3-4）式中 W x —平均相对含水量；⎺W —路槽底面以下80cm 深度内土层的算术平均含水量； W y —76g 平衡锥所测土的液限； W L —100g 平衡锥所测土的液限； W P —土的塑限。