Highway subgrade

Highway subgrade (or basement soil) may be defined as the supporting structure on which pavement and its special undercourses rest. In cut sections, the subgrade is the original soil lying below the special layers designed as base and subbase material. In fill sections, the subgrade is constructed over the native ground and consists of imported material form nearby roadway cuts or from borrow pits.

The cross-sectional shape of the subgrade depends on the type of surfacing, if any, which is to be used. On earth roads, the subgrade, which is also the surface course, is shaped to the standard road cross section. If the road is to be surfaced, the subgrade is graded to the same slope as the finish surfcae. If the trench method is used, the earth excavated to from a trench is pushed to the sides of the road to from retaining shoulders.

Before 1920 attention was focused largely on the pavement or other wearing course, and little notice was given to the materials that made up the subgrade or to the manner in which they were placed or compacted. Soon after that date increased vehicle speeds brought demands for higher standards of alignment and grade, which in turn meant deeper cuts and higher fills.

About the same time, the weight and number of vehicles began increasing, which imported larger and more numerous wheel loads on the roadway surface. In many instances, subsidence or even total failure of the roadway resulted. Study of such failures indicated that the fault lay in the subgrade and not in the pavement. This in turn led to the investigation of the properties of subgrade soils and of their performance under service conditions.

Soils engineers agree that the properties of a soil mixture are influenced more by moisture than by any other cause. Soils that have ample strength and supporting power under one set of moisture conditions may be entirely unsatisfactory if the percentage of moisture changes. One difficulty with soils in highway subgrades is that they are subject to such moisture changes.

Soil grains are surrounded by thin films of water. This water is attracted by the molecular charge of the soil grains and has a higher boiling point, lower freezing point, and greater cohesion than ordinary water. The first few molecular layers are almost solid and are more nearly like ice. Then as the distance from the partical increases through the double layer water its properties change and finally become those of free or gravitational water.

The force required to pull the absorbed water from mineral surface is prodigious, generally ranging from 100 ATM for the outer layers to 10，000 ATM for the closest molecular. Smaller forces are required to remove the double layer water, and the force required to move it parallel to the particle surface is much less than that to remove the water entirely. However, none of this water can be removed from the soil by pressures normally encountered in highway work.

By increasing the moisture content of a soil, its consistency can be varied from semisolid to plastic to liquid. Experience has shown that the percentage of moisture at which these changes take place can be directly correlated with the behavior of the material in service.

The density of a soil is its weight per cubic centimeter. It is some times expressed as “wetweight”, or the total weight including water. It is more commonly the “dry weight”, which is the weight of the soil particles alone, excluding the weight of the contained water. As a particular soil becomes more dense, it will contain a greater number of particles, and the (pore) volume remaining for air and water will be decreased.

The supporting power of soils increases with density. A road constructed ona given soil may be entirely satisfactory if the soil is properly compacted. On the other hand, the road may fail if the soil is insufficiently compacted, particularly if the voids become filled with water.

The soil density varies with peculiarities of the soil itself, the moisturecontent, and the compactive device and method that are used. Thus a standard weight per cubic centimeter cannot be set, but must be determined in each instance.

The influence of moisture content on the density of a soil is illustrated by compaction curve or moisture density curve.

Rollers or other com paction devices increase soil density by expelling air from the voids in the soil and by rearranging or forcing the soil grains into more intim ate contact. Water aids as a lubricant up to the optinum moisture content. In porous soils air is easily forced out, but in heavy or tight, cohesive materials much effort is required. Because of this heavy cohesive materials must be placed in thin layers. if the air is to be expelled readily.

Compactors include tamping or sheepsfoot rollers; pneumatic-tired rollers; smooth steel-wheeled rollers; segmented plate compactors; grid rollers; vibratory compactors in the form of vibrating pads, steel wheels or pneumatic tires; and finally, the hauling and spreading equipment itself. In some instances two types of compactors, such as smooth steel wheels and pncumatic tires are combined in a single unit. With most compactor types，units are available in several weights or provision is made to change the weight readily. There is a smal1 Wonder then, that compactor selection is a difficult task.

The Road to lnnovation

To drivers, road surfaces are generally either concrete or asphalt and of little interest until something happens to undermine expectations. This may be through deteriorating comfort such as a poor ride, excessive noise or potholes; reduced service when delays occur due to maintenance, or insufficient safety where the required level of friction is not available leading to a skid or even an accident. Not a11 these situations are due to short comings in the surfacing but to the user, the road has failed t

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公路路基

公路路基（或基底土）可以定义为对路面的支撑结构和一种特殊的垫层。在挖方路段，路基是设计为基层和底层材料之下的原土层。在填方区，路基是在原本的地面上，由进口材料堆积形成的，这些材料来自附近的挖方道路或从借用坑挖取。

路基的横截面形状取决于表面的类型，若有的话，就使用那一种类型。在土路，即路基，这也是表面的线路，是标准道路横断面的形状。如果，道路的表面已经确定，路基根据完成的表面进行斜率的分级。如果采用沟槽法，将从沟槽中挖掘出来的土推到道路两侧形成挡肩。

在1920年前，设计者的注意力主要集中在路面或其他磨损过程中，很少有人注意到的作为路基的材料，以及路基的放置和压实的方式。不久后，因为日益提高的车辆速度带来对高标准的线形和更高道路等级的要求，这反过来意味着路基要进行更深的挖方和更高的填方。

同时，车辆的重量和数量也开始增加，这在道路表面上施加了越来越大的车轮荷载。在许多情况下，这样导致了道路沉降甚至完全失效。对这种故障的研究表明，故障形成的原因在路基，而不是在路面。这反过来又导致了路基土性质的调查，即其在符合服务条件下所需的性能。

地质工程师认为，土壤混合物的性质受水分的影响大于其他因素。如果水分百分比发生变化，路基土在原本水分条件下用有的强度和支撑能力，可能会变为不理想的。公路路基用土的困难在于它们受到湿度变化的影响。

土壤颗粒被水膜所包围。这水是被土壤颗粒分子所带的电荷吸引，并具有较高的沸点和较低的冰点，比普通的水具有更大的凝聚力。第一的几个分子层几乎是固体，更像是冰。然后通过双电层水使粒子间的距离增大，它的性质发生变化，最后成为自由水或重力水的。

从矿物表面去除吸附水需要的拉力是很大的，一般从100 ATM的外层到10000 ATM最接近分子的层排列。需要较小的力来去除双层水，并且将其移动到粒子表面需要的力要远小于完全去除水的力。然而，在公路作业中用通常的压实方法无法将这种水从土壤中除去。

通过增加土壤水分含量，其浓度可以发生从半固态到可塑态再到液态的变化。经验表明，土壤含水率的变化与其作为工程材料的性能表现有直接的联系。

土壤的密度表示为每立方厘米的重量。它有时表现为“湿重”，或包括水的总重量。更常见的是“干重”，这是只包含土壤颗粒的重量，不包括其含有的水的重量。一定量的土壤变得更加密集，它会包含更多的颗粒，其中含有（孔隙）的空气和水的体积将减少。

土壤的强度随密度的增加而增加。建造道路用的土在被压实之后才是安全可靠的。另一方面，如果土壤没有被充分压实，道路的建造将会失败，尤其是当土壤的空隙里充满了水。

土壤的密度变化与土壤本身的水分含量，土质特点，以及压实的装置和压实方法有密切的关联。因此，每立方厘米的标准重量无法被直接设置，但必须在每个实例中确定下来。

用压实曲线或湿密度曲线说明土壤含水量对土壤密度的影响。

压路机和其他压实设备通过将空气从土壤空隙排出，或者重新排列和增加土壤颗粒之间的接触面来增加土壤密度。水就像润滑剂一样辅助其达到最佳含水量。在多孔隙土中，空气很容易被排出，但在处理重或紧的粘性材料时则需要更大的力来进行。由于这种重粘性的材料必须放置在较薄的层，使空气容易被排出。

压路机包括光碾或羊足路碾；气胎路碾；光钢碾；分割板式路碾；方格压印路碾；振动压实机具由振动板，钢轮或充气轮胎组成；最后是设备本身的牵引和伸展部分。在某些情况下，两种类型的压路机，如光钢轮和充气轮胎在一个单一的单元结合使用。对于那些常用型号的压路机，相对的单位重量或规定重量会很容易改变。对于这个小疑问，选择使用什么样的压路机是一个困难的任务。

道路改革

对驾驶者来说，路面一般都是混凝土或沥青的，他们对此很少感兴趣，直到发生了预期外的破坏。这样会通过道路平顺性差造成行车不舒适，产生过度的噪音或坑洞；由于维修使通车能力下降，或因所需的摩擦不够导致打滑出现不安全现象甚至是事故。并非所有的这些情况都会在短期内发生，但对于司机来说，这样道路的行车效果还未能达到他们预期的要求。

近年来司机在路面上的行车经历了戏剧性的变化，因为道路维护方式的改变。不管是刷毛纹理还是由热轧沥青或表面平整过的柏油路面在一段时间后会达到一定的稳定性，我们现在有一个新的、广泛的并且经常使用的专利产品应用于道路上。

严格要求

每个产品都有它自己的特殊优势，但都满足非常苛刻的安全性能、环境、价廉物美、可维护性的要求。现在对于性能方面新增加了一个特别的要求，铺设的路面必须做到除符合其他标准外还能降低噪声的影响。

从上世纪90年代开始在市民担忧事件的列表上环境问题已经占主导地位。需要产品在可用的同时提供低噪声，往往需要通过提高成本，降低生活质量或限制使用时间和使用地点这些不完善的方法来实现。对于处于困境的公路部门能提供给行业实用且有效的好处是在于价格上的一些优惠。对于公路局，广泛使用低噪声路面是我们在10年运输计划里的一个目标。要求是超过60%的干道在10年内能提供一个相对安静的路面环境。在许多时候，这将成为即使有特殊情况出现下的正常的维修计划，道路会以减少环境影响的一种手段进行铺设。以混凝土路面为例，部长们听取了来自市民的担忧，现在已经在10年计划内采取了决定，即所有具体的道路都要提供一个安静的路面环境。

正如所解释的，铺面材料在组合被广泛的应用，但全都反映了新的，负纹理概念，这样对于二次铺设的要求就是多余的。这只能通过对铺面材料的最小纹理进行精心设计，以达到能直接从摊铺机摊铺的要求。

纹理因素

重要的是要认识到纹理是保证在道路上安全地高速行驶的必不可少的因素。它提供了一种轮胎和路面之间保持接触并分散水的机制，一般在每一个轮胎上只相当于小于你手掌的面积。我认为值得思考的是法律应限制车辆行驶在湿滑路面上！不然我只能建议在轮胎与路面的设计技术上要有极大的信心。

承包商的一大好处是，在单一环节进行的工序能一次通过，还提供附加的环境效益，因为无法降低石屑撒布机在城市范围内夜间操作的噪音，是不可能赢得更多的合作的。

转而使用新的材料有相关的风险。例如，如何解决向行业提供对于突然变化的材料进行生产和铺设所需要的专业技能？同时，公共机构如何指定专有材料？如果没有进行某种形式的产品评价，公路局和其他公路部门，无法知道这些新材料是否是可行的。作为一种权宜之计来进行他们的介绍，公路局推出了一种审批方案，通过试用产品来竞争，从而赢得合同。摆脱了千篇一律的规范的约束，来自业界的反应是惊人的。产品在繁忙的道路经过两年无故障的使用将会得到推广批准。

在同一时间承包商能够节省更多的时间和金钱。然而，显而易见的是，我们需要一个更全面的审批计划。从长远来看，公路局是无法对专有材料进行详细的，并在某些方面保密的产品评价和持续监测。

该方案通过BBA已在公路部门产品验收方案（HAPAS）中取得发展。该系统已被设计为与欧洲标准完全兼容的模式，涉及生产新产品的行业和感兴趣购买的客户之间的密切合作。这项评估准则包括薄层沥青和高摩擦表面，改良沥青，裂缝密封系统，混凝土材料修补和彩色面层这些产品领域。

所有HAPAS评估的最终目的是在短期和长期使材料达到令人满意的性能。限制标准和配方规格的放宽，将鼓励和刺激生产商和承包商进行创新。最近已经被新型高摩擦堆焊认证系统充分证明了。引进它们将近40年，已经很难在冬季严寒的条件下安装传统的环氧基表面。公路部门极为关注安全问题，热涂覆材料适用于交通不是太繁忙的道路，不论交通量的使用将对其耐久性造成影响。

现在，客户可以自信地为繁忙的道路指定一个高性能材料，这样他们可以随时开展工作。毫无疑问在竞争激烈的市场中，我们会看到其他具有创新性的高性能产品。通过HAPAS，也许在第一时间，客户已经能指定产品需要达到的性能要求，并且生产方能够和愿意对此进行回应。

虽然公路局对指导方针的发展和现有审批系统的改革操作一再拖延，我很高兴地说，通过HAPAS的方案，我们可以批准薄层材料发布的第一证书。鉴于目前正在进行评估的产品约有20个，在这个趋势下，我们认为在未来几个月内选择表面材料的情况将大幅增加。

加深研究

创新将不会在这里停止。作为该机构研究计划的一部分，使建设和维护活动可进一步的持续发展。此外，在几个月的时间内，我们期待可以看到为公路工程更新而推出的规范。除了对HAPAS和质量保证的依赖日益增加，我们期望可以看到对回收的重视。在新的沥青混合料中实现沥青再利用的规划，这将鼓励最终产品性能实验进行改变。使用的材料来自石板和陶土废弃物聚合的骨料，以及一般的再生骨料。其他条款包括现有已使用的混凝土路面养护方法和利用创新的“裂纹和垫层”技术，在新的，安静的路面下铺设基层。

在道路运营商的支持下打开了市场发展的新思路，我们应该注意到，路面在未来的改进内容将不会仅仅是解决噪声带来的问题。道路的使用者将持续影响说明规范和产业改进的方向。当我们基于最小寿命成本进行道路设计时，道路的可维护性将变得更加重要。

为了达到道路使用者对道路性能的预期，除了提供一个使用寿命较长的基础结构外路面的定期更新是必不可少的。英国在这一领域是世界领先的，并且可以看到其他的设计师一辈子都在使用这种方法进行道路设计。现在，“永久性路面”的概念做为一个案例在美国正在被推广。

在未来，路面铺设是昂贵的，难以替代的，并且在施工阶段封闭较长的路段对道路使用者来说是很不方便的。在较为繁忙的道路上，做到可以在单一车道上迅速替换车道基础，最好是在一夜之间完成并将交通的中断控制在最小范围内，这将是所有道路运营商在节约成本上的金科玉律。

线形设计

道路的线形反映在平面上是由一系列直线与直线相连的圆曲线构成。在现代的设计中通常是在直线与圆曲线之间插入缓和曲线。

线形必须是连续的。应避免平缓线性到曲线的突变和长直线与曲线相连接时的突然变化；否则，将产生事故隐患。同样，将不同半径的圆曲线相连接（复合曲线）或是在两曲线之间插入短直线是不良线形，除非它们之间插入了缓和曲线。长而平缓的曲线总是可取的，因为这种曲线外观优美，且在未来不会被淘汰。然而，双车道线形全由曲线构成是不可取的，因为一些驾驶员通过曲线时总是犹豫。长而平缓的曲线应用于方向变化较小的地方，如果使用短曲线就会出现“扭结”。此外，路线的平、纵断面设计必须综合考虑，而不是单独进行。例如，平曲线的起点位于竖曲线的顶点附近会产生严重的交通事故。

在弯曲的道路上行驶的车辆受离心力的作用。这时需要一个大小相等、方向相反的由超高和侧向摩擦提供的力来抵消它。从公路设计的角度看，对于超高和侧摩阻力的要求对于某一设计车速可能采用的曲线的曲率进行了限制。通常某一圆曲线的曲率是由它的半径来决定的。然而，对于线形设计而言，曲率通常用曲度来描述，例如 100英尺（30米）长的曲线所对应的中心角。曲度与其半径成反比。

公路的直线路段设置正常的路拱；在曲线的部分设置超高。在正常断面和超高端面之间要设置过度渐变路段。常用的方法是保持道路每一条中线的设计标高不变，通过抬高外侧边缘和降低内侧边缘来形成所需的超高。先绕内侧车道旋转，达到单向横坡，接着绕中线旋转达到单向横坡，最后将外侧车道绕外边缘旋转，待达到单向横坡后，整个断面绕外侧车道边缘旋转，直至超高横坡度。为了使行车更顺畅，一条几何设计的原则提到短竖直曲线在底部有一段长度等于设计速度，这个设计速度为几英里每小时中边缘轮廓的转折点速度。

对于直线与圆曲线直接相连的线形，超高应从未达到曲线前的直线开始，在曲线顶点另一端一定距离以外达到全部超高。这里要求60%到80%的径流与切线相连。

在包含缓和曲线的线形中（见下文），除了将外边缘部分提高到水平位置，超高全部设置在缓和曲线上。因此，有时，超高使用率的设置由缓和曲线最小长度决定。

如果车辆以高速行驶在直线与小半径圆曲线相连的路段，行车是非常不舒服。当汽车驶近曲线路线时，超高开始，车辆向内侧倾斜，但乘客必须保持身体的垂直状态，因此此时没有受到离心力的作用。当车辆进入曲线路段后，离心力突然产生，迫使乘客向外倾斜。为了维持平衡，乘客必须将身体向内倾斜。由于剩余的超高生效，乘客需要进行进一步的姿势调整。车辆离开曲线时，这个过程是以相反的顺序重复的。当插入缓和曲线后，半径从无穷大过渡到圆曲线上的某一固定值，使离心力增大。沿缓和曲线设置超高，离心力平稳逐渐增加，避免了行车的颠簸。

缓和曲线在铁路上已经使用多年，但在公路上最近才得以应用。许多机构直到今天都没有使用它们。这是可以理解的。火车必须遵循精确的运行轨道，采用缓和曲线后，上述的不舒服感才能消除。另一方面，汽车司机可以随意改变他们的道路上的侧向位置，通过迂回进入圆曲线来提供缓和曲线。然而，在一个车道上（有时在其他车道上）做迂回行驶是非常危险的。设计合理的缓和曲线，去除这种不必要的迂回行驶。主要出于安全考虑，公路部门广泛采用了缓和曲线。另一个是，设置缓和曲线使路线更顺畅，在外观上看起来更流畅。

一般曲线的起点通常被标记为PC或BC，终点标记为PT或EC。对含有缓和曲线的曲线，通常的标记配置增加为：TS（直缓点），SC（缓圆点），CS（圆缓点）、ST（缓直点）。

缓和曲线的曲度通常用弯曲度来衡量，均匀地从起点开始增加。例如，如果，缓和曲线长400英尺（120m）选择插入到圆心角为4ordm;的圆曲线和直线之间，曲度根据每100英尺（30米）提高1ordm;。在TS或ST点处，即曲线开始的时候，曲线的曲度度是零，半径是无穷大的。在曲线上100英尺处，缓和曲线的半径与圆心角为1ordm;的曲线的半径相同；在200英尺，半径与圆心角为2ordm;曲线的半径相同；在400英尺，即缓和曲线的起止点处（SC或CS），既缓和曲线与圆心角为4ordm;的曲线有相同半径的点。如果增加长度直到有相同的曲度，缓和曲线将与圆曲线更加契合。因此，如果扩展到1000英尺，它的半径将等同于10ordm;曲线的半径。一个特别锐利的缓和曲线，然后，设计时缓和曲线以每100英尺为单位进行增

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