路基土的特性及設(shè)計參數(shù)

路基路面工程 PavementEngineering 第二章 路基土的特性及設(shè)計參數(shù) 主要內(nèi)容 第一節(jié)路基土的分類及工程特性第二節(jié)路基水溫狀況及干濕類型第三節(jié)路基的力學強度特性第四節(jié)路基的承載能力及材料參數(shù) 第一節(jié)路基土的分類及工程特性 核心內(nèi)容路基土的分類路基土的工程性質(zhì)路基填料的選擇 土是巖石經(jīng)過風化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物 搬運 沉積 風化 巖石 地球 形成過程形成條件 物理 力學性質(zhì) 影響 第一節(jié)路基土的分類及工程特性 我國公路用土分類包括巨粒土 粗粒土 細粒土和特殊土四類 計12種 1 路基土的分類 1 路基土的分類 不同粒組的劃分界限及范圍其中 以60mm作為粗粒組與巨粒組的分界 以0 075mm作為細粒組與粗粒組的分界 2mm是粗粒組中的礫與砂粒的區(qū)分界限 0 002mm是粘粒與粉粒的區(qū)分界限 土的基本代號 1 路基土的分類 不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc 1 路基土的分類 1 巨粒土 1 路基土的分類 巨粒土 1 路基土的分類 2 粗粒土試樣中巨粒組質(zhì)量少于或等于15 且巨粒組顆粒與粗粒組顆粒含量之和大于50 的土稱為粗粒土 粗粒土分礫類土和砂類土二種 礫粒組 2mm 60mm的顆粒 質(zhì)量 砂粒組質(zhì)量的土稱為礫類土 礫粒組 2mm 60mm的顆粒 質(zhì)量 砂粒組質(zhì)量的土稱為砂類土 1 路基土的分類 3 細粒土細粒組 小于0 075mm的顆粒 質(zhì)量不小于總質(zhì)量50 的土總稱為細粒土 細粒土應(yīng)按其在塑性圖 低液限wL 50 高液限wL 50 中的位置確定土名稱 1 路基土的分類 細粒土塑性圖 1 路基土的分類 3 細粒土 1 路基土的分類 特殊土塑性圖 特殊土包括黃土 膨脹土 紅黏土 鹽漬土和凍土 黃土 膨脹土和紅黏土按特殊土塑性圖定名 黃土 低液限黏土 CLY 分布范圍大部分在A線以上 且wL50 紅黏土 高液限粉土 MHR 分布范圍大部分在A線以下 且wL 55 鹽漬土分類表 凍土分類表 認識清楚路基及路面底基層用土的工程性質(zhì) 則可根據(jù)不同的土類采取不同的工程技術(shù)措施 級配良好的礫石混合料是良好的路基路面材料 巨粒土是良好的路基材料 砂類土是施工效果最優(yōu)的路基建材 粘質(zhì)土是較常見 效果也較好的路基路面建材 粉質(zhì)土屬于不良材料 最容易引起路基病害 特殊土用于路基時必須采取技術(shù)措施加以處理 2 路基土的工程性質(zhì) 路基填料路基填料是路堤施工中符合要求的填方筑路材料 填料選擇要求路基填料應(yīng)選擇強度高 水穩(wěn)性好 壓縮性小 且運輸便利 施工方便的天然土源 路基填料選擇依據(jù)的指標是CBR值 表2 8 公路工程中常見的填料類型 漂石 卵石 巨粒土 與粗礫石 土石混合料 礫類土 砂類土 3 路基填料的選擇 節(jié)尾 第三節(jié)路基的力學強度特性 核心內(nèi)容路基土的受力分析路基工作區(qū)路基土的受力特性重復荷載對路基土的影響 路基自重應(yīng)力 路基任意點 1 路基受力分析 1 均布荷載2 集中荷載 車輪荷載應(yīng)力 3 層狀體系理論求解均布荷載的應(yīng)力進行計算更加準確 在路基某一深度Za處 當車輪荷載引起的垂直應(yīng)力與路基土自重引起的垂直應(yīng)力相比大于等于0 1時對應(yīng)的深度 該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū) 概念 該深度Za隨車輛荷載增大而增大 隨路面的強度和厚度的增加而減小 工作區(qū)內(nèi) 強度 穩(wěn)定性重要 壓實度提高 討論工作區(qū) 對模量不同的路面結(jié)構(gòu) 應(yīng)將路面折算為與路基同一性質(zhì)的整體后 再進行計算 要求 2 路基工作區(qū) subgradeworkzone 建議 由于簡化公式誤差很大 建議采用層彈性體系程序計算荷載應(yīng)力 面層 基層 路基結(jié)構(gòu) 上路床 下路床 上路堤 下路堤 上基層 底基層 上面層 中面層 下面層 30cm 50cm 90cm 70cm 70 80cm 路基工作區(qū) 1 基本概念 路面結(jié)構(gòu) 路床 路堤 路基設(shè)施 路基 材料 結(jié)構(gòu) 必要的功能層 2 路基工作區(qū) subgradeworkzone 2 路基工作區(qū) subgradeworkzone 路基工作區(qū)深度公路設(shè)計標準車 黃河JN150 后軸重100KN 壓力0 707MPa 路基工作區(qū)計算算例 路基工作區(qū)計算分析ppt 22 3 路基土的受力特性 1 路基土的非線性特性路基土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系除了非線性特性之外 還表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì) 3 路基土的受力特性 2 路基土應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài)測定 模量 路基在圓形承載板下的壓力與撓度分布曲線 a 柔性承載板 b 剛性承載板 3 路基土的受力特性 2 路基土應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài)測定 模量承載板試驗曲線 3 路基土的受力特性 2 路基土應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài)評定 模量 1 初始切線模量 應(yīng)力值為零時的應(yīng)力 應(yīng)變曲線的正切 如圖 代表加荷開始時路基土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 2 切線模量 某一應(yīng)力級位處應(yīng)力 應(yīng)變曲線的斜率 如圖 反映路基土在該級位應(yīng)力 應(yīng)變變化的精確關(guān)系 3 割線模量 以某一應(yīng)力值對應(yīng)的曲線上的點同起始點相連的割線的斜率 如圖 反映該應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系的平均情況 4 回彈模量 應(yīng)力卸除階段應(yīng)力 應(yīng)變曲線的割線模量 如圖 反映路基土在回彈變形范圍內(nèi)的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系的平均情況 3 路基土的受力特性 3 路基土的流變性質(zhì)Rheologicalproperty路基土的變形隨時間變化的關(guān)系 路基土在荷載作用下的變形不僅與荷載大小有關(guān) 而且還與荷載作用的持續(xù)時間有關(guān) 是一種具有流變性質(zhì)的材料 4 重復荷載對路基土的影響 隨著作用次數(shù)的增加 產(chǎn)生塑性變形的積累 總變形量逐漸增大 由此路面設(shè)計規(guī)定了路基頂面壓應(yīng)變 節(jié)尾 第三節(jié)路基的水溫狀況與干濕類型 核心內(nèi)容路基濕度的來源大氣濕度及其對路基水溫狀況的影響路基干濕類型路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 1 路基濕度的來源 1 路基水的來源 路基水的來源示意圖 1 路基濕度的狀況 1 路基水的來源原始土具有自然含水率 路基水的主要來源有 大氣降水 地面水 地下水 毛細上升水 水蒸汽凝結(jié)水 薄膜移動水 2 大氣溫度及其對路基水溫狀況的影響 1 路基水溫狀況及其變化路基水溫狀況是濕度與溫度變化對路基產(chǎn)生的共同影響 地下水與溫度共同作用造成路基濕度的變化 最典型的是路基凍脹與翻漿現(xiàn)象 凍脹丘Pingo 熱融thaw 路基凍脹 2 大氣溫度及其對路基水溫狀況的影響 溫度造成路基體的膨脹與收縮 甚至引起路基的凍脹 溫度造成水泥砼路面的溫度應(yīng)力及條塊分割 溫度造成瀝青混凝土路面的塑性變形累積及低溫開裂 路面開裂 2 路基水溫狀況變化相應(yīng)的措施 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 1 采用基質(zhì)吸力指標的原因JTGD30 2004采用平均稠度指標作為路基濕度評價指標 雖然綜合了土的塑性特性 包含了液限與塑限 也能反映土的軟硬程度 原因 對于塑性指數(shù)為零或接近于零的土組 土的平均稠度不能全面反映路基土的工作狀態(tài) JTGD30 2015用路基工作區(qū)和地下水位確定濕度 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 路基濕度設(shè)計狀態(tài) 路基實際的設(shè)計狀態(tài) 平衡濕度狀況 與回彈模量室內(nèi)試驗條件不完全一致 因此 路基濕度設(shè)計狀態(tài) 回彈模量室內(nèi)試驗條件濕度 標準狀態(tài) 平衡濕度狀態(tài)下的路基回彈模量 標準條件下的模量 濕度調(diào)整系數(shù) TMI 1 采用基質(zhì)吸力指標的原因 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 2 重力含水率 w 體積含水率 w 和飽和度 S Gs和 d一定時 三者均能有效表征路基濕度狀況 濕度變化導致土體體積變化 w不變而S和 w發(fā)生變化 S和 w表征路基濕度實際情況 故均可采用 因S直觀 采用飽和度S作為路基濕度的評價指標 三者關(guān)系式 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 3 土的基質(zhì)吸力飽和土的孔隙中不但充填有水 而且還有空氣 水 氣分界面 收縮膜 具有表面張力 在非飽和土中 孔隙氣壓力ua與孔隙水壓力uw不相等 并且孔隙氣壓力大于孔隙水壓力 基質(zhì)吸力為孔隙氣壓力ua與孔隙水壓力uw之差 基質(zhì)吸力通常是描述非飽和土的力學性質(zhì)的重要參數(shù) 水土特征曲線即基質(zhì)吸力與土壤含水率的關(guān)系的曲線是描述基質(zhì)吸力的重要指標 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 基于非飽和土力學中土 水特性曲線理論預估路基濕度 4 土的基質(zhì)吸力與飽和度之間關(guān)系 如何確定基質(zhì)吸力 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 5 基質(zhì)吸力影響因素 路基相對高度大于1 2m時 路基土基質(zhì)吸力主要與氣候指標相關(guān) 包括平均相對濕度 降雨天數(shù)和濕度指數(shù)TMI 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 建立TMI wPI基質(zhì)吸力hm kPa 預估曲線和預估模型 參數(shù)標定 地下水位控制的基質(zhì)吸力預估模型氣候因素控制的基質(zhì)吸力預估模型 6 基質(zhì)吸力計算方法 3 路基土的基質(zhì)吸力與飽和度 基質(zhì)吸力預估模型回歸參數(shù) 與wPI有關(guān) 節(jié)尾 2 路基工作區(qū) 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基工作區(qū)示意圖 路基的平衡濕度狀況路基平衡濕度狀況分為三種 干燥 中濕 潮濕路基平衡濕度狀況確定方法潮濕類路基的路基工作區(qū)均處于地下水毛細潤濕影響范圍內(nèi) 路基平衡濕度由地下水或地表長期積水的水位升降所控制 中濕類路基的路基工作區(qū)濕度兼受地下水和氣候因素影響 即地下水位較高 路基工作區(qū)被地下水毛細潤濕面分為上 下兩部分 下部受地下水毛細潤濕的影響 上部則受氣候因素影響 干燥類路基的路基工作區(qū)處于地下水毛細潤濕面之上 路基平衡濕度完全由氣候因素所控制 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基設(shè)計時依據(jù)毛細水上升高度 h0 路基工作區(qū)相互關(guān)系確定濕度狀況類型 路基干濕類型判別步驟 1 調(diào)查地下水位高程 確定地下水位到地面的距離hw 2 確定毛細水的上升高度h0 3 計算確定路基工作區(qū)深度Za 4 判別毛細濕潤面在路基工作區(qū)的位置 高 低 內(nèi)部 毛細水上升高度由海森公式預估 h0 毛細水上升高度 m e 土的空隙比 d10 土的有效粒徑 C 系數(shù) 一般取1 10 5 5 10 5 m2 毛細水上升高度 可采用推薦值 也可采用調(diào)查值 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 5 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 毛細水上升高度 潮濕類濕度推薦表 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基平衡濕度時的飽和度潮濕類路基直接根據(jù)地下水位高度確定 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基平衡濕度時的飽和度干燥類路基根據(jù)TMI確定 由區(qū)劃確定TMI 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基平衡濕度時的飽和度干燥類路基根據(jù)TMI確定 由TMI確定飽和度 4 路基平衡濕度狀況和路基平衡濕度預估方法 路基平衡濕度時的飽和度中濕類路基 由干燥和潮濕分別確定再加權(quán)先確定路基工作區(qū)上部和下部分別確定其平衡濕度再以厚度加權(quán)平均計算路基的平衡濕度 1 地下水毛細潤濕面以上的路基工作區(qū)上部 按路基土組類別和TMI值確定其平衡濕度 2 地下水毛細潤濕面以下的路基工作區(qū)下部 則按路基土組類別和距地下水位的距離確定其平衡濕度 節(jié)尾 第四節(jié)路基的抗變形能力及材料參數(shù) 核心內(nèi)容路基的抗變形能力參數(shù)路基材料參數(shù) 一 路基的抗變形能力參數(shù) 1 路基回彈模量resilientmodulusofsubgrade回彈模量能較好地反映路基所具有的部分彈性性質(zhì) 可以用回彈模量表示路基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質(zhì) 我國公路水泥混凝土路面 瀝青路面設(shè)計方法都以回彈模量E作為路基的剛度指標 一 路基的抗變形能力參數(shù) 1 路基回彈模量測定時宜采用逐級加載 卸載法 直徑30 0cm的板 每一級荷載經(jīng)過加載和卸載 取得穩(wěn)定的回彈彎沉之后 再加下一級荷載 如此施加n級荷載后 即可點繪出荷載 彎沉曲線 在多數(shù)情況下 試驗曲線呈非線性 在確定模量時 可以根據(jù)路基實際受的壓力范圍或可能產(chǎn)生的彎沉范圍在曲線上取值 路面設(shè)計中 按1mm線性歸納法來確定路基的回彈模量 路基回彈模量計算算例 一 路基的抗變形能力參數(shù) 2 路基土動態(tài)回彈模量標準試驗方法路基土動態(tài)回彈模量是施加于試件的重復應(yīng)力峰值與試件相應(yīng)方向回彈應(yīng)變峰值之比 動態(tài)加載10Hz對最大粒徑大于19mm的路基土與粒料 應(yīng)篩除大于26 5mm的顆粒 采用振動或沖擊壓實成型 試件尺寸應(yīng)符合直徑150mm 2mm 高300mm 2mm的要求 對最大粒徑不超過9 5mm 且0 075mm號篩通過百分率小于10 的路基土 應(yīng)采用振動壓實成型 試件尺寸應(yīng)符合直徑100mm 2mm 高200mm 2mm的要求 對最大粒徑不超過9 5mm 且0 075mm號篩通過百分率不小于10 的路基土 應(yīng)采用沖擊或靜壓壓實成型 試件尺寸應(yīng)符合直徑100mm 2mm 高200mm 2mm的要求 一 路基的抗變形能力參數(shù) 2 路基土動態(tài)回彈模量標準試驗方法應(yīng)力幅值確定應(yīng)變幅值確定動態(tài)回彈模量 一 路基的抗變形能力參數(shù) 3 路基反應(yīng)模量ModulusofSubgradeReaction文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程師文克勒 Winkler 1876年提出的 其基本假定是地基上任一點的彎沉僅與作用于該點壓力p成正比 而與相鄰點處壓力無關(guān) 直徑76cm的剛性板測定 當路基較軟弱時 取l 0 127cm時相對應(yīng)的壓力p計算路基反應(yīng)模量 當路基較為堅硬時 取單位壓力p 0 07MPa時相對應(yīng)的彎沉值l計算路基反應(yīng)模量 一 路基的抗變形能力參數(shù) 4 加州承載比CBR CaliforniaBearingRatio 加州承載比CBR是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法 承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征 并采用標準碎石的承載能力為標準 以相對值的百分數(shù)表示CBR值 一 路基的抗變形能力參數(shù) 4 加州承載比 常用路基土的CBR值 一 路基的抗變形能力參數(shù) 5 加州承載比 路基土的CBR要求值 大于等于 二 路基材料參數(shù) 1 路基的設(shè)計參數(shù)的確定我國在測定路基回彈模量時 常采用直徑30 0cm的剛性承載板用加載 卸載的試驗方法 試驗通常在不利時期進行 并取有84 1 概率的回彈模量值作為路基回彈模量的計算值 規(guī)范給出我國路基回彈模量設(shè)計參數(shù)選用建議值 路基回彈模量與CBR的關(guān)系一直是世界各國在路基土研究中比較關(guān)心的內(nèi)容 根據(jù)試驗給出了國內(nèi)外部分路基回彈模量與CBR的關(guān)系 設(shè)計是可以根據(jù)實際參考選用 可以參考 二 路基材料參數(shù) 2 路基回彈模量設(shè)計參數(shù)E0的取值新建公路新建公路路基回彈模量設(shè)計值E0可由標準狀態(tài)下的路基回彈模量MR通過濕度調(diào)整系數(shù)和模量折減系數(shù)確定 10Hz 二 路基材料參數(shù) 3 標準狀態(tài)下路基回彈模量設(shè)計參數(shù)MR的取值標準狀態(tài)下路基回彈模量值MR應(yīng)綜合考慮公路等級和設(shè)計階段 根據(jù)路床深度范圍內(nèi)路基土 或粒料 的回彈模量 按下列方法確定 路基土及粒料的回彈模量應(yīng)根據(jù)路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平 采用重復加載三軸壓縮試驗方法 10Hz 通過試驗獲得 當受試驗條件限制時 可按土組類別或粒料類型由表2 16和表2 17查取回彈模量參考值 初步設(shè)計階段 也可由路基土或粒料的CBR 值估算標準狀態(tài)下路基土或粒料的回彈模量值 二 路基材料參數(shù) 3 標準狀態(tài)下路基回彈模量設(shè)計參數(shù)MR的取值新建公路 表2 17 二 路基材料參數(shù) 3 標準狀態(tài)下路基回彈模量設(shè)計參數(shù)MR的取值新建公路 表2 18Ks的確定新建公路路基可根據(jù)路基相對高度 路基土組類別及毛細水上升高度 確定路基干濕類型 預估路基結(jié)構(gòu)平衡濕度潮濕類 Ks可參照表2 19查取 干燥類 Ks可參照表2 20查取 中濕類 Ks以路基工作區(qū)上 下部的厚度加權(quán)得到 二 路基材料參數(shù) 3 標準狀態(tài)下路基回彈模量設(shè)計參數(shù)MR的取值 二 路基材料參數(shù) 4 路堤填土的強度參數(shù)的c 值實驗要求 路基填土的強度參數(shù)c 值 可采用直剪快剪或三軸不排水剪試驗獲得 不同工況下試樣制備要求見表2 17 當路基填料為粗粒土或填石料時 應(yīng)采用大型三軸試驗儀或大型直剪試驗儀進行試驗 地基土的強度參數(shù)c 值 宜采用直剪固結(jié)快剪或三軸固結(jié)不排水剪試驗獲得 分析高路堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動的穩(wěn)定性時 應(yīng)結(jié)合場地條件 選擇控制性層面的土層試驗獲得強度參數(shù)c 值 可采用直剪快剪或三軸不固結(jié)不排水剪試驗 當存在地下水影響時 應(yīng)采用飽水試件進行試驗 三軸不排水示意圖 三軸固結(jié)不排水示意圖 二 路基材料參數(shù) 5 路堤填土的強度參數(shù)的c 值試樣要求 二 路基材料參數(shù) 6 巖體邊坡的強度參數(shù)的c 建議值 節(jié)尾 小組討論 1 路及工作區(qū)計算時荷載應(yīng)力有兩種計算方法 用簡化布辛尼斯克公式進行計算 用層狀體系計算軟件計算 請結(jié)合習題8和9討論荷載大小 不同路面結(jié)構(gòu)工作區(qū)深度的影響 應(yīng)力計算方法對工作區(qū)深度的影響 2 請討論路基頂面綜合模量E和路基反映模量K的意義和在路面設(shè)