第二章路基土

1、第二章 路基土的特性及設(shè)計(jì)參數(shù)本章摘要通過路基土顆粒和性能特點(diǎn)的描述，學(xué)習(xí)路基土的分類方法和分類，掌握路基土的顆粒分布和主要工程特點(diǎn)；通過路基土濕度和溫度狀況的變化分析，學(xué)習(xí)路基濕度的來源和路基干濕類型劃分方法，掌握路基土稠度指標(biāo)和由土的基質(zhì)吸力確定的飽和度指標(biāo)的劃分方法；學(xué)習(xí)路基承載力參數(shù)指標(biāo)和測(cè)定方法、路基設(shè)計(jì)主要參數(shù)，掌握路基工作區(qū)計(jì)算方法、路基承載力指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)的意義。2.1路基土的分類及工程特性2.2路基水溫狀況及干濕類型2.3路基的力學(xué)強(qiáng)度特性2.4路基的承載能力及材料參數(shù)路基土的分類及工程特性2.1u 2.1.2路基土的工程性質(zhì)u 2.1.3路基填料的選擇u 2.1.1路基土的

2、分類u土的粒組劃分：土的分類標(biāo)準(zhǔn)公路用土一般根據(jù)土的顆粒粒徑組成、土顆粒的礦物成分或其余物質(zhì)的含量、土的塑性指標(biāo)等進(jìn)行劃分，我國我國的公路用土依據(jù)土的顆粒組成特征、土的塑性指標(biāo)和土中有機(jī)質(zhì)含量的情況土的顆粒組成特征、土的塑性指標(biāo)和土中有機(jī)質(zhì)含量的情況進(jìn)行土類劃分。2.1.1路基土的分類u土的粒組劃分：土的種類我國用土分類包括巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土四類，細(xì)分為12種。2.1.1路基土的分類u土的粒組劃分：不同粒組的劃分界限及范圍粒徑的分界線：60mm；0.075mm；2mm；0.002mm。2.1.1路基土的分類u土的粒組劃分：土顆粒級(jí)配曲線的坡度與形狀分別采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)C

3、c來表示。2.1.1路基土的分類 2306010cdCdd式中d10、d30、d60 為土的特征顆粒（mm），在土的粒徑分布曲線上，小于該粒徑的土粒質(zhì)量分別為總土質(zhì)量的10%、30%、60%。u各種土類的區(qū)分：四大類土區(qū)分的依據(jù)一般以主成分粒組進(jìn)行定義，控制主成分粒組的比例在50%以上，而特殊土則分為黃土、膨脹土、紅粘土、鹽漬土和凍土，前三者按特殊土塑性圖（圖2-4）上的位置定名，鹽漬土按含鹽百分率分類。2.1.1路基土的分類u各種土類的區(qū)分：巨粒土分類表試樣中巨粒組粗顆粒（60mm的顆粒）質(zhì)量多于總質(zhì)量15%的土稱為巨粒土，如果巨粒組土粒質(zhì)量少于或等于總質(zhì)量的15%，可扣除巨粒，按照粗粒或細(xì)

4、粒土分類。2.1.1路基土的分類u各種土類的區(qū)分：粗粒土分類表試樣中粗粒組含量大于50%的土稱為粗粒土，粗粒土分礫類土和砂類土兩種。2.1.1路基土的分類u各種土類的區(qū)分：粗粒土分類表試樣中粗粒組含量大于50%的土稱為粗粒土，粗粒土分礫類土和砂類土兩種。2.1.1路基土的分類u各種土類的區(qū)分：細(xì)粒土分類表細(xì)粒組（0.075mm的顆粒）質(zhì)量不小于總質(zhì)量50%的土稱為細(xì)粒土。細(xì)粒土按其在塑性圖（2-2）中的位置確定土的名稱。2.1.1路基土的分類u認(rèn)識(shí)清楚路基及路面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(jí)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性土是施

5、工效果最優(yōu)的路基建材黏性土是較常見、效果也較好的路基路面建材粉性土屬于不良材料，最容易引起路基病害特殊土用于路基時(shí)必須采取技術(shù)措施加以處理2.1.2路基土的工程性質(zhì)總之，土作為路基材料，砂性土最優(yōu)，黏性土次之，粉性土屬不良材料，重黏性土特別是蒙脫土也是不良的路基土。u路基填料指的是路堤施工中的填方筑路材料。u取土來源：路線縱向土石方調(diào)配土、半填半挖橫斷面上的挖方土、取土坑內(nèi)獲取的土u若無合適天然土源，如何處理？u應(yīng)選擇具有何種性質(zhì)的土作為路基填料？2.1.3路基填料的選擇強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好、壓縮性小、且運(yùn)輸便利，施工方便。2.1.3路基填料的選擇u常見的填料類型：漂石、卵石與粗粒石土石混合料礫類

6、土、砂類土粉質(zhì)土（盡量避免采用）黏質(zhì)土特殊土生活垃圾及工業(yè)廢渣在具體工程中，路基填料選擇余地不大，根據(jù)以上原則確定可能的填料后，最后決定是否可以應(yīng)用的還是通過CBR指標(biāo)值是否滿足規(guī)范要求（表2-8）。路基水溫狀況及干濕類型2.2u 2.2.2大氣溫度及其對(duì)路基水溫狀況的影響u 2.2.3路基干濕類型u 2.2.1路基濕度的來源2.2.1路基濕度的來源2.2.1路基濕度的來源u路基的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，很大程度上與路基的濕度以及大氣溫度引起的路基水溫狀況有密切關(guān)系，路基濕度來源主要有：大氣降水大氣降水通過路面、路肩邊坡和邊溝滲入路基；地面水邊溝的流水、地表經(jīng)流水因排水不良，形成積水，滲入路基；地下水路

7、基下面一定范圍內(nèi)的地下水浸入路基；毛細(xì)水路基下的地下水通過毛細(xì)管作用，上升到路基；水蒸氣凝結(jié)水在土的空隙中流動(dòng)的水蒸氣，與冷凝結(jié)成水；薄膜移動(dòng)水在土的結(jié)構(gòu)中，水以薄膜的形式從含水率較高處向較低處流動(dòng)，或由溫度較高處向凍結(jié)中心周圍流動(dòng)。2.2.2大氣溫度及其對(duì)路基水溫狀況的影響u路基濕度除了水的來源之外，另外一個(gè)重要因素是受當(dāng)?shù)卮髿鉁囟鹊挠绊憉濕度與溫度變化對(duì)路基產(chǎn)生的共同影響稱為路基的水溫狀況u沿路基深度出現(xiàn)較大的溫度梯度時(shí)，水分在溫差的影響下以液態(tài)或氣態(tài)由熱處向冷處移動(dòng)，并積聚在該處。這種現(xiàn)象（即濕度積聚現(xiàn)象）在季節(jié)性冰凍地區(qū)尤為顯著。2.2.2大氣溫度及其對(duì)路基水溫狀況的影響u地下水與溫度

8、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)象凍脹丘熱融何種路基土容易導(dǎo)致凍脹和翻漿現(xiàn)象的發(fā)生？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。2.2.2大氣溫度及其對(duì)路基水溫狀況的影響2.2.3路基干濕類型 2.2.3路基干濕類型u稠度的定義LcLp 2.2.3路基干濕類型u液性指數(shù)PLLpI2.2.3路基干濕類型u塑性指數(shù)PLPIu塑性指數(shù)反映土吸附結(jié)合水的能力；粘性大??；大致反映粘土顆粒含量土的液限、液性指數(shù)、塑限、塑性指數(shù)是評(píng)價(jià)土的粘性的主要指標(biāo) 2.2.3路基干濕類型u判別路基干濕類型的

9、方法：對(duì)于原有公路，按不利季節(jié)路槽地面以下80cm深度內(nèi)土的平均稠度確定路基的干濕類型。具體計(jì)算公式： LiiciLipi1nciicnc2.2.3路基干濕類型u路基干濕類型表： 2.2.3路基干濕類型u判別路基干濕類型的方法：對(duì)于新建道路，用路基臨界高度作為路基干濕類型的判別標(biāo)準(zhǔn)。與分界稠度相對(duì)應(yīng)的路基離地下水位或地表積水水位的高度稱為路基臨界高度H。 為了保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)路基時(shí)，要求路基保持干燥或中濕狀態(tài)，路槽底距地下水或地表積水的距離，要干燥、中濕狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的臨界高度。路基的力學(xué)強(qiáng)度特性2.3u 2.3.2路基工作區(qū)u 2.3.3路基土的受力特性u(píng) 2.3.4重復(fù)荷載對(duì)路基

10、土的影響u 2.3.1路基受力狀況2.3.1路基受力狀況 2zPKZP:一側(cè)輪軸荷載（KN）K：系數(shù)，0.5Z：圓形均布荷載中心下應(yīng)力作用點(diǎn)的深度m2.3.1路基受力狀況 BZ zBu路基土在某一深度處的垂直總應(yīng)力為：2.3.2路基工作區(qū)u路基工作區(qū)概念： 在路基某一深度Za處，當(dāng)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)力相比所占比例很小，僅為1/101/5時(shí)，該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。u該深度Za隨車輛荷載增大而增大，隨路面的強(qiáng)度和厚度的增加而減小。u對(duì)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(jìn)行計(jì)算。2.3.2路基工作區(qū)u路基工作區(qū)計(jì)算：Za：路基工作

11、區(qū)深度mP：一側(cè)輪重荷載KNK：系數(shù)0.5 ：土的重度KN/m3n： 系數(shù)，取5或103aKnPZ2.3.2路基工作區(qū)u路基工作區(qū)的要求： 路基工作區(qū)內(nèi)，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)保證路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性極為重要，對(duì)工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇、路基的壓實(shí)度應(yīng)提出較高的要求。u當(dāng)路基工作區(qū)深度路基填土高度時(shí)，行車荷載的作用不僅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土層，因此，天然地基上部土層和路堤應(yīng)同時(shí)滿足工作區(qū)的要求，均應(yīng)充分壓實(shí)。2.3.3路基土的受力特性u(píng)路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度有很大影響。路基土變形：彈性、塑性彈性變形過大，使瀝青面層或水泥混凝土面板產(chǎn)生疲勞開裂；塑性

12、變形過大，使瀝青路面產(chǎn)生車轍和縱向不平整，使水泥混凝土路面板塊斷裂。在路面結(jié)構(gòu)總變形中，路基土的變形約占70%95%提高路基土的抗變形能力是提高路基路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的重要措施。2.3.3路基土的受力特性1、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)。模量：初始切線模型切線模量割線模量回彈模量2.3.3路基土的受力特性u(píng)路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度有很大影響。試驗(yàn)：壓入承載板和三軸壓縮試驗(yàn)。壓入承載板試驗(yàn)是研究路基土應(yīng)力-應(yīng)變特性最常用的方法。以一定尺寸的剛性承載板置于路基頂面，逐級(jí)加荷卸荷，記錄施加于承載板上的荷載及由該荷載所引起的沉降

13、變形。通過承載板試驗(yàn)，得出路基頂面壓應(yīng)力與回彈變形的關(guān)系。2.3.3路基土的受力特性2.3.4重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響u路基土承受著車輪荷載的多次重復(fù)作用。u每次荷載作用后，回彈變形即時(shí)消失，塑性變形不能消失，殘留在路基土之中，導(dǎo)致塑性變形不斷積累，總變形量逐漸增大。u塑性變形的積累導(dǎo)致：土體逐漸壓密，土顆粒之間進(jìn)一步靠攏直至達(dá)到穩(wěn)定逐步發(fā)展的剪切變形，引起土體整體發(fā)生剪切破壞2.3.4重復(fù)荷載對(duì)路基土的影響u土基在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生塑性累積變形，最終導(dǎo)致何種狀況，主要取決于：土的性質(zhì)（類型）和狀態(tài)（含水率、密實(shí)度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)）重復(fù)荷載的大?。阂灾貜?fù)荷載同一次靜載下達(dá)到的極限強(qiáng)度之比來表示稱為相對(duì)

14、荷載。荷載的性質(zhì)：重復(fù)荷載的施加速度、每次作用的時(shí)間及重復(fù)作用的頻率。路基的承載能力和材料參數(shù)2.4u 2.4.2路基材料參數(shù)u 2.4.1路基的承載力參數(shù)2.4.1路基的承載力參數(shù)u路基作為路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它抵抗車輪荷載能力的大小，主要取決于路基頂面在一定應(yīng)力級(jí)位下抵抗變形的能力，即路基承載力都采用一定應(yīng)力級(jí)位下的抗變形能力來表征；u具體表征路基承載力的參數(shù)指標(biāo)有：路基回彈模量路基反應(yīng)模量加州承載比（CBR）2.4.1路基的承載力參數(shù)路基回彈模量：反應(yīng)土基在瞬時(shí)荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)，即彈性性質(zhì)，因而可以用彈性理論公式描述荷載與變形之間的關(guān)系通常以圓形承載板壓入土基的方法測(cè)定回彈模量承載

15、板可分為：柔性壓板和剛性壓板，其中剛性壓板使用較多承載板的直徑通常采用標(biāo)準(zhǔn)車輛輪印當(dāng)量圓直徑。通過承載板的撓度反算回彈模量2.4.1路基的承載力參數(shù)路基回彈模量：荷載-回彈彎沉曲線的繪制：采用逐級(jí)加載-卸載法，每級(jí)增加0.05MPa，待卸載穩(wěn)定1min后讀取回彈彎沉值，再加下一級(jí)荷載。回彈彎沉超過1mm時(shí)，則停止加載。根據(jù)荷載-回彈彎沉曲線計(jì)算回彈模量：20012iipaElE0：路基的回彈模量MPa0：泊松比pi、li :各級(jí)荷載的單位壓力MPa和對(duì)應(yīng)的實(shí)際回彈彎沉ma: 承載板半徑m2.4.1路基的承載力參數(shù)路基反應(yīng)模量：路基模型：溫克勒地基（彈簧地基）溫克勒地基假定：土基頂面任何一點(diǎn)的彎

16、沉僅與作用于該點(diǎn)的垂直壓力p成正比，而與其相鄰點(diǎn)的壓力無關(guān)。反應(yīng)模量即單位壓力p（MPa）與彎沉l（m）之比pKl用溫克勒路基模型描述路基工作狀態(tài)時(shí)，用路基反應(yīng)模量表征路基的承載力。又稱稠密液體又稱稠密液體地基地基2.4.1路基的承載力參數(shù)路基反應(yīng)模量：路基反應(yīng)模量的測(cè)定方法：承載板加載試驗(yàn)，一次加載到位。承載板的直徑為76cm。當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，用0.127cm的彎沉量控制承載板的荷載；當(dāng)?shù)鼗^為堅(jiān)實(shí)時(shí)，彎沉難以達(dá)到0.127cm，則用p=70kpa控制承載板的荷載。承載板的直徑與k的關(guān)系采用D=30cm的承載板時(shí)， 應(yīng)進(jìn)行修正2.4.1路基的承載力參數(shù)加州承載比：概念： 以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石為標(biāo)準(zhǔn)，以它們的相對(duì)比值表示CBR值。試驗(yàn)方法： 用一個(gè)端部面積為19.35cm2的標(biāo)準(zhǔn)壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中，記錄每貫入0.254cm時(shí)的單位壓力，直至壓入深度達(dá)到1.27cm為止。標(biāo)準(zhǔn)壓力值：由高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石由試驗(yàn)求得。2.4.