路基土的特性及设计参数演讲版（PPT页).ppt

路基路面工程 PavementEngineering 第二章 路基土的特性及设计参数 主要内容 第一节路基土的分类及工程特性第二节路基水温状况及干湿类型第三节路基的力学强度特性第四节路基的承载能力及材料参数 第一节路基土的分类及工程特性 核心内容路基土的分类路基土的工程性质路基填料的选择 土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物 搬运 沉积 风化 岩石 地球 形成过程形成条件 物理 力学性质 影响 第一节路基土的分类及工程特性 我国公路用土分类包括巨粒土 粗粒土 细粒土和特殊土四类 计12种 1 路基土的分类 1 路基土的分类 不同粒组的划分界限及范围其中 以60mm作为粗粒组与巨粒组的分界 以0 075mm作为细粒组与粗粒组的分界 2mm是粗粒组中的砾与砂粒的区分界限 0 002mm是粘粒与粉粒的区分界限 土的基本代号 1 路基土的分类 不均匀系数Cu和曲率系数Cc 1 路基土的分类 1 巨粒土 1 路基土的分类 巨粒土 1 路基土的分类 2 粗粒土试样中巨粒组质量少于或等于15 且巨粒组颗粒与粗粒组颗粒含量之和大于50 的土称为粗粒土 粗粒土分砾类土和砂类土二种 砾粒组 2mm 60mm的颗粒 质量 砂粒组质量的土称为砾类土 砾粒组 2mm 60mm的颗粒 质量 砂粒组质量的土称为砂类土 1 路基土的分类 3 细粒土细粒组 小于0 075mm的颗粒 质量不小于总质量50 的土总称为细粒土 细粒土应按其在塑性图 低液限wL 50 高液限wL 50 中的位置确定土名称 1 路基土的分类 细粒土塑性图 1 路基土的分类 3 细粒土 1 路基土的分类 特殊土塑性图 特殊土包括黄土 膨胀土 红黏土 盐渍土和冻土 黄土 膨胀土和红黏土按特殊土塑性图定名 黄土 低液限黏土 CLY 分布范围大部分在A线以上 且wL50 红黏土 高液限粉土 MHR 分布范围大部分在A线以下 且wL 55 盐渍土分类表 冻土分类表 认识清楚路基及路面底基层用土的工程性质 则可根据不同的土类采取不同的工程技术措施 级配良好的砾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 砂类土是施工效果最优的路基建材 粘质土是较常见 效果也较好的路基路面建材 粉质土属于不良材料 最容易引起路基病害 特殊土用于路基时必须采取技术措施加以处理 2 路基土的工程性质 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 填料选择要求路基填料应选择强度高 水稳性好 压缩性小 且运输便利 施工方便的天然土源 路基填料选择依据的指标是CBR值 表2 8 公路工程中常见的填料类型 漂石 卵石 巨粒土 与粗砾石 土石混合料 砾类土 砂类土 3 路基填料的选择 节尾 第三节路基的力学强度特性 核心内容路基土的受力分析路基工作区路基土的受力特性重复荷载对路基土的影响 路基自重应力 路基任意点 1 路基受力分析 1 均布荷载2 集中荷载 车轮荷载应力 3 层状体系理论求解均布荷载的应力进行计算更加准确 在路基某一深度Za处 当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比大于等于0 1时对应的深度 该深度Za范围内的路基称为路基工作区 概念 该深度Za随车辆荷载增大而增大 随路面的强度和厚度的增加而减小 工作区内 强度 稳定性重要 压实度提高 讨论工作区 对模量不同的路面结构 应将路面折算为与路基同一性质的整体后 再进行计算 要求 2 路基工作区 subgradeworkzone 建议 由于简化公式误差很大 建议采用层弹性体系程序计算荷载应力 面层 基层 路基结构 上路床 下路床 上路堤 下路堤 上基层 底基层 上面层 中面层 下面层 30cm 50cm 90cm 70cm 70 80cm 路基工作区 1 基本概念 路面结构 路床 路堤 路基设施 路基 材料 结构 必要的功能层 2 路基工作区 subgradeworkzone 2 路基工作区 subgradeworkzone 路基工作区深度公路设计标准车 黄河JN150 后轴重100KN 压力0 707MPa 路基工作区计算算例 路基工作区计算分析ppt 22 3 路基土的受力特性 1 路基土的非线性特性路基土的应力 应变关系除了非线性特性之外 还表现出弹塑性性质 3 路基土的受力特性 2 路基土应力 应变状态测定 模量 路基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线 a 柔性承载板 b 刚性承载板 3 路基土的受力特性 2 路基土应力 应变状态测定 模量承载板试验曲线 3 路基土的受力特性 2 路基土应力 应变状态评定 模量 1 初始切线模量 应力值为零时的应力 应变曲线的正切 如图 代表加荷开始时路基土的应力 应变关系 2 切线模量 某一应力级位处应力 应变曲线的斜率 如图 反映路基土在该级位应力 应变变化的精确关系 3 割线模量 以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率 如图 反映该应力范围内的应力 应变关系的平均情况 4 回弹模量 应力卸除阶段应力 应变曲线的割线模量 如图 反映路基土在回弹变形范围内的应力 应变关系的平均情况 3 路基土的受力特性 3 路基土的流变性质Rheologicalproperty路基土的变形随时间变化的关系 路基土在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关 而且还与荷载作用的持续时间有关 是一种具有流变性质的材料 4 重复荷载对路基土的影响 随着作用次数的增加 产生塑性变形的积累 总变形量逐渐增大 由此路面设计规定了路基顶面压应变 节尾 第三节路基的水温状况与干湿类型 核心内容路基湿度的来源大气湿度及其对路基水温状况的影响路基干湿类型路基土的基质吸力与饱和度 1 路基湿度的来源 1 路基水的来源 路基水的来源示意图 1 路基湿度的状况 1 路基水的来源原始土具有自然含水率 路基水的主要来源有 大气降水 地面水 地下水 毛细上升水 水蒸汽凝结水 薄膜移动水 2 大气温度及其对路基水温状况的影响 1 路基水温状况及其变化路基水温状况是湿度与温度变化对路基产生的共同影响 地下水与温度共同作用造成路基湿度的变化 最典型的是路基冻胀与翻浆现象 冻胀丘Pingo 热融thaw 路基冻胀 2 大气温度及其对路基水温状况的影响 温度造成路基体的膨胀与收缩 甚至引起路基的冻胀 温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割 温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂 路面开裂 2 路基水温状况变化相应的措施 3 路基土的基质吸力与饱和度 1 采用基质吸力指标的原因JTGD30 2004采用平均稠度指标作为路基湿度评价指标 虽然综合了土的塑性特性 包含了液限与塑限 也能反映土的软硬程度 原因 对于塑性指数为零或接近于零的土组 土的平均稠度不能全面反映路基土的工作状态 JTGD30 2015用路基工作区和地下水位确定湿度 3 路基土的基质吸力与饱和度 路基湿度设计状态 路基实际的设计状态 平衡湿度状况 与回弹模量室内试验条件不完全一致 因此 路基湿度设计状态 回弹模量室内试验条件湿度 标准状态 平衡湿度状态下的路基回弹模量 标准条件下的模量 湿度调整系数 TMI 1 采用基质吸力指标的原因 3 路基土的基质吸力与饱和度 2 重力含水率 w 体积含水率 w 和饱和度 S Gs和 d一定时 三者均能有效表征路基湿度状况 湿度变化导致土体体积变化 w不变而S和 w发生变化 S和 w表征路基湿度实际情况 故均可采用 因S直观 采用饱和度S作为路基湿度的评价指标 三者关系式 3 路基土的基质吸力与饱和度 3 土的基质吸力饱和土的孔隙中不但充填有水 而且还有空气 水 气分界面 收缩膜 具有表面张力 在非饱和土中 孔隙气压力ua与孔隙水压力uw不相等 并且孔隙气压力大于孔隙水压力 基质吸力为孔隙气压力ua与孔隙水压力uw之差 基质吸力通常是描述非饱和土的力学性质的重要参数 水土特征曲线即基质吸力与土壤含水率的关系的曲线是描述基质吸力的重要指标 3 路基土的基质吸力与饱和度 基于非饱和土力学中土 水特性曲线理论预估路基湿度 4 土的基质吸力与饱和度之间关系 如何确定基质吸力 3 路基土的基质吸力与饱和度 5 基质吸力影响因素 路基相对高度大于1 2m时 路基土基质吸力主要与气候指标相关 包括平均相对湿度 降雨天数和湿度指数TMI 3 路基土的基质吸力与饱和度 建立TMI wPI基质吸力hm kPa 预估曲线和预估模型 参数标定 地下水位控制的基质吸力预估模型气候因素控制的基质吸力预估模型 6 基质吸力计算方法 3 路基土的基质吸力与饱和度 基质吸力预估模型回归参数 与wPI有关 节尾 2 路基工作区 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基工作区示意图 路基的平衡湿度状况路基平衡湿度状况分为三种 干燥 中湿 潮湿路基平衡湿度状况确定方法潮湿类路基的路基工作区均处于地下水毛细润湿影响范围内 路基平衡湿度由地下水或地表长期积水的水位升降所控制 中湿类路基的路基工作区湿度兼受地下水和气候因素影响 即地下水位较高 路基工作区被地下水毛细润湿面分为上 下两部分 下部受地下水毛细润湿的影响 上部则受气候因素影响 干燥类路基的路基工作区处于地下水毛细润湿面之上 路基平衡湿度完全由气候因素所控制 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基设计时依据毛细水上升高度 h0 路基工作区相互关系确定湿度状况类型 路基干湿类型判别步骤 1 调查地下水位高程 确定地下水位到地面的距离hw 2 确定毛细水的上升高度h0 3 计算确定路基工作区深度Za 4 判别毛细湿润面在路基工作区的位置 高 低 内部 毛细水上升高度由海森公式预估 h0 毛细水上升高度 m e 土的空隙比 d10 土的有效粒径 C 系数 一般取1 10 5 5 10 5 m2 毛细水上升高度 可采用推荐值 也可采用调查值 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 5 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 毛细水上升高度 潮湿类湿度推荐表 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基平衡湿度时的饱和度潮湿类路基直接根据地下水位高度确定 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基平衡湿度时的饱和度干燥类路基根据TMI确定 由区划确定TMI 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基平衡湿度时的饱和度干燥类路基根据TMI确定 由TMI确定饱和度 4 路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法 路基平衡湿度时的饱和度中湿类路基 由干燥和潮湿分别确定再加权先确定路基工作区上部和下部分别确定其平衡湿度再以厚度加权平均计算路基的平衡湿度 1 地下水毛细润湿面以上的路基工作区上部 按路基土组类别和TMI值确定其平衡湿度 2 地下水毛细润湿面以下的路基工作区下部 则按路基土组类别和距地下水位的距离确定其平衡湿度 节尾 第四节路基的抗变形能力及材料参数 核心内容路基的抗变形能力参数路基材料参数 一 路基的抗变形能力参数 1 路基回弹模量resilientmodulusofsubgrade回弹模量能较好地反映路基所具有的部分弹性性质 可以用回弹模量表示路基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质 我国公路水泥混凝土路面 沥青路面设计方法都以回弹模量E作为路基的刚度指标 一 路基的抗变形能力参数 1 路基回弹模量测定时宜采用逐级加载 卸载法 直径30 0cm的板 每一级荷载经过加载和卸载 取得稳定的回弹弯沉之后 再加下一级荷载 如此施加n级荷载后 即可点绘出荷载 弯沉曲线 在多数情况下 试验曲线呈非线性 在确定模量时 可以根据路基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上取值 路面设计中 按1mm线性归纳法来确定路基的回弹模量 路基回弹模量计算算例 一 路基的抗变形能力参数 2 路基土动态回弹模量标准试验方法路基土动态回弹模量是施加于试件的重复应力峰值与试件相应方向回弹应变峰值之比 动态加载10Hz对最大粒径大于19mm的路基土与粒料 应筛除大于26 5mm的颗粒 采用振动或冲击压实成型 试件尺寸应符合直径150mm 2mm 高300mm 2mm的要求 对最大粒径不超过9 5mm 且0 075mm号筛通过百分率小于10 的路基土 应采用振动压实成型 试件尺寸应符合直径100mm 2mm 高200mm 2mm的要求 对最大粒径不超过9 5mm 且0 075mm号筛通过百分率不小于10 的路基土 应采用冲击或静压压实成型 试件尺寸应符合直径100mm 2mm 高200mm 2mm的要求 一 路基的抗变形能力参数 2 路基土动态回弹模量标准试验方法应力幅值确定应变幅值确定动态回弹模量 一 路基的抗变形能力参数 3 路基反应模量ModulusofSubgradeReaction文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒 Winkler 1876年提出的 其基本假定是地基上任一点的弯沉仅与作用于该点压力p成正比 而与相邻点处压力无关 直径76cm的刚性板测定 当路基较软弱时 取l 0 127cm时相对应的压力p计算路基反应模量 当路基较为坚硬时 取单位压力p 0 07MPa时相对应的弯沉值l计算路基反应模量 一 路基的抗变形能力参数 4 加州承载比CBR CaliforniaBearingRatio 加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法 承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征 并采用标准碎石的承载能力为标准 以相对值的百分数表示CBR值 一 路基的抗变形能力参数 4 加州承载比 常用路基土的CBR值 一 路基的抗变形能力参数 5 加州承载比 路基土的CBR要求值 大于等于 二 路基材料参数 1 路基的设计参数的确定我国在测定路基回弹模量时 常采用直径30 0cm的刚性承载板用加载 卸载的试验方法 试验通常在不利时期进行 并取有84 1 概率的回弹模量值作为路基回弹模量的计算值 规范给出我国路基回弹模量设计参数选用建议值 路基回弹模量与CBR的关系一直是世界各国在路基土研究中比较关心的内容 根据试验给出了国内外部分路基回弹模量与CBR的关系 设计是可以根据实际参考选用 可以参考 二 路基材料参数 2 路基回弹模量设计参数E0的取值新建公路新建公路路基回弹模量设计值E0可由标准状态下的路基回弹模量MR通过湿度调整系数和模量折减系数确定 10Hz 二 路基材料参数 3 标准状态下路基回弹模量设计参数MR的取值标准状态下路基回弹模量值MR应综合考虑公路等级和设计阶段 根据路床深度范围内路基土 或粒料 的回弹模量 按下列方法确定 路基土及粒料的回弹模量应根据路基结构应力水平 采用重复加载三轴压缩试验方法 10Hz 通过试验获得 当受试验条件限制时 可按土组类别或粒料类型由表2 16和表2 17查取回弹模量参考值 初步设计阶段 也可由路基土或粒料的CBR 值估算标准状态下路基土或粒料的回弹模量值 二 路基材料参数 3 标准状态下路基回弹模量设计参数MR的取值新建公路 表2 17 二 路基材料参数 3 标准状态下路基回弹模量设计参数MR的取值新建公路 表2 18Ks的确定新建公路路基可根据路基相对高度 路基土组类别及毛细水上升高度 确定路基干湿类型 预估路基结构平衡湿度潮湿类 Ks可参照表2 19查取 干燥类 Ks可参照表2 20查取 中湿类 Ks以路基工作区上 下部的厚度加权得到 二 路基材料参数 3 标准状态下路基回弹模量设计参数MR的取值 二 路基材料参数 4 路堤填土的强度参数的c 值实验要求 路基填土的强度参数c 值 可采用直剪快剪或三轴不排水剪试验获得 不同工况下试样制备要求见表2 17 当路基填料为粗粒土或填石料时 应采用大型三轴试验仪或大型直剪试验仪进行试验 地基土的强度参数c 值 宜采用直剪固结快剪或三轴固结不排水剪试验获得 分析高路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性时 应结合场地条件 选择控制性层面的土层试验获得强度参数c 值 可采用直剪快剪或三轴不固结不排水剪试验 当存在地下水影响时 应采用饱水试件进行试验 三轴不排水示意图 三轴固结不排水示意图 二 路基材料参数 5 路堤填土的强度参数的c 值试样要求 二 路基材料参数 6 岩体边坡的强度参数的c 建议值 节尾 小组讨论 1 路及工作区计算时荷载应力有两种计算方法 用简化布辛尼斯克公式进行计算 用层状体系计算软件计算 请结合习题8和9讨论荷载大小 不同路面结构工作区深度的影响 应力计算方法对工作区深度的影响 2 请讨论路基顶面综合模量E和路基反映模量K的意义和在路面设