第四章-路基材料特性.ppt

第四章路基材料特性 第一节土的工程分类第二节土基的变形特性第三节土基的强度指标第四节土基的干湿类型第五节土基压实第六节土基的稳定与处理 第一节土的工程分类 一美国统一土壤分类法统一土壤分类法首先将土分为粗粒径土 细粒径土和高有机质土三大类 如下表所示 统一土壤分类法最终将土壤分为15类 各类土的符号及简要说明如下 GW 级配良好的砾石 砾石 砂混合物 很少或没有细料 GP 级配不好的砾石 砾石 砂混合物 很少或没有细料 GM 粉土质砾石 砾石 砂 粉土混合物 GC 黏土质砾石 砾石 砂 黏土混合物 SW 级配良好的砂和含砾砂 很少或没有细料 SP 级配不好的砂和含砾砂 很少或没有细料 SM 粉土质砂 砂 粉土混合物 SC 黏土质砂 砂 黏土混合物 ML 无机粉土 极细沙 石粉 粉土质或黏土质细砂 MLO 有机质低液限粉土 CL 低液限黏土 含砂黏土 贫黏土 CLO 有机质低液限黏土 MH 高液限粉土 含云母或硅藻的细砂或粉土 塑性粉土 MHO 有机质高液限粉土 CH 高液限黏土 CHO 有机质高液限黏土 Pt 泥炭 泥污或其他高有机质土 对于粉土和黏土的鉴别 则通过液限和塑限试验 按下图的塑性图区分 土中A线为区分黏土和粉质或有机质黏土的分界线 液限50 这条线是区分高塑性土和低塑性土的分界线 液限和塑限是通过40号筛 0 42mm 的部分图样试验的 二我国公路路基土的分类1 首先按土的粒径分为巨粒土 粗粒土 细粒土和特殊土四个大组 其划分如下表 2 对于中粗粒土和细粒土 根据土的粒度成分 土的塑性指数及液限进一步划分 各类土组的颗粒组成以小于2mm的作为100 计 定名时应根据粒径分组由大到小 最先符合者定名 塑性指数和液限按100g锥重联合试验测定 粒组划分表上述土中 砂性土是修筑土基最好的材料 黏性土次之 粉性土是不良材料 最容易引起路面结构的病害 重黏土 特别是蒙脱土 是不良的土基用土 土基遇到不良土质时 最好是挖除并换填质量好的土料 如受条件限制而没有挖除时 必须采取相应措施给予防护和加强 以保证土基的强度和稳定性 第二节土基的变形特性 一土基的非线性变形特性 土基在受力时的非线性变形特性是由土的非线性性质决定的 室内三轴试验表面 土的应力 应变曲线一般没有直线段 应力消失后恢复不到原先的形状 这是因为土在受力后 三相结构改变了原来的状态 作为土的骨架的矿物颗粒发生了相对移动 而这种移动引起的变形 有一部分属于不可恢复的残余变形 由此说明 土除了具有非线性变形性质外 还有塑性变形性质 对土的应力 应变关系曲线进行线性处理的最简单的办法是切线法和割线法 即将土的应力 应变关系曲线上某点的切线斜率或某一范围的割线斜率作为土基的模量 从而确定的模量有以下几种 1 初始切线模量 应力值为零时的应力 应变曲线的斜率 如图中的 所示 2 切线模量 某一应力级位处应力 应变曲线的斜率 如图中的 所示 反映该级应力处应力一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 如图中 所示 反映土基在工作应力范围内的应力一应变的平均状态 4 回弹模量 应力卸除阶段 应力 应变曲线的割线模量 如图中 所示 前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变在内的总应变 而回弹模量取值时已扣除残余应变后的回弹应变 因此在以弹性力学为理论分析基础的路面设计方法中 往往将土的回弹模量视为土的弹性模量 并且作为路面设计中的一项重要计算参数 二土基的流变性质与土的流变性有关的现象是土的蠕变与应力松弛蠕变 指在应力状态不变条件下 应变随时间逐渐增长的现象 应力松弛 维持应变不变 材料内应力随时间逐渐减小的现象 三重复荷载下土基变形特性土基在荷载的重复作用下产生的变形累计 最终可导致两种不同的情况 是土体逐渐压密 土的颗粒之间进一步靠拢 但是不会产生引起土体整体破坏的剪切面 土基被压实而稳定 是荷载的重复作用造成土体的剪切变形不断发展 形成整体破坏的剪切面 最后达到破坏阶段 土基失去支撑荷载的能力 在安全相对荷载重复作用下 土基的累计总变形与荷载作用次数之间在对数坐标上呈直线关系 以公式表示为 四土基的荷载 弯沉关系压入承载板试验是以一定尺寸的圆形承载板置于土基表面 逐级加荷 记录施加在承载板上的荷载及由该荷载所引起的土基沉陷变形 根据试验结果即可得出土基顶面荷载与弯沉关系曲线 这种曲线具有同土的应力 应变关系曲线相似的特点 一般也呈曲线形状 卸载后仍保留部分残余变形 第三节土基的强度指标 一土基回弹模量以回弹模量表征土基的承载能力 可以反映土基在瞬间荷载作用下的可恢复变形性质 因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系 以回弹模量作为表征土基承载能力的参数 可以在弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用 柔性承载板与刚性承载板用柔性压板测定回模量 土基与压板之间的接触压力为常量 如图a所示 即 承载板的挠度l r 与坐标r有关 在压板中心处 r 0 即 在柔性承载板边缘处 r a 其挠度为 用刚性承载板测定土基回弹模量 压板下土基顶面的挠度为等值 不随坐标r而变化 但是板底接触压力则随r值的变化 成鞍形分布 如图b所示 其挠度l值与接触压力p r 值可分别按下式计算 在实际测定中 刚性承载板用得较多 因为它的挠度易于测量 压力容易控制 试验时宜采用逐级加载卸载法 每级增加0 04MPa 待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值 再加下一级荷载 回弹变形值超过1mm时 则停止加载 如此 即可点绘出荷载一回弹弯沉曲线 如下图所示 二地基反应模量用温克勒地基模型描述土基工作状态时 用地基反应模量表征土基的承载能力 温克勒地基的假定 土基顶面任意一点的弯沉l 仅同作用于该点的垂直压力p成正比 而同其它相邻点处的压力无关 符合这一假定的地基如同由许多各不相连的弹簧所组成 如下图所示 压力p与弯沉l之比称为地基反应模量k 即 地基反应模量k值用承载板试验确定 承载板的直径规定为76cm 测定方法与回弹模量测定方法相类似 但是采取一次加载到位的方法 施加荷载的量值根据不同的工程对象 有两种方法供选用 注意 当采用30cm直径承载板进行试验时 测得的k值按下式进行修正 地基反应模量应在现场测得 由于受季节限制 其值还应按下式进行修正 以模拟地基最不利状态 三加州承载比CBR加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标 承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征 并采用高质量标准碎石为标准 以它们的相对比值表示CBR值 试验时 用一个端部面积为19 35cm2的标准压头 以0 127cm min的速度压入土中 记录每贯入0 254cm时的单位压力 直至压入深度达到1 27cm时为止 标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得 其值如下表所示 CBR试验分室内测试及现场测试两种 室内用CBR试验装置如下图所示 室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件 在加载前要浸水4d CBR值还可以直接在野外测定 试验方法基本上与室内试验相同 但其压入试验直接在土基表面进行 野外试验所得的CBR值有时与室内试验值不一致 这与试验时两者的侧向限制条件不完全相同有关 这对粗颗粒材料影响大一些 对于黏性土只要含水率和密实度相同 试验结果是一样的 应该注意的是室内试验时试件是饱水的 而野外试验时土基是处于施工时的湿度状态 因此 应对含水率的差别进行修正 才能建立两者的关系 四土基各强度指标之间的关系 回弹模量与反应模量的关系 回弹模量与加州承载比的关系 反应模量与加州承载比的关系 第四节土基的干湿类型 一路基湿度的来源 大气降水 地面水 毛细水 水蒸气凝结水 地下水 薄膜移动水 二路基干湿类型路基的潮湿状况以干湿类型分为干燥 中湿 潮湿和过湿四类 划分标准为分界相对含水率w1 w2 w3 土基的干湿类型也可参考土的平均稠度Bm作为区划依据 土的平均稠度按下式计算 1 Bm 1 0 即半固体与硬塑状的分界值 2 Bm 0 为流塑与流动状的分界值 3 0 Bm 1 0 土处于可塑状态 路基潮湿状况主要是气候因素和地下水位相对高度两个方面的控制 按照地下水对路基湿度的影响程度 也即路床顶面的设计高程与最高地下水位之间的距离 可将路基湿度状况划分为以下三类 1 干燥类 2 中湿类 3 潮湿类路基湿度状况类型划分标准如下 潮湿类 H Hw Ht H0 即路床完全处于毛细水影响范围内 干燥类 H Hw Ht H0 80 即路床完全不受毛细水影响范围内 中湿类 介于两者之间 即路床下面受毛细水 上部受气候因素共同影响 评价路基湿度指标主要有平均稠度 重力含水率 饱和度 和体积含水率 我国采用平均稠度作为路基湿度评价指标 稠度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 但是对于塑性指数为零或接近与零的土组 土的平均稠度不能全面反映路基土的工作状态 而且也不直观 国际上很少采用稠度指标作为衡量路基土的湿度 不便于国际交流 因而需要对稠度指标进行替换 土的毛细性 指土中水在表面张力作用下 沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象 毛细水上升的最大高度与毛细管的直径成反比 不同类型的土由于其颗粒组成的差异 形成的毛细孔径也有较大差别 其上升高度可用海森公式估算 美国现行气候区域划分采用TMI湿度指数 三用基质吸力划分路基干湿类型的新方法基质吸力 非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 孔隙气压力与孔隙水压力不相等 并且孔隙气压力大于孔隙水压力 收缩膜承受着大于水压力的空气压力 这个压力差值称为基质吸力 土水势 势能由物体的相对位置及内部状态所决定 是制约土壤水状态及运动的主要原因 土壤水的能量概念就是指土壤水的势能 简称土水势 土水势可分为以下5种水势 1 重力势 2 基质势 3 压力势 4 溶质势或渗透势 5 荷载势 由土 水特性曲线预估路基湿度的基本原理 见下图 其关键是对路基土质吸力的预估 基质吸力主要受地下水 土组类型 气候等因素影响 表征气候因素的参数由降雨量 蒸发量 降雨天数 相对湿度 年均温度 日照时间及TMI湿度指数等 土组表征参数有P200和塑性指数PI 1 地下水位 2 年均相对湿度3 P200 4 降雨天数5 TMI湿度指数 进一步根据wPI分析TMI曲线离散型可知 在一定区域范围内基质吸力随wPI增加而增大 且图中其他数据点具有相同规律性 故可采用wPI进行差分分析 路基土基质吸力差分回归分析图 路基土基质吸力预估模型 如下 第五节土基压实 一土基压实原理路基土是由水 土 空气组成的三相体系 土为骨架 颗粒之间的孔隙由水和空气所占据 虽然天然土体经长期自然界的作用 虽已具有一定的密实程度 但与路基的使用性能要求依然有很大的差距 路基施工破坏了天然土体状态 使其土颗粒重新组合 孔隙增加 结构松散 使得土体的稳定性和强度降低 因此 必须对其进行压实 压实使土颗粒重新组合 彼此紧密 孔隙缩小 土的单位重量提高 形成密实体 最终使其稳定性提高 强度增加 二压实土基的作用 1 提高土基的强度 2 提高土基的水稳定性 3 显著降低土的渗透性和毛细作用 4 减少