路基路面工程 第八版 课件02路基土的特性及设计参数-演讲版-16：9

《路基路面工程》

PavementEngineering国家精品课程东南大学

道路与铁道工程

国家重点学科HighwayandRailwayEngineering,NationalKeyDiscipline21:37爱课程网址/sCourse/course_2658.html中国大学MOOC网址/course/SEU-1001753401第二章路基土的特性及设计参数21:37主要内容第一节路基土的分类及工程特性第二节

路基土的力学强度特性第三节路基的水温状况与干湿类型第四节路基的抗变形能力及材料参数21:37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21:37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、沉积风化岩石地球土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1）我国公路的路基土分类

分类依据：土的颗粒组成特性、土的塑性指标、土中有机质含量

主要分类：一般土、特殊土（两大类）（公路土工试验规程JTG3430-2020）

一般土：巨粒土、粗粒土、细粒土。特殊土：黄土、膨胀土、红黏土盐渍土冻土软土等第一节【1、路基土的分类】21:372）土的粒组分类不同粒组的划分界限及范围（分为巨粒组粗粒组细粒组三组）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；

200mm是漂石（块石）与卵石（小块石）的分界；

2mm是粗粒组中的砾与砂粒的区分界限；

0.002mm是黏粒与粉粒的区分界限。

21:37第一节【1、路基土的分类】漂|卵砾|砂粉|黏3）土的基本代号21:37第一节【1、路基土的分类】4）不均匀系数Cu

(uniformitycoefficient)和曲率系数Cc（coefficientofcurvature）粒径分布试验（JTG3430-2020T0115-1993）得到粒径分布曲线21:37第一节【1、路基土的分类】4）不均匀系数Cu

(uniformitycoefficient)和曲率系数Cc（coefficientofcurvature）21:37不均匀系数是反映组成土的颗粒均匀程度的一个指标。不均匀系数一般大于1，愈接近于1，表明土愈均匀。在分析砂土发生管涌的条件以及用砂土作为建材时，都需了解不均匀系数的大小。第一节【1、路基土的分类】5）巨粒土（试样中＞60mm颗粒质量大于总质量的15%土称为巨粒土）（分3类）第一节【1、路基土的分类】巨粒土21:37第一节【1、路基土的分类】6）粗粒土(粗粒土具体种类)试样中巨粒组质量少于或等于15%，且巨粒组（大于60mm）颗粒与粗粒组（≤60mm并大于0.075mm）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。21:37粗粒土第一节【1、路基土的分类】21:37粗粒土7）细粒土细粒组(≤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。

第一节【1、路基土的分类】细粒土塑性图21:37第一节【1、路基土的分类】细粒土粉土7）细粒土21:37第一节【1、路基土的分类】8）特殊土（JTG3430-2020）包括黄土、红黏土、膨胀土、盐渍土、冻土、软土等。盐渍土工程分类较成熟，其他特殊土的分类还不统一。如：膨胀土的分类指标有自由膨胀率、膨胀性矿物含量、胀缩总率、标准吸湿含水率和液塑性等，有些分类根据单项指标，也有根据多项指标确定；如：黄土的分类可根据湿陷性、成因、地质年代等进行分类；如：冻土的分类指标有冻结持续时间、空间状态、含冰量等。21:37盐渍土按含盐性质分类表盐渍土按盐渍化程度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

（最大粒径小于150mm）；巨粒土是良好的路基材料（最大粒径小于150mm）；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。第一节【2、路基土的工程性质】21:37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，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①漂石、卵石（巨粒土）与粗砾石②土石混合料③砾类土、砂类土第一节【3、路基填料的选择】节尾21:37第二节

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21:37第二节【1、路基土受力分析】3）路基自重应力：

4）路基任意点：

1）均布荷载2）集中荷载车轮荷载应力：5）由于路面结构有不同材料组成，因此，

层状体系理论求解均布荷载的应力进行计算更加准确21:37在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的路基土中垂直应力与上覆层自重引起的自重应力之比≥0.1所对应的深度Za减去路面结构层厚度得到Za,，该深度范围（Za,）对应的区域称为路基工作区。概念：

路基工作区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：

第二节【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。21:37层状体系更加合理第二节【2、路基工作区(

subgradeworkaround)】路基工作区深度（均质半空间体时）公路设计标准车：黄河JN150-后轴重100KN（一侧轮取P=50kN），压力0.707MPa路基工作区计算算例（精确）21:37路基工作区计算算例（简化）第二节【2、路基工作区(

subgradeworkaround)】结果分析（指数3.5）21:37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30cm50cm~90cm70cm70～80cm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第二节【2、路基工作区(

subgradeworkaround)】21:37路基工作区

意义第二节【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。21:37第二节【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21:37第二节【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21:37①初始切线模量②切线模量③割线模量④回弹模量具体概念如下页第二节【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，图①，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，图②，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，图③，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，图④，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。

21:37第二节【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。21:37弹簧黏壶PerformanceAssessmentLimeandFlyAshChemicallyTreatedSubgrade（4）路基土的重复荷载性质propertyofrepeatloadapplication随着重复作用次数的增加，产生塑性变形的积累，总变形量逐渐增大；路基顶面变形的增加，导致路面表面变形也增加，由此路面设计规定了路基顶面压应变。第二节【3、路基土的受力特性】节尾21:37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21:37第三节【1、路基湿度的来源】0）水的形态①固态能保持一定的体积和形状水的固态就是冰、雪、霜、冰雹。②液态水的液态通常是指普通的水，液态水包括云、雨、雾、露。可以流动、变形，可微压缩。③气态水的气态则是指水蒸气。气态与液态一样是流体,可流动、变形，但可被压缩。路基水的存在状态示意图21:37第三节【1、路基湿度的来源】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

……21:37第三节【2、大气温度及其对路基水温状况的影响】2）路基水温状况及其联合变化现象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，使路基状态变化。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21:37第三节【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3）路基水温状况变化引起的问题21:37第三节【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。21:372)重力含水率(w)、体积含水率()和饱和度(S)Gs（土粒相对密度）和

（土粒干密度）一定时，三者均能有效表征路基湿度状况。S和

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。第三节【3、路基土的基质吸力与饱和度】三者关系式21:37或者第三节【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。基质吸力是孔隙气压力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。21:37第三节【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？21:37第三节【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。21:37第三节【3、路基土的基质吸力与饱和度】—建立湿度指数TMI-wPI与基质吸力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21:37第三节【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（α、β、γ、δ）与wPI有关wPI

α

β

γ

δ00.300419.07133.4515.00.50.300521.50137.3016.050.300663.50142.5017.5100.300801.00147.6025.0200.300975.00152.5032.0500.3001171.20157.5027.821:37第三节【3、路基土的基质吸力与饱和度】7）基质吸力与路基体积含水率-得到饱和度段尾21:37第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】路基湿度设计状态路基湿度平衡湿度状况竣工2~3年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(KS)1）采用路基平衡湿度的原因21:372.路基工作区第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】2）路基平衡湿度状态和路基平衡湿度的概念：公路建成通车后，路基在地下水、降雨、蒸发、冻结和融化等因素作用下，湿度达到相对稳定的湿度状态，称为路基平衡湿度状态。路基平衡湿度是土体中孔隙水最终达到平衡分布状态时的湿度。3）路基工作区示意图荷载的垂直应力与自重应力之比大于0.1对应的深度Za与路面厚度he之差实际是路基工作区。它是描述路基湿度类型的重要依据。21:37路

基

工

作

区路

基

工

作

区4）路基的平衡湿度状况-路基湿度平衡时

路基平衡湿度状况分为三种：

干燥、中湿、潮湿5）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。第三节【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。21:37路

基

工

作

区6）路基平衡湿度状况确定步骤：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

，确定路基工作区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。第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】21:37路

基

工

作

区第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】7）毛细水上升高度不同土组的毛细水上升高度推荐表21:37第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】8）路基平衡湿度时的饱和度①潮湿类路基直接根据地下水位高度确定21:37第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】8）路基平衡湿度时的饱和度②干燥类路基根据湿度指数TMI确定-由区划确定TMI21:37规范给了推荐值第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】8）路基平衡湿度时的饱和度②干燥类路基根据TMI确定-再由TMI确定饱和度21:37第三节【4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法

】8）路基平衡湿度时的饱和度③中湿类路基-由干燥和潮湿分别确定再加权先根据路基工作区上部和下部位置,确定各自平衡湿度1）毛细润湿面以上路基工作区上部，按路基土组类别和TMI值确定其平衡湿度，作为上部值；2）毛细润湿面以下路基工作区下部，则按路基土组类别和距地下水位的距离确定毛细润湿面最上部A和路基工作区下部B各自的平衡湿度，其平均值为下部值。再以厚度加权平均计算路基的平衡湿度。节尾21:37AB工作区下部第四节

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试件荷载传感器活塞杆球座钢球外置LVDTLVDT托架活塞套管三轴室系杆试件底座O形环试件顶盖多孔透水石真空引管重复荷载加载器多孔透水石橡皮膜21:37第四节【1、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21:37第四节【1、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21:37承载板检测第四节【1、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。

21:37第四节【1、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试件荷载传感器活塞杆球座钢球外置LVDTLVDT托架活塞套管三轴室系杆试件底座O形环试件顶盖多孔透水石真空引管重复荷载加载器多孔透水石橡皮膜21:37第四节【1、路基的抗变形能力参数】（3）路基反应模量ReactionModulusofSubgrade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。

21:37第四节【1、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。21:37第四节【1、路基的抗变形能力参数】（4）加州承载比-常用路基土的CBR值

21:37第四节【1、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）21:37资料来源关系式附注壳牌石油公司为动弹性模量为静弹性模量英国TRRL为动弹性模量美国地沥青协会法AI为动弹性模量第四节【2、路基结构顶面当量模量参数】（1）路基的设计参数E0的确定-三种方法我国在现场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。沥青路面设计规范给出我国路基回弹模量设计参数MR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！21:37第四节【2、路基结构顶面当量模量参数】（2）新建公路路基回弹模量设计参数E0的取值方法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干燥类潮湿类21:37中湿类见下页（3）湿度调整系数KS的确定①湿度调整系数依据确定的平衡湿度饱和度S由以下公式确定KS。NCHRP1-37A方程参数推荐值参数粗粒土组细粒土组a-0.3132-0.5934b0.30.4km6.81576.1324回归参数（r2=0.82）abkm

-0.65630.25486.4604第四节【2、路基结构顶面当量模量参数】路基设计规范参数推荐用的回归公司系数21:37第四节【2、路基结构顶面当量模量参数】（3）湿度调整系数KS的确定②路基设计规范给出Ks的确定为方便，按表2-20、表2-21确定:潮湿类-Ks可参照表