《路基路面工程设计》课件 2.2路基土的力学特性及路基工作区分析

路基土的特性分析及参数确定路基土的力学特性及路基工作区分析目录content路基受力状况分析路基工作区确定0102路基土的受力特性分析重复荷载对路基土的影响0304引言路基在自重、行车荷载及各种自然因素的长期作用下，不仅会产生沉降变形，而且其力学性质也会发生较大的变化。本节将围绕路基受力状况分析、路基工作区确定、路基土的受力特性分析，以及重复荷载作用对路基土的影响展开学习。1路基受力状况分析路基承受着路基自重和车轮荷载这两种荷载。在这两种荷载的共同作用下，在一定深度范围内，路基土处于受压状态。正确的设计应使路基所受的力在弹性限度范围内，当车辆驶过后，路基能恢复原状，以保证路基相对稳定，不致引起路面破坏。土基中应力分布图路基内任一点处的垂直应力：车轮荷载引起的

z+路基自重引起的

B

车轮荷载应力：路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力

z（注：用层状弹性体系理论更加准确）。计算时，假定车轮荷载为一垂直集中荷载。路基为一弹性均质半空间体。路基自重应力：路基土自重在路基内深度为Z处所引起的垂直压应力

B结论：路基土自重引起的应力随深度Z增加而增大，荷载引起的垂直应力随深度Z的增加而减小。2路基工作区确定概念：汽车荷载通过路面传递到路基的应力与路基土自重应力之比大于0.1的应力分布深度范围。路面结构和车轮荷载对工作区范围内的路基影响较大，对工作区范围以外的路基影响较小。路基工作区深度（简化公式）

公路设计标准车：黄河JN150（后轴重100KN，压力0.707MPa）2路基工作区确定由于路基路面不是均质体，路面的刚度和重度较路基土大，路基工作区的实际深度随路面刚度和厚度的增加而减小。因此，如果采用应力简化公式，需要将路面折算为与路基同一性质的整体，得到沥青路面的当量厚度he：式中：hi—沥青路面各结构层的厚度（cm）；

Ei—沥青路面结构层模量（MPa）；

E0—路基顶面的综合模量（MPa）。路基工作区随车轮荷载的增大而加深。

路面刚度越大，分散荷载的能力越强，路基工作区深度越小。几种车型的路基工作区深度此深度是针对路基的，若考虑路面，该深度范围基本上能到路床深度。因此，工程上对路床要提出更高的要求。汽车型号每侧后轮荷载P=1/2(后轴荷载)(kN)工作区深度Za(m)1/n=1/10解放CA-10B载重汽车1/2(60.85)2.0交通SH-141载重汽车1/2(55.10)2.0北京BJ-130载重汽车1/2(27.18)1.6上海SH-130载重汽车1/2(23.00)1.5跃进NJ-130载重汽车1/2(38.30)1.7黄河JN-150载重汽车1/2(101.60)2.4黄河JN-151载重汽车1/2(100.30)2.42路基工作区确定2路基工作区确定在路基工作区内，路基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要，对工作区深度范围内的土质选择、路基的压实度应提出较高的要求。当工作区深度大于路基填土高度时，如下图b），行车荷载的作用不仅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土层，因此，天然地基上部土层和路堤应同时满足工作区的要求，均应充分压实。工作区深度和路基高度的关系3路基土的受力特性分析路基土的变形，包括弹性变形和塑性变形两部分。弹性变形过大：沥青面层、水泥混凝土面板产生疲劳开裂。塑性变形过大：沥青路面产生车辙和纵向不平整。水泥混凝土路面引起板块断裂。路面结构总变形中，路基土的变形占很大部分，所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的关键。3路基土的受力特性分析土的应力－应变（回弹变形）关系曲线研究方法：压入承载板试验。以一定尺寸的圆形刚性承载板置于路基顶面，逐级加荷卸荷，记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形。根据试验结果，可绘出路基顶面压应力与回弹变形的关系曲线。路基现场承载板试验3路基土的受力特性分析土的流变特性：路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关，而且与荷载作用的待续时间有关。这是由于土颗粒之间力的传递以及土颗粒与土颗粒之间的相对移动都需要一定的时间。通常在施加荷载的初期，变形随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定，称为土的流变特性。汽车在道路上行驶时，车轮对路基土作用的时间很短，在这一瞬间，产生的塑性应变比静荷载长期作用下的塑性应变小得多。因此，一般情况下，行驶中的车辆对路基土的流变影响可不予考虑。4重复荷载对路基土的影响路基土承受着车轮荷载的多次重复作用。每一次荷载作用之后，回弹变形很快消失，而塑性变形则不能消失，残留在路基土之中。随着作用次数的增加，塑性变形不断积累，总变形量逐渐增大。最终会导致两种情况：一种情况：土体逐渐压密，土体颗粒之间进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，停止增长，这种情况不致形成路基土的整体性剪切破坏；另一种情况：荷载的重复作用造成了土体的破坏，每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的破裂面，最后达