路基土的特性及设计参数

1、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,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； 0.002m

2、m是粘粒与粉粒的区分界限。,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,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 试样中巨粒组粗颗粒(大于60mm的颗粒)质量多于总质量15%的土称为巨粒土。如果巨粒组土粒质量少于或等于总质量15%的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名。,巨粒土,1、路基土的分类,1、路基土的分类,2）粗粒土 试样中粗粒组含量大于50%的土称为粗粒土，粗粒土分砾类土和砂类土两种； 砾粒组(2mm-60mm的颗粒)质量多于砂粒组质量的土称为砾类土。 砾粒组(2mm-60mm

3、的颗粒)质量少于或等于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wL50%；高液限wL50%）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wL55%。,盐渍土分类表,冻土分类表,认识清楚路基

4、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； 砂性土是施工效果最优的路基建材； 粘性土是较常见、效果也较好的路基路面建材； 粉性土属于不良材料，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。 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

5、选择,第二节 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、路基湿度的状况,路基水的来源 原始土具有的自然含水量，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,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

6、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、路基土的基质吸力与饱和度,采用基质吸力指标的原因 JTG D30-2004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。 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。 JTG D30-2015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

7、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),3、路基土的基质吸力与饱和度,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,4、路基土的基质吸力与饱和度,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

8、空气压力，这个压力差值称为基质吸力。 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,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, 基质吸力影响因素,路基相对高度大于12m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

9、力预估模型,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,4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法,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

10、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

11、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。,第三节 路基的力学强度特性,核心内容 路基受力情况 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：,一、路基受力情况,车轮荷载应力： 1）均布荷载 2）集中荷载,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所占比例很小，仅为1/51/10时，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

12、路基同一性质的整体后，再进行计算。,要求：,二、路基工作区（work zone）,二、路基工作区（work zone）,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,三、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。,三、路基土的受力特性,2、路基土应力应变状态评定-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,三、路基土的受力特性,2、路基土应力应变状态评定-模量 压实试验曲线,三、路基土的受力特性,2、路基土应力

13、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。,三、路基土的受力特性,3、路基土的流变性质 Rheological property 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

14、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。,四、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。,第四节 路基的承载能力及材料参数,核心内容 路基的承载力参数 路基材料参数,一、路基的承载力参数,（1）路基回弹模量 resilient modulus of subgrade 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、路基的承载力参数,（1）路基回弹模量 测定时宜采用逐级加载卸载法（直径30.0

15、cm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、路基的承载力参数,（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。 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150mm2mm，高300mm2mm的要

16、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100mm2mm，高200mm2mm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100mm2mm，高200mm2mm的要求。,一、路基的承载力参数,（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、路基的承载力参数,（3）路基反应模量 reaction modulus of subgrade 文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒(Winkler)

17、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的压力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、路基的承载力参数,（4）加州承载比CBR California Bearing Ratio 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。,cm,(MPa),一、路基的承载力参

18、数,（4）加州承载比-常用路基土的CBR值,一、路基的承载力参数,（4）加州承载比-路基土的CBR要求值,一、路基的承载力参数,（5）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。,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值 新建公路 新建公路路基回弹模量设计值E0可由标

19、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。,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值 路面结构设计的路基回弹模量要求值 沥青混凝土路面 水泥混凝土路面,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值 标准状态下路基回弹模量值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，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2-15和表2-16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

20、下路基土或粒料的回弹模量值：,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值 新建公路-表2-15,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值 新建公路-表2-16 Ks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2-17查取； 干燥类-Ks可参照表2-18查取； 中湿类- Ks以路基工作区上、下部的厚度加权得到,一、路基的承载力参数,（6）路基回弹模量设计参数的取值,二、路基材料参数,（7）路堤填土的强度参数的c，值 （1）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。

21、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。 （2）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。 （3）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,（7）路堤填土的强度参数的c，值,二、路基材料参数,（8）岩体边坡的强度参数的c，值,结构面抗剪强度指标准值,边坡岩体内摩擦角折减系数,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 的意义和在路面设计中的作用，如何结合路基湿度的变化选