路基工作区路基变形特性课件

第四讲第四讲路基的受力、变形与力学强度表示路基的受力、变形与力学强度表示 路基土的压实路基土的压实第四讲路基的受力、变形与力学强度表示几个值得思考的问题几个值得思考的问题n为什么说路基的变形至关路面结构的使用寿命为什么说路基的变形至关路面结构的使用寿命？n为何提出路基工作区的概念？国外是如何考虑为何提出路基工作区的概念？国外是如何考虑的？我国的路基工作区深度是如何界定的？存的？我国的路基工作区深度是如何界定的？存在哪些问题？在哪些问题？n土基具有何样的变形特性？为何用回弹模量表土基具有何样的变形特性？为何用回弹模量表征土基的强度？征土基的强度？n目前表征土基强度与刚度的地基模型有哪些？目前表征土基强度与刚度的地基模型有哪些？各有何优缺点？表征的指标是什么？为何要用各有何优缺点？表征的指标是什么？为何要用动态模量？动态模量？n为什么说确保路面结构的使用寿命为什么说确保路面结构的使用寿命路基土路基土的压实关键之关键？的压实关键之关键？几个值得思考的问题为什么说路基的变形至关路面结构的使用寿命？路基支撑刚度不足引发的行车道凹陷进而水损害路基支撑刚度不足引发的行车道凹陷进而水损害路基支撑刚度不足引发的行车道凹陷进而水损害o在整个路面结构的总变形中，土基的变形占在整个路面结构的总变形中，土基的变形占7095%7095%，路面结构的破坏，土基不均匀的过大，路面结构的破坏，土基不均匀的过大变形是重要原因之一。变形是重要原因之一。因此，研究土基的力学因此，研究土基的力学特征与设计要求，一直是道路设计中重要的部特征与设计要求，一直是道路设计中重要的部分。提高路基土的抗变形能力是提高路基路面分。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重要方面。结构整体强度和刚度的重要方面。o路基的变形分为：路基的变形分为：可恢复的变形和不可恢复的变形。可恢复的变形和不可恢复的变形。o路基的不可恢复变形将引起路基标高和边坡坡路基的不可恢复变形将引起路基标高和边坡坡度、形状的改变。严重时，造成土体位移，危度、形状的改变。严重时，造成土体位移，危及路基的整体性和稳定性，造成路基各种破坏。及路基的整体性和稳定性，造成路基各种破坏。路基的重要作用路基的重要作用在整个路面结构的总变形中，土基的变形占7095%，路面结构 1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区 z z+B BBzz zBP轮重轮重 1 路基受力与路基工作区 z+BBzzo路基内某一深度处的荷载静载（路基自重）路基内某一深度处的荷载静载（路基自重）+轮载（外荷载）。路基自重包括路基本身轮载（外荷载）。路基自重包括路基本身的重量和路面结构层的重量。由于路面结构的重量和路面结构层的重量。由于路面结构层的厚度相对于路基某一深度而言小的多，层的厚度相对于路基某一深度而言小的多，虽然路面结构材料的容重略大于路基土，但虽然路面结构材料的容重略大于路基土，但可忽略这个容重差别，可忽略这个容重差别，可把路面结构看作与可把路面结构看作与土的容重相等的均质土，进行当量厚度计算土的容重相等的均质土，进行当量厚度计算。路基内某一深度处的荷载静载（路基自重）+轮载（外荷载）。路o计算轮载引起的垂直应力时，假定弹性均质半计算轮载引起的垂直应力时，假定弹性均质半空间体路基上作用一圆形均布荷载，利用布辛空间体路基上作用一圆形均布荷载，利用布辛尼斯克公式解得。尼斯克公式解得。o轮载应力：轮载应力：车轮换算的均布荷载，车轮换算的均布荷载，KN/m2；圆形均布荷载作用面积的直径，圆形均布荷载作用面积的直径，m;圆形均布荷载中心下应力作用点的深度，圆形均布荷载中心下应力作用点的深度，m。计算轮载引起的垂直应力时，假定弹性均质半空间体路基上作用一圆 o 离开轮迹中心的距离，m；在轮迹中心下时，0，o 土的容重；自重应力B B，KN/m3；Z应力作用点的深度，m。当用集中荷载（一侧轮重当用集中荷载（一侧轮重P ）计算）计算 时：时：当用集中荷载（一侧轮重P ）计算 时：o当，当，510时可忽略轮载时可忽略轮载 作用的影响，这个深度作用的影响，这个深度用用Za表示，该深度区域称为路基工作区。表示，该深度区域称为路基工作区。o计算路基工作区的深度，常用一侧轮重（集中荷载计算路基工作区的深度，常用一侧轮重（集中荷载 ）进行，如下式。）进行，如下式。oZa的计算：的计算：o标准轴重算得：标准轴重算得：Za=150cm190cmo我国将我国将 Za0150cm深度范围定义为上路堤。深度范围定义为上路堤。工程实践中发现工程实践中发现当，工程实践中发现关于路基工作区关于路基工作区n路基工作区深度有两种情况：路基工作区深度有两种情况：Za 大于路基填土高度，影响到地基一定深度大于路基填土高度，影响到地基一定深度 Za 小于路基填土高度。小于路基填土高度。n决定决定Za的两种因素：该深度的两种因素：该深度 Za 随车辆荷载增大而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。增大，随路面的强度和厚度的增加而减小。n路床、路堤的划分主要考虑路床、路堤的划分主要考虑Za的影响的影响n计算路基工作区存在的问题：计算路基工作区存在的问题：1、工作区与荷载影响区界定不明确；、工作区与荷载影响区界定不明确；2、实际轮载（超限轮载）作用范围；、实际轮载（超限轮载）作用范围；关于路基工作区路基工作区深度有两种情况：路基工作区路基变形特性课件2 土基的荷载土基的荷载变形特性变形特性2.1土基的非线性变形特性土基的非线性变形特性o土基的受力特性即应力与变形的关系。土基的受力特性即应力与变形的关系。土是具有三相体系组成的材料，它的三相体土是具有三相体系组成的材料，它的三相体系特性使它与其它工程材料如钢材、水泥混系特性使它与其它工程材料如钢材、水泥混凝土等有较大差别。凝土等有较大差别。它是具有流变性质的材它是具有流变性质的材料，力学性质最突出的是土在受力时的非线料，力学性质最突出的是土在受力时的非线性变形特性，在重复荷载作用下，残余变形性变形特性，在重复荷载作用下，残余变形具有累加性。具有累加性。2 土基的荷载变形特性2.1土基的非线性变形特性应力重复作用对应变特性的影响应力重复作用对应变特性的影响轴向总应变轴向总应变轴向总应变轴向总应变轴向回弹应变轴向回弹应变轴向回弹模量轴向回弹模量0.1MPa急剧下降急剧下降含水量含水量=15.3%，干密度，干密度=1900Kg/m3,=0.025MPa，=0.44MPa回弹应变主要与应力水平有关，回弹应变主要与应力水平有关，随重复作用次数增大略有变化随重复作用次数增大略有变化回弹模量在路基土通常的工作范回弹模量在路基土通常的工作范围内随重复应力的增大急剧下降围内随重复应力的增大急剧下降应力重复作用对应变特性的影响轴向总应变轴向总应变轴向回弹应变应力重复作用对应变特性的影响应力重复作用对应变特性的影响-三轴试验三轴试验n应变与重复加载应力水平有关应变与重复加载应力水平有关-施加的偏应力施加的偏应力 与静抗压强度与静抗压强度 之比值（称应力水平）之比值（称应力水平）存在临存在临界值界值；n应力水平临界值与土的类型和相对含水量有关应力水平临界值与土的类型和相对含水量有关（土的液限（土的液限/含水量），含水量），当相对含水量当相对含水量0.70.7时，时，该该 /比值在比值在0.450.450.550.55；当土很湿，（相；当土很湿，（相对含水量对含水量0.7 0.7），其值急剧下降，此时应力水），其值急剧下降，此时应力水平临界值：粘性土为平临界值：粘性土为0.090.09，粉性土为，粉性土为0.100.10，砂性，砂性土为土为0.120.120.150.15。n按多次重复作用后的总应变确定的变形模量比初按多次重复作用后的总应变确定的变形模量比初次作用确定的低次作用确定的低n在荷载重复作用下不发生破坏变形的安全相对荷载值称为临界值或安全相对荷载。在荷载重复作用下不发生破坏变形的安全相对荷载值称为临界值或安全相对荷载。应力重复作用对应变特性的影响-三轴试验应变与重复加载应力 两条试验曲线3=常量 1 -31313 两条试验曲线DpP0l承载板压入试验(a)初始模量初始模量切线模量切线模量割线模量：割线模量：回弹模量：应力回弹模量：应力卸除价段，卸除价段，应力应力应变曲线的割应变曲线的割线或切线模量。线或切线模量。1-3（P）0前前1、2、3种模量取值时的应变值包括了残余种模量取值时的应变值包括了残余应变和回弹应变在内的总应变，而回弹模量取应变和回弹应变在内的总应变，而回弹模量取值时的应变值是已扣除残余应变后的回弹应变。值时的应变值是已扣除残余应变后的回弹应变。初始模量切线模量割线模量：回弹模量：应力卸除价段，o图图(a)(a)工程上，压入承载板试验是世界上研工程上，压入承载板试验是世界上研究土基应力应变特性最常用的一种方法。究土基应力应变特性最常用的一种方法。这种方法以一定尺寸的圆形刚性承载板置于这种方法以一定尺寸的圆形刚性承载板置于土基顶面，采用逐级加荷卸荷法，记录施加土基顶面，采用逐级加荷卸荷法，记录施加在承载板上的荷载及由该荷载所引起的路基在承载板上的荷载及由该荷载所引起的路基变形。由试验结果绘制出土基顶面压应力与变形。由试验结果绘制出土基顶面压应力与回弹变形的关系由线，如图回弹变形的关系由线，如图C C所示所示图(a)工程上，压入承载板试验是世界上研究土基应力应变特性o分析图（分析图（b b）室内三轴试验显示，土的应力）室内三轴试验显示，土的应力应变关系曲线，一般没有直线段，应力消除应变关系曲线，一般没有直线段，应力消除后，试样也恢复不到原来的状态，因为非饱后，试样也恢复不到原来的状态，因为非饱和土受到压应力作用后，和土受到压应力作用后，土的孔隙压缩土的孔隙压缩，土土的骨架的矿物颗粒发生相对移动，这两种变的骨架的矿物颗粒发生相对移动，这两种变形，有一部分回弹了，有一部分是属于不可形，有一部分回弹了，有一部分是属于不可恢复的残余变形，由此说明土除非线性变形恢复的残余变形，由此说明土除非线性变形性质外，还有塑性变形性质。性质外，还有塑性变形性质。o所以是弹塑性体，具有非线性变形性。所以是弹塑性体，具有非线性变形性。分析图（b）室内三轴试验显示，土的应力应变关系曲线，一般没有路基的模量的确定方法路基的模量的确定方法 n 在路面设计中，若完全按照土基的非线性，塑性变在路面设计中，若完全按照土基的非线性，塑性变形性决定它的计算参数，（主要是模量形性决定它的计算参数，（主要是模量E E），就要改），就要改变路面设计的弹性层状体系理论，且目前还没有得出变路面设计的弹性层状体系理论，且目前还没有得出可用于设计的非线性材料模量可用于设计的非线性材料模量E E与应力应变的确定与应力应变的确定关系式，都是关系式，都是根据土基在路面结构层下的实际工作状根据土基在路面结构层下的实际工作状态，对其非线性性质进行简化处理态，对其非线性性质进行简化处理.n简化的原则是简化的原则是：表征土基应力、应变特性的参数在理论计算中尽可表征土基应力、应变特性的参数在理论计算中尽可能使理论解与实际状况吻合、能使理论解与实际状况吻合、对试验曲线进行线性处理对试验曲线进行线性处理。线性处理的最简单方法：线性处理的最简单方法：切线和割线法切线和割线法，即将应力、，即将应力、应变曲线上某点的切线斜率或某一范围的割线斜率作为应变曲线上某点的切线斜率或某一范围的割线斜率作为路基的模量。路基的模量。路基的模量的确定方法 在路面设计中，若完全按照土基的非线n塑性变形随反复作用次数而累加，回弹变形受荷载重复塑性变形随反复作用次数而累加，回弹变形受荷载重复次数的影响则较小。次数的影响则较小。n回弹模量因能反映土所具有的荷载作用后回弹变形的那回弹模量因能反映土所具有的荷载作用后回弹变形的那部分弹性性质，所以在以弹性力学为理论基础的路面设部分弹性性质，所以在以弹性力学为理论基础的路面设计方法中，计方法中，把土的回弹模量称为土的弹性模量，并且是把土的回弹模量称为土的弹性模量，并且是路面设计中的一个重要参数。路面设计中的一个重要参数。n在工程上为防止土基在反复轮载作用下的塑性变形累积，在工程上为防止土基在反复轮载作用下的塑性变形累积，要把土的变形尽量控制在较小的范围之内，尽量接近于要把土的变形尽量控制在较小的范围之内，尽量接近于回弹变形，所以设计中采用回弹模量。回弹变形，所以设计中采用回弹模量。n目前，我国采用回弹模量作为设计参数，利用野外、室目前，我国采用回弹模量作为设计参数，利用野外、室内压入承载板试验得到，环境因素在测试条件和取值时内压入承载板试验得到，环境因素在测试条件和取值时考虑。采用动弹性模量作为设计模量是趋势。考虑。采用动弹性模量作为设计模量是趋势。塑性变形随反复作用次数而累加，回弹变形受荷载重复次数的影响则2.2土基的流变性质土基的流变性质 回弹变形与荷载作用时间关系不大，卸掉荷载，回弹变形与荷载作用时间关系不大，卸掉荷载，立即回弹，且随荷载作用时间的增大它不变立即回弹，且随荷载作用时间的增大它不变、塑性变形和总变形随塑性变形和总变形随t的增大而增大。土是一种流变的增大而增大。土是一种流变性质的材料，它的流变性主要同塑性变形有关。性质的材料，它的流变性主要同塑性变形有关。流变性质主流变性质主要揭示物体受力要揭示物体受力的持续作用，变的持续作用，变形随时间发展而形随时间发展而变化的关系。变化的关系。静载持续作静载持续作用与瞬时荷载作用与瞬时荷载作用产生的塑性变用产生的塑性变形不同。形不同。2.2土基的流变性质 t总变形塑性变形回弹变形（d）土的2.3重复荷载对土基的影响重复荷载对土基的影响 o由于土的流变性，重复动荷作用，产生变形的积累，由于土的流变性，重复动荷作用，产生变形的积累，其后果对于柔性路面结构，产生永久性变形如车辙、其后果对于柔性路面结构，产生永久性变形如车辙、波浪、开裂，沉陷等；波浪、开裂，沉陷等；o刚性路面，会产生不均匀的塑性形变累积（特别在刚性路面，会产生不均匀的塑性形变累积（特别在路面板的边角部位下）导致板下局部脱空而产生附路面板的边角部位下）导致板下局部脱空而产生附加应力造成板的边、角部位开裂，这是刚性路面边加应力造成板的边、角部位开裂，这是刚性路面边角破坏较多的重要原因之一。角破坏较多的重要原因之一。o防止土基塑性形变累积而造成路面的不均匀变形是防止土基塑性形变累积而造成路面的不均匀变形是路面设计中一个重要而突出的问题，尽可能把累积路面设计中一个重要而突出的问题，尽可能把累积变形控制在一定范围内变形控制在一定范围内。2.3重复荷载对土基的影响 由于土的流变性，重复动荷作用，产o土体逐渐被压密，土的颗粒之间进一步靠拢，但不土体逐渐被压密，土的颗粒之间进一步靠拢，但不会引起土体整体破坏的剪切面，土基被压密而稳定。会引起土体整体破坏的剪切面，土基被压密而稳定。o另一种是荷载的重复作用造成土体的剪切变形不断另一种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，土基失去支承荷载发展，形成整体破坏的剪切面，土基失去支承荷载的能力。的能力。o何判断会产生上述两种结果何判断会产生上述两种结果-用用临界值或安全相临界值或安全相对荷载对荷载重复荷载的作用下土基变形累积可能导致的两种结果，重复荷载的作用下土基变形累积可能导致的两种结果，土体逐渐被压密，土的颗粒之间进一步靠拢，但不会引起土体整体破n室内模似试验回归公式：重复应力低于临界室内模似试验回归公式：重复应力低于临界值的范围内，土基的总变形累积值与荷载作值的范围内，土基的总变形累积值与荷载作用次数之间在半对数坐标上一般呈直线关系：用次数之间在半对数坐标上一般呈直线关系：n其中：其中：N应力重复作用次数应力重复作用次数n 应力一次作用下的初始应变应力一次作用下的初始应变n 应变增长回归系数应变增长回归系数n总之，不论室内三轴试验还是土基的承载板总之，不论室内三轴试验还是土基的承载板试验，各种模量值都是条件参数。试验，各种模量值都是条件参数。室内模似试验回归公式：重复应力低于临界值的范围内，土基的总变