第二章路基土

,第二章,路基土的特性及设计参数,本章摘要,通过路基土颗粒和性能特点的描述，学习路基土的分类方法和分类，,掌握路基土的颗粒分布和主要工程特点,；通过路基土湿度和温度状况的变化分析，学习路基湿度的来源和路基干湿类型划分方法，,掌握路基土稠度指标和由土的基质吸力确定的饱和度指标的划分方法,；学习路基承载力参数指标和测定方法、路基设计主要参数，,掌握路基工作区计算方法、路基承载力指标和设计参数的意义,。,2.1,路基土的分类及工程特性,2.2,路基水温状况及干湿类型,2.3,路基的力学强度特性,2.4,路基的承载能力及材料参数,路基土的分类及工程特性,2.1,2.1.2,路基土的工程性质,2.1.3,路基填料的选择,2.1.1,路基土的分类,土的粒组划分：,土的分类标准,公路用土一般根据,土的颗粒粒径组成、土颗粒的矿物成分或其余物质的含量、土的塑性指标,等进行划分，,我国,的公路用土依据,土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中有机质含量的情况,进行土类划分。,2.1.1,路基土的分类,土的粒组划分：,土的种类,我国用土分类包括,巨粒土、粗粒土、细粒土,和,特殊土,四类，细分为,12,种。,2.1.1,路基土的分类,土的粒组划分：,不同粒组的划分界限及范围,粒径的分界线：,60mm,；,0.075mm,；,2mm,；,0.002mm,。,2.1.1,路基土的分类,土的粒组划分：,土颗粒级配曲线的坡度与形状分别采用,不均匀系数,C,u,和,曲率系数,C,c,来表示。,2.1.1,路基土的分类,式中,d,10,、,d,30,、,d,60,为土的特征颗粒（,mm,），在土的粒径分布曲线上，小于该粒径的土粒质量分别为总土质量的,10%,、,30%,、,60%,。,各种土类的区分：,四大类土区分的依据,一般以主成分粒组进行定义，控制,主成分粒组,的比例在,50%,以上,，而,特殊土,则分为,黄土、膨胀土、红粘土、盐渍土和冻土,，前三者按特殊土塑性图（图,2-4,）上的位置定名，盐渍土按,含盐百分率,分类。,2.1.1,路基土的分类,各种土类的区分：,巨粒土分类表,试样中巨粒组粗颗粒（,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的,15%,，可扣除巨粒，按照粗粒或细粒土分类。,2.1.1,路基土的分类,各种土类的区分：,粗粒土分类表,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。,2.1.1,路基土的分类,各种土类的区分：,粗粒土分类表,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。,2.1.1,路基土的分类,各种土类的区分：,细粒土分类表,细粒组（,0.075mm,的颗粒）质量不小于总质量,50%,的土称为细粒土。,细粒土按其在塑性图（,2-2,）中的位置确定土的名称。,2.1.1,路基土的分类,认识清楚路基及路面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,黏性土,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,2.1.2,路基土的工程性质,总之，土作为路基材料，砂性土最优，黏性土次之，粉性土属不良材料，重黏性土特别是蒙脱土也是不良的路基土。,路基填料指的是路堤施工中的填方筑路材料。,取土来源：路线纵向土石方调配土、半填半挖横断面上的挖方土、取土坑内获取的土,若无合适天然土源，如何处理？,应选择具有何种性质的土作为路基填料？,2.1.3,路基填料的选择,强度高、水稳性好、压缩性小、且运输便利，施工方便。,2.1.3,路基填料的选择,常见的填料类型：,漂石、卵石与粗粒石,土石混合料,砾类土、砂类土,粉质土（尽量避免采用）,黏质土,特殊土,生活垃圾及工业废渣,在具体工程中，路基填料选择余地不大，根据以上原则确定可能的填料后，最后决定是否可以应用的还是通过,CBR,指标值是否满足规范要求（表,2-8,）。,路基水温状况及干湿类型,2.2,2.2.2,大气温度及其对路基水温状况的影响,2.2.3,路基干湿类型,2.2.1,路基湿度的来源,2.2.1,路基湿度的来源,2.2.1,路基湿度的来源,路基的,强度与稳定性,，很大程度上,与路基的湿度,以及,大气温度,引起的,路基水温状况,有密切关系，,路基湿度来源,主要有：,大气降水,大气降水通过路面、路肩边坡和边沟渗入路基；,地面水,边沟的流水、地表经流水因排水不良，形成积水，渗入路基；,地下水,路基下面一定范围内的地下水浸入路基；,毛细水,路基下的地下水通过毛细管作用，上升到路基；,水蒸气凝结水,在土的空隙中流动的水蒸气，与冷凝结成水；,薄膜移动水,在土的结构中，水以薄膜的形式从含水率较高处向较低处流动，或由温度较高处向冻结中心周围流动。,2.2.2,大气温度及其对路基水温状况的影响,路基湿度除了水的来源之外，另外一个重要因素是受,当地大气温度的影响,湿度与温度变化对路基产生的共同影响称为,路基的水温状况,沿路基深度出现,较大的温度梯度,时，水分在温差的影响下以液态或气态,由热处向冷处,移动，并积聚在该处。这种现象（即,湿度积聚现象,）在,季节性冰冻地区,尤为显著。,2.2.2,大气温度及其对路基水温状况的影响,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,热融,何种路基土容易导致冻胀和翻浆现象的发生？,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。,2.2.2,大气温度及其对路基水温状况的影响,2.2.3,路基干湿类型,2.2.3,路基干湿类型,稠度的定义,2.2.3,路基干湿类型,液性指数,2.2.3,路基干湿类型,塑性指数,塑性指数反映土吸附结合水的能力；粘性大小；大致反映粘土颗粒含量,土的液限、液性指数、塑限、塑性指数是评价土的粘性的主要指标,2.2.3,路基干湿类型,判别路基干湿类型的方法：,对于原有公路，按不利季节路槽地面以下,80cm,深度内土的,平均稠度确定路基的干湿类型,。具体计算公式：,2.2.3,路基干湿类型,路基干湿类型表：,2.2.3,路基干湿类型,判别路基干湿类型的方法：,对于新建道路，用,路基临界高度,作为路基干湿类型的判别标准。,与分界稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度称为,路基临界高度,H,。,为了保证路基的强度和稳定性，在设计路基时，要求路基保持,干燥或中湿,状态，,路槽底距地下水或地表积水的距离,，,要干燥、中湿状态所对应的临界高度。,路基的力学强度特性,2.3,2.3.2,路基工作区,2.3.3,路基土的受力特性,2.3.4,重复荷载对路基土的影响,2.3.1,路基受力状况,2.3.1,路基受力状况,P:,一侧轮轴荷载（,KN,）,K,：系数，,0.5,Z,：圆形均布荷载中心下应力作用点的深度,m,2.3.1,路基受力状况,路基土在某一深度处的垂直总应力为：,2.3.2,路基工作区,路基工作区概念：,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,1/101/5,时，该深度,Za,范围内的路基称为,路基工作区,。,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。,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。,2.3.2,路基工作区,路基工作区计算：,Za,：路基工作区深度,m,P,：一侧轮重荷载,KN,K,：系数,0.5,：土的重度,KN/m,3,n,：,系数，取,5,或,10,2.3.2,路基工作区,路基工作区的要求：,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。,当路基工作区深度路基填土高度时，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。,2.3.3,路基土的受力特性,路基土的,应力,应变特性,对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响。,路基土变形：弹性、塑性,弹性变形过大，使沥青面层或水泥混凝土面板产生疲劳开裂；,塑性变形过大，使沥青路面产生车辙和纵向不平整，使水泥混凝土路面板块断裂。,在路面结构总变形中，路基土的变形约占,70%95%,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措施。,2.3.3,路基土的受力特性,1,、,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。,模量：初始切线模型切线模量割线模量回弹模量,2.3.3,路基土的受力特性,路基土的,应力,应变特性,对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响。,试验：,压入承载板,和三轴压缩试验。,压入承载板试验是研究路基土应力,-,应变特性最常用的方法。,以一定尺寸的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,。,通过承载板试验，得出路基顶面,压应力,与,回弹变形,的关系。,2.3.3,路基土的受力特性,2.3.4,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。,每次荷载作用后，回弹变形即时消失，塑性变形不能消失，残留在路基土之中，导致,塑性变形不断积累,，总变形量逐渐增大。,塑性变形的积累导致：,土体逐渐压密，土颗粒之间进一步靠拢直至达到稳定,逐步发展的剪切变形，引起土体整体发生剪切破坏,2.3.4,重复荷载对路基土的影响,土基在重复荷载作用下产生塑性累积变形，最终导致何种状况，主要取决于：,土的性质（类型）和状态（含水率、密实度、结构状态）,重复荷载的大小,：以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示称为相对荷载。,荷载的性质,：重复荷载的施加速度、每次作用的时间及重复作用的频率。,路基的承载能力和材料参数,2.4,2.4.2,路基材料参数,2.4.1,路基的承载力参数,2.4.1,路基的承载力参数,路基作为路面结构的基础，它抵抗车轮荷载能力的大小，主要取决于路基顶面在一定应力级位下,抵抗变形的能力，即路基承载力,都采用一定应力级位下的,抗变形能力,来表征；,具体表征路基承载力的参数指标有：,路基回弹模量,路基反应模量,加州承载比（,CBR,）,2.4.1,路基的承载力参数,路基回弹模量：,反应土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，即弹性性质，因而可以用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系,通常以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量,承载板可分为：,柔性压板,和,刚性压板,，其中,刚性压板使用较多,承载板的直径通常采用标准车辆轮印当量圆直径。,通过,承载板的挠度反算回弹模量,2.4.1,路基的承载力参数,路基回弹模量,：,荷载,-,回弹弯沉曲线的绘制：,采用逐级加载,-,卸载法，每级增加,0.05MPa,，待卸载稳定,1min,后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。回弹弯沉超过,1mm,时，则停止加载。,根据荷载,-,回弹弯沉曲线计算回弹模量：,E,0,：路基的回弹模量,MPa,0,：泊松比,p,i,、,l,i,:,各级荷载的单位压力,MPa,和对应的实际回弹弯沉,m,a:,承载板半径,m,2.4.1,路基的承载力参数,路基反应模量,：,路基模型：温克勒地基（弹簧地基）,温克勒地基假定：土基顶面任何一点的弯沉仅与作用于该点的垂直压力,p,成正比，而与其相邻点的压力无关。,反应模量即单位压力,p,（,MPa,）与弯沉,l,（,m,）,之比,用温克勒路基模型描述路基工作状态时，用路基,反应模量,表征路基的承载力。,又称稠密液体地基,2.4.1,路基的承载力参数,路基反应模量,：,路基反应模量的测定方法：,承载板加载试验，一次加载到位。承载板的直径为,76cm,。,当地基较软弱时，用,0.127cm,的弯沉量控制承载板的荷载；,当地基较为坚实时，弯沉难以达到,0.127cm,，则用,p=70kpa,控制承载板的荷载。,承载板的直径与,k,的关系,采用,D=30cm,的承载板时，,应进行修正,2.4.1,路基的承载力参数,加州承载比,：,概念：,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。,试验方法：,用一个端部面积为,19.35cm,2,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,1.27,cm,为止。,标准压力值：由高质量标准碎石由试验求得。,2.4.1,路基的承载力参数,加州承载比,CBR,计算：,p:,对应于某一贯入度的路基单位压力（,kpa,）,p,s,:,相应贯入度的标准压力（,kpa,），见表,2-13,路基模量参数和路基材料,CBR,要求,我国,公路水泥混凝土路面设计规范,（,JTG D40-2011,）给出土基,回弹模量设计参数选用的参考值,及,湿度调整系数,（表,2-15,和表,2-16,）,我国,公路路基设计规范,（,JTG D40-2004,）和,公路路基施工技术规范,（,JTG F10-2006,）对路基土作为填料的,CBR,提出了最低要求（表,2-8,）,2.4.1,路基的承载力参数,2.4.2,路基材料参数,