02路基土的特性及设计参数_演讲版（PPT70页)

《路基路面工程》PavementEngineering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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；0.002mm是粘粒与粉粒的区分界限。土的基本代号1、路基土的分类不均匀系数Cu和曲率系数Cc1、路基土的分类•1）巨粒土1、路基土的分类巨粒土1、路基土的分类•2）粗粒土试样中巨粒组质量少于或等于15%，且巨粒组颗粒与粗粒组颗粒含量之和大于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。粗粒土粗粒土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wL≥50%）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）细粒土细粒土粉土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。•①黄土：低液限黏土（CLY），分布范围大部分在A线以上，且wL40%；②膨胀土：高液限黏土（CHE），分布范围大部分在A线以上，且wL50%；③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。2、路基土的工程性质•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，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（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3、路基填料的选择节尾第三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路基自重应力：ZB路基任意点：BZ1、路基受力分析25.21DZpz1）均布荷载2）集中荷载0.5K,2一般ZPKZ车轮荷载应力：3）层状体系理论求解均布荷载的应力进行计算更加准确在路基某一深度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大于等于0.1时对应的深度，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，应将路面折算为与路基同一性质的整体后，再进行计算。5.2011EEhhinii要求：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。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2、路基工作区（subgradeworkzone）2、路基工作区(subgradeworkzone)•路基工作区深度•公路设计标准车：黄河JN150-后轴重100KN，压力0.707MPa0.5K,3一般KnPZa路基工作区计算算例路基工作区计算分析ppt223、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。3、路基土的受力特性•（2）路基土应力—应变状态测定-模量lpaEr002021lpaEra41020lpaE214020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prPr2prpaar12223、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，如图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，如图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，如图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，如图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。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。4、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-由此路面设计规定了路基顶面压应变。节尾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1、路基湿度的来源1）路基水的来源路基水的来源示意图1、路基湿度的状况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……2、大气温度及其对路基水温状况的影响1）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2）路基水温状况变化相应的措施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。)()(PLLc0)(PLww3、路基土的基质吸力与饱和度•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(TMI)1）采用基质吸力指标的原因3、路基土的基质吸力与饱和度•2)重力含水率(w)、体积含水率(θw)和饱和度(S)Gs和ρd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θw发生变化，S和θw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。11ddwsswSSGdswSGe11swswdsdwwSG三者关系式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。基质吸力为孔隙气压力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。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？01002003004005006007000.010.020.030.040.050.0地下水位(m)基质吸力(kPa)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。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1101001000100001000001000000-60-50-40-30-20-1001020304050607080TMI基质吸力（kPa）测试数据wPI=0wPI=0.5wPI=5wPI=10wPI=20wPI=50β/TMIγmhαδmwhye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wPIαβγδ00.300419.07133.4515.00.50.300521.50137.3016.050.300663.50142.5017.5100.300801.00147.6025.0200.300975.00152.5032.0500.3001171.20157.5027.8节尾2.路基工作区he-'aaZZ4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法•路基工作区示意图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。•路基干湿类型判别步骤：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；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010Ched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。4、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法5、路基平衡湿度状况和路基平衡湿度预估方法•毛细水上升高度-潮湿类湿度推荐表0.62～0.9510.18～18.686～8.26粘土0.74～0.9911.17～18.923～3.36粉土0.90～1.0012.99～14.350.8~1.2粘土质砂0.81～0.9512.81～15.000.8~0.9砂饱和度Sr含水量ω（％）毛细水上升最大高度h0（m）土质类型潮湿类湿度推荐表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潮湿类路基直接根据地下水位高度确定