(2.6)--路基土的特性及设计参数.pdf
路基路面工程 Road Subgrade and Pavement Engineering 2.1 路基土的分类及工程特性2.2 路基工作区2.3 路基水温状况及干湿类型2.4 路基的力学特性与强度指标 路基土的分类及工程特性路基土的分类路基土的工程性质Please replace the written content请替换文字内容 我国公路用土依据颗粒组成特征、土的塑性指数和土中有机质含量的情况，分为四类12种土。土巨粒土漂石土卵石土粗粒土砾类土砂类土细粒土粉质土黏质土有机质土特殊土黄土膨胀土红粘土盐渍土冻土土分类总体系一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容细中粗细中粗黏粒粉粒砂砾（角砾）卵石（小块石）漂石（块石）细粒组粗粒组巨粒组200 60 20 50.50.250.07520.002（mm）粒径不同粒组的划分界限及范围一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容1.巨粒土：巨粒组（大于60mm的颗粒）质量多于总质量的：75%的土称漂（卵）石；50%-75%漂（卵）石夹土；15%-50%漂（卵）石质土。2.粗粒土:巨粒组（大于60mm的颗粒）质量小于或等于总质量的15%，且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和多于总质量的50%。砾类土：砾类组（2-60mm的颗粒）质量多于砂粒组质量的土。砂类土：砾类组质量小于或等于砂粒组质量的土。一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容细粒土粉质土高（低）液限粉土粗粒组25%含砾（砂）高（低）液限粉土粗粒组25%,50%黏质土 高（低）液限黏土粗粒组 25%含砾（砂）高（低）液限黏土粗粒组25%,50%有机质土A线或A线以上有机质高（低）液限黏土A线以下有机质高（低）液限粉土3.细粒土：细粒组（小于0.075mm的颗粒）质量不少于总质量的50%的土。0102030405060708090100110102030405060IP=7IP=4CLCLOCHCHOMHMHOMLMLOA线 IP=0.73(WL-20)B线 WL=50%AB塑塑性性指指数数I IP P%液限液限W WL L（%）一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容4.特殊土：主要包括黄土Y，膨胀土E，红黏土R，盐渍土St，冻土Ft。黄土属于低液限粘土（CLY）；膨胀土属于高液限粘土（CHE）；红黏土属于高液限粉土（MHR）盐渍土按照土层中所含盐的种类和质量百分率进行分类。(St)冻土可分为多年冻土、隔年冻土和季节性冻土。(Ft)0102030405060708090100110102030405060A塑塑性性指指数数I IP P%液限液限W WL L（%）CLYCHEMHR一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容土的基本代号表一、路基土的分类 Please replace the written content请替换文字内容二、路基土的工程性质1.巨粒土漂石：砌筑边坡，或破碎后用作混合材集料.卵石：砌筑边坡，或破碎后用作混合材集料，是强度和稳定性都好的路基填料，但是不能用于路基上层填筑。2.粗粒土砾类土：是强度和稳定性都好的路基填料；也可做公路路面基层、底基层。砂类土：砂土：好的路基填料。但砂土粘结性差，无塑性，易于松散，压实困难。砂性土：是强度和稳定性都好的优良路基填料。雨天不泥泞，晴天不扬尘。3.细粒土粉质土：含较多粉土颗粒，易于破碎，浸水易成为流动状态,毛细作用强，是不良路基填料。黏质土：透水性小，干缩湿胀。干燥坚硬，浸湿长期保持水分，不易挥发，承载力小。有机质土：不宜用作路基填料。4.特殊土不宜用作路基填料，用于路基时必须采取技术措施加以处理。总之：砂类土最优，黏质土次之，粉质土属于不良材料。路基土的分类路基土的工程性质 路基工作区路基受力状况路基工作区案例分析Please replace the written content请替换文字内容一、路基受力状况l 自重引起土基的垂直应力 BZl 车轮荷载作用下引起的垂直应力2zPKZ布辛尼斯克公式 Please replace the written content请替换文字内容1、定义：在路基某一深度Za处，车轮引起的垂直应力 与自重引起垂直应力 之比大于0.1时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。zB3aKnPZaZp式中：路基工作区深度一侧车轮荷载土重度k系数K=0.5n系数=102、计算公式：布辛尼斯克公式 2zPKZBZ二、路基工作区Please replace the written content请替换文字内容 路基工作区深度随路面刚度和厚度的增加而减少，因此，将路面折算为与路基同一性质的整体。需要将路面厚度折算为与路基同一性质的土体，对于沥青路面当量厚度，可采用下式计算：5.2011EEhhinii式中：hi沥青路面结构的厚度 Ei沥青路面结构模量 E0 路床顶面的综合模量 二、路基工作区Please replace the written content请替换文字内容p 荷载:轮载P=50kN；单位压力p=0.707MPa、轮印直径30cm；p 某高速公路路面结构：路面结构为4cmAC+6cmAC+8cmAC+38cm水泥稳定碎石+20cm二灰土；抗压模量分别为18500Mpa,16500Mpa,14500Mpa,19500Mpa,和9500Mpa；p 路基模量为90Mpa，土重度16.2kN/m3；p 路基高度为3.0m。l 已知条件：l 试计算路基工作区。三、案例分析Please replace the written content请替换文字内容l 计算过程：（1）路基工作区从路床顶面开始算起,布氏公式得到：路基高度为3.0m，路面厚度为4+6+8+38+20=76cm，故路床顶面据天然地表距离为3.0-0.76=2.24m0.1Please replace the written content请替换文字内容三、案例分析层状体系理论计算Please replace the written content请替换文字内容（4）路面结构折算后，用层状体系理论求解车辆荷载的应力:三、案例分析H=3.0Za=2.49m2.24mZa=0.1775m路面厚度0.76mPlease replace the written content请替换文字内容三、案例分析 工作区必须从路面顶面开始；须对路面当量厚度修正公式再修正；荷载应力计算用层状体系更加合理。l 案例结论：ZaZaHHl 路基工作区和路基高度的关系HZa时工作区在路堤之内，应加强填土压实，增加强度HZa时路基的路床各层和路堤应同时满足设计要求,并充分压实。天然地基填筑前充分压实。路基水温状况及干湿类型路基湿度来源路基湿度影响因素路基土的基质吸力与饱和度路基平衡湿度状况和预估方法Please replace the written content请替换文字内容一、路基湿度来源 大气降水 水蒸汽凝结水 地面水 地下水 毛细上升水 薄膜移动水 Please replace the written content请替换文字内容气候因素l 降雨量l 蒸发量l 日照l 温度路基湿度的控制因素：地下水位、气候因素地下水位l 土质类型l 地下水位二、路基湿度影响因素Please replace the written content请替换文字内容l JTG D30-2015，用饱和度表征土体平衡湿度，路基工作区和地下水位确定湿度状况。LcLPwwwww0)(PLwwl 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(土质为砂性土),土的平均稠度不能全面反映路基土的湿度状态。cw三、路基土的基质吸力与饱和度Please replace the written content请替换文字内容1 1、土的饱和度土的饱和度S(%)S(%)：三、路基土的基质吸力与饱和度l 土在取样过程中因扰动，密度和含水率难以准确测定，且路面竣工后，路基在整个使用期内处于非饱和状态，其湿度状况主要由基质吸力所决定。l 根据土力学理论，非饱和状态的含水率与基质吸力的关系，预估路基湿度状况。（饱和度）sswGdvwww11或vdwswdswwSGGPlease replace the written content请替换文字内容2 2、土的基质吸力、土的基质吸力三、路基土的基质吸力与饱和度l 基质吸力是孔隙气压力ua与孔隙水压力uw之差，l 路基土的基质吸力预估模型：所受地下水位控制，预估基质吸力模型：采用NCHRP1-37A法但对气候因素控制的预估误差较大，需要对“气候因素控制”情况建立新的基质吸力预估模型，即TMI模型。mwhymawhuuPlease replace the written content请替换文字内容/TMI mhe2 2、土的基质吸力、土的基质吸力l 路基土的基质吸力预估模型wPI00.300419.07133.4515.00.50.300521.50137.3016.050.300663.50142.5017.5100.300801.00147.6025.0200.300975.00152.5032.0500.3001171.20157.5027.8 气候因素控制，建立湿度指数TMI-wPI与基质吸力预估模型：不同自然区划的TMI值是由全国400多个气象观测站的气象资料计算、统计和归并后得到的。考虑到理论计算相对复杂，给出了附录C的查表法。回归参数三、路基土的基质吸力与饱和度Please replace the written content请替换文字内容3、土的基质吸力与饱和度之间关系 基于非饱和土力学中土水特性曲线理论预估路基湿度 路基平衡湿度的预估主要基于非饱和土力学的土水特征曲线（饱和度或含水率基质吸力关系曲线）。只要知道土的基质吸力，便可得到饱和度。三、路基土的基质吸力与饱和度Please replace the written content请替换文字内容路基平衡湿度状况和路基平衡湿度的概念：l公路建成通车后，路基在地下水、降雨、蒸发、冻结和融化等因素作用下，湿度达到相对稳定的湿度状态，称为路基平衡湿度状况。l路基平衡湿度是土体中孔隙水最终达到平衡分布状态时的湿度(饱和度)。路基工作区l在路基某一深度Za处，车轮引起的垂直应力与自重引起垂直应力之比大于0.1时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。它是描述路基湿度类型的重要依据。ZaZaHH四、路基平衡湿度状况和预估方法 Please replace the written content请替换文字内容路基的平衡湿度状况：路基湿度平衡时，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。四、路基平衡湿度状况和预估方法 Please replace the written content请替换文字内容路基干湿状况判别步骤：调查地下水位高程，确定地下水位到地面的距离hw；确定毛细水的上升高度h0；计算确定路基工作区深度Za；判别毛细湿润面在路基工作区的位置，确定路基干湿状况。01 0Che d3aK n PZe 土的空隙比；d10土的有效粒径；C 系数，一般取110-5510-5（m2）。由海森公式预估布式公式计算四、路基平衡湿度状况和预估方法 Please replace the written content请替换文字内容34土组名称颗粒粒径d10(mm)孔隙比e毛细水（cm）上升高度饱和毛细水头粗砾0.820.275.46砂砾0.200.4528.420细砾0.300.2919.520粉砾0.060.45106.068粗砂0.110.2782.060中砂0.030.36165.5112细砂0.020.48-0.66239.6120粉土0.0060.93-0.95359.2180不同土质毛细水上升高度不同土质毛细水上升高度根据野外观测资料，针对不同土质给出了毛细水上升高度推荐值，其中黏土约为根据野外观测资料，针对不同土质给出了毛细水上升高度推荐值，其中黏土约为6m6m，砂质粘土或粉土约为砂质粘土或粉土约为3m3m，砂土约为，砂土约为0.9m0.9m。四、路基平衡湿度状况和预估方法 Please replace the written content请替换文字内容气候因素控制TMI-wPI模型基质吸力预估 干燥类平衡湿度预估 地下水控制 基质吸力预估潮湿类平衡湿度预估wy模型四、路基平衡湿度状况和预估方法 路基平衡湿度预估Please replace the written content请替换文字内容四、路基平衡湿度状况和预估方法 l 干燥类路基根据干燥类路基根据TMITMI确定确定-由区划确定由区划确定TMITMI路基平衡湿度预估Please replace the written content请替换文字内容四、路基平衡湿度状况和预估方法 l 潮湿类路基直接根据地下水位高度确定潮湿类路基直接根据地下水位高度确定路基平衡湿度预估Please replace the written content请替换文字内容四、路基平衡湿度状况和预估方法 l 中湿类路基-由干燥和潮湿分别确定再加权。（1）先确定路基工作区上部和下部位置，确定各自平衡湿度。地下水毛细润湿面以上路基工作区上部，按干燥类路基确定其平衡湿度，作为上部值；地下水毛细润湿面以下路基工作区下部，按潮湿类路基确定毛细润湿面最上部和毛细润湿面下部各自的平衡湿度，其平均值为下部值。（2）再以厚度加权平均计算路基的平衡湿度。路基平衡湿度预估路基湿度来源路基土的基质吸力与饱和度路基湿度影响因素路基平衡湿度状况和预估方法 路基的力学特性与强度指标土基的力学强度特性土基承载能力参数指标路基设计参数Please replace the written content请替换文字内容1、路基土的应力-应变特性路基是路面结构的支承体，车轮荷载通过路面结构传至路基。所以土基的。在理想状态下认为应力应变时线性的，应力消失，应变消失，恢复初始状态。在实际中土基的应力应变特性是的非线性，。即在每一次荷载作用之后，回弹变形即时消失，而塑性变形则不能消失，变形累积使路面产生变形和破坏。一、土基的力学强度特性Please replace the written content请替换文字内容l 应力应变测定方法 压入承载板法（最常采用的方法）：刚性承载板置于土基顶面，逐级加载，记录荷载和变形关系。DP2(1)4（弹性力学理论）pDEl1、路基土的应力-应变特性 三轴压缩试验13土土 体体1313一、土基的力学强度特性Please replace the written content请替换文字内容尽管土基应力应变十分复杂，但评价应力应变状态及路面设计时仍用来表示。l 模量值E局部线形方法：曲线的某一微小段视为直线，它的斜率作为模量值。初始切线模量 切线模量 割线模量 回弹模量：卸载阶段1、路基土的应力-应变特性O残残余余变变形形回回弹弹变变形形总总变变形形土的应力应变关系曲线BA一、土基的力学强度特性Please replace the written content请替换文字内容2、重复荷载对路基的影响重复荷载作用下，路基产生弹性变形和塑性变性，弹性变形随荷载移开而恢复，塑性变形则发生累积。l 累积两种结果 颗粒靠拢，越来越密实。塑性变形越来越小，直至稳定。剪切变形发展，逐步形成剪裂面，土体破坏。土的性质与状态（含水率；密实度；结构状态等）；相对荷载大小（或称应力强度比，即重复荷载与一次静载下极限强度之比）重复荷载作用的性质（如施加速度、每次施加时间，作用频率等）l 产生不同结果的影响因素一、土基的力学强度特性Please replace the written content请替换文字内容 l重复应力的临界值u当土处于一定含水率情况下，重复荷载作用下，土体不发生破坏，则需要重复荷载低于一定值，即为临界值。u重复应力低于临界值，可达到我们所希望的。此时土体的总应变与重复荷载作用次数的关系为：1lgabN式中：a-应力一次作用下的初始应变 b-应变增长回归系数 N-应力重复作用次数 2、重复荷载对路基的影响一、土基的力学强度特性确定土基的回弹模量时，采用重复加载三轴压缩试验三轴压缩试验来进行。Please replace the written content请替换文字内容在车轮荷载的作用下，路基、路面结构的强度与刚度除了与路面材料的品质有关之外，路基的支承起着决定性的作用。用于表征土基承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比（CBR）等。二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容1、路基回弹模量（1）路基回弹模量：反映土基在瞬间荷载作用下的可恢复变形性质，进而表征土的承载能力。praal l（r r）p p（r r）柔性承载板柔性承载板（2）测定方法:2002(1)rp alE204(1)rap alE2)(aPrppraal l（r r）p p（r r）刚性承载板刚性承载板202(1)4rapalE221()2pap rar二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容二、土基承载能力参数指标 测定时宜采用逐级加载卸载法（直径30.4cm的板）。每级增加0.05Mpa,待稳定1min后的回弹弯沉值，再加下一级荷载，如此施加n级荷载后（回弹弯沉值超过1mm后，停止加载），即可点绘出荷载-弯沉曲线。（2）测定方法刚性承载板：)1(220iilpaE1、路基回弹模量Please replace the written content请替换文字内容二、土基承载能力参数指标（3）路基土动态回弹模量：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。（4）测试方法：首先施加30.0kpa预载围压；并对试件施加最大轴向应力为66.0kpa的半正矢脉冲荷载，至少1000次；调整围压和半正矢脉冲荷载，以10Hz的频率重复加载100次；采集最后5个波形的荷载及变形曲线，记录并计算。00RM1、路基回弹模量由于重复应力峰值与回弹应变峰值可能不同步，因此动态模量值是近似的值。Please replace the written content请替换文字内容二、土基承载能力参数指标l 路基土动态回弹模量参考值注注:1 1）对于砾和砂，）对于砾和砂，D D6060 （通过率为（通过率为60%60%时的颗粒粒径）大时，模量取高值，时的颗粒粒径）大时，模量取高值，D D6060 小时，小时，模量取低值模量取低值;2 2）对于其他含细粒的土组，小于）对于其他含细粒的土组，小于0.075mm0.075mm颗粒含量大和塑性指数高时，模量取低值，反之，模量取高值。颗粒含量大和塑性指数高时，模量取低值，反之，模量取高值。3 3）同等条件下，轻、中等及重交通荷载时路基土回弹模量取较小值，特重、极重交通条件下取较大值。）同等条件下，轻、中等及重交通荷载时路基土回弹模量取较小值，特重、极重交通条件下取较大值。1、路基回弹模量Please replace the written content请替换文字内容p温克勒地基温克勒地基lpK 符合这一假定的地基如同由许多个不相联的弹簧所组成。压力p与弯沉 之比成为地基反应模量K,即：l（1）地基反应模量：土基顶面任意点弯沉 仅与作用在该点的垂直压力p成正比与相邻点处压力无关。l2、地基反应模量（温克勒地基）二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容76300.4kk1.77Rkk（2）测定方法：承载板直径采用76cm；加载一次到位；弱土基：用0.127cm沉降量控制；坚硬土基：以P=70kpa均布压力控制，测得相应得p,76cm和30cm承载板换算公式：地基回弹反应模量：l2、地基反应模量（温克勒地基）二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容3、加州承载比（CBR）（1）加州承载比：承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力为表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们相对比值表示CBR值。15.24cm1.27cmCBR试验装置百分表百分表19.35cm压头压头环形砝码环形砝码式中：P对应于某一贯入度的单位压力；PS与土基贯入度相同的标准压力。CBR=P/PS100%（2）测定方法：二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容l 常用CBR值二、土基承载能力参数指标Please replace the written content请替换文字内容三、路基设计参数1、路基的设计参数的确定l 我国在现场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。2、路基回弹模量设计参数E0的取值l 新建公路，平衡湿度状态下路基回弹模量设计值E0，可由标准状态下的路基回弹模量MR，通过湿度调整系数KS和模量折减系数K确定。式中：MR 标准状态下路基回弹模量值MPa）；KS 路基回弹模量湿度调整系数；K 干湿循环或冻融循环条件下路基土 模量折减系数，通过试验确定。初步设计时，非冰冻地区可根据土质类型、失水率确定，季节性冰冻区可根据冻结温度含水率确定，折减系数可取0.7-0.9。Please replace the written content请替换文字内容（1）标准状态下路基回弹模量设计参数MR的取值 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（10Hz），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查表取回弹模量参考值。初步设计阶段，也可由路基土或粒料的CBR（%）值估算标准状态下路基土或粒料的回弹模量值。三、路基设计参数Please replace the written content请替换文字内容（1）标准状态下路基回弹模量设计参数MR的参考值三、路基设计参数Please replace the written content请替换文字内容（2）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。潮湿类-Ks可参照表查取；干燥类-Ks可参照表查取；中湿类-Ks以路基工作区上、下部的厚度加权得到。三、路基设计参数Please replace the written content请替换文字内容59（3）路面结构设计的路基回弹模量要求值E0三、路基设计参数交通荷载等级极重特重重中等轻交通沥青路面70605040水泥混凝土路面806040路床顶面回弹模量值要求（MPa）（不小于）谢谢您的聆听 Road Subgrade and Pavement Engineering
