中南大学路基路面工程课件 2.路基路面材料的力学性质

1、路基路面工程 2011.032011.03主讲主讲 周建普周建普2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治2.4 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性2. 路基路面材料的力学性质路基路面材料的力学性质 2.1.1路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区（1）路基受力状况）路基受力状况 路基所受荷载作用有两种：路基所受荷载作用有两种：A）路基路面自重）路基路面自重 ； B）车辆荷载）车辆荷载 。 路基土中某一点的应力为路基土中某一点的应力为 （2-1-1） 的求解的求解

2、假定路基为弹性半空间体，车轮荷载为一圆形均布垂直荷载，假定路基为弹性半空间体，车轮荷载为一圆形均布垂直荷载，则则2.1 2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区BZZBZ2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区图图2-1 土基中应力分布图土基中应力分布图 式中：式中： 车轮荷载，车轮荷载，kNkN； 系数，一般取系数，一般取0.50.5； 圆形均布荷载中心下作用圆形均布荷载中心下作用点点 的深度，的深度，m m。 的求解的求解 （2-1-3） 式中：式中： 路基土容重，路基土容重，KN/m3KN/m3。2ZPKZ（2-1-2）BzB.pKZ2.1 路基受力与路基工作区路基受力与

3、路基工作区2.1.2路基工作区路基工作区 路基自重应力随深度而增加，车辆荷载应力随深度而减小。当达到路基自重应力随深度而增加，车辆荷载应力随深度而减小。当达到一定深度时，车辆荷载引起的应力与路基自重应力的比值很小（仅一定深度时，车辆荷载引起的应力与路基自重应力的比值很小（仅为为1/5-1/10）可忽略不计。该深度以上的区域范围称为）可忽略不计。该深度以上的区域范围称为路基工作区路基工作区或或应力作用区。应力作用区。 由由 得得 （2-1-4） 2ZpKZnZB3KnPZa2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区 式中：式中： 路基工作区深度，路基工作区深度，m； 车轮荷载，车轮荷载，K

4、N； 系数，取系数，取0.5； 系数，取系数，取510 路基工作区随车辆荷载的增大而加深路基工作区随车辆荷载的增大而加深；随路面结构层的刚度和厚度的随路面结构层的刚度和厚度的增加而减小增加而减小。 因此：因此： （2-1-5） 式中：式中： 路面结构层折算为同性质路基土的当量厚度，路面结构层折算为同性质路基土的当量厚度，m； 路基实际工作区深度，路基实际工作区深度，m。 aZPKnseaZZZeZsZ表表2-1列出了几种型号的汽车对应的路基工作区深度。列出了几种型号的汽车对应的路基工作区深度。 路基工作区深度 表2-1汽车型号汽车型号工作区深度（工作区深度（m m）汽车型号汽车型号工作区深度（

5、工作区深度（m）=5=5=10=10=5=5=10=10解放解放CA10BCA10B1.61.62.02.0上海上海SH130SH1301.21.21.51.5北京北京BH130BH1301.21.21.61.6黄河黄河NJ150NJ1501.91.92.42.4跃进跃进NJ130NJ1301.41.41.71.7红旗红旗CA773CA7731.01.01.31.3nnnn2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区2.1 路基受力与路基工作区路基受力与路基工作区 就路堤而言，当路基工作区深度小于填土高度时，荷载作用全部由路就路堤而言，当路基工作区深度小于填土高度时，荷载作用全部由路堤承担

6、；当路基工作区深度大于填土高度时，部分作用力传递给路堤堤承担；当路基工作区深度大于填土高度时，部分作用力传递给路堤下的地基承担。所以原地基的土质要符合要求，与路堤一样压实下的地基承担。所以原地基的土质要符合要求，与路堤一样压实。; 图图 2-22-2工作区深度和路基高度工作区深度和路基高度a)a)路堤高度路堤高度 大于大于 ；b) b) 路堤高度路堤高度 小于小于 aZaZHH2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标2.2.1 土质路基的变形特性土质路基的变形特性 （1）土基变形的非线形特征）土基变形的非线形特征 土基变形包括土基变形包括弹性变形弹性变形和和塑性变形塑性

7、变形。主要研究方法一般采用圆形刚。主要研究方法一般采用圆形刚性承载板法（图性承载板法（图2-3a）和三轴试验法（图）和三轴试验法（图2-3b）。）。 路基土的内部结构十分复杂，包括固相、液相和气相三部分，而固路基土的内部结构十分复杂，包括固相、液相和气相三部分，而固相部分又由不同成分、不同粒径的颗粒组成。所以在应力作用下的相部分又由不同成分、不同粒径的颗粒组成。所以在应力作用下的变形，变形，从微观角度看从微观角度看，是土的颗粒之间的相对移动。当移动的距离，是土的颗粒之间的相对移动。当移动的距离超出一定限度时，即使应力解除，土颗粒也不能再恢复原位。超出一定限度时，即使应力解除，土颗粒也不能再恢复

8、原位。从宏从宏观角度看观角度看，土基将产生不可恢复的残余变形。因此，土基的应力，土基将产生不可恢复的残余变形。因此，土基的应力-应变关系除了出现非线形特性之外，还表现出弹塑性质。由图应变关系除了出现非线形特性之外，还表现出弹塑性质。由图2-3C可见，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由可见，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由A回到回到B，0B即为塑即为塑性或残余变形。性或残余变形。2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标图图2-3 土的应力土的应力应变关系曲线应变关系曲线 用模量值用模量值E来评定土基的应力来评定土基的应力-应变状态，有四种模量值：应变状态，有四种模量值：

9、 初始切线模量初始切线模量：应力值为零时的应力：应力值为零时的应力应变曲线的斜率，如图应变曲线的斜率，如图2-3C中的中的； 切线模量切线模量：某应力级位处应力：某应力级位处应力应变曲线的斜率，如图应变曲线的斜率，如图2-3C中中的的，反映该级应力处应力，反映该级应力处应力应变的精确关系。应变的精确关系。 割线模量割线模量：以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割：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，如图线的斜率，如图2-3C中中所示，反映土基在工作应力范围内的应所示，反映土基在工作应力范围内的应力力-应变的平均状态；应变的平均状态； 回弹模量回弹模量：应力卸除阶段，应力

10、：应力卸除阶段，应力应变曲线的割线斜率，如应变曲线的割线斜率，如图图2-3C中中所示。所示。2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标 （2）重复荷载作用对路基土的影响）重复荷载作用对路基土的影响 一般呈如下一般呈如下规律规律：每一次荷载作用之后，回弹变形即行消失，而塑性：每一次荷载作用之后，回弹变形即行消失，而塑性变形不再消失，并随荷载作用次数的增加而累积逐渐加大，但随着荷变形不再消失，并随荷载作用次数的增加而累积逐渐加大，但随着荷载作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小。载作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小。 结果结果：土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密

11、实而稳定；土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定； 累积变形逐步发展成剪切破坏。累积变形逐步发展成剪切破坏。 出现哪一种结果取决于出现哪一种结果取决于三种因素三种因素： 土的类别和所处的状态（含水量、密实度、结构状态）。土的类别和所处的状态（含水量、密实度、结构状态）。 应力水平（亦称相对荷载）。相当于一次静载作用对的应力应力水平（亦称相对荷载）。相当于一次静载作用对的应力 极限极限极重复作用的应力程度。如一次静载作用时的应力极限极重复作用的应力程度。如一次静载作用时的应力极限极为极为100，重，重复荷载应力极限复荷载应力极限极为极为65，则应力水平为，则应力水平为0.65. 荷载作用的性质

12、荷载作用的性质.即重复荷载的施加速度、作用的的持续时间和重复即重复荷载的施加速度、作用的的持续时间和重复作用频率作用频率。2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标2.2.2 土质路基的强度指标土质路基的强度指标 路基路面结构强度除了与路面材料的品质有关之外，路基路面结构强度除了与路面材料的品质有关之外，路基的支撑起着路基的支撑起着决定性的作用决定性的作用。路基作为路面结构的基础，它抵抗车轮荷载能力的大。路基作为路面结构的基础，它抵抗车轮荷载能力的大小，主要决定于路基顶面的抗变形能力。所以，路基的承载能力都用

13、小，主要决定于路基顶面的抗变形能力。所以，路基的承载能力都用其抗变形能力来表征，参数指标有其抗变形能力来表征，参数指标有:回弹模量回弹模量、地基反应模量地基反应模量、加州承加州承载比（载比（CBR）等等 2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标 （1）土基回弹模量（）土基回弹模量（ ） 为荷载作用应力与应变的比值。表征土基的荷载为荷载作用应力与应变的比值。表征土基的荷载-变形特征，变形特征，反映土基在瞬时荷载作用下可恢复变形的性质。测定土基回弹模反映土基在瞬时荷载作用下可恢复变形的性质。测定土基回弹模量一般采用圆形刚性承载板法。量一般采用圆形刚性承载板法。 （2-2-1

14、） 式中：式中： 土基顶面垂直回弹变形，即回弹弯沉；土基顶面垂直回弹变形，即回弹弯沉； 荷载应力，荷载应力，MPa； 承载板直径，承载板直径，cm； 土基泊松比，取土基泊松比，取0.35。4)1 (200EpDllpD00E0E2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标l 试验时采用逐级加载卸载法，每级增加试验时采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，待卸载稳定，待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过1mm时时停止加载。按规定取停止加载。按规定取=1mm以内的测点用线性归纳法整理，并取以内的测点用

15、线性归纳法整理，并取D=30cm（相当于（相当于BZZ-100）。则）。则 （2-2-2） 30（1-0.352）3.14159/4=20.7l 土基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变形的能力。土基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变形的能力。l 若荷载为定值，回弹模量大，则产生的垂直变形小；若荷载为定值，回弹模量大，则产生的垂直变形小；l 若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力大。若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力大。iilpE7.2002.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标（2）地基反映模型量（）地基反映模型量（ ） 温克勒地基假设：

16、土基顶面任一点的垂直变形温克勒地基假设：土基顶面任一点的垂直变形 ，仅与作用于该点，仅与作用于该点的垂直压力的垂直压力 的大小成正比，而与相邻处的压力无关。垂直压力的大小成正比，而与相邻处的压力无关。垂直压力 与垂直变形与垂直变形 的比值，称为地基反应模量的比值，称为地基反应模量( )。即：。即： （kN/m3） （2-2-3）lpK KKllpp图图2-4 温克勒地基模型温克勒地基模型2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标l 地基反应模量值按规定用直径为地基反应模量值按规定用直径为76cm的圆形刚性承载板试验确定。的圆形刚性承载板试验确定。与土基回弹模量测定方法不同

17、的是一次加载到位。与土基回弹模量测定方法不同的是一次加载到位。l 承载板直径的大小对承载板直径的大小对 值的影响：直径越小，值的影响：直径越小， 值越大，当承载值越大，当承载板直径大于板直径大于76cm时，时， 值变化很小。值变化很小。30764 . 0 KK（2-2-4）图图2-5 2-5 地基反应模量地基反应模量与承载板直径的关系与承载板直径的关系l当采用直径为当采用直径为30cm承载板测定时承载板测定时,可按下式修正可按下式修正：KKK2.2 土质路基的变形特性和强度指标土质路基的变形特性和强度指标 （3）加州承载比（）加州承载比（CBR） 是美国加利福尼亚州提出的评定土基及路面结构层材

18、料承载能力的指是美国加利福尼亚州提出的评定土基及路面结构层材料承载能力的指标，承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力来表征。材料的标，承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力来表征。材料的CBR值，指值，指材料贯入量达材料贯入量达2.54mm与标准碎石压入相同贯入量时标准与标准碎石压入相同贯入量时标准压力的比值百分数。压力的比值百分数。即：即： （2-2-5） 式中：式中： 对应于某一贯入量的土基单位压力，对应于某一贯入量的土基单位压力，KPa； 与土基贯入量相同的标准碎石单位压力，与土基贯入量相同的标准碎石单位压力，KPa。%100sppCBRpsp贯入量（mm）2.545.087.621

19、0.1612.7标准压（KPa）703010550133601617018230 标准压力值（标准压力值（ P PS S ） 表表2-22.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治 2.3.1 路堤病害及其原因路堤病害及其原因 （1）路基沉陷）路基沉陷 指路基表面产生较大的垂直沉降。指路基表面产生较大的垂直沉降。 路基沉陷路基沉陷：堤填筑均匀，但是压实程度不足，产生均匀沉降。：堤填筑均匀，但是压实程度不足，产生均匀沉降。 路基沉缩路基沉缩：路堤土含水量过高，水分蒸发使堤身收缩产生不均匀下陷：路堤土含水量过高，水分蒸发使堤身收缩产生不均匀下陷 地基沉陷地基沉陷：天然地基承载力不足，在路基土和

20、行车荷载作用下使地基：天然地基承载力不足，在路基土和行车荷载作用下使地基 下沉、路基沉落，一般发生在软弱地基上。下沉、路基沉落，一般发生在软弱地基上。 原因原因：筑路材料不良；筑路材料不良；施工压实不够；施工压实不够；地基承载力不足地基承载力不足。图图2 2-6 -6 路基沉陷路基沉陷a)a)路基沉陷；路基沉陷；b)b)路基沉缩；路基沉缩；c)c)地基沉陷地基沉陷2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治 （2）边坡滑塌）边坡滑塌 溜方溜方：边坡上方少量土体被水饱和沿边坡向下滑移。：边坡上方少量土体被水饱和沿边坡向下滑移。 滑坡滑坡：路堤一部分土体或路堑边坡上方一部分山体沿滑动面向下滑移

21、。：路堤一部分土体或路堑边坡上方一部分山体沿滑动面向下滑移。 原因原因：边坡过高过陡；边坡过高过陡； 水的浸湿，降低了土体的抗剪强度水的浸湿，降低了土体的抗剪强度 ； 斜层法堆筑路堤形成潜在的软件弱面；斜层法堆筑路堤形成潜在的软件弱面； 坡脚被水冲刷淘空，失去支撑；坡脚被水冲刷淘空，失去支撑；图图2-7 2-7 路基边坡滑塌路基边坡滑塌a)a)、b)b)溜方；溜方；c)c)滑坡滑坡图图2-8 滑坡体实况滑坡体实况2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治 （3）碎落与崩塌）碎落与崩塌 碎落碎落：石质路堑边坡表层岩石从坡面脱落向下滚落。：石质

22、路堑边坡表层岩石从坡面脱落向下滚落。 崩塌崩塌：路堑边坡上较大较多石块脱离坡面沿边坡滚落。：路堑边坡上较大较多石块脱离坡面沿边坡滚落。 原因：原因：边坡过陡；边坡过陡； 风化、振动、土石夹层；风化、振动、土石夹层； 水的浸湿。水的浸湿。图图2-9 边坡崩落塌边坡崩落塌2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治 （4）路堤沿山坡地基滑移）路堤沿山坡地基滑移 路堤整体或一部分沿山坡地基向下滑移。路堤整体或一部分沿山坡地基向下滑移。 原因原因：路堤填筑前未清表或未挖成阶梯状；路堤填筑前未清表或未挖成阶梯状； 路堤上方边坡排水不畅；路堤上方边坡排水不畅； 坡脚未进行必要的支撑。坡脚未进行必要的支

23、撑。图图2-10 路堤沿山坡地基滑移路堤沿山坡地基滑移2.3 路基主要病害及其防治路基主要病害及其防治（）不良地质条件造成的路基病害（）不良地质条件造成的路基病害 如泥石流，雪崩，岩溶，地震，冻胀与翻浆，特大暴雨水毁等。如泥石流，雪崩，岩溶，地震，冻胀与翻浆，特大暴雨水毁等。2.3.2 路基病害的路基病害的防治措施防治措施 （）正确设计路基横断面；（）正确设计路基横断面； （）选择良好的路基土，必要时对路基上层填土作稳定处理；（）选择良好的路基土，必要时对路基上层填土作稳定处理； （）采用正确的填筑方法；充分压实路基工作范围；（）采用正确的填筑方法；充分压实路基工作范围； （）适当抬高路基，防

24、止水分进入路基工作区范围；（）适当抬高路基，防止水分进入路基工作区范围； （）合理进行排水设计（包括地表排水、地下排水、路面结构排水）；（）合理进行排水设计（包括地表排水、地下排水、路面结构排水）； （）设置隔离层（隔绝毛细水上升）、隔温层（减少冻深）和砂垫层（）设置隔离层（隔绝毛细水上升）、隔温层（减少冻深）和砂垫层（疏干路基）；（疏干路基）； （）采用边坡防护与加固措施，修筑档土结构物，提高路基整体稳定性。（）采用边坡防护与加固措施，修筑档土结构物，提高路基整体稳定性。2. 4 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性路面材料可分为三类：路面材料可分为三类：松散颗粒型材料及块料松散颗粒

25、型材料及块料；沥青结合料类沥青结合料类；无机结无机结合料类合料类。由于各种材料的性质不同及路面结构层成型方式不同，在车轮荷载和。由于各种材料的性质不同及路面结构层成型方式不同，在车轮荷载和环境因素的作用下表现出不同的力学强度特性，对路面的使用品质和使用寿命环境因素的作用下表现出不同的力学强度特性，对路面的使用品质和使用寿命有重大影响。深刻理解路面材料的力学强度特性指标，有助于正确判别各种路有重大影响。深刻理解路面材料的力学强度特性指标，有助于正确判别各种路面病害的真实原因，有助于正确理解路面设计方法的基本原理。面病害的真实原因，有助于正确理解路面设计方法的基本原理。2.4.1 抗剪强度抗剪强度

26、（1）产生剪切破坏的原因）产生剪切破坏的原因路面结构层较薄，总体刚度不足。传递给土基的剪应力过大，导致路基路面路面结构层较薄，总体刚度不足。传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏。整体结构发生剪切破坏。无结合料的粒料基层层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪无结合料的粒料基层层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏。切破坏。面层材料抗剪强度较低，在受到较大水平力时，面层材料产生波浪、推移、面层材料抗剪强度较低，在受到较大水平力时，面层材料产生波浪、推移、拥包等各种剪切破坏。拥包等各种剪切破坏。（2）抗剪强度参数）抗剪强度参数 2. 4 路面材料的力学强

27、度特性路面材料的力学强度特性、式中：式中： 材料的抗剪强度，材料的抗剪强度，KPa； 材料的粘结力，材料的粘结力，KPa； 法向正应力，法向正应力，KPa； 材料的内摩檫角（材料的内摩檫角（）c 和和 是表征路面材料抗剪强度的两个参数，可通过直剪试验或三轴试验是表征路面材料抗剪强度的两个参数，可通过直剪试验或三轴试验绘出绘出 曲线后，取其包络线按上式近似确定曲线后，取其包络线按上式近似确定 、 。cc图图2-11 三轴试验确定三轴试验确定 、 ctanc（2-4-1）2. 4 路面材料的力学强度特性路面材料的力学强度特性l 沥青混合料受剪时，除了集料之间的摩檫阻力之外，还有集料与沥青之间的沥青

28、混合料受剪时，除了集料之间的摩檫阻力之外，还有集料与沥青之间的粘结力以及沥青薄膜之间的粘粘滞阻力共同形成抗剪强度。粘结力以及沥青薄膜之间的粘粘滞阻力共同形成抗剪强度。l 因此，沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、温度、加荷速率等因素因此，沥青混合料的抗剪强度与沥青的粘度、用量、温度、加荷速率等因素有关。有关。2.4.2 抗拉强度抗拉强度u沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在温度骤然变化特别是骤然降沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在温度骤然变化特别是骤然降低时，会产生收缩，在湿度降低时会产生明显的干缩。这些收缩变形受到约低时，会产生收缩，在湿度降低时会产生明显的干缩。这些收缩变形受到约束阻力时在结构层内产生拉应力。当材料的抗拉强度不足以抵抗这些拉应力束阻力时在结构层内产生拉应力。当材料的抗拉强度不足以抵抗这些拉应力时，路面结构层会产生拉裂破坏。时，路面结构层会产生拉裂破坏。u路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供，可采用直接拉伸路面材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验绘制应力或间接拉伸试验绘制应力