第二章路基土

1、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2.1u 2.1.2路基土的工程性质u 2.1.3路基填料的选择u 2.1.1路基土的

2、分类u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u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u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u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Cu和曲率系数C

3、c来表示。2.1.1路基土的分类 2306010cdCdd式中d10、d30、d60 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%。u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u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

4、粒土分类。2.1.1路基土的分类u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u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u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u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

5、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。u路基填料指的是路堤施工中的填方筑路材料。u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u若无合适天然土源，如何处理？u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u常见的填料类型：漂石、卵石与粗粒石土石混合料砾类

6、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2.2u 2.2.2大气温度及其对路基水温状况的影响u 2.2.3路基干湿类型u 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u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

7、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u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u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u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u地下水与温度

8、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u稠度的定义LcLp 2.2.3路基干湿类型u液性指数PLLpI2.2.3路基干湿类型u塑性指数PLPIu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u判别路基干湿类型的

9、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： LiiciLipi1nciicnc2.2.3路基干湿类型u路基干湿类型表： 2.2.3路基干湿类型u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2.3u 2.3.2路基工作区u 2.3.3路基土的受力特性u 2.3.4重复荷载对路基

10、土的影响u 2.3.1路基受力状况2.3.1路基受力状况 2zPKZP:一侧轮轴荷载（KN）K：系数，0.5Z：圆形均布荷载中心下应力作用点的深度m2.3.1路基受力状况 BZ zBu路基土在某一深度处的垂直总应力为：2.3.2路基工作区u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。u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。u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u路基工作区计算：Za：路基工作

11、区深度mP：一侧轮重荷载KNK：系数0.5 ：土的重度KN/m3n： 系数，取5或103aKnPZ2.3.2路基工作区u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。u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u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

12、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u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

13、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u路基土承受着车轮荷载的多次重复作用。u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。u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u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

14、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2.4u 2.4.2路基材料参数u 2.4.1路基的承载力参数2.4.1路基的承载力参数u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；u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

15、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：20012iipaElE0：路基的回弹模量MPa0：泊松比pi、li :各级荷载的单位压力MPa和对应的实际回弹弯沉ma: 承载板半径m2.4.1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

16、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pKl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。又称稠密液体又称稠密液体地基地基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19.35cm2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1.27cm为止。标准压力值：由高质量标准碎石由试验求得。2.4.