路基的力学特点及影响因素

路基的力学特点及影响因素第一页，共二十九页，2022年，8月28日1第一节路基土的分类及工程性质一、路基土的分类依据颗粒组成、土的塑性指数和土质化学成分为4类11种细中粗细中粗粘粒粉粒砂砾（角砾）卵石（小块石）漂石（块石）细粒组粗粒组巨粒组200602050.50.250.07420.002（mm）注：除细粒按照含量超过25%,其余按照大于该粒径的颗粒含量超过50％归类土巨粒土特殊土细粒土粗粒土漂石土卵石土砾类土砂类土粉质土粘质土有机质土黄土膨胀土红粘土盐渍土第二页，共二十九页，2022年，8月28日2二、各种土的路用性质（一）巨粒土1.漂石——用作砌筑工程结构物，或破碎后用作混合材集料，不能用于路基填筑2.卵石——用作砌筑工程结构物，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（二）粗粒土1.砾类土——是强度和稳定性都好的路基填料，但是不建议用于路基上层填筑；级配和强度等性质优良的砾石或砂砾用作混合材集料（水泥混凝土或贫混凝土等）2.砂类土（1）砂——纯粹的砂是强度和稳定性都好的路基填料，同时也用于其他混合材集料，细砂或粉砂容易产生被动水携带、砂土液化或管涌，不适用于高路堤、沿河路堤和堤坝（2）砂性土——是强度和稳定性都好的优良路基填料（三）细粒土1.粉质土——强度低，干缩，毛细作用强，是不良路基填料2.粘质土——透水性小，干缩湿胀，不适用于水湿状况剧烈变化地区，可用于干旱地区路堤填筑或某些特殊部位，也可以用来与砂土拌合后形成砂性土使用3.有机质土——不宜用作路基填料（四）特殊土——不宜用作路基填料第三页，共二十九页，2022年，8月28日3三、路基土的工程分级（一）分级目的用于工程可行性研究或概、预算编制，工程施工难易程度评价合技术手段运用的依据（二）分级依据凿岩机或人工钻孔1m所需要的时间——较软爆破1m3所需炮眼长度——较坚（三）等级Ⅰ级——松土Ⅱ级——普通土Ⅲ级——硬土Ⅳ级——软石Ⅴ级——次坚石Ⅵ级——坚石第四页，共二十九页，2022年，8月28日4第二节公路自然区划划分（一）地区的温度和湿度差异引起的土基和路面材料的变化对路基路面构筑有明显影响（二）我国路面设计方法决定一、区划的目的二、区划的原则和分级1.道路工程特征相似性原则；2.地表气候区划差异性原则；3.自然气候因素的综合性与主导性相结合（水与温度），综合考虑地表气候的地带性（纬度）和非地带性（海拔高程）。（一）区划的原则（二）区划的分级1.一级区划——按照等温线将全国划分为多年冻土、季节冻土和全年不冻土三大地带，然后根据水热平衡和地理位置，划分为七个大区。2.二级区划——在一级区划内，再以潮湿系数为依据，分为六个等级（过湿，中湿，润湿，润干，中干，过干），分为33个二级区18个二级副区。潮湿系数K：降雨量R与年蒸发量Z之比。K=R/Z3.三级区划——按照两种划分依据，一是水热、地理、地貌；二是地表地貌、水文地质，由各省、自治区自行划定。第五页，共二十九页，2022年，8月28日5二、各自然区的特点Ⅰ区——北部多年冻土区北部为连续分布多年冻土，南部为岛状分布多年冻土。筑路时应以保护多年冻土层为原则。Ⅶ区——青藏高寒区该区局部路段有多年冻土，须按保温原则设计；气候寒冷，昼夜气温相差很大，日照时间长，沥青老化很快，路面易遭受冬季雪水渗入而破坏。Ⅱ区——东部温润季冻区该区路面结构突出的问题是防止翻浆和冻胀。Ⅲ区——黄土高原干湿过渡区该区特点是黄土对水分的敏感性，干燥土基强度高、稳定性好。在河谷盆地的潮湿路段以及灌区耕地，土基稳定性差，强度低，必须认真处理。Ⅳ区——东南湿热区该区雨量充沛集中，水毁、冲刷、滑坡是道路的主要病害，路面结构应结合排水系统进行设计。该区水稻田多，土基湿软。由于气温高、热季长，要注意黑色面层材料的热稳定性和防透水性。Ⅴ区——西南潮暖区该区山多，筑路材料丰富，对于水文不良路段，必须采取措施，稳定路基。Ⅵ区——西北干旱区该区大部分地下水位很低，道路冻害较轻。个别地区，如河套灌区，内蒙草原洼地，地下水位高，翻浆严重。丘陵区1.5m以上的深路堑冬季积雪厚，雪水浸入路面造成危害，所以沥青面层材料应具有良好的防透水性，路肩也应作防水处理。第六页，共二十九页，2022年，8月28日6《公路自然区划标准》（JTJ003-86）。第七页，共二十九页，2022年，8月28日7第三节路基干湿类型二、湿度的来源和变迁一、湿度对路基的影响路基的湿度状况变化是影响路基路面结构强度、刚度与稳定性的重要因素之一，应该尽量使路基平衡湿度（路基上部中心附近趋向稳定平衡的湿度）趋于较干燥或稳定的状态，使路基保持稳定。（一）大气降水——大气降水通过路面，路肩边坡和边沟渗入路基；（二）地面水——边沟的流水、地表泾流水因排水不良，形成积水、渗入路基；（三）地下水——路基下面一定范围内的地下水浸入路基；（四）毛细水——路基下的地下水，通过毛细管作用，上升到路基；（五）水蒸汽凝结水——在土的空隙中流动的水蒸汽，遇冷凝结成水；（六）薄膜移动水——在土的结构中水以薄膜的形成从含水量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。（七）水的负温迁移——在负温和毛细作用下由下向上的迁移第八页，共二十九页，2022年，8月28日8渗入路面渗入路肩由路肩由边沟由较高处渗入地下水位由下层土水汽移动由地下水地下水位变动第九页，共二十九页，2022年，8月28日9（一）路基干湿类型1.分类2.指标三、路基水湿状况评估2)、路基的相对含水量：——土的算术平均含水量%；wy——土的液限含水量1）、土的平均稠度为——土的平均含水量%；wL——土的液限含水量%；wp——土的塑限含水量%3）、地下水位高度路槽底面离开地下水位或附近地表长期积水位的高度。

路基的干湿类型是以不利季节路槽表面以下80厘米深度内土的平均稠度Wc来划分，分为干燥、中湿、潮湿、过湿四类。第十页，共二十九页，2022年，8月28日10按照经验，给出wc1<wc2<wc3,,分别对应做为干燥、中湿、潮湿、过湿的分界标准，叫做分界稠度。并通过针对各种土类的试验，确定类似下图的关系确定相应的分界相对含水量w1、w2、w3,和临界高度h1、h2、h33.标准第十一页，共二十九页，2022年，8月28日114.应用1）既有路基或挖方路基可以采用稠度和相对含水量与相应土质的分界稠度和分界含水量进行干湿状况评价2）新建路基采用地下水位高度与拟采用的填土的临界高低进行干湿状况评价3）通常应该使路基处于干燥或中湿状况，并因评价结果采取相应的施工养护（换填、排水蔬干等）措施或设计方案（抬高路线设计标高）第十二页，共二十九页，2022年，8月28日12路基工作区路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素的影响。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素。路基路面结构的温度和湿度状况随周围环境的变化而变化，路基路面体系的性质与状态也随之发生变化。路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。环境因素影响第十三页，共二十九页，2022年，8月28日13

路基土和路面材料的体积随路基路面结构内温度和湿度的升降而引起膨胀和收缩。路基路面结构的强度、刚度、及稳定性在很大程度上取决于路基的湿度变化。面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响，若采用不透水的面层结构，将减少降水和蒸发的影响。路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响。第十四页，共二十九页，2022年，8月28日14第三节土基的力学强度特性路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。在两种荷载共同作用之下，在一定深度范围内，路基土处于受力状态。正确的设计应使得路基所受的力在路基弹性限度范围内，而当车辆驶过后，路基能恢复原状，以保证路基相对稳定，路面不致引起破坏。路基内任一点处的垂直应力包括由车轮荷载引起的σZ和由土基自重引起的σB，两者共同作用。一、路基受力状况第十五页，共二十九页，2022年，8月28日15在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力σZz与路基土自重引起的垂直应力σB相比所占比例很小，仅为1/10~1/5时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。在工作区范围内的路基，对干支承路面结构和车轮荷载影响较大，在工作区范围以外的路基，影响逐渐减少。路基工作区内，土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。二、路基工作区第十六页，共二十九页，2022年，8月28日16第四节路基常见病害和影响路基稳定性的因素一、路基常见病害路基沉陷路基沉缩地基沉陷1.路基的沉陷若路路堤填筑均匀，但是压密程度不足，产生均匀下沉，叫做路基沉陷；若路堤密实程度不足，产生堤身不均匀下陷并且伴有剪切破坏，叫做沉缩；若天然地基承载力不足，产生地基下限，叫做沉陷，一般发生在软弱地基上第十七页，共二十九页，2022年，8月28日172.路基边坡的坍方1）溜方2）崩落3）滑坍第十八页，共二十九页，2022年，8月28日183.路基沿山坡滑动——滑移4.特殊地质条件下的病害冻胀与翻浆、泥石流、雪崩、岩溶、地震、特大暴雨水毁等第十九页，共二十九页，2022年，8月28日19二、病害原因的综合分析路基设计前必须充分收集沿线的地质、水文和气象等方面的资料，进行全面分析研究，从而针对具体情况采取正确的设计方案和施工方法，以消除或尽可能地减轻路基病害，确保路基工程达到规定的要求1.内部因素：不良的岩土体条件2.外部因素：不利的水、温条件影响3.人为的因素：不良的设计、不合理的或不合格的施工、养护维修不及时第二十页，共二十九页，2022年，8月28日20路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。过大的塑性变形将导致各种沥青路面产生车辙和纵向不平整，对于水泥混凝上路面，路基土的塑性变形将引起板块断裂。弹性变形过大将使得沥青面层和水泥混凝土面板产生疲劳开裂。在路面结构总变形中，土基的变形占很大部分，约占70%~95%，所以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方面。第五节、路基强度与强度指标第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日21路基土在车轮荷载作用下产生的应变，不仅与荷载应力的大小有关，而且与荷载作用的持续时间有关，这是由于土颗粒之间力的传递以及土粒与土粒之间的相对移动都需要一定的时间。通常在施加荷载的初期，变形量随荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋向稳定。一、路基土的应力—应变特性第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日22土基承受着车轮荷载的多次重复作用。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，残留在上基之中。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。一种情况是土体逐渐压密，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏;另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏。二、重复荷载对路基土的影响第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日23三、路基的强度和指标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。（一）土基回弹模量以回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质，因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日24有两种承载板可以用于测定土基回弹模量，柔性压板测定与刚性压板测定。（二）地基反应模量用温克勒(E.Winkler)地基模型描述土基工作状态，地基反应模量K值用承载板试验确定。第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日25

加州承载比是早年由美国加利福尼亚州（California）提出的一种评定士基及路面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。CBR试验设备有室内试验与室外试验两种。（三）加州承载比(CBR)第二十六页，共二十九页，2022年，8月28日26试验时，用一个端部面积为19.35cm时的标准压