《路面設(shè)計(jì)原理》講稿路基材料

1、第四章 路基材料4-1 土的工程分類我國公路路基土的分類 (一) 土的分類 1、首先按土的粒長分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土四個(gè)大組，其劃分見表4-2。粒組劃分表 表4-2 2、對于中粗粒土和細(xì)粒土根據(jù)土的粒度成分、土的塑性指數(shù)及液限進(jìn)一步劃分。各土組的顆粒組成以小于2mm的作為100%計(jì)；定名時(shí)應(yīng)根據(jù)粒徑分組由大到小， 最先符合者定名；塑性指數(shù)和液限按100g錐重聯(lián)合試驗(yàn)測得。4-2 土基的變形特性地基模型圖4-2 土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線 土基的受力特性是由構(gòu)成土基用土的物理性質(zhì)決定的。土基用土的種類很多，但不論何種土都是由固態(tài)礦物顆粒、孔隙中的水以及氣體三大部分組成的。因此，土是一種由

2、固體顆粒、水和氣體組成的三相體系。土作為一種工程材料，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的這種特殊性，使得它在工程力學(xué)性質(zhì)上與其它工程材料，諸如鋼材、水泥混凝土等，有較大差別，其中最突出的是土在受力時(shí)的非線性變形特性。(一) 土基的非線性變形特性 土基在受力時(shí)的非線性變形特性是由土的非線性性質(zhì)決定的。室內(nèi)三軸試驗(yàn)表明，土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，一般沒有直線段，應(yīng)力消失后恢復(fù)不到原先的形狀(圖4-2)。這是因?yàn)橥猎谑芰?，三相結(jié)構(gòu)改變了原來的狀態(tài)，作為土的骨架的礦物顆粒發(fā)生相對移動(dòng)，而這種移動(dòng)引起的變形，有一部分是屬于不可恢復(fù)的殘余變形。由此說明，土除了具有非線性變形性質(zhì)外，還有塑性變形性質(zhì)。上述試驗(yàn)表明，土不是理

3、想的彈性材料，土基也不是理想的彈性體。因此，按彈性力學(xué)原理推求而得的三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式(4-1)不有確切地反映試驗(yàn)的實(shí)際變形狀態(tài)。 （4-1）式中：1豎向應(yīng)變； 1豎向應(yīng)力(mpa)； 3側(cè)向應(yīng)力(mpa)； e0材料的彈性模量(mpa)； 土的泊松比，約為0.30.5。 彈性模量是表征彈性材料或彈性體在受力時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)，但由于土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性，因此，只有認(rèn)為土的彈性模量e是一個(gè)條件變量，它是隨應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的改變而變化的。 在路面設(shè)計(jì)中，如果完全按照土基的非線性、塑性變形等特性決定它的計(jì)算參數(shù)(主要是土的彈性模量e)，則會(huì)使設(shè)計(jì)方法復(fù)雜化，甚至需改變路面設(shè)計(jì)的

4、理論體系。因此，必須根據(jù)土基在路面結(jié)構(gòu)中的實(shí)際工作狀態(tài)，對其非線性性質(zhì)作相應(yīng)的修正或簡化處理。修正或簡化的原則是表征土基應(yīng)力-應(yīng)變特性的參數(shù)在理論計(jì)算中應(yīng)與實(shí)際狀況吻合。對土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行線性處理的最簡單的方法是切線法和割線法，即將土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上某點(diǎn)的切線斜率或某一范圍的割線斜率作為土基的模量。用切線法和割線法確定的模量有以下幾種： 1、初始切線模量應(yīng)力值為零時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的正切，如圖4-3中虛線所示，代表加荷開始時(shí)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖4-3 幾種模量的取值示意 2、切線模量某一應(yīng)力級(jí)位處應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，如圖4-3中虛線所示，反映土在該級(jí)位應(yīng)力-應(yīng)變變化的精確關(guān)

5、系。 3、割線模量以某一應(yīng)力值對應(yīng)的曲線上的點(diǎn)同起始點(diǎn)相連的割線的斜率，如圖4-3中的虛線所示，反映在該應(yīng)力級(jí)范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的平均情況。 4、回彈模量應(yīng)力卸除階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的割線模量，如圖4-3中虛線所示，反映土在回彈變形范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的平均情況。圖4-4土的變形荷載的持續(xù)時(shí)間關(guān)系回彈變形；塑性變形；總變形 前三種模量取值時(shí)的應(yīng)變值是包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)變在內(nèi)的總應(yīng)變，而回彈模量取值時(shí)已扣除殘余應(yīng)變后的回彈就變。因此，將前三種模量籠統(tǒng)地稱為土的彈性模量顯然是不合適的。而回彈模量能反映土所具有的那部分彈性性質(zhì)，所以，在以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)的路面設(shè)計(jì)方法中，往往將土的回彈模量視

6、為土的彈性模量，并且作為路面設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要計(jì)算參數(shù)。 (二) 土基的流變性質(zhì) 土是具有流變性質(zhì)的材料，在荷載作用下的變形不僅與荷載大小有關(guān)，而且還與荷載作用的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，土顆粒之間力的傳遞以及土顆粒與土顆粒之間相對移動(dòng)都需要一定的時(shí)間，通常在施加荷載的初始階段，變形的大小隨著荷載持續(xù)時(shí)間的延長而增大，以后逐漸趨于穩(wěn)定。室內(nèi)模型試驗(yàn)表明，回彈變形與荷載的持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大，因而土的流變性質(zhì)主要同塑性變形有關(guān)，圖4-4表示荷載作用時(shí)間與土的回彈變形，塑性變形以及總變形的關(guān)系。 車輛在路面上行使，車輪對路面下土基的作用時(shí)間隨車輛行使的速度變化而變化，但通常都是很小的，在這短暫的一瞬間，產(chǎn)生的塑性變

7、形比之于靜荷載長期作用下的塑性變形小得多。因此，一般情況下，土基的流變性質(zhì)可以不予考慮。 (三) 重復(fù)荷載作用下土基的變形特性 土基承受著車輪荷載的多次重復(fù)作用，每一次荷載作用時(shí)，土基產(chǎn)生的變形均可分為彈性變形和塑性變形兩部分，彈性變形部分隨著荷載的消失立即恢復(fù)，而塑性變形部分因不能恢復(fù)而形成殘余變形，這種殘余變形會(huì)隨著荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加而累積。但是，隨著荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加，每一次產(chǎn)生的塑性變形則逐漸減小。所以，它的變形累積速度是隨作用次靈敏的增加而減緩的。 土基在荷載的重復(fù)作用下產(chǎn)生的變形累積，最終可導(dǎo)致兩種不同的情況。一種是土體逐漸壓密，土的顆粒之間進(jìn)一步靠攏，但是不會(huì)產(chǎn)生引起土體

8、整體破壞的剪切面，土基被壓實(shí)而穩(wěn)定，另一種是荷載的重復(fù)作用造成土體的剪切變形不斷發(fā)展，形成整體破壞的剪切面，最后達(dá)到破壞階段，土基失去支承荷載的能力。 土基在荷載重復(fù)作用下的變形累積，將導(dǎo)致哪一種最終結(jié)果，主要取決于： 1、土的性質(zhì)(類型)和狀態(tài)(含水量、密實(shí)度、結(jié)構(gòu)狀態(tài))； 2、重復(fù)荷載的大小，通常以相對荷載，即重復(fù)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與靜載極限強(qiáng)度之比表示； 3、荷載作用的速度、持續(xù)時(shí)間以及頻率； 4、土基中側(cè)向應(yīng)力的大小。 實(shí)驗(yàn)表明，較干的土(相對含水量小于0.7)，在相對荷載小于0.450.55的情況下，荷載的重復(fù)作用結(jié)果將使土固結(jié)硬化；而相對荷載大于此值時(shí)，土在荷載作用下達(dá)到(相對含水量大

9、于0.7至0.8)，保持土在荷載重復(fù)作用下不發(fā)生破壞變形的安全相對荷載值急劇降低，對于粘性土小于0.09，砂性土小于0.120.15，粉性土不超過0.10。 在安全相對荷載重復(fù)作用下，土基的累積總變形與荷載作用次數(shù)之間在以對數(shù)坐標(biāo)上呈直線關(guān)系，以公式表示為 （4-2）或者 （4-3）式中 ln荷載作用n次后的總變形(m)； l1荷載作用一次后的總變形(m)； n荷載作用次數(shù)； 統(tǒng)計(jì)回歸的系數(shù)。 水泥混凝土路面在車輪荷載反復(fù)作用下，會(huì)產(chǎn)生不均勻的塑性變形累積(特別是在路面板的邊角部位)，導(dǎo)致板下局部脫空而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，這是工程實(shí)踐中水泥混凝土路面板的邊、角部位斷裂破壞較多的重要原因之一。瀝青路

10、面上常見的破壞，如產(chǎn)生輪轍、波浪等，也主要是由于土基及整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的塑性變形所引起的，因此，如何防止土基塑性變形累積而造成的不均勻沉陷，是路面設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問題。（四）土基的強(qiáng)度指標(biāo) 土基的力學(xué)表征取決于采用何種地基模型表示土基的受力狀態(tài)和性質(zhì)。目前，世界各國在路面力學(xué)計(jì)算中采用的地基模型主要是彈性半空間體地基模型和文克勒地基模型兩種。前者用反映土基應(yīng)力-應(yīng)變特性的彈性模量e和泊松比作為土基的剛度指標(biāo)；后者用地基反應(yīng)模量k表征土基受力后的變形性質(zhì)，此外，用于表征土基承載能力和進(jìn)行路面設(shè)計(jì)的強(qiáng)度指標(biāo)尚有加州承載比cbr值等。1土基回彈模量 如前所述，回彈模量能較好地反映土基所具有的部分彈性性質(zhì)

11、，所以，在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時(shí)，可以用回彈模量表示土基在瞬時(shí)荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)。我國公路路面和公路剛、瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，都以回彈模量e作為土基的剛度指標(biāo)，為了模擬車輪(或車輪)印跡的作用，通常都以圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量。用于測定土基回彈模量的承載板可分為柔性與剛性兩種，用柔性承載板測定土基回彈模量時(shí)，土基與承載板之間的接觸壓力為常量，如圖4-6a)所示，即： （4-4）承載板的撓度l(r)與坐標(biāo)r有關(guān)，在承載板中心處(r=0)，即： （4-5） 在柔性承載板邊緣處(r=a)，其撓度可以按下式計(jì)算：圖4-6土基在圓形承載板下的壓力與撓度分布曲線（a）

12、柔性承載板 （b）剛性承載板 （4-6） 因此，當(dāng)測得承載板中心或邊緣處的撓度之后，假如土的泊松比為已知值，即可通過公式(4-5)或(4-6)反算得到土基回彈模量e值。用剛性承載板測定土基回彈模量時(shí)，承載板上土基頂面的撓度為等值，不隨坐標(biāo)r而變化。但是板底接觸壓力則隨r值而變化，成鞍形分布，如圖4-6b)所示，其撓度l值和接觸壓力p(r)值可分別按式(4-7)與(4-8)計(jì)算。 （4-7） （4-8）測得剛性承載板的撓度之后，即可按公式(4-7)反算土基回彈模量值e，公式(4-4)(4-8)中：l承載板撓度(m)； p(r)接觸壓力(mpa)； r計(jì)算點(diǎn)離承載板中心的距離(m)； p總壓力(m

13、n)： p單位壓力(mpa)； a承載板半徑(m)。 在實(shí)際測定中，剛性承載板用得較多，因?yàn)樗膿隙容^易量測，壓力較易控制。承載板直徑通常采用標(biāo)準(zhǔn)車輛輪印當(dāng)量圓直徑。 測定時(shí)宜采用逐級(jí)加載卸載法。每一級(jí)荷載經(jīng)過幾次循環(huán)加載和卸載，取得穩(wěn)定的回彈彎沉之后，再加下一級(jí)荷載，如此施加n級(jí)荷載后，即可點(diǎn)繪出荷載-彎沉曲線。在多數(shù)情況下，試驗(yàn)曲線呈非線性。在確定模量時(shí)，可以根據(jù)土基實(shí)際受一的壓力范圍或可能產(chǎn)生的彎沉范圍在曲線上取值。瀝青路面設(shè)計(jì)中，土基彎沉變化范圍在0.81.2mm之間，通常按平均值1mm來確定土基的回彈模量。 由于水泥混凝土路面有較大的荷載擴(kuò)散能力，所以土基頂面受到的壓力比瀝青路面要小

14、得多，顯然，水泥混凝土路面下土基更接近于彈性工作狀態(tài)，其回彈模量值要比瀝青路面下土基大得多。我國現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法，土基回彈模量采用了與瀝青路面相同的測定與取值方法，即采用瀝青路面下土基的回彈模量值，再提高一定的倍數(shù)，使模量取值更符合水泥混凝土路面下土基的實(shí)際工作狀態(tài)，通常是將土基與基層一并考慮，在測得基層頂面的回彈模量后，提高一定的倍數(shù)作為水泥混凝土路面下地基(土基+基層)的綜合回彈模量值。2地基反應(yīng)模量 土基回彈模量是表征彈性半空間體地基荷載與變形的關(guān)系，地基反應(yīng)模量是表征文克勒地基的變形特性。文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程師文克勒(winkler)1876年提出的，其基本假定

15、是地基上任一點(diǎn)的彎沉l，僅與作用于該點(diǎn)的壓力p成正比，而與相鄰點(diǎn)處的壓力無關(guān)，反映壓力與彎沉值關(guān)系的比例常數(shù)k稱為地基反應(yīng)模量，即： （4-9）式中 k地基的反應(yīng)模量(mpa/m或mn/m3)； p單位壓力(mpa)； l彎沉值(m)。 根據(jù)上述假定，可以把地基看作是無數(shù)彼此分開的小土柱組成的體系，或者是無數(shù)互不相聯(lián)的彈簧體系，如圖4-7所示。文克勒地基又可稱為稠密液體地基，地基反應(yīng)模量k相當(dāng)于液體的密度，地基反力相當(dāng)于液體的浮力。 文克勒地基模型由于假設(shè)簡單，k值測試方便，被廣泛采用，但這種地基模型有明顯的缺點(diǎn)，它忽略了地基中剪應(yīng)力的存在，與實(shí)際情況出入較大。 地基反應(yīng)模量k值，用剛性承載板

16、試驗(yàn)測定，通過逐級(jí)加載測定相應(yīng)的總彎沉值，得到荷載-彎沉曲線，如圖4-5所示。由于土基變形的非線性特性，k值隨所了的壓力(或彎沉)而變化。為了使所確定的地基反應(yīng)模量值有代表性，通常有兩種作法：當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，取l=0.127cm時(shí)相對應(yīng)的壓力p計(jì)算地基反應(yīng)模量；當(dāng)?shù)鼗^為堅(jiān)硬時(shí)，取單位壓力p=0.07mpa時(shí)相對應(yīng)的彎沉值l計(jì)算地基反應(yīng)模量。圖4-7文克勒地基模型 試驗(yàn)表明，地基反應(yīng)模量值受承載板直徑影響較大。承載板直徑越小，k值越大。但當(dāng)直徑d76cm時(shí)，d的變化對k值影響較小，如圖4-8所示。所以，測定k值的承載板試驗(yàn)規(guī)定采用76cm直徑的承載板。當(dāng)采用30cm直徑承載板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測得的

17、k值按下式進(jìn)行修正： （4-10）圖4-8地基反應(yīng)模量k同承載板直徑d的關(guān)系 地基反應(yīng)模量k應(yīng)在現(xiàn)場測定，由于受季節(jié)的限制，現(xiàn)場測得的k值不能反映地基的最不利狀態(tài)時(shí)，還要按式(4-11)進(jìn)行修正，以模擬地基最不利狀態(tài)。即： （4-11）式中 ku現(xiàn)場測得的地基反應(yīng)模量(mn/m)； ks最不利狀態(tài)時(shí)的地基反應(yīng)模量(mn/m)； du室內(nèi)試件，密實(shí)度、含水量與現(xiàn)場實(shí)測時(shí)相當(dāng)，在0.07mpa荷載下的沉降值(m)； ds上述試件浸水飽和后在相同荷載作用下的沉降值(m)。3加州承載比cbr 加州承載比cbr是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗(yàn)方法。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形

18、的能力表征，并采用標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載能力為標(biāo)準(zhǔn)，以相對值的百分?jǐn)?shù)表示cbr值。這種方法后來也用于評定土基的強(qiáng)度。由于cbr的試驗(yàn)方法簡單，設(shè)備造價(jià)低廉，在許多國家得到廣泛應(yīng)用。采用cbr法確定瀝青路面厚度，有配套的圖表，應(yīng)用十分方便，受到工程技術(shù)人員的歡迎。（1）cbr試驗(yàn)方法待添加的隱藏文字內(nèi)容2 cbr室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖4-9所示。在直徑15.24cm、高17.78cm的金屬筒內(nèi)，放入12.70cm高的試樣。試樣安土基施工時(shí)的含水量和密實(shí)度在試筒內(nèi)制備。并將試樣浸水四晝夜，以模擬土基的最不利工作狀態(tài)。為模擬路面結(jié)構(gòu)對土基的作用，在試樣浸水過程中及壓入試驗(yàn)時(shí)，在其頂面施加環(huán)形砝碼，其大小根據(jù)路面結(jié)

19、構(gòu)狀況確定，但不得小于45.3n，通常情況下采用111.2n，壓入的金屬圓柱壓頭底面積為19.35cm。 試驗(yàn)時(shí)，荷載按試件頂面每分鐘壓入變形0.127cm的速度施加，記錄每壓入0.254cm時(shí)的單位壓力p值，直至壓入變形量達(dá)到1.27cm時(shí)為止。標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載力由試驗(yàn)測得，列于表4-3。圖4-9 cbr室內(nèi)試驗(yàn)裝置標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載力 表4-3貫入值0.2540.5080.7621.0161.270標(biāo)準(zhǔn)壓力（mpa）7.0310.5513.3616.1718.23 cbr值按下式計(jì)算： （4-12）式中 p試件材料在一定貫入值情況下的單位壓力(mpa)； p0標(biāo)準(zhǔn)碎石要相同貫入值情況下的單位壓力

20、(mpa)； 計(jì)算cbr值的貫入值在一般情況下取0.254cm，當(dāng)貫入值為0.254cm時(shí)的cbr值小于貫入值為0.508cm值時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用后者為準(zhǔn)。 cbr值還可以直接在野外測定，試驗(yàn)方法基本上與室內(nèi)試驗(yàn)相同，但其壓入試驗(yàn)直接在土基表面進(jìn)行。野外試驗(yàn)所得的cbr值有時(shí)與室內(nèi)試驗(yàn)值不一致，這與試驗(yàn)時(shí)兩者的側(cè)面限制條件不完全相同有關(guān)，這對粗顆粒材料影響大一些。對于粘性土只要含水量和密實(shí)度相同，試驗(yàn)結(jié)果是一樣的。應(yīng)該注意的是室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)試件是飽水的，而野外試驗(yàn)時(shí)土基是處于施工時(shí)的溫度狀態(tài)。因此，應(yīng)對含水量的差別進(jìn)行修正，才能建立兩者的關(guān)系。4土基各強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系 前面介紹的表征土基強(qiáng)度的各項(xiàng)指標(biāo)，如土基回彈模量e，地基反應(yīng)模量k和加州承載比cbr等，目前世界各國都廣泛應(yīng)用。這些指標(biāo)在基