路基工作區(qū)路基變形特性教學(xué)內(nèi)容

1、路基工作區(qū)路基變形特性路基支撐剛度不足引發(fā)的行車(chē)道凹陷進(jìn)而水損害路基支撐剛度不足引發(fā)的行車(chē)道凹陷進(jìn)而水損害o 在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的總變形中，土基的變形占在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的總變形中，土基的變形占7095%7095%，路面結(jié)構(gòu)的破壞，土基不均勻的過(guò)大，路面結(jié)構(gòu)的破壞，土基不均勻的過(guò)大變形是重要原因之一。變形是重要原因之一。因此，研究土基的力學(xué)因此，研究土基的力學(xué)特征與設(shè)計(jì)要求，一直是道路設(shè)計(jì)中重要的部特征與設(shè)計(jì)要求，一直是道路設(shè)計(jì)中重要的部分。提高路基土的抗變形能力是提高路基路面分。提高路基土的抗變形能力是提高路基路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的重要方面。結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的重要方面。o 路基的變形分為：路基的

2、變形分為： 可恢復(fù)的變形和不可恢復(fù)的變形?？苫謴?fù)的變形和不可恢復(fù)的變形。o 路基的不可恢復(fù)變形將引起路基標(biāo)高和邊坡坡路基的不可恢復(fù)變形將引起路基標(biāo)高和邊坡坡度、形狀的改變。嚴(yán)重時(shí)，造成土體位移，危度、形狀的改變。嚴(yán)重時(shí)，造成土體位移，危及路基的整體性和穩(wěn)定性，造成路基各種破壞。及路基的整體性和穩(wěn)定性，造成路基各種破壞。路基的重要作用路基的重要作用 1 路基受力與路基工作區(qū)路基受力與路基工作區(qū) z z+B BBzz zBP輪重輪重o 路基內(nèi)某一深度處的荷載靜載（路基自重）路基內(nèi)某一深度處的荷載靜載（路基自重）+ +輪載（外荷載）。路基自重包括路基本身輪載（外荷載）。路基自重包括路基本身的重量和路

3、面結(jié)構(gòu)層的重量。由于路面結(jié)構(gòu)的重量和路面結(jié)構(gòu)層的重量。由于路面結(jié)構(gòu)層的厚度相對(duì)于路基某一深度而言小的多，層的厚度相對(duì)于路基某一深度而言小的多，雖然路面結(jié)構(gòu)材料的容重略大于路基土，但雖然路面結(jié)構(gòu)材料的容重略大于路基土，但可忽略這個(gè)容重差別，可忽略這個(gè)容重差別，可把路面結(jié)構(gòu)看作與可把路面結(jié)構(gòu)看作與土的容重相等的均質(zhì)土，進(jìn)行當(dāng)量厚度計(jì)算土的容重相等的均質(zhì)土，進(jìn)行當(dāng)量厚度計(jì)算。o 計(jì)算輪載引起的垂直應(yīng)力時(shí)，假定彈性均質(zhì)半計(jì)算輪載引起的垂直應(yīng)力時(shí)，假定彈性均質(zhì)半空間體路基上作用一圓形均布荷載，利用布辛空間體路基上作用一圓形均布荷載，利用布辛尼斯克公式解得。尼斯克公式解得。 o 輪載應(yīng)力：輪載應(yīng)力： 車(chē)輪

4、換算的均布荷載，車(chē)輪換算的均布荷載，KN/m2； 圓形均布荷載作用面積的直徑，圓形均布荷載作用面積的直徑，m; 圓形均布荷載中心下應(yīng)力作用點(diǎn)的深度，圓形均布荷載中心下應(yīng)力作用點(diǎn)的深度，m。225.0)(5.21ZpDZpzpDZ o 離開(kāi)輪跡中心的距離，m；在輪跡中心下時(shí)， 0，o 土的容重；自重應(yīng)力B B，KN/m3；Z應(yīng)力作用點(diǎn)的深度，m。z2ZPkZ2/522123RkRR5 . 04775. 023kzB當(dāng)用集中荷載（一側(cè)輪重當(dāng)用集中荷載（一側(cè)輪重P ）計(jì)算）計(jì)算 時(shí)：時(shí)：o 當(dāng)，當(dāng)， 510時(shí)可忽略輪載時(shí)可忽略輪載 作用的影響，這個(gè)深度作用的影響，這個(gè)深度用用Za表示，該深度區(qū)域稱為

5、路基工作區(qū)。表示，該深度區(qū)域稱為路基工作區(qū)。o 計(jì)算路基工作區(qū)的深度，常用一側(cè)輪重（集中荷載計(jì)算路基工作區(qū)的深度，常用一側(cè)輪重（集中荷載 ）進(jìn)行，如下式。進(jìn)行，如下式。o Za的計(jì)算：的計(jì)算： o 標(biāo)準(zhǔn)軸重算得：標(biāo)準(zhǔn)軸重算得：Za=150cm190cmo 我國(guó)將我國(guó)將 Za0150cm深度范圍定義為上路堤。深度范圍定義為上路堤。101511nBznzP321土土nPkZnZZPKaaaBZ工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)關(guān)于路基工作區(qū)關(guān)于路基工作區(qū)n路基工作區(qū)深度有兩種情況：路基工作區(qū)深度有兩種情況： Za 大于路基填土高度，影響到地基一定深度大于路基填土高度，影響到地基一定深度 Za 小于路基填

6、土高度。小于路基填土高度。n決定決定Za的兩種因素：該深度的兩種因素：該深度 Za 隨車(chē)輛荷載增大隨車(chē)輛荷載增大而增大，隨路面的強(qiáng)度和厚度的增加而減小。而增大，隨路面的強(qiáng)度和厚度的增加而減小。n路床、路堤的劃分主要考慮路床、路堤的劃分主要考慮Za的影響的影響n計(jì)算路基工作區(qū)存在的問(wèn)題：計(jì)算路基工作區(qū)存在的問(wèn)題： 1、工作區(qū)與荷載影響區(qū)界定不明確；、工作區(qū)與荷載影響區(qū)界定不明確； 2、實(shí)際輪載（超限輪載）作用范圍；、實(shí)際輪載（超限輪載）作用范圍；2 土基的荷載土基的荷載變形特性變形特性2.1土基的非線性變形特性土基的非線性變形特性o 土基的受力特性即應(yīng)力與變形的關(guān)系。土基的受力特性即應(yīng)力與變形的

7、關(guān)系。 土是具有三相體系組成的材料，它的三相體土是具有三相體系組成的材料，它的三相體系特性使它與其它工程材料如鋼材、水泥混系特性使它與其它工程材料如鋼材、水泥混凝土等有較大差別。凝土等有較大差別。它是具有流變性質(zhì)的材它是具有流變性質(zhì)的材料，力學(xué)性質(zhì)最突出的是土在受力時(shí)的非線料，力學(xué)性質(zhì)最突出的是土在受力時(shí)的非線性變形特性，在重復(fù)荷載作用下，殘余變形性變形特性，在重復(fù)荷載作用下，殘余變形具有累加性。具有累加性。應(yīng)力重復(fù)作用對(duì)應(yīng)變特性的影響應(yīng)力重復(fù)作用對(duì)應(yīng)變特性的影響軸向總應(yīng)變軸向總應(yīng)變軸向總應(yīng)變軸向總應(yīng)變軸向回彈應(yīng)變軸向回彈應(yīng)變軸向回彈模量軸向回彈模量0.1MPa急劇下降急劇下降含水量含水量=1

8、5.3%，干密度，干密度=1900Kg/m3, =0.025MPa， =0.44MPa3c回彈應(yīng)變主要與應(yīng)力水平有關(guān)，回彈應(yīng)變主要與應(yīng)力水平有關(guān)，隨重復(fù)作用次數(shù)增大略有變化隨重復(fù)作用次數(shù)增大略有變化回彈模量在路基土通常的工作范回彈模量在路基土通常的工作范圍內(nèi)隨重復(fù)應(yīng)力的增大急劇下降圍內(nèi)隨重復(fù)應(yīng)力的增大急劇下降應(yīng)力重復(fù)作用對(duì)應(yīng)變特性的影響應(yīng)力重復(fù)作用對(duì)應(yīng)變特性的影響-三軸試驗(yàn)三軸試驗(yàn)n應(yīng)變與重復(fù)加載應(yīng)力水平有關(guān)應(yīng)變與重復(fù)加載應(yīng)力水平有關(guān)-施加的偏應(yīng)力施加的偏應(yīng)力 與靜抗壓強(qiáng)度與靜抗壓強(qiáng)度 之比值（稱應(yīng)力水平）之比值（稱應(yīng)力水平）存在臨存在臨界值界值；n應(yīng)力水平臨界值與土的類型和相對(duì)含水量有關(guān)（應(yīng)

9、力水平臨界值與土的類型和相對(duì)含水量有關(guān)（土的液限土的液限/ /含水量），含水量）， 當(dāng)相對(duì)含水量當(dāng)相對(duì)含水量0.70.7時(shí)，時(shí)，該該 / / 比值在比值在0.450.450.550.55；當(dāng)土很濕，（相；當(dāng)土很濕，（相對(duì)含水量對(duì)含水量0.7 0.7 ），其值急劇下降，此時(shí)應(yīng)力水），其值急劇下降，此時(shí)應(yīng)力水平臨界值：粘性土為平臨界值：粘性土為0.090.09，粉性土為，粉性土為0.100.10，砂性，砂性土為土為0.120.120.150.15。n按多次重復(fù)作用后的總應(yīng)變確定的變形模量比初按多次重復(fù)作用后的總應(yīng)變確定的變形模量比初次作用確定的低次作用確定的低dcdcn在荷載重復(fù)作用下不發(fā)生破壞變

10、形的安全相對(duì)荷載值稱為臨界值或安全相對(duì)荷載。在荷載重復(fù)作用下不發(fā)生破壞變形的安全相對(duì)荷載值稱為臨界值或安全相對(duì)荷載。 兩條試驗(yàn)曲線3 =常量 1 - 3131343ddtgE000ddtgE初始模量初始模量切線模量切線模量割線模量：割線模量：BntgE13割回彈模量：應(yīng)力卸回彈模量：應(yīng)力卸除價(jià)段，除價(jià)段，應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線的割應(yīng)變曲線的割線或切線模量。線或切線模量。1-3（P）0前前1、2、3種模量取值時(shí)的應(yīng)變值包括了殘余種模量取值時(shí)的應(yīng)變值包括了殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)變?cè)趦?nèi)的總應(yīng)變，而回彈模量取應(yīng)變和回彈應(yīng)變?cè)趦?nèi)的總應(yīng)變，而回彈模量取值時(shí)的應(yīng)變值是已扣除殘余應(yīng)變后的回彈應(yīng)變。值時(shí)的應(yīng)變值是已扣除殘余

11、應(yīng)變后的回彈應(yīng)變。o 圖圖(a)(a)工程上，壓入承載板試驗(yàn)是世界上研工程上，壓入承載板試驗(yàn)是世界上研究土基應(yīng)力應(yīng)變特性最常用的一種方法。究土基應(yīng)力應(yīng)變特性最常用的一種方法。這種方法以一定尺寸的圓形剛性承載板置于這種方法以一定尺寸的圓形剛性承載板置于土基頂面，采用逐級(jí)加荷卸荷法，記錄施加土基頂面，采用逐級(jí)加荷卸荷法，記錄施加在承載板上的荷載及由該荷載所引起的路基在承載板上的荷載及由該荷載所引起的路基變形。由試驗(yàn)結(jié)果繪制出土基頂面壓應(yīng)力與變形。由試驗(yàn)結(jié)果繪制出土基頂面壓應(yīng)力與回彈變形的關(guān)系由線，如圖回彈變形的關(guān)系由線，如圖C C所示所示o 分析圖（分析圖（b b）室內(nèi)三軸試驗(yàn)顯示，土的應(yīng)力）室內(nèi)

12、三軸試驗(yàn)顯示，土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，一般沒(méi)有直線段，應(yīng)力消除應(yīng)變關(guān)系曲線，一般沒(méi)有直線段，應(yīng)力消除后，試樣也恢復(fù)不到原來(lái)的狀態(tài)，因?yàn)榉秋柡?，試樣也恢?fù)不到原來(lái)的狀態(tài)，因?yàn)榉秋柡屯潦艿綁簯?yīng)力作用后，和土受到壓應(yīng)力作用后，土的孔隙壓縮土的孔隙壓縮，土土的骨架的礦物顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，這兩種變的骨架的礦物顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，這兩種變形，有一部分回彈了，有一部分是屬于不可形，有一部分回彈了，有一部分是屬于不可恢復(fù)的殘余變形，由此說(shuō)明土除非線性變形恢復(fù)的殘余變形，由此說(shuō)明土除非線性變形性質(zhì)外，還有塑性變形性質(zhì)。性質(zhì)外，還有塑性變形性質(zhì)。o 所以是彈塑性體，具有非線性變形性。所以是彈塑性體，具有非線性變形性。

13、路基的模量的確定方法路基的模量的確定方法 n 在路面設(shè)計(jì)中，若完全按照土基的非線性，塑性變?cè)诼访嬖O(shè)計(jì)中，若完全按照土基的非線性，塑性變形性決定它的計(jì)算參數(shù)，（主要是模量形性決定它的計(jì)算參數(shù)，（主要是模量E E），就要改），就要改變路面設(shè)計(jì)的彈性層狀體系理論，且目前還沒(méi)有得出變路面設(shè)計(jì)的彈性層狀體系理論，且目前還沒(méi)有得出可用于設(shè)計(jì)的非線性材料模量可用于設(shè)計(jì)的非線性材料模量E E與應(yīng)力應(yīng)變的確定與應(yīng)力應(yīng)變的確定關(guān)系式，都是關(guān)系式，都是根據(jù)土基在路面結(jié)構(gòu)層下的實(shí)際工作狀根據(jù)土基在路面結(jié)構(gòu)層下的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)其非線性性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理態(tài)，對(duì)其非線性性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理. .n簡(jiǎn)化的原則是簡(jiǎn)化的原則是： 表

14、征土基應(yīng)力、應(yīng)變特性的參數(shù)在理論計(jì)算中盡可表征土基應(yīng)力、應(yīng)變特性的參數(shù)在理論計(jì)算中盡可能使理論解與實(shí)際狀況吻合、能使理論解與實(shí)際狀況吻合、對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行線性處對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行線性處理理。 線性處理的最簡(jiǎn)單方法：線性處理的最簡(jiǎn)單方法：切線和割線法切線和割線法，即將應(yīng)力、，即將應(yīng)力、應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率或某一范圍的割線斜率作應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率或某一范圍的割線斜率作為路基的模量。為路基的模量。 n塑性變形隨反復(fù)作用次數(shù)而累加，回彈變形受荷載重復(fù)塑性變形隨反復(fù)作用次數(shù)而累加，回彈變形受荷載重復(fù)次數(shù)的影響則較小。次數(shù)的影響則較小。n回彈模量因能反映土所具有的荷載作用后回彈變形的那回彈模量因能反映

15、土所具有的荷載作用后回彈變形的那部分彈性性質(zhì)，所以在以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)的路面設(shè)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，計(jì)方法中，把土的回彈模量稱為土的彈性模量，并且是把土的回彈模量稱為土的彈性模量，并且是路面設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。路面設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。n在工程上為防止土基在反復(fù)輪載作用下的塑性變形累積，在工程上為防止土基在反復(fù)輪載作用下的塑性變形累積，要把土的變形盡量控制在較小的范圍之內(nèi)，盡量接近于要把土的變形盡量控制在較小的范圍之內(nèi)，盡量接近于回彈變形，所以設(shè)計(jì)中采用回彈模量?；貜椬冃危栽O(shè)計(jì)中采用回彈模量。n目前，我國(guó)采用回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，利用野外、室目前，我

16、國(guó)采用回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，利用野外、室內(nèi)壓入承載板試驗(yàn)得到，環(huán)境因素在測(cè)試條件和取值時(shí)內(nèi)壓入承載板試驗(yàn)得到，環(huán)境因素在測(cè)試條件和取值時(shí)考慮。采用動(dòng)彈性模量作為設(shè)計(jì)模量是趨勢(shì)?？紤]。采用動(dòng)彈性模量作為設(shè)計(jì)模量是趨勢(shì)。2.2土基的流變性質(zhì)土基的流變性質(zhì) 回彈變形與荷載作用時(shí)間關(guān)系不大，卸掉荷載，回彈變形與荷載作用時(shí)間關(guān)系不大，卸掉荷載，立即回彈，且隨荷載作用時(shí)間的增大它不變、立即回彈，且隨荷載作用時(shí)間的增大它不變、塑性變形和總變形隨塑性變形和總變形隨t的增大而增大。土是一種流變的增大而增大。土是一種流變性質(zhì)的材料，它的流變性主要同塑性變形有關(guān)。性質(zhì)的材料，它的流變性主要同塑性變形有關(guān)。 流變性質(zhì)

17、主流變性質(zhì)主要揭示物體受力要揭示物體受力的持續(xù)作用，變的持續(xù)作用，變形隨時(shí)間發(fā)展而形隨時(shí)間發(fā)展而變化的關(guān)系。變化的關(guān)系。 靜載持續(xù)作靜載持續(xù)作用與瞬時(shí)荷載作用與瞬時(shí)荷載作用產(chǎn)生的塑性變用產(chǎn)生的塑性變形不同。形不同。2.3重復(fù)荷載對(duì)土基的影響重復(fù)荷載對(duì)土基的影響 o 由于土的流變性，重復(fù)動(dòng)荷作用，產(chǎn)生變形的積累，由于土的流變性，重復(fù)動(dòng)荷作用，產(chǎn)生變形的積累，其后果對(duì)于柔性路面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生永久性變形如車(chē)轍、其后果對(duì)于柔性路面結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生永久性變形如車(chē)轍、波浪、開(kāi)裂，沉陷等；波浪、開(kāi)裂，沉陷等；o 剛性路面，會(huì)產(chǎn)生不均勻的塑性形變累積（特別在剛性路面，會(huì)產(chǎn)生不均勻的塑性形變累積（特別在路面板的邊角部位下

18、）導(dǎo)致板下局部脫空而產(chǎn)生附路面板的邊角部位下）導(dǎo)致板下局部脫空而產(chǎn)生附加應(yīng)力造成板的邊、角部位開(kāi)裂，這是剛性路面邊加應(yīng)力造成板的邊、角部位開(kāi)裂，這是剛性路面邊角破壞較多的重要原因之一。角破壞較多的重要原因之一。o 防止土基塑性形變累積而造成路面的不均勻變形是防止土基塑性形變累積而造成路面的不均勻變形是路面設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而突出的問(wèn)題，盡可能把累積路面設(shè)計(jì)中一個(gè)重要而突出的問(wèn)題，盡可能把累積變形控制在一定范圍內(nèi)變形控制在一定范圍內(nèi)。o 土體逐漸被壓密，土的顆粒之間進(jìn)一步靠攏，但不土體逐漸被壓密，土的顆粒之間進(jìn)一步靠攏，但不會(huì)引起土體整體破壞的剪切面，土基被壓密而穩(wěn)定。會(huì)引起土體整體破壞的剪切面，土基被壓密而穩(wěn)定。o 另一種是荷載的重復(fù)作用造成土體的剪切變形不斷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，土基失去支承荷載發(fā)展，形成整體破壞的剪切面，土基失去支承荷載的能力。的能力。 o 何判斷會(huì)產(chǎn)生上述兩種結(jié)果何判斷會(huì)產(chǎn)生上述兩種結(jié)果-用用臨界值或安全相臨界值或安全相對(duì)荷載對(duì)荷載重復(fù)荷載的作用下土基變形累積可能導(dǎo)致的兩種結(jié)果，重復(fù)荷載的作用下土基變形累積可能導(dǎo)致的兩種結(jié)果，n室內(nèi)模似試驗(yàn)回歸公式：重復(fù)應(yīng)力低于臨界室內(nèi)模似試驗(yàn)回歸公式：重復(fù)應(yīng)力低于臨界