土基的受力與強度

1、土基的受力與強度1、路基的受力1.1路基的受力路基在工作過程中，同時受到由路面上傳遞下來的車輛荷載，以及路基和路面的自重作用，圖2-4-1為土質(zhì)路基受力時，不同深度 Z范圍內(nèi)的應(yīng)力分布圖。F圖2-4-1 土基中沿深度的應(yīng)力分布示意圖1為為車輛荷載引起的應(yīng)力;2為為土基自重引起的應(yīng)力;3為為應(yīng)力之和其中，1為車輪荷載在土基內(nèi)部任一點產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力，把車輪荷載簡 化為集中荷載時，1可按布辛奈斯克(J.Bouss in esq )公式進行計算，即:2 52 匚ZP為使用方便，上式可簡化為：1 K?Z2式中P為車輛荷載，kN； z為荷載下的垂直深度，mK為為應(yīng)力系數(shù),2 52 r土基自重引起的壓應(yīng)力

2、c用下式計算：2 r ?Z式中：丫為為土的容重，kN/m3oP因此，土基中任一點受到的豎向壓應(yīng)力。Z為：z 1 2 K?尹憶1.2、路基工作區(qū)可見，車輛荷載產(chǎn)生的垂直應(yīng)力 1隨深度的增加而減小，自重應(yīng)力 1則隨 深度的增加而增大，因此，車輪荷載在土基中產(chǎn)生的應(yīng)力1與土基自重應(yīng)力之比1/2亦隨之急劇變小。2、土基的強度指標土基是路面結(jié)構(gòu)的支承體，車輪荷載通過路面?zhèn)鞯酵粱?。因此土基的強度?變形特性對路面結(jié)構(gòu)的整體強度和剛度有很大影響。在路面結(jié)構(gòu)的總變形中，土基的變形占很大部分，約為 70% ? 95%。路面結(jié)構(gòu)的破壞，除其本身原因外， 也主要由于土基過大變形所引起。 因此，研宄土基的強度和變形特

3、性對路面設(shè)計 具有重要意義。2.1 土基的應(yīng)力為為應(yīng)變特性在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，理想線彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈線性特性。當應(yīng)力消 失時，應(yīng)變亦隨之消失，恢復到初始狀態(tài)。由于路基土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，包 括固相、液相和氣相。固相又由不同礦物成分、不同粒徑的顆粒組成。因此路基 土在應(yīng)力作用下的變形特性同理想線彈性材料有很大區(qū)別。圖2-4-2是用壓入承載板試驗所得的土基豎向變形 I與壓力p之間的關(guān)系曲 線，圖中的曲線變化大致可分 3個階段。I階段為為彈性變形階段在此階段內(nèi)，卸載后，變形可以恢復，土基受到彈 性壓縮，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線呈近似直線。II階段為為塑性變形階段在此階段內(nèi)，外力增大，變形發(fā)展較快

4、，卸載后，變形不能完全恢復。其中，能夠恢復的變形，叫彈性變形；不能恢復的變形，叫 塑性變形（或殘余變形）。在此階段范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈曲線III階段為為破壞階段應(yīng)力繼續(xù)增大，變形急劇增大，土體已失去抵抗變形 的能力，表明土體已破壞。土基在外力作用下表現(xiàn)出的這種應(yīng)力應(yīng)變特性叫土基的非線性。非線彈性體的土基的彈性模量E并不是一個常數(shù)。在重復荷載作用下土基將產(chǎn)生變形累積， 使路面產(chǎn)生變形和破壞。2.2表征土基強度的指標路基在外力作用下，將產(chǎn)生變形，路基強度是指路基抵抗外力作用的能力， 亦即抵抗變形的能力。在一定應(yīng)力作用下，變形愈大，土基強度愈低；反之，則 表明土基強度愈高。根據(jù)土基簡化的力學模

5、型不同，以及土體破壞的原因不同， 國內(nèi)外表征土基強度的指標主要有以下幾種。（1）彈性模量E把土基簡化為一彈性半空間體，用彈性模量 E表征其應(yīng)力應(yīng)變特性，并作 為土基的強度指標。為模擬車輪印跡的作用，通常以圓形承載板壓入土基的方法 測定其彈性模量E （圖2-4-2）。根據(jù)彈性力學原理，用圓形承載板測試計算土基回彈模量的公式為：E -四124 I式中：e為土基的彈性模量，MPa l為承載板的沉降值，m d為承載板的直徑，m為土的泊松比，一般取0.35 ; P為承載板壓力，MN由于承載板測試彈性模量的野外測試速度較慢，因此工程中常用標準汽車作 卸載試驗，根據(jù)測得的回彈變形（回彈彎沉 丨）計算土基回彈

6、模量值，公式為：E pd 120.712、l式中：P為標準試驗車的輪胎壓力，kPa； D為試驗車輪跡當量圓直徑，cm； 為 土基的泊松比，取 0.35 ； l為土基不利季節(jié)的計算彎沉值，cm取平均值加兩 倍方差。與用承載板作加載測試相比，兩者結(jié)果相差不大，但后者測試工作大為簡化。（2）土基反應(yīng)模量K圖2-4-3文克勒地基力學模型在剛性路面設(shè)計中，除用彈性模量表征土基強度外，亦常用土基反應(yīng)模量«$作為指標。該力學模型假設(shè)地基上任一點的反力與該點的撓度成正比，而與其他點無關(guān)，即土基相當于由互不聯(lián)系的彈簧組成（圖2-4-3 ）。這種地基力學模型首先由捷克工程師文克勒（E.Winkler ）

7、提出，因此，又叫文克勒地基。地基 反應(yīng)模量K,為壓力p與沉降l之比，即：K P N cm3l地基反應(yīng)模量K值，用承載板試驗確定。承載板的直徑規(guī)定為76cm測試方法與回彈模量測試方法相類似，但釆用一次加載法，施加的荷載由兩種方法控 制：當?shù)鼗^為軟弱時，用0.127cm的沉降控制承壓板的荷載；若地基較為堅硬， 沉降難以達到0.127cm時，以單位壓力p=0.07MPa控制承載板的荷載。(3) CBR( CaliforniaBearingRatio)值(加州承載比)力砂I承載比是早年由美國加利福尼亞州提出的一種評定土基及其他路面材 料承載力的指標。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并釆

8、用高質(zhì)量標準碎石為標準，它們的相對比值即為CBRfio試驗時，用一個端部面積為19.35cm2的標準壓頭，以0.127cm/min的速度 壓入土中。記錄每貫入0.254cm (0.1in )時的單位壓力，直到總深度達到1.27cm 為止，此時的貫入單位壓力與達到該貫入深度時的標準壓力之比即得土基的CBR值，即：CBR 衛(wèi) 100PS式中：p為為對應(yīng)于某一貫入度的土基單位壓力，MPa ps為為與土基貫入度相同的標準單位壓力(見表 2-4-1 )，MPa表2-4-1標準壓力值貫入度/Icm0.2540.5080.7621.0161.270標準壓力 /MPa7.0310.5513.3616.1718

9、.23CBR式驗設(shè)備有室內(nèi)試驗與室外試驗兩種。室內(nèi)CBR試驗裝置如圖2-4-4所示。試件按路基施工時的含水量及壓實度要求在試筒內(nèi)制備，并在加載前浸泡在水中飽水4d。為模擬路面結(jié)構(gòu)對土基的附加應(yīng)力，在浸水過程中及壓入試驗時， 在試件頂面施加環(huán)形砝碼，其重量根據(jù)預(yù)計的路面結(jié)構(gòu)重量確定，但不得小于 45.3N。試件浸水至少淹沒頂部2.54cmo CBRfi的野外試驗方法基本與室內(nèi)試驗 相同，但其壓入試驗直接在土基頂面進行。13 24<tn圖2-4-4CBR試駘裝詈示意圖以上三項指標，都表征特定力學模型下土基的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。但由于土基是非線彈性體，其強度還隨土質(zhì)、密實度、水溫狀況及自然條件而變，因此，在 應(yīng)用各項指標進行路面設(shè)計和對土基強度進行評價時，必須與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 相配合，把路基路面的設(shè)計力學模型與具體條件和要求聯(lián)系起來。（4）抗剪強度指標土的抗剪強度指土體抵抗剪切破壞的能力。 土的抗剪強度對分析土坡穩(wěn)定以 及擋土墻后土壓力計算具有十分重要的意義。土的抗剪強度通常用庫侖公式表示：c tan式中：r為土的抗剪強度，kPa；c為剪切破壞面上的法向總應(yīng)力，kPa； c 為土的單位粘聚力，kPa；