第四章 路基材料特性

第四章路基材料(cáiliào)特性第一節(jié)土的工程分類第二節(jié)土基的變形特性第三節(jié)土基的強(qiáng)度指標(biāo)第四節(jié)土基的干濕類型(lèixíng)第五節(jié)土基壓實(shí)第六節(jié)土基的穩(wěn)定與處理共三十六頁(yè)第一節(jié)土的工程(gōngchéng)分類一美國(guó)統(tǒng)一土壤分類法統(tǒng)一土壤分類法首先(shǒuxiān)將土分為粗粒徑土、細(xì)粒徑土和高有機(jī)質(zhì)土三大類，如下表所示。共三十六頁(yè)統(tǒng)一土壤分類法最終(zuìzhōnɡ)將土壤分為15類，各類土的符號(hào)及簡(jiǎn)要說明如下：GW：級(jí)配良好的礫石，礫石-砂混合物，很少或沒有細(xì)料。GP：級(jí)配不好的礫石，礫石-砂混合物，很少或沒有細(xì)料。GM：粉土質(zhì)礫石，礫石-砂-粉土混合物。GC：黏土質(zhì)礫石，礫石-砂-黏土混合物。SW：級(jí)配良好的砂和含礫砂，很少或沒有細(xì)料。SP：級(jí)配不好的砂和含礫砂，很少或沒有細(xì)料。SM：粉土質(zhì)砂，砂-粉土混合物。SC：黏土質(zhì)砂，砂-黏土混合物。ML：無機(jī)粉土、極細(xì)沙、石粉、粉土質(zhì)或黏土質(zhì)細(xì)砂。MLO：有機(jī)質(zhì)低液限粉土。CL：低液限黏土，含砂黏土、貧黏土。CLO:有機(jī)質(zhì)低液限黏土。MH：高液限粉土，含云母或硅藻的細(xì)砂或粉土、塑性粉土。MHO：有機(jī)質(zhì)高液限粉土。CH：高液限黏土。CHO：有機(jī)質(zhì)高液限黏土。Pt：泥炭、泥污或其他高有機(jī)質(zhì)土。共三十六頁(yè)對(duì)于(duìyú)粉土和黏土的鑒別，則通過液限和塑限試驗(yàn)，按下圖的塑性圖區(qū)分。土中A線為區(qū)分黏土和粉質(zhì)或有機(jī)質(zhì)黏土的分界線；液限50%這條線是區(qū)分高塑性土和低塑性土的分界線。液限和塑限是通過40號(hào)篩（0.42mm）的部分圖樣試驗(yàn)的。二我國(guó)公路路基土的分類1.首先按土的粒徑分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土四個(gè)大組，其劃分如下表。共三十六頁(yè)2.對(duì)于中粗粒土和細(xì)粒土，根據(jù)土的粒度成分、土的塑性(sùxìng)指數(shù)及液限進(jìn)一步劃分。各類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(sùxìng)指數(shù)和液限按100g錐重聯(lián)合試驗(yàn)測(cè)定。粒組劃分表上述土中，砂性土是修筑土基最好的材料，黏性土次之，粉性土是不良材料，最容易引起路面結(jié)構(gòu)的病害。重黏土，特別是蒙脫土，是不良的土基用土。土基遇到不良土質(zhì)時(shí)，最好是挖除并換填質(zhì)量好的土料。如受條件限制而沒有挖除時(shí)，必須采取相應(yīng)措施給予防護(hù)和加強(qiáng)，以保證土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。共三十六頁(yè)第二節(jié)土基的變形(biànxíng)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)(shìnèi)三軸試驗(yàn)表面，土的應(yīng)力-應(yīng)變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。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)生了相對(duì)移動(dòng)，而這種移動(dòng)引起的變形，有一部分屬于不可恢復(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)。★對(duì)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行線性處理的最簡(jiǎn)單的辦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。從而確定的模量有以下幾種：共三十六頁(yè)1）初始切線模量：應(yīng)力值為零時(shí)的應(yīng)力———應(yīng)變曲線的斜率，如圖中的①所示；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，如圖中的②所示，反映該級(jí)應(yīng)力處應(yīng)力一應(yīng)變變化的精確(jīngquè)關(guān)系；3）割線模量：以某一應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的曲線上的點(diǎn)同起始點(diǎn)相連的割線的斜率，如圖中③所示，反映土基在工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力一應(yīng)變的平均狀態(tài)；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，如圖中④所示。前三種模量中的應(yīng)變值包含殘余應(yīng)變和回彈應(yīng)變?cè)趦?nèi)的總應(yīng)變，而回彈模量取值時(shí)已扣除殘余應(yīng)變后的回彈應(yīng)變。因此在以彈性力學(xué)為理論分析基礎(chǔ)的路面設(shè)計(jì)方法中，往往將土的回彈模量視為土的彈性模量，并且作為路面設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要計(jì)算參數(shù)。共三十六頁(yè)☆二土基的流變性質(zhì)與土的流變性有關(guān)的現(xiàn)象是土的蠕變與應(yīng)力松弛蠕變：指在應(yīng)力狀態(tài)不變條件下，應(yīng)變(yìngbiàn)隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象；應(yīng)力松弛：維持應(yīng)變不變，材料內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象。共三十六頁(yè)★三重復(fù)荷載下土基變形特性土基在荷載的重復(fù)作用下產(chǎn)生的變形累計(jì)，最終可導(dǎo)致兩種不同的情況。①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)生引起土體整體破壞(pòhuài)的剪切面，土基被壓實(shí)而穩(wěn)定；②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，土基失去支撐荷載的能力。共三十六頁(yè)在安全相對(duì)荷載重復(fù)作用下，土基的累計(jì)總變形與荷載作用次數(shù)之間在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈直線關(guān)系，以公式表示為：四土基的荷載-彎沉關(guān)系壓入承載板試驗(yàn)是以一定尺寸的圓形承載板置于土基表面，逐級(jí)加荷，記錄施加在承載板上的荷載及由該荷載所引起的土基沉陷變形，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果即可得出土基頂面荷載與彎沉關(guān)系曲線。這種曲線具有同土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線相似的特點(diǎn)，一般(yībān)也呈曲線形狀，卸載后仍保留部分殘余變形。共三十六頁(yè)第三節(jié)土基的強(qiáng)度(qiángdù)指標(biāo)一土基回彈模量以回彈模量表征土基的承載能力，可以反映土基在瞬間荷載(hèzài)作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)，因而可以應(yīng)用彈性理論公式描述荷載與變形之間的關(guān)系。以回彈模量作為表征土基承載能力的參數(shù)，可以在彈性理論為基本體系的各種設(shè)計(jì)方法中得到應(yīng)用。★柔性承載板與剛性承載板用柔性壓板測(cè)定回模量，土基與壓板之間的接觸壓力為常量，如圖a所示，即：共三十六頁(yè)★共三十六頁(yè)承載板的撓度l（r）與坐標(biāo)r有關(guān)，在壓板中心處（r=0),即：在柔性承載板邊緣處（r=a),其撓度為：用剛性承載板測(cè)定土基回彈模量，壓板下土基頂面的撓度為等值，不隨坐標(biāo)r而變化(biànhuà)。但是板底接觸壓力則隨r值的變化，成鞍形分布，如圖b所示。其撓度l值與接觸壓力p（r)值可分別按下式計(jì)算。共三十六頁(yè)在實(shí)際測(cè)定中，剛性承載板用得較多，因?yàn)樗膿隙纫子跍y(cè)量，壓力容易控制。試驗(yàn)時(shí)宜采用逐級(jí)加載卸載法，每級(jí)增加0.04MPa，待卸載穩(wěn)定1min后讀取回彈彎沉值，再加下一級(jí)荷載?；貜椬冃沃党^1mm時(shí)，則停止加載。如此(rúcǐ)，即可點(diǎn)繪出荷載一回彈彎沉曲線，如下圖所示。共三十六頁(yè)二地基反應(yīng)模量用溫克勒地基模型描述土基工作狀態(tài)時(shí)。用地基反應(yīng)模量表征土基的承載能力。溫克勒地基的假定：土基頂面任意一點(diǎn)的彎沉l，僅同作用于該點(diǎn)的垂直壓力p成正比，而同其它(qítā)相鄰點(diǎn)處的壓力無關(guān)。符合這一假定的地基如同由許多各不相連的彈簧所組成。如下圖所示：共三十六頁(yè)壓力p與彎沉l之比稱為地基反應(yīng)(fǎnyìng)模量k。即：地基反應(yīng)模量k值用承載板試驗(yàn)確定。承載板的直徑規(guī)定為76cm。測(cè)定方法與回彈模量測(cè)定方法相類似，但是采取一次加載到位的方法，施加荷載的量值根據(jù)不同的工程對(duì)象，有兩種方法供選用。

注意：當(dāng)采用30cm直徑承載板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得的k值按下式進(jìn)行修正：地基反應(yīng)模量應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得，由于受季節(jié)限制，其值還應(yīng)按下式進(jìn)行修正，以模擬地基最不利狀態(tài)：共三十六頁(yè)三加州承載比CBR加州承載比是早年由美國(guó)加利福尼亞州提出的一種評(píng)定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石為標(biāo)準(zhǔn)，以它們的相對(duì)比值表示CBR值。試驗(yàn)時(shí)，用一個(gè)端部面積為19.35cm2的標(biāo)準(zhǔn)壓頭，以0.127cm/min的速度壓入土中，記錄每貫入0.254cm時(shí)的單位(dānwèi)壓力，直至壓入深度達(dá)到1.27cm時(shí)為止。標(biāo)準(zhǔn)壓力值是用高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)碎石由試驗(yàn)求得，其值如下表所示。共三十六頁(yè)CBR試驗(yàn)(shìyàn)分室內(nèi)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試兩種。室內(nèi)用CBR試驗(yàn)裝置如下圖所示。室內(nèi)要按施工現(xiàn)場(chǎng)的含水量和壓實(shí)度成型圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件，在加載前要浸水4d。共三十六頁(yè)CBR值還可以直接在野外測(cè)定，試驗(yàn)方法基本上與室內(nèi)試驗(yàn)相同(xiānɡtónɡ)，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)向限制條件不完全相同(xiānɡtónɡ)有關(guān)，這對(duì)粗顆粒材料影響大一些。對(duì)于黏性土只要含水率和密實(shí)度相同(xiānɡtónɡ)，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)的濕度狀態(tài)。因此，應(yīng)對(duì)含水率的差別進(jìn)行修正，才能建立兩者的關(guān)系。四土基各強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系

★回彈模量與反應(yīng)模量的關(guān)系★回彈模量與加州承載比的關(guān)系

共三十六頁(yè)★反應(yīng)(fǎnyìng)模量與加州承載比的關(guān)系共三十六頁(yè)第四節(jié)土基的干濕類型(lèixíng)一路基(lùjī)濕度的來源★大氣降水★地面水★毛細(xì)水★水蒸氣凝結(jié)水★地下水★薄膜移動(dòng)水共三十六頁(yè)二路基干濕類型路基的潮濕狀況以干濕類型分為干燥、中濕、潮濕和過濕四類。劃分標(biāo)準(zhǔn)為分界相對(duì)含水率w1、w2、w3。土基的干濕類型也可參考土的平均稠度(chóudù)Bm作為區(qū)劃依據(jù)。土的平均稠度按下式計(jì)算：1.Bm=1.0,即半固體與硬塑狀的分界值；2.Bm=0,為流塑與流動(dòng)狀的分界值；3.0＜Bm＜1.0，土處于可塑狀態(tài)。共三十六頁(yè)路基潮濕狀況主要是氣候因素和地下水位相對(duì)高度兩個(gè)方面的控制。按照地下水對(duì)路基濕度的影響程度，也即路床頂面的設(shè)計(jì)高程與最高地下水位之間的距離，可將路基濕度狀況劃分為以下(yǐxià)三類：1.干燥類；2.中濕類；3.潮濕類路基濕度狀況類型劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：潮濕類：H=Hw+Ht＜H0，即路床完全處于毛細(xì)水影響范圍內(nèi)；干燥類：H=Hw+Ht＞H0+80，即路床完全不受毛細(xì)水影響范圍內(nèi)；中濕類：介于兩者之間，即路床下面受毛細(xì)水，上部受氣候因素共同影響。評(píng)價(jià)路基濕度指標(biāo)主要有平均稠度、重力含水率、飽和度共三十六頁(yè)和體積含水率。我國(guó)采用平均稠度作為路基濕度評(píng)價(jià)指標(biāo)，稠度雖然綜合了土的塑性特性，包含了液限與塑限，也能反映土的軟硬程度，但是對(duì)于塑性指數(shù)為零或接近與零的土組，土的平均稠度不能全面反映路基土的工作狀態(tài)，而且也不直觀，國(guó)際上很少采用稠度指標(biāo)作為衡量路基土的濕度，不便于國(guó)際交流，因而需要對(duì)稠度指標(biāo)進(jìn)行替換。土的毛細(xì)性：指土中水在表面張力作用下，沿著細(xì)的孔隙向上及向其他方向移動(dòng)(yídòng)的現(xiàn)象。毛細(xì)水上升的最大高度與毛細(xì)管的直徑成反比，不同類型的土由于其顆粒組成的差異，形成的毛細(xì)孔徑也有較大差別。其上升高度可用海森公式估算：共三十六頁(yè)美國(guó)現(xiàn)行氣候區(qū)域劃分采用TMI濕度指數(shù)。三用基質(zhì)吸力劃分路基干濕類型的新方法基質(zhì)吸力：非飽和土的孔隙中不但充填有水，而且還有空氣，水——?dú)夥纸缑妫ㄊ湛s膜）具有表面張力，在非飽和土中，孔隙氣壓力與孔隙水壓力不相等，并且孔隙氣壓力大于孔隙水壓力，收縮膜承受著大于水壓力的空氣壓力，這個(gè)壓力差值稱為基質(zhì)吸力。土水勢(shì)：勢(shì)能由物體(wùtǐ)的相對(duì)位置及內(nèi)部狀態(tài)所決定，是制約土壤水狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)的主要原因，土壤水的能量概念就是指土壤水的勢(shì)能，簡(jiǎn)稱土水勢(shì)。共三十六頁(yè)土水勢(shì)可分為以下5種水勢(shì)：1.重力勢(shì)；2.基質(zhì)勢(shì)；3.壓力勢(shì)；4.溶質(zhì)勢(shì)或滲透勢(shì)；5.荷載勢(shì)?！镉赏?水特性曲線(qūxiàn)預(yù)估路基濕度的基本原理，見下圖，其關(guān)鍵是對(duì)路基土質(zhì)吸力的預(yù)估。共三十六頁(yè)基質(zhì)(jīzhì)吸力主要受地下水、土組類型、氣候等因素影響。表征氣候因素的參數(shù)由降雨量、蒸發(fā)量、降雨天數(shù)、相對(duì)濕度、年均溫度、日照時(shí)間及TMI濕度指數(shù)等；土組表征參數(shù)有P200和塑性指數(shù)PI。1.地下水位共三十六頁(yè)2.年均(niánjūn)相對(duì)濕度3.P200共三十六頁(yè)4.降雨天數(shù)5.TMI濕度(shīdù)指數(shù)共三十六頁(yè)進(jìn)一步根據(jù)wPI分析TMI曲線離散型可知，在一定區(qū)域范圍內(nèi)基質(zhì)吸力隨wPI增加而增大，且圖中其他數(shù)據(jù)點(diǎn)具有(jùyǒu)相同規(guī)律性，故可采用wPI進(jìn)行差分分析。

路基土基質(zhì)吸力差分回歸分析圖共三十六頁(yè)★共三十六頁(yè)路基土基質(zhì)吸力預(yù)估(yùɡū)模型，如下：共三十六頁(yè)第五節(jié)土基壓實(shí)一土基壓實(shí)原理路基土是由水、土、空氣組成的三相體系，土為骨架，顆粒之間的孔隙由水和空氣所占據(jù)，雖然天然土體經(jīng)長(zhǎng)期自然界的作用，雖已具有一定的密實(shí)程度，但與路基的使用性能要求依然有很大的差距，路基施工破壞了天然土體狀態(tài)，使其土顆粒重新組合，孔隙增加，結(jié)構(gòu)松散，使得土體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低，因此，必須對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)。壓實(shí)使土顆粒重新組合，彼此緊密，孔隙縮小，土的單位重量提高，形成(xíngchéng)密實(shí)體，最終