第二章路基基本性质.docx
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第二章路基基本性质
第二章路基基本性质
授课内容
§1公路自然区划
§2路基土的工程分类
§3路基土的应力应变关系
§4路基承载力
§5路床设计
§1公路自然区划
自然区划分类自然地理区划：
综合自然区划、部门区划
专业自然区划：
农业、建筑、生态、公路
区划目的
我国幅员辽阔，各地自然条件和道路的工程性质差异很大。
区分不同地理区划自然条件对公路工程影响的差异性，便于道路工作者在路基路面结构类型选择以及设计、施工养护中采取合适的设计参数和技术措施，保证路基路面的强度和稳定性。
根据水、土、温度因素（相似性），在一定区域内，定性地确定公路工程的特点（即土基回弹模量，由干湿类型和土性质决定）。
区划原则
以自然气候的综合性和主要性相结合为原则
1、公路工程特征相似的原则：
在同一区划内，在同样的自然因素下筑路具有相似性。
2、地表气候区划差异性的原则：
地表气候是地带性差异和非地带性差异的综合结果。
3、自然气候因素既有综合又有主导作用的原则：
自然气候变化是各种因素综合作用的结果，但其中又有某种因素起主导作用。
公路自然区划划分
（1）二级区划：
潮湿系数k
（2）三级区划：
1、水热、地理和地面；
2、地表地貌、水文和土质
各自然区划的筑路特点
I区-北部多年冻土区：
道路设计原则-保温
U区-东部湿润季冻区：
路面结构要突出-防冻胀与翻浆
川区-黄土高原干湿过渡区：
筑路主要问题是黄土的冲蚀与遇水湿陷
W区-东南湿热区：
筑路主要问题是水毁、冲刷和滑坡
V区-西南潮暖区：
土基湿软，注意路基整体稳定性
切区-西北干旱区：
气候干燥，砂石搓泥、松散，沙漠地区风蚀和沙埋叫区-青藏高寒区：
有多年冻土，注意保温设计，沥青路面易老化评价
（1）侧重于为低等级道路服务，病害主要考虑冻胀与翻浆。
目前高等级公路的冻胀与翻浆已经不是主要的病害
（2）影响因素仅是水、热，没有考虑地貌、地质等。
（3）不能很好地为公路服务，服务范围不明确
目前有用的仅是土基模量、最小路基高度、稠度参照该区划；
§2路基土的工程分类分类的基本原则
（1）应选用对土的工程性质、最能反映土的基本属性和便于测定的指标作为分类依据
（2）要有一定的逻辑性
（3）应能反映土在不同工作条件下的特性土的工程分类标准（GB-T50145-2007）
分类体系
（1）划分指标：
土的颗粒组成及其特征土的塑性指标：
液限、塑限和塑性指数土中有机质含量
（2）粒组定义：
工程上常把大小相近的土粒合并为组粒组划分：
巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土
2006020S205Q.25WS0-002（fnm）
“11i_1:
粗粒组
---1-■-■
揺粒SB
涯石
弗石
砂
粉粒
（块石）1
密|中］醐
E|中fll
图粒组划分
（3）颗粒级配特征：
不均匀系数Cu和曲率系数Cc
di°、d30和d6°是指土的特征粒径，分别是指小于该粒径的土粒质量为
土总质量的10%30呀口60%
（4）划分方法：
按不同粒组的相对含量划分：
巨粒类土、粗粒类土和细粒类土
巨粒类土：
按粒组划分
粗粒类土：
按粒组、级配、细粒土含量划分
细粒类土：
按塑性图、所含粗粒类别及有机质含量划分
（5）卡萨格兰德塑性图（Cassagrandeplasticitychart）
液限Wl（%）
图中的液限呵为川碟式仪测定的蔽眼含水率或用质桶76皿角为：
”的液限仪锥尖人土棵度17mm对应的奔水率。
土的分类
巨粒类土
＞15%
50%＜巨粒含童奇75%
耐H療石霑・a卵石含■
卵石d廉石割t峯卵石含量
混舎土農石覘石含■
1H合土罪石Cb创禅石含量吨鼻石含■
at石齬土SIB漂石含■»卵石卸t
聊石混合±SiCb9W含■話卵石含養
离港限苗土CH
<25%
»±
z（m（他-30网2?
希土
"4枷-20减Iy4
低港磴鮎土（X
心50%
OK»±ml
yL<50%
腐土咸粉上
CL-ML^MIXIL
冇机肮上
有机质含痂％＜10%
^50%
有机上疽机质含
—含彌也上
碗爼書童A砂頼组含量
CHG1GlJGTMHGTMir_
含砂删t七
含俱雎土
砾救组含量耳砂粒坦含.
CHSCLSJUfiJ«LS
土的工程性状评价
（1）巨粒土良好（强度、稳定性好）
（2）粗粒土良好
（3）砂土强度、稳定性好，压实困难；
（4）砂性土强度、稳定性好，压实容易；
（5）粉性土粘性小，毛细作用强，水稳定性差，易产生冻胀和翻浆;
（6）粘性土粘性大，水稳定性优于粉土，毛细作用强；
（7）重粘土不透水，粘聚力大，干燥时很坚硬，不易施工
§3路基土的应力应变关系路基受力状态
静载：
路基自重--—
活载：
汽车轮重a、集中荷载：
鲍辛尼斯公式
r2&P2pdFu-rd8-dr
九=K—=K-^-=£-——.——b、均布荷载：
'
9:
0〜2n,r:
0〜R（p为均布荷载，R乍用半径）
—=pQ_—
MF
路基工作区
1
1
7——）（7oin
iU，路基工作区
a、汽车荷载大小不同，乙不同
b、乙随路面强度增大而递减
C、当路基工作区乙大于路基填土高度时
•路基工作区
-汽车荷我应力与路基土自吏应力之比大于CL1（-0.2）E勺深度范围
-AASHTO（1993）:
1.5m
-实测:
10^2.3m（取应力比0.15）
-40种典型沥青詰而结构’取95%寒计频率的数值计算结果
杀円購定标A对应的略基工柞隊探底（mJ
tr/<7^0.1
WbQ2
25
準紬啟枪】00日
1.3
fl.9
1.9
2.4
1.6
3.0
雷韋"T1仙的百勵
102'■1H>'-0Ch"-
.r-厂迅巳._'.=洸.-裁
•路床
-路床厚度二路基结构（Subgrade）号度二路基工作区深岌
-与路面协调设计的核心结构层
-决是了路基的设计指标和参数
-路床厚度
-轻、中等及重交通:
0.8m
-特匪极車交涌:
L2m
-特种轴载公路：
单独讣算
3.2.1路床厚度应根据交通量及其轴载组成确定。
对特种轴载的公路,应里独计算路基工作区深度，确定路床厚度
应力应变关系
CF=/（«7）
e
非线性
弹塑性、流变特性
流变性由于车辆荷载作用短，一般不考虑弹塑性在计算路基的永久变形时考虑非线性的考虑方法一局部线性化方法
1初始切线模量
2切线模量
3割线模量
4回弹模量
非线性的考虑方法一将回弹模量表示成应力或应变的函数
如砂性土回弹模量:
Ef=Ki0
K2
式中：
Ef土基回弹模量；
0全应力，即0=Cl+C2+G3
K1,K2――回归常数。
圈卜代网諒橙俺与庇力的扶岳榆线
«）砂性土⑹tttLt
重复荷载对路基土的影响塑性变形累积
每次荷载作用之后，回弹变形一即时消失
塑性变形—不能消失，残留在土基之中
重复荷载对路基土的影响两种状态
土体逐渐被压密，每次塑性变形量逐渐减小，直至最后稳定。
这种不会导致土体产生剪切破坏每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏。
重复荷载对路基土的影响
何种状态，取决于：
土的性质（类型）和状态（含水率、密实度、结构状态）
重复荷载大小：
重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比荷载作用性质：
重复荷载施加速度、作用持续时间及频率土侧向应力大小
§4路基承载力
路基作为路面基础，它是抵抗车轮荷载能力的大小，主要取决于路基顶面一定应力级位下的抗变形能力。
用于表征土基承载力的参数有：
回弹模量
地基反应模量
加州承载比土基回弹模量
优点：
反映土基瞬时荷载作用下的可恢复变形。
因而可以用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。
测定方法：
（1）柔性承载板法
M）二厶
土基与压板之间接触应力
压板中心处挠度
压板边缘处挠度
pg
h）如"
（2）刚性承载板法板底接触应力随r呈鞍形分布
I=2pa（l-A2）£y?
（r）二丄皿
E42如一严2
逐级加载法，每级增加0.04MPa卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载。
回弹变形值超过1m时，贝M亭止加载。
点绘荷载-弯沉曲线。
地基反应模量
定义与特点
适用于温克勒（E.Winkler）地基。
假定土基顶面任一点的弯沉仅同作用于该点的垂直压力成正比，而同其相邻点处的压力无关。
即地基可以认为由许多各不相连的弹簧组成。
一般刚性路面下路基采用Winkler地基。
测定方法与承载板法测回弹模量相似，区别：
（1）一次加荷到位；
（2）承载板的半径为76cm
两种加载方法：
（1）当地基较软弱时，控制弯沉值为1.27mm通常情况下砼路面的弯沉不会超出这一范围
（2）当地基较硬时，弯沉值难以达到1.27mm控制单位压力为70KPa影响因素
承载板直径的大小对k值有一定影响，直径越小，k值越大。
当承载板大于76cmk值变化很小，故规定直径以76cm勺承载板为标准。
6匸・
加州承载比
定义与特点
由美国California提出的一种评定土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CB值。
测定方法
CB值有室内测试与现场测试
直径152.4mm高114.3mn土样顶面，用直径49.5mnt勺刚性压头，以1.27mm/min的速度压入土中，记录每贯入2.54mm寸的单位压力，直至压入深度达到12.7mrr时为止。
计算CBR通常取贯入度0.254cm,但是当贯入度为0.254cm时的CBRb于0.508贯入度时的CBR6时，应取后者。
m之.工4CBR试验話IT
室内试验：
a、按路基施工时的含水量及压实度要求再试筒内制备
b、加载前再水中浸泡4d
c、为了模拟路面结构对土基的附加压力，在浸水过程和压入试验时，在试件顶面施加环形砝码，其重量应根据预计的路面结构重量来确定。
野外试验：
基本上与室内试验相同，但其压入实验直接在土基顶面进行野外实验与室内试验结果不一致原因：
含水量不一样，所以，对野外实验结果必须加以修正，换算成饱水状态的CBR
§5路床设计与力学经验法相适应的路基设计指标
票用性能
力学方石至
•力学经瞪去的本质
•路基设计指标
-路基（广义）抗剪强度：
稳定性控制
-路基动态回弹摸屋胶虑：
弹性娈形控制
-路基顶面竖向压应变£.:
塑性变形控制
•设计意图的实现_
-三轴重复加载试验确定标准状态下的路基回弹模量r井经湿度调整-垠于安宦翌论控制路垠应力或应变水平r进而控制路基永久变形-旋工：
皿住控制材料；藍实现路皋接近标准压实状态
路基顶面（即路床顶面）的回弹模量一一路面结构分析与设计中表征路基结构的指标
CBR填料选择指标，表征材料的水稳定性和抵抗局部压入变形能力的指标压实度施工控制指标
CB!
和压实度均非路基结构设计指标（或参数）路基回弹模量的设计值必须通过填料的合理选择和压实度的有效控制得以实现。
322路床壇料应均匀，其最小承载比应符合表322的规定
表3.2.2路床填料最小承载比要求
路基部位
路而底面以卜深度（tn）
填料址小承载比（CBR）（%）
高速、一级公路
•级公路
二、四级公路
上路床
0-0.3
8
6
5
下用床
轻.中等及亟交通
0.3-0.8
5
4
3
特匝、圾垂交通
0.3-1.2
3
4
—
-”最小强度"改为〃最小承裁比”
-路床顶面竖向压应变特征
p=ci+bls.N
CBR测试方法对干旱半干旱地区的局限性：
年平均降雨量小于400mm地区，路辜样水良好的非浸水路基,通过试验论证可采用平衡湿麼状态的含水率作为CBR试验条件
cp（N）
Tseng-LyrronModel=
ChaiMiuraModel巧=。
（鱼孑（1+鱼孑屮
-沥青路面：
H于安定理论.分层控制车辙
-水泥路面:
不作控制,但对柔性墓层伙泥路面必须注窟！
路基永久变形引起的水泥路面疲劳寿命折减（幻
埒基\I.（MPa）
30
40
<0
柔性基层
30%
21%
16%
半刚性基层
16%
6%
6%
•3.2,5新建公路路基回弹槿童设计值E曲按式（3.25-1）确定
Eq=K&*K亍血（3.25-1）
式中：
Eq——平衡湿度状态下腔基回弾樟量iSi+E（MPa）;
坏——标准状态下路基动恵回弹樓量值（MP^）;
瓦——踣基回弹楼盘湿度调整系数；
g——干湿皓坏就东融循坏条件下路墓土輕拆减系数.通过试验确定.
-对于多层不同类型土质路墓，采用参层弹性层状地華理论r按照穹沉■效的原则，将多展孑議皓化成当■单层*訥后”再计算路珠基顶面当量回弹^*11.
路基平衡湿度是指公路建成通车后，路基在地下水、降雨、蒸发、冻结和融化等因素作用下，湿度达到相对稳定的平衡状态
3.2,6标准状志卜监基回理樟量值应按卜列厅林矩:
1路基壇料的回弹樟遗应狡附录A通过试验荻得。
2受试验条件限制时‘可抜附录B,按土组类别及粒料类型由表盯、B.2査取回弹樟量参考值。
3初步设计阶段「也可1$式（326J.（3.26-2）由埴料的CBRfflte算标准状态下填料回弾幄量值：
17.6C5A0W（2Mr=22ACBR^5（12-思路：
分层况分阶按的确定方法
-CBRfea決同NCHRP1-37A
重复加载三轴试验确定路基土动态回弹模量（附录A）
路基土动态回弹模量取值表（附录B）
哀A1标堆状态下路基土回弾模■參者H
1;纠
W汁■!
MPa?
蒔（G＞
1L0-135
岂细粒上砾＜GF）
100-）30
恂1IUMJ
10CK125
:
^-!
.'-.V^--GO
95-120
&95d25
含細粒土砂（SF）
80-115
粉上颅砂（SM）
fiS-W
斟k'jit*60-P0
怅浹限粉+【磧
50-90
低液限黏t（CL）
50-85
厨液限粉.MHJ
34冗
i'J：
7
20-50
粒料类型
取值范M（MPa）
级配碎石
180-400
水师分碎石
180^220
级配砾石
150-300
天然砂碑
100-140
^B-2标准状态下粒科旦弾按呈参老值
-基本原理
预加載：
30k巾围压、66kPaS由向半正矢脉;中荷栽1000次
按目标应力值力哦「10Hzr100次,取最后5次
-试鲨中「试件总垂总永久变形＞5%・停止试鲨
对班和砂.D60（通过率＞.160%时的颗粒粒径）大时「取高值『D60小时’取低值口对冥他含细较旳土组r小十0,075口山軸粒含量大和塑性指数高时’腳比值，陛之（取高值.
-同号茶件下,轻、中等及更交通荷載时取较小值「恃重、极重交通条件下孜较夫值
-路皋土动态回弹模呈本构榄型
巴大乙広锂绝时堂"谊當吐育100（kPa）;
令——体晁力〔第一应力茶童童》F商三金主应力之和.即占二5+巧亠巧
r«*九面倬剪应力CkPaJ.―
$丰©—屯）'丰©―/3
出、f為——棋型券數：
时于细桂土賂星，
耐=-0.0960m+03929^「0.0142心+讪09坨血+1.0100
Jt2=-0.0005n-0.0069Z?
-0.0026^+0.6984
=-0.2180w-3.C253^-0.0323Zp+74474
-基于多层弹性体系理论fi+算三主应力；一般，&可取WOkPa「J为13kP曰
由物性計或计算三参数，但应结合当地路基旳主要土组进一步修正回归鑿数
3Z7新建公路路床应处于干燥或中溫状态議蹈基设计可按下列方法预估湿度状态，确定回彈模量湿度调整系数：
1可按附录匚的有关规定r根据路基相对高度、路基土组类别及其毛细水上升高度,确宦路基干湿奕里,并预估路基结构的平衡温度。
2路基回揑模虽湿度调整系数可按咐录D确定，
-榜潺席状态的划分片湿再陨怙方沬件了修订
-采用饱和度诽稠度表征路基湿度5r=T—
1--^^
Gsyw
-采用湿度调整系数表征平衡湿度状态与标准状态的檬最差异
.；..Af,b—G
吨扎"咚万一rT”一7
3l+HAPh--L|_frJS-S^）
路基湿度来源
水在土中由高压向低压处、由高温向低温处、由高含水量向低含水量处移动。
在干旱地区，地表蒸发量大，当水由下向上移动时，溶解的盐类也随之移动，盐分集聚于地面，往往形成盐渍（zi）土。
1
水温状况变化对道路工程的影响
水温状况是指由于湿度与温度变化对路基产生的共同影响
聚冰带是指沿路基深度出现较大温度梯度时，水分在温差的影响下以液态或气态由热处向冷处移动，并聚集在该处。
这种现象在季节性冰冻地区最为严重。
路基干湿类型划分（附录C）
-潮湿类路基：
地下水我地和期积水的水位葛「踣基工作区均外于地下水毛细2琲显影洞范IE内」踊草平衝湿廈宙地下水或i釀扶期积水的ZM宣刃障断控制
-干燥类路基：
也下水位很低f路屋工作区处于ttBTzk-ds润湿面之上「囂呈平衝湿度由气提因素所控制
-中湿类路基：
湿廈养堂地F水相r帳因素第眄「培基丄作区被地F水宅细润湿面分为上、下两部分.下部受地下水毛细®显K影响,上部则受气惟因素影D冋
基本原理：
日E饱和上力学理讷（swccr基I占吸力
…基険吸力预估＞^・丫-人禱舉
工土・水诗理曲线（Fredlurtd-Xing（竹弘）模型）
地下水控制
干燥类
基炭吹尢俺估
TVfMvPT^型
气像因秦控制
中遍类
上直2类合并
v40munaumucvjuuk•Mai
尤阜转帕■铁
路基平衡湿度预估方法（附录C）
-潮湿类路基
表co.2土组距地下水位不阖高度处的饱和臃〔蚌）
丄组
AWa'j.^JL卜-小或見丧辰期出戊小位们"衙＜in）
0.3
1.0
L5
2.0
■w■
3.0
4.0
69-S4
5569
50-65
49-62
4559
43-57
—
魁七压砾GC
79^96
64-8J
60-79
56-75
§23
52-71
—
f£J?
S
9^-80
70-50
——
——
—
——
—
粉土筋砂SM
7493
64-77
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55^6£
*66
立-64
——
詁1:
nest?
P499
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72-«3
6S-80
66-78
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76-86
83-73
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69-80
抵N限見上CL
心一附
S0--53
对90
73-8S
70-S6
6S-S5
髙液限粉tMH
100
90皿
$492
83-5M）
$1-89
SO-87
——
亩液限科七5
100
知2
88-91
8690
S9
83-87
-刘砂（SW.SP）,D60大日J”平衡湿度取低值.D60/JX时「取高值“
-对其他含细粒的土组，通过0Q75mm筛圧）颗粒含量大和塑性指数高时，取高值’反N’取彳氏值。
干燥类踣基
lOO（Rr）-60（DFj
扌r
全国4】。
亀鸽站数据
3种典型十组
£恥in
-30—-4A
{”i>h^£
（»\—IyikJ%Af+呼』-JB*一：
丘~
?
（l
」FFs\萍Hl严7D—D二IT葺彩捲
R-y年的水径流量
DFy-y年的缺水量
PEy-y年的潜在蒸发量
表G0.3-2务路基土组在不同TMI信旺的饱和痘（%）
土殂
™i
-50
-30
-10
10
30
50
20-50
25-55
27-60
30-^5
J2-67
320
尉匕瓯砂盟1
45-48
62^6S
73-SO
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S4-StJ
$7-90
希丄顾砂SC
低液限粉土ML
4】76
5S>-64
75-77
84*86
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S6
91
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岛潢限粉.卜MH
41-42
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76-79
S5^SS
gg：
924
两浪隈扣mH
知"1
58-69
85-74
8M2
9i-y5
94-97
-对砂,D60大时（接近2mm）取低值*D6W卜时〔身近0,25mm〕取高他
-粉土质砂、粘土质砂或细粒土的饱和席取值与细粒土含量不喳性垢数相关’a粒土含量亀建性指数大时取覘頁「反NHX高值.
-中湿类路皋
☆収毛細润湿直（毛细水上升高度〉，将路基工作区分为上t卜两部分
☆上部分畫按路基土组类别和™I值确定Jt平衡湿度
☆下部分：
按路基土组类别和距地下水位的距离确定其平衡湿悄
炸珞基平衢湿度，丄*下部分湿度的厚度加权平均
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路基回弹模量湿度调整系数取值（附录D
-潮湿夹路据
^do.1潮萬类路基的回弾模/湿度调整聚救
上喷类刑
砂
地检土喷砂
粉质土
劉质土
路基匚柞区顶面
0R^0.9
0,5-016
0Zr
0*41.0
|路基T件帆底曲
0-5A>.^
0.4-0.5
0.4-0.6
-砂：
DE0大时取葛肩，D60/I甘t取彳氏偵*
-细粒上陡砂:
细粒含吐匕塑性指数％刖取低偵f反上「凋整条数耿宜值亠
粉風土和黏质土：
路基高度彳勒寸取低值,反之取高值.
-干燥真路基
衣D0.7干燥类浦墓的回彌冷星湿度调整蘇散
土纽
TM1
厂0
-10
10
30
50
1J0-1
L14-L60
1.02-1.7T
0.93-1,73
0.86-J.69
0,8-1.61
粉上质0SM
郵土喷砂$C
159A.65
1.10^1.26
0.53^0.9^
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