路基路面工程第3章.ppt

土木工程学院道桥系安徽建筑工业学院路基路面工程路基路面工程授课教师：韦璐授课教师：韦璐土木工程学院道桥系安徽建筑工业学院第三章第三章 道路建材的力学性质道路建材的力学性质路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐12348路基土的基本力学特征路基土的基本力学特征土基承载能力指标土基承载能力指标路面材料的基本力学特性路面材料的基本力学特性材料的疲劳特性材料的疲劳特性目目 录录路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐一、土的应力应变关系一、土的应力应变关系3.1 路基土的基本力学特征土基变形包括土基变形包括弹性变形弹性变形和和塑性变形塑性变形主要研究方法一般采用圆形刚主要研究方法一般采用圆形刚性承载板法（图性承载板法（图a）和三轴试验法（图）和三轴试验法（图b）应力与回弹变形的关系：应力与回弹变形的关系：非线性非线性应力应力-应变特性：应变特性：非线性非线性、、弹塑性弹塑性由图由图c可见，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由可见，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由A回到回到B，，0B即为即为塑性塑性或或残余变形残余变形一）土的非线性特性（一）土的非线性特性路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐图图    土的应力土的应力—应变关系曲线应变关系曲线3.1 路基土的基本力学特征路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐用模量值用模量值E来评定土基的应力来评定土基的应力-应变状态，有应变状态，有四种模量值四种模量值：：①①初始切线模量初始切线模量：应力值为零时的应力：应力值为零时的应力-应变曲线的斜率，如图应变曲线的斜率，如图c中的中的①①；；②②切线模量切线模量：某应力级位处应力：某应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图应变曲线的斜率，如图c中的中的②②，反映该级，反映该级应力处应力应力处应力-应变的精确关系。

应变的精确关系③③割线模量割线模量：以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，：以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图如图c③③所示，反映土基在工作应力范围内的应力所示，反映土基在工作应力范围内的应力-应变的平均状态；应变的平均状态；④④回弹模量回弹模量：应力卸除阶段，应力：应力卸除阶段，应力-应变曲线的割线斜率，如图应变曲线的割线斜率，如图c中中④④所示3.1 路基土的基本力学特征（二）土基的模量（二）土基的模量路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐二、重复荷载下路基土变形特征二、重复荷载下路基土变形特征3.1 路基土的基本力学特征 一般呈如下一般呈如下规律规律：每一次荷载作用之后，回弹变形即行消失，而塑：每一次荷载作用之后，回弹变形即行消失，而塑性变形不再消失，并随荷载作用次数的增加而累积逐渐加大，但随着荷性变形不再消失，并随荷载作用次数的增加而累积逐渐加大，但随着荷载作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小载作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小 结果结果：：①①土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定；土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定； ②②累积变形逐步发展成剪切破坏。

累积变形逐步发展成剪切破坏 出现哪一种结果取决于出现哪一种结果取决于三种因素三种因素：： ①①土的类别和所处的状态（含水量、密实度、结构状态）土的类别和所处的状态（含水量、密实度、结构状态） ②②应力水平（亦称相对荷载）相当于一次静载作用对的应力应力水平（亦称相对荷载）相当于一次静载作用对的应力 极极 限限δ极重复作用的应力程度极重复作用的应力程度 ③③荷载作用的性质即重复荷载的施加速度、作用的的持续时间和荷载作用的性质即重复荷载的施加速度、作用的的持续时间和重复作用频率重复作用频率路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标 土基的承载能力土基的承载能力是采用一定应力级别下的抗变形是采用一定应力级别下的抗变形能力来表征的，它是保证土基能安全使用并且变形在能力来表征的，它是保证土基能安全使用并且变形在容许范围内，土基所能承受的最大荷载值容许范围内，土基所能承受的最大荷载值 常用的土基承载能力的参数指标：常用的土基承载能力的参数指标：回弹模量回弹模量、、地地基反应模量基反应模量和和加州承载比加州承载比。

路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标一、路基回弹模量一、路基回弹模量 回弹模量回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质我国公路水泥混凝土路面、沥青路面恢复变形性质我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法都以回弹模量设计方法都以回弹模量E作为土基的刚度指标作为土基的刚度指标路基模型：路基模型：弹性半空间体弹性半空间体测定方法：测定方法：现场承载板试验和弯沉试验现场承载板试验和弯沉试验路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标承载板实测承载板实测路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐 由于刚性承载板试验中，压板下等值的扰度易于测量，压由于刚性承载板试验中，压板下等值的扰度易于测量，压力容易控制，因此在实测中用得较多力容易控制，因此在实测中用得较多试验时采用试验时采用逐级加载卸逐级加载卸载法载法，每级增加，每级增加0.04MPa，待卸载稳定，待卸载稳定1min后读取回弹弯沉后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过值，再加下一级荷载，回弹变形超过1mm时停止加载。

按规时停止加载按规定取定取=1mm以内的测点用线性归纳法整理以内的测点用线性归纳法整理 路基回弹模量计算公式如下：路基回弹模量计算公式如下：3.2 土基承载能力指标路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐 路基回弹模量值路基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变形的能力形的能力 若荷载为定值，回弹模量大，则产生的垂直变形小；若荷载为定值，回弹模量大，则产生的垂直变形小； 若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力大若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力大3.2 土基承载能力指标路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐二、地基反应模量二、地基反应模量K3.2 土基承载能力指标 文克勒地基模型文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文是原捷克斯洛伐克工程师文克勒克勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是地基年提出的，其基本假定是地基上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，成正比，而与相邻点处的压力无关而与相邻点处的压力无关路基模型：路基模型：文克勒地基（弹簧地基）文克勒地基（弹簧地基）测定方法：测定方法：：：承载板试验测定（一次加载到位）承载板试验测定（一次加载到位）路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐文克勒地基模型文克勒地基模型路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐Ø地基反应模量值按规定用直径为地基反应模量值按规定用直径为76cm的圆形刚性承载板的圆形刚性承载板试验确定。

与土基回弹模量测定方法不同的是一次加载到位试验确定与土基回弹模量测定方法不同的是一次加载到位Ø承载板直径的大小对值的影响：直径越小，值越大，当承承载板直径的大小对值的影响：直径越小，值越大，当承载板直径大于载板直径大于76cm时，值变化很小时，值变化很小Ø当采用直径为当采用直径为30cm承载板测定时，可按下式修正承载板测定时，可按下式修正：3.2 土基承载能力指标路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标三、加州承载比（三、加州承载比（CBR）） 加州承载比加州承载比CBR是美国是美国加利福尼亚州提出的一种评加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验定基层材料承载能力的试验方法承载能力以材料抵抗方法承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百能力为标准，以相对值的百分数表示分数表示CBR值CBR试验装置示意图试验装置示意图路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标贯入度（贯入度（cm））0.2540.5080.7621.0161.270标准压力标准压力（（kPa））703010550133601617018230标准压力值标准压力值 试验时试验时19.35cm2标准压头，以标准压头，以0.127cm/min压入土体，记压入土体，记录每压入录每压入0.254cm时的单位压力，直至深度达到时的单位压力，直至深度达到1.270cm为止。

为止标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.2 土基承载能力指标        CBR适用于经验路面设计法，或用于对土或其他筑路材料适用于经验路面设计法，或用于对土或其他筑路材料以及土基本身进行强度评价可以与土基回弹模量建立相关性以及土基本身进行强度评价可以与土基回弹模量建立相关性很好的换算关系很好的换算关系 计算计算CBR值时，取贯入度为值时，取贯入度为0.254cm但是当贯入度为但是当贯入度为0.254cm时的时的CBR值小于贯入度为值小于贯入度为0.508cm时的时的CBR值时，值时，应进行复核性试验试验有应进行复核性试验试验有室内试验室内试验与与室外试验室外试验两种路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.3 路面材料的基本力学特性一、主要路面材料类型一、主要路面材料类型①①松散颗粒型材料及块料松散颗粒型材料及块料②②水泥混凝土材料水泥混凝土材料③③无机结合料类材料无机结合料类材料④④沥青结合类材料沥青结合类材料 由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。

和使用寿命路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.3 路面材料的基本力学特性二、应力二、应力-应变特性应变特性1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力力-应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映其表现应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映其表现出明显的非线性特征出明显的非线性特征2.水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试单轴加压进行测试3.无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力-应变特性应变特性关系结果也呈现出非线性特征结果也呈现出非线性特征路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.3 路面材料的基本力学特性4.沥青混合料的应力沥青混合料的应力-应变特性测试也相同在低温下，应变特性测试也相同在低温下，可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试验测定试验测定 由于沥青混合料中的结合料由于沥青混合料中的结合料-沥青具有依赖于温度沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘弹性性状，所以不能用一个常量弹性模和加荷时间的粘弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力量来表征沥青混合料的引力-应变特性关系。

应变特性关系二、应力二、应力-应变特性应变特性路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐三、抗剪强度三、抗剪强度3.3 路面材料的基本力学特性路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况：路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况：1.路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发结构传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏；生剪切破坏；2.无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏；起部分结构层产生剪切破坏；3.面层材料的抗剪强度过低，在受到较大水平力作用时，面面层材料的抗剪强度过低，在受到较大水平力作用时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.3 路面材料的基本力学特性摩摩尔尔(Mohr—Coumbnb)强强度度理理论论，，材材料料的的抗抗剪剪强强度度包包括括摩摩擦擦阻阻力力和和粘粘结结力力两两部部分分组组成成，，摩摩擦擦阻阻力力同同作作用用在在剪剪切切面面上上的的法法向向正正应应力力成成正正比比；；粘粘结结力力为为材材料料固固有有性性质质，，与与法法向向正正应应力力无无关关，，即：即：                                                                   式中式中 τ——抗剪强度，抗剪强度，kPa；；            c——材料的粘结力，材料的粘结力，kPa；；           σ——法向正应力，法向正应力，kPa；；           φ——材料的内摩阻角。

材料的内摩阻角  c和和φ 是是表表征征路路面面材材料料抗抗剪剪强强度度的的两两项项参参数数，，通通过过直直接接剪剪切试验，绘出切试验，绘出τ-φ曲线后，按上式确定曲线后，按上式确定路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐四、抗拉强度四、抗拉强度3.3 路面材料的基本力学特性Ø沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降时产生收缩（温缩），水泥混凝土路面和各种半刚性基层在降时产生收缩（温缩），水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度发生变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约大气湿度发生变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂Ø抗拉强度可由抗拉强度可由直接拉伸直接拉伸或或间接拉伸试验间接拉伸试验确定Ø间接拉伸试验通常采用间接拉伸试验通常采用劈裂试验劈裂试验路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐五、抗弯拉强度五、抗弯拉强度3.3 路面材料的基本力学特性Ø用水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性路面材料修用水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。

筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生材料会产生弯曲断裂弯曲断裂Ø弯拉强度大多采用弯拉强度大多采用简支小梁试验简支小梁试验进行评定进行评定路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐１１. .定义：定义：材料承受多次重复应力作用会在低于材料极限强材料承受多次重复应力作用会在低于材料极限强度的应力值出现破坏的现象度的应力值出现破坏的现象２２. .产生原因：产生原因：材质不均匀，引起应力材质不均匀，引起应力σ集中后出现裂纹，集中后出现裂纹，在应力在应力σ反复作用下逐渐扩展，从而使受力面积减少，应反复作用下逐渐扩展，从而使受力面积减少，应力力σ下降，导致破坏下降，导致破坏３３. .疲劳极限：疲劳极限：出现疲劳破坏的反复应力大小（疲劳强度）出现疲劳破坏的反复应力大小（疲劳强度）随应力重复次数的增加而降低有些材料在应力反复作随应力重复次数的增加而降低有些材料在应力反复作用一定次数（如一千万次）后，出现破坏时的反复应力用一定次数（如一千万次）后，出现破坏时的反复应力值不再下降而趋于稳定，此稳定值叫疲劳极限。

值不再下降而趋于稳定，此稳定值叫疲劳极限3.4 材料的疲劳特性路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐3.4 材料的疲劳特性一、沥青混合料的疲劳特性一、沥青混合料的疲劳特性( (一一) )试验方法和疲劳方程试验方法和疲劳方程Ø控制应力试验或控制应变试验控制应力试验或控制应变试验Ø用下述方程来估计材料的疲劳寿命：用下述方程来估计材料的疲劳寿命：路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐( (二二) )混合料组成对疲劳性状的影响混合料组成对疲劳性状的影响莫尼史密斯等提出的疲劳方程：莫尼史密斯等提出的疲劳方程：沥青含量多、针入度低、孔隙含量少的密实型沥青混合料，沥青含量多、针入度低、孔隙含量少的密实型沥青混合料，其劲度高，对疲劳的抵抗能力强，使用寿命长；反之疲劳寿命低其劲度高，对疲劳的抵抗能力强，使用寿命长；反之疲劳寿命低3.4 材料的疲劳特性路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐二、水硬性材料的疲劳特性二、水硬性材料的疲劳特性疲劳曲线的规律：疲劳曲线的规律：①①随着应力比的增大，疲劳寿命显著随着应力比的增大，疲劳寿命显著减小；减小；②②同一应力比下，疲劳寿命相差较大，同一应力比下，疲劳寿命相差较大，表明实验结果离散性较大；表明实验结果离散性较大；③③疲劳方程的建立，在半对数坐标上，疲劳方程的建立，在半对数坐标上，在一定疲劳寿命范围内，呈现直线在一定疲劳寿命范围内，呈现直线形；形；④④在作用次数在作用次数107次时，应力比次时，应力比0.55，此时未发现疲劳极限。

此时未发现疲劳极限⑤⑤当应力比当应力比<0.75，重复荷载的施加，重复荷载的施加频率对疲劳寿命的影响（荷载间歇频率对疲劳寿命的影响（荷载间歇时间）很微小时间）很微小3.4 材料的疲劳特性路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐三、曼宁（三、曼宁（Miner）定律）定律3.4 材料的疲劳特性目目前前，，常常用用曼曼诺诺在在研研究究金金属属疲疲劳劳时时所所作作出出的的假假定定来来处处理理以以上上的的问问题题：：各各级级荷荷载载作作用用下下材材料料所所出出现现的的疲疲劳劳损损坏坏可可以以线线性叠加 假设某一级荷载假设某一级荷载Pi作用作用Ni次后使材料达到疲劳破坏，则该次后使材料达到疲劳破坏，则该级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳寿命的级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳寿命的1/Ni        路基路面工程土木工程学院道桥系 韦璐 现有现有P1P1，，P2P2，，∙∙∙，，PjPj 级荷载，分别作用级荷载，分别作用N1N1，，N2N2，，∙∙∙，，NjNj次后，材料均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷载的作用次数次后，材料均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷载的作用次数分别为分别为n1n1，，n2n2，，∙∙∙，，njnj次，则相应于各级荷载消耗的材料疲劳次，则相应于各级荷载消耗的材料疲劳寿命分别为寿命分别为 n1/ N1n1/ N1，，n2/N2n2/N2，，∙∙∙，，njnj/ / NjNj 。

在各级荷载作用之在各级荷载作用之下，材料的综合疲劳损伤为下，材料的综合疲劳损伤为: : 3.4 材料的疲劳特性。