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1、会计学1路基路基(lj)路面工程第路面工程第3章章第一页，共32页。12348路基土的基本力学路基土的基本力学(l xu)特征特征土基承载能力指标土基承载能力指标(zhbio)路面材料的基本力学路面材料的基本力学(l xu)特特性性材料的疲劳特性材料的疲劳特性第1页/共32页第二页，共32页。3.1 路基(lj)土的基本力学特征土基变形包括土基变形包括(boku)弹性变形和塑性变形。主要研究方法一般采用圆形刚性弹性变形和塑性变形。主要研究方法一般采用圆形刚性承载板法（图承载板法（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：非线性应力与回弹变形的关系：非线性应力应力-
2、应变特性：非线性、弹塑性应变特性：非线性、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即即为为塑性塑性或或残余变形残余变形。（一）土的非线性特性（一）土的非线性特性第2页/共32页第三页，共32页。图图 土的应力土的应力应变关系应变关系(gun x)曲线曲线3.1 路基土的基本力学(l xu)特征第3页/共32页第四页，共32页。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，有四种模量值：应变状态，有四种模量值：初始切线模量：应力值为零时的应力初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的斜率，如图应变曲线的斜
3、率，如图c中中的；的；切线模量：某应力级位处应力切线模量：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，反映反映(fnyng)该级应力处应力该级应力处应力-应变的精确关系。应变的精确关系。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，如图线的斜率，如图c所示，反映所示，反映(fnyng)土基在工作应力范围内的土基在工作应力范围内的应力应力-应变的平均状态；应变的平均状态；回弹模量：应力卸除阶段，应力回弹模量：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中中所示。所示。3.
4、1 路基(lj)土的基本力学特征（二）土基的模量（二）土基的模量第4页/共32页第五页，共32页。3.1 路基土的基本(jbn)力学特征 一般呈如下规律：每一次荷载一般呈如下规律：每一次荷载(hzi)作用之后，回弹变形即行消失，而塑性变形不再作用之后，回弹变形即行消失，而塑性变形不再消失，并随荷载消失，并随荷载(hzi)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而累积逐渐加大，但随着荷载(hzi)作用次数的作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小。增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小。 结果：土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定；结果：土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定
5、； 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三种因素：出现哪一种结果取决于三种因素： 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）。 应力水平（亦称相对荷载应力水平（亦称相对荷载(hzi)）。相当于一次静载作用对的应力）。相当于一次静载作用对的应力 极极 限限极重复极重复作用的应力程度。作用的应力程度。 荷载荷载(hzi)作用的性质。即重复荷载作用的性质。即重复荷载(hzi)的施加速度、作用的的持续时间和重的施加速度、作用的的持续时间和重复作用频率。复作用频率。第5页/共32页第六页，共32页。3.2
6、土基承载能力指标(zhbio) 土基的承载能力是采用一定应力级别下的抗变形能力来表征的，它是保土基的承载能力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证土基能安全使用(shyng)并且变形在容许范围内，土基所能承受的最大荷并且变形在容许范围内，土基所能承受的最大荷载值。载值。 常用的土基承载能力的参数指标：回弹模量、地基反应模量和加州承载比常用的土基承载能力的参数指标：回弹模量、地基反应模量和加州承载比。第6页/共32页第七页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio) 回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性(tnxng)性
7、质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷性质，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、沥青路面设计方法都以回弹模量面、沥青路面设计方法都以回弹模量E作为土基的刚作为土基的刚度指标。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第7页/共32页第八页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio)承载承载(chngzi)板实测板实测第8页/共32页第九页，共32页。 由于刚性承载板试验中，压板下等值的扰度易于测量，压力容易由于刚性承载板试验中
8、，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。试验时采用逐级加载卸载法，每级增控制，因此在实测中用得较多。试验时采用逐级加载卸载法，每级增加加0.04MPa0.04MPa，待卸载稳定，待卸载稳定1min1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形回弹变形(bin xng)(bin xng)超过超过1mm1mm时停止加载。按规定取时停止加载。按规定取=1mm=1mm以内的测点以内的测点用线性归纳法整理。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(zhbio)第9页/共32页第十页，共3
9、2页。 路基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变路基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变形的能力形的能力(nngl)。 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，则土基承载能力若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力(nngl)大。大。3.2 土基承载能力指标(zhbio)第10页/共32页第十一页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio) 文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是地基上任年提出的，
10、其基本假定是地基上任一点一点(y din)的弯沉仅与作用于该点的压力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）第11页/共32页第十二页，共32页。文克勒文克勒(k l)地基模型地基模型第12页/共32页第十三页，共32页。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的圆形刚性承载板试验确定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。与土基回弹模量测定方法不
11、同的是一次加载到位(do wi)。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，当承载板直径大于大于76cm时，值变化很小。时，值变化很小。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：30764 . 0KK3.2 土基承载能力指标(zhbio)第13页/共32页第十四页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio) 加州承载比加州承载比CBR是美是美国加利福尼亚州提出的一国加利福尼亚州提出的一种评定种评定(pngdng)基层材料基层材料承载能力的试验方法。承承载能力的试验方法。承载能力以材
12、料抵抗局部荷载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百力为标准，以相对值的百分数表示分数表示CBR值。值。CBR试验装置示意图试验装置示意图第14页/共32页第十五页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio)100%ispCBRp贯入度（贯入度（cm）0.2540.5080.7621.0161.270标准压力（标准压力（kPa）703010550133601617018230标准标准(biozhn)压力值压力值 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
13、录每压压入土体，记录每压入入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(d do)1.270cm为止。标准为止。标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得。压力值是用高质量标准碎石由试验求得。第15页/共32页第十六页，共32页。3.2 土基承载能力指标(zhbio) CBR适用于经验适用于经验(jngyn)路面设计法，或用于对土或其他筑路面设计法，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很好的换算关系。关性很好的换算关系。 计算计算CBR值时，取贯入度为值时，取贯入度为0.254
14、cm。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，应进值时，应进行复核性试验。试验有室内行复核性试验。试验有室内(sh ni)试验与室外试验两种。试验与室外试验两种。第16页/共32页第十七页，共32页。3.3 路面(lmin)材料的基本力学特性一、主要一、主要(zhyo)路面材料类型路面材料类型松散颗粒型材料及块料松散颗粒型材料及块料水泥混凝土材料水泥混凝土材料无机结合料类材料无机结合料类材料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）的基本性由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型
15、方式的不同，各种路面结构具有不同的力学质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学(l xu)强度特性（即应力强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。同的使用品质和使用寿命。第17页/共32页第十八页，共32页。3.3 路面材料的基本(jbn)力学特性二、应力二、应力(yngl)-应变特性应变特性第18页/共32页第十九页，共32页。3.3 路面材料的基本(jbn)力学特性合料的引力合料的引力-应变特性关系。应变特性关系。二、应力二、应力-应变应变(yngbin)特性特性第19页/共32页第二十页，共32页。三、抗剪强度三、抗剪强度(
16、qingd)3.3 路面材料的基本(jbn)力学特性第20页/共32页第二十一页，共32页。3.3 路面(lmin)材料的基本力学特性摩尔摩尔(MohrCoumbnb)强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有性质，与法向正应力无关，即：结力为材料固有性质，与法向正应力无关，即： 式中式中 抗剪强度，抗剪强度，kPa； c材料的粘结力，材料的粘结力，kPa； 法向正应力，法向正应力，kPa； 材料的内摩阻角。材料的内摩阻
17、角。 c和和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过(tnggu)直接剪直接剪切试验，绘出切试验，绘出-曲线后，按上式确定。曲线后，按上式确定。tgc 第21页/共32页第二十二页，共32页。3.3 路面材料(cilio)的基本力学特性第22页/共32页第二十三页，共32页。第23页/共32页第二十四页，共32页。五、抗弯拉强度五、抗弯拉强度(qingd)3.3 路面材料(cilio)的基本力学特性第24页/共32页第二十五页，共32页。第25页/共32页第二十六页，共32页。3.4 材料(cilio)的疲劳特性第26页/共32页第二十七页，共32页。3.
18、4 材料的疲劳(plo)特性由试验得到的回归常数、式中：或dCbACNANdrfbrf11第27页/共32页第二十八页，共32页。( (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(fngchng)(fngchng)：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(plo)特性由试验确定的系数、式中：bakSkNbmarf11第28页/共
19、32页第二十九页，共32页。3.4 材料的疲劳(plo)特性数确定的系由试验、式中：ffrNlg第29页/共32页第三十页，共32页。3.4 材料的疲劳(plo)特性目前，常用曼诺在研究金属疲劳目前，常用曼诺在研究金属疲劳(plo)时所作出的假时所作出的假定来处理以上的问题：各级荷载作用下材料所出现的疲劳定来处理以上的问题：各级荷载作用下材料所出现的疲劳(plo)损坏可以线性叠加。损坏可以线性叠加。 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次后使材料达到疲劳(plo)破破坏，则该级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳坏，则该级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳(plo)寿命寿命
20、的的1/Ni。 第30页/共32页第三十一页，共32页。 现有现有P1P1，P2P2，Pj Pj 级荷载，分别作用级荷载，分别作用N1N1，N2N2，NjNj次后，材料次后，材料(cilio)(cilio)均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷载的作均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷载的作用次数分别为用次数分别为n1n1，n2n2，njnj次，则相应于各级荷载消耗的材料次，则相应于各级荷载消耗的材料(cilio)(cilio)疲劳寿命分别为疲劳寿命分别为 n1/ N1 n1/ N1，n2/N2n2/N2，nj/ Nj nj/ Nj 。在各。在各级荷载作用之下，材料级荷载作用之下，材料(cilio)(cilio)的综合疲劳损伤为的综合疲劳损伤为: : jiiiNnD13.4 材料(cilio)的疲劳特性第31页/共32页第三十二页，共32页。