第四章机场道面设计-土基

机场道面设计——航空运输与工程学院第四章土基§土基是道面结构的最下层，承受由面层传下来的飞机荷载和上部结构的重力。§实际工程中，无论是刚性道面、半刚性道面还是柔性道面出现的损坏现象，大部分都是由于土基强度不足、稳定性变差、在外荷载作用下产生过量变形所致。§土基变形包括塑性变形和弹性变形两部分。§——过大的塑性变形导致各种柔性道面和半刚性道面结构产生轮辙和道面不平整。§——刚性道面：使板块特别是板边和板角产生局部脱空而断裂。§——弹性变形过大使沥青面层或水泥混凝土板产生疲劳开裂。§道面结构总变形中，土基的变形占绝大部分。机场道面设计——航空运输与工程学院2第四章土基主要内容：第一节土的工程分类第二节土基的变形特性第三节土基的强度指标第四节我国公路自然区划第五节土基干湿类型第六节土基压实第七节土基的冻胀机场道面设计——航空运输与工程学院第一节土的工程分类机场道面设计——航空运输与工程学院第一节土的工程分类§美国的统一土壤分类法§1942年Casagrande创立，最初用于机场工程，现在广泛用于土建、公路及其他领域机场道面设计——航空运输与工程学院第一节土的工程分类§粉土和粘土的鉴别：液限和塑限试验§A线：区分粘性土和粉质或有机质粘土的分界线§液限50%的线：区分高塑性土和低塑性土的分界线。机场道面设计——航空运输与工程学院第一节土的工程分类机场道面设计——航空运输与工程学院土巨粒土粗粒土细粒土特殊土漂石土卵石土砾类土砂类土粉类土粘类土有机质土黄土膨胀土红粘土盐渍土土分类总体系图（根据巨粒组、粗粒组和细粒组含量）第一节土的工程分类机场道面设计——航空运输与工程学院第一节土的工程分类巨粒土漂（卵）石巨粒含量＞75%漂（卵）石夹土50%＜巨粒含量≤75%漂（卵）石质土15%＜巨粒含量≤50%漂石粒＞卵石粒漂石粒≤卵石粒漂石粒＞卵石粒漂石粒≤卵石粒漂石粒＞卵石粒漂石粒≤卵石粒BCbBSICbSISIBSICb机场道面设计——航空运输与工程学院砾类土砾F≤5%含细粒土砾5%＜F≤15%细粒土质砾15%＜F≤50%GWGPGF细粒土在塑性图A线以下细粒土在塑性图A线以上GMGC备注：F为细粒组质量（＜0.075mm)第一节土的工程分类机场道面设计——航空运输与工程学院砂类土砂F≤5%含细粒土砂5%＜F≤15%细粒土质砂15%＜F≤50%SWSPSF细粒土在塑性图A线以下细粒土在塑性图A线以上SMSC砂F≤5%含细粒土砂5%＜F≤15%细粒土质砂15%＜F≤50%SWSP备注：F为细粒组质量（＜0.075mm)第一节土的工程分类机场道面设计——航空运输与工程学院细粒土粉质土黏质土有机质土高（低）液限粉土粗粒组含量≤25%含砾（砂）高低液限粉土粗粒组含量＞25%，≤50%高(低)液限黏土粗粒组含量≤25%含砾（砂）高（低）液限黏土粗粒组含量＞25%，≤50%A线或A线以上有机质高低液限黏土A线以下有机质高低液限粉土MHML砾粒≥砂粒砾粒＜砂粒CHCL砾粒≥砂粒砾粒＜砂粒CHOCLOMHOMLOMHGMLGMHSMLSCHGCLGCHSCLS粉质土黏质土高（低）液限粉土粗粒组含量≤25%含砾（砂）高低液限粉土粗粒组含量＞25%，≤50%高(低)液限黏土粗粒组含量≤25%含砾（砂）高（低）液限黏土粗粒组含量＞25%，≤50%A线或A线以上有机质高低液限黏土粉质土黏质土高（低）液限粉土粗粒组含量≤25%含砾（砂）高低液限粉土粗粒组含量＞25%，≤50%高(低)液限黏土粗粒组含量≤25%第一节土的工程分类道路工程——土木工程系12第一节土的工程分类各类土的物理力学性质：1）漂石（块石）、卵石（碎石）：巨粒土，具有很高的强度和稳定性，很好的土基材料2）砾石质土：粗粒土，强度和稳定性能满足要求，填筑时保证密实程度3）砂土：强度和稳定性好，充分压实，有条件时添加粘性大的土，提高稳定性，改善土基使用质量。4）砂性土：既有一定数量的粗粒，又有一定数量的细粒，容易压实形成平整坚实的土基，是修筑土基的理想材料。5）粉性土：毛细作用强烈，引起冻胀翻浆，最差的土基材料6）粘性土：介于砂性土和粉性土之间，若能充分压实并做好排水，土基的稳定性亦较好道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§一、土基的受力特性§（1）非线性变形特性道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§一、土基的受力特性§（1）非线性变形特性道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§一、土基的受力特性§初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图①所示，代表加荷开始时土的应力-应变关系。§切线模量：某一应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图②所示，反映土在该级位应力-应变变化的精确关系。§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线的斜率，如图③所示，反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况。§回弹模量：应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量，如图④所示，反映土在回弹变形范围内的应力-应变关系的平均情况。道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§一、土基的受力特性§——前三种模量取值时的应变包含残余应变和回弹应变在内的总应变，回弹模量仅包括回弹应变。§——以弹性力学为理论基础的机场道面设计方法中，往往将土的回弹模量视为土的弹性模量，并作为机场道面设计中的一项重要计算参数道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§（2）土基的流变性质土在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用的持续时间有关，是一种具有流变性质的材料。道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§（3）重复荷载作用下土基的变形特征§——土基承受机轮荷载的重复作用。每一次荷载作用，土基均发生弹性变形和塑性变形。弹性变形随荷载消失而恢复，塑性变形形成残余变形。残余变形随荷载重复作用次数的增加而累积，但累积速率随作用次数的增加而减缓。§——导致的结果：1）土体逐渐压密而变稳定；2）荷载的重复作用造成土体剪切变形不断发展，形成整体破坏的剪切面，最终破坏。§——影响重复荷载作用下土体变形累积的因素：1）土的性质和状态；2）重复荷载的大小；3）荷载作用的强度、持续时间和频率；4）土基中侧向应力的大小道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§（3）重复荷载作用下土基的变形特征§重复荷载小于临界相对荷载作用下，土基的累积总变形与荷载作用次数之间在双对数坐标上呈线性关系：§——荷载作用N次后的总变形（m）§——荷载作用一次后则总变形（m）§——荷载作用次数§——统计回归系数NLLNlglglg1NL1LN道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§（3）重复荷载作用下土基的变形特征§刚性道面：机轮荷载的重复作用会产生不均匀的塑性变形累积（特别是道面板的边角部位），导致板下局部脱空产生附加应力，形成边、角部位的断裂破坏。§柔性道面：塑性变形累积产生车辙、波浪等破坏。道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§二、土基的荷载-弯沉关系§——土基的模量与应力状态相关，各点均不相同§——道面设计：关心土基表面的总变形（或总回弹变形）。§——工程中采用直接研究土基表面在局部荷载作用下的弯沉特性，即用承载板试验测定荷载-弯沉关系来研究土基的变形情况，把反映荷载-弯沉关系的模量看作是一个当量均匀的模量值。§——承载板试验：土基回弹模量、土基形变模量、土基反应模量道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§一、土基回弹模量§——反映土基的弹性性质、瞬时荷载作用下的可恢复变形性质§——我国军用机场刚性道面、公路刚性/柔性路面都以回弹模量作为土基的强度指标道路工程——土木工程系第二节土基的变形特性§一、土基回弹模量§——实际测定中刚性承载板用得较多，压力易控制、挠度易测量§——测定时宜采用逐级加载卸载法（直径30.4cm的板）。每一级荷载经过加载和卸载，取得稳定的回弹弯沉之后，再加下一级荷载，§如此施加n级荷载后，即可点绘出荷载-弯沉曲线。§——在多数情况下，试验曲线呈非线性。在确定模量时，可以根据土基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上取值。P(Mpa)P2P2ⅠⅡⅢl/ml2l10PE0μ0)1(4200iilDpE1)回弹模量——弹性半空间体地基模型Ø测定方法为圆形承载板压入土基试验。根据弹性力学原理，其计算公式如右式。pi-承载板各级压强；D-承载板直径μ—土体的泊松比第二节土基的强度指标道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§二、土基形变模量§——表征荷载与总变形（包括弹性和塑性变形）关系的指标§——载荷板试验确定，荷载和弯沉曲线的割线斜率即为形变模量。§——形变模量与弯沉值（或者相对变形值λ=l/D）有关道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§土基反应模量§——表征文克勒地基的变形特性§——文克勒地基模型假定地基上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关。把土基看作无数彼此分开的小土柱组成的体系，或者互不相连的弹簧体系。道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标—载荷板试验确定§—与所取的压力（或弯沉）有关。§—直径75cm刚性板测定。当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对应的压力p计算地基反应模量；当地基较为坚硬时，取单位压力p=0.07MPa时相对应的弯沉值l计算地基反应模量。§—承载板直径越小，反应模量越大。§承载板直径不同应进行修正。§—现场测定的反应模量应修正，以反映土基最不利状态道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§四、加州承载比（CBR）§—美国加州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。§—承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§五、三轴试验确定土基弹性模量§—土的弹性模量随偏应力增大而减小d道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§五、三轴试验确定土基弹性模量道路工程——土木工程系第二节土基的强度指标§六、土基抗剪强度τ=c+σtanφ其中的c、φ是计算土压力和验算路基边坡稳定性的重要参数。道路工程——土木工程系第四节我国公路自然区划Ø道路工程特征相似的原则同一区划内，在同样的自然因素下筑路具有相似性北方：翻浆病害；南方：雨季冲刷、水毁等。Ø地表气候区差异性原则地标气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。地带性差异随纬度变化：北方寒冷，南方温暖非地带性差异与高程变化相关：青藏高原海拔高更寒冷Ø自然气候因素既有综合又有主导作用的原则自然气候的变化是各种因素综合作用的结果，但某种因素又起主导作用道路工程——土木工程系第四节我国公路自然区划u我国公路自然区划分为三个等级。§一级自然区划：首先将全国划分为多年冻土、季节冻土和全年不冻土三大地带。§再根据水热平衡和地理位置，划分为七个一级区：§Ⅰ区——北部多年冻土区§Ⅱ区——东部温润季冻区§Ⅲ区——黄土高原干湿过渡区§Ⅳ区——东南湿热区§Ⅴ区——西南潮暖区§Ⅵ区——西北干旱区§Ⅶ区——青藏高寒区道路工程——土木工程系第四节我国公路自然区划§二级区划：§在一级区划的基础上，以潮湿系数k为主进一步划分为33个二级区和19个副区共52个二级自然区。§K=年降雨量R/年蒸发量Z§三级区划：§1、以水热、地理和地貌为依据，分为若干个具有相似性的区域单元；。§2、另一种是以地表的地貌、水文和土质为依据分为若干个类型单元。道路工程——土木工程系道路工程——土木工程系第五节土基干湿类型§土基的干湿状态路基存在四种干湿状态：干燥、中湿、潮湿和过湿土基干湿状态的要求：一般要求处于干燥或中湿状态土基干湿类型的划分指标：以分界稠度wc1、wc2、wc3作为划分指标道路工程——土木工程系第五节土基干湿类型§方法1：分界稠度法§实测不利季节路床表面以下80cm深度内土的平均稠度。干湿类型土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态Wc≧WC1WC1＞Wc≧WC2WC2＞Wc≧WC3Wc＜WC3土质砂Wc≧1.201.20＞Wc≧1.001.0＞Wc≧0.