第二章 路基土的特性及设计参数
《路基路面工程》课程教学大纲
《路基路面工程》课程教学大纲课程名称：路基路面（Road Subgrade and Pavement Engineering）课程编码：60445022 学分：3 总学时：54说 明【课程简介】《路基路面工程》课程是面向土木专业交通土建方向学生的一门专业方向课。
课程主要讲授路基路面的基本概念、路基的防护与加固方法、路基设计、沥青路面设计、水泥混凝土路面设计等内容。
要求学生通过课程内容的学习，熟悉路基路面工程的基本设计原则和规定，掌握各种结构及构件的受力特点及其基本要求，培养良好的结构意识及对常用路基路面工程体系进行正确布置和设计的能力，为今后学习和工作实践奠定扎实的基础。
【课程性质】专业方向课。
【适用专业】土木专业。
【教学目标】课程的主要特点是理论与实践并重，工程性较强,既要认真学习基本理论知识，又要注重工程实践。
通过学习，学生应该了解路基路面材料以及结构的基本概念、路基路面工程相关的交通环境情况、相关材料的特性以及结构相关设计参数；掌握支挡结构的类型和使用条件、布置和构造以及挡土墙设计方法；能够运用理论知识进行路基路面结构的设计。
学生能够运用相关的基本概念、原理和方法等重点内容进行挡土墙设计、沥青路面和水泥混凝土路面结构组合设计与厚度设计，同时具有路基路面工程相关的设施工、养护和质量检测与评定的基本能力。
【先修课程要求】《材料力学》、《结构力学》、《土力学》等。
【能力培养要求】要求学生通过理论学习，掌握路基边坡稳定性分析方法，能够进行路基支挡结构设计、沥青路面设计以及水泥混凝土路面的设计和制图，并且对路基路面的施工和养护有进一步的了解。
【学习总量】理论学时为54学时，自主学时为350学时，总学时为404学时。
【教学方法与环境要求】以理论教学为主，辅助ppt课件教学。
【学时分配】学 时 安 排序号 内 容理论课时实验课时实践课时习题课时小计1 第一章 概论 4 42 第二章 路基土的特性及设计参数 4 43 第三章 路基设计 8 84 第四章 路基防护与支挡结构设计 6 65 第五章 路基施工 2 26 第六章 交通荷载级路面设计参数 2 27 第七章 路面基层 4 48 第八章 沥青路面设计 10 109 第九章 水泥混凝土路面设计 10 1010 第十章 路面施工 2 211 第十一章 路基路面养护与管理 2 2总 计 54 54 【教材与主要参考书】教 材：路基路面工程，黄晓明，人民交通出版社，2016年4月，第4版。
路基土的特性及设计参数
小组讨论讨论一：路基工作区计算时荷载应力有两种计算方法：1）用简化布辛尼斯克公式进行计算；2）用层状体系计算软件计算，请结合习题7和8讨论荷载大小、不同路面结构工作区深度的影响、应力计算方法对工作区深度的影响。
答：荷载大小对工作区深度的影响：由工作区深度计算公式可知：Za=√(3&KnP/γ)。
荷载大小与工作区深度成正比。
因此荷载越大，工作区深度越深。
不同路面结构对工作区深度的影响：路面结构的强度和模量远大于路基土，路面材料的容量也不同于路基土。
路面结构的存在，使轮载传递到路基顶面的附加应力显着减小。
因为路面结构和一定厚度的路基共同承担车辆荷载，路面结构与路基工作区组成了道路的工作区，也就是工作区深度=路面结构厚度+路基工作区深度。
因此路面结构的厚度越大，道路工作区的深度也就越小。
应力计算方法对工作区深度的影响：（1）路基工作区深度的计算，布辛尼斯克公式与层状体系理论程序计算结果相差较多，轴重100KN时，n=5相差为；n=10相差为；轴重120KN时，n=5相差为；n=10相差为。
（2）根据“公路低路堤设计指南”提出的情况，布辛尼斯克修正公式所得的路基工作区深度过小，而层状体系理论程序所得的比辛尼斯克修正公式所得的路基工作区深度为大。
（3）根据“公路低路堤设计指南”规定n=10，在采用层状体系理论公式后，采用n=5或n=10为宜，尚需再论证。
讨论二：请讨论路基顶面综合模量E和路基反应模量K的意义和在路面设计中的作用，如何结合路基湿度的变化选择路基顶面综合模量E或路基反应模量K。
答：路基顶面综合模量E：即路基回弹模量。
用路基回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形能力，因而可以应用弹性立论公式描述荷载与变形之间的关系。
以回弹模量作为表征土基承载能力的参数，可以在以弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用。
路基反应模量K：使用温克勒（E. Winkler）低级模型描述土基工作状态时，用路基反应模量K表征路基的承载力。
第02章 路基土的特性及设计参数
500 400
300 200
100
0 0.0
10.0
20.0
30.0
地下水位(m)
40.0
50.0
路基相对高度大于1~2m时，路基土基质吸力主要与气候指标 相关，包括平均相对湿度、降雨天数和TMI。
4、路基土的基质吸力与饱和度
— 建立TMI-wPI基质吸力hm(kPa)预估模型
— 参数标定 hm y w
2 pa
1 E0
02
lra
4 pa 1 02 E0
l 2 pa 1 02
E0
4
三、路基土的受力特性
• 2、路基土应力—应变状态评定-模量
– 压实试验曲线
三、路基土的受力特性
• 2、路基土应力—应变状态评定-模量
• （1）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，代表加荷开始时土的应力-应变关系。
w
s d
1
w d
w 1
Gs
w
1
d s
S
1
d Gs w
S
w
wd w
w S Gs e
4、路基土的基质吸力与饱和度
• 土的基质吸力与饱和度之间关系
如何确定 基质吸力？
基于非饱和土力学中土－水特性曲线理论预估路基湿度
4、路基土的基质吸力与饱和度
◆ 基质吸力影响因素
700 600
基质吸力(kPa)
• 3）细粒土
– 细粒组(小于0.075mm的颗粒)质量不小于总质量50% 的土总称为细粒土。
– 细粒土应按其在塑性图（低液限wL<50%；高液限 wL≥50%）中的位置确定土名称。
细粒土塑性图
路基路面工程 第2章 路基基本性质36
k p l
MPa/m N/m3
地基反应模量。
3．路基承载力
4）土基设计参数的确定
我国在测定土基回弹模量时，常采用直径30.4cm的刚性承载 板用加E载0 －卸载的试验方法。试验通常在不利时期进行，并取 有84.1％概率的回弹模量值作为土基回弹模量的计算值。规范 给出我国土基回弹模量设计参数选用的建议值。
1．路基受力状况与路基工作区
路基内任一点处的垂直应力包括由
车轮荷载引起的垂直应力z和由土基 自重引起的垂直压应力B
车轮荷载应力： 1）均布荷载
z
p 1 2.5
Z
2
D
2）集中荷载
Z
K P , 一般K 0.5 Z2
路基自重应力： B Z
路基任意点： Z B
1．路基受力状况与路基工作区
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。
路面设计中，按1mm线性 归纳法来确定土基的回弹模 量。
n
E0
a
2
1 02
i 1 n
pi li
i 1
3．路基承载力
承载板测定土基回弹模量
通过承载板对土基逐渐加、卸载的方法，测出每级荷载 下相应的土基回弹变形值，经过计算求得土基回弹模量
CBR值。
CBR p 100% p0
3．路基承载力
土基现场CBR测试方法
在公路路基施工现场，用载重汽 车作为反力架，通过千斤顶连续 加载，使贯人杆匀速压人土基。 路基强度越高，贯入一定深度时 施加的荷载越大即CBR值越大。
3．路基承载力
土基现场CBR测试方法
(1)将贯入试验得到的等级荷
O’
第二章路基土
一般以主成分粒组进行定义，控制主成分粒组的比例在50%以上，而特殊土则分 为黄土、膨胀土、红粘土、盐渍土和冻土，前三者按特殊土塑性图（图2-4）
上的位置定名，盐渍土按含盐百分率分类。
共五十二页
2.1.1路基(lùjī)土的分类
各种土类的区分(qūfēn)： 2. 巨粒土分类表 试样中巨粒组粗颗粒（>60mm的颗粒）质量多于总质量15%的土称为巨粒土，如 果巨粒组土粒质量少于或等于总质量的15%，可扣除巨粒，按照粗粒或细粒土 分类。
2. 对于新建道路，用路基临界高度作为(zuòwéi)路基干湿类型的判别标准。
与分界稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度称为路基临界高度H。
为了保证路基的强度和稳定性，在 设计路基时，要求路基保持干燥或 中湿状态，路槽底距地下水或地表 积水的距离，要≥干燥、中湿状态 所对应的临界高度。
共五十二页
2.3 路基的力学强度特性
2.3.1路基受力状况 2.3.2路基工作区 2.3.3路基土的受力特性 2.3.4重复荷载对路基土的影响
共五十二页
2.3.1路基(lùjī)受力状况
z
K
P Z2
P:一侧轮轴荷载（KN） K：系数(xìshù)，0.5 Z：圆形均布荷载中心下应力作用点的深度m
共五十二页
第二章 路基(lùjī)土的特性及 设计参数
共五十二页
本章(běn zhānɡ) 摘要
通过路基土颗粒和性能特点的描述，学习路基土的分类方法和分类，掌握 路基土的颗粒分布和主要工程特点；通过路基土湿度和温度状况的变化
(biànhuà)分析，学习路基湿度的来源和路基干湿类型划分方法，掌握 路基土稠度指标和由土的基质吸力确定的饱和度指标的划分方法； 学习路基承载力参数指标和测定方法、路基设计主要参数，掌握路基 工作区计算方法、路基承载力指标和设计参数的意义。
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Ⅱ区-东部湿润季冻区：路面结构要突出-防冻胀与翻浆Ⅲ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Ⅳ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Ⅵ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Ⅶ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-T 50145-2007）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、细粒土和特殊土图粒组划分（3）颗粒级配特征：不均匀系数C u和曲率系数C cd10、d30和d60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%和60%。
路基基本性质
③ 割线模量； ④ 回弹模量。
回弹模量值越高
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第二章 路基基本性质
二、应力重复作用的影响
高重复应力值 低重复应力值
1
10 102 103 104 105
N
图2-6 应力重复自用对应变特性的影响
重复应力值较低，总应变趋于稳定；
重复应力值较高，总应变不断增大，直至发生剪切破坏。
国家级精品课程
《路基路面工程》
第二章 路基基本性质
第二章 路基基本性质
主要内容
第一节 路基土的工程分类 第二节 路基湿度状况与干湿类型 第三节 路基土的应力-应变关系 第四节 路基承载力
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第二章 路基基本性质
教学目的
1 掌握路基土的工程分类。 2 掌握路基干湿类型及分类方法 3 掌握路基土应力-应变特征 4 掌握路基承载力的表示方法
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第二章 路基基本性质
（MPa）
Er（MPa）
总变形
塑性变形
回弹变形
100
②
加载
③
50
①
卸载
④ E
图2-4 应力应变曲线和模量
0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 （MPa）
图2-5 回弹-偏应力关系曲线
① 初始切线模量； ② 切线模量； 偏应力值越小，
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第二章 路基基本性质
表2-2 土类名称及其基本代号
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第二章 路基基本性质
二、巨粒土
巨粒组（粒径>60mm的土颗粒）质量大于总质量15%的土。
《路基路面工程》第二章 路基工程概论
pr 1 pa
2 a2 r2
（2）地基反应模量 用温克勒（E.Winkler）地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量表征 土基的承载力。 压力与弯沉之比称为地基反应模量。
Kp l
地基反应模量值用承载板试验确定。
（3）加州承载比 加州承载比是早年由美国加利福尼亚州（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为CBR值。
对于多年冻土地区，在年周期内地温年振幅随深度增加按指数规律衰减；温 度波的相位随深度的增加而滞后。多年冻土地温变化包络线呈负梯度型；多年冻土 呈退化趋势。
（2）路基含水率变化规律
路基路面施工完路成并投入运营后，路基 含水率不是一成不变的，由于大气降水、地下 水、地表水、蒸发力和温度等自然因素的季节 性变化，路基内部的水分呈周期性迁移，含水 率也发生着周期性的季节性变化。
很小，仅为1/5～1/10时，该深度范围内的路基称为路基工作区。
n B Z
z
K
P Z2
KnP
Za 3
常统称将路基顶面以下0.8m范围内视为路基工作区，称为路床。路基工作区内，土 基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要。
当工作区深度大于路基填土高度时，行车荷载的作用不仅施加于路堤，而且 施加于天然地基的上部土层，因此，天然地基上部土层和路堤应同时满足工 作区的要求，均应充分压实。
路基路面工程
第二章 路基工程概论
内容提要：本章内容为后面所需基础知识的综合，均为重点内容，需要重点 把握公路自然区划、路基土的分类及工程特性、干湿类型划分、土基受力特 点及承载力评价等知识点。
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第二章路基土的特性及设计参数
小组讨论
讨论一：路基工作区计算时荷载应力有两种计算方法：1）用简化布辛尼斯克公式进行计算；2）用层状体系计算软件计算，请结合习题7和8讨论荷载大小、不同路面结构工作区深度的影响、应力计算方法对工作区深度的影响。
答：荷载大小对工作区深度的影响：由工作区深度计算公式可知：Za=√(3&KnP/γ)。
荷载大小与工作区深度成正比。
因此荷载越大，工作区深度越深。
不同路面结构对工作区深度的影响：路面结构的强度和模量远大于路基土，路面材料的容量也不同于路基土。
路面结构的存在，使轮载传递到路基顶面的附加应力显著减小。
因为路面结构和一定厚度的路基共同承担车辆荷载，路面结构与路基工作区组成了道路的工作区，也就是工作区深度=路面结构厚度+路基工作区深度。
因此路面结构的厚度越大，道路工作区的深度也就越小。
应力计算方法对工作区深度的影响：（1）路基工作区深度的计算，布辛尼斯克公式与层状体系理论程序计算结果相差较多，轴重100KN时，n=5相差为1743.25px；n=10相差为2618.5px；轴重120KN时，n=5相差为1932.99px；n=10相差为2947.25px。
（2）根据“公路低路堤设计指南”提出的情况，布辛尼斯克修正公式所得的路基工作区深度过小，而层状体系
理论程序所得的比辛尼斯克修正公式所得的路基工作区深度为大。
（3）根据“公路低路堤设计指南”规定n=10，在采用层状体系理论公式后，采用n=5或n=10为宜，尚需再论证。
讨论二：请讨论路基顶面综合模量E和路基反应模量K的意义和在路面设计中的作用，如何结合路基湿度的变化选择路基顶面综合模量E或路基反应模量K。
答：路基顶面综合模量E：即路基回弹模量。
用路基回弹模量表征土基的承载能力，可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形能力，因而可以应用弹性立论公式描述荷载与变形之间的关系。
以回弹模量作为表征土基承载能力的参数，可以在以弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用。
路基反应模量K：使用温克勒（E. Winkler）低级模型描述土基工作状态时，用路基反应模量K表征路基的承载力。
温克勒地基又称为稠密液体地基。
路基反应模量K相当于该液体的相对密度，路面板受到的路基反力相当于液体产生的浮力。
结合路基湿度的变化选择路基顶面综合模量E或路基反应模量K：
1、快速路和主干路路基顶面设计回弹模量值不应小于30MPa；次干路和支路不应小于20MPa；当不满足上述要求时，应采取措施提高回弹模量。
2、路基设计中，应充分考虑道路运行中的各种不利因素，采取措施减小路基回弹模量的变异性，保证其持久性。
3、道路路基应处于干燥或中湿状态；对潮湿或过湿路基，必须采取措施改善其湿度状况或适当提高路基回弹模量。