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第四章 路基材料 §4-1 土的工程分类 我国公路路基土的分类 (一) 土的分类 1、首先按土的粒长分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土四个大组，其划分见表4-2。 粒组划分表 表4-2 2、对于中粗粒土和细粒土根据土的粒度成分、土的塑性指数及液限进一步划分。各土组的颗粒组成以小于2mm的作为100%计；定名时应根据粒径分组由大到小， 最先符合者定名；塑性指数和液限按100g锥重联合试验测得。 §4-2 土基的变形特性 地基模型 图4-2 土的应力-应变关系曲线 土基的受力特性是由构成土基用土的物理性质决定的。土基用土的种类很多，但不论何种土都是由固态矿物颗粒、孔隙中的水以及气体三大部分组成的。因此，土是一种由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。土作为一种工程材料，由于其内部结构上的这种特殊性，使得它在工程力学性质上与其它工程材料，诸如钢材、水泥混凝土等，有较大差别，其中最突出的是土在受力时的非线性变形特性。 (一) 土基的非线性变形特性 土基在受力时的非线性变形特性是由土的非线性性质决定的。室内三轴试验表明，土的应力-应变关系曲线，一般没有直线段，应力消失后恢复不到原先的形状(图4-2)。这是因为土在受力后，三相结构改变了原来的状态，作为土的骨架的矿物颗粒发生相对移动，而这种移动引起的变形，有一部分是属于不可恢复的残余变形。由此说明，土除了具有非线性变形性质外，还有塑性变形性质。 上述试验表明，土不是理想的弹性材料，土基也不是理想的弹性体。因此，按弹性力学原理推求而得的三轴试验的应力-应变关系式(4-1)不有确切地反映试验的实际变形状态。 （4-1） 式中：ε1——竖向应变； σ1——竖向应力(MPa)； σ3——侧向应力(MPa)； E0——材料的弹性模量(MPa)； μ——土的泊松比，约为0.3～0.5。 弹性模量是表征弹性材料或弹性体在受力时应力-应变关系的比例常数，但由于土的应力-应变关系呈非线性，因此，只有认为土的弹性模量E是一个条件变量，它是随应力-应变关系的改变而变化的。 在路面设计中，如果完全按照土基的非线性、塑性变形等特性决定它的计算参数(主要是土的弹性模量E)，则会使设计方法复杂化，甚至需改变路面设计的理论体系。因此，必须根据土基在路面结构中的实际工作状态，对其非线性性质作相应的修正或简化处理。修正或简化的原则是表征土基应力-应变特性的参数在理论计算中应与实际状况吻合。对土的应力-应变关系曲线进行线性处理的最简单的方法是切线法和割线法，即将土的应力-应变关系曲线上某点的切线斜率或某一范围的割线斜率作为土基的模量。用切线法和割线法确定的模量有以下几种： 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4-3中虚线①所示，代表加荷开始时土的应力-应变关系。 图4-3 几种模量的取值示意 2、切线模量——某一应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图4-3中虚线②所示，反映土在该级位应力-应变变化的精确关系。 3、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4-3中的虚线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。 4、回弹模量——应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量，如图4-3中虚线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。 图4-4土的变形荷载的持续时间关系 ①回弹变形；②塑性变形；③总变形 前三种模量取值时的应变值是包含残余应变和回弹应变在内的总应变，而回弹模量取值时已扣除残余应变后的回弹就变。因此，将前三种模量笼统地称为土的弹性模量显然是不合适的。而回弹模量能反映土所具有的那部分弹性性质，所以，在以弹性力学为理论基础的路面设计方法中，往往将土的回弹模量视为土的弹性模量，并且作为路面设计中的一项重要计算参数。 (二) 土基的流变性质 土是具有流变性质的材料，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，土颗粒之间力的传递以及土颗粒与土颗粒之间相对移动都需要一定的时间，通常在施加荷载的初始阶段，变形的大小随着荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋于稳定。室内模型试验表明，回弹变形与荷载的持续时间关系不大，因而土的流变性质主要同塑性变形有关，图4-4表示荷载作用时间与土的回弹变形，塑性变形以及总变形的关系。 车辆在路面上行使，车轮对路面下土基的作用时间随车辆行使的速度变化而变化，但通常都是很小的，在这短暂的一瞬间，产生的塑性变形比之于静荷载长期作用下的塑性变形小得多。因此，