第二章路基土強(qiáng)度與變形特性2.2路基土強(qiáng)度特性2.3路基土變形特性2.1路基土壓實(shí)特性第一節(jié)路基土壓實(shí)特性一、路基土的壓實(shí)原理（一）土的三相組成土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成，通常稱為土的三相組成。三相物質(zhì)的質(zhì)量和體積的比例不同，土的性質(zhì)也隨之不同。第一節(jié)路基土壓實(shí)特性一、路基土的壓實(shí)原理（二）細(xì)粒土的最優(yōu)含水率最優(yōu)含水率：對同一種土料，在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)條件下，能夠達(dá)到的干密度的最大值稱為最大干密度，此時相應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。最優(yōu)含水率可在實(shí)驗室通過擊實(shí)試驗測得。達(dá)到最優(yōu)含水率狀態(tài)的土，其擊實(shí)效果最好。第一節(jié)路基土壓實(shí)特性一、路基土的壓實(shí)原理（二）細(xì)粒土的最優(yōu)含水率第一節(jié)路基土壓實(shí)特性一、路基土的壓實(shí)原理（三）粗粒土的壓實(shí)機(jī)理粗粒土：粗細(xì)砂、砂礫石、礫石土、碎石土、填石等。含水率對粗粒土的影響較小。粗粒土的壓實(shí)：常采用振動、夯實(shí)等壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)。為實(shí)現(xiàn)粗粒土的密實(shí)，可以通過調(diào)整顆粒的級配來實(shí)現(xiàn)。第一節(jié)路基土壓實(shí)特性二、路基土壓實(shí)影響因素路基的壓實(shí)效果受路基土體本身特性和所選的工程機(jī)械、施工工藝與施工參數(shù)的影響。（一）含水率路基土含水率變化對壓實(shí)質(zhì)量具有明顯影響。工程上通過控制最優(yōu)含水率的辦法來控制壓實(shí)質(zhì)量。含水率對細(xì)粒土的壓實(shí)質(zhì)量具有明顯的影響，對砂礫料、填石料的影響相對較小。第一節(jié)路基土壓實(shí)特性二、路基土壓實(shí)影響因素（二）顆粒級配與空隙率顆粒級配：反應(yīng)路基土體的粒徑大小及所占百分比。級配良好：土體的粗細(xì)顆粒的比例合理。不均勻系數(shù)Cu愈大，表示土粒愈不均勻。工程上把Cu＜5的土視為級配不良的土；曲率系數(shù)Cc用于判定土的連續(xù)程度，Cc=1~3，級配連續(xù)土；Cc>3或Cc<1，級配不連續(xù)土。第一節(jié)路基土壓實(shí)特性二、路基土壓實(shí)影響因素（三）土的性質(zhì)（四）壓實(shí)功壓實(shí)功通過壓實(shí)機(jī)具所施加的荷載、碾壓次數(shù)與作用時間對路基土體起作用。工程上可以通過壓實(shí)功的方法來提高壓實(shí)質(zhì)量，如重碾、增加碾壓次數(shù)、降低碾壓速度等。（五）壓實(shí)厚度（六）施工工藝第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征一、路基土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系特征路基土體變形：包括彈性變形和塑性變形。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征二、路基臨界動強(qiáng)度及應(yīng)用土的動力特性：對于不同壓實(shí)度的路基土均存在一個臨界動強(qiáng)度值。小于該強(qiáng)度的動載作用，土體塑性變形將收斂直至穩(wěn)定；反之，土體塑性變形將不收斂直至土體破壞。臨界動強(qiáng)度的應(yīng)用：鐵路路基基床表層確定方法采用動強(qiáng)度控制法。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征二、路基臨界動強(qiáng)度及應(yīng)用《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》根據(jù)路基臨界動強(qiáng)度理論，采用變形控制和強(qiáng)度控制確定鐵路路基的基床厚度。線路類型基床結(jié)構(gòu)厚度（cm）表層底層總厚度設(shè)計時速160km/h特重型線路60190250設(shè)計時速200km/h客運(yùn)專線60190250設(shè)計時速250km/h客運(yùn)專線70230300有砟軌道客運(yùn)專線70（含10cm瀝青混凝土）230300第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用路基的破壞一般是由于填料強(qiáng)度的不足而引發(fā)的剪切破壞。τf

＝

c’

+σ’·tan

’τf

＝

c

+σ·tan

第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（1）三軸儀第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（1）三軸儀

3

3

3

3

3

3△△2.施加周圍壓力3.施加豎向壓力1.裝樣

分別在不同的周圍壓力

3作用下進(jìn)行剪切，得到3～4個不同的破壞應(yīng)力圓，繪出各應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度包線

抗剪強(qiáng)度包線

c

第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（1）三軸儀不固結(jié)不排水剪（UU試驗）試樣在整個試驗過程中都不允許排水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水率始終保持不變，孔隙水壓力也不可能消散。可以測得土的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu、φu。固結(jié)不排水剪(CU試驗)試樣待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門，然后再施加軸向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞，在受剪過程中同時測定試樣中的孔隙水壓力。由于不排水，試樣在剪切過程中沒有任何體積變形。可以測得土的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)ccu、φcu和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c’、φ’。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（1）三軸儀固結(jié)排水剪(CD試驗)在施加周圍壓力和隨后施加軸向壓力直至剪壞的整個試驗過程中都將排水閥門打開，并給予充分的時間讓試樣中的孔隙水壓力能夠完全消散?？梢詼y得土的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cd、φd。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力狀態(tài)和路徑明確；排水條件清楚，可控制；破壞面不是人為固定，是真正破壞面；可以測空隙水壓。缺點(diǎn)：儀器復(fù)雜、難掌握、試驗時間較長、相關(guān)工程經(jīng)驗較少。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（2）直剪儀按控制方法分應(yīng)變控制式

應(yīng)力控制式第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（2）直剪儀在不同的垂直壓力

下進(jìn)行剪切試驗，得相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τf，繪制τf-

曲線，得該土的抗剪強(qiáng)度包線。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（2）直剪儀按排水條件分快剪：這種試驗方法要求在剪切過程中土的含水量不變，因此，無論加垂直壓力或水平剪力，都必須迅速進(jìn)行，不讓孔隙水排出。適用范圍：加荷速率快，排水條件差固結(jié)快剪：試樣在垂直壓力下排水固結(jié)穩(wěn)定后，迅速施加水平剪力，以保持土樣的含水量在剪切前后基本不變。試用范圍：一般建筑物地基的穩(wěn)定性，施工期間具有一定的固結(jié)作用。慢剪：土樣的上、下兩面均為透水石，以利排水，土樣在垂直壓力作用下，待充分排水固結(jié)達(dá)穩(wěn)定后，再緩慢施加水平剪力，使剪力作用也充分排水固結(jié)，直至土樣破壞。適用范圍：加荷速率慢，排水條件好，施工期長，第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用（2）直剪儀優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、試樣制備及試驗操作方便。缺點(diǎn)：(1)試驗時不能嚴(yán)格控制試樣的排水條件，并且不能量測隙水壓力；(2)剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣薄弱的面剪切破壞；(3)剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，且豎向荷載會發(fā)生偏轉(zhuǎn)(上下盒的中軸線不重合)，主應(yīng)力的大小及方向都是變化的；(4)在剪切過程中，試樣剪切面逐漸縮小，而在計算剪強(qiáng)度時仍按試樣的原截面積計算；(5)試驗時上下盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試驗結(jié)果偏大。第二節(jié)路基土強(qiáng)度特征三、路基土抗剪強(qiáng)度試驗與應(yīng)用強(qiáng)度指標(biāo)的比較：三軸試驗：固結(jié)排水>固結(jié)不排水>不固結(jié)不排水直剪試驗：慢剪>固結(jié)快剪>快剪強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用：工程階段強(qiáng)度類型土類試驗方法強(qiáng)度指標(biāo)試驗狀態(tài)備注施工期總應(yīng)力法k<10-7直剪快剪cu、φu填筑含水率和填筑密度任何三軸不排水剪運(yùn)營期總應(yīng)力法k<10-7直剪固結(jié)快剪ccu、φcu同上新建路堤邊坡穩(wěn)定性分析任何三軸固結(jié)不排水剪k<10-7直剪快剪cu、φcu同上，需預(yù)飽和新建路堤淺層邊坡穩(wěn)定性分析任何三軸不排水剪k<10-7直剪快剪cu、φu取路基原狀土已建路堤穩(wěn)定性分析任何三軸不排水剪第三節(jié)路基土變形特性路基變形主要包括以下三部分：運(yùn)營階段行車引起的基床累積變形；列車行駛中路基面的彈性變形；路基本體填土及地基壓密下沉。第三節(jié)路基土變形特性一、路基填土的壓密下沉填土的壓密下沉屬于永久沉降，由填土自重（包括軌道上不建筑）引起，包括施工階段的下沉和工后沉降?？刂乒ず蟪两悼紤]的因素：①工程量及維修費(fèi)用的增加；②過大沉降對軌道結(jié)構(gòu)及路基面排水條件的影響。路基填土的壓密下沉通常通過壓實(shí)密度予以保證。經(jīng)國內(nèi)外資料可以認(rèn)為，路基填土本身的壓密沉降約為填土高度的0.1%~1%；路堤本體的壓密下沉在通車后大約1年即漸趨于穩(wěn)定。第三節(jié)路基土變形特性二、高速行駛中路基的彈性變形彈性變形是由列車高速通過時列車動荷載短暫作用產(chǎn)生的。主要發(fā)生在基床部分，尤其是基床表層。路基彈性變形控制值基床表層不破壞行車舒適度和安全性剛度填料的變形模量、強(qiáng)度土的密度土的含水率第三節(jié)路基土變形特性二、高速行駛中路基的彈性變形1.鐵路路基彈性變形的控制值瀝青混凝土基床表層：撓曲角θ控制，對應(yīng)的撓度值為2.5mm。2.彈性變形值的計算在能夠保證列車高