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土基的强度指标
土基的承载能力
土基的力学表征取决于采用何种地基模型表示土基的受力状态与性质。目前全球主要采用弹性半空间体地基模型与文克勒地基模型。
尽管柔性路面设计和刚性路面设计以不同的理论体系为基础,不同的设计方法有不同的假定前提,但是用于表征路基承载力的各种指标基本是相同的,都是采用土基在一定应力级位下的抗变形能力来表示
用于表征土承载力的参数指标有回弹模量、地基反应模量和加州承载比(CBR)等。
在以弹性半空间地基模型表征土基的受力特性时,回弹模量是表示路基在瞬时荷载作用下具有的可恢复变形性质的性质。它应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系。
我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计中,都用回弹模量作为土基刚度指标。
为了模拟车轮印迹的作用,通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。
1、回弹模量的基本定义
有两种承载板可以用于测定土基回弹模量,即柔性承载板与刚性承载板。用柔性承载板测定回弹模量,土基与压板之间的接触压力为常量,而板下挠度不同。
土基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线
用柔性承载板测定土基回弹模量,土基与承载板之间的接触压力为常量,如图(a)所示。即:
承载板的挠度与坐标r有关,在承载板中心处(r=0),即:
在柔性承载板边缘处(r=a),其挠度可以按下式计算:
当测得承载板中心或边缘处的挠度后,假如土的泊松比为已知值,即可通过公式反算得到土基的回弹模量E值。
用刚性承载板测定土基回弹模量,压板下土基顶面的挠度为等值,不随着坐标r而变化,但是板底接触压力则随r值的变化,成鞍形分布,如图(b)所示。其挠度L值与接触压力p值可分别按下两式计算。
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测得刚性板挠度之后,即可按上两式反算得到回弹模量E值。式中P为平均单位压力。
式中:
——承载板挠度(m);
——接触压力(Mpa);
——计算点离承载板中心的距离(m);
——总压力(MN);
——单位压力(Mpa);
——承载板半径(m)。
在实际测定中,刚性承载板用得较多,因为它的挠度易于测量,压力容易控制。承载板直径通常采用标准车辆轮印当量圆直径。试验时宜采用逐级加载卸载法,每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,即可点绘出荷载一回弹弯沉曲线。
在多数情况下,试验曲线呈非线性。在确定模量时,可根据土基实际受的压力范围或可能产生弯沉范围在曲线上取值。沥青路面设计中,按1mm线性归纳确定土基的回弹模量。
由于水泥混凝土路面有较大的荷载扩散能力,所以土基顶面受到的压力比沥青路面小的多。显然,水泥混凝土路面更接近于弹性工作状态,其回弹模量值要比沥青路面大得多。我国现行水泥混凝土路面设计方法中,土基回弹模量采用了与沥青路面相同的测定与取值方法,即采用沥青路面下土基的回弹模量值,在提高一定的倍数,使模量取值更符合水泥混凝土路面下土基的实际工作状态,通常将土层与基层一并考虑,在测得基层顶面的回弹模量后,提高一定的倍数作为水泥混凝土路面下地基(土基+基层)的综合回弹模量值。