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1、公路地基土（路基和桥涵）承载力及其分类研究报告简本1 引言地基承载力作为土体三大“经典稳定问题”之一，也是公路工程中地基评价和采取相应地基处理措施时需要解决的实际技术难题。公路路基和桥涵在地基的变形破坏类型、破坏机理、强度和变形等方面的要求与建筑等其它行业均有所不同，建筑物等刚性基础确定的地基承载力评价方法对公路路基柔性梯形荷载下的地基承载力评价并不适用，该方法直接应用到公路桥涵等刚性基础的地基承载力评价是否合适也还有待探讨。此外，建筑等规范中确定的地基承载力的现场测试方法主要是用于点工程，对公路路基这种线工程不是完全可行。因此，从公路工程建设发展的需求出发，开展公路路基和桥涵地基承载力及其分
2、类研究，具有特别重要的现实意义。2 公路路基和桥涵地基使用情况调查在贵州、云南、新疆等省区公路路基和桥涵地基使用情况调查和病害工点大量调研的基础上，得出以下主要结论：（1）公路路基地基因承载力问题产生的破坏模式有整体剪切破坏（主要是软土地基）和局部剪切破坏； 图1 公路路基开裂及地表隆起（2）公路路基斜坡地基上的软弱夹层处理不当时，路基容易沿软弱夹层产生滑移；（3）公路路基地基承载力受周围的地形、地貌和水等因素的影响；（4）地基承载力不足或过大的差异沉降都将导致涵洞的破坏。3公路地基土工程特性及承载力测试方法研究（1）砾类土、砂性土和细粒土载荷试验P-S曲线的研究对比分析表明，砾类土承载力很高
3、，一般为5001000kPa；砂类土中砂土承载力总体较高，细粒土砂和细粒土质砂与砂性土中细粒土的含量和工程性质有关，承载力差异较大，一般为200500kPa；细粒土承载力总体较低，因土质类型、结构特征等的不同差异较大，一般为150250kPa；图2砾类土载荷试验P-S曲线 图3砂性土载荷试验P-S曲线 图4细粒土载荷试验P-S曲线（2）红粘土、黄土、膨胀土、低液限粉土和低液限粘土等细粒土载荷试验P-S曲线的对比分析表明，不同土质的细粒土由于颗粒组成、结构性、化学成分等的差异，其承载力特征值有较大的差异。一般来说，红粘土等土体结构性强、粘粒含量高、可塑性好的土体具有较高的强度，承载力为12028
4、0kPa；黄土等土体结构性差、粉粒含量高、水稳定性差的土体具有较低的强度，承载力为70130kPa；而具有一定结构性，粘粒和粉粒都占有一定比例的土体如低液限粘土和膨胀土承载力居中，为100200kPa；（3）公路路基和小桥涵地基承载力评价时，不宜采用载荷试验；（4）旁压试验可用于公路路基和小桥涵黄土和亚粘土地基承载力的评价；（5）静力触探试验（车载式和手动式）可用于公路路基和小桥涵细粒土地基承载力的评价，系统总结并提出了静力触探试验的经验关系式；（6）动力触探和标准贯入可作为公路路基和小桥涵细粒土地基承载力评价时的辅助测试方法以及粗粒土地基承载力评价时的主要测试方法，系统总结并提出了动力触探和
5、标准贯入试验的经验关系式；（7）建筑规范中的地基承载力表可作为公路路基、小桥和涵洞地基承载力评价时的参考；（8）地基承载力的理论计算公式可作为公路小桥和涵洞地基承载力评价时的参考，不完全适用于公路路基地基承载力评价。4 公路路基和桥涵地基承载力的理论分析通过ANSYS有限元分析软件对刚性条形基础和柔性条形基础、公路梯形柔性荷载与建筑刚性条形基础地基受力变形特性的分析，以及公路路基和桥涵地基破坏模式的研究，得出以下主要结论：（1）刚性条形基础的基底接触应力先呈马鞍形分布，边缘大中间小，随荷载逐渐增大应力重分布，向中间集中，类似抛物线分布，而柔性基础的基底接触应力基本保持均匀；刚性基础的基底位移分
6、布保持均匀，而柔性基础的基底位移一直是抛物线分布；（2）柔性基础比刚性基础较晚进入临塑状态，柔性基础地基的临塑荷载比刚性基础大，且随着粘聚力、内摩擦角和弹性模量的增加，刚性基础和柔性基础地基所对应的临塑荷载的差异也在逐渐加大；（3）不同粘聚力、内摩擦角和弹性模量的分析表明，柔性基础地基的极限承载力总体上略大于刚性基础；（4）柔性梯形荷载地基的应力变形规律受路基的弹性模量、基底宽度、基底高度和容重等的影响较小，主要与地基土的粘聚力、内摩擦角和弹性模量有关；（5）刚性条形基础地基和柔性梯形荷载地基在临塑阶段时，随着地基土粘聚力和内摩擦角的增加，基底的应力和变形都逐渐增大，随着地基土弹性模量的增大，
7、基底的应力都逐渐增大，变形逐渐减小；（6）P-S/B曲线的分析表明，柔性梯形荷载地基弹塑性阶段时在相同荷载下的相对变形要大于刚性条形荷载地基；（7）粘聚力的大小对公路路基地基的破坏模式影响不大，随着内摩擦角与弹性模量的不同，公路路基地基的破坏模式和塑性变形的开展位置和滑动面的贯通程度都有差异；（8）公路路基地基的破坏模式可依据地基土的内摩擦角和弹性模量来确定。在内摩擦角较小的情况下，可以按照弹性模量的大小将地基的破坏模式分为整体剪切破坏和局部剪切破坏，而当地基土的内摩擦角中等、较大和大时，可以按照弹性模量的大小将地基的破坏模式分为局部剪切破坏和冲剪破坏；（9）公路路基地基与建筑地基发生整体剪切
8、破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏时地基塑性区开展的位置和发展趋势都有所不同，公路路基多从地基中部向坡脚和路基外侧延伸，而建筑地基从基底边缘地表处向地基内部延伸；（10）公路路基地基与建筑地基发生局部剪切破坏模式时地基所处的状态有所不同，公路路基地基处于完全塑性状态，建筑地基部分处于弹性状态，部分处于塑性状态；（11）地基破坏模式对路基路面造成的影响主要有两种：当地基发生整体剪切破坏时，路堤将可能产生滑动；当地基发生局部剪切破坏和冲剪破坏时，路堤下面地基处于塑性状态，路堤将一直下沉，最后由于不均匀沉降过大而发生破坏；（12）对公路桥涵地基的受力变形进行了分析，提出了涵洞地基的破坏类型和破坏机理。5
9、公路路基地基承载力离心模型试验通过刚性条形荷载、柔性条形荷载、柔性梯形荷载以及柔性条形荷载（沟谷地形）等四组离心模型试验，对刚性荷载与柔性荷载、柔性荷载不同工况下地基的试验数据及结果进行了对比分析，得出以下主要结论：（1）成功地进行了公路路基地基承载力离心模型试验，试验过程中基本消除了边界效应和粒径效应，试验结果能够正确反映了原型的应力、应变规律及破坏机理，本试验的经验可以为同类模型试验所借鉴；（2）柔性荷载地基相对于刚性荷载地基极限承载力有明显的提高，沉降也相应增加；（3）柔性荷载地基有更好的位移协调性，裂缝开展较晚并距离基础角点较远，分布更密、更均匀；（4）公路路基重塑红粘土地基在较高的离
10、心加速场中因承载力不足产生破坏时，不易产生理想的整体剪切破坏形式，破坏形式多为局部剪切破坏和冲剪破坏；（5）梯形荷载形式有更好的力的辐射角度，在相同荷载作用下，产生的相对位移要小些；（6）地基所处的地形条件对地基承载力有一定的影响。6 公路路基和桥涵地基承载力的评价技术和分类研究（1）地基由于浸水导致路基路面破坏的原因可以分为两类：浸水导致地基发生新的不均匀沉降从而导致路堤边坡拉裂和路基路面的裂缝；浸水使地基中本已出现的塑性区连通导致地基的整体失稳破坏；（2）坡脚浸水的地基由于积水入渗范围有限，路堤底部大部分地基仍处于天然状态，因此其地基承载力的确定可以按照天然状态地基承载力确定方法进行，但在
11、实际工程中应注意坡脚处的防水处理；（3）根据我国公路部门现行规范要求，综合考虑路面平整度要求及行车舒适性要求，建议高速、一级公路路基的容许工后沉降量取25cm；二级公路路基的容许工后沉降量取30cm；（4）针对不同公路等级，对建筑地基承载力特征值进行了相对容许变形修正，提出了符合公路工程特点的公路路基地基承载力特征值的计算公式：；（5）确定了公路路基和桥涵地基承载力的评价方法。其中，公路路基地基承载力的验算公式为路基地基承载力特征值不应小于填土路基的荷重（即：），公路桥涵地基承载力的验算公式为桥涵地基承载力特征值不应小于上部结构的荷重（即：）；（6）根据路基和桥涵等上部结构的荷载特性、公路等级
12、、填土高度和土质类型建立了公路路基和桥涵地基承载力的三级分类体系和分类原则。7 公路路基和桥涵地基承载力地理信息系统“公路路基和桥涵地基承载力地理信息系统”具有地基土的工程性质查询、承载力数值分布查询和具体工点的地基承载力查询等功能。 图5公路地基土工程性质查询 图6公路地基承载力数值大小及分布 图7公路地基承载力验算类型 图8公路地基承载力验算结果8工程验证本项目的研究成果已在贵州、山西省和新疆四地6个路段进行了工程验证，并在贵州省的崇遵高速公路和镇胜高速公路的工程建设中得到了成功的应用。此外，编制了公路路基和桥涵地基承载力评价方法指南，对工程有很强的指导意义和很好的实用性。9 结论、创新与
13、建议本项目在大量现场调研、理论分析、数值模拟和室内外试验的基础上，对公路路基和桥涵地基承载力进行了系统、深入的研究，主要的结论和研究成果如下：1.提出了公路路基和桥涵地基承载力的影响因素和地基破坏的表现形式。2.明确了砾类土、砂性土和红粘土、膨胀土、黄土等细粒土地基承载力特征值的范围和受力变形特性。3.确定了不同土质类型的公路路基和桥涵地基所适用的测试技术与方法。4.揭示了柔性基础比刚性基础较晚进入塑性状态，柔性基础下地基的临塑荷载比刚性基础地基大。5.确定了公路路基地基的破坏模式主要与内摩擦角与弹性模量有关，内摩擦角较小时，弹性模量小的地基发生局部剪切破坏，弹性模量大的地基发生整体剪切破坏；
14、内摩擦角较大时，地基发生局部剪切破坏或冲剪破坏。6.揭示了公路路基地基发生整体剪切破坏和局部剪切破坏时塑性区发生发展规律。7.提出了公路桥涵地基的破坏类型和破坏机理。8.通过离心模型试验，揭示了公路路基柔性荷载地基相对于刚性基础地基，极限承载力有明显的提高，沉降也相应增加的承载力特性。9.通过离心模型试验，提出了公路路基柔性荷载地基有更好的位移协调性，裂缝开展较晚并距离基础角点较远，分布更密、更均匀。10.明确了地基浸水使之发生新的不均匀沉降从而导致路堤边坡拉裂和路基路面裂缝的作用机理。11.在建筑地基承载力特征值的基础上，提出了公路路基地基承载力的修正公式。12.确定了公路路基和桥涵地基承载
15、力的评价方法。13.根据路基和桥涵等上部结构的荷载特性、公路等级、填土高度和土质类型建立了公路路基和桥涵地基承载力的三级分类体系和分类原则。14.建立了公路路基和桥涵地基承载力地理信息系统。本项目首次对公路路基地基的破坏类型、破坏机理和评价方法进行了深入的研究，成果的创新性主要体现在以下几个方面：1.首次提出了公路路基地基的破坏模式、主要影响因素及塑性区发生发展规律；2.首次基于离心模型试验，明确了公路路基地基承载力的特点，即公路路基柔性梯形荷载地基有更好的位移协调性，地基极限承载力相对于刚性基础地基有明显的提高；3.首次揭示了地基浸水使之发生新的不均匀沉降从而导致路堤边坡拉裂和路基路面裂缝的作用机理；4.针对公路工程特点，提出了路基地基承载力特征值修正公式，并建立了公路路基和桥涵地基承载力的评价方法和分类体系；5. 研究编制了公路路基和桥涵地基承载力评价方法指南。
