路基工程教案1和2章.ppt

路基工程讲义,宋高嵩,哈尔滨理工大学,第一章 路基工程总论,本章的主要内容： 1、路基工程的定义、作用和特点; 2、路基设计的基本内容； 3、路基的常见病害及对路基的基本要求 4、 影响路基稳定性的因素。 本章重点：影响路基稳定性的因素; 路基的作用及对路基的基本要求,1-1概述,一、公路发展与展望 1.现代交通概述: 我国幅员辽阔、物产丰富、人口众多，为了促进国民经济的发展，提高人们的物质文化生活水平，确保国防安全，必须有一个四通八达且完善的交通运输体系。 现代交通运输主要是由铁路、公路、水运、航空和管道等五种 (1)铁路运输对于远程的大宗货物及人流运输起着主要的作用； (2)水运在通航的地区起着廉价运输的作用； (3)航空运输则起着快速运送旅客，贵重、紧急物品及邮件等的作用； (4)管道多用于运输液态、气态以及散装物品(如石油、煤气等)； (5)公路运输具有机动、灵活、直达、迅速、适应性强和服务面广的特点，对于客货运输，特别是中短距离的运输，效益尤其显著。 其他运输形式:地铁 、轻轨和高速铁路;磁悬浮;U弦轨；宇宙飞船等.,现代公路与桥梁技术,贵州六盘山,上海磁悬浮列车,什么是 “U弦轨”？, () 尤尼茨基弦式轨道运输系统（U弦轨） Unitsky String Transport (UST) 高架弦式轨道高速运输系统 新一代城际、城市、跨海、深山客运货运系统,“U弦轨” 概况,发明者：俄罗斯科学院院士. 研究历时25年 联合国2002-2003年资助项目 第一条试验线2001.3奠基 第一条示范线2002.10动工建造 俄罗斯：莫斯科即将建造连接四个空港的大环线(20022004试验，2005正式建造),“U弦轨” 现在、将来最便宜的交通工具！,说：德国投资190亿马克建造柏林-汉堡200公里磁悬浮线路，如果用同样的投资建造相同性能的 “U弦轨”，可以把我们的“U弦轨”从伦敦铺到东京 乘U弦轨列车从莫斯科到伦敦(2830 km)车票成本33$；从北京到香港(3140 km)车票成本20$,造价比较 （RMB/km）,地铁 58亿 50100倍 轻轨 34亿 3040倍 磁悬浮 3亿 30倍 U弦轨 1000万,“U弦轨” 特点,速度高：250350 km/h，最高可达500 km/h 造价低：80（平原）250（海上）万$/km（复线） 运力高：50万人次/昼夜或50万吨/昼夜（复线） 成本低：0.61.0$/百人公里或0.51.0$/百吨公里 性能高：低能耗(速度300 km/h时功率80kW)、爬坡力强(30) 土工小：不架桥、不挖洞、不拆迁 环保好：占地少、噪音小、无阴影 适应广：地形气候不限，适用平原、海上、高山、水下，可用于城市交通、城际干线、过江跨海、翻山越岭,“U弦轨” 在沙漠,“U弦轨” 在雪山,“U弦轨” 过江,“U弦轨” 越海,“U弦轨” 翻山越岭,水下 “U弦轨”,“U弦轨” 高速列车,“U弦轨” 城市交通,“U弦轨” 城市交通,车站,U弦轨就是最佳选择！,我们的交通拥挤 我们想要一个既经济又快速的大众运输系统 我们必须达到环保高指标 我们还想得到投资的快速回报,如果,2.公路工程发展,公路是联结城镇和工矿基地之间主要供汽车行驶的郊外道路。20世纪初(1902)，我国开始从发达工业国进口汽车，起初只是在上海等大城市街道上行驶，1913年在湖南省修建了从长沙至湘潭的公路，揭开了我国交通运输史上公路与汽车运输的新篇章。 自20世纪80年代中期开始，中国大陆开始兴建高速公路，1988年10月1日通车的上海至嘉定高速公路全长15.9千米标志着我国高速公路零的突破。陆续投入运行的主要高速公路有京石、京津塘、沈大、合宁、济青、开洛、广深、太旧、合芜、成渝、沪宁、桂柳、呼包、哈大、泉厦、石安、安新等多条线路，高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、舒适地运行提供了良好的条件，标志着我国的公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的时代。 2004年底全国高速公路通车里程达34288公里，居世界第二。 平均每年通车2000公里，建设速度世界之最。,我国公路发展的总体成就,改革开放30年来，我国公路建设发展迅速，作为国民经济的基础性产业，公路建设的发展对加快建设统一市场、实现资源有效配置、促进区域协调发展、提高对外开放程度、推动国民经济发展和社会进步发挥了重要作用。便捷高效的公路交通也日益改变着人们的思想观念和生活方式，扩大了出行半径，极大地提高了人民的生活水平。 (一)公路建设规模快速增长。30年来，公路通车总里程由89万公里增长到358万公里，公路建设年投资规模由1978年的49亿元增长到2007年的6490亿元，提前13年实现了总长35000公里的“五纵七横”国道主干线的基本贯通。 (二)高速公路从无到有，发展迅速。从1988年第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车，到2007年底，我国高速公路通车里程达54000公里，稳居世界第二。 (三)农村公路建设稳步推进。改革开放初期，我国农村公路只有59万公里，到2007年，农村公路总里程达313万公里。已有99.0的乡镇和88.2的建制村通了公路。,(四)桥隧建设举世瞩目。 我国相继建成一批深水基础、大跨径、施工难度高的大桥或特大桥。2007年，又有两座世界一流的桥梁建成通车: 一座是36公里长的杭州湾跨海大桥。 一座是世界上首座跨径超过1000米的斜拉桥苏通长江公路大桥. 这标志着我国桥梁建设已由桥梁大国步入桥梁强国。在隧道建设方面，我国相继建成了中梁山、六盘山等一批(特)长隧道。2008年，总长18公里秦岭终南山隧道建成，是世界上建设规模最大的高速公路隧道 (五)科技创新实现跨越式发展。 在软基处理、冻土施工、路面材料及路面结构设计、桥梁隧道建设等方面，一批新材料、新工艺、新技术得到推广应用。其中，苏通长江大桥是桥梁创新建设的典型代表，带动了我国桥梁建设在标准规范、计算理论、结论分析、模型实验、材料科学、施工工艺、监测控制、专业设备等方面的进步。,国外公路基础设施发展状况,国外发达国家公路的发展大致都已经历了三个发展阶段，现正处于第四个发展阶段。 第一阶段从19世纪末到20世纪30年代，是各国公路的普及阶段。这期间随着汽车的大量使用，大多是在原有乡村大道的基础上，按照汽车行驶的要求进行改建与加铺路面，构成基本的道路网，达到大部分城市都能通行汽车的要求。 第二阶段从30年代到50年代，是各国公路的改善阶段。这期间由于汽车保有量的迅速增加，公路交通需求增长很快，各国除进一步改善公路条件外，开始考虑城市间、地区间公路的有效连接，着手高速公路和干线公路的规划，英、美、德、法等国都相继提出了以高速公路为主的干线公路发展规划，并通过立法，从法律和资金来源等方面给予保障。,国外公路基础设施发展状况,第三阶段从50年代到80年代，是各国高速公路和干线公路高速发展阶段。这期间各国大力推进高速公路和干线公路规划的实施与建设，并基本形成以道路使用者税费体系作为公路建设资金来源的筹资模式，日本等国为解决建设资金不足等问题，还通过组建“建设公团”修建收费道路来促进高等级公路的发展。各国经过几十年的发展，已基本形成了以高速公路为骨架的干线公路网，为公路运输的发展奠定了基础。 第四阶段为80年代末90年代初以来，是各国公路综合发展阶段。这期间各国在已经建成发达的公路网络的的基础上，维护改造已有的路、桥设施和进一步完善公路网络系统，重点解决车流合理导向、车辆运行安全以及环境保护等问题，以提高公路网综合通行能力和服务水平。此外各国还特别重视公路环保设施的建设，在公路建设和运营过程中对环境和生态进行保护，如通过居民区的路段建设防噪墙等以减小汽车行驶噪音影响，又如设置动物等专用通道，保证公路沿线动物的生活不受大的影响。,国外公路基础设施发展状况,目前世界各国的公路总长度约2000万公里，约80个国家和地区修建了高速公路，建成通车的高速公路已达20万公里。其中美国、英国、德国、法国、意大利、日本、加拿大和澳大利亚这些主要经济发达国家公路里程约占世界公路总里程的55%、高速公路里程约占世界高速公路里程的80%以上。 美国现有公路总里程和高速公路里程最长，分别约占世界公路总里程和高速公路总里程的30%以上和近50%，已经形成了约6.9万公里的州际高速公路网，公路已成为美国人日常生活必不可少的一部分。西欧各国和日本，由于国土面积小，公路网基础好，高速公路也逐步成网，公路运输一直为内陆运输的主力。相比之下，前苏联和印度、巴西等发展中大国公路里程较少，道路质量差，公路铺面率低，汽车运输在整个交通运输体系中的地位和作用远低于美、日以及西欧诸国。,国外公路基础设施发展状况,从50年代起，欧美等国家开始认识高速公路的巨大作用，并大力兴建高速公路。1960年世界各国有高速公路3万公里，1970年为7万公里，1980年为11万公里，目前估计已达20万公里。 目前，许多国家的高速公路已不再是互不连接的分散的线路，而是向高速公路网的方向发展，欧州正将各国主要高速公路连接起来，逐步形成国际高速公路网。总之，当今世界公路基础设施的发展趋势是发达国家以完善、维护和提高现有路网和通行能力为主，发展中国家则是普及和提高相结合，在增加公路通车里程的同时，大力提高干线公路的技术水平。,3.公路发展规划,交通部对公路建设发展规划是：我国公路发展规划包括两个层次：第一个层次是国道主干线，第二个层次是国省道主干线。目前国家国道主干线公路的长远规划方案“五纵七横”3.5万千米已经基本完成，初步形成公路运输大通道功能。 中国将建成布局为7918的高速公路网络,总里程8.5万公里：即: 7条射线是首都至各省会的城市, 总里程约1.8万公里,采用1-9中的数字编号,如京沪高速公路编号为1; 9条纵线拟用11至79中的奇数编号,如沈阳到海口的高速公路编号为15号; 18条横线拟用10至78 之间的偶数编号,如连云港至霍尔果斯编号为30号,但台湾环线编号为99号. 长三角、珠三角和环渤海经济区等三大都市圈内部将形成城际高速公路网。届时东部地区平均半小时可上高速公路，中部地区平均1小时可上高速公路，西部地区平均2小时可上高速公路， 到2030年，建成85000公里高速公路，建设速度进一步加快,黑龙江省交通公路规划“两环七射六纵三横”布局,公路基础设施建设将形成“两环七射六纵三横”布局-简称“2763”网： “两环”： 即哈尔滨绕城公路92km;哈尔滨经济圈环线(双城肇东兰西巴彦宾西阿城双)370km “七射”： 即哈尔滨至甘南、哈尔滨至黑河、哈尔滨至嘉荫、哈尔滨至抚远、哈尔滨至绥芬河、哈尔滨至五常县界、哈尔滨至双城； “六纵”： 即抚远至密山（当壁镇）、富锦至东宁省界、鹤岗至杏山省界、明水至肇源、大庆至肇源、洛古河至泰来。 “三横”： 即萝北至加格达奇、前峰农场至嫩江界、饶河至讷河；,公路的分级,1.公路的技术分级 公路根据功能和适应的交通量分为以下五个等级。 （1）高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。 （2）一级公路为供汽车分向、分车道行驶并可根据需要控制出入的多车道公路。 （3）二级公路为供汽车行驶的双车道公路。 （4）三级公路为主要供汽车行驶的双车道公路。 （5）四级公路为主要供汽车行驶的双车道或单车道公路。,2.公路的行政分级 我国按行政管理体制，根据公路的位置以及在国民经济中的地位和运输特点，又把公路分为国道、省道、县道、乡道以及专用公路（工厂、矿山、农场、林区等），并实行分级管理。我国国道共有70条，总计110037千米。国道分为三类： 第一类，首都为放射线11条，由北京分别通往沈阳，哈尔滨、塘沽、福州、珠海、广州、深圳、昆明、拉萨、银川和加格达奇及北京外环线，共12条，全长23178千米，编号以“1”开头，按顺时针方向统一编号为G101至G112; 第二类，是由北向南的纵线，如鹤岗大连，烟台汕头，包头南宁等共28条，全长38004千米，编号以“2”开头，自东往西排列，依次编为G201至G228，其中G228为台湾环线； 第三类，是由东向西的横线，如绥芬河满洲里，上海伊宁等共30条，全长48855千米，编号以“3”为开头，由北往南依次编为G301至G330。,二、路基工程的定义、功能和特点 1路基-天然地表面按照道路的设计线（位置）和横断面（几何尺寸）的要求开挖或堆填而成的岩土结造物。 路面-在路基顶面的行车部分用各种混合料铺筑而成的层状结造物。 2.路基的功能： 1） 路基是路面结构的基础； 2）路基承受力的作用（行车荷载和自然气候的影响） 坚强而又稳定路基为路面结构长期承受汽车荷载提供了重要保证，而路面结构层的存在又保护了路基，使之避免了直接经受车辆和大气的破坏作用，长期处于稳定状态。 3、路基工程特点： 1）工艺简单 2）工程数量大： 3）耗费劳力多 4）占用投资大：约占全部投资的25%-45%，个别达65%。 5）涉及面广：生态平衡，水土保持，农田建设，山区是工期的关键，路线设计,三、 公路的组成及路基设计的内容 1、公路的组成 * 1）主体工程路基、路面、桥梁、隧道 * 2）防护工程护坡、护脚、挡墙 * 3）排水设施边沟、截水沟、排水沟、跌水、急流槽等 * 4）附属工程公路标志、护栏、路用房屋、加油站、通信、绿化等 2、路基设计的内容 1）路基的断形式，确定路基宽度和路基高度 2）选择路堤填料与压实标准 3）确定边坡形状与坡度 4）路基排水系统布置和排水结构设计 5）坡面防护与加固 6）附属设施设计,1-2路基的常见病害及对路基的要求,一、 路基的常见病害及其原因 1、路堤的病害及其原因： l 路堤沉陷： 堤身下陷填筑不合理 地基下陷原地面为软弱土层 l 路堤沿山坡滑动-山坡较陡,填土与地基间摩擦系小 l 路堤坍散-施工方法不当,土的含水量水量大或土杂乱堆填 2、路堑的病害及其原因： l边坡的溜方和滑坡水的浸湿，土质不良 l边坡的崩塌和碎落水的影响，软弱石质，施工方法不当 3、不良地质现象造成的路基破坏滑坡,泥石流,水毁,冰椎,洋丘等,采用尽量绕避的措施. 4、冻胀和春融引起的路基过大变形-设防冻层,搞好排水,二、影响路基强度和稳定性因素 （1）自然因素 1地形：从地面水和地下水的影响考虑平原区和山岭区 2气候：气温，降水，冰冻深度，日照，年蒸发量，风向风力等 3水文及水文地质：地面水渗入地下水的上升 4土质：冻胀翻浆 5地质：岩石种类，风化程度，岩层厚度，走向，倾向等 6植物覆盖：影响地面径流和导热 （2）人为因素 1、荷载作用：静载，活载及其大小和重复作用次数 2、路基结构：路基形式，路基填土的性质，排水结构与支当结构物的设置 3、施工方法：填筑方法，压实方法，压实度等 4、养护措施：一般措施及改善措施 5、沿线附近的人工设施及其它人为活动,三、路基病害的防治措施 为提高路基的稳定性，防治各种病害的产生，主要有以下一些措施： （1）正确设计路基横断面。 （2）选择良好的路基用土填筑路基，必要时对路基上层填土作稳定处理。 （3）采取正确的填筑方法，充分压实路基，保证达到规定的压实度。 （4）适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入路基工作区范围。 （5）正确进行排水设计(包括地面排水、地下排水、路面结构排水以及地基的特殊排水)。 （6）必要时设计隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积，设置砂垫层以疏干土基。 （7）采取边坡加固、修筑挡土结构物、土体加筋等防护技术措施，以提高其整体稳定性。,四、路基的作用及对路基的要求： 1、路基的作用： l 作为路面的基础 l 承受力行车荷载和自然气候影响 2、对路基的基本要求： l 具有足够的外型和尺寸 l 具有足够的整体稳定性 l 具有足够的强度 l 具有足够的水温稳定性 五、本课程的主要任务及学习方法 1、 任务掌握基本设计理论，设计原则，弄懂施工工艺，能进行一般设计 2、 学习方法理论与实践相结合 3、主要参考书： 1）路基设计手册 2）公路路基设计与施工技术规范,第一章 思考题,1.路基的作用是什么？对路基有哪些基本要求？ 2.路基的常见病害有哪些？其产生的原因及处理措施有哪些？ 3.影响路基强度和稳定性的因素有哪些？ 4.路基工程的特点有哪些？,第二章 路基的强度与稳定性,本章的主要内容 1、 路基土的分类及工程特点 2、 路基潮湿状态和干湿类型 3、 路基受力工作区路基的变形，破坏因素与措施 4、 公路自然区划及路基临界高度 5、 路基的水稳定性 本章的重点 1、 路基受力工作区的确定与干湿类型 2、 路基变形，破坏因素措施 3、 高寒地区路基的冻胀机理和翻浆产生的原因,2-1公路路基用土及公路自然应划,一、 路基土的分类及分级 1、路基土分类般按土的粒径组成、土的塑性和土的有机质分为四类11种土 ）土的总体分类 巨粒土（石块） 卵石土（小块石） 粗粒土：砾类土粗，中，细 砂类土粗，中，细 细粒土：粉质土、粘质土、有机质土 特殊土：黄土、膨胀土、红粘土、盐绩土 ）路基用土： 一般分为巨粒土，砂土，砂性土，粉性土，粘性土，重粘土。,、路基土的工程分级在施工中路基土按其开挖难易程度，共分为六级： 土方工程： 松土用铁锹挖，脚蹬一下到底的松散土层 普通土部分用镐创松，再用锹挖，以脚蹬数次才能挖动 硬土必须用镐整松，才能用锹 石方工程： 软石部分用撬棍或十字镐及大锤开挖，部分用爆破法 次坚石用爆破法开挖 坚石用爆破法开挖,二、路基土的工程性质 1、 漂石，卵石透水性好，较高的强度与稳定性，很好的路基材料 2、 砂土无塑尾，透水性好，毛细水上升高度小，较好的路基材料 3、 砂性土有足够的强度和稳定性，“雨天不泥泞，晴天不扬尘”，良好的路基材料 4、粘性土透水性小，毛细水显著，是较好的路基材料。 4、粉性土毛细水上升高（0.9-1.5）易引起翻浆，较差的路基材料 5、重粘土液限大，透水性差，很差的路基材料 。 干坚硬，难压实 湿E易形成弹簧土,三、公路自然区划 1、 分区的目的和意义： 我国气候，地形，地貌，水文地质等自然条件相差较大，为体现各地区公路设计与施工特点侧重必须解决的问题，交通部门制定了全国公路区划。 2、划分的原则和方法原则：采用三级区划并加付区补充原则 （1） 道路工程特性相似形 （2） 地表气候区域差异性 （3） 自然气候因素既有综合又有主导作用 一级区划主要为全国性的公路总体规划和设计服务的，全国共分为七个一级区： 北部多年冻土区，东部湿润季冻区，黄土高原干湿过渡区，东南湿热区，西南潮湿区，西北干旱区，青藏高寒区 二级区划在一级区划的基础上为因地制宜解决各地方的公路设计，施工运营等提供自然条件的依据和有关参数， 以潮湿系数K= 年降雨量/年蒸发量，进一步划分为33个二级区19个副区 三级区划由各省各自治区根据水文，地理，地貌或地质水文等自行划分,2-2路基的干湿型与路基临界高度,一、路基的湿度来源 1、大气降水雨雪 2、地面水渗透路基 3、在下水毛细水上升 4、温差引起的水汽 5、薄膜移动水在地的结构中水以薄膜的形式从含水量较高处向低处流动。 二、路基的干湿类型 按干湿类型分为四类：干燥，中湿，潮湿，过潮 1、原有公路路基干湿类型确定平均稠度Wc法l 平均稠度(80CM范围内的平均稠度),通过实测并计算得平均稠度根据土质和自然区划查表， 得分界稠度值，确定： 干燥 WcWc1、中湿Wc2WcWc1 、 潮湿Wc3WcWc2 、 过湿WcWc3 2、 新建公路路基干湿类型确定临界高度法H 由于新建公路无测定，应采用地下水位或地表长期限积水位至路槽底的高度H与临界高度相比较的方法，判定路基的干湿类型 H1干燥状态时的临界高度 HH1 干燥 H2路基中湿状态临界高度 H2HH1 中湿 H3路基潮湿状态临界高度 H3HH2 潮湿 路槽底至进下水们或地表长期积水位的高度 HH3 过湿 H路基的临界高度是指在最不利季节、当路基分别处于干燥 、中湿 、 潮湿、 过湿状态时，路槽底至地下水位或长期地表积水位的最小高度,2-3 路基的强度与稳定性,路基的强度在行车荷载作用下，路基抵抗变形的能力； 路基的稳定性在外界因素影响下，路基强度发生变化的性能。一、路基的受力与工作区 1、路基的受力状况 1) 路面上传递下车辆荷载集中力或均布荷载的作用下的附加应力 （1）集中力作用下土基荷载下的竖直压应力 （2）均布荷载的作用下的附加应力,l2) 路基和路面的自重作用自重应力 自重引起土基是的竖向应力 l3）土基中任意一点的竖直压应力=自重应力+附加应力,2、路基工作区-行车荷载作用影响深度P41 一般外荷载影响相对于自重影响很少时的深度称为工作区，即外荷载的应力为自重应力的1/5-1/10的深度Za为路基工作区。 路堤高度H与工作区的关系：P25表2-4路基工作区深度表2.3.1 HZa 时工作区在路堤之内，应加强填土压实，增加强度 HZa 时天然基上部土层和路堤应同时满足设计要求,并充分压实,二、路基的强度指标,土基的强度和变形特性对路面结构的整体强度和刚度有很大的影响 土基的应力应变特性-土基的非线形-在重复荷载作用下将产生变形累积，使路面产生变形和破坏： （1）弹性变形阶段 （2）缩性变形阶段 （3）破坏阶段 1.抗剪强度S边坡破坏 （土体所具有的抵抗剪切破坏的能力）土的抗剪强度取决于土的性质与状态：即土的粘聚力和内摩力组成,2. 回弹模量沉降变形（假定土质为均质弹性体）