高速公路第九章 高速公路路基路面设计

第九章高速公路路基路面设计,第一节概述第二节路基设计第三节路面设计,第一节概述,一、路基工程路基作为路面的基础，与路面共同承担汽车荷载作用。首先必须有足够的整体的稳定性，其次具备足够的抗变形能力。路基构造按照填挖情况，可分为路堤、路堑和半填半挖三种类型路基设计内容：（1）设计路基横断面形状和边坡坡度；（2）道路排水系统及构造物的设计；（3）路基稳定性分析，以及防护和加固措施的设计。,二、路面工程为了保证车辆安全高速行驶，以及乘客的舒适性和行车的经济性，路面必须具备以下条件。1.良好的平整度2.足够的抗滑能力,路面不平整,导致,舒适性和速度降低,车辆运行成本增加,交通事故造成,加速路面破坏,3.足够的承载力路面结构必须具有足够的强度、抗变形能力和耐久性，以保证在预定的使用期内环境和车辆荷载反复作用下不发生影响路面使用性能的结构损伤和过大变形积累。另外高速公路的路面还应满足低噪声、美观和雨天不溅水等要求。4.路面设计的主要内容：（1）路面结构层的选择和组合方案的提出；（2）各结构层混合料的组成设计；（3）各结构层的厚度设计；（4）方案的工程经济分析和比选，确定实施方案。,路面典型结构,路面的构造由路面结构层、路肩、路拱和内部排水设施构成。路面典型结构如图9-2a.路面结构层由垫层、基层和面层等结构组成。直接承受行车荷载和大气作用，必须具备路面的所有功能要求：良好的平整度、抗滑性能和足够的承载力、密水性。b.路拱是为迅速排除路表水而设置。c.路肩的主要作用是为给面层和基、垫层一个侧向支承保护和供车辆临时停靠。,第二节路基设计,一、路基的荷载-变形特性路基土是非线性的弹性体，应力应变关系如图9-3.随着应力的增加应变增加，卸去应力则不能恢复到初始状态，习惯上人采用表征弹性体的应力应变关系的弹性模量术语来表示应力-应变关系。,常用弹性模量有两个：Es形变模量，Er回弹模量。在确定路基土形变模量Es和回弹模量Er时，应尽可能参照路基土的实际湿密状况和受力条件。其中路基回弹模量是通过逐级加载-卸载法得出荷载-回弹弯沉关系，并在地基假设为半无限弹性体的条件下得到的，即,在以经验法为主的路面结构的设计方法中，路基和筑路材料的抗变形能力用加州承载比CBR表征。用直径4.95cm刚性压头，压入速度1.27mm/min，取压入量为2.54mm的压力值，再除以标准碎石压力值7.0MPa，即：为了提高路基的强度和刚度，消除在荷载和自然因素共同作用下可能出现的过量变形，路基必须充分压实。,二、路基边坡和稳定性路基边坡的陡缓，影响路基的整体稳定性和工程量大小，正确地确定路基边坡坡度是路基设计的重要任务。边坡形状有直线、折线和台阶型三种。以下路基可能出现失稳：a.山坡（斜坡度超过1：2.5）或垭口开挖路堑。b.沿河浸水路堤和软弱地基上的路堤。c.高路堤。,三、软土路基的路堤1.软土造成地基承载力不足，处理措施分三类“a.增加稳定力矩以平衡主路堤滑动力矩.b.利用土体排水固结提高软弱土层抗剪强度的技术措施。c.置换和直接加固软弱层的措施。2.软土地基在荷载作用下发生沉降，分为施工期沉降和施工后沉降。对道路使用性能有不利影响的主要是工后沉降中的不均匀沉降。处理措施：a.加速土体工前沉降b.减少总沉降量,四.路基防护加固路堤和路堑边坡的坡面暴露在大气中，受到自然因素反复作用，坡面可能出现剥落，碎落、冲刷或表层土溜坍，严重的会导致坍塌而使路基失稳。故施工后对坡面进行及时防护。防护措施：a.植物保护；b.砌石护坡；c.抹面；d护墙；e坡脚抛石；f浸水挡土墙,常用挡土墙：1.外部支挡系统a.重力式挡土墙；b.钢筋混凝土悬臂式和扶壁式挡土墙；c.垛式挡土墙；d.笼式挡土墙；e.锚固式挡土墙2.内部稳定系统f.加筋图挡墙.g钉土,五.路基排水排水目的：消除或减轻地表水和地下水的危害作用，保证路基稳定性和给路面提供一个坚实基础。设计任务：a.拦截并排除或拦蓄路基上方的地表水和地下水；b.汇集路基范围内的地表水，引导和宣泄至路基下方；c.对路基上方和路基范围内宣泄下来的水流进行引导，以免冲刷路基坡脚。常用排水设施：截水沟，边沟，排水沟，阻水堤，蓄水池，明沟，渗沟，涵洞，桥洞，渗水路堤等。,第三节路面设计,一、路面材料的力学性能路面材料决定车辆荷载和环境因素下所呈现的变形和强度性质，对路面的使用性能和寿命起着决定作用。路面材料可以分为三大类：a.粒料；b.沥青混合料；c.水硬性混合料。,粒料指未经结合料处治的颗粒状材料，如碎石、砾石、天然砂粒、炉渣等，常用于修筑底基层和垫层。粒料的回弹模量Er的变化范围100-700MPa，泊松比在0.30-0.35之间。粒料层在应力重复作用下的塑性应变，在粒料级配良好且主应力较小时可趋于稳定。,沥青混合料的应力-应变关系与温度和荷载作用时间有关。在低温时，沥青混合料呈现弹性，在常温和高温时，则变为弹粘性或弹-粘-塑性体。沥青混合料在给定温度T和加荷时间t的应力-应变特性用劲度表示，即：,劲度常用测定方法表征值有：a.蠕变模量试验；b.动态模量试验；c.回弹模量试验,水硬性混合材料有石灰稳定类、水泥稳定类、工业废渣混合料和水泥混凝土等。应力-应变关系近似为线弹性，后期呈非线性。泊松比在0.15-0.35之间影响水硬性混合料强度和模量的因素有结合料的含量和活性，集料的组成，拌制均匀性和压实程度，以及龄期。,二、路面设计理论路面结构的设计方法：a.经验法：代表为CBR法和AASHTO法。b.通过力学分析，求得路面结构层在车辆荷载和环境作用下产生的应力、应变和位移量，再与路面材料的抵抗能力、应变和位移的能力相比较，判断路面结构是否符合使用要求。,目前常用的路面结构力学分析理论为层状弹性体系和弹性地基上薄板理论两种。1.层状弹性体系（图9-5）采用假设为：a.各层由均质、各向同性、无质量的线弹性材料组成，其力学参数为弹性模量Ei和泊松比i；b.最下层为水平方向无限的半无限体，其上各层为水平向无限但竖向同厚hi；c.各层间应力和位移完全连续，或竖向应力和位移连续，但水平力为零；d.最下层无限深处的应力和位移均为零。,弹性地基上薄板（图9-6）理论假设：a.路面板为等厚的弹性体，器力学参数有弹性模量E、泊松比、和厚度h；b.竖向应变z可以忽略；c.法平面在变形前后均保持平面并垂直中面，即rxz=ryz=0；d.板中面无水平位移，地基与板之间无摩阻力，竖向完全接触。,三.沥青路面结构设计速公路的沥青路面在行车荷载和环境的重复作用下结构的主要损坏有：a.车辙b.疲劳开裂c.反射裂缝d.低温开裂e.推移、拥包常见的影响沥青路面使用性能的损坏还有：a.因路基过于软弱或翻浆，以及路基压实不足而引起路面沉陷变形；b.面层材料组合不当或施工质量差引起的面层松散、坑槽、泛油和剥落损害。,在我国现行的公路沥青路面设计规范中，路面结构简化层间连续的层状体系，沥青路面设计指标有两类：a.路表弯沉指标，控制结构总变形；b.拉应力指标，防止路面结构因疲劳抗拉强度不足出现开裂。即：,Ne设计车道上标准轴载在使用年限的累计作用次数,除此之外，城市道路设计规范，还增加了剪切指标，以控制高温时沥青混凝土路面表面材料不因抗剪能力不足造成推挤等破坏。沥青路面的结构层次组合设计，应根据面层的使用要求，结合当地环境条件、材料来源和施工经验等因素。采用双层结构，上层为抗滑耐磨的磨耗层，常用中粗式或细粒式沥青混凝土；下层为抗剪能力强的联接层，常用粗粒式和中粒沥青混凝土，双层总厚度大于15cm。我国高速公路沥青路面的典型结构（图9-7）。,四、水泥混凝土路面结构设计水泥混凝土路面主要损害：a.应力超过混凝土强度而出现的板断裂。b.嵌缝料失效，路肩不透水或排水不畅，基层抗冲刷能力差，雨水沿缝下渗，基层被冲刷引起唧泥，严重时接缝两侧出现错台。c.传力杆定位不准或不能正常滑动，杂屑落入缝隙，混凝土胀缩时应力过大而破碎。,水泥混凝土路面结构设计是以控制混凝土面层在车辆和环境因素重复作用下不出现疲劳开裂作为设计标准。,水泥混凝土路面对路基的要求：a.抗冲刷能力强或透