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第五章 一般路基设计OrdinarySubgradeDesign 5 1路基的病害与设计要求 一 路基分类 1 一般路基 一般地质 水文条件下 2 特殊路基 浸水路基 滨海路基 泥石流地区 滑坡地段 岩溶地区 多年冻土地区 软土及泥沼地区 膨胀土地区 黄土地区 风沙 盐渍土 雪害等16种特殊 二 影响路基稳定性因素 1 自然因素 水 直接肇因 地形 气候 水文与地质 土类 植物覆盖等 2 人为因素 荷载 路基结构设计 施工方法 养护措施等 三 路基病害的类型 1 剥落和溜塌 剥落指岩石严重风化后碎落 措施为设置碎落台 溜塌指水饱和后或迅速融化后沿坡面下溜 2 崩塌 指陡竣的斜坡上 在自重下岩土体突然而迅猛地从高处崩落和倒塌下来 大多出现在路堑边坡高陡处 3 坍塌 土体发生推移和坍塌的现象 亦称坍塌 无固定滑动面 当排水不良 边坡又陡时 使坡体在自重下失去平衡 5 滑移 堤身在自重下沿原地面向下滑移 原地面未处理而为水所浸湿造成 4 滑坡 土体沿一定的软弱面整体下滑 下部支撑力量受到削落造成 6 沉落 沉降 造成侧向挤出 隆起 7 沉缩 因压实不足 在水分 自重 行车荷载下基身压密 出现沉缩 8 冻胀与翻浆 路基土质不良 在冰冻地区 当有水分供给时 负气温使路基中的水分不断向上积聚而冻结 导致路基体积膨胀 开裂 叫冻胀 春天时 上层土先化冻 因含水过多变得稀软 在行车时 泥浆沿路面裂缝冒出 叫翻浆 四 病害原因综合分析 1 水 地表水 地下水 2 内因 3 外因 气温 雨 雪 风 地形 地质 荷载等 4 人为因素 设计 施工 养护 五 路基设计的一般要求 1 坚实稳定 经济合理 2 合理的断面形式 边坡坡度 完善的排水 防护加固 3 合理的路线设计 道路勘测设计 4 保护农田 环境 5 2填料的选择和压实标准 一 填料的选择 用高强 水稳性好 压缩性小 施工方便及运距短的岩土材料 既要考虑料源和经济性 又要考虑填料的性质 做到少占农田 利用荒地和附近附属工程的挖土 一般 不含有害物质的矿质材料都可以作为填料 但修筑高等级路面时 路基填料的强度和粒径有一定规定 见P61表5 1 根据填料的性质和适用性可将路基填料分为下述几类 1 砾石 不易风化的石块 渗水性很强 水稳定性较好 强度高 为最好的填料 使用场合和施工季节不受限制 石块空隙间用小石塞密实时 路堤的残余下沉量很小 故在车辆荷载作用下塑性变形小 填石路基强度 15MPa 护坡 20MPa 但dmax不超过层厚的2 3 高级路面的路床中dmax不得大于10 15 cm 厚取路床顶面下30 50cm 2 土石混合料 石块与土混在一起 其力学性质与土 石含量有关 石块和沙砾含量高时 其渗水性 水稳定性和强度好 反之 若土 粉性土 粘土 含量多 则松散 遇水易造成边坡坍塌 当石块含量 70 时 按填石处理 若石块含量 50 按填土处理 3 砂砾材料 碎石土 卵石土 砾石土 粗砂 中砂 渗水性强 水稳定性好 为一类优质填料 但如其中粘性土含量过多时 水稳定性将下降很多 但细砂土易松散 对流水冲刷 风蚀的抵抗能力差 如要使用 可适当加一些粘性大的土 以加强稳定性 4 砂性土 既含有一定数量的粗颗粒 使之具有足够的强度和水稳定性 又含有一定数量的细颗粒 将粗颗粒粘在一起 为修路堤的良好填料 5 粉性土 含较多的粉粒 毛细现象严重 干时易被风蚀 浸水后很快湿透 使稳定性最差的填料 在季节性冰冻地区会引起冻胀 翻浆 唧泥 但不得已要用时 应掺配其他填料 并加强排水 隔离措施 6 粘性土 渗水性差 干燥时较硬而不易挖掘 浸水后水稳性差 强度低 变形大 如在适当含水量时充分压实 并有良好排水条件下 筑成的路堤也较稳定 重粘土不宜作路基填料 7 特殊土 如膨胀土 黄土 盐渍土 石膏土 泥炭 腐殖土等应限制使用 8 易风化的软质岩石块 为稳定性较差的填料 浸水后易崩解成土或砂 强度显著下降 变形量大 不宜作路堤填料 尤其是浸水部分 9 工业废渣 粉煤灰 冶金砂渣等 但有害物质不能超标 由于粉煤灰与砂土的工程性质相似 其粘结力小 易于流失 故用1 2米粘土包边 或护坡 粘性土封顶 见P63图5 10 零填及挖方地段的路床为岩石时 强度符合要求 但要设一定的平整层厚度 若路床土的CBR值 表5 1规定的土或是不宜做路床的土 均应清除换填或用其他措施 二 填筑规则 1 不同性质的土要分层填筑 以免形成水囊或滑移面 每种填料层累计总厚大于0 5米 2 不同填料的层位安排应考虑路基条件 一般优质填料在上层 但有浸水或地下水位影响的路基应选用透水性好的填料 如石料 粗砂砾材料 3 透水性较小的土在下层时 其顶面注意排水 做成4 的双向横坡 见P63图5 11a 4 为防雨水冲刷 可采用土包边 并设盲沟 以利排水 盲沟尺寸为40 50cm 10 15m水平间距 1 1 5m竖向间距 5 当相邻两部分填料粒径尺寸相差很大时 应在其间设隔离层 反滤层 可用砂粒材料 三 压实标准 路堤土须经分层压实 使之具有一定的密实度 以消除大部分因水分干湿作用引起的自然沉陷和行车荷载反复作用产生的压实变形 提高强度和稳定性 保证路面使用性能和寿命 为此 人们采用相对指标 以土压实后的干密度与室内标准击实试验得到的最大干密度的比值来表征土的压实程度 叫压实度 标准击实试验分为重型击实 相当于10 15吨压路机的碾压效果 和轻型击实 相当于6 8吨压路机的碾压效果 重型击实试验得到的最大干密度比轻型击实试验得到的最大干密度提高约5 14 而最佳含水量降低约1 9 1 对于铺中 低级公路路基时 其压实标准可相应降低 因此可用轻型击实试验得到的最大干密度作为压实度的基数 分母 2 路基受荷载影响及气候影响大时 压实度高 可适当降低 对土质路基 规范有规定 见P65表5 3 对填石路基 压密程度很难用压实度来判断 常用12吨以上震动压路机进行压实试验 当压实层顶面稳定 不再下沉时 为合格标准 采用重锤夯实时 以夯锤下落时不下沉为准 土的压实效果与压实时的含水量有关 在最佳含水量下压实到最大干密度 dmax 或记作 c 此时 土的强度最高 水稳性也好 但含水量和 dmax与土的类型 性质有关 见P64图5 12 故不能作为压实指标 这样要为每一种土相应地规定一个要求的压实标准值 5 3路基边坡和地基要求 边坡的形状和坡度是路基设计的基本内容 它关系到路基的稳定和工程造价 一 边坡形状 直线形 折线形 台阶形三种 1 直线形 边坡采用单一坡度 适用于路基高度较小时 施工简便 但不符合坡体受力 2 折线形 采用上陡下缓的折线形边坡 符合路堤的状况 但变不宜过多 多了施工不易控制 坡面易受水冲刷 变坡点宜设在上部坡度的潜力充分用足的高度处 3 台阶形 每隔一定高度设置不小于1 2米的护坡道 护坡道具有3 的外向横坡 适用于高路堤 护坡道可减缓水流速 防止坡面冲刷 又可增加路堤的稳定性和作维修通道 填方边坡 一般采用直线形 但边坡较高或浸水时 可采用上陡下缓的折线形或台阶形 挖方边坡 对单一岩层和风化程度相差不大坡体用直线形 若岩层多风化 差别大时 可采用相应满足各自稳定性要求的折线形 边坡高时采用台阶形 二 边坡坡度 根据当地自然条件 土质 填挖类型 边坡高度 使用要求 施工方法等综合考虑而定 1 填方边坡 地基良好时 可按P66表5 4定 如高度超出 应进行路基稳定性验算 后面会讲 浸水路堤部分的边坡要通过计算确定 坡度比正常的要大 地震区边坡也应缓些 见P67表5 5 高速公路和一级公路也应放缓 2 挖方边坡 一般情况下 按P67表5 6定 如高 30m 可根据具体情况而定 并进行边坡路基稳定性分析 大爆破或地震地区边坡放缓 三 地基要求 应具有足够的承载力 强度 和抗变形能力 1 路堤的极限高度 根据在天然软土路基上 用快速施工法建造一般断面的路堤所能达到的最大高度 如设计超出此高度 说明此时地基不足 须技术处理 路堤的极限高度取决于地基的特征及填料性质 对均质软基 Ns为稳定因素 与路堤边坡坡角 和深度因素 d d H d H H为路堤高度 d为软土厚度 见P69图5 14曲线 由 d可查得Ns c为软土粘聚力 为填料的比重 看到P69例5 1 计算Hc Hc与H有关 而H为要设计的 如软土层上有硬壳层 Hc可加上一半的硬壳层厚 考虑了硬壳层的应力扩散能力和承载力 非均质软基 土层较复杂 各层性质各异 其Hc须用圆弧条分法计算 2 地基沉降 软基上路堤在填料作用下会产生较大的沉降 对于达到压实度要求的路堤堤身压缩量常可忽略不计 所以路堤的沉降实际上就是地基沉降 地基沉降是由于地基土的压缩 固结 和剪切变形引起的 从开始加荷到下沉稳定为止的总沉降叫最终沉降S h为各分层厚度 取0 5 1m ms为考虑剪切变形及其影响的沉降修正系数 与土的变形特征 荷载条件 加荷速率等有关 其值为1 1 1 7 Sc为按分层总和法算出的主固结沉降 e0为各分层天然孔隙比 e1为受荷后各分层的孔隙比 地基的固结沉降不是短时间内发生的 而是随时间逐步完成的 我们可算出施工阶段的St 并根据工程经验确定最终沉降 St KB S KB为施工期沉降的经验系数 见P70表5 9 现场观测表明 地基表面沉降为曲线 可看成一抛物线 可见每延米上施工期间增加的填方量为 V St为施工期路堤中线处的地基沉降量 B为路堤的底宽 道路竣工后使用中也会发生沉降 此沉降叫工后沉降 要加以控制 尤其是高等级道路 四 基底处理 指路堤基底 1 基底土密实稳定 坡度缓于1 5时 可直接填筑 只须将地表的树根 草皮及腐植土清除 2 基底为耕地或较松散的土时 应在填筑前进行压实 3 路线经过水田 池塘 洼地时 要进行排水 清淤换填处理 4 在坡面坡度陡于1 5时 基底应挖成台阶 以防堤身沿斜坡下滑 5 4路基排水 路基的各种病害和变形的产生 无不与地面水和地下水的浸湿和冲刷等破坏作用有关 为保证路基稳定和提高抗变形能力 须采取相应的排水措施 道路排水分为地表 地面 排水和地下排水 排水工程 尤其是地面排水 是一项经济 简便而又收效很大的技术 预防和必要措施 一 排水设施分类 1 地表排水沟渠 边沟 截水沟 排水沟 把边沟 截水沟的水引到附近的桥涵 河谷和远离路基的低洼地 2 地下排水沟管 明沟 暗沟 渗沟及隔离层 路基内部 3 路面排水设施 路面表面排水有横坡 边沟 中央分隔带排水有向两侧排 凸形 向中间排 凹形 4 泄水和蓄水结构物 二 排水系统设计 总体规划 综合设计 以提高降水效果 降低造价 降落到地面的大气降水 一部分形成迳流 另一部分渗入地层形成地下水 它们从高于路基的一侧 路基上方 流经路基基身向路基下侧 归入各种沟渠 河道 在此过程中 地面水浸湿和冲刷路基各部分 削弱其强度 抗变形能力 稳定性 而地下水则使地基和坡体受到软化 潜蚀等破坏作用 排水设计目的 1 拦截地面水和地下水 2 引到排水通道并通过桥涵渲泄到下方 排水有困难时 可将地面水拦蓄在坡顶 降在路基范围内的水要迅速引泄掉 设计时要综合考虑沿线地形 地质条件 因势利导 因地制宜 并与当地农田水利等建设规划相结合 考虑农田排灌要求 水土保持 使土不出山 水不出沟 路基排水系统布置 可利用路线平面图 道路勘测设计绘出 按下列步骤进行 1 绘出路堑坡顶线和路堤坡脚线 标明路侧弃土堆和取土坑位置 2 设截水沟 拦地表水 要沿等高线布置 且与地表水流方向垂直 3 设边沟或用取土坑 必要时用路肩排水系统和中央分隔带排水系统 4 设地下排水设施 5 设排水沟管 6 选择桥涵位置 对穿过路基的河沟 不要轻易改沟并涵 设计内容 在路线平 纵面图上标明排水设施名称 地点 中心里程桩号 厚底纵坡 跨径 宽 长 流向 进出口 排水结构等 对特殊复杂地段还要画细部设计图 三 地表排水沟渠设计 定平面位置 沟底纵坡 断面尺寸及结构形式 1 平面位置 1 边沟 路肩排水沟与路中线平行 设在路边缘 2 截水沟与坡顶 脚 之间有一定距离 以防沟内水浸湿坡体或坡脚 但又不能太远 否则无法充分拦截山坡上的水 有边沟时 距边沟要远些 5m 无边沟时 距坡脚要近些 2m 2 排水沟渠应具有一定的纵坡 一般 0 5 但如纵坡大于3 时 土质沟渠应做防冲刷处理 3 断面形状 梯形 主要用于土质沟渠 矩形 三角形 断面尺寸 满足泄水设计流量要求 设计水量可按地理位置 设计重现期 汇水范围等确定 设计时 路面排水设施中水深不宜超过沟渠的2 3 且沟顶高出设计水位0 2米以上 高等级公路边沟深 宽 0 6m 其他等级路 0 4m 截水沟 一般为梯形 深 宽 0 5m 4 排水长度有限制 一般500米以内 多雨地区小于300米 三角形沟和纵坡小于0 5 时 不宜超过200米 否则要增设出水口或涵管 将水引走 通过集水井 涵管 急流槽等 5 沟槽本身要平整稳固 不滞流 不渗水和不冲刷 否则应进行技术处理 四 地下排水沟渠设计 形式有暗沟 渗井 渗沟 对地下水的处治可分为拦截 疏干 降低和引排等 1 拦截 设明沟 纵向 或渗沟 横向或与水流方向垂直 将水截断 引流 底纵坡 断面尺寸及结构形式 2 疏干 定平面设置Y形或拱形渗沟 在坡体内设置 3 降低地下水位 边沟下设纵向渗沟 4 引排 用地下排水沟管将水引排 有明沟 梯形 矩形 暗沟 矩形 暗沟造价高于明沟 且维修困难 设计时要与修建明沟方案进行经济比较 择优选用 渗沟深 3m 宽为0 6 1 0m 填石渗沟纵坡 1 常取为5 管式渗沟取 0 5 5 5路基防护与加固 路基防护是保证路基稳定 防治病害 改善环境景观和保护生态平衡的重要技术措施 路基防护与加固可分为坡面防护 堤岸防护 支挡结构和地基加固 一 坡面防护 有植物防护 灰浆防护和砌体防护 1 植物防护 利用植被覆盖坡面 根系固结表土 防水土流失 调节坡温 确保边坡稳定 适宜在土质边坡上 有 1 种草 缓坡坡面 不陡于1 1 2 灰浆防护 用水泥 石灰类矿质混合料对边坡进行封面和填缝 用于不宜植被的坡面 1 封面 包括抹面 厚3 7cm 使用