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路基路面工程 1 本学期的主要内容 一般路基设计公路排水设计路基防护与加固路基挡土墙及支挡构筑物的设计 路基工程部分 绪论 2 第一章绪论 3 本课程将路基 路面结合 综合介绍公路 城市道路及机场跑道等路基路面设计原理 设计方法和材料 施工 养护 维护及管理技术等相关知识 其中桥梁与隧道工程涉及桥面铺装和隧道路面中的路面部分可参照一般公路并结合桥梁和隧道结构的特点进行特殊设计 4 主要内容 第一节道路工程发展概况第二节路基路面工程的特点与功能要求第三节路基路面的构造组成与路面分类 分级第四节行车荷载第五节公路自然区划 5 第一节道路工程发展概况 6 道路的发展可粗分为四个阶段 第一阶段 供行人和牛马及其它兽类行走 驮运货物的阶段 此时期的道路通常称为小路或小径 Trail 第二阶段 供畜力车辆和行人通行的大道阶段 CartWay 在中国 有 康衢 路 驰道 驿道 等名称 在欧洲 罗马道路非常发达 有 条条大道通罗马 之说 7 古罗马道路和结构 8 第三阶段 行驶汽车的公路 Highway 阶段 内燃机汽车是德国在1886年由高特列希 戴姆勒发明 我国在1902年从国外引进汽车 1906年苏元春驻守广西时首建了龙州到镇南关的公路 通向柏林的A9公路 东德 使用时间超过50年 图中为第一阶段的水泥路面 9 第四阶段 以高速度分层行驶为特征的高速公路阶段 也称为Freeway或Expressway 10 路基路面直接承受行驶车辆荷载和自然因素的作用 是道路工程的重要组成部分 第二节路基路面工程的特点与功能要求 在天然地表面按照道路的设计线形和设计横断面的要求开挖或堆填而成的岩土结构物 用各种筑路材料铺筑在公路路基顶面的行车部分供车辆行驶的层状构造物 11 1 路线长 通过地带多 受地形 气候 水文地质条件影响大 且沿线的经济程度和交通特点相差较大 2 土石方巨大 沿线分布不均 与路基排水 防护与加固相互制约 3 工程量数量大 需要人机较多 施工工期长 4 项目繁杂 涉及土方 石方等多种结构设计施工 施工安排不易 5 对原生态环境等的影响较大 工程方案涉及时要采取技术措施尽量减少对环境的破坏 6 路基路面相辅相成 路基质量的好坏会反映到路面上来 路面质量的好坏又直接影响对路基的保护 7 要求路面有较好的使用性能 一 路基路面工程的特点 12 全天候畅通高速安全舒适经济 即结构与功能两个方面要求 13 1 承载能力 SupportLoadAbility 包括强度和刚度两个方面 2 稳定性 Stability 在地表上开挖或填筑路基 会改变原地面地层结构的受力状态 从而造成路基失稳 大气降水 大气周期性变化对稳定性的影响 3 耐久性 Durability 道路工程有较长的使用年限 因此路基路面工程要求有很好的耐久性能 4 表面平整度 SurfaceSmoothness 是影响行车安全 行车舒适性以及运输效益的重要使用性能 5 表面抗滑性能 SurfaceSkidResistance 保证车轮与路面之间有足够的附着力和摩擦力 以增加行车安全 二 路基路面的功能要求 14 4 表面平整度 SurfaceSmoothness 是影响行车安全 行车舒适性以及运输效益的重要使用性能 5 表面抗滑性能 SurfaceSkidResistance 保证车轮与路面之间有足够的附着力和摩擦力 以增加行车安全6 低扬尘性 二 路基路面的功能要求 15 1 地理条件地形地貌海拔高度路线与地势地貌的结合程度 三 路基路面稳定的影响因素 16 岩石或土的种类与成因地质走向与层理有无软弱层或软弱夹层有无地震 泥石流或岩溶等不良地质情况 2 地质条件 17 气温 季节性与地形性 降水日照风力风向 3 气候条件 18 地表水的水文条件1 地表积水水位与存水时间2 地表水的排泄3 河流的常水位与洪水水位4 河流的河岸及河床的淤积地下水的水文地质条件1 地下水的移动规律2 地质内的层间水 裂隙水 泉水的存在情况 4 水文和水文地质条件 19 土的不同颗粒组成形成不同的材料强度机理不同类别的土受水温影响的程度不同不同的土类有不同的工程特征与性质 5 土的类别 20 一 路基路面的构造组成 一 路基路面底面 路床顶面 以下80cm范围内的路基部分 承受有路面传来的荷载 上路床 0 30cm 下路床 30 80cm 两层 路面直接铺设在路床上 第三节路基路面的构造组成与路面分类 分级 设计标高高于原地面标高的填方路基 主要作用 支承路床和路面 路床以下的路堤分为 上路堤 路面底面下80 150cm的填方部分 下路堤 上路堤以下的填方部分 21 设计标高低于原地面标高 通过开挖天然地面而成的路基 路堑边坡处于地壳表层 开挖暴露以后 容易受到自然因素与各种条件的的作用 容易发生变形和破坏 分为土质路堑和石质路堑 根据天然地表坡度 可修筑半挖半填式路基 半路堤半路堑式路基 22 23 24 二 路面 绝大多数路面是多层次的 根据使用要求 受力状况 土基支承条件和自然因素 按不同规格材料铺设垫层 基层和面层等结构层 1 面层 上面层 中面层 下面层 受力特点 承受行车荷载引起的竖向力 水平力和冲击力 同时又受降水的侵蚀作用和温度变化的影响 性能要求 较高的强度 刚度 耐磨性 高低温稳定性 表面层应有良好的平整度和粗糙度 常用材料 沥青类 水泥类 块石类 砂石 碎砾石掺土或不掺土的混合料 25 二 路面 2 基层 承重层受力特点 位于面层之下 底基层或垫层 主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的垫层及土基 性能要求 具有足够的强度与刚度 稳定性 耐久性以及抗裂性和抗冲刷性 并应具有良好的扩散应力的能力基层受大气影响较面层小 但仍可能受地下水及面层渗入雨水的浸湿 故也应具有足够的水稳定性 同时 为保证面层平整 它还应具有较好的平整度 基层可以是一层或两层 上基层 下基层 根据材料不同分为 26 1 半刚性基层用无机结合料稳定粒料2 刚性基层水泥混凝土做基层 特点 强度高 刚度大3 柔性基层沥青类柔性基层和碎石类柔性基层 包括热拌沥青碎石 沥青贯入式碎石 特点 强度高 速度快 27 3 垫层作用 改善土基湿度和温度状况 保证面层和基层的强度稳定性与抗冻胀能力 扩散由基层传来的荷载应力 减小路基产生的变形 设置路段 在地下水位高 排水不良 路基经常处于潮湿状态的路段 排水不良的土质路堑 有裂隙水 泉眼水等水文不良情况的岩石挖方路段 季节性冰冻地区可能产生冻胀的中湿 潮湿路段 基层可能受污染的路段 材料选用上强度不一定高 但是水稳定性和隔热性能要好 28 70 80cm 道路常用层位及厚度 150cm 0 29 二 路面分类 1 柔性路面除各种水泥混凝土外的各类基层和各类沥青面层 碎石面层或块状面层组成的路面 特点 刚度小 车荷载作用下弯沉较大 路面结构本身抗弯拉强度低 路基承受单位荷载大 2 刚性路面指水泥混凝土做基层或面层的路面 特点 刚度大 路面结构本身抗弯拉强度高 车荷载作用下弯沉较小 路基承受单位荷载小 30 3 半刚性路面用水泥 石灰等无机结合料处治的土或碎石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层 前期具有柔性路面力学性质 后期的强度和刚度有大幅度的提高 但仍远小于水泥混凝土 31 路面分为高级 次高级 中级 低级 与公路等级对应 三 路面分级 32 第四节路基的构造型式与组成 路基 按照设计线形和设计横断面开挖或填筑形成的岩土结构物 是路面的基础 承受路面传来的行车荷载 基本构造型式分为3种 路堤 路堑 半挖半填路基 构造组成 路基宽度 路基高度 路基边坡及地基 一 路基构造型式 一 路堤定义 高于原地面的填方路基 按高度划分 矮路堤 H18 20m 路堤常见横断面形式见下图2 8 高路堤及浸水路堤的构造必须进行个别设计 边坡可采用上陡下缓的折线形式或台阶形式 边坡表面需采取适当的防护或加固措施 33 图2 8路堤的常见横断面型式 34 二 路堑定义 低于原地面的挖方路基 作用 缓和道路纵坡或越岭线穿越领口控制标高 危害 破坏了原地层的天然平衡状态 不利于排水 通风 要求 边坡可设置为直线或折线 挖方边坡坡脚处须设置边沟 路堑上方应设置截水沟 坡面易风化时需采取防护措施 并设防碎台 其宽度不宜小于1 0m 台阶式边坡中部应设置边坡平台 边坡平台的宽度不宜小于2m 土质路堑边坡高度不大于20m 石质路堑边坡高度不大于30m 路堑组成中除开挖后形成的行车道部分外 还有碎石 边坡平台 以及边沟 截水沟等路基排水设施 35 36 三 半填半挖路基定义 在一个断面内 部分为路堤 部分为路堑的路基 优点 减少工程量 较为经济 半填半挖路基用于压缩用地宽度及减小填方量时 可在填方侧设护坡或护墙 也可设置护肩墙或护堤墙 特殊情况时可设半山桥路基 37 a 一般半填挖路基b 矮挡墙路基c 护肩路基d 砌石路基e 护墙路基f 挡土墙路基g 半山桥 38 路基高度是路基设计标高与原地面标高的差值 路堤为填筑高度 路堑为开挖深度 通常路基高度指中心线处路基顶面和原地面高差 由于原地面不平整 路基两侧的边坡高度指路基边缘和原地面的高差 因此路基高度有中心高度和边坡高度之分 路基高度的设计应注意以下几点 1 路基高度应结合公路路线纵断面 排水及防护措施确定 同时与路基临界高度结合 应使路肩边缘高出地面积水 并考虑地面水 地下水 毛细水和冰冻作用对路基强度和稳定性的影响 一 路基高度 二 路基构造组成 39 2 高路堤及深路堑的判别标准以边坡高度为依据 路基高度应受限制 一般土质路基填筑高度不宜超过20m 岩质路基不宜超过30m 3 沿河及受水浸淹路基的高度应大于设计洪水位 壅水高度 波浪侵袭高度 0 5m 当路基高度不符合规定时 可采取降低水位 设置毛细水隔断层等措施 从路基的强度和稳定性要求出发 路基上部土层应处于干燥或中湿状态 并满足最小填土高度的要求 还应尽量满足 浅挖 低填 缓边坡 的要求 二 路基的宽度路基宽度为行车道路面及其两侧路肩宽度之和 当设有中间带 变速车道 错车道时 还包括这些部分的宽度 可理解为土路肩外边缘之间的距离 40 高速公路 一级公路路基标准横断面 二 三 四级公路路基标准横断面 二级公路加宽硬路肩时三 四级公路一般情况 41 路基高度应根据 公路工程技术标准 规定设计 各级公路路基宽度 各种公路路基宽度 42 三 路基边坡坡率路基边坡坡率用边坡高度与边坡宽度之比H b的形式表示 习惯上取H 1计算 边坡坡率表示为1 m或1 n的形式 43 边坡坡率的大小 取决于边坡的高度 填料的物理力学性质 以及土质 岩石的性质及水文地质条件等自然因素 直接影响路基的整体稳定性及土石方量和施工难易程度 是路基整体稳定的关键因素 一般路基的边坡坡率可根据多年经验或采用设计规范推荐的数值 特殊情况下路基边坡 应进行个别设计 通过设计验算确定 对于高边坡路堤和陡坡路堤 路堤稳定性分析包括路堤堤身的稳定性 路堤和地基的整体稳定性 路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性等内容 对于挖方高边坡 应进行工程勘探 边坡稳定性评价宜综合采用工程地质类比法 图解分析法等 44 1 路堤边坡坡率1 一般填方路堤当地质田间良好 填方路堤边坡高度不大于20m时 其边坡坡率不宜小于下表规定值 对边坡高度超过20m的路堤或地面斜坡坡率陡于1 2 5的路堤 以及不良地质 特殊地段的路堤 应进行个别勘探 对边坡高度超过20m的路堤 边坡形式宜采用阶梯型 边坡坡率应由稳定性分析计算确定 浸水路堤在设计水位以下的边坡坡率不宜陡于1 1 75 45 2 砌石路基砌石路基应选用当地不易风化的片 块石砌筑 内侧填石 岩石风化严重或软质岩石路段不宜采用砌石路基 砌石顶宽不小于0 8m 基底面向内倾斜 砌石高度不宜超过15m 砌石内 外坡率不宜陡于规范规定数值 当填方路基受地形地物限制或路基稳定性不足 可采用护脚路基 护脚高度不宜超过5m 受水浸淹的路堤护脚 应予防护或加固 46 3 填石路堤填石路堤是指用粒径大于40mm 含量超过70 的石料填筑的路堤 填石路堤可采用与土质路堤相同的路堤横断面型式 填石路堤的边坡坡率应根据填石料的种类 边坡高度和基底的地质条件决定 易风化岩石与软质岩石用作填料时 应按土质路堤边坡设计 在路堤基底良好时 填石路堤边坡坡率不宜陡于规范规定 47 2 路堑边坡坡率土质路堑边坡形式及坡率应根据工程地质 水文地质条件 边坡高度 排水措施 施工方法 并结合自然稳定边坡和人工边坡的调查及力学分析综合确定 岩质路堑边坡坡度必要时可采用稳定分析方法予以验算 1 土质路堑土质路堑边坡不大于20m时 边坡坡率不宜陡于下表规定 路堑边坡高度大于20m时 其边坡形式及坡率应按挖方高边坡确定 48 2 岩质路堑岩质路堑边坡高度不大于30m时 无外倾软弱结构面的边坡可根据岩体类型和风化程度 确定边坡坡率 见表2 13对于有外倾软弱结构面的岩质边坡 坡顶边缘附近有较大荷载的边坡 边坡高度超过表2 13规定范围的边坡等 边坡坡率应按挖方高边坡规定 通过稳定性分析计算确定 49 50 三 地基表层处理地基表层处理是指路堤堤身底面以下原地面表面一定深度的土层 应视不同情况分别予以处理 以保证堤身稳固 1 稳定斜坡上地基表层的处理 应符合下列要求 地面横坡缓于1 5时 清除地表草皮 腐殖土后 可直接在天然地面上填筑路堤 地面横坡为1 5 1 2 5时 原地面应挖向内倾斜的台阶 倾斜的坡度为1 2 台阶宽度不应小于2m 当基岩面上的覆盖层较薄时 宜先清除覆盖层 再挖台阶 当覆盖层较厚且稳定时 可予以保留 51 2 地面横坡陡于1 2 5时地段的陡坡路堤 必须验算路堤整体沿基底及基底下软弱层华东的稳定性 抗滑稳定系数不得小于路堤稳定安全系数 否则 应采取改善基地条件或设置支挡结构物等防滑措施 3 当地下水影响路堤稳定时 应采取拦截引排地下水或在路堤底部填筑渗水性好的材料等措施 4 将地表碾压密实 一般土质地段 高速 一级 二级公路基底压实度不小于90 三四级不小于85 填土高度小于路面 路床总厚度时 将地基表层土进行超挖 分层回填压实 处理深度不应小于重型汽车荷载的工作区深度 5 在稻田 湖塘等地段 视情况采取排水 清淤 晾晒 换填 加筋 外掺无机结合料等措施 党委软土地基时 采取软土地基加固 52 第五节路基附属构造设施 类型一般路基附属设施包括 排水 防护支挡 取土坑 弃土堆 护坡道 碎落台 堆料坪 错车道多年冻区 保温护道 护脚沙漠地区 阻沙障 聚风板雪害地区 防雪林 防雪栅泥石流 拦渣坝 停淤场一 取土坑与弃土堆要求 合理选择地点 尊重沿线区域规划 确保路基稳定 采用必要的排水 防护和绿化措施 一 取土坑 在道路沿线挖取土方填筑路基或用于养护所留下的整齐土坑 取土坑边坡 内侧宜为1 1 5 外侧不宜小于1 1 应符合以下规定 保证路基稳定 53 1 取土坑与路基之间的距离不得影响路基的稳定性 2 桥头引道两侧不宜设置取土坑 3 兼做排水的取土坑 确保水流畅通 深度不宜超过该地区地下水位应与桥涵进口高程衔接 纵坡不应小于0 2 平坦地区不应小于0 1 4 对取土坑采取必要的排水 防护和绿化措施 避免水土流失 54 二 弃土堆 将开挖路基所废弃的土地放于道路沿线一定距离的整齐土堆 见下图所示 弃土堆除应满足上述要求外 还应符合以下规定 1 设计应与当地农田建设和自然环境相结合2 不得影响路基稳定和斜坡稳定3 堆放规则 进行适当碾压 采取必要的排水 防护 绿化措施 4 沿河弃土时 防止加剧下游路基与河岸的冲刷 避免阻塞 污染河道 必要时进行防护支挡 5 桥头弃土不得挤压桥墩 阻塞桥孔 55 弃土堆 边沟 三角平台 截水沟 弃土堆内侧坡脚与路堑坡顶的距离 路堑高度 56 二 护坡道 边坡平台与碎落台 一 护坡道 保证坡脚不受流水侵蚀 保证边坡稳定 在坡脚和取土坑内侧坡顶之间预留的1 2m以上甚至4m宽的平台 作用 降低边坡的平均坡度 保证边坡稳定 软土段有利于路基沉降均匀及路基整体稳定 要求 1 兼顾稳定与占地经济性2 二级以上公路路基高出地面2m时 应加设宽1 2m的护坡道 顶面应高出长期积水为0 5m以上 57 二 边坡平台 碎落台边坡平台 当路基较高 为保证边坡稳定 在边坡坡面上沿路基纵向做成的有一定宽度的平台 宽度 2m 碎落台 路堑边坡坡脚与边沟外侧边缘之间或边坡上 为防止碎落物落入边沟而设置的有一定宽度的纵向平台 宽度视土质和高度而定 不得小于1m 作用 设于挖方边坡坡脚处 保护边沟不被碎落的土石块堵塞 兼起护坡道作用 碎落台布置 58 堆料坪设置位置 路旁或路肩外侧设置要求 每隔50