路基路面设计课程-2.ppt

路基路面设计课程 第一章绪论第一节公路的组成及路基设计的基本内容一 公路的组成部分公路是一种线形工程构造物 公路主要承受的是汽车荷载的重复作用和经受各种自然因素的长期影响 公路的组成部分包括 路基 路面 桥涵 隧道 防护工程 排水设备 山区特殊构造物 公路路基是路面的基础 它与路面共同承担车辆的荷载 是公路的重要组成部分 保证公路沿线都具有坚实而稳定的路基 是路基设计的中心任务 随着道路等级的提高 在设计中采用一定的措施来提高路基的强度和稳定性 用以提高路面整体强度的问题就很突出 路基的横断面如图 地形的变化 一般使路基分为路堤和路堑两种 高于天然地面的填方路基称为路堤 低于天然地面的挖方路基称为路堑 介于这两者之间的称为半填半挖路基 在挖方路段 路基通常是地面下的天然地层 在填方地段 则是填筑起来的压实土层 路面是直接承受汽车碾压的行车地带 它是用各种坚硬材料铺筑在路基上面的单层或多层结构 路面的类型常见的有沥青路面 水泥混凝土路面 碎 砾 石类路面等 路肩是指路面两侧路基边缘以内地带 它是用来支持路面 临时停靠车辆和供行人行走 修建合适的排水系统是路基稳定的一个保证 排除地面水 如雨 雪而形成的水等 可兴建地面排水构造物 地下水严重时需排除时 可采用盲沟 如果公路要跨越较大的水流 就要建造桥梁和涵洞 二 路基设计内容任务 使路基在行车荷载和各种自然因素作用下 能具有足够的强度和稳定性 保证交通运输的畅通和安全 根据公路的性质 等级和技术标准以及当地自然条件 拟定正确的路基设计方案 作为施工的依据 具体为 1 进行野外勘察 收集必要的资料 2 根据沿线设计资料进行路基工程设计 确定边坡坡度及横断面形式 3 根据沿线地面水流以及地下水埋藏情况 进行路基排水的总体布置及排水结构物的设计 4 路基防护与加固设计 包括坡面防护 冲刷防护与挡土墙的布设 5 路基工程其它设施 第二节路基的常见病害及对路基的要求一 路基的作用路基是路面的基础 且和路面共同承受荷载 贯穿公路全线 二 路基的常见病害路基在自然因素及荷载的作用下 产生不断累计的变形 最后导致破坏 这就是路基的病害现象 路基病害的形状多种多样 原因错综复杂 自然因素有 1 地理如沿线的地形 地貌 海拔高度 植被等 2 地质如沿线土的种类 成因 含水量 有机质及可溶性盐的含量等 3 气候该地区的气温 降雨量 雨型 降雪 温度 冰冻深度等 4 水文河道的洪水位 常水位 河岸的冲刷和淤积情况 沿线地表水的排泄条件 有无积水 5 文地质地下水位 地下水移动的规律 有无泉水 层间水 以及各种水的流量 路基常见的路基病害现象如下 1 路堤沉陷塌方路基下沉导致断面尺寸改变的病害现象称为路堤沉陷 沉陷是不均匀的 严重时会破坏局部路段造成交通中断 它有路堤本身的下陷和地基的沉陷两种 2 路基边坡的塌方边坡的塌方是常见的病害 也是水毁的普遍现象 尤其在山区新建公路上 几乎是普遍的病害现象 塌方的具体表现形式有剥落 碎落 滑塌和崩塌 3 路基沿山坡的滑动在较陡的山坡上填筑路基 如果原地面较光滑 未经处理 坡脚处又没进行必要的支撑 特别在受到水的浸润后 填方路基与原地面之间摩阻力减小 在荷载 自重作用下 有可能使路基整体或局部沿地面移动 使路基失去整体稳定性 4 不良的地质水文条件造成的路基破坏如巨型滑坡 泥石流 地震 特大暴雨等 都可以导致路基的大规模毁坏 在公路勘测中 要求尽可能避开这些地区或采取相应的技术措施 保证公路的正常使用 三 病害原因的综合分析由以上内容可以知道 路基的病害原因是多方面的 各种病害既有各自的特点 又往往具有共同的原因 可以把它归纳为以下几个方面 1 不良的工程地质与水文地质条件2 不利的水文与气候因素3 设计不合理4 施工不符号规定四 对路基的要求1 具有足够的整体稳定性2 具有足够的强度3 具有足够的水温稳定性 第二章路基的强度与干湿类型第一节路基的强度与稳定性1 公路路基土的分类课本上的表给出了公路土的粒经划分和路基土的划分 土的名称以及分类符号 我们在土质学中已学过 具体还可以参阅 公路土工试验规程 2 各类土的物理力学性质 漂石 块石 卵石属于巨粒 强度和稳定性很高 是填路基的好材料 注意边坡值的选用 砂土无塑性 透水性强 毛细上升高度很小 具有较大的内摩擦系数 强度和稳定性都比较好 但不容易压实 砂性土既含有一定的粗颗粒 也含有一定的细颗粒 使路基土既具有足够的强度和水稳定性 又有一定的粘结性 因此砂性土是修筑路基的理想材料 粉性土粉土颗粒含量较多 易吸水 毛细作用强烈 上升速度快 容易引起冻胀 翻浆 在修路的材料中它是最差的一种 一般属于有害的路基用土 粘性土它的细颗粒比重大 内摩擦角小 但粘接力大 透水性小 这种土经充分压实和采取很好的排水措施 筑成的路基也能稳定 重粘土它的工程性质与粘性土相似 但其所含黏土矿物成分不同而不同 第二节路基的强度一 路基的受力状况一般情况下 路基承受两种荷载 一是路面和路基自重引起的静力荷 另一种是车轮引起的动力荷载 在它们的共同作用下 路基处于受力状态 路基在车轮荷重作用下所引起的垂直应力随深度而减弱 路基土因自重引起的垂直应力与深度成正比例 圆形均布荷载中心下土基的垂直压应力 可用下面的公式计算 P 1 2 5 Z D 路基土因自重所引起的垂直应力 在一定的深度下 路面的质量远小于路基的自重 所以土基自重引起的垂直应力与深度成正比 既 Z 2 路基的工作区当荷载引起的应力仅为自重应力的20 10 时 荷载应力影响的深度作为工作区的深度 该深度Za随车辆荷载增大而增大 随路面的强度和厚度的增加而减小 路基工作区深度有两种情况 Za大于路基填土高度 Za小于路基填土高度 三 路基的强度和强度指标路基的强度 用抵抗相对滑动位移变形和竖直位移变形的能力 作为具体指标来表征 1 抗剪强度在路基边坡内 当路基强度不够 不能抵抗剪应力的作用 便会沿某一剪切面产生相对移动于是边坡破坏 稳定丧失 土体必须具有抵抗此变形能力 用抗剪强度表示 公式2 1 土体的抗剪强度取决于土的粘结力C和内摩擦角 土的颗粒越细 粘聚力越大 沙土的粘聚力很小或没有 由于粘聚力不如内摩擦力影响大 因此土的颗粒越大 抗剪强度就越高 2 回弹模量通过路面传到土基的垂直压力 使土基产生一定程度的竖向位移变形 假设土基是均质的弹性体 在圆形垂直均布荷载作用下 当应力与应变成直线关系时 可用弹性理论来解荷载与变形之间的关系 用下式表示 从上述的公式可以看出 土基回弹模量 表示土基在弹性变形阶段内 在垂直荷载作用下 抵抗竖向变形的能力 四 路基强度与稳定性的保证路基的强度与稳定性 受水 温度 土质的影响 在一年内出现显著的季节性变化 为保证路基的强度和稳定性 必须深入进行了解 细致分析各种自然因素与路基的关系 以采取有效措施 第三节路基的干湿类型和临界高度一 路基湿度的来源1 路基干湿类型及湿潮来源路基的干湿类型可以分成干燥 中湿 潮湿和过湿四类 这四种类型表示路基工作时 路基土所处的状态 路基潮湿的来源 可归纳为下列几项 a降水从路面 路肩和边坡渗入 b地面水沿边沟流动 或因派水困难而积聚于路基两侧的水分 渗入路基 c地下水因地下水的流动而渗入路基下部 d毛细水借土的毛细作用由地下水位上升 e气态水在土的空隙中移动的水汽 遇冷凝结为水 上述各种路基潮湿来源 都会对路基的强度和稳定性有不同程度的影响 设计时应根据当地的自然条件和特点 采取相应的工程技术措施 保证路基的强度和稳定性 2 路基干湿类型划分方法a以分界相对含水量划分对原有公路 在最不利季节路槽下80cm内 每隔10cm深度取一土样测定其天然含水量和液限含水量 计算相对含水量 有了这几个数据 根据道路自然区划 路基土的类别 查表 找到分界相对含水量W 将计算出的值与之相比 可以确定路基的干湿类型 b以临界高度判断路基的干湿类型对新建公路 因路基还未建成 路槽下80cm内的相对含水量无法测定 要采用地下水或地表长期积水的水位到路槽底的高度与临界高度相比 判断路基的干湿类型 临界高度的概念 当路基处于干燥 中湿 潮湿状态下路槽底部距地下水位或地表长期积水的最小高度 二 公路自然区划根据公路工程的地理 气候差异特点 自然区的划分 按其重要性和规模的大小分为三个等级 一级区划是按自然气候 全国轮廓性地理 地貌划分的 全国共划分七个一级区 二级区划是在一级区划内 考虑水温状况不同 以潮湿系数为主导标志 按公路工程的相似性及地表气候的差异 进一步划分二级区以及与二级区划相当的副区 全国共分为33个二级区和19个副区 三级区划是二级区的进一步划分 由于目前各地区的特点和掌握的调查研究资料不充分 还不具备划分条件 再则 三级区不一定要列入全国性的范围 由个省 自治区自行划分 以便更切合当地的实际情况 第三章一般路基设计一般路基是指一般地区低于规范规定高度的路基 它可以结合当地地形 地质情况 直接应用根据长期生产实践和科学研究总结的典型横断面图或设计规定 不必进行个别设计和论证 一 形车道及路基宽度 一 行车道数及其宽度为满足汽车 行人以及其它车辆在公路上正常通行的要求 路基须有一定的宽度 根据交通量的大小 车流的组成 按公路等级 行车道可分为单车道 双车道 四车道和多车道 目前我国的公路普遍是双车道二级公路 在平原区 如果慢车很少 车道宽度是7米 有一定混合交通量时 车道宽度是9米 混合交通量大 分慢行道有困难时 车道加宽到12米 并划线行使 路基宽度为路面与路肩宽度之和 高速公路和一机公路还包括中间带宽度 二 路基横断面的基本形式1 路堤高于原地面 由填方构成的路基为路堤 填高为1米的 属于矮路堤 1 20米之间为一般路堤超过20米的为高路堤 2 路堑低于原地面 由挖方构成的路基为路堑 设计时对边坡稳定性予以充分注意 3 半填半挖路基这重路基是路堑与路堤的综合形式 主要设置在比较陡的山坡上 将挖出的土石方 作为填筑的土石方 可以节省土石方 比较经济 给施工带来方便 第三节路基工程的其它设施 第四章 路基稳定性设计第一节稳定性验算概述一般路基是套用典型横断面图进行设计的 不必进行论证和验算 但对高路堤 浸水路堤等 则需进行特殊设计 一 边坡滑动面形状大量的实践证明 边坡破坏时 要形成一滑动面 该面的形状和路基填土的性质有关 由渗水材料填筑的路堤 边坡破裂的形状近乎平面 可按直线滑动面法验算边坡的稳定性 以带有粘性的土填筑的路堤 破坏时形状为一曲面 为简化计算 通常近似的假设为一圆弧状滑动面 车荷 二 边坡稳定性设计方法1 力学验算法 1 数解法 2 图解法2 工程地质法在地质复杂地区修建路基 正确合理地确定路堑横断面形状和边坡坡度是很重要的 目前是根据对自然山坡和已有的人工边坡进行稳定性分析 通过工程地质条件对比 按条件相类似的稳定边坡值 作为路堑边坡设计的依据 这就是工程地质法 轴载的换算在最不利的情况排列 对最不利位置进行验算 将车重换算相当于土层厚度 连同滑动土体一并进行力的计算 h的换算公式为 h NQ BL 第二节边坡稳定性力学验算法一 直线滑动面法由渗水材料填筑的路堤 边坡坍塌时破裂的形状近乎平面 可按之下滑动面法验算 验算时 先通过坡脚或变坡点 假设一直线滑动面 计算土体沿此滑动面下滑的稳定系数K 如图 然后再假设几个滑动面 计算相应的稳定系数 求Kmin 1 25 当Kmin0 此路堤就是稳定的 否则 重新假定边坡 二 圆弧滑动面法带有粘性的土填筑的路堤 滑塌时的破裂面形状是一曲面 为了是计算简化 通常假设为一圆弧状滑动面 这样与实际情况基本相符 方法有数解和表解法 其中数解法最常用 它也称条分法 1 条分法把滑动面上的土体分成2 4m宽的土条 依次检验每一个土条沿滑动圆弧下滑的稳定性 然后叠加出整个土体的稳定性 具体步骤 1 通过坡脚任意选定一个可能的圆弧滑 2 动面 取路线纵向为单位长度1m 将滑动土体分成若干宽度相等的土条 3 计算每个土条土体的重量 并将它引到圆弧线上 进行分解 4 求稳定系数K Mr Ms 5 求kmin 1 25 2 圆心辅助线为减少工作量 较棵快找到最危险滑动面 根据经验 它在一条线上 这条线就是圆心辅助 用4 5H法 4 5H法具体步骤 自坡脚向下作垂线 量取路堤高度 得一点F 从F点作水平线向右量取4 5H得另一点 该点就是圆心辅助线上的一点 作路基边坡的平均坡度线 查表得角度 根据两角度的值分别作两角 分别延长这两条边得一交点 联结这两点即得圆心辅助线 三 表解法按条分法进行边坡稳定性验算 工作量大 对于滑动面通过坡脚的均质 直线形路堤边坡 可按表解法计算 第三节 浸水路堤边坡稳定性设计一 浸水路堤的特点受到季节性或长期浸水的沿诃路堤 河滩路堤及桥头引道等 这些都是浸水路堤 水位上涨时 水从边坡的一侧或两侧渗入路基 水位降落时 水又从堤内渗出来 随着路基外的水位涨落 内部所形成的水位也要升降 但速度较慢 浸水路基除受自重及行车荷载的作用外 还要受到水的浮力和渗透动水压力的作用 在水位骤然降落时 使路基受到渗透动水压力的作用 从而降低了路基边坡的稳定性 二 动水压力计算当水位急降时 土体内的水向外流出需要较长时间 这样就造成堤内外的水位发生很大的水位差 产生动水压力 平行水力坡降I 动水压力会剧烈破坏路堤边坡稳定性 其大小按下式计算 D I 三 浸水路堤的边坡稳定性验算该路堤的稳定性 应按路堤处于最不利的情况下进行 边坡破坏时一般发生在最高洪水位骤然降落的时候 计算通常采用条分法 计算时 将土体分成若干条块 有些条块全部在浸润线以上 有些则全在水下 还有些则一部分在水以上 一部分在水以下 计算中要注意未浸水土条和浸水土条的单位体积质量不同 要分别计算 算例 略 四 路堤整体稳定性验算在山区公路中 当地面横坡度比较陡时 需要对路基的整体稳定性进行验算 地面横破陡于1 5时 对山坡要进行清理 铲除表层覆盖层 将原地面挖成台阶 用来增加路基与天然地面的摩阻力 地面横破陡于1 2 5时 对路基的状态稳定性要进行验算 方法有直线滑动面法和折线滑动面法 陡坡路堤的滑动有以下几种可能 路堤整体沿基底接触面产生滑动 连同基底覆盖层沿倾斜基岩滑动 路堤连同下面的软土一起滑动 产生下滑的原因除地面横坡较陡或基底软外 主要是由于地下水和地面水的影响 使路堤下滑力增大造成的 1 直线滑动面验算基底为单一坡面时 沿直线滑动面下滑 用公式计算 E T 1 K Ntg cL 若计算结果为负或零 则路堤稳定 2 折线滑动面稳定验算等路堤建在多坡地面上时 滑动面为折线 验算其稳定性时 可按地面曲折情况 将土体分成若干小块 自上而下分别计算各土体的下滑力 根据最后一块土体的下滑力的正负值判断其整体稳定性 算例 略 稳定措施 当最后一块土体的E大于零时 应采取以下措施 1 改善基底状况 增加摩阻力 减少下滑力 2 改善填料性质 改变断面形式3 在坡脚处设置支挡结构物 第五章 路基排水设计第一节 路基排水的目的及设计的一般原则公路是一个露天构筑物 路基经常受到各种水分的作用 公路病害一般与排水不良直接有关 重视排水 既有利于公路运输 更有利于公路构筑物的安全 根据来源的不同 水流可分为地面水和地下水 地面水主要是经由降水形成的地面径流 地下水分为 上层滞水从地面入尚未深达下层的土中水 潜水在地面以下第一个隔水层以上的含水层中的水 距地面较近 层间水在地面以下任何两个隔水层之间的含水层之间的地下水 路基排水的目的是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围 土基含水量过大 会引起土质松软 强度降低 边坡塌方 基身沉陷或滑动 影响交通 四 路基排水设计的原则为好路基排水设计 应遵循以下几个原则 1 设计前必须进行深入的调查研究 2 路基排水沟渠的设置和联结尽量不占或少占农田 3 设计要因地制宜 就地取材 经济适用 4 排水沟渠的出水口应尽可能引接至天然河沟 以减少桥涵工程 5 排水设计应讲求经济效益 第二节 地面排水设计一 边沟设计1 边沟设置在路堑的路肩外侧或路堤坡脚外侧 主要用于汇集和排除路基范围内以及流向路基的小量地面水 当流量不大时 可采用标准横断面 边沟的横断面形式边沟的横断面形式常为梯形或三角形 也有流线型几矩形 底宽与深度一般不小于0 4m 边沟的边坡一般为1 1 1 1 5 岩石边坡为1 0 1 0 5 沟底纵坡一般与路线纵坡一致 并不得小于0 5 若大于3 时 需采取加固措施 2 为防止边沟水流漫溢或冲刷 规定单向排水长度每300 500米设出水口 把水引到低洼处 3 在变坡点 桥涵进出水口 回头曲线等地段 要采取一些措施 二 截水沟设计截水沟设在离路堑边缘一定距离和山坡路堤上方的适当位置 用来拦截山坡流向路基的水流 其纵坡不小于0 5 以免水流停滞 截水沟断面的形式一般为梯形 底宽 深度不小于0 5米 边坡坡度根据土质而定 截水沟的位置应慎重考虑 最好能与绝大部分地面水流的方向垂直 转折处最好用曲线连接 在路基边坡到分水岭的距离长而降雨量又大的低段 可设置一道或几道差不多平行的截水沟 分段拦截地面径流 三 排水沟设计设置排水沟的目的 就是为了将水从路基导入低洼地或其他排水构造物中去 排水沟的断面一般采用梯形 大小应通过计算确定 但水量较小时 可以不用计算而直接采用底宽0 5米的最小断面 沟深也不小于0 5米 排水沟的长度根据实际需要来定 通常在500米左右 四 跌水与急流槽山岭重丘区 排水沟渠枞坡较陡 水流急冲刷力强 为减小流速 降低水流的能量 防止对路基的危害 大多设跌水和急流槽 跌水和急流槽的构造分为三部分 进水口 台阶 出水口 台阶部分的作用在于消能 五 排水沟渠的计算计算分为两部分内容 水力计算与水文计算 分别确定设计流量 沟渠的断面尺寸 纵坡及加固形式 一 设计流量确定设计流量的计算为水文计算 目前 公路上采用的是小流域暴雨径流流量简化公式 Q h z F公式中的有关符号可以从 公路设计手册 中查出 二 水力计算公式通过水力计算确定沟渠断面 一般的沟渠水力计算 按水力学明渠均匀流公式进行 对梯形断面沟渠的通过流量 按下式计算 1 通过流量Q w v2 过水断面面积W bh mh3 湿周X b kh4 水力半径R w x5 流速V CRi6 最佳水力断面水力性能最好的尺寸断面称为水力最佳断面 在设计沟渠断面时 可以选择一个削能最好的尺寸断面 符合水力最佳断面条件时的宽深比 可以查表 三 沟渠加固为了防止水流对排水沟渠的冲刷与渗漏 要对沟底和沟壁加固 措施应结合当地地形 地质 纵坡和流速的条件 因地制宜 就地取材 简易便行 经济实用 计算示例 略 第三节地下排水设计地下排水结构物是具有拦截 汇集和排除或降低地下水位功能的结构物 与地面的排水设施不同 是使路基免受地下水的作用 保证路基的强度和稳定性 地下排水设计的考虑要在地下水位较高 而且路基标高受限制时 或路基水温条件较差 路面等级较高的路段 地下排水设备 按使用条件和作用的不同 主要可分为三种 一 暗沟暗沟是指地面以下引导水流的沟渠 本身不起渗水和汇水作用 当路线通过地区路基范围内出现了个别泉眼 泉水上冒 路线不能绕避时 在其与边沟之间开挖沟槽 修建暗沟 把泉水排除 暗沟的断面尺寸不必经过水力计算来确定 沟宽一般是20 30cm 沟底纵坡不小于1 出口处沟底应高出边沟最高水位20cm以上 不允许出现倒灌现象 二 渗沟 一 渗沟使用的几种情况当路线经过的山坡上有流向路基的含水层时 应修筑渗沟拦截水流 以免造成边坡或路堤滑塌 当路基从路堑过渡到路堤 路堑下含水层有向外渗透的水流时 应修筑渗沟拦截 把水引出路基范围以外 二 渗沟的分类与构造渗沟的构造一般分为三形式 即盲沟 管式渗沟和洞式渗沟 它们的构造基本相同 断面通常为矩形 顶部为覆盖层或叫做封闭层 侧面为反滤层 底部为排水通道 渗沟布置尽可能与地下水流相互垂直 使之能拦截更多的地下水 利用片石的空隙作为排水通道的称为盲沟 底部设渗水管作为排水通道的 称为有管渗沟 底部用渗水石板涵作排水通道的称为洞市式渗沟 三 渗水井它的作用是将地面水通过渗井深入地下 将其排除 它修建的条件是 路线经过的地区 地形平坦 地面水无法排除 而离地面不深的地方有渗透性土层 而且地下水背离路基 可以建竖井或吸水井一样的竖井 用这个设施把边沟中的水引导到原离路基以外 并汇集于路基范围以外离地面1 5米以下的土层中去 以保证路基的稳定 第六章路基的防护与加固第一节防护与加固工程的要求与分类一 防护与加固的目的路基在水 风 冰冻等自然因素的长期作用下 经常发生变形和变化 如边坡表面土层剥落 形成冲沟及滑坍等 这些不及时防治 就旧会引起严重病害 要想使路基的稳定性得到保证 除了要作好路基排水 还必须采取有效的防护加固措施 进行这项工程的的重点 是路基的边坡 尤其是特殊地段的路基 防护与加固的施工 应分别情况 按需进行 要求路基边坡本身要稳定 否则无法进行 因除了专门用来支挡路基的结构物 一般防护工程承受外力的能力都很小 有的则完全不能承受外力 二 防护加固工程的分类路基防护与加固工程 按其作用的不同 可以分成冲刷防护 坡面防护和支档建筑物三大类 1 冲刷防护它的作用是防护水流对路基的冲刷和淘刷 按方法的不同 又可以分为直接防护和间接防护 2 坡面防护用来防护容易受到自然因素影响而破坏的土质与岩质边坡 3 支档建筑物是防止路基变形或支档路基本身以保证其稳定性 为了使概念明确 一般把防止冲刷和风化 主要起隔离作用的措施称为防护工程 而把防止路基或山体因重力作用而滑塌 主要起支撑作用的支档结构物称加固工程 第二节坡面防护一 植物防护主要是利用植物覆盖层对土质坡面进行防护 工序简单 它可以减缓地面水流速度 调节水 土的状况 增加路基的稳定性 措施 1 种草适用于边坡稳定 坡面冲刷轻微 宜于草类生长的土质路堤与路堑边坡 用于防止表面水土流失 固结表土 增加路基的稳定性 2 铺草皮路基破面上铺草皮 作用与种草防护相同 它更适用于当地有足够挖取使用的草皮地段路基防护 3 植树在路基边坡上和在浸水河滩上合理植树 对于加固路基与防护河岸都可以收到良好的效果 它可以增加路基的稳定性 降低流速 削弱波浪的冲击 防止和减少水流对路基或河岸的冲刷 还可以防风 防沙 防雪 美化路容 调节气候 二 坡面处治对岩石边坡无法用植物防护时 可选用坡面处治 如抹面 喷浆 勾缝 灌浆 锚固等方法防护 抹面使用于易风化而表面较完整 还未剥落的岩石边坡 喷浆用于易风化和坡面不平的岩石边坡 厚度一般为2cm 勾缝用于较坚硬且裂缝多而细的岩石边坡以防水侵人岩层内造成破坏 灌浆用于较坚硬但裂缝深和宽的岩石边坡师坡面表层成为防水的整体 三 护面墙为了覆盖各种软质岩层和较破碎岩石的挖方边坡 免受大气因素影响而修建的墙 称为护面墙 第三节冲刷防护沿河路基防止水流冲刷的措施 一种是加固岸坡的直接防护 另一种是改变水流性质的间接防护 直接防护 除坡面防护和石砌护坡外 还有抛石 石茏 柔性混凝土块及浸水挡土墙等防护方法 间接防护 包括各种导流与调治构筑物 如丁坝 顺水坝及拦河坝等 冲刷防护与水流性质有密切关系 其中包括水流大小 水位高低及作用强弱等 必须采用设备简单 操作容易的防护结构 如石笼 抛石等 丁坝和顺水坝的作用相同 都是把水挑离河岸 通常设在被冲刷的凹岸一面 使泥沙在坝后沉积 形成新的水流边线 改变水流方向 对临河路基进行防护 第三节挡土墙一 挡土墙的用途和分类它是用来支撑路基边坡或山坡土体 以防填土或土体变形失稳的构筑物 按其所在位置可分为路肩墙 路堤路堑 山坡墙等 二 挡土墙的构造一般由墙身 基础 排水设施和伸缩缝几部分构成 1 墙身构造可作成仰斜 附斜 直立 衡重式 仰斜挡墙墙背所受土压力小 墙背比较经济 但基础外移 地面横坡比较陡时 增加墙高 断面增大 俯斜式所受土压力较大 通常在地面坡度较陡时采用 借助于陡直的墙面 减小高度 衡重式在上下墙之间设一衡重台 采用陡直的墙面 适宜于陡峻的地形 墙背的坡度一般在1 025 1 0 4 仰斜式坡度在1 0 25左右 2 基础基础的埋深应按地基的性质 承载力要求 冻胀的影响 水文地质条件来定 一般情况下 地表下不小于1米 3 排水设施在墙身适当高度处设一排泄水孔 间距2 3米 出水口高出地面0 3米 4 沉降缝为避免地基不均匀沉陷引起墙身开裂 按高度和地基的性质 设置沉降缝 一般每隔10 15米设一道 宽2 3厘米 四 挡土墙土压力计算一 土压力分类土压力是指挡土墙背后的土体或土体表面上的荷载对墙背产生的侧压力 主要有三种 1 主动土压力挡墙外移时 土体给背的土压力 此值最小 2 被动土压力墙挤压土体 土压力增大 达到极限平衡状态时 土体对墙的抗力 称为被动土压力 3 静止土压力处在原来位置不动 土压力介于上两者之间 为静止土压力 二 土压力计算土压力的计算要按库仑理论计算 公式见P81 三 车辆荷载换算作用在填料上的荷载 可近似的按均布荷载考虑 计算时 把荷载换算成容重与填料相同的均布土层 然后按规范规定计算 公式见P85 四 五 档土墙稳定性验算档墙本身必须有足够的整体稳定性和强度 以抵抗墙后土体 因此 设计时必须满足下列几个要求 1 不产生沿基底的滑动2 不产生墙身绕墙趾转动3 地基不出现过大的下沉4 不出现因基底过度的不均匀沉陷而引起墙身倾斜 验算的内容包括 抗滑稳定性 抗倾覆稳定性 基底应力及偏心距验算等 一 滑动稳定性验算在主动土压力的水平分力作用下 挡墙会向下移动 而阻止其下滑的是基础底面与地基之间的摩擦力 挡墙的抗滑力与滑动力的比值 称为滑动稳定性系数 计算如下 Kc w Ey f Ex 1 3二 倾覆稳定性验算当挡墙产生绕墙趾转动的力矩超过阻止其转动的抗倾覆力矩时 它就会倾覆 挡墙绕墙趾的倾覆稳定系数 Ko W Zw Ey Zy ExZx 1 5 三 基底应力几偏心距验算作用在基底垂直力的总重为W Ey 这个基底合力的偏心距为e 按力矩平衡原理计算合力的力臂 作用在基底的合力偏心距为 e B 2 WZw EyZy ExZx W Ey当e B 6时 墙趾处的最大应力 为 W Ey B 1 6e B 例题 略 第二篇路面工程第一章总论第一节我国公路路面发展概况及对路面的要求一 对路面的要求路面是直接为汽车行驶服务的 路面状况对公路运输关系极大 因此路面工程是公路工程的主要内容 从经济上说 路面的造价在整个高造价中占很大比重 在有些高等级公路预算中 路面造价可占整个公路造价的80 以上 路面是一个层状结构物 根据不同的路基状况和交通量 常常将路面分成棉层 基层或更多的层次 路面必须满足以下基本要求 1 具有足够的强度2 具有足够的稳定性3 具有足够的平整度4 具有足够的抗滑性5 具有足够的耐久性 第二节路面的构造及层次的划分一 断面形式路面形式有下述两种 1 槽式一般公路都采用这种形式 所谓槽式 是在整个行车道宽度内叫路基挖成同深的槽型 然后铺筑路面结构层 2 全铺式在整个路基宽度内都铺路面 中部厚度最大 逐渐向两侧减薄 在石料丰富地区或等级低的公路上采用这种路面 二 路拱形式一般路面为了排水 都作成拱式 即中间高 两边低的拱型 称为路拱 常用的形式有 1 二次抛物线形这种路拱横坡在中部平缓 边缘较陡 对中 低级路面 路面不宽 车辆大多居中行驶 所以一般采用这种形式 2 直线形这种形式在两根倾斜直线连成的 行车平稳 但不利于排水 为改善路面中央部分的行车状况 可在中间插入一段圆曲线 长度不大于3米 这种形式的路拱 在横坡度较小和等级较高的路面上采用较多 路拱横坡度可按规范要求进行选择 三 路面结构层的划分由于行荷载和自然因素对路面的作用随着深度而逐渐减弱 路基的水文地质情况直接影响到路面的工作状态 因此从技术 经济的角度考虑 一般将路面分成若干层次来铺筑 形成了所谓层状结构物 1 面层路面结构最上面的一层 直接承受行车荷载与自然因素的作用 因此面层应具备较高的力学强度和稳定性 同时还应具备耐磨性和不透水性 抗滑性和平整度 2 基层位于面层下面 它主要承受由面层传来的车轮的垂直压力 并扩散到下面的层次中去 对基层材料的要求是 具有足够的抗压强度和扩散能力 足够的水稳定性 3 垫层在排水不良路段或可能发生冻胀的土基 基层之下有时加设垫层 作用是调节和改善水温状况 保证路面的强度和稳定和抗冻胀能力 在实际工程中 路面的结构层次并不完全是这样完备的 有时会比这些层次要多 第三节路面等级与路面类型一 路面等级分为四个等级 1 高级路面包括沥青混凝土 水泥混凝土 厂拌沥青碎石所组成的路面 特点是强度和刚度高 稳定性好 使用寿命长 能适应重型交通量 养护费用少 运输成本低 2 次高级路面沥青贯入式 路拌沥青碎石 沥青表面处治等 一般适宜于交通量较大 行车速度较快的道路 比高级路面的性能差 3 中级路面各种碎石路面 适宜于中等交通量的道路 他的强度低 平整度差 行车速度慢 需要经常养护 运输成本高 4 低级路面适宜于交通量很小的道路 二 路面分类1 柔性路面刚度较小 抗弯拉强度较低 主要靠抗压 抗剪强度支撑荷载 产生的弯沉变形较大 2 刚性路面重要指水泥混凝土路面的结构 板体刚度较大 弯拉强度高 在荷载的作用下变形很小 第四节我国路面发展概况 略 第四章柔性路面设计第一节概述路面设计是公路路线设计中一个非常重要的组成部分 路面设计的任务是 确定路面等级 选择路面类型 进行路面结构组合设计 计算路面各结构层厚度及结构层材料的组成设计 首先根据道路的性质 等级及交通量确定路面等级 然后根据近期及远景交通量及车型组成和材料供应 施工条件选定面和基层的类型 外业调查的资料 1 工程地质和水文地质条件 2 天然土湿度和水位 3 气象资料的调查 4 路面材料生产和供应情况 5 交通量和车型组成 路面设计要遵循的原则 路基路线路面作总体设计 就地取材 因地制宜 考虑分期修建 第二节行车荷载与交通分析汽车在路面上的状态有停驻 行驶 加速 制动 转向 颠簸等 行荷载对路面施加的作用力的大小和性质 也随汽车的运动状态而变化 主要有 车轮对路面的垂直作用力 车轮转动对路面产生的纵向水平切向力 转向时又增加了横向水平力 路面不平 汽车颠簸 产生了冲击力和振动力 从这些可以知道 汽车在任何一种状态下垂直力都是最基本的作用力 1 车辆荷载作用于路面的垂直力车辆对路面的垂直压力通过车轮传给路面 车轮与路面的接触面积称为轮印面积 形状近似椭圆 在路面设计中 用等面积圆形代替 称为轮印的当量圆 车轮传递给路面的垂直压强在接触面上分布并不均匀 其平均值与轮胎气压也不完全相等 车轮传到路面的垂直力是根据车辆的总重和车辆轮轴所分担的重量来确定的 一般来说 重量大多在后轴已知一侧车轮荷载P 车轮对路面的垂直压强p 则车轮与路面的接触面积为A P p单位压强p大致与轮胎的内压相等 一般为0 4 0 7MPa 以上所讲为汽车的静荷载 但汽车在行驶时由于路面的不平整产生的颠簸引起的震动力和冲击力与由于汽车荷载作用的瞬时性 在实际中认为这两种影响相互抵消 所以在柔性路面设计中只考虑垂直静压力 而把冲击力和瞬时性的影响忽略不计 汽车轮印当量圆直径的计算公式见教材188 189页2 车轮作用于路面的水平力根据汽车行使条件可知 水平力的最大值不能超过垂直力与路面车轮间的摩擦系数的乘积 该值在汽车紧急制动和启动时为最大 可达到竖直力的75 80 水平力的作用沿深度消失的很快 一般破坏现象都发生在路面表层 所以提高路面材料的抗剪强度才能消除它对路面表层的破坏作用 标准轴载与轴次换算我国目前道路上行驶的车型多 不能固定标准车型 考虑与国际一致 将过去的标准车型改为标准轴载 规范规定 路面设计以100KN双轮组单轴为标准轴载 以BZZ 100表示 有关的计算参数见表2 4 1 轴次换算 不同轴载的汽车对路面的影响也不同 为了方便计算轴载对路面的作用 将道路上行驶的混合交通换算为标准轴载的当量轴次数 轴次换算是以等效原则为基础进行的 含义是 不同车型之间的交通量相互换算时对路面的作用必须是等效的 即A车作用的次数与B车作用的次数不相同 但对路面的破坏效果是一样的 则A车的N1次作用和B车的N2次作用是等效的 设计路面时 把各种车辆的轴载的作用次数换算成标准轴载的当量作用次数 换算公式见书 4 累计当量轴次在进行路面设计中 轴次换算之后 还要进行远景交通量的推算 以确切的知道公路路面在设计使用年限内 共累计承担多少次标准轴载的反复作用 设计年限内一个车道上累计当量轴次的计算公式见P192公式2 4 9或2 4 10 第三节柔性路面的应力和弯沉路面的设计与其它构造物的设计一样 是需要有设计指标来控制的 只有满足这些指标的设计才是合理适用的 一 静荷载作用下路面的变形在路面设计中 通常把土基看成是弹性的半空间体 当土基表面有单个圆形均布荷载时 土基表面产生竖直位移 通常称为弯沉 计算公式见2 4 11和2 4 12 路面承受了一定的荷载后 会发生变形 当卸掉荷载 变形中的一部分回恢复 另一部分则不可恢复 前者为弹性变形 后者为残余变形 路面弹性模量是表征路面弹性性质的力学指标 有叫回弹模量 用E表示 路基的E是土基抵抗竖直变形的能力 用下面的公式表达 E 1 Uo PD L路面的荷载 变形并不完全是直线关系 相应于不同变形数值的E在数值上是完全不同的 变形大 模量值小 在设计中 要根据实际工作情况规定的变形确定土基和路面材料的E 规范推荐采用静载加荷变形试验测出每级荷载下相应的变形 用这种方法可以得到荷载 变形曲线 规范规定用曲线上l 1mm时的荷载强度p和L实测值用数学手段计算回弹模量 二 路面容许弯沉值行车荷载作用在路面上时 各路面结构层内产生荷载应力 并引起一定的变形 当荷载应力超过材料的抵抗力时 路面就会产生某种破坏在车辆荷载垂直压力作用下 路表面会出现一定的竖向位移 与此同时 在车轮下面结构层底部产生拉力 顶部产生压力 而离开车轮一定距离的地方就与之相反 如果路面整体强度不足 变形过大 就会产生沉陷 车辙和拥包等破坏 路面拉力不足 就会拉裂 产生裂缝 反映路面整体强度高低和使用状况好坏的最简捷 最直观的指标是在一定荷载下 路表面产生的垂直变形 这个变形我们称之为弯沉 路面整体结构产生的总变形为总弯沉 荷载离开后能逐渐恢复的变形部分为回弹弯沉值 上面两个数值之差 即不能恢复的变形部分 为残余弯沉 在同一车轮作用下 不同路面的弯沉值表明不同路面的抵抗变形能力 一般来说 路面弯沉值小的 路面强度较高 弯沉值是路面整体结构的垂直变形 所以它也反映路面各结构层及土基的力学性质及路面的整体强度 路面设计中 以标准轴载下的后轮轮隙回弹弯沉作为路面整体强度标准 要求设计时 计算的最大值 要小于或等于容许回弹弯沉值 路面的容许弯沉值是指路面在规定的设计年限末期 在标准轴载累计轴次重复作用 路面容许出现的最大回弹弯沉 计算公式 LR 1 1A1 A Nt 三 容许拉应力沥青混凝土 热拌沥青碎石路面及其它整体性基层的主要破坏是疲劳开裂 所以在路面厚度设计时 只用一个路面垂直变形作为控制条件是不完全的 它不能解释路面的垂直变形在容许的范围内 而路面出现上述情况 因此 必须还要补充一些其它指标 弯拉应力就是一个 为避免沥青类路面的弯拉破坏 必须验算它的弯拉强度 路面结构层的计算弯拉应力要小于路面材料的容许弯拉应力 以防在重复荷载作用下 过早出现弯拉疲劳破坏 即 R 四 容许剪应力路面除了验算弯拉应力以外 还要验算路面的剪切应力 特别是各种混合料结构的路面 它们的强度主要来源于颗粒间的摩阻力和粒料之间的粘聚力 在车轮荷载作用下 路面结构层内某一点的剪应力超过材料的容许抗剪强度 路面结构层便会发生剪切破坏 进行验算时 可按双圆均布荷载综合作用下 三层弹性体系中面层剪切破坏面上剪应力的理论公式计算 第四节路面结构组合设计整个柔性路帽设计分为结构设计与厚度设计两大部分 路帽结构设计合理 才能进行厚度计算 结构设计包括各层的结构设计与结构层的组合设计 结构设计任务是结合具体条件和使用要求 选择各结构层种类和组成材料 按就地取材和分期修建的原则组合成既能经受荷载和自然因素的反复作用 又能充分发挥各结构层材料的最大效能和经济合理的路基路面结构体系 一 结构组合设计的基本原则见教材195 197 二 路面结构组合设计的基本步骤1 确定路面等级和路面类型选择路面等级与公路等级相适宜 路面的面层因直接承受行车和自然因素的综合作用 要求它必须强度高 热稳定性 耐久性好 所以要的材料都是强度高的矿料粘结力强的结合料 在面层下还要沥青类材料来做 可以抵抗水平力在层间产生的键应力 选择路面类型要与当地气候结合 在多雨地区要保证水稳定性和整体强度 2 材料的选择要与路面结合考虑 常用的基层有沥青稳定类 水泥稳定和各种碎石混合料类 3 路面结构层组合的原则按强度组合这是结构组合的一项最重要的原则 车辆荷载产生的银河里和变形随深度增加而减少 水平方向上递减的速率更快 路表面同时还承受车轮的磨耗作用 因此路面必须具备足够的强度和抗变形的能力 在其下各层的强度和抗变形能力可自上而下逐渐减小 这样 路面组合时 各结构层应按强度和刚度逐层递减的规律安排 以使各结构层3的效能得到充分的发挥 按应力分布组合结构层次按这个原则进行结构设计时 要保证路面的最小厚度见表3 4 4 最合适的应该是 从上到下 由薄到厚 为保证路面的使用质量 规范规定了各级公路路面沥青层的最小厚度 高速公路15cm 一级路10cm 二级路5cm 考虑结构层的特点影响因素有材料的选择 施工工艺 如在沥青棉层不能直接铺在片石基层上 而应在其间加设碎石过度层 沥青混凝土之类的高级路面与粒料基层或稳定土基层之间应铺设沥青碎石或沥青贯入式联结层 为保证路面结构的整体性和结构层之间应力传递的连续性 要尽量使结构层之间结合紧密稳定 在各种自然因素作用下强大性好 如何保证沥青路面的水稳定性 是路面结构册选择与组合需要解决的重要问题 在潮湿和某些中湿路段上修建沥青路面时 由于其不透气 使路基和基层中水分蒸发的通路被阻断 因而向基层积聚 会导致土的刚度和强度下降 路面开裂破坏 所以沥青路面的基层一般要选择水稳定性好的材料 4 基本步骤路面等级和类型的选定基层类型的选定确定路面结构层次和初步拟各结构层厚度 第五节新建路面设计1 荷载与弯沉公式假设土基为一半无限均质弹性体 在圆形垂直荷载作用下 路表面距荷载中心轴距离为r的某点 其弯沉值计算由公式2 4 23 2 土基的强度指标其表达指标有几个 在路面设计中是以路表面弯沉为控制指标的 土基强度可以采用土的回弹模量 土基的Eo值 在现场一般采用承载板法测定 得到P l曲线 然后利用公式计算 在路面设计时 可按小于或等于1mm的弯沉来确定对应的E值 把试验结果 按线性归纳法整理和计算 Eo 19 3 pi Li这个方法在最不利季节测定取得Eo值 表3 3 1至3 3 3给出了土基回弹模量的建议值 可查用 3 路面材料的回弹模量以弯沉为设计指标的路面设计方法 对路面材料回弹模量应在不利坚决测定 可以采用现场分层或整层测定的方法确定 具体内容见P221 224 4 路面材料的抗弯拉强度整体性材料都具有一定的弯拉强度 在一次过大轴载作用下 有可能在结构层地面产生较大的拉应力 造成结构层断裂破坏 路面材料的抗弯拉强度计算公式 si PiL bh 二 双层体系应力和弯沉的计算在路面结构层中 双层体系有两种情况 一是单层低级路面加上路基一是沥青表处加上基层和路基规范规定 在路面设计时将表处的厚度扣除1cm后 剩余厚度并入基层计算 这样也构成了双层体系 它的表面弯沉计算公式见2 4 23 三 三层体系计算1 在计算中习惯上将路面第一层厚度和回弹模量用h和El表示 第二层用H和E2表示 路基回弹模量用Eo表示 由公式2 4 19可得到在双圆荷载作用下三层体系的计算公式2 4 24 新的路面设计方法是针对路面设计方法中增加的指标 确定计算公式和控制方法 设计体系采用三层弹性册状体系理论解 统一考虑路面的结构组合 厚度计算和材料组成设计 对四层以上结构 则采用当量厚度换算 折算成三层体系进行计算 2 层间接触条件沥青面层及其下面的沥青层 如果连续施工 就为连续接触 相反则是滑动接触 沥青混凝土面层与非沥青类的结构层之间 都是滑动接触 稳定性材料结构层与沙砾材料结构层或土基直接接触 是连续接触 3 材料的非完全弹性性质因素各种路面材料 并不是理想的弹性体 而是有弹 粘 塑性 非线性 各向异性的性质 这些因素在有关参数中考虑 4 行车反复作用的疲劳损坏和动载因素在路面结构强度系数值中反映上述因素 把交通量与反复荷载作用规律密切联系在一起 5 标准轴载规范规定采用BZZ 100KN为标准轴载 6 设计指标LR是路面整体强度的设计控制质变 高速公路 一级公路还要用弯拉应力 四 新的路面设计方法的计算步骤1 计算路表轮隙中心处产生的弯沉值Ls和确定LRLs 2p LF2 用图解法按路表LR设计路面厚度 见P202 203 3 层底弯拉应力验算的有关计算公式 1 计算整体性材料结构层层底产生的弯拉应力值 m 2 确定路面结构层材料容许弯拉应力 R 2 多层路面的计算 当量厚度法以上的内容 是以三层体系理论作基础的 但有时实际路面结构是四层或四层以上 这旧要解决当量换算的问题 把多于三层以上的路面换算为当量的三层体系 原则是 不管计算哪一层的应力与弯沉 与计算层相邻那一层的厚度与E值不动 土基的Eo值不动 1 计算路表弯沉当采用三层体系为什么体系 需将多体系按照等效换算为三层 这时把多层体系的第一层作为上层 它的模量和厚度都保持不变 将第2到 n 1 层作为中层 并把他们换算为第二层模量的等效厚度 再加上摸量不变的下层半空间体 得到一个弯沉等效的三层体系 2 计算各层层底面的弯拉应力计算体系采用三层体系 需将多层体系按弯拉应力相等的原则换算成含有上 中 和下层半空间体的弹性三层体系 然后使用三层体系相应层的弯拉应力计算诺模图计算弯拉应力 具体计算公式见教材 五 计算示例 略 第六节原有路面补强设计柔性路面随着使用时间的延续 实验性能和承载能力不断降低 超过设计实验年限后便不能满足正常的通车要求 需要补强或改建 路面的补强设计工作包括旧路面状况调查 弯沉评定及补强厚度计算 一 交通调查对于当前的交通量和车型组成进行实地观测 通过调查分析预先估计交通量增长趋势 确定年平均增长率 二 路况调查调查沿线路基土质 填挖高度 地面排水情况 地下水位 以确定路基土组和干湿类型 调查路面结构类型 组合和各层厚度 为此要开挖试坑进行量测和取样试验 量测路基和路面宽度 对路面的病害和破坏进行分析 路面修建和养护历史调查 三 旧路面强度的测定路面结构强度的测定 通常采用测量路表轮隙回弹弯沉的方法 具体做法是用弯沉仪量测路表面在标准试验车后轴垂直静载作用下的轮隙弯沉值 用它表示路面整体强度 1 计算弯沉值Lo的确定先算各测点的实测弯沉LiLi 2 dl d2 1 100mm计算路段平均的实测弯沉值Lo Li n计算路段内的计算弯沉值Lo Lo klk2k3 保证率系数 二级路为2 0 三级路1 5 弯沉值的均方差k1 季节影响系数 可查表 k2 西北 黄土地区考虑自然条件特殊性的温度影响系数 其它地区不