《路基路面工程》第三四五章PPT课件

1 路基路面工程 重庆交通大学土建学院道路工程系主讲 叶巧玲Tel 60699604Email duming5445 第三章路基边坡稳定性设计一 概述路基边坡稳定性设计的对象 高填方路堤 深挖方路堑 陡坡路堤 浸水路堤 滑坡体等不良工程地质和水文地质条件下的路基边坡 路基边坡稳定性设计的任务 对路基边坡稳定性进行分析 验算 判断其稳定性并根据结果寻求安全可靠 经济合理的路基结构形式和稳定的边坡值 或采取相应的加固措施 3 1 影响路基稳定性的因素1 土质2 水的影响水通过内在和外在两个方面对路基边坡稳定性造成影响 一方面 土体含水量增加时 土的抗剪强度会下降而内部剪应力会增加 造成边坡稳定性降低 另一方面 在浸水状况下 水的浮力和水位升降产生的动水压力也会降低边坡土体稳定性 因此 水是影响路基边坡稳定性的重要因素 3 边坡的几何形状边坡高度大小 坡度陡缓直接影响其稳定性 过高高度和过陡的边坡将会增加土体下滑力 不利于边坡稳定 4 活载增加行车荷载增加 坡脚受到冲刷或不正确的开挖方式将使边坡失去平衡而导致失稳 5 地震及其他动荷载影响2 边坡稳定性设计方法研究 分析路基边坡稳定性的方法很多 分为力学验算法和工程地质法两大类 5 力学验算法又称为极限平衡法 按力学平衡原理判断稳定性 根据假定滑动面形状的不同 又将其分为直线法 圆弧法和折线法三种 假设 1 破裂面上的滑动土体视为刚体沿破裂面作整体移动 不考虑其内部应力分布情况和局部移动 2 土体极限平衡状态只在滑动面上达到 工程地质法又称为类比法 根据大量已成工程经验数据拟定边坡稳定的参考坡值 3 路基边坡稳定性验算基本参数粘聚力c 内摩阻角 及土的密度 是力学验算法的基本计算参数 这些参数应在实际工程处于最不利情况时现场取样进行实验确定 当所分析边坡为多层不同性质土类组成时 采用平均加权法确定上述参数值 4 荷载当量高度计算分析路堤边坡稳定性时 除考虑其自重外 还要将车辆以对路基边坡稳定性最不利进行排列时的行车荷载换算成当量土柱高度 即以压力相等的土层厚度替代行车荷载 当量土柱高度 9 二 直线法分析路基边坡稳定性1 适用条件砂类土 砂土与砂性土 此类土质边坡在失稳破坏时破裂面基本为平面 故分析是可采用直线法 2 均质砂类土路堤边坡1 分析原理以稳定系数K值来判断边坡稳定性 10 当K 1时 土楔体稳定 当K 1时 土楔体达到极限平衡状态 当K 1时 土楔体不稳定 将沿坡面向下滑动 11 考虑到力学计算法是建立在一定的假设基础上 土工实验取得的基础计算参数具有一定局限性 施工产生的偏差以及其他因素影响的复杂性等 同时考虑工程经济行 K值一般取用1 25 1 5 第三节圆弧法验算路基边坡稳定性适用条件 圆弧法适用于粘性土组成的路堤或路堑边坡稳定性验算 1 验算假定1 边坡土体内产生的破裂面为圆柱面 2 计算时不考虑土条间的作用力 3 稳定系数为破裂面上全部抗滑力矩与下滑力矩之比 2 分析步骤1 确定滑动面圆心2 计算稳定系数KK 抗滑力矩 下滑力矩 MR MS3 判断边坡稳定性若Kmin k k 1 25 1 5 则边坡稳定 否则应放缓边坡或采取其他措施 15 3 确定圆心辅助线的方法 1 4 5H法 16 2 36 法4 5H法较36 法计算精度高但计算繁锁 17 第四节折线法 又称为传递系数法 适用条件 适用于滑动面为折线的陡坡路堤 大于1 2 5 滑坡 黄土路基或成层状构造的土石边坡稳定性验算 判断边坡稳定性的指标 剩余下滑力 剩余下滑力E是土体下滑力T与抗滑力R之差并计入稳定系数K 取1 25 1 5 即 E T R K 第一块土 若E大于零 不稳 若E小于零 稳定 第二块土 若E大于零 不稳 若E小于零 稳定 最下面的土块 若E大于零 不稳 若E小于零 稳定 22 分析步骤 根据地面变坡点将土体垂直分成若干土块 2 自上而下计算各土块的剩余下滑力 除第一块土体外 其余土块都要受到相邻上一土块剩余下滑力的作用 3 判断稳定性 若最后一块土体的剩余下滑力En 0 则坡体稳定 若En 0 则坡体不稳定 应采取稳定或加固措施 23 第五节浸水路堤边坡稳定性分析定义 建筑在桥头引道 河滩及河流沿岸 季节性地或长期浸水的路堤 一 浸水路堤的特点1 边坡稳定性受水位升降影响 2 边坡稳定性与路堤填料透水性有关粘土路堤砂砾石路堤当水位涨落时产生的动水压力小 验算路基边坡稳定性是可不予考虑 中等透水性的亚砂土 亚粘土路堤在水位涨落时会受到动水压力显著作用 分析边坡稳定性是应予考虑 浸水路堤填料应进行正确选择并采取合理的施工工艺 尽量减小水位变化对路堤带来的不利影响 25 二 浸水路堤的高度与断面形式1 高度一般浸水路堤的最低设计标高应取设计洪水位加安全高度0 5m 路堤外水位可能有壅水 波浪时 路堤高度 设计水位 壅水高度 波浪侵袭高度 安全高度 2 断面形式为便于施工和修复 在普通路堤断面基础上需要加设台阶或护坡道 宽度 1 2m 第一节挡土墙的类型及使用条件定义 能够抵抗侧向土压力 用来支挡天然边坡或人工边坡 保持土体稳定的建筑物 1 挡土墙的作用1 路堑开挖形成的边坡不能自行稳定时 在坡脚设置挡土墙以支撑边坡 达到稳定边坡 降低边坡高度 减小工程量 稳定边坡的目的 第四章挡土墙设计 2 陡坡上填筑的路堤稳定性不足或征地拆迁量大 可设置路肩墙或路堤墙 达到稳定路基 收缩坡脚 减小填方数量或减少征地拆迁 29 3 为避免沿河路基挤占河床 防止水流冲刷路基 可在沿河一侧设置挡墙 4 挖方路基上方有较厚的松散覆盖层或滑坡土体时 可在挖方边坡上方一定位置设置挡土墙防止覆盖层下滑或保持滑坡体稳定 30 2 挡土墙的类型1 按挡墙位置分有 路堑墙 路堤墙 路肩墙 山坡墙 31 2 按墙体材料分有 石砌挡墙 砖砌挡墙 混凝土挡墙 钢筋混凝土挡墙 加筋土挡墙等 3 按结构形式分有 重力式 衡重式 半重力式 悬臂式 扶壁式 锚杆式 柱板式 垛式 桩板式 预应力锚索式等 3 各型挡土墙的特点与适用条件1 石砌重力式 1 特点构造简单 断面尺寸大 墙身重 取材容易 因此对地基承载力要求高 靠自重抵抗墙后土压力作用 施工简易 2 适用条件砂石材料丰富地区 墙高小于6m 无地震或水流冲刷可干砌 墙体高度大 土压力大时为浆砌 墙顶 墙面 墙背 基底 墙顶 上墙 衡重台 墙面 33 2 衡重式 1 特点衡重台上土体下压 重心后移 断面经济 墙面陡直 下墙面仰斜 降低墙高 基坑开挖量小 2 适用条件砂石材料丰富地区 地面横坡较陡地段 适用于路堤 路堑边坡 3 锚杆式 1 特点由立柱 锚杆 挡板组成 靠锚杆锚固在山体内 立柱来抵抗土压力 断面尺寸小 构件可预制 2 适用条件高挡墙 路堤或路堑均可用 需要使用钻机 压浆机等设备 对基底承载力要求低或基坑不易开挖 4 钢筋混凝土悬臂式 1 特点 由立壁 墙趾板 墙踵板 悬臂梁组成 断面尺寸较小 墙高时钢筋用量大 不经济 2 适用条件缺乏石料地区 普通高度路肩墙 地基承载力差 立壁 牛腿 基座 地梁 底板 挡板 立壁 墙趾板 墙趾板 5 钢筋混凝土扶壁式 1 特点由立壁 墙趾板 墙踵板 扶壁组成 沿悬臂式墙长方向每隔一定距离设置一道扶壁 增加墙体刚度和受力效果 断面尺寸较小 墙高时较悬臂式经济 2 适用条件缺乏石料地区 地基承载力差 6 加筋土挡墙 1 特点由加筋 墙面板 填土组成 借助填料与加筋之间的摩擦力平衡墙后土压力 施工简便 造型美观 对地基适应力强 墙体较高 36 2 适用条件缺乏石料地区 地基承载力差 填料要求为石质土 砂性土 黄土 较高的路堤墙或路肩墙 37 第二节重力式挡土墙的构造由墙身 基础 排水设施和沉降伸缩缝四部分组成 1 墙身构造1 墙身断面形式及其特点根据墙背倾斜方向不同 墙身可分为仰斜式 垂直式 俯斜式 凸形折线式 衡重式 形式及特点见下图 0 仰斜式 俯斜式 凸形式 衡重式 垂直式 断面最经济 适于路堑墙或墙趾处地面平坦地段 适宜作路肩墙或路堤墙 断面最大 适于路堤墙或路肩 断面较经济 适宜作路肩墙或路堤墙 墙体较高时断面较经济但对地基承载力要求高 2 墙身断面尺寸 1 墙背坡度俯斜式 1 0 15 1 0 4仰斜式不宜过缓以免施工困难 一般陡于1 0 3 衡重式上墙背 1 0 25 1 0 45 下墙背 1 0 25 上下墙比例为2 3 40 2 墙面综合考虑墙面与墙背协调 地面横坡大小 横坡较陡时墙面应设为垂直或仰斜1 0 05 1 0 2 3 墙顶墙身为浆砌时墙顶宽度取50cm 干砌不小于60cm 60cm 41 4 护栏根据公路等级和工程实际 交通安全设置 护栏内侧距路面边缘的距离通常不小于0 75cm 2 基础 1 基础形式1 正常情况 墙身直接砌筑在地基上 2 扩大基础 地基承载力不足或抗倾覆稳定性差时设置 加宽墙趾或墙踵 42 3 台阶基础 地面横坡较陡 为适应地形变化 减少基坑开挖工程量 4 拱形基础 采用拱圈跨国局部地基软弱或无法设置基础的地段 43 2 基础埋置深度基础埋深直接影响地基承载力大小 挡墙稳定性 工程量大小 1 保证基底承载力达到要求基础埋置于天然土层地面下深度不小于100cm 岩石地基则要求基础嵌入基岩一定深度 满足襟边要求 44 基础埋深 2 保证基础不受冲刷基础应埋置在冲刷线以下 避免基础或墙趾下的土层被水淘蚀 基础应置于冲刷线以下不小于100cm 3 有冰冻地区为防止基础下土层产生冻融而破坏 挡墙基础应置于冰冻线以下不小于25cm 3 挡墙排水设施排水的必要性 墙后土体水分增加会增大土压力作用 地基受水影响后承载力也会下降 由此产生的附加土压力及承载力的降低对挡墙稳定性造成不利影响 因此 必须完善挡墙排水设施 排水设施 分为地面排水和墙身排水两部分 地面排水主要是采取措施防止地表水渗入墙后土体内 墙身排水主要采用泄水孔 及时将墙后土体内的水分排除 46 砂卵石排水层 47 4 沉降缝与伸缩缝目的 为防止地基不均匀沉降造成挡墙破坏 需要每隔一定长度设置沉降缝 缝的位置根据实际地形 地质情况确定 温度变化时墙体会产生变形 为防止温度应力过大造成墙体破坏 需要将过长的墙体分段 缝距通常为10 15m 缝宽2 3cm 缝内填塞填缝料 填缝 沿内 外 顶三方进行填缝 填深不小于15cm 填缝料 沥青麻絮或涂沥青的软木板等 第三节挡土墙土压力计算1 作用在挡土墙上的力系主要力系 附加力系 特殊力系主要力系 长期作用在墙上的力 挡土墙自重及位于墙上的衡载墙后土体的主动土压力基底的法向力和摩擦力墙前土体的被动土压力对于浸水挡墙 还包括常水位时的静水压力和浮力 附加力系 季节性地作用在墙上的力洪水时的静水压力 浮力 动水压力 波浪冲击力 冻胀压力等 特殊力系 偶然出现的力地震力 施工时的荷载等 在一般地区 设计考虑主要力系 浸水地区 还需要考虑附加力系 在地震地区 应考虑地震对挡土墙的影响 2 土压力的分类挡土墙的位移不同 产生的土压力不同 Ea Ep 采用哪种土压力作为挡土墙的设计荷载 主动土压力 3 一般条件下的库仑 Coulomb 土压力计算库仑理论的基本假定 破裂土体处于主动应力状态挡土墙与土体均为刚体 填土为砂土 无粘聚力土体刚形成时处于极限平衡状态计算土压力 52 A B C G R G R Ea Ea 90 90 4 粘性土土压力计算使用近似方法求解 等效内摩阻角法按土的抗剪切强度相等或土压力相等的原则来进行换算 将粘性土的C和 换算成较大的 值来替代 然后按库仑原理来计算土压力 一般是把粘性土的 增大5至10度来计算 5 大俯角墙背的主动土压力计算大俯角墙背挡土墙的特点 可能出现第二破裂面第二破裂面定义 第一破裂面 第二破裂面 出现第二破裂面的条件 1 墙背或假想墙背的倾角大于第二破裂面的倾角 2 墙背或假想墙背上的抗滑力大于下滑力 使得破裂土体不会沿墙背下滑 55 土压力计算方法 拟定破裂面 按相应公式计算确定第一破裂面位置 并求解第二破裂面倾角 比较其与墙背倾角的大小 判断第二破裂面是否出现 若不出现第二破裂面 则按一般条件下库仑原理计算土压力 若出现第二破裂面 按手册中出现第二破裂面的公式来计算 6 车辆荷载的换算把作用在破裂棱体上的车辆荷载换算成均布土层 与墙后填料容重相同的土层 公路桥涵通用设计规范 中的方法 B0 L h0 土 破裂面 B0 Q 布置在L B0范围内的轮重或履带重 B0 L h0 土 破裂面 B0 Q 布置在L B0范围内的轮重或履带重 B0 破裂土体的宽度 对于路堤墙 为破裂土体范围内的路基宽 L 挡土墙的计算长度 在挡土墙的分段长和一辆重车的扩散长度中取较大者 L的取值 1 挡土墙的分段长度 不大于15M 2 一辆重车的扩散长度 300 H a L Lo H 2 L0 重车前后轴距加一个轮胎的着地长度 一 二级公路均为13m H 挡土墙的高度 a 挡土墙顶面以上的填土高度 破裂面 B0 验算荷载的等代均布土层厚度为 挂车120为90cm 挂车100为0 64cm 履带 50为0 4cm 车辆荷载的布置 横向 B0范围内可能布置的车轮 当为路肩墙时 车轮后轮外缘靠墙顶内缘布置 若为路堤墙 车辆后轮中心距路基边缘0 5cm 纵向 当取用挡土墙的分段长度时 为该长度内可能布置的车轮 当采用一辆重车的扩散长度时 为一辆重车 按车带宽度均摊的方法计算车辆荷载等代土层厚度 将两辆重车换算为相同重量的均布土层 b0 L h0 土 破裂面 B0 为两辆重车的横向分布宽度 L 挡土墙的计算长度 在挡土墙的分段长和一辆重车的扩散长度中取较大者 b0 第四节挡土墙稳定性验算容许应力法1 挡土墙的破坏形式及稳定性要求1 沿基底滑动 1 原因 土压力水平分力超过基础与地基的摩擦力 2 避免措施 增加抗滑稳定性 3 控制指标 抗滑稳定系数Kc 1 2或1 32 挡墙绕墙趾倾覆 1 原因 土压力水平分力对墙趾的力矩超过挡墙对该点的稳定力矩 2 避免措施 增加抗倾覆稳定性 3 控制指标 抗倾覆稳定系数K0 1 2 1 3 1 5 3 地基出现过大沉陷 1 原因 土压力竖向分力与墙身自重产生的应力超过地基承载力 2 避免措施 增大基础与地基接触面 处理地基或增加埋深 3 控制指标 最大竖向应力小于地基承载力 4 墙体材料强度不足产生破坏 1 原因 土压力水平分力产生的剪应力超过墙体材料抗剪强度 2 避免措施 增加墙身断面尺寸 采用高强度材料 3 控制指标 最大剪应力 max 最大压应力 max 2 挡土墙稳定性验算 1 抗滑稳定性验算 Ex Ea Ey G W Ey f 增加抗滑稳定性措施 1 采用倾斜基底采用倾斜基底可增加抗滑力 减小滑动力 提高抗滑稳定系数 ET Ea EN G 通常土质基底倾斜度不陡于1 5 石质基底不陡于1 3 GN GT Ea G Ex Ey 土楔 Ex E Ey G 45 2 增加抗滑稳定性措施 2 采用凸榫基础 利用在基底设置的凸榫前产生的被动土压力增加抗滑力 从而提高稳定系数 3 对地基进行处理换用工程性质良好的土可增加挡墙基础与地基的摩擦力 2 抗倾覆稳定性验算 Ex E Ey G Zx Zy ZG 2 抗倾覆稳定性验算 Ex E Ey G Zx Zy ZG 展宽墙趾的作用是增大抗倾覆力矩的力臂 从而提高抗倾覆稳定性 但工程量会明显增加 增加抗倾覆稳定性的措施 1 展宽墙趾 2 抗倾覆稳定性验算增加抗倾覆稳定性的措施 Ex E Ey G Zx Zy ZG 2 改变墙面和墙背坡度 改缓墙面坡度可增大抗倾覆力矩的力臂 改陡墙背坡度可减小墙后土压力 增加抗倾覆稳定性的措施 3 改变墙身断面形式 抗倾覆稳定性 衡重式 仰斜式 俯斜式 3 基底应力与合力偏心距验算 Ex E Ey G Zx Zy B ZG B 2 B 2 ZN e N P T 2 1 max 3ZN W Ey f 提高地基承载力 减小基底应力的措施 1 采用人工基础换用工程性质更好的材料或进行人工夯实 可增加地基承载力 2 采用扩大基础基础扩大后增加基底与地基接触面积 减小地基受到的竖向应力 5 墙身截面强度验算 抗压 抗剪 Ex E Ey W Zx Zy B Zw B 2 B 2 ZN e N P T 2 1 max 3ZN W Ey f 第七节加筋挡土墙设计加筋土挡土墙是由填土 筋带和墙面板 基础四部分组成 一 原理利用筋带与土体的摩擦作用来平衡土压力 二 加筋土挡土墙的特点 1 面板和筋带可以预先制作 使施工快速2 有较强的抗震能力3 造型美观4 造价较低5 对地基的承载力较低 三 加筋土挡土墙的构造1 墙面板常用混凝土或钢筋混凝土板 形状有十字型 槽形 六角形 L形 矩形等 要求 美观 坚固 足够的刚度 安装方便 2 填料是加筋体的主体材料 要求 1 易于填筑和压实2 能与筋带产生足够的摩擦力3 水稳性好4 满足化学和电化学标准3 基础一般情况只设在墙面板下 为宽0 3至0 5M 厚度为0 25至0 4M的条形基础 宜采用现浇混凝土或片 块 石砌筑 土质地基应铺设一层0 1至0 15M的沙砾垫层 4 筋带筋带的作用是承受垂直和水平荷载 并与填料产生摩擦力 材料 聚丙烯土工带 钢塑复合带 钢筋混凝土带 要求 1 抗拉能力强 延伸率小 不易产生脆性破坏2 与填料之间有足够的摩擦力3 耐腐蚀 耐久性好4 与墙面板的连接容易 四 加筋土挡土墙的破坏形式和稳定要求 内部稳定性不足制造成的破坏 1 由于筋带裂缝造成的断裂 筋带强度应满足拉应力要求 2 由于土与筋带之间结合力不足造成破坏 外部稳定性不足造成的破坏 1 基底滑移 2 倾覆破坏 3 基底应力不足导致加筋体破坏 4 出现整体滑动 78 78 根据在路基横断面上确定的挡墙位置绘制和补测墙趾纵断面图 在该图上纵向布置挡土墙 确定挡墙起迄点 墙长 分段位置 沿纵向的墙高变化 两端与路基或其他构造物的衔接方式 泄水设施布置等 4 根据初步确定的墙型 墙高 地基承载力 填料性质等资料验算挡墙各项稳定性指标 以确定挡墙断面尺寸 第五章土质路基施工技术 第一节概述一 路基施工的重要性路基施工是将设计文件变为工程实体的一系列开挖 运输 填筑 砌筑等工程活动 1 路基施工是进一步完善设计成果的过程 2 路基是公路工程的主体部分 由于其工程量大 施工涉及面广 影响因素多等 往往是组织管理的重点 3 路基是路面的基础 其强度和稳定性对路面起关键作用 留有质量隐患的路基将大大降低公路使用品质 81 第一节概述二 施工前的准备工作1 组织准备2 技术准备1 熟悉图纸和文件2 进行施工测量恢复路线 水准点 断面的测量等3 场地清理4 试验路基的土质 含水量 液限 塑限等3 物资准备各种材料 机具的购置 采集 加工等 第五章土质路基施工技术 第二节土质路基施工填方路堤的强度和稳定性 取决于填料的物理力学性质和当地的自然因素的影响程度 施工技术 一 路堤的填筑1 路堤基底处理1 缓坡地段要清除地面杂物 杂草和工程性质不符合要求的土质 2 陡坡地段 地面横坡陡于1 5 1 2 5 除上述工作外 要将原地面挖成台阶状 台阶宽度不小于100cm 台阶顶面向内倾斜成2 4 斜坡 3 可耕地2 合理选择填料尽量选用强度高 稳定性好 易于压实的填料 通常情况下土的颗粒越大 工程性质越好 避免用重粘土 粉性土作路堤填料 84 3 路堤填筑基本方法水平分层填筑 竖向填筑 混合填筑 1 水平分层填筑 1 工程性质不同的土分层填筑在不同部位 2 透水性差的土填筑在下层时 其表面用作成横坡以利排水 3 路堤不能被透水性差的土封闭 以利排水 85 4 相邻路段填土工程性质不同时 交接除应作成斜面过渡 避免发生不均匀沉降 且透水性差的土填筑在斜面以下 2 竖向填筑指沿公路横向或纵向逐步向前填筑 适用场合 路线跨越深谷 陡坡路段 1 2 3 4 5 6 应采用高效能的压实机械或进行强夯 86 3 混合填筑指路堤下部采用竖向填筑而上部采用水平填筑 适用场合 路线跨越深谷 陡坡路段 对竖向填筑的补救 1 2 3 4 5 6 二 路堑开挖技术1 开挖应注意的问题1 加强排水2 选择合理的开挖方案尽可能拓宽工作面以加快开挖速度 提高效率 2 基本开挖方案1 横向全宽开挖以路堑整个横断面的宽度和深度 从一端或两端逐渐向前开挖的方式 适用于开挖长度不大的路堑 路堑较深时可在不同深度上同时开挖以增加工作面 挖掘方向 填 挖 88 2 纵向开挖分层纵挖法 通道纵挖法和分段纵挖法三种 1 分层纵挖法沿路堑全宽以深度不大的纵向分层进行开挖 适宜于地面纵向坡度较缓 长度不大的路堑 利于铲运机 推土机作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 89 2 通道纵挖法沿路堑纵向先挖通一条通道 然后往两侧拓宽 便于增加作业面 逐渐挖至路基设计标高 1 2 3 4 5 6 7 2 通道纵挖法沿路堑纵向先挖通一条通道 然后往两侧拓宽 便于增加作业面 逐渐挖至路基设计标高 2 通道纵挖法沿路堑纵向先挖通一条通道 然后往两侧拓宽 便于增加作业面 逐渐挖至路基设计标高 8 9 3 分段纵挖法适宜于长度和深度都较大的路堑 施工时将长路堑纵向分为若干段 增加出土通道 达到增加工作面的目的 3 混合法开挖适用于工程量巨大的深长路堑开挖 将前述两种方法结合