路基路面工程

主要内容 Contents 本课程的设置及其重要性第一章概论 Introduction 本课程的设置及其重要性 1 本课程在教学体系中的位置公共课程 数学 英语 人文等基础课程 工程力学 结构力学 弹性力学等专业基础课程 土木工程材料 测量学 土力学与土质学 水力学 交通工程基础等 专业课程 道路勘测设计 路基路面工程 桥梁工程等专业提高课程 众多选修课程 本课程的设置及其重要性 2 本课程在工程实践中的重要性实践环节 室内试验确定路面结构设计的主要参数等 野外试验确定交通参数 路面结构参数等 结构综合设计进行路面结构设计 施工组织设计 本课程的设置及其重要性 3 本课程的内容 课程的具体内容 一般路基设计 Design 路基稳定性分析计算 StabilityAnalysis 路基防护与加固 ProtectionandConsolidation 挡土墙设计 RetainingWall 路基路面排水设计 Drainage 路基工程部分 概论 路面结构组成 行车荷载 环境因素及材料的力学性质 Structure Vehicleload Environment Materials Factors 块料路面 碎砾石路面 无机结合料稳定材料路面 Interlocking Macadam Stabilizedpavement 沥青路面 AsphaltPavement 沥青路面设计 AsphaltPavementDesign 水泥混凝土路面 RigidPavement CementConcretePavement 水泥混凝土路面设计PortlandConcretePavementDesign 路面工程部分 课程的具体内容 第一章概论 第一章概论 Introduction 第一节道路工程发展概况 History 第二节路基路面工程的特点 Characteristics 第三节路基路面稳定的影响因素 Factors 第四节路基土的分类 SoilCategories 第五节公路自然区划 NatureCategories 第六节路基的水温状况与干湿类型 Moisture 第七节土基的受力特征及要求 Mechanical 第八节路基的变形 破坏及防治 Deformation 第一节道路工程发展概况 History 核心内容 道路的演变与趋势道路的分类城市道路的分类和等级公路的技术等级公路的行政等级国家干线公路网国家高速公路网命名路基路面工程的组成内涵与构成 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 供蓄力车辆和行人通行的大道 CartWay 阶段 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 1 道路的衍变 古罗马道路和结构 1 道路的衍变 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 1 道路的衍变 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 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 1 道路的衍变 2 道路分类 公路是指按现行部颁的 公路工程技术标准 修建 经交通主管部门验收认定的城市间 城乡间 乡间主要供汽车行驶的公共道路 城市道路 农牧场 厂矿 林区 港区 油田等内部的生产作业道路 军事基地内道路及游览点内部道路等均不属于公路 城市道路是指城市范围内 供车辆及行人通行的具备一定技术条件和设施的道路 其中 城市系指直辖市 市 镇及未设镇的县城 厂矿道路是指主要供工厂 矿山运输车辆通行的道路 林区道路则建在林区 主要供各种林业运输工具通行的道路 2 道路分类 城市道路按其在城市道路系统中的地位及交通功能的不同分为四类 快速路 分向高速行驶 立体交叉 需控制出入 一般具有四车道以上 设中央分隔带 主干道 在城市道路网中起骨架作用 以解决区间交通联系及对外交通为主的道路 次干道 连接主干道之间的辅助性干道 支路 是次干道与街道的连接线 以服务功能为主 解决地区交通 3 城市道路的分类和等级 4 公路的技术等级 5 公路的行政等级 7条北京放射线 9条纵向路线 18条横向路线 到2020年 高速公路总规模约8 5万公里 其中主线6 8万公里 地区环线 联络线等其它路线约1 7万公里 6 国家干线公路网 高速公路 7918 网 7 国家高速公路网命名 数字及数字与字母编号 首都放射线编号为1位数 由正北开始按顺时针方向升序编排 编号区间为1 9 纵向路线编号为2位奇数 由东向西升序编排 编号区间为11 89 横向路线编号为2位偶数 由北向南升序编排 编号区间为10 90 并行路线的编号采用主线编号后加英文字母 E W S N 组合表示 E W S N 分别表示并行路线在主线的东 西 南 北方位 地区环线的编号按照由北向南的顺序排列 编号区间为91 99 联络线的编号为4位数 由主线编号 1 联络线顺序号组成 联络线的顺序号按照主线前进方向由起点向终点顺序排列 城市绕城环线的编号为4位数 由主线编号 0 城市绕城线顺序号组成 主线编号为该环线所连接的纵线和横线中编号最小者 如该主线所带城市绕城环线编号空间已全部使用 则先用主线编号次小者 依此类推 如该环线仅有放射线连接 则在1位数主线编号前以 0 补位 同一条国家高速公路穿越多个省 区 市 所连接的城市环线的编号在各个省 区 市 单独排列 在不同省 区 市 允许出现相同的城市绕城环线编号 公路路基是路面的基础 是公路工程的重要组成部分 它是按照路线位置和一定的技术要求修筑的带状构造物 与路面共同承受交通荷载的作用 作为路面的支承结构物 路基必须具有足够的强度 稳定性和耐久性 Strength Stability Durability 8 路基路面工程的组成内涵与构成 公路路面是直接承受交通荷载 大气温度及雨水作用的结构 应具有良好的稳定性和足够的强度 刚度 其表面还应满足平整 抗滑和排水的要求 因此 公路路面应根据交通量及其组成情况和公路等级 使用任务 功能 当地材料及自然条件 结合路基进行综合设计 各级公路的行车道 路缘带 匝道 变速车道 爬坡车道 硬路肩和应急停车带等均应铺筑路面 高速公路和一级公路应采用高级路面 二级公路应采用高级或次高级路面 三级公路宜采用次高级或中级路面 四级公路宜采用中级或低级路面 路面结构一般由面层 基层 底基层组成 8 路基路面工程 8 路基路面工程 面层 SurfaceLayer 基层 Base 含底基层 Subbase 路基 含垫层 面层 面层是直接同行车及大气接触的表面层次 它承受较大行车荷载的垂直力 水平力和冲击力的作用 同时还受到降雨的浸蚀和气温变化的影响 因此 同其它层次相比 它应具有较高的结构强度 抗变形能力和较好的水稳定性与温度稳定性 且应耐磨 不透水 表面还应有良好的抗滑性与平整度 基层 含底基层 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路基 含垫层及土基 因此 它也应具有足够的强度与刚度 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 8 路基路面工程 8 路基路面工程 路基 含垫层 路面结构层以下部分 其中垫层介于基层和土基之间 它可改善土基的湿度和温度状况 使面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态 同时 也可扩散基层传递的荷载应力 减小土基的应力与变形 并可阻止路基土挤入基层 按其作用可分为排水层 隔离层 防冻胀层等 路基处于下列状况的路段应设置垫层 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 8 路基路面工程 70 80cm 道路常用层位及厚度 70 80cm 道路常用层位及厚度 面层 基层 路基 上路床 下路床 上路堤 下路堤 上基层 下基层 底基层 砂石材料 改良土或改善土 水泥混凝土 水泥路面各层位常用材料 级配碎石 CTB LFTB 改良土或改善土 水泥路面各层位常用材料 8 路基路面工程 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进行设计原理 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 8 路基路面工程 沪宁高速拓宽跣刨断面 8 路基路面工程 第二节路基路面的工程特点 核心内容路基路面的工程特点路基路面的使用要求路基路面的性能要求 路线长 工程量大 沿线地形起伏变化大 地质 地貌 气象特征多变 沿线经济程度和交通特点不一样 1 路基路面的工程特点 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 2 路基路面的使用要求 1 承载能力 BearingCapacity 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 3 路基路面的性能要求 第三节路基路面稳定的影响因素 核心内容地理条件地质条件气候条件水文条件土的类别 地形地貌海拔高度路线与地势地貌的结合程度 1 地理条件 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 气温 季节性与地形性 降水日照风力风向 3 气候条件 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 水文条件 1 土的不同颗粒组成形成不同的材料强度机理2 不同类别的土受水温影响的程度不同2 不同的土类有不同的工程特征与性质 5 土的类别 第四节路基土的分类 核心内容土的粒组组成土的种类各种土类的区分各种土的工程性质 土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物 搬运 沉积 风化 岩石 地球 形成过程形成条件 物理 力学性质 影响 第四节路基土的分类 第四节路基土的分类 1 土的粒组组成 不同粒组的划分界限及范围其中以60mm作为粗粒组与巨粒组的分界 以0 074mm作为细粒组与粗粒组的分界 而2mm是粗粒组中的砾与砂粒的区分界限 0 002mm是粘粒与粉粒的区分界限 我国公路用土分类包括巨粒土 粗粒土 细粒土和特殊土四类 计12种 2 土的种类 土类区分的依据一般以主成分粒组进行定义 控制主成分粒组的比例在50 以上 而特殊土则分为黄土 膨胀土 红粘土 盐渍土和冻土 前三者按特殊塑性图上的位置定名 盐渍土按含盐百分率分类 碎石在土类中的位置碎石是人工开采的土类 一般与砾相近 3 各种土类的区分 3 各种土类的区分 巨粒土 3 各种土类的区分 3 各种土类的区分 细粒土 认识清楚路基及路面底基层用土的工程性质 则可根据不同的土类采取不同的工程技术措施 级配良好的砾石混合料是良好的路基路面材料 巨粒土是良好的路基材料 砂性土是施工效果最优的路基建材 粘性土是较常见 效果也较好的路基路面建材 粉性土属于不良材料 最容易引起路基病害 特殊土用于路基时必须采取技术措施加以处理 4 各种土的工程性质 道路工程特征相似的原则地表气候区划差异性原则自然气候因素既有综合又有主导作用的原则 第五节公路自然区划 1 公路区划依据的意义 2 公路区划依据的原则 我国的公路自然区划分为三级 一级区划按多年冻土 季节冻土及全年不冻土三大地带考虑冰冻 水热平衡和地理位置分为北部多年冻土区 东部温润季冻区 黄土高原干湿过渡区 东南湿热区 西南潮暖区 西北干旱区和青藏高寒区等七个大区 二级区划是在一级区划内再以潮湿系数为依据分为过湿 中湿 润湿 润干 中干和过干等六个等级 结合各区地理 气候特征等因素进行二级区和二级副区的划分 三级区划则是二级区划的具体化 3 我国的公路自然区划 3 我国的公路自然区划 不同地区自然条件的差异同公路建设关系密切路基路面与地势地貌 地质 水文 水热及土质等不同区划特征紧密相关各区划有各自不同的设计注意点 见P14 4 区划与路基路面设计的相关性 第六节路基的水温状况与干湿类型 核心内容路基的干湿状态路基干湿状态的要求路基干湿类型的划分指标路基干湿类型的划分标准路基干湿类型的确定方法 第六节路基的水温状况与干湿类型 1 路基的水温状况 1 路基水的来源原始土具有的自然含水量 大气降水 地面水 地下水 毛细上升水 水蒸汽凝结水 薄膜移动水 2 路基水温状况及其变化地下水与温度共同作用造成路基湿度的变化 最典型的是路基冻胀与翻浆现象 1 路基的水温状况 冻胀丘Pingo 热融thaw 温度造成路基体的膨胀与收缩 甚至引起路基的冻胀 温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割 温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂 3 温度对路基路面稳定的影响 路面开裂 湿度对路基的影响 湿软 冰冻及整体不稳定 需设置良好的排水设施 并控制路基的干湿类型 湿度对路面的影响 水分积蓄于路基路面体内 降低路基路面的强度与刚度 造成路面破坏 并可进一步加剧路面透水性 4 湿度对路基路面稳定的影响 路基的干湿状态路基存在四种干湿状态 干燥 中湿 潮湿和过湿路基干湿状态的要求一般要求处于干燥或中湿状态路基干湿类型的划分指标以分界稠度 c1 c2 c3作为划分指标路基干湿类型的划分标准 5 路基的干湿类型划分 路基干湿类型的划分标准 表1 7 路基极不稳定 冰冻区春融翻浆 非冰冻区弹簧 路基经处理后方可铺筑路面 路基高度 过湿 路基上部土层处于地下水或地表积水毛细影响区内 路基高度 潮湿 路基上部土层处于地下水或地表水影响的过渡带区内 路基高度 中湿 路基干燥稳定 路面强度和稳定性不受地下水和地表积水影响 路基高度 干燥 一般特性 路基平均稠度与分界相对稠度的关系 路基干湿类型 6 路基干湿类型的确定方法老路 求算平均稠度 查表确定干湿类型原有道路的土基以下80cm范围内的平均稠度Bm 应在不利季节测定 如当地有非不利季节与不利季节的路基湿度换算关系时 可在非不利季节测定 再换算为不利季节的数值使用 新路 以路基临界高度为判别标准 与分界稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度称为路基临界高度H 即 H1相对应于wc1 为干燥和中湿状态的分界标准 H2相对应于wc2 为中湿与潮湿状态的分界标准 H3相对应于wc3 为潮湿和过湿状态的分界标准 图 路基临界高度与路基干湿类型 7 路基干湿类型的确定方法 H1 H2 H3见表1 9 路基的水温状况与干湿类型 讨论 路基干湿类型如何保证 新建公路 路基处于设计阶段 如何保证路基满足规定的干湿类型 已建公路 路基处于潮湿状态 如何使其满足干燥或中湿状态 第七节土基的受力特征及要求 核心内容路基受力状况路基工作区路基工作区深度 路基自重应力 路基任意点 第七节土基的受力特征及要求 1 路基受力状况 车轮荷载应力 1 均布荷载2 集中荷载 在路基某一深度Za处 当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小 仅为1 10 1 5时 该深度Za范围内的路基称为路基工作区 概念 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 工作区内 强度 稳定性重要 压实度提高 讨论工作区 对模量不同的路面结构 应将路面折算为与路基同一性质的整体后 再进行计算 要求 2 路基工作区 WorkZone 第七节土基的受力特征及要求 2 路基工作区深度 第八节路基的变形 破坏 核心内容路基病害类型路基沉陷冰胀与翻浆边坡滑塌挡土墙或护坡的裂缝 断裂 鼓肚或沉陷特殊地质条件下的路基损害路基病害来源路基破坏原因分析路基病害的工程防治 1 路基常见的病害 路基沉陷冰胀与翻浆边坡坍塌和溜坡挡土墙或护坡的裂缝 断裂 鼓肚或沉陷 第八节路基的变形 破坏及防治 路基沉陷 a 路基沉陷 b 路基沉缩 c 土基沉陷 1 路基沉陷 2 冰胀与翻浆 FrostHeaveandThaw 一般是冻敏土在水和低温温差的影响下形成毛细现象积聚冰棱所致 这种现象发生于季节性冰冻地区 当温度在零摄氏度以下反复变化时 由于负温度的坡差影响会将路基内的水分以毛细吸管的形式积聚到上部冻结隆起 从而使路基隆起和路面开裂 发生冰胀 而到了春融季节 路基上层土首先化冻 水分无法排出或下渗 这时在行车作用下泥浆就会沿路面裂逢冒出 形成翻浆 热棒 通风管路基 3 边坡滑塌 路基边坡在降雨 地震等条件下出现的边坡失稳现象 4 挡土墙或护坡的裂缝 断裂 鼓肚或沉陷 裂缝 基础处理不当而造成砌体产生沉陷或施工处理与养护不当而使砌体产生过度收缩或膨胀等都会引起砌体的裂缝 断裂 倾斜或鼓肚 一般是由于砌体后土的侧向压力增大或基础的不均匀沉陷所致 多由水的作用或冰冻作用而引起 沉陷 由于基础土质松软或压实不足所致 滑坡泥石流岩溶地震 5 特殊地质水文条件下的破坏 2 路基常见的来源 第八节路基的变形 破坏及防治 路堤的变形破坏路堑的变形破坏特殊地质水文条件下的破坏路基破坏原因分析 第八节路基的变形 破坏及防治 1 不良工程地质和水文地质条件地质构造 岩层走向 土质 地下水位等 2 不利的水文和气候因素降雨 洪水 干旱等 3 设计不合理边坡坡度 填高 排水 加固防护等 4 施工不合理填筑顺序 压实 爆破等 3 路基破坏原因分析 4 路基病害的工程防治 路肩的养护边坡的养护排水设施的养护挡土墙和护坡的养护路基翻浆的养护软土地区养护 第八节路基的变形 破坏及防治 分析讨论 依据路基的破坏类型 讨论路基干湿类型 路基土选择 路基工作区的意义 要求 做好PPT汇报 图文举例等说明 时间 10 15分钟 1 路基结构承载能力包含哪两个方面 各反映结构的哪些特征 与路面的病害有何关联 2 为什么要对路基进行特别重视 其稳定过程受哪些因素影响 3 我国公路用土如何进行类型划分 土的粒组又如何区分 4 我国公路自然区划的原则是什么 各自然区划的道路设计应注重的特点有何差别 5 名词解释 路基干湿类型 路基临界高度 路基冻涨与翻浆 6 何谓路基工作区 当工作区深度大于路基填土高时应采取何措施 为什么 7 车辆荷载重复作用对路基产生的影响有哪些结果 其取决因素有哪些 8 何为CBR 其反映结构材料的什么特性 9 路基病害的主要类型及其产生的主要原因 复习思考题 复习思考题 10 一公路修建在 4区 黏性土 经测定路基80cm范围内的平均稠度wc为1 18 请问干湿类型出于什么状态 当wc为1 30 1 08时 路基干湿类型又处于什么状态 11 一公路修筑在 1区 粉性土 请问当路基高度分别为2 5m 2 0m 1 5m时 路基干湿类型可能处于什么状态 12 已知道路路面结构为4cmAC 6cmAC 8cmAC 38cm水泥稳定碎石 20cm二灰土 抗压模量分别为1800Mpa 1600Mpa 1400Mpa 1900Mpa 和900Mpa 路基模量为45Mpa 路基高度为3 0m 请计算路基工作区范围 13 已知道路路面结构为4cmAC 6cmAC 18cm水泥稳定碎石 20cm二灰土 抗压模量分别为1600Mpa 1200Mpa 1900Mpa 和900Mpa 路基模量为45Mpa 路基高度为2 0m 请计算路基工作区范围 14 综合分析作业12和作业13 如何保证路基工作区符合要求 第二章 一般路基设计 主要内容 第一节路基设计的一般要求第二节路基的类型与构造第三节路基设计第四节路基附属设施 第一节路基设计的一般要求 路基 路面的基础自重作用 路面结构重力 交通荷载1 路基设计的基本要求 具有足够的强度 稳定性和耐久性 符合环保 地质 水文等要求 地质条件 地址参数明确 避免高路堤与深路堑 高速公路 一级公路应采用动态设计 提倡采用成熟的新技术 新材料和新结构 符合经济性的要求 第一节路基设计的一般要求 路基 路面的基础自重作用 路面结构重力 交通荷载2 路基设计内容 路基设计包括 地基处理设计 路基填料选择 防护工程设计 排水工程设计 关键部位 台背 挡土墙背 涵洞背等 路基设计与施工设计 第一节路基设计的一般要求 3 一般路基的概念通常是指在良好的地质与水文条件下 填方高度 1 5m h 18m 或挖方深度不大的路基 它可结合当地地形 地质直接选用典型断面或设计规定而不需进行个别论证与验算 根据路线平 纵 横设计进行路基布置 在荷载应力作用区 路基工作区 内部分应进行严格碾压施工 特别是路床部分 与路面设计一起进行综合考虑 必须有确保路基强度与稳定性的附属设施 包括路基排水 路基防护与加固 取土坑 弃土堆 护坡道等 对于一般路基 可结合当地情况选用典型断面图或设计规定 不必进行论证和演算 对于高填 深挖路基及地质和水文条件特殊的路基 须进行个别设计和验算 4 路基设计的一般要求 第一节路基设计的一般要求 第一节路基设计的一般要求 5 路基设计标高 1 新建公路的路基设计标高 高速公路和一级公路采用中央分隔带的外侧边缘标高 二 三 四级公路宜采用路基边缘标高 在设置超高 加宽地段为设超高 加宽前该处边缘标高 2 改建公路的路基设计标高 一般按新建公路的规定执行 也可视具体情况而采用中央分隔带中线或行车道中线标高 3 问 应该称为路面标高 为什么称为路基设计标高 1 路基横断面的典型型式 第二节路基的类型与构造 路基断面形式 a 路堤 b 路堑 f 不填不挖路堤 e 半填半挖路基 d 半路堑 c 半路堤 2 路堤的类型与构造要求 路堤的常见横断面型式 见下图 1 路堤按填高分 有 矮路堤 H18 20m 一般路堤 H 1 5 18m 2 路堤按所处条件和加固类型分 有 浸水路堤护脚路堤挖沟填筑路堤等 第二节路基的类型与构造 第二节路基的类型与构造 a 矮路堤 b 一般路堤 c 浸水路堤 d 护脚路堤 e 挖沟填筑路堤 路堤断面形式 路堤 embankment 在天然地面上用土或石填筑的具有一定密实度的线路建筑物 路堤结构 路基填料的选择与密实度控制在路基设计 施工中最为重要 第二节路基的类型与构造 路堑cutting 是指全部在原地面开挖而成的路基或低于原地面的挖方路基 作用 缓和道路纵坡或越岭线穿越岭口控制标高 危害 破坏了厚地层的天然平衡状态 不利于排水 通风 3 路堑的类型与构造要求 第二节路基的类型与构造 4 半填半挖式路基 part cut part fill 指的是在一个横断面内 部分为路堤 部分为路堑的路基 第二节路基的类型与构造 5 一般路堤和矮路堤的构造要求 1 满足最小填土高度要求 2 因工作区可能涉及到天然地面 除填方路堤须满足施工要求外 天然地基必须压实 必要时须换土或进行加固 3 可结合两侧排水沟进行挖土填筑路基 可在路基侧设置护坡道 4 对地面纵 横坡较陡处必须挖台阶再填筑 从而保证路基不沿坡向有滑动可能性 5 必要时可设置石砌护脚进行路基防护 第二节路基的类型与构造 6 高路堤及浸水路堤的构造要求 1 必须进行个别设计 2 边坡可采用上陡下缓的折线形式或台阶形式 3 边坡表面须采取适当的防护或加固措施 7 路堑的构造要求 1 边坡可设置为直线或折线 2 挖方边坡坡脚处须设置边沟 3 路堑上方应设置截水沟 4 坡面易风化时须采取防护措施 并设碎落台 5 挖方路基下天然地基必须人工压实 必要时应翻挖重填 换土或进行加固处理 8 半填半挖路基的构造要求 1 对路堤和路堑的要求都应满足 2 压缩用地宽度及减小填方量时 可在填方侧设护坡或护墙 也可设置护肩墙或路堤墙 特殊时可设半山桥路基 第二节路基的类型与构造 第二节路基的类型与构造 讨论 矮路堤有什么特点 如何合理使用矮路堤 美国公路一般采用什么路基 第三节核心内容 一般路基设计的内容路基宽度的概念路基高度的概念路基的边坡波度路基压实 选择路基断面型式 确定路基宽度与路基高度 确定边坡形状与坡度 选择路基填料与压实标准 路基排水系统布置与排水结构设计 坡面防护与加固设计 附属设施设计 1 一般路基设计的内容 第三节路基设计 1 路基宽度的概念 路基宽度为行车道 路肩 中间带 变速车道 爬坡车道等宽度之和 一般可理解为土路肩外边缘之间的距离 2 路基宽度的确定原则须考虑占用土地及生态问题 应尽可能少占农田 考虑填挖平衡以减少取土开挖 防止水土流失以维护生态平衡 2 路基宽度设计 第三节路基设计 公路路基宽度图a 高速公路和一级公路b 二 三 四级公路 第三节路基设计 第三节路基设计 2 路基宽度设计 3 路基宽度的确定行车道 3 5 3 75m 与车辆宽度 设计交通量 交通组成和汽车行驶速度等有关 路肩 高速公路 一级公路的平原微丘区 有条件时路肩宽度宜采用 2 50m的硬路肩 中间带 最小中间带宽度随公路等级 地形条件变化在2 50m 4 50m之间 特殊情况下可减至2 00m 中间带的宽度根据行车带以外的侧向余宽 防止驶入对向行车带护栏 防眩网 交叉公路的桥墩等所需的设置带宽度而定 变速车道 高速公路和一级公路 当纵坡大于 时 可沿上坡方向设爬坡车道 爬坡车道的宽度一般为 米 爬坡车道 高速公路互通式立体交叉 服务区 车站等处 应设置变速车道 变速车道的宽度一般为 米 第三节路基设计 4 技术标准 第三节路基设计 4 技术标准 第三节路基设计 讨论 路基宽度 a b 哪一个是路基宽度 路基高度 是指路堤的填筑高度或路堑的开挖深度 一般为路基设计标高与原地面 中心线 标高之差 由于原地面不平整 因此还有边坡高度 路基高度的确定 路基高度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 高路堤及深路堑的判别标准以边坡高度为依据 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 3 路基高度设计 第三节路基设计 第三节路基设计 讨论 路基高度 a b c 有路拱又怎么办 路基边坡概念 用边坡高度与边坡宽度之比H b的形式表示 并取H 1计算为1 m 路堤 或1 n 路堑 的形式表示边坡坡率 边坡坡度的大小 取决于边坡的土质 岩石的性质及水文地质条件等自然因素和边坡的高度 路基边坡坡度的大小直接影响路基的整体稳定性及土石方量和施工难易程度 一般路基的边坡坡度应通过设计验算确定 也可根据多年工程实践经验和设计规范推荐的数值进行采用 4 路基的边坡坡度 第三节路基设计 1 常用的路堤边坡坡度 1 一般路堤边坡坡度 路堤边坡坡度表 路基边坡坡度示意图 第三节路基设计 2 高路堤及沿河浸水路堤 单独设计 3 填石路堤 用大于25cm不易风化的石块砌筑 坡度可用1 1 4 陡坡填方可采用砌石护墙 顶宽0 8m 基底以1 5向内斜 H 2 15m 5 地震地区边坡高度极限值 第三节路基设计 2 常用的路堑边坡坡度 1 路堑边坡设计时应考虑地貌 地质构造上的整体稳定性 不良情况时应使路线避绕 稳定的地质也应考虑开挖后能否造成坡面减少支承而引起失稳 2 土质路堑边坡坡度 第三节路基设计 3 岩石路堑边坡坡度 岩石挖方边坡坡度表 第三节路基设计 岩质边坡的岩体分类 第三节路基设计 4 H 10m时地震地区岩石路堑边坡坡率 第三节路基设计 1 压实的意义 分层压实致密的路基能防止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密变形 从而确保路面的使用品质和使用寿命 2 路基填料的选择 CBR符合要求 3 路堤的压实 满足要求 4 路堑的压实 一般天然土体的密实程度都不能满足路基设计要求 有必要挖开后再分层填筑压实 使其达到一定的均匀密实要求 5 路基的压实 第三节路基设计 试验设备击实筒V 2177cm3 击实锤w 4 5kg试验条件土样分层n 3层 落高d 45cm 击数N 98 层击实能量 试验方法对 为定值的土 分三层压实 测定击实后的 算定 d 注意 仅适用于细粒土 对粗粒土 可用较大尺寸的击实仪 第三节路基设计 5 路基的压实 3 公路室内击实试验 第三节路基设计 5 路基的压实 4 室内击实国家标准 土工试验方法标准 国家标准 轻型 d 5mm V 947cm3 m 2 5kg 落高30 5cm 分3层 每层25击重型 d 40mm V 2177cm3 m 4 5kg 落高45 7cm 分3层 每层98击 5 路基土的压实度概念 路基土达到的干密度值与标准击实法得到的最大干密度的比值的百分数表示 6 要求压实的土层 路堤填土部分 零填及挖方路基 特点 具有峰值 位于饱和曲线之下 粘性土K很小 压实过程中含水量几乎不变 不可能击实到饱和状态 0481216202428含水量w 饱和曲线 dmax 1 86 wop 12 1 最大干密度最佳含水量 第三节路基设计 5 路基的压实 7 室内击实曲线 a 击实功能 b 土的级配 含水量 c 击实方式 夯实 辗压 振动 辗压对粘土比较合适 第三节路基设计 5 路基的压实 8 影响因素 1 低于最佳含水量时容易提高密实度 从而增强抗变形能力和强度 高于最佳含水量时则难以获得高的密实度 2 压实土遇水浸湿含水量增长的程度与压实时的含水量及土质有关 在接近或略大于最佳含水量时压实的土 其吸水量与膨胀量最小 最稳定 3 压实土浸湿后的抗变形能力 在 0时压实的土可望得到最高的浸湿后的抗变形能力 同时 增加压实功 提高密度可以得到较高的浸湿后的抗变形能力 第三节路基设计 5 压实土的特性 路基土最小强度和压实度要求 路堤压实度及路堤填土最小强度要求 第三节路基设计 6 压实度标准 第三节路基设计 7 土的压实技术 借方与弃方不可避免 若能结合不同标段进行协调处理 则不仅可以降低工程造价 还可以维护自然平衡 但须进行调配安排及合理计算运费 平坦地区用土量少时可沿路两侧抽沟取土 结合路基排水及农田灌溉安排 但对于堤顶至坑底高差大及软弱地基区域 取土坑易远离路基坡脚 并进行坑设计 废方能利用应尽量加以利用 实在需堆弃也应尽量不影响路基 做好相关设计 尤其应控制废方的数量 1 取土坑与弃土堆 第四节路基附属设施 路旁取土坑示意图 1 路堤 2 取土坑 第四节路基附属设施 护坡道有利于降低边坡平均坡度 保护边坡稳定 软土地段还有助于路基沉降均匀及路基整体稳定 但护坡道设置涉及到土地占用及工程经济 应兼顾好稳定与经济合理性 碎落台设于挖方边坡坡脚处 保护边沟不被碎落的土石块堵塞 也可同时兼起护坡道作用 2 护坡道与碎落台 第四节路基附属设施 错车道一般用于单车道公路会车或紧急避让之用 可每隔200 500m设置一处 长度不小于30m 前后各有10m的出入过渡段 单车道的路基宽度一般为4 5m 而错车道地段的路基宽度一般为6 5m 必须在路基设计时加以考虑 3 错车道 第四节路基附属设施 急流槽是路面排水采取集中排泄方式时的必须设施 一般与消力池进行综合设计考虑 急流槽的过水断面必须加以计算 应进行其稳定性设置 4 急流槽与消力池 第四节路基附属设施 第四节路基附属设施 4 急流槽与消力池 1 名词解释 路堤 路堑 一般路基 路基高度 路基宽度 路基边坡坡度 路基土的压实度2 保证路基稳定性的一般技术措施包括哪些方面 3 何谓矮路堤 在什么情况下使用矮路堤 为什么 选用该种形式路堤有何利弊 设计上要注意什么问题 4 一般路基的设计包含哪些主要内容 5 一般路堤的横截面尺寸如何设计 6 选定路基填筑高度主要考虑什么因素 7 路基土有何压实特性 8 一般路基工程的附属设施包括哪些内容 复习思考题 课外任务二 根据你对所学的道路勘测设计理解及对路基结构组成的理解 对路基宽度及高度的内容展开讨论 理解其准确概念及工程设计与施工中的具体概念取用 课外任务 结合第一章和第二章的内容 讨论路基破坏形式 如在在设计与施工中进行保证 要求做成ppt 图文并茂 讲述10分钟 第三章 路基稳定性分析计算 主要内容 第一节概述第二节直线滑动面的边坡稳定性分析第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析第四节软土地基的路基稳定性分析第五节浸水路堤的稳定性分析第六节路基边坡抗震稳定性分析 第一节概述 宁淮高速公路 第一节概述 宁杭高速公路 第一节概述 第一节概述 第一节核心内容 边坡失稳的原因边坡稳定性分析的计算参数边坡稳定性分析的基本假定 1 边坡种类 天然边坡 人工边坡 边坡 具有倾斜坡面的岩土体 土坡 具有倾斜坡面的土体 第一节概述 天然边坡 江 河 湖 海岸坡山 岭 丘 岗 天然坡 第一节概述 人工边坡 挖方 沟 渠 坑 池填方 堤 坝 路基 堆料 露天矿 第一节概述 小浪底土石坝 2 什么是滑坡 边坡丧失其原有稳定性 一部分土体相对与另一部分土体滑动的现象称滑坡 土坡滑坡前征兆 坡顶下沉并出现裂缝 坡脚隆起 第一节概述 第一节概述 第一节概述 内部原因 1 土质 各种土质的抗剪强度 抗水能力是不一样的 如钙质或石膏质胶结的土 湿陷性黄土等 遇水后软化 使原来的强度降低很多 2 土层结构 如在斜坡上堆有较厚的土层 特别是当下伏土层 或岩层 不透水时 容易在交界上发生滑动 3 边坡形状 突肚形的斜坡由于重力作用 比上陡下缓的凹形坡易于下滑 由于粘性土有粘聚力 当土坡不高时尚可直立 但随时间和气候的变化 也会逐渐塌落 3 路基失稳的原因 第一节概述 外部原因 1 降水或地下水的作用 持续的降雨或地下水渗入土层中 使土中含水量增高 土中易溶盐溶解 土质变软 强度降低 还可使土的重度增加 以及孔隙水压力的产生 使土体作用有动 静水压力 促使土体失稳 故设计斜坡应针对这些原因 采用相应的排水措施 2 振动的作用 如地震的反复作用下 砂土极易发生液化 粘性土 振动时易使土的结构破坏 从而降低土的抗剪强度 车辆运动 施工打桩或爆破 由于振动也可使邻近土坡变形或失稳等 3 人为影响 由于人类不合理地开挖 特别是开挖坡脚 或开挖基坑 沟渠 道路边坡时将弃土堆在坡顶附近 在斜坡上建房或堆放重物时 都可引起斜坡变形破坏 3 路基稳定性分析的原因 根本原因 边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度 具体原因 1 滑面上的剪应力增加 2 滑面上的抗剪强度减小 3 路基稳定性分析的原因 第一节概述 土的计算参数 可分层划段 使参数一致 一般采用直接快剪或三轴不排水剪切试验 高路堤时宜采用直接固结快剪或三轴固结不排水剪切试验 软土地基宜采用直接固结快剪或三轴不固结不排水剪切试验 边坡的取值可取综合坡度值 也可用坡顶与坡脚连线近似表达汽车荷载的当量换算L 12 8m Q 550kN 双车道N 2 单车道N 1 B Nb N 1 m d b 1 8m m 1 3m d 0 6m 4 边坡稳定性分析的计算参数 第一节概述 第一节概述 试验参数 第一节概述 5 假定1 基本假定 不考虑滑动土体本身内应力分布 认为平衡状态只在滑动面上达到 滑动时成整体下滑 最危险的破裂面位置通过试算确定 5 假定 均质粘性土 光滑曲面 圆柱面 圆弧 非均质的多层土或含软弱夹层的土坡 复合滑动面 2 滑动面的形状 无粘性土 平面 第一节概述 直线曲线折线 工程地质法 比拟法 力学分析法图解法 6 土坡稳定性分析方法 1 按失稳土体的滑动面特征划分 2 稳定性分析计算方法 第一节概述 第二节核心内容 适用范围试算法解析法 直线法适用于砂土和砂性土 两者合称砂类土 土的抗力以内摩擦力为主 粘聚力甚小 边坡破坏时 破裂面近似平面 1 适用范围 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 2 试算法 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 式中 滑动面的倾角 f 摩擦系数 f tan L 滑动面的长度 N 滑动面的法向分力 T 滑动面的切向分力 c 滑动面上的粘结力 Q 滑动体的重力 直线滑动面上的力系示意图方法 假定 计算K与 的关系 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 3 解析法 边坡稳定系数最小值 式中 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 第三节核心内容 适用范围分析方法圆弧滑动面的分析法瑞典圆弧滑动法假设瑞典圆弧滑动法平衡公式滑动圆弧的圆心确定瑞典圆弧滑动法的思路瑞典圆弧滑动法步骤简化的Bishop法 土的粘力使边坡滑动面多呈现曲面 通常假定为圆弧滑动面 圆弧法适用于粘土 土的抗力以粘聚力为主 内摩擦力力较小 边坡破坏时 破裂面近似圆柱形 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 1 适用范围 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 2 分析方法瑞典法 WolmarFellenius法 简化的Bishop法传递系数法 假定滑动面为圆柱面 截面为圆弧 利用土体极限平衡条件下的受力情况 滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比 饱和粘土 不排水剪条件下 u 0 f cu 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 3 圆弧滑动面的分析法 假设圆弧滑动面确定圆心和半径 把滑动土体分成若干条 条分法 建立土条的静力平衡方程求解 取单位厚度计算 O r Wi Hi Vi Hi 1 Vi 1 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 4 圆弧滑动面的条分法 1 瑞典圆弧滑动法假设 假设 静定条件 各土条间的合力Si Si 1平行于滑动面 并且相等 Si Si 1 建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程 得 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 4 圆弧滑动面的条分法 2 瑞典圆弧滑动法平衡公式 粘性土土坡滑动前 坡顶常常出现竖向裂缝 裂缝的出现将使滑弧长度由AC减小到A C 如果裂缝中积水 还要考虑静水压力对土坡稳定的不利影响 Fs是任意假定某个滑动面的抗滑安全系数 实际要求的是与最危险滑动面相对应的最小安全系数 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 3 瑞典圆弧滑动法原理 顶面有开裂 1 圆心确定计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧的圆心位置 4 5H法 5 瑞典圆弧滑动条分法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 a 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 瑞典圆弧滑动条分法 圆心确定2 其他辅助方法 36 线法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 瑞典圆弧滑动条分法3 1和 2的确定 R O 对均质粘性土土坡 其最危险滑动面通过坡脚 0 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 圆弧滑动面的条分法 4 最危险滑动面圆心的确定 当土的内摩擦角 0时 最危险圆弧滑动面为一通过坡脚的圆弧 其圆心为D点 4 最危险圆弧滑动面圆心的确定 续 当土的内摩擦角时 最危险圆弧滑动面也为一通过坡脚的圆弧 其圆心在ED的延长线上 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 最危险滑动面圆心的确定Flash 滑动土体分为若干垂直土条 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 圆弧滑动面的条分法 5 条分法基本思路 滑动力矩 抗滑力矩 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 条分法基本思路 6 条分法分析步骤I 按比例绘出土坡剖面 确定一圆心O 画出滑动面 将滑动面以上土体分成几个等宽或不等宽土条 每个土条的受力分析 静力平衡 假设两组合力 Pi Xi Pi 1 Xi 1 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 6 条分法分析步骤 滑动面的总滑动力矩 滑动面的总抗滑力矩 确定安全系数 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 条分法计算步骤 圆心O 半径R 分条 编号 列表计算Wibi i 变化圆心O和半径R Fs最小 END 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 1 表解法和图表法主要是对条分法进行简化后的粗略估算使用表解法见4 9和图解法4 10式 2 解析法针对高塑性土 具体分为坡脚圆法和中点圆法坡脚圆法见4 14和中点圆法见4 17式 6 圆弧滑动面的图表法及解析法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 7 存在问题 1 简便法在力学上的矛盾 计算假定引起 si 1 si si si 1 2 相临土条的si不相等 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 8 简化的Bishop法 1955 建立土条侧面力平衡方程 土条i Hi Hi 1 Hi 因 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 忽略成对条间力产生的力矩 按滑动体整体力矩平衡 则 Hi 0 一般式 简化式 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 由于 因H1 0 Page 179 通常迭代3 4次就可满足精度要求 迭代法求Ks 假定Ks 1 0 计算m i Ks Ks 是 否 Ks Ks 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 几种稳定性验算方法的比较 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法不平衡推力法假定各土条间推力Pi 即水平力Ei和竖向力Vi的合力 的作用方向平行于上侧土条滑动面的倾角 由土条滑动面上切向力平衡条件得到Ei Wisin i Ei 1cos i 1 i Ti因代入得 Ei Wisin i Ei 1cos i 1 i 再由土条滑动面上法向力平衡条件得到Ni Wisin i Ei 1sin i 1 i 代入得 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 公路路基设计规范要求路堤稳定安全系数要求 假定 得 2 土条平衡方程 H Wi Hi Vi Hi 1 Vi 1 水平方向 垂直方向 1 Vi Vi 1 滑动面上的破坏条件 由 2 3 两式整理后得到Ni 11 简布 Janbu 法说明 自学 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 4 代入 3 得 根据平衡条件 1 2 及假定 2 得 其中 式 5 代入上式得 所以 11 简布 Janbu 法说明 自学 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 假设 静定化条件 各土条间的合力Si Si 1平行于滑动面 并且相等 Si Si 1 建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程 得 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 圆弧滑动面的条分法 瑞典圆弧滑动法平衡公式 总结 简化的Bishop法 总结 建立土条侧面力平衡方程 土条i Hi Hi 1 Hi 因 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 各种条分法比较 总结 条分法 瑞典条分法 毕肖普法 简布法 计算假定 Si Si 1 平衡方程 破坏面 圆弧 圆弧 不限圆弧 安全系数 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 作业问题路基工作区路基工作区单位 一般路堤截面尺寸如何设计 路基自重应力 车轮荷载应