第4章 路基设计.ppt

第四章路基设计,学习目标1.了解路基横断面的基本型式和基本构造，路基用土和干湿类型2.掌握路基强度及稳定性的概念，路基稳定性设计、路基排水、路基防护与加固工程设计的原则与方法。本章重点路基强度及稳定性的概念，路基稳定性设计、路基排水、路基防护与加固工程设计。,第一节概述第二节路基的强度与水稳定性第三节路基的强度与水稳定性第四节路基排水设计第五节路基防护与加固,第一节概述,一、路基的作用,路基是路面的基础，它与路面共同承受车辆荷载的作用路基的强度和稳定性，是保证路面强度和稳定性的先决条件。,二、一般路基设计,（一）路基横断面的基本类型路堤定义：高于原地面的填方路基。路堑定义：低于原地面的挖方路基。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。不填不挖路基,1、路堤,a)矮路堤b)一般路堤c)沿河路堤d)护脚路堤e)挖渠填筑路堤,2、路堑,3、半填半挖路基,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,4、不填不挖路基,原地面与路基标高相同构成不填不挖的路基断面型式，如图。这种型式的路基，虽然节省土石方，但对排水非常不利，容易发生水淹、雪埋等病害，只适用于干旱的平原区、地下水位较低的丘陵区、山岭区的山脊线以及过城镇街道和受地形限制处。,图4-4不填不挖路基横断面型式,（二）路基的基本构造,1、路基宽度道路路基宽度为行车道和路肩宽度之和。,2、路基高度路基高度是路基设计标高和中桩地面标高的差值。路堤为填筑高度，路堑为开挖深度。路基高度的确定，应在路线纵断面设计时，综合考虑路线纵坡要求，路基稳定性和工程经济等因素后确定。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。,3、路基边坡坡度路基边坡坡度是以边坡高度与边坡宽度之比来表示的。为了方便起见，通常将边坡高度定为1，与的比值是几，这个坡度就是1比几，写成1:或1:。,（1）路堤边坡坡度,2、路堑边坡坡度,a)直线形b)上陡下缓折线形c)上缓下陡折线形d)台阶形,（三）路基工程的附属设施,取土坑：取土坑底纵坡不小于0.5%，横坡度2%3%，并向外侧倾斜。取土坑边坡一般不宜陡于1:1.0，靠路基一侧不宜陡于1:1.5。弃土堆：山坡弃土应注意避免破坏或掩埋下侧林木农田，沿河弃土应防止河床堵塞或引起水流冲毁农田房屋等。护坡道与碎落台：护坡道的作用是保护路基边坡。护坡道一般设在路堤坡脚或挖方坡脚处。碎落台设置于挖方边坡坡脚处，位于边沟外缘，有时亦可设在挖方边坡的中间。其作用是给零星土石块下落时提供临时堆积，以免堵塞边沟，同时也起护坡道的作用，此外在弯道上也起到增大视距的作用。,第二节路基的强度与稳定性,土基强度的评定路基用土路基干湿类型道路自然区划,一、土基强度的评定,路基受力状况路基受力工作区路基的强度,（一）路基受力状况,路基承受两种荷载，一种是路面和路基的自重力，另一种是车辆荷载。在两种荷载的共同作用下，使路基土处于受力状态当车辆荷载作为圆形均布荷载时，圆形均布荷载中心下土基的垂直压应力,土基自重引起的压应力,路基内任一点处所受的垂直应力，应是由车辆荷载引起的垂直应力1和由土基自重引起的垂直应力2两者的叠加,（二）路基受力工作区,在路基的某一深度a处，车辆荷载的应力仅为路基自重应力的车辆荷载起作用的这一深度范围，称为路基工作区，或称应力作用区,图4-9土基应力分布示意图,图4-10路堤高度与路基工作区深度的关系,（三）路基的强度,抗剪强度回弹模量,1、抗剪强度,在路基边坡内，其强度不足以抵抗剪应力的作用时，则相邻两部分土体便将沿某一剪切面（滑动面）产生相对位移，使边坡破坏，稳定丧失。这种沿剪切面使土体破坏的现象称为剪切破坏。,土的抗剪强度由下式表示：,2、回弹模量,图4-11在圆形均布荷载作用下土基表面的垂直位移,假定土基为均质的弹性体，在圆形垂直均布荷载作用下，应力与应变成直线关系时，荷载与竖向变形间的关系可用下式表示：,二、路基用土,1.巨粒土巨粒土有很高的强度及稳定性，是填筑路基的很好材料。2.粗粒土砾类土由于粒径较大，内摩擦力亦大，因而强度和稳定性均能满足要求。砂和含细粒土砂无塑性，透水性强，毛细上升高度很小，具有较大的摩擦系数，强度和水稳定性较好。3.细粒土粉质土为最差的筑路材料。粘质土透水性很差，粘聚力大，因而干时硬，不易挖掘。4.特殊土特殊土不宜作路基填料。,三、路基干湿类型,路基干湿类型及湿度来源路基干湿类型划分方法,（一）路基干湿类型及湿度来源,土基干湿类型可分为干燥、中湿、潮湿和过湿四种,路基湿度变化的水源：,（二）路基干湿类型划分方法,根据平均稠度划分,根据临界高度划分,1、根据平均稠度划分,路基土的稠度wc是指土的液限含水量的wL与土的含水量w之差和土的液限含水量wL与塑限含水量wp之差的比值。,表达式：Wc=（WLW）/（WLWp）含义：Wc=1.0半固体与硬塑状的分界Wc=0流塑与流动状的分界1.0Wc0可塑状态,应用：老路。路基的干湿类型可以实测不利季节路床表面以下80cm深度内土的平均稠度。,2、根据临界高度划分,当路基处于某种干湿状态时，路床表面距地下水位或地表积水水位的最小高度称为路基临界高度。,图4-13路基临界高度与路基干湿类型,分界标准：H1相应于wc1，为干燥和中湿状态的分界标准H2相应于wc2，为中湿和潮湿状态的分界标准H3相应于wc3，为潮湿和过湿状态的分界标准应用：新建公路在设计新建道路时，如能确定路基临界高度值，则可以以此作为判别标准，与路基设计高度作比较，由此确定路基的干湿类型，,四、道路自然区划,制定公路自然区划的原则全国的公路自然区的划分,制定公路自然区划的原则,道路工程特征相似地表气候区划差异性自然气候因素既有综合又有主导作用,全国的公路自然区的划分,一级区划二级区划三级区划,1、一级区划,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湿区西北干旱区青藏高寒区,2、二级区划,在全国七个二级自然区内又分为33个二级区和9个副区(亚区)，共有52个二级自然区。3、三级区划三级区划是二级区划的进一步划分三级区划的方法有如下两种：一种是按照地貌、水文和土质类型将二级自然区进一步划分为若干类型单元另一种是继续以水热、地理和地貌等标志将二级区划细分为若干区域,第三节路基的稳定性设计,高路堤稳定性验算陡坡路堤稳定性验算深路堑边坡稳定性验算,一、高路堤稳定性验算,边坡稳定性分析的计算参数高路堤边坡稳定性验算方法,（一）边坡稳定性分析的计算参数,（1）土的计算参数（2）边坡稳定性分析边坡的取值（3）汽车荷载当量高度计算,1、土的计算参数,当路堤各层填料性质不同，进行边坡稳定性验算时，所采用的验算数据可按加权平均值法求得，如下式：,2、边坡稳定性分析边坡的取值,边坡稳定性分析时，对于折线形或阶梯形边坡,一般可取平均值,图4-14边坡取值示意图,3、汽车荷载当量高度计算,路基除承受自重作用外，同时承受行车荷载的作用，在边坡稳定性验算时，需要将与设计标准相应的加重车按最不利情况排列，并将车辆的设计荷载换算当量土柱高h0（即以相等压力的土层厚度来代替荷载）,当量高度的计算式为：,图4-15汽车荷载布置示意图,（二）高路堤边坡稳定性验算方法,直线滑动面法圆弧滑动面法,1、直线滑动面法,由砂土和砂性土（两者合称砂类土）填筑的路堤，边坡坍塌时破裂面近乎平面，可按直线滑动面法验算边坡的稳定性如图2-1-16所示,验算时，先通过坡脚或变坡点假设一直线滑动面，将路堤斜上方分割出下滑土楔体ABD，沿假设的滑动面AD滑动，其稳定系数K按下式计算(按边坡纵向单位长度计)：,图4-16直线法计算图,F沿滑动面AB方向的抗滑阻力，（kN）；T沿滑动面AB方向的下滑力，（kN）；G滑动土楔体ABD自重及路基顶面换算土柱重力之和，（kN）；滑动面AB对于水平面的夹角，（）；j路堤填土的内摩擦角，（）；c路堤填土的粘聚力，（kPa）；L滑动面AB的长度，（m）。,特殊情况：砂类土，c=0K=1时，tanj=tan，处于极限平衡状态，路堤极限坡度=内摩擦角，坡角为自然休止角。K1时，路堤边坡处于稳定状态且与边坡高度无关。K1时，不论边坡高度多少，都不能保持稳定。,2、圆弧滑动面法,条分法先假定一圆弧滑动面，将圆弧滑动面上的土体分成若干竖向土条，依次计算每个土条滑动面圆心的抗滑力矩和下滑力矩，然后分别叠加求出整个滑动土体的抗滑力矩和滑动力矩，再求它们的比值可得稳定系数，从而判断出路基边坡是否稳定。,图4-17条分法验算计算图,验算步骤与计算公式1）通过坡脚任意选定可能的圆弧滑动面，其半径为R。取单位长的路段，将其划分为若干个垂直土条，其宽一般取24m；2）计算每个土条的自重（包括其上部换算土柱的重力），并引至滑动圆弧上，并分解到滑动面的法向和切线方向上；3）计算反力：法向分力：切向分力：,4）以点为转动圆心，以R为转动力臂，计算滑动面上各土条对点的转动力矩滑动力矩：抗滑力矩：5）求稳定系数,6）按上述步骤再假定几个可能的滑动面，如图所示计算对应的稳定系数，在圆心辅助线MI上绘出，稳定系数，n对应于O1，O2，On的关系曲线，在该曲线最低点作圆心辅助线的平行线，与曲线相切的切点对应的圆心为极限滑动面圆心，对应的滑动面为最危险滑动面，相应的稳定系数为最小稳定系数。其值如在1.251.5之间，则路基是稳定的，否则应采取相应的措施如放缓边坡，更换填料等，重新进行稳定性验算，直至满足要求为止，或选择适当的加固措施。,确定圆心辅助线1）4.5H法：,2）36法,a)b)图4-1636法辅助线,表解法如图4-20所示，将土体划分成各条块，其宽为b，高为a，滑弧全长L，将此三者均用边坡高度H来表达。,图4-20表解法边坡稳定性分析原理,二、陡坡路堤稳定性验算,对填筑在原地面横坡陡于1:2.5(土质基底)或陡于1:2(不易风化的岩石基底)或不稳固山坡上的路堤，除保证边坡稳定外，还需验算路堤沿地面陡坡下滑的稳定性,陡坡下滑前提条件陡坡下滑验算方法,1、前提条件,基底为岩层或稳定山坡，因地面横坡大，路堤整体沿与基底的接触面产生滑动。路堤随同基底覆盖层沿倾斜基岩滑动。路堤连同下卧软弱土层沿某一圆弧滑动面滑动。路堤连同其下的岩层沿某一最弱的层面滑动陡坡路堤产生下滑的主要原因是地面横坡较陡、基底土层软弱或强度不均匀,图4-22陡坡路堤可能的滑动面,图4-24折线滑动面,(1)直线滑动面稳定性验算,(2)折线滑动面稳定性验算,2、陡坡下滑验算方法,图4-23直线滑动面,三、深路堑边坡稳定性验算,1.选择路堑横断面的边坡形式：（1）直线形：当工程地质条件和水文地质条件较好，土质均匀，且边坡高度不大时可采用一坡到顶的直线形。（2）折线形：当边坡较高或由多层土组成，而上部岩（土）层的稳定性较下部好时，可采用上陡下缓的折线形。若上部为覆盖层，或稳定性较下部岩（土）层差时，则宜采用上缓下陡的折线形边坡。（3）台阶形：当边坡由多层土组成且高度较大（超过1520m）时，可在边坡中部或岩（土）层变化分界处，设置宽度不小于1.0m的平台，使边坡成为台阶形，设置平台可以增加边坡的稳定性，减少坡面冲刷,拦挡上边坡剥落下坠的小石（土）块。,2.确定边坡坡度工程地质法确定：采用工程地质法对路堑边坡坡度进行比拟设计，应根据岩石（土）性质、地质构造、岩石的风化破碎程度、边坡高度、地下水及地面水等因素综合分析确定。一般情况下，边坡坡度可参照表4-9确定。力学验算法对均质砂类土路堑边坡，其稳定系数K按下式计算。,第四节路基排水设计,地面排水设计地下排水设计排水系统设计,一、地面排水设计,路基地面排水可采用：边沟、截水沟、排水沟、跌水与急流槽、拦水带、蒸发池等设施。,1、边沟（1）边沟的横断面形式：,（2）边沟边坡梯形边沟的内侧边坡，一般为1:1.01:1.5；矩形边沟的内侧边坡可以直立或稍有倾斜；三角形边沟的内侧边坡宜采用1:21:3，各种沟渠外侧边坡与挖方边坡坡度相同。（3）边沟深度和底宽梯形和矩形边沟的深度及底宽，一般约0.40.6m（4）边沟的纵坡和长度边沟纵坡一般应与路线纵坡致，并不宜小于0.5，在特别情况下可容许采用0.3。除特殊情况外，边沟长度不宜超过500m，多雨地区不宜超过300m，三角形边沟长度不宜超过200m。,2、截水沟,设置位置：在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤坡脚上方的适当地点。设置作用：拦截并排除路基上方流向路基的地面水流，保护挖方边坡和填方坡脚不受流水冲刷。断面形式：梯形,3、排水沟,设置作用：将路基范围内的水流引至桥涵或路基范围外的河流或洼地。断面形式：梯形,4、跌水与急流槽,设置位置：陡坡地段或特殊陡坎地段跌水定义：在陡坡或深沟地段设置的沟底为阶梯形，水流呈瀑布跌落式通过的沟槽。作用：能在较短的距离内降低水流速度，减少水流能量。急流槽定义：在陡坡或深沟地段设置的坡度较陡，水流不离开槽底的沟槽。作用：能连接水位差较大的水流。,图4-29边沟与涵洞单级跌水连接图1-边沟；2-路基；3-跌水井；4-涵洞,图4-30多级跌水纵剖面图（单位：m）1-沟顶线；2-沟底线,图4-32急流槽构造示意图（单位：m）1-耳墙；2-消力池；3-混凝土槽底；4-钢筋混凝土槽底；5-横向沟渠；6-砌石护底,二、地下排水设计,路基地下排水可采用暗沟(管)、渗沟、渗水井等设施1、暗沟设置作用：设在地面以下引导水流的沟渠，无渗水和汇水作用。适用范围：把路基范围内的泉水或渗沟所拦截、汇集的水流引到路基范围之外。断面形式：矩形、圆管,2、渗沟,设置作用：采用渗透方式来汇集、拦截并排出流向路基的地下水。适用范围：用于地下水量大、分布广的路段。设置位置：设在边沟、路肩、路中线以下或路基上侧山坡适当的位置。结构形式：填石渗沟管式渗沟洞式渗沟,a)填石渗沟b)管式渗沟c)洞式渗沟,3、渗井,设置特点：竖直方向的地下排水适用范围：浅层地下水较难排除，距地面不深处有良好渗水层，且地下水流向背离路基或较深的路段。设置作用：排除地面水或降低上层的地下水位。,图4-34排除浅层地下水渗井,图4-35排除地下水渗井,三、排水系统设计,排水系统设计的基本要求流向路基的地面水和地下水，需在路基外适当位置没置截水沟或渗沟拦截，并引离路基范围之外指定地点。对明显的天然沟槽，一般宜“一沟一涵”，不要勉强改、并；对沟槽不明显的漫流，应尽量汇成沟槽，导流排除。地面沟渠应大体沿等高线布置，并尽可能垂直于流水方向直线布置。各种排水结构物均应设置于稳固的地基上，不得渗流、溢水或滞留，冲刷严重时应予以加固。水流应循最短通路迅速排出路基范围之外。,图4-36排水系统设计总体规划平面图（示例）,第五节路基防护与加固,路基防护与加固工程的分类坡面防护冲刷防护挡土墙设计土工织物,路基防护与加固工程的分类,坡面防护冲刷防护支挡建筑物湿软地基加固,一、坡面防护,（一）植物防护:适用范围：比较平缓的稳定土质边坡作用：美化路容、固结和稳定边坡种草适用范围：土质适宜种草，种草边坡坡度不宜陡于1:1，不浸水或短期浸水但地面径流速度不超过0.6m/s的路基边坡。铺草皮适用范围：需要快速绿化，且坡率缓于1:1的土质边坡和严重风化的软质岩石边坡。植树适用范围：坡率缓于1:1.5的边坡以外的河岸及漫滩处。,（二）工程防护（1）抹面：适用于易风化而表面平整、尚未剥落的岩石边坡。（2）勾缝和灌浆：勾缝防护适用于较坚硬的、不易风化的、节理多而细的岩石挖方边坡。灌浆防护适用于较坚硬、裂缝较大且较深的岩石挖方边坡。（3）喷护和挂网喷护：适用于边坡坡率缓于1:0.5，易风化但未遭强风化的岩石边坡。（4）护坡：适用于土质路堤边坡或有少量地下水渗出的局部堑坡或局部土质堑坡嵌补。（5）护面墙：是浆砌片石的坡面覆盖层，用于封闭各种软质岩层和较破碎的挖方边坡。,图4-38片石护坡示意图a)、b)单层；c)、d)双层（图中H为干砌石垛高度，约2030cm，h为护面厚度，大于20cm）,图4-39护面墙示意图（单位：m）a）双层式；b）单层式；c）墙面；d）拱式；e）混合式1-平台；2-耳墙；3-泄水孔；4-封顶；5-松散夹层；6-伸缩缝；7-软地基；8-基础；9-支补墙；10-护面墙,二、冲刷防护,（一）直接防护1.抛石防护适用范围：盛产石料地区，水流速度达3.05.0m/s时，经常浸水且水流方向平顺、河床承载力较好，无严重冲刷的路基。,2、石笼防护适用范围：缺乏大石块或水流速度达到或超过5.0m/s的路基。,（二）间接防护1）丁坝2)顺坝,1-丁坝2-顺坝3-格坝4-导流坝5-拦水坝6-桥墩7-路中线,三、挡土墙设计,挡土墙的用途和分类重力式挡土墙的构造重力式挡土墙的布置挡土墙的设计步骤,（一）挡土墙的用途和分类,为防止路基填土或山坡土体坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物，称为挡土墙按照挡土墙的设置位置，挡土墙可分为路堑墙、路堤墙和路肩墙等类型,图4-43设置位置不同的挡土墙a)路堑墙；b)路堤墙(虚线为路肩墙)；c)路肩墙,按照挡土墙的结构型式分为：重力式挡土墙锚定式挡土墙薄壁式挡土墙加筋土挡土墙按照挡土墙的墙体材料分为：石砌挡土墙混凝土挡土墙钢筋混凝土挡土墙钢板挡土墙,挡土墙的作用路堤墙设置在高填土路堤或陡坡路堤的下方，可以防止路堤边坡或基底滑动，同时可以收缩路堤坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积。路堑墙设置在路堑坡底部，主要用于支撑开挖后不能自行稳定的边坡，同时可减少挖方数量，降低挖方边坡的高度。路肩墙设置在路肩部位，用途与路堤相同，还可以保护临近路线的已有的重要建筑物。山坡墙设置在路堑或路堤上方，用于支撑山坡上可能坍滑的覆盖层，破碎岩层或山体滑坡。,二、重力式挡土墙的构造,受力特点：依靠墙身自重支撑土压力维持其稳定。优点：形式简单，施工方便，就地取材，适应性较强。缺点：圬工数量大，对地基的承载能力要求较高。适用范围：一般地区、浸水地区和地震地区的路肩、路堤和路堑等支挡工程。,1、墙身墙身主要由墙背、墙面、墙顶与护柱等部分组成（1）墙背,a)仰斜式b)垂直式c)俯斜式d)凸斜式e)衡重式,（2）墙面：挡土墙的墙面一般为平面，其坡度应与墙背坡度相协调，并应结合墙趾处的地面横坡合理选择。地面横坡较陡时，为了减小墙高，墙面宜采用直立或仰斜，坡比为1:0.051:0.20。地面横坡平缓时，墙面坡度还可以放得更缓些，但不宜缓于1:0.40，以免过分增加墙高。（3）墙顶：墙顶的最小宽度，浆砌挡土墙不小于50cm，干砌不小于60cm，。浆砌挡土墙墙顶应用砂浆抹平，或用较大石块砌筑并勾缝。浆砌路肩墙墙顶宜采用粗料石或混凝土做成顶帽，厚度取40cm。干砌挡土墙的高度一般不宜大于6m，顶部50cm高度内宜用砂浆砌筑，以求墙身稳定。（4）护柱、护栏或护墙：为了保证交通