工学路基工程复习 225页

路基路面工程 1 路基 是公路的基本结构，是支撑路面结构的基础，路 面共同承受行车荷载的作用，同时承受气候变化和各种自 然灾害的侵蚀和影响，是 开挖或堆填而成的岩土结构物 。 路基结构形式可以分为：填方路基、挖方路基和半填 半挖路基三种形式。 路面 是铺筑在公路路基上与车轮直接接触的结构层， 承受和传递车轮荷载，承受磨耗，经受自然气候的侵蚀和 影响， 是 各种混合料铺筑而成的层状结构物 。 路面结构一般由面层、基层、底基层与垫层组成。 路基路面工程 2 存在问题： 1. 公路网标准低，数量少，布局不合理。 2. 道路交通管理落后，城市交通拥挤阻塞。 3. 规划不合理，路网总体服务水平低，抵御自然灾害能力差。 4. 公路建设质量差， 20 ％高速公路出现早期大修。 1 总 论 路基路面工程 3 一、路基、路面的基本概念 两者关系 路基：是在天然地表面按照道路的设计线形（位置）和设计横断面（几何尺寸）的要求开挖或堆填而成的岩土结构物。 路面：是在路基顶面的行车部分由各种混合料铺筑而成的层状结构物。 两者关系：路基是路面结构的基础，坚强而又稳定的路基为路面结构长期承受汽车荷载提供了重要的保证，而路面结构层的存在又保护了路基，使之避免了直接经受车辆和大气的破坏作用，长期处于稳定状态。 路基路面应具有的基本性能： 1. 承载能力：强度（抵抗应力）、刚度（抗变形） 2. 稳定性：结构稳定性、水稳定性、温度稳定性； 3. 耐久性：（寿命）抗疲劳破坏能力，抗水损、抗 老化等能力； 4. 表面平整度： （舒适性、表面特性） 5. 表面抗滑性能： （安全性、表面特性） 影响路基路面稳定的因素： （ 1 ）自然因素 （主要影响路基） 1. 地理条件 2. 地质条件 3. 气候条件 4. 水文和水文地质条件 5. 土的类别 （ 2 ）人为因素： 1. 荷载 2. 路基、路面结构 3. 施工方法和质量 4. 养护措施 路基路面工程 4 土的划分原则： 不同的使用目的和场合，划分原则不同，如农业、公路等公路用路基土，世界各国大致相近，均依据土颗粒的粒径组成、矿物成分或其余物质的含量、土的塑性指标。 我国公路路基土的分类： 划分依据： 土的颗粒组成特征、土的塑性指标和土中有 机质存在情况。 分类： 巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土，并进一步细 分为 11 类。 不同路基土的公路工程性质： 1 巨粒土：强度和稳定性好，良好；也可用于砌筑边坡。 2 级配良好的砾石混合料：良好；还可用于中级路面和高级路面的基层。 3 砂土：无塑性，强度和水稳性好，但易松散，压实困难。 4 砂性土：良好 5 粉性土：干时易结块，湿时易流动；毛细作用强烈，须经处理才可使用。 6 粘性土：具有较大的可塑性，持水能力强。压实方法得当，排水设施合理也可使用。 7 重粘土：不透水、粘聚力大，塑性大，干燥坚硬，难以施工 。 路基路面工程 5 1 、划分方法： 在全国以 均温等值线及海拔高度 来划分，以均温等值线和三阶梯的海拔高度线为主要标志，二条等高线： 1000m 、 3000m 等高线。自然区划分三级进行区分， 具体划分：全国首先划分为三大地带： 多年冻土、季节冻土和全年不冻土 ，再进一步根据水热平衡和地理位置划分为冻土、温润、干湿过渡、湿热、潮暖、和高寒七个大区： 路基路面工程 6 二、一级自然区划 1 总 论 在每一个一级区内，再以潮湿系数为依据，分为六个等级，并结合各大区的地理、气候特征、地貌类型、自然病害等因素，将全国划分为 33 个二级区和 19 个副二级区。 三级区划是二级区划的具体划分，一是以水热、地理、地貌为依据，另一种是以地表的地貌、水文和土质依据，由各省、市、自治区自行划定。 路基路面工程 7 三、二级自然区划 1 总 论 一、路基湿度的来源： 大气降水 地面水 地下水 毛细水 水蒸气凝结水 薄膜移动水 二、大气温度及其对路基水温状况的影响 路基湿度除受水的来源影响之外，大气温度也是主要影响因素之一。 最典型的是路基冻胀与翻浆现象 —— 冻胀翻浆的机理。 湿度对路基路面稳定的影响 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。 路基路面工程 8 第六节 路基水温状况及干湿类型 1 总 论 温度对路基路面稳定的影响： 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。 湿度对路基路面稳定的影响 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。 路基路面工程 9 三、路基干湿类型 路基按其干湿状态不同分为四类： 干燥、中湿 、潮湿和过湿。 一般要求路基处于干燥或中湿状态。 上述四种干湿类型以 分界稠度 ω c1 , ω c2 和 ω c3 来划分。 稠度 ω c 定义为土的含水量 ω 与土的液限 ω L 之差与土的 塑限 ω p 与 液限 ω L 之差的比值。 即 ω c = （ ω L - ω ） / （ ω L - ω p ） 1. ω c = 1.0 , 即 ω = ω p ，为半固体与硬塑状的分界值； 2. ω c = 0 , 即 ω = ω L ，为流塑与流动状的分界值； 3. 1.0﹥ ω c ﹥0 ，即 ω L ﹥ ω ﹥ ω p ，土 处于可塑状态。 路基路面工程 10 一、路面横断面 （见书中图 1-7 ） 路面横断面由 行车道、硬路肩和土路肩 组成。随道 路等级不同而不同。 1 、槽式横断面： 在路基上挖槽铺筑路面。 2 、全铺式横断面 : 在路基上全宽内铺筑路面。 路基路面工程 11 第七节 路面结构及层位功能 1 总 论 1. 路拱的作用： 横向排水 2. 路拱横坡的取值 （ P23 表 1-10 ）： 有利于横向排水，有利于行车平稳； 1-4 ％； 路肩横披度较路面横坡大 1 ％。 路基路面工程 12 二、路拱横坡度 1 总 论 三、 路面结构分层 1. 面层 2 基层 3 基底层 4 路基（含垫层） 路基路面工程 13 1 总 论 路基路面工程 14 垫层的设置目的与功能可分为以下几类： (1) 防水垫层； (2) 排水垫层； (3) 防污垫层： (4) 防冻垫层。 路面分类 【 按照力学特性分类 】 柔性路面 刚性路面 半刚性路面 1 总 论 路基路面工程 15 一、名词解释 1. 公路自然区划 2. 路基临界高度 3. 平均稠度 4. 路拱 5. 柔性路面 6. 刚性路面 二、思考题 1. 简述路面结构层的特点、作用及材料。 2. 路基和路面在公路中各起什么作用？有哪些基本要求？ 3. 路基干湿类型有那些划分方法，干湿类型对路基有哪些影响？ 4. 试述地下水对路基的影响和气温对路面的影响。 5. 对路基填料有什么要求，对不同性质的土，填筑路堤时要注意哪些问题？ 6. 试述面层的作用及对其基本要求。 7. 试述基层和垫层的作用及对各自的基本要求 8. 我国现行路面是怎样分类与分级的？简述其意义。 研究行车荷载的原因和必要性： 1. 汽车是路基路面的服务对象，路基路面的主要功能是保证车辆 快速、安全、舒适、经济 通行。 2. 汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间影响路面的 使用性能 。 3. 汽车荷载 是造成路基路面结构损伤的主要原因。要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行分析。 路基路面工程 16 2 行车荷载、环境因素、材料的力学特性 行车荷载的主要研究内容： 汽车的轮重与轴重； 不同车型的车轴布置； 设计期限内，汽车的轴型分布及汽车年通过量的逐年变化； 汽车的静态荷载与动态荷载特性比较。 路基路面工程 17 一、车辆的种类 道路上通行的车辆主要分为 客车与货车 两大类。 汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以 路面结构设 计 主要以 轴重 作为荷载标准。因此，在众多的车辆组合中，重 型货车和大客车起决定作用。对于小客车，则主要对路面的 表 面特性 如：平整性、抗滑性等，提出较高的要求。 客车 小客车 车速高，自重和满载重量小 120km/h 以上 中客车 6~20 个座位 大客车 20 个座位以上，长途客运和城市公共交通 货车 整车 货箱与汽车发动机一体。 牵引式挂车 牵引车与挂车分离 牵引式半挂车 牵引车与挂车分离，铰接。 路基路面工程 18 路基路面工程 19 在交通调查中，一般将 汽车分为八类： 大型货车；中型货车；小型货车；大型客车；小型；客车；拖挂车；集装箱；大中型拖拉机 通过调查可以得到某断面 昼夜混合汽车交通量 可作为道路的通行能力评定。 路面设计与验算使用的交通量是 标准轴载累积作用次数 。 昼夜混合交通量 用于路面设计时，应有汽车的轴数和轴载。 轴载 的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，我国公路与城市道路设计规范中均以 100kN 作为标准轴重 。 路基路面工程 20 定义： 静止状态的汽车对道路的作用，称为静力作用，其大 小主要取决于车轮总重。 静态压力 P 的影响因素： 1. 汽车轮胎内压 p i ；标准静内压力 p i =(0.4~0.7)Mpa 通常轮胎与路面的接触压力 p=(0.8~0.9) p i 滚动时 p =(0.9~1.1) p i 2. 轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态； 3. 轮载的大小 路基路面工程 21 三、汽车对道路的静态压力 路基路面工程 22 轮胎和路面的接触面积 接触面形状近似于椭圆形，路面设计中简化为 圆形接触面， 车轮荷载简化为与椭圆形荷载 相当 的圆形均布荷载，此圆形即为 当量圆 －－单圆、双圆 对于双轮组车轴， 若每一侧的双轮用一个圆表示称为 单圆荷载 若每一侧的双轮用两个圆表示称为 双圆荷载 疲劳破坏 －材料在低于其极限强度的重复荷载作用下发生破坏的现象（导致疲劳开裂等）。 变形累积 －在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大（土基、沥青路面、粒料类路面）。 1. 交通量及其增长率 ① 交通量 ：指一定时间间隔内，各种车辆通过某一道路断面的数量； ② 年平均日交通量 ：考虑月分布不均匀系数、日分布不均匀系数等； ③ 交通量年平均增长率 ； ④ 设计年限内的累计交通量 。 对于路面结构设计，不仅要求收集 交通总量，还必须区分不同的车型。 ① N1 —— 初始年平均日交通量； Ni —— 每日实际交通量； ② r —— 交通量年均增长率； ③ Ne —— 设计年限内累积交通量 路基路面工程 23 五、交通分析 2. 轴载组成与轴载换算 轴载换算 ：行驶车辆的轴载与通行次数可以按照等效原则换 算为某一标准轴载的当量通行次数。我国的标准轴载为 BZZ- 100 。轴载等效换算的原则：同一种路面结构在不同轴载作用 下达到相同的损伤程度。 换算系数公式： n--- 同路面结构有关的系数。 η i -- i 级轴载换算为标准轴载的换算系数 ; P S — 标准轴载 (kN) ； P i — i 级轴载； N S --- 标准轴载作用次数； N i — i 级轴载作用次数； α --- 反映轴型（单轴、双轴或三轴）和轮组轮胎数（单轮或双轮）影响的系数； 路基路面工程 24 3. 轮迹横向分布 由于轮迹的宽度远小于车道的宽度，因而总的轴载通行次 数既不会集中在横断面上某一固定位置，也不回平均分配到每 一点上，而是按一定规在车道横断面上，称为 轮迹横向分布 。 轮迹横向分布频率的影响因素 ：交通量、交通组成、车道宽 度、交通管理规则等。 轮迹横向分布系数 η 反映 轮迹横向分布频率的影响，以轮迹横 向分布频率曲线表征。 路基路面工程 25 概念： 在路基某一深度处，当车轮荷载引起的垂直应力 σ z 与路基土自重 引起的垂直应力 σ B 相比所占比例很小，仅为 1/10 ～ 1/5 时，该深度 Z α 范围内的路基称为 路基工作区 。 路基工作区内，土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为重要 路基路面工程 26 二、路基工作区 1 、初始切线模量 应力值为零应力 — 应变曲线斜率。 2 、切线模量 某一应力处应力 — 应变曲线斜率，反映该应力处变化。 3 、割线模量： 某一应力对应点与起点相连割线模量，反应该范围内应力 — 应变平均状态。 4 、回弹模量： 应力卸除阶段，应力 — 应变曲线的割线模量。 路基路面工程 27 路基路面工程 28 弯沉 l －－荷载作用下结构层表面的竖直变形量。其中，总竖直变形量称为 总弯沉 ；可恢复的竖直变形为 回弹弯沉 。一般情况下，弯沉均指回弹弯沉。 土基回弹模量 E 0 用温克勒地基模型描述土基工作状态时，用地基反应模量表征土基的承载能力。 温克勒地基的假定 ：土基顶面任意一点的弯沉 l ，仅同作用于该点的垂直压力 p 成正比，而同其它相邻点处的压力无关。 温克勒地基模型 －稠密液体地基模型，主要用于分析水泥混凝土路面 表征土基承载能力的参数指标 地基反应模量 K — 地基表面某点的竖向压力 p 与弯 沉 l 之比。 （ kN/m 3 ) 路基路面工程 29 二、地基反应模量 三、加州承载比（ CBR ） 表征土基承载能力的参数指标 加州承载比 是早年由美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示 CBR 值。 CBR 值 的室内测试及现场测试。 室内要按施工现场的含水量和压实度成型圆柱形标准试件，在加载前要浸水 4d 。 室外测试结果受现场含水量和压实均匀性的影响，必须加以修正。 路基路面工程 30 加州承载比 CBR 值（ California Bearing Rate ） CBR 值即标准试件在贯入量为 2.5mm 时所施加的试验荷载与用标准碎石材料在相同贯入量时所加荷载之比值，以百分比表示。（见公式 2-27 ） 路基路面工程 31 土基的承载能力 土基－承载能力 加州承载比 CBR 值试验方法（见图 2-24 ） 路基路面工程 32 路基路面工程 33 现场 CBR 测试仪 一、路基的主要病害 1. 路基沉陷 (1) 自身压缩沉陷 (2) 天然地基承载力不足 引起的沉陷。 2. 边坡滑塌 溜方及滑坡 3. 碎落和崩塌 4. 路基沿山坡滑动 5. 不良地质和水文条件造 成的路基破坏 路基路面工程 34 第五节 路基的变形、破坏与防治 正确设计路基横断面； 选择良好的路基填料，必要时进行稳定处理； 采用正确的填筑方法，充分压实； 适当提高路基，防止水分从侧面渗入或从地下水位上升进入到路基工作区范围； 正确进行排水设计（地面排水、地下排水、路面结构排水即地基的特殊排水）； 必要时设置隔离层隔绝毛细水上升，设置隔温层减少路基冰冻和水分累计，设计砂垫层以疏干土基； 采取边坡加固、修筑支挡结构物、土体加筋等技术，提高整体稳定性。 路基路面工程 35 二、路基病害防治 路面材料 按形态和成型性质分为三类： （ 1 ）松散颗粒型材料及块料； （ 2 ）沥青结合料类； （ 3 ）无机结合料类。 按不同的成型方式（密实型、嵌挤型和稳定型）形成各 种结构层。 路基路面工程 36 第六节 路面材料的力学强度特性 路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况： （ 1 ）路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏； （ 2 ）无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏； （ 3 ）面层材料的抗剪强度过低，在受到较大水平力作用时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。 路基路面工程 37 一、抗剪强度 路基路面工程 38 摩尔 (Mohr—Coumbnb) 强度理论 ，材料的抗剪强 度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力同作 用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固 有性质，与法向正应力无关，即：   式中 τ—— 抗剪强度， kPa ； c—— 材料的粘结力， kPa ； σ—— 法向正应力， kPa ； φ—— 材料的内摩阻角。 c 和 φ 是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过 直接剪切试验，绘出 τ-φ 曲线后，按上式确定 。 沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降时产生 收缩 （温缩），水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度发生变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。 抗拉强度可由 直接拉伸 或 间接拉伸试验 确定。 间接拉伸试验通常采用 劈裂试验 。 水泥混凝土劈裂抗拉强度采用边长 150mm 的立方体试件。 路基路面工程 39 二、抗拉强度 用水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生 弯曲断裂 。 弯拉强度大多采用 简支小梁试验 进行评定。 路基路面工程 40 三、抗弯强度 路基路面工程 41 试验：简支小梁试验评定 —— 三分点加载 混凝土抗折强度标准尺寸： 150mm×150mm×550mm 集料粒径不大于 40mm 1. 无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力－应变特性，可用 三轴压缩试验 结果来反映。其表现出明显的非线性特征。 2. 水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用 棱柱体的单轴加压 进行测试。 3. 无机结合料宜采用 三轴压缩试验 测定其应力 — 应变特性关系。结果也呈现出非线性特征。 4. 沥青混合料的应力－应变特性测试也相同。在低温下，可采用 单轴试验或小梁试验 ，在高温下，可用 三轴压缩试验 测定。 由于沥青混合料中的结合料 — 沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘 — 弹性性状，所以不能用一个 常量弹性模量 来表征沥青混合料的引力 — 应变特 性关系。 路基路面工程 42 四、应力－应变特性 路基路面工程 43 ⑵ 水泥混凝土（ 抗压 弹性模量 E C ）、无机结合料处治的混合料。 采用规则试件进行测定：三轴试验、单轴试验、小梁试验。 ⑶沥青混合料 ：低温（单轴或小梁试验） 高温（温度敏感性强用三轴压缩试验） ⑴ 用于基层和底基层的碎砾石材料无法作成试件，但可由三轴试验得到应力 — 应变的非线性 (Er 为 弹性模量 ) 。 路基路面工程 44 应力 — 应变特性 ：随温度和加载时间变化的粘 — 弹性体，用 劲度模量 来表示。 沥青混合料劲度模量 —— 是在给定温度和加载条件下的应力 — 应变的关系参数。 试验表明：加载时间短或温度较低时（材料处于弹性状态） 中间过程（弹 — 粘性状态） 加载时间很长或温度较高时（粘滞性状态） 二、路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构在荷载重复应力作用下，可能出现 破坏极限状态 有两类 : 路基路面工程 45 第一类 ： 弹塑性 工作状态：塑性变形累积到一定限度 → 累积变形。 第二类 ： 弹性 工作状态：内部微量损伤累积扩大，导致疲劳断裂破坏 → 疲劳破坏。 共同点 ：破坏极限的发生不仅同 荷载应力 大小有关，而且同 荷载应力作用次数 有关。 ⑴水泥混凝土路面：弹性工作状态（疲劳破坏） ⑵沥青路面：低温 — 弹性状态（疲劳破坏） 高温 — 弹塑性状态（累积变形形成车辙、沉陷等） ⑶半刚性路面（无机结合料）：早期 — 弹塑性 后期 — 弹性（疲劳破坏） ⑷以黏土为结合料的碎砾石路面：弹塑性状态（累积变形） 由于 重复荷载作用 引起的路面结构破坏极限状态，不同于 最大极限荷载 引起的破坏极限状态。 重复荷载作用下出现的破坏极限状态主要有 两种 ： （ 1 ）路面材料处于 弹塑性 工作状态，则重复荷载作用将引起塑性变形的累积，超过一定限度时，路面使用功能将下降至允许限度以下； （ 2 ）路面材料处于 弹性 工作状态，重复荷载导致材料内部产生微量损伤，累积到一定限度以后，路面结构发生疲劳断裂。 累积变形与疲劳破坏这两种破坏发生的共同特点就是破坏极限的发生不仅同荷载的应力大小有关，而且和荷载的作用次数有关。 路基路面工程 46 第七节 路面材料的累积变形与疲劳特性 一、累积变形 路面结构在车轮荷载重复作用下因塑性变形累积而产生的 沉陷或车辙 ，是路面结构的主要病害。这种永久性的变形是路基路面各结构层材料塑性变形的综合。 二、疲劳及疲劳破坏的有关概念 材料在经受重复荷载作用后其强度的降低现象称之为 疲劳 。 材料在经受低于其一次作用下的极限应力值的重复荷载作用下会出现破坏，这种破坏称之为 疲劳破坏 。 疲劳极限 ：在应力作用一定次数后，材料的疲劳强度不再下降而趋于稳定，此稳定值称为 疲劳极限 。 路基路面工程 47 路基路面工程 48 曼诺 (Miner) 定律 目前，常用曼诺在研究金属疲劳时所作出的假定来 处理以上的问题：各级荷载作用下材料所出现的 疲劳 损坏可以线性叠加。 假设某一级荷载 P i 作用 N i 次后使材料达到疲劳破坏， 则该级荷载作用一次相当于消耗了材料疲劳寿命的 1/N i 。 路基路面工程 49 现有 P1 ， P2 ，∙∙∙， Pj 级荷载，分别作用 N1 ， N2 ，∙∙∙， Nj 次后，材料均可达到疲劳破坏，而实际上各级荷载的作用次数分别为 n1 ， n2 ，∙∙∙， nj 次，则相应于各级荷载消耗的材料疲劳寿命分别为 n1/ N1 ， n2/N2 ，∙∙∙， nj/ Nj 。在各级荷载作用之下，材料的 综合疲劳损伤 为 : 路基路面工程 50 §3-1 路基设计的一般要求 一、概念 一般路基 : 通常指在良好的地质与水文等条件下，填方高度与挖方深度不大的路基。 路床： 是指路面底面以下 80cm 范围内的路基部分。 0 ～ 30cm 称为上路床， 30 ～ 80cm 称为下路床。 二、路基设计的一般要求 1. 整体稳定性 2. 强度与刚度 3. 水温稳定性 一般路基设计 概念： 路堤： 指用岩土填筑而成的结构物。 路堑： 指全部在原地面开挖而成的结构物。 半填半挖横断面： 指原地面横坡度较大，且路基较宽，往往需要一侧开挖，一侧填筑而成的结构物。较多适用于山区、丘陵区。 路基路面工程 51 一般路基设计 §3-2 路基的类型与构造 路基路面工程 52 §3-2 路基的类型与构造 一、典型横断面形式 （见图 3-1 、 2 、 3 ） 路堤 路堑 填挖结合路基 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 53 第二节 路基的类型与构造 依 据 路 堤 高 度 分 类 矮路堤： h ＜ 1.0 ～ 1.5m 一般路堤： h ＝ 1.5 ～ 18m 高路堤：土质 h≥18m 岩质 h≥20m 适应于平坦地区或者取土困难地区 需要设边沟 需对土基作特殊处理 ： 工作区深度 压实度 水 砂垫层 可在路基两侧设取土坑 土方量特别大，占地多；行车条件差 宜采用折线型或梯形边坡。 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 54 第二节 路基的类型与构造 当地面边坡陡于 1 ： 5 时 当地面边坡陡于 1 ： 2 时 注 意 事 项 土质地面：须将原地面挖成台阶， 台阶宽度大于 1m ，台阶向内倾斜 1 ～ 2 ％坡度 石质地面： 凿毛 宜设置石砌护脚起到减少填方数量和压缩路基占地宽度的作用。 倾斜地面上方坡脚，须采取措施阻止地面水渗入路堤内。 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 55 第二节 路基的类型与构造 一般路堤 a 、 护坡道宽度： 当路基边缘与路侧取土坑高差 h 大于 2m ， b ＝ 1m ； h 大于 6m ， b ＝ 2m 。 b 、取土坑放置应尽量少占耕地，当路基填土高度不大时，可只设边沟，不设取土坑。 C 、路堤边坡应根据填料种类，路堤高度来综合确定。 d 、 护坡道作用： 保护填方坡脚不受流水侵害，使填方边坡稳定 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 56 第二节 路基的类型与构造 路堤常见的横断面形式 沿河路堤 a 、路堤高度应高出设计洪水位 0.5m （无波）， 设计洪水位＋澭水高度＋浪高＋ 0.5m 。 b 、常水位以下路堤边坡不得陡于 1 ： 2 c 、路基边坡加固类型，应根据河流冲刷情况来确定。 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 57 第二节 路基的类型与构造 护脚路堤 当原地面的坡度陡于 1 ： 2 时 利用挖沟渠填筑路堤 a 、 H 应满足路基高出地下水位最小高度要求 0.5m ； b 、在路堤与沟渠之间要设置 1 ～ 2m 护坡道； c 、内边坡要求 1 ： 2 。 一般路基设计 二、路堤设计的要点 路基路面工程 58 第二节 路基的类型与构造 几种常见的特殊路堤 软土路堤 a 、反压护道的高度 h 为整个路堤高度 H 的 1/2; b 、反压护道的宽度需要通过边坡稳定性验算进行确定； c 、路堤下侧一般情况下应设砂垫层。 沙漠 路堤 a 、应作成流线型边沟 b 、路堤不宜太高 黄土路堤 a 、直立性好 高路堤，但应作力学验算 b 、湿陷性 要求排水好 一般路基设计 路基路面工程 59 高路堤 土质： h ＞ 18m ；岩石： h ＞ 20m 高路堤的填方数量大，占地多，为保证路基的稳定性和横断面经济合理，需要进行个别设计。 一般路基设计 路基路面工程 60 路堤设计要点 边沟和截水沟等排水沟渠的设置 取土坑、护坡道的设置 浸水路堤的边坡形式 路堤边坡的防护与加固 软土地基上路堤的反压护道等加固措施 横坡较陡的地面上填筑的路堤 路堤的特点 设计线高于原地面；排水、通风条件好；施工质量易控制，可控制填料选择、干湿类型、密实度等；受水文地质影响小。 一般路基设计 路基路面工程 61 路堤质量的关键 水温状况的调节 地基承载力的要求 填料的选择 土基的压实 排水 防护与加固 一般路基设计 路基路面工程 62 路堑设计要点 挖方边坡坡脚必须设置边沟 截水沟设置 直线或折线边坡 抹面防护或设置碎落台 护墙或挡土墙设置 路侧弃土堆的设置 路堑特点 设计线低于原地面；排水通风条件差；行车视距也差；破坏了原地层天然平衡，受水文地质条件影响较大，要注意边坡稳定性，路床位于上层时，要注意排水、压实，必要时可换土。 一般路基设计 路基路面工程 63 四、半填半挖路基（填挖结合式） 1. 一般形式 一般路基设计 四、半填半挖路基设计的要点 路基路面工程 64 第二节 路基的类型与构造 矮墙路堤 护肩路堤 砌石路堤 挡墙路基 适应于土质非常疏松的地质条件下 适应于岩石或坚实粗粒土路段，山边坡伸出不太远 适应于岩石或坚实粗粒土路段，山边坡伸出较远 一般路基设计 路基路面工程 65 兼有路堤和路堑两者的特点，土石方数量少。工程上经济，要注意填方部分与山坡结合（挖出），填挖分界处发生不均匀沉降。 半填半挖路基特点 半填半挖路基设计要点 1 、兼顾路堤和路堑的设计要点 2 、路基的形式和稳定性同原地面横坡密切相关 3 、填挖分界处的沉降 一般路基设计 路基路面工程 66 §3-3 路基设计 一、路基设计的主要内容 1. 选择路基断面形式，确定路基宽度与高度； 2. 选择路堤填料与压实标准； 3. 确定边坡形状与坡度； 4. 排水系统系统布置与排水结构设计； 5. 坡面防护与加固设计； 6. 附属设施设计。 二、组成 宽度、 高度、边坡 一般路基设计 路基路面工程 67 路堤填筑高度或路堑开挖深度，是指原地面标高与路基设计标高之差。 宽度的确定：根据道路的等级确定， 《 公路工程技术标准 》 一般公路：行车道＋硬路肩 三、路基的宽度 四、路基的高度 一般路基设计 路基设计标高 新建公路： 设有中央分隔带的高速公路、一级公路，为中央分隔带的外侧边缘标高为路基标高；未设中央分隔带的公路，在设置超高、加宽地段，则为设置超高、加宽前的路基边缘标高。 改建公路 : 可与新建公路相同，也可采用路中线。 路基高度的确定 （线型、地形、水文综合考虑） a 、对于平原区，能否满足最小填土高度的要求 b 、浸水路堤、沿河路堤，设计水位＋ 0.5m 壅水区：设计水位＋ 0.5m ＋ 壅 水高度 有浪区：设计水位＋ 0.5m ＋浪高 路基路面工程 68 一般路基设计 五、边坡坡度确定 （见图 3-5 ） 路基路面工程 69 1 、定义： 2 、路堤边坡 a 、型式： 直线型、折线型、台阶型 直线型：堤顶到堤脚采用同一种坡度，适用于矮、中路堤； 折线型：上陡、下缓，较符合受力特点 上缓、下陡 从施工角度，变坡数不宜太多，适用于高路堤。 台阶型：适用于高路堤，在折线型边坡的某一高度加 1 ～ 2m 的护坡道 ；优点是可以减缓地表径流对边坡的冲刷。 b 、路堤边坡坡度表 （ p64 －表 3-3 ） 若某边坡高度为 25m 或不等于 20m ，则上部也应取 8m ，剩下为下部高度。 第三节 路基设计 一般路基设计 路基路面工程 70 边坡坡度 : 指边坡高度与边坡宽度之比，常取 H=1 ，以 1:n （路堑）或 1:m （路堤）表示坡率。 （ 1 ） 路堤边坡 ⑴形式：直线、折线、台阶形。 ⑵ 路堑边坡 一般路基设计 六、路基压实 路基路面工程 71 1 ．压实机理 土颗粒重新组合 , 彼此挤密 , 孔隙减少 , 土单位重量提高 , 形成密实整体 , 增加强度，提高稳定性。 2 ．压实土的特性 一定压实功下，存在最佳含水量和最大密实度，压实功越大，最佳含水量越小，最大密实度越大。 3 ．影响压实的因素 内因 : 土质、湿度 外因 : 压实功（机械性能、压实时间与速度、土层厚度）及压实时的外界自然和认为的其他因素。 4 ．压实标准 压实度＝工地实测干密度 / 室内最大干密度 一般路基设计 位置： 数量、土质、运 输条件、自然环境有关。 平坦区：设在路堤两侧 （取土量较小时） 河 水淹没桥头引道近旁， 不允许设置取土坑。 当地面坡度较陡时，取 土坑宜设在路堤上侧。 路基路面工程 72 第四节 附属设施 一、取土坑 一般路基设计 原则： ①填补地面坑洞、田洼地 ②尽量占荒地 1 、一般做成梯形断面，边坡不宜陡于 1 ： 1.5 ，高度不宜超过 3m 。 2 、当原地面倾斜坡度小于 1 ： 5 ，路旁两侧均可设弃土堆。 3 、当坡度较陡时，宜将弃土堆设在下侧。 4 、对于沿河路堤废方，检查是否压缩河道。 路基路面工程 73 二、弃土坑 一般路基设计 路基路面工程 74 三、护坡道 目的： 加宽边坡横距，减少边坡平均坡度。 四、碎落台 碎落台设于土质或石质土的挖方边坡坡脚处，主要供零星土石 碎块下落时临时堆积，以保护边沟不致阻塞，亦有护坡道的作用。 五、堆料坪和错车道 路面养护用矿质材料，可就近选择路旁合适地点堆置备用。亦 可在路肩外缘设堆料坪，其面积可结合地形与材料数量而定，高 级路面或采用机械化养路的路段，可以不设，或另设集中备用料 场，以维护公路外形的视觉平顺和景观优美。 单车道公路，由于双向行车会车和相互避让的需要，通常应每 隔 200 ～ 500m 设置错车道一处。 一般路基设计 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 75 河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室 路基路面工程 76 目 录（ contents ） 1 2 3 8 边坡稳定性分析原理与方法 直线滑动面边坡稳定性分析 曲线滑动面边坡稳定性分析 4 浸水路堤稳定性分析 路基路面工程 77 一、边坡破坏的机理 1 、土体强度破坏 2 、受水侵蚀 3 、设计施工不当 4 、荷载过大 5 、地震或其它自然因素 均由剪切破坏引起 4.1 边坡稳定性分析原理与方法 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 78 一、边坡失稳现象 路基边坡滑坍是公路上常见的破坏现象之一。在岩质或土质山坡上开挖路堑，有可能因自然平衡条件被破坏或者因边坡过陡，使坡体沿某一滑动面产生滑坡。对河滩路堤、高路堤或软弱地基上的路堤，因水流冲刷、边坡过陡或地基承载力过低而出现填方土体（或连同原地面土体）沿某一剪切面产生坍塌。 4.1 边坡稳定性分析原理与方法 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 79 因此，必须对可能出现失稳或已出现失稳的路基进行稳定性分析，保证路基设计既满足稳定性要求，又满足经济性要求。 边坡失稳时滑动体的形状 1. 平面形 ：松散的砂性土及砂土 2. 圆柱形 ：粘土 3. 碗 形 ：粘土 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 80 第一节 边坡稳定性分析原理与方法 a) 直线破坏面 b) 折线破坏面 C) 曲线破坏面 图 4-1 边坡的滑动面 二、边坡稳定性分析原理 1 ．滑动面形状 —— 与土质有关 粘性土 —— 圆柱形、碗形 砂性土及砂土 —— 平面 2 ．力学求解问题 N — 滑动面法向分力； T — 滑动面切向分力； W — 滑动面重力。 单一平面问题 —— 静力平衡问题 ( 如图 4-1a ）；两个破坏面问题 —— 超静定问题 ( 如图 4-1b ）；多个破坏面问题 —— 多次超静定问题 ( 如图 4-1c ）。 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 81 第一节 边坡稳定性分析原理与方法 二、边坡稳定性分析原理 3. 假设 —— 使求解静不定问题变为静定问题 滑动土体沿滑动面整体滑动（刚塑体） , 不考虑土体的相对运动（不考虑内应力）； 土体在滑动面上达到极限平衡，滑动面唯一； 最不利滑动面，位置通过计算确定； 滑动面通过坡脚。 原理 ：采用极限平衡原理 缺点 ： 不能分析下滑体的中的真实内力和反力，不能得到其中的应力和变形，只有一个安全系数。 路基路面工程 82 4 ．边坡稳定性计算方法： 工程地质法（比拟法）、力学分析法 和图解法。 工程地质法：为实践经验的对比；力学分析法：数解方法 图解法：比较复杂的数解方法 采用 5 ．评定指标 稳定系数： 失稳滑动体沿滑动面上 的下滑力与抗滑力的比值。 工程中， k ＝ 1.25 ～ 1.5 二、边坡稳定性分析原理 第一节 边坡稳定性分析原理与方法 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 83 第一节 边坡稳定性分析原理与方法 三、边坡稳定性分析的计算参数 1. 土的计算参数 ： c — 滑动面上的粘结力； Φ — 内摩擦角； γ — 路基填料的重度。 多层土体：利用加权平均法 2 ．边坡的取值 对于折线形或阶梯形边坡，一般取平均值，或坡脚点和坡顶点的连线。 3 ．荷载当量高度 h 0 汽车荷载 以相等压力的土层厚度来代替荷载 当量土柱高 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 84 汽车菏载当量换算 对于作用在路基上的行车荷载，按最不利情况排列，将车辆的设计荷载换算成当量土柱高。 h 0 的计算式 ( 见公式 4-1) 为： h o — 行车荷载换算高度； L— 前后轮最大轴距； Q— 一辆重车的重力； N— 并列车辆数； B— 荷载横向分布宽度；其中： b — 后轮轮距 1.8m ； m — 相邻两辆车后轮中心距 1.3m ； d — 轮胎着地宽度 0.6m 。 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 85 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 86 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 87 条分法 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 88 § 4.2 直线滑动面边坡稳定性分析 — 直 线 法 一、适用条件 1. 砂类土的路堤和路堑； 2. 有近似直线的软弱夹层的路堑； 3. 单坡的陡坡路堤。 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 89 二、数学表达式 （由图 4-3 ） — 滑动面的倾角； f— 摩擦系数 ; L— 滑动面长度。 由于砂类土的粘结力 C 很小，若取 C=0 ，则上式为： 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 90 三、稳定性分析步骤 1. 均质砂类土路堤边坡（试算法） ⑴ 先假设几个破裂面，按上式计算对应的稳定系数 K i ； 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 91 ⑵ 绘制 ω i -K i 曲线图 ⑶ 在图中确定最小 K min 以及相应的极限破裂角 ω 0 ⑷ 稳定性判断： K min ≥[K]=1.25 ～ 1.5 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 92 2. 均质砂类土路堑边坡（解析法 — 对 K 公式求导，使计算大为简化，得到 K 最小值的表达式。） 其中： 4 路基稳定性分析计算 θ 为边坡角 路基路面工程 93 按微分方法，当 dK/d ω =0 可求稳定系数 K 最小时破裂面倾斜角 ω 0 值 。 可得： 如例题 4-1 、 4-2 4 路基稳定性分析计算 θ 为边坡角 路基路面工程 94 §4-3 曲线滑动面边坡稳定性分析 — 条分法 一、适用条件 条分法适用于粘性土，土的抗力以粘聚力为主，内摩擦力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。 适用于边坡有不同的土层的均质粘性土边坡，部分被淹没的均质粘性土坝，局部发生渗漏、边坡为折线或台阶形的粘性土路堤与路堑。 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 95 二、条分法原理（ 边坡稳定性分析方法 —— 力学分析法 ） 1. 原理 : 基本原理为静力平衡，即将圆弧滑动面上的土体划分为若干竖向土条，依次计算每一土条沿滑动面的下滑力和抗滑力，然后叠加计算出整个滑动土体的稳定性。 圆弧法的计算精度主要与分段数有关。分段愈多则计算结果愈精确，一般分 8 ～ 10 段。小段的划分，还可结合横断面特性，如划分在边坡或地面坡度变化之处，以便简化计算。 2. 假设 : ⑴ 土体为均质和各向同性； ⑵ 滑动面通过坡脚； ⑶ 不考虑土体的内应力分布及各土条之间相互作用力的影响，土条不受侧向力作用，或虽有侧向力，但与滑动圆弧的切线方向平行 。 4 路基稳定性分析计算 路基路面工程 96 3. 步骤 （ 1 ）通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面 AB ，其半径为 R ，沿路线纵向取单位长度 1m 。将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条，其宽一般为 2 ～ 4m 。 （ 2 ）计算每个土条的土体重 G i ( 包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载在内 ) 。 G i 可分解为垂直于小段滑动面的法向分力 N i =G i cosα i 和平行于该面的切向分力 T i ＝Ｇ i sinα i ，其中 α i 为该弧中心点的半径线与通过圆心的竖线之间的夹角。 （ 3 ）计算每一小段滑动面上的反力 ( 抵抗力 ) ，即内摩擦力 N i f( 其中 f=tg  i ) 和粘聚力 cL i （Ｌ i 为 i 小段弧长 ) 。 （ 4 ）以圆心 O 为转动圆心，半径 R 为力臂，计算滑动面上各力对 O 点的滑动力矩和抗滑力矩 。 （ 5 ）求稳定系数 K 值 。 4 路基稳定性分析计算 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 97 路基路面工程 98 第一节 概述 一、意义目的 1 ．路基改变了原地层的天然平衡状态； 2 ．岩土在不利的水温状态条件作用下，物理力学性质将发生变化。如： ①浸水后湿度增大，土的强度降低； ② 岩性差的岩，在水温条件变化下，加剧风化； ③ 路基表面在温差或湿差作用下形成胀缩或干湿循环，可导致强度衰减和剥蚀； ④ 地表水流冲刷，地下水源浸入，使岩土表层失稳，易造成和加剧路基的水毁病害； 5 路 基 防 护 与 加 固 ⑤ 沿河路堤在水流冲击、掏刷和浸蚀作用下，易遭破坏； ⑥湿软地基承载力不足，易导致路基沉陷。因而可能会产生各种形态的破坏。 路基防护与加固的意义是：对维护正常的交通运输，确保行车安全，保证公路使用品质，提高投资效益，以及保持道路与自然环境协调。 路基路面工程 99 路基路面工程 100 二、路基防护与加固分类 按防护与加固的目的与作用分类： 1 、坡面防护－－保护路基边坡表面，以防受到自然因素的破坏（雨水冲刷、干湿及冷热循环作用，以及表面风化等） 2 、冲刷防护（堤岸防护与加固）－－主要使沿河路堤，不致受到水流的冲刷、淘空和浸软。 3 、支挡建筑－－指各类挡土墙，主要用以防止路基变形或支挡路基本体以保证其稳定性。 4 、地基加固－－指提高湿软地基的承载能力的措施。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 101 三、防护与加固的区别 防护工程－－防止冲刷和风化，主要起隔离作用的措施。 加固工程－－防止路基坍滑，主要起支撑作用的支挡结构物。 区别： 防护工程主要用于路基本身稳定，即防护工程本身没有或很少有承受外力作用的能力。 加固工程主要用于路基本身不稳定，即本身具有承受外力作用的能力。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 102 路基防护分类图 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 103 四、路基防护与加固的原则 因地制宜，综合治理； 预防为主，防治结合； 对于主要隐患和地下害源（如软弱基底和有害的地下水源等），宜先治患后筑路；对于某些附属设施，如坡面防护或路基用地范围以外的防护与加固设施，按其轻重缓急，分期实施，逐步完善； 各项工程技术措施，尤其是造价高、工程技术复杂的措施，应作方案分析比较，讲究实效和经济效益； 注意环境，配合景观，增进路容的美化与协调。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 104 路基边坡表面的防护 ： 主要是防止地面水流的冲刷，而且 将坡面封闭隔绝，可以避免与大气直接接触，阻止岩土进 一步风化破坏。 沿河路基的坡面防护 ： 特别是浸水部分的坡面与坡脚防护 兼有加固的作用，可防止水流的冲刷、冲击和淘空。 干旱地区的路基坡面防护 ： 主要目的在于防止风蚀或积沙。 坡面防护设施，本身不承受外力作用，必须要求坡面岩土 整体稳定。 第二节 坡面防护 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 105 坡面防护的前提：要求路基应有适合于边坡土质的断面形式及稳定边坡坡度。 坡面防护设施有：植物防护（生命防护）和工程防护（无机物防护） 各种坡面防护 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 106 一、植物防护 植物防护（包括植草、铺草皮和植树）主要适用于较 缓的土质或严重风化的岩质边坡。 植物防护的原理： 依靠比较发达的根系，深入土层，使表土固结； 植物茎叶覆盖坡面，可以调节表土的湿度，保持湿 润，防止扬尘风蚀； 植被阻滞地面迳流，阻止冲刷，有利水土保持。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 107 植物防护的种类： 1 、种草： 2 、铺草皮： 3 、植树。 优点：美化路容，协调环境，调节边坡土温湿，起到固 结和稳定边坡作用。 适用条件：边坡较缓，坡度小，土质 种草： i ＜ 1 ： 1, 地表径流 v ＜ 0.6m/S 草皮平铺，水平叠铺，垂直坡面方格 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 108 二、工程防护 工程防护 －－采用砂石、水泥、石灰等矿质材料进行坡面防护。主要采用隔离原理防止风化。 1. 灌缝： 借助灰浆的粘结力，使坡面胶结成整体，防止岩块坠落或坍塌；同时阻止雨水及有害杂质浸入缝穴，以防边坡失稳破坏。 2. 勾缝： 防止坡面水流入缝隙而引起病害。 3. 喷浆： 将表面封闭，阻止面层风化，以防止边坡剥落和零星碎落。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 109 4. 抹面： 将表面封闭，阻止面层风化，以防止边坡剥落和零星碎落。 5. 护面墙： 浆砌片石坡面覆盖层。 6. 砌石防护 （干砌和浆砌）：防止地面水流或河水冲刷。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 110 第三节 冲刷防护 沿河路堤，因河道变迁与水位涨落，经常受到冲刷作用，因此路基必须防护，才能确保其稳定。 水流冲刷作用，包括动水压力、波浪压力、冰体压力，及其他要素（如壅水高度、冲刷深度、防护层厚度），均需在设计时予以计算与分析，据此选择相应的防护措施。 因水流性质变化较大，防止冲刷的方法有多种。各种方法大致可以归纳为直接防护和间接防护两大类。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 111 第三节 冲刷防护 冲刷防护包括直接防护和间接防护。 直接防护 －－ 加固堤岸边坡。 间接防护 －－ 改变水流性质。 冲刷防护的前提是搞好事前的水文地质勘察，亦包括风浪 作用及附近河段两岸现状的有关资料收集。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 112 一、直接防护 直接防护是指对河岸或路基边坡所采取的直接加固措施 目的： 抵抗水流冲刷和掏刷作用 特点： ①尽可能不干扰或很少干扰原水流的性质，因而对防护地段的上下游及河对岸影响轻微。 ②应有足够的强度和稳定性，并能够经得住最不利情况的考验。 ③如情况估计不足，或单纯为了减少投资而采用不适当的简易防护措施，往往产生防护失效和破坏，因此，可以认为此类防护是被动式的措施。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 113 适用场合： ①在水流速度较缓，流向与堤岸接近平行，或在宽阔的河滩、凸岸、台地边缘等水流破坏作用较弱的地段优先选用。 ②山区河流有时河槽呈“ V” 形，其纵坡较陡、流速较大，水流的破坏作用强烈，如果由于受地质的限制而难以人为改变水流性质时，则不得不采用直接防护措施，此时必须着重考虑防护体的坚固稳定。 直接防护措施：植物防护、砌石防护 — 流速较小 抛石、石笼、石垛、抗滑桩 — 流速较大、浸水部分。 一、直接防护 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 114 直接防护包括 ： 植物防护、石砌防护或抛石与石笼防 护，以及必要时设置的支挡（驳岸等）。 植物防护、石砌防护（同前，但要求高）； 抛石： 适用于水流方向较平顺，无严重局部冲刷而被水 浸的路堤边坡和河岸； 石笼： 适用于受洪水急流冲刷和风浪侵袭的地段； 浸水挡土墙： 在峡谷急流地段，为防止路基挤占河床。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 115 二、间接防护 采用导流或阻流的方法，改变水流性质，或者迫使主流流向偏离被防护的路段，也可减小流速，缓和水流对被防护路段的作用，改变河槽中冲刷和淤积部位，以及必要时改变河道等，均属于间接防护。 特点： 间接防护构造物侵占一部分河床断面，因而不同程度上压缩和紊乱原来的水流，使得当冲部位受到特别强烈的冲刷和掏刷作用，因此这些部位应有比较坚固的加固措施。间接防护实际上是转移目标。 适用场合： 当河床较宽，冲刷和淤积大致平衡，水流性质较易改变，且有条件可以顺河势布置横向导流构造物时，宜采用间接防护措施。如果需要防护的路段较长，则更宜采用。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 116 第三节 冲刷防护 二、间接防护 常用的间接防护措施有：丁坝、顺坝、格坝 丁坝（挑水坝）： 坝根与河岸相连接，坝头伸向河槽，与水流成一角度； 作用：将水流挑离河岸或路基，改善流态 顺坝（导流坝）： 坝根与河岸相连接，坝身与导流线基本重合或平行； 作用：导流、束水、调整流水曲线，改善流态。 格坝： 格坝在平面上成网格状，设与顺坝与堤岸之间。 作用：防止高水位时水流溢入冲刷坝内岸坡或坡脚，并促进格间的淤积。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 117 第四节 软土地基加固 一、处理方法种类以及选择 处理目的： a 、沉降处理：加载预压法、竖向砂井（插塑料板）、挤密 砂桩。 b 、稳定性：换填土、反压护道、加石灰桩。 二、选择处理方法 1 、考虑地基土质、土层结构层； 2 、道路性质、路基高度与宽度； 3 、考虑施工工期、材料的供应情况、施工机械实力。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 118 在路堤设计时应考虑： 1. 地基的承载力是否足以保证路堤的稳定性； 2. 由压缩性土的固结变形而引起的路堤沉降（沉降量 和沉降速率）是否影响路基路面结构的正常使用其 使用寿命。 为提高路堤稳定性或减少沉降量或加速固结，需 要采取的地基处理措施。 第四节 软土地基加固 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 119 一、砂垫层法 砂垫层－－在软土地基上铺设厚度为 0.5~1.2m 的砂层。 适用于软土层不厚，当地有砂运距不远，施工期不紧迫 作用： 1) 作为软土层固结所需要的上部排水层（配合其它固结排水措施）； 2) 作为路堤内的底部排水层，以降低路堤内水位或疏干路堤内湿度； 3) 改善路堤和地基处理工程施工时的机械作业条件； 4) 软土层薄时，单独用作地基处理（固结排水）措施。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 120 二、 换填土法 换填土法 －－ 用好土（强度较高和透水性好的材料）全部 或部分替换软土的方法。 适用于软土层较厚，稠度大，路 堤高、施工期紧迫。 作用： 提高地基的承载力和降低沉降量。 施工方法： 开挖和强制挤出。 开挖方法： 全部开挖换填－－ 在路堤全宽范围内将需要处理的软土层 挖除，并置换以好土。适用于软土层厚度为 3m 以内，路堤 需在短期内填筑完成的情况。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 121 部分开挖换填－－ 仅挖除表层最软弱部分的软土， 换填以好土，使沉降量减少到可接受程度（挖填深 度为 2m 以内）。 强制换填法－－ 利用路堤填土重力将软土从路堤下 向两侧或前方挤出；或者将炸药装入软土层内，通 过爆破将软土挤出。 换填材料： 宜选用排水性能好，处于地下水以下能 保持有足够承载力的砂、砂砾及其它粗粒料。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 122 三、反压护道法 反压护道－－当路堤填筑高度超过地基不作处理时所能 容许的安全高度（极限高度或临界高度）时，路堤和软 土层达不到要求的滑动破坏安全系数。可在路堤两侧填 筑一定高度和宽度的护道。 作用：利用护道的填土重量增加稳定力矩，以平衡主路 堤的滑动力矩。 适用条件： 非耕作区， 路堤高度不大于（ 5/3~2 ）倍极限 高度的情况。 尺寸：反压护道高度是整个路堤高度 1/2 ～ 1/3, 反压护道边坡与原路堤边坡一致。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 123 四、分阶段施工 分阶段施工－－ 路堤填筑到一定高度，放置一段时间， 再进行第二阶段的施工，重复多次，填到设计高度为止。 原理： 利用土的固结特性。 适用条件： 在软土层初始剪切强度太低，不足以保证路 堤稳定性时，采用分阶段施工方法。但总工期很长，特 别是土固结很慢的情况下。同时，这种方法有一最大限 度的填土高度，超出此高度，分阶段施工仍然不能保证 路堤的稳定性。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 124 五、超载预压法 超载预压法－－ 路堤填筑到超过设计标高的高度，使软土 地基受到超载的作用而加速固结沉降。 目的： 较早地达到设计路堤荷载的沉降量，并减少路面铺 筑后的剩余沉降量（控制在容许范围内）。 其它方法： 采用真空预压法或降低地下水位法等。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 125 六、竖向排水固结法 竖向排水固结法－－ 在地基内设置排水井，缩短排水距 离，加速固结排水。 目的：运用堆载预压，挤出土中 的过多含水，达到挤紧土粒和提高强度。 适用条件： 均匀的厚粘土层而渗透性小、路堤较高。 排水材料： 砂井、预制芯板等。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 126 引入排水单元，降低地下水位，使土固结方法： a 、砂井法 施工方法：强行打入法，螺旋钻法 形状：正方形、三角形 深度： 15 ～ 20m 直径： 20 ～ 30cm 井间距： (8 ～ 10)d b 、塑料板法 : 带宽 10cm ，厚几个毫米≈ φ5cm 砂 井，最小间距 0.6m 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 127 七、挤密桩法和加固土桩法 挤密桩－－ 用冲击或振动方法，将砂或碎石等粒料挤入 软土地基内，形成直径较大的桩体，并同原地基一起形 成复合地基。 作用： 1) 使桩周围的土体变密实； 2) 支承路堤很大一部分重量； 3) 加速周围软土的固结； 4) 防止液化（砂土地基时）。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 128 挤密桩（砂桩） 砂桩作用： a 、使周围土体变密实； b 、承担部分路堤荷载； c 、加速软土固结。 与砂井的区别： a 、形状相同，作用不同； b 、砂井主要用于排水，故井径较小，间距较大，而砂桩间距较小； c 、砂井适用于过湿软土层，而砂桩适用于松砂、乱填土及普通软粘土。 石灰桩： a 、化学反应原理起作用； b 、施工方法：旋转喷浆法； c 、桩的直径 φ0.3 ～ 0.5m ，间距 0.75 ～ 1.5m ，深度可达 dmax ＝ 30m 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 129 石灰桩 －－ 采用螺旋钻在软土层内开孔或用末端闭合式套管压入软土层内，而后将水泥、生石灰、粉煤灰等加固材料灌入孔内，利用加固材料的吸水消解和生成水化物等，降低周围粘性土中的含水量，从而提高地基的强度和减小沉降量。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 130 八、重锤夯实法 重锤夯实法－－ 以钢筋混凝土制成截头圆锥体（底部垫钢板），重量宜 1.5 吨左右，落高 2.5~4.5m ，对地基进行夯实（ 8 ～ 12 遍）。 适用条件 : 地下水位 0.8m 以下稍湿的一般粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土等。 目的： 提高地基表层土的强度。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 131 强夯法（动力固结法）－－ 以 8~12t （甚至 200t ）的重锤和 8~20m （最高达 40m ）的落距，对地层表面进行强力夯击，利用冲击波和动应力使地基土密实，达到加固的目的。 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 132 九、化学加固法 化学固结法－－ 利用化学溶液或胶结剂，采用压力灌 注或搅拌混合等措施，使土颗粒胶结起来，达到对土 基加固的目的。 目前采用的 化学溶液有 ： 1) 以水玻璃溶液为主的浆液 2) 以丙烯酸氨为主的浆液 3) 水泥浆液 4) 以纸浆溶液为主的浆液 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 133 工艺有： 注浆法－－ 利用机械压力将浆液通过注入管，均匀注入地层，浆液以填充和渗透方式，排挤土粒间或石隙中的水分和空气，占据其位置，一定时间后，浆液凝固，可使原土层或缝隙固结成整体。 旋喷法和深层搅拌法 5 路 基 防 护 与 加 固 路基路面工程 134 本章习题 一、名词解释 1. 排水固结法 2. 换填土层法 3. 重锤夯实法 4. 坡面防护 5. 堤岸防护 6. 冲刷防护 7. 强夯法 8. 化学加固法 二、思考题 1. 路基防护与加固的目的和意义是什么？ 2. 路基直接防护与间接防护主要有哪些区别？ 3. 路基防护与加固工程，按作用不同，可分为哪几类？ 4. 试述植物防护的作用、类型及适用条件。 5. 试述工程防护的作用、类型及适用条件。 6. 试述堤岸防护与加固的用途及措施。 7. 试述换填土层法、砂井堆载预压法的原理。 8. 常见的地基加固的方法主要有那些？各适用于什么场合 ? 5 路 基 防 护 与 加 固 6 挡 土 墙 设 计 路基路面工程 135 路基路面工程 136 设置挡土墙的前提 ： 1) 受地形、地物或占地等限制而需收缩坡脚时（条件约束）； 2) 采用较陡的边坡坡度时或者在坡体下滑而需采取措施以增加抗滑力时（稳定性要求）。 路基路面工程 137 设置挡土墙时，要依据使用场合的特点和要求（填方或挖方路段、路段长、墙高、地基条件、回填材料等）以及各种挡土墙的特点，按重要性、美观、经济、可靠度和耐久性等方面的考虑选择合适的挡土墙类型。 挡土墙的设计 包括：墙的构造（墙身、基础、回填料和排水等）和组成材料的选择、土压力计算以及墙身的内部和外部稳定性分析等。 路基路面工程 138 §6-1 概 述 挡土墙－ 是能够抵抗侧向土压力，防止墙后土 体坍塌的结构物。 一、挡土墙的用途 1. 降低挖方边坡高度，减少挖方数量，避免山体失稳坍滑； 2. 收缩路堤坡脚，减少填方数量或减少拆迁和占地面积，保证路堤稳定性； 3. 避免沿河路基挤缩河床，防止水流冲刷路基； 4. 防止山坡覆盖层下滑和抵抗滑坡。 路基路面工程 139 二、类型 （一）按设置挡土墙的位置分类 路肩墙 路堤墙 路堑墙 山坡墙 桥头挡墙 （二）按墙背的倾角方向分类 俯斜式 仰斜式 垂直式直线形墙背 折线形墙背 （三）按墙体材料分类 石砌挡土墙 砖砌挡土墙 混凝土挡土墙 钢筋混凝土挡土墙 木质挡土墙 路基路面工程 140 各种挡土墙 路基路面工程 141 （四）按不同结构形式分类 1. 重力式挡土墙 －依靠墙身自重抵抗墙后土体侧向推力（土压力），以维持土体的稳定性。对地基承载力要求高。 按 墙背形式 又可分为： 直线形式 （仰斜、垂直、俯斜）； 带衡重台的形式； 不带衡重台的折线形式（凸形折线）。 路基路面工程 142 2. 锚定式挡土墙 — 通过一端埋设在破裂面外侧稳定区内的锚杆或锚定板等所提供的抗拔力或被动土抗力，支持墙面挡住下滑土体的侧向推力。 锚杆式 锚定板式 桩板式 3. 薄壁式挡土墙－ 依靠压在墙踵板上的填料自重，阻止墙身的倾倒，从而支挡墙后的土体。 悬臂式 扶壁式 柱板式 路基路面工程 143 4. 加筋土挡土墙 －利用加筋土和各种墙面材料修成的挡土墙。依靠拉筋与填料之间的摩擦力来抵抗侧向土压力。 5. 垛式和笼式挡土墙 －依靠杆件（或笼）的侧限作用使墙形成一整体，以抵御墙后土体的侧向推力。 垛式 笼式 路基路面工程 144 §6-2 挡土墙的构造与布置 下列情况需修建挡土墙： 1. 路基位于陡坡地段或岩石风化的路堑边缘地带； 2. 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段； 3. 可能产生塌方、滑坡的不良地质； 4. 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路堤地段； 5. 为节约用地减少拆迁或少占农田的地段； 6. 为保护重要建筑物、生态环境或其它特殊需要地段。 路基路面工程 145 一、挡土墙的布置 要求： 1) 确保挡土墙基础稳定，墙身坚固，作用良好； 2) 结构合理，断面经济，开挖与回填量小。 3) 充分利用当地材料。 4) 节省劳动力和用地面积。 5) 施工、养护方便与安全。 路基路面工程 146 设计步骤： 1.   初步拟定 1 ～ 2 个方案 2. 在横断面，初步确定其断面形式、位置、基础类型及埋置深度； 3. 初步在纵断面图上布置挡土墙； 4. 初步试算； 5. 方案比较； 6. 反复调整试算； 7. 编制设计说明。 路基路面工程 147 挡土墙布置 （一般在路基横断面和墙趾处的纵断面图上进行）： 1. 挡土墙横向布置（横断面图上进行） 布置内容 ： （ 1 ）确定挡土墙形式； 路堤（肩）墙：在地形陡峻时可采用俯斜式或衡重 式；在地形平坦时可采用仰斜式。 路堑墙：宜采用仰斜式或折线式。 （ 2 ）选择挡土墙的位置； 路堤墙与路肩墙可依据墙高、圬工数量、基础、填方 数量、占地数量和使用要求等进行比较确定。 路基路面工程 148 （ 3 ）确定墙高； 依据地形和地质等条件，分析计算确定。 （ 4 ）确定墙身断面、基础形式和埋置深度； 依据地质与水文地质及冲刷情况进行分析计 算确定。 （ 5 ）布置排水设施。 依据地形及墙背填料情况分析确定。 路基路面工程 149 2. 纵向布置（在墙趾处纵断面图进行） 布置内容与要求： （ 1 ）确定挡土墙的起迄点、墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。 （ 2 ）按地基及地形情况进行分段，确定伸缩缝与沉降缝。 （ 3 ）布置各挡土墙的基础。 （ 4 ）布置泄水孔的位置（包括数量、间隔和尺寸）。 路基路面工程 150 3. 平面布置（对于个别复杂的挡土墙进行布置） 4. 设计施工图布置要求 （ 1 ）墙趾纵断面布置图； （ 2 ）代表性的路基横断面图； （ 3 ）特殊情况，应绘制平面图； （ 4 ）设计说明书。 路基路面工程 151 二、挡土墙的构造 挡土墙由墙身、基础、填料、排水设施和伸缩缝等部分组成 1. 墙身构造 1 ）墙背 2 ）墙面 3 ）墙顶 4 ）护栏 2. 基础 1) 基础形式 ： 一般基础 台阶基础扩大基础 钢筋混凝土基础 地基换填基础 拱式基础 2) 基础埋置深度要求 ： （ 1 ）保证基底土层的承载力（容许）对于基底可能出现的最大应力； （ 2 ）应保证基础不受冲刷； （ 3 ）应防止基础因地基冻融而破坏。 路基路面工程 152 3. 排水设施 目的： 1. 防止地面水下渗； 2. 疏干墙后土体中的积水。 地面排水： 防止地面水渗入的措施有墙后地面设置排水沟、夯实地表松土、必要时可采取封闭处理等。 防止地表水渗入地基的主要措施有加固边沟（路肩墙）或在适当位置设置排水沟。 墙身排水： 设置泄水孔 设置反滤层 4. 沉降与伸缩缝 5. 填料 ： 宜采用透水性好的砂砾或碎石材料。 路基路面工程 153 §6-3 挡土墙土压力计算 一、作用在挡土墙上的力系 主要力系有： 1 、 挡土墙自重 G 及墙上衡载 2 、墙后土体的主动土压力 Ea （包括作用在墙后填料破裂棱体上的荷载，简称超载） 3 、基底的法向反力 N 及摩擦力 T 4 、墙前土体的被动土压力 Ep 路基路面工程 154 二、 土压力计算 1 、土压力的类型（按塑性极限平衡法） 土压力同结构物的水平位移方向和大小（侧向约 束力的大小和方向）有关。 1) 主动土压力 2) 被动土压力 3) 静止土压力 2 、库伦（ C.A.coulomb ）土压力理论 路基路面工程 155 假设： 1) 填料为均质，各向同性的松散粒体，仅有内摩阻；填料的表面为平面； 2) 墙身外倾时会出现通过墙踵的两个破裂面，破裂面为平面； 3) 破裂面上的土体为刚性体；它下滑时同墙背存在摩阻力，其摩阻角为 δ ；沿破裂面的摩阻力均匀分布，其摩阻角为 φ ； 4) 破裂作平面问题处理，考虑无限长墙体的单位墙段。 路基路面工程 156 适用于路堤式或路堑式挡土墙， AB 为挡土墙 墙背， BC 为 破裂面， BC 与 铅垂线的夹角为破裂角 θ ， ABC 为 破裂棱体， G 为 破裂棱体自重， Ea 为主 动土压力反力， R 为 破裂面 反力， Ea 方向与墙背法线成 δ 角； R 方向与 破裂面法线成 φ 角； φ- 填土的内摩擦角； δ- 墙背与填土的摩擦角； β- 墙后填土表面的倾斜 角； α- 墙背倾斜角； H- 挡土墙高度 路基路面工程 157 根据静力平衡原理，确定破裂面上的土体处于极限平衡状 态时给予墙背的主动土压力。 土压力值是破裂角的函数， Ea ＝ f(θ) 。令 得到最危险破裂面和其主动土压力 γ— 墙后填土的重度 Ka — 主动土压力系数 土压力系数 路基路面工程 158 土压力分布 主动土压力系数同墙高无关，而主动土压力同墙高的平方成正比。则土压应力沿墙高呈直线分布。对上述情况，土压应力呈三角形分布。即： 水平分力 垂直分力 路基路面工程 159 各种边界条件下主动土压力计算 1. 破裂面交于内边坡 2. 破裂面交于路基面 路基路面工程 160 1 ）破裂角交于荷载中部 2 ）破裂角交于荷载外侧 3 ）破裂角交于内侧 3. 破裂角交于外边坡 4. 特例：填土水平（ β ＝ 0 ），墙背铅垂（ α ＝ 0 ），墙背光滑（ δ ＝ 0 ）。土压力为： 路基路面工程 161 3 、大俯角墙背的主动土压力 －第二破裂面法 Ea 是第一、二破裂面的函数 Ex 是 Ea 的水平分力，也是第一、二破裂面的 函数 路基路面工程 162 出现第二破裂面的条件 （ 1 ）墙背或假想墙背的倾角 或 必须大于第二破裂面的倾角 ，即墙背或假想墙背不妨碍第二破裂面的出现： （ 2 ）在墙背或假象墙背面上产生的抗滑力必须大于其下滑力，即 ，或 ，使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑。 路基路面工程 163 4 、折线形墙背的土压力计算 折线墙背的土压力计算时以墙背转折点或衡 重台为界限，把墙分为上墙和下墙，分别按库伦 理论计算主动土压力，然后取两者的矢量和作为 全墙的土压力。 上墙的土压力计算 ：不考虑下墙的影响，按 俯斜墙背计算，注意判别是否出现第二破裂面。 路基路面工程 164 下墙的土压力计算 （对上墙作近似处理）： 1) 延长墙背法－延长下墙墙背，交于填土表面，按此虚构墙背计算土压力，并绘出全墙的土压力分布图，截取下墙部分的压应力分布图作为下墙的土压力。 该方法的缺点 ： 忽略了延长墙背与实际墙背之间的土楔及荷载重 假定上墙破裂面与下墙破裂面平行，实际不平行。 2) 力多边形法－根据静力平衡条件，作用于破裂棱体上的诸力应构成力多边形来求算下墙土压力。 路基路面工程 165 5 、粘性土土压力计算 粘结力存在对主动土压力影响大（土压力减小） 1. 换算内摩擦角法－将内摩擦角和内粘结力，换算成较实有内摩擦角大的“等效内摩擦角” 原则： 1) 换算前后的抗剪强度相等 2) 换算前后的土压力相等 2. 力多边形法（数解法） 1) 考虑深度 h c 范围内为垂直裂缝区，不计此范围土压力 2) 考虑破裂面上的粘结力 路基路面工程 166 6 、不同土层的土压力计算 假设土的分层面与地表面平行 路基路面工程 167 1) 先求上层土压力 E 1 ； 2) 将上层土重作为超载，求算下层土压力 E 2 ； — 下一土层的土压力系数 3) 求 E 1 和 E 2 的矢量和。 土压力作用点的高度： 路基路面工程 168 7 、有限范围填土的土压力计算 当墙后存在已知的陡坡面或潜在的滑动面，且当其倾角 陡于有计算求得的破裂面的倾角时，墙后的填料将沿着 陡的坡面下滑，不沿计算破裂面下滑。（已知破裂面）， 根据静力平衡方法求得： — 土楔及其上荷载重 — 滑动面的倾角 — 土体与滑动面的摩擦角 — 参数 路基路面工程 169 8 、被动土压力 由于产生被动极限状态，要求土体产生较大的变形，而一般建筑物来说常常是不容许的，应进行折减。如拱桥桥台的情况是台推土，但拱桥不容许变形，故进行桥台设计时，取静止土压力。 路基路面工程 170 9 、车辆荷载的换算及计算参数 1 ）车辆荷载换算 （ 1 ）根据破裂棱体范围内布置的车辆荷载换算。 路基路面工程 171 （ 2 ）按墙高确定的附加荷载强度进行换算 将汽车荷载按均布荷载，换算成容重与前后填料相同的均布土层厚度： q ：附加荷载强度： 墙高小于等于 2m, 取 20kN/m; 墙高大于等于 10m, 取 10 kN/m 墙高 H 在 2 ～ 10m ，进行线性内插 γ — 墙后填土的重度； B 0 — 不计车辆荷载作用时破裂棱体的宽度； L — 挡土墙的计算长度； ΣQ — 在 B 0 × L 范围内布置的车轮总重。 路基路面工程 172 2 ）计算参数 （ 1 ）填料的计算内摩擦角和容重 根据实际工作情况进行试验确定，无条件时可按表 6 － 6 数据选用。 （ 2 ）墙背摩擦角 大小与墙背的粗糙度、填料性质及墙后排水有关。 见表 6 － 7 。 墙背愈粗糙，墙背摩擦角大。 填料的内摩擦角愈大，墙背摩擦角大。 排水条件愈好，墙背摩擦角大。 路基路面工程 173 10 、挡土墙设计原则 挡土墙的荷载计算方法 挡土墙的荷载组合 荷载分类： A. 永久作用（荷载）：见表 6-8 ； B. 可变作用（荷载）：见表 6-8 ； (1) 基本可变作用（荷载）； (2) 其他可变作用（荷载）； (3) 施工荷载。 C. 偶然作用（荷载）：见表 6-8 。 路基路面工程 174 组合 作用（或荷载）名称 Ⅰ 挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、填土重力、填土侧压力及其他永久荷载组合 Ⅱ 组合 I 与基本可变荷载相结合 Ⅲ 组合 II 与其他可变荷载、偶然荷载相结合 常用作用（或荷载）组合 路基路面工程 175 极限状态 — 整个结构或结构的某一部分超过某一 特定状态，就不能满足设计规定的某一功能要 求，此特定状态称为该功能的 极限状态 。 极限状态实质上是结构可靠（有效）或不可靠 （失效）的界限。 界限状态分类 ： 承载能力极限状态 正常使用极限状态 路基路面工程 176 承载能力极限状态： 对应于结构或结构构件达到 最大承载能力或出现不适于继续承载。 挡土墙出现以下任何一种状态，即认为超过了承 载能力极限状态： 1. 整个挡土墙或挡土墙的一部分作为刚体失去平 衡； 2. 挡土墙构件或连接部件因材料承受的强度超过 极限而破坏 , 或因过量塑性变形而不适于继续承 载； 路基路面工程 177 3. 挡土墙结构变为机动体系或局部失去平衡。 构件承载力极限状态表达 : 正常使用极限状态： 对应于结构或结构构件达到正 常使用或耐久性能的某项规定。 挡土墙出现以下任何一种状态，即认为超过了正常使用极限 状态： 1. 影响正常使用或外观变形； 2. 影响正常使用或耐久性的局部破坏（包括裂缝）； 3. 影响正常使用的其他特定状态。 — 结构重要性系数，按表 6-10 取； — 作用效应的组合设计值； — 挡土墙结构抗力函数； — 抗力材料的强度标准值； — 结构材料的分项系数，按表 6-11 取； — 结构或其构件几何参数的设计值。 路基路面工程 178 1) 承载能力极限状态分项荷载系数 见表 6 － 11 2) 当对挡土墙进行基础合力偏心距和圬工结构 合力偏心距计算时，除被动土压力分项荷载系 数用 0.3 外，其它全部荷载系数规定采用 1.0 三、 计算状态及荷载系数 路基路面工程 179 四、挡土墙稳定性验算 挡土墙的一般破坏形式及原因： 1) 挡土墙沿基底滑动而造成的破坏（基底抗滑力不足）； 2) 挡土墙绕墙趾转动所引起的倾覆（抗倾覆力矩不足）； 3) 因基础产生过大或不均匀的沉陷而引起的墙身倾斜； 4) 因墙身材料强度不足而产生的墙身剪切破坏。 路基路面工程 180 1. 抗滑稳定性验算 验算在土压力及其它外力作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力；即抗力应大于效应 抗力 效应 r G ＝ 0.9 G －挡土墙自重 Ex , Ey － 墙背主动土压力的水平与垂直分力 α 0 － 基底倾斜角 μ －基底摩擦系数 γ Q1 －主动土压力分项系数 路基路面工程 181 2. 抗倾覆稳定性验算 验算抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力；抗倾覆力矩大于倾覆力矩。 抗力 效应 r G ＝ 0.9 Z G －土重合力重心到墙趾的水平距离 Z x －土压力垂直分力作用点到墙趾的水平距离 Z y －土压力垂直分力作用点到墙趾的垂直距离 路基路面工程 182 3. 基底应力及合力偏心距验算 为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力，应进行 基底应力验算 ， 为了避免挡土墙不均匀沉陷，控制作用于 挡土墙基底的合力偏心距。 1) 地基承载力抗力值的规定 ： (1) 当挡土墙的基础宽度 b 大于 3m 和埋置深度 h 大于 0.5m 时，除括岩石地基外 ( 基底宽度大于 6m 时，取 6m ；基底宽 度小于 3m 时，取 3m ）： f － 地基承载力抗力值； f k －地基承载力标准值； k 1 , k 2 －承载力修正系数，见表 6-15 ； r 1 － 基底下持力层上的天然重度； r 2 － 基础地面以下各土层的加权平均重度； b － 基础底面宽度； h －基础底面的埋置深度。 路基路面工程 183 (2) 当不满足 (1) 的条件或计算 f<1.1f K 时，取 f ＝ 1.1f K 值 (3)f 值可以根据荷载组合予以提高，见表 6-16 (4) 当偏心距小于或等于 0.333b ，可根据抗剪强度指标确定 。 2) 抗力： (1) 当轴向荷载作用时 (2) 当偏心荷载作用时 3) 基础底面的压应力（效应）： (1) 当轴向荷载作用时 f － 地基承载力抗力值 p －基底平均压应力； Ex －墙背主动土压力的垂直分力； Ey －墙背主动土压力的水平分力； W －低水位浮力。 路基路面工程 184 五、增加挡土墙稳定性的措施 （一）增加抗滑稳定性 1. 设置倾斜基底 2. 采用凸榫基础 3. 采用人工基础 4. 加大挡墙尺寸 （二）增加抗倾覆稳定性的方法 1. 展开墙趾 2. 改变墙面及墙背坡度 3. 改变墙身断面类型 4. 加大挡墙尺寸 （三）提高基底承载力或减小基底应力 1. 采用人工基础 2. 采用扩大基础 路基路面工程 185 六、衡重式挡土墙设计 作用于衡重式挡土墙的主动土压力，按上下墙分别计算，取矢量和作为全墙的主动土压力。 增加上下墙分界面的截面或斜截面验算剪应力 路基路面工程 186 一、浸水挡土墙土压力计算 计算时考虑： 1) 浸水部分填料采用浮容重； 2) 浸水前后的内摩擦角不变； 3) 浸水前后破裂面形状和位置不变 1. 当填料为砂性土时 浸水挡土墙土压力 填料浮容重 土压力作用位置 §6-4 浸水路堤挡土墙设计 路基路面工程 187 1. 静水压力 墙面 墙背 2. 上浮力 作用于基底的上浮力 总浮力 3. 动水压力 （对于弱透水性填料时） 路基路面工程 188 三、浸水挡土墙稳定性验算 1. 验算方法：同前 2. 最不利水位的求算 挡土墙的稳定性与水位高低有 关。 最不利水位－－抗滑稳定性系 数和抗倾覆稳定性系数同时最 小或其中一个为最小时的水位。 方法：采用 0.618 优先法 路基路面工程 189 §6-5 地震地区挡土墙设计 主要震害现象： 1) 沿砌缝开裂：发生于基础不良地段（不均匀的坡积层）和岩土间隔的地基。发生不均匀沉陷使墙出现拉应力； 2) 臌肚变形； 3) 墙体倾倒； 挡土墙震害原因分析： 1) 墙身：墙身或断面重心过高、墙身质量和刚度不均匀导致应力集中、墙体状态性差，抗震性能差。 2) 填料：粉性土或不透水性填料。 3) 施工：石料嵌挤不紧密或砂浆不饱满降低整体强度。 4) 地基： 路基路面工程 190 一、一般防震措施 1. 用低重的墙身断面形式； 2. 基础要坚固； 3. 尽量采用浆砌片石，砼或钢筋砼； 4. 注意设置垂直缝； 5. 砂浆标号提高一级采用； 6. 墙后尽量填透水性好的材料。 路基路面工程 191 二、地震荷载的计算 只考虑最大水平地震力 地震角－－ 墙重 G 与水平地震力 P s 的合力与竖直线的夹角 θ s 路基路面工程 192 三、地震作用下的土压力 四、地震条件下挡土墙的验算 地震条件下挡土墙的验算与非地震一般 条件挡土墙的验算相似。 路基路面工程 193 §6-6 轻型挡土墙 一、悬臂式 （一）构造及适用条件 （二）设计 1. 土压力计算 （采用朗金理论） 墙上（墙趾处）的总土压力 朗金土压力系数 路基路面工程 194 2 、底板宽度计算 1 ）夹块宽度 2 ）踵板宽度 3 ）趾板宽度 3 、底板厚度计算 结构要求、截面强度要求 4 、立壁厚度计算 1 ）结构要求 2 ）计算立壁弯矩及剪力 3 ）厚度计算 5 、墙身稳定性及基底应力验算（同前） 路基路面工程 195 二、锚杆挡土墙 （一）构造与布置 墙面分为板柱式（板和柱组成）和板壁式（板） 锚杆分为楔缝式（小锚杆）和灌浆锚杆（大锚杆） （二）锚杆挡墙设计 1. 主动土压力计算 2. 挡土板内力计算 3. 立柱的内力计算 4. 锚杆： 1) 锚杆截面设计 2) 锚杆长度设计 3) 锚杆与立柱的连接 路基路面工程 196 三、锚定板挡土墙 （一）锚定板挡土墙的构造 （二）锚定板挡土墙设计 1. 锚定板设计 2. 锚定板挡土墙的整体稳定性（与拉杆长度有关） 滑动面的假定： 1) 群锚理论－土墙假定 2) 双拉杆设计理论－折线滑动面假定 路基路面工程 197 §6-7 加筋挡土墙 一、加筋挡土墙的构造 由墙面板、筋带和填料组成。 1. 加筋体的横断面： 宜采用矩形，当受地形、地质条件限制时可采用其它形式。 路基路面工程 198 2. 填料： 宜优先采用一定级配的砂性土、砾（碎）石土和土（增加拉筋与填料间的摩擦力。超过 12m 的墙特别要注意。要求一定的压实度。 3. 基础： 埋置深度（考虑冲刷和冰冻作用）。 4. 沉降缝： 根据地形、地质、墙高等条件设置， 10~30m 。 5. 筋带： 抗拉性能强、不易脆断、蠕变量小、与填土的摩擦力大，具有良好的柔性、耐久性并且经济。与墙面垂直。 路基路面工程 199 二、加筋挡土墙结构计算 1. 加筋挡土墙的破坏形式和稳定性要求： 1) 由于筋带裂缝造成的断裂 2) 由于土与筋带之间结合力不足造成的加筋体断裂 3) 因外部不稳定造成的破坏 稳定性要求： 1) 内部稳定性：筋带的强度和筋带的抗拔验算 A 计算拉筋所受到的拉力，确定所需要的拉筋断面，使拉应力不超过容许值。 B 评定拉筋与填料间的摩擦力，确定所需的拉筋长度，以平衡拉筋承受的拉力） 2) 外部稳定性：滑动、倾覆、基底应力和整体滑动的验算 路基路面工程 200 抗震验算时 路基路面工程 201 本章习题 一、名词解释 1. 挡土墙 2. 俯（仰）斜式挡土墙 3. 锚定式挡土墙 4. 加筋挡土墙 5. 衡重式挡土墙 6. 第二破裂面 7. 抗滑稳定性 8. 抗倾覆稳定性 二、思考题 1. 挡土墙的作用、设置情况和设计内容有哪些？ 2 试述各类挡土墙的结构特点及其适用条件。 路基路面工程 202 3. 挡土墙的类型有哪些？ 4. 重力式挡土墙在墙背、墙面、墙顶、基础、排水和沉降缝方面的主要特点是什么？ 5. 挡土墙的布置包括哪几个方面？修建挡土墙的条件是什么？ 6 重力式路堤挡土墙墙背破裂面有哪几种形式？ 7. 主动、被动和静止土压力对应的土压力系数表达式是什么？其数值有何规律？ 路基路面工程 203 8. 库仑土压力、朗金土压力理论的假设条件、作用图式和适用情况有何区别？ 9. 请计算路堤挡墙上，顶上分布有某均布荷载情况下的主动土压力，用图解法完成，并给出各关键力的字母表达式。 10. 路基挡土墙稳定性验算的内容、受力图式和计算表达式是什么？ 11. 挡土墙抗滑稳定性、抗倾覆稳定性或地基承载力不足时，可采取哪些改进措施？ 12. 挡土墙的排水设施是如何设计的？ 路基路面工程 204 一、排水的重要性 1. 地面水渗入路基→路基强度降低 2. 地面水对边坡冲刷→路基整体稳定性受到威胁 3. 地下水浸入路基→强度降低（冻胀，翻浆、滑坍滑动） 4. 降水渗入路面→降低材料的强度；高压水冲刷使承载力下降。 二、排水的目的与任务 1. 把路基工作区内的 土基含水量 降低到一定范围之内 2. 将降落在路基路面上的水和渗入路面内的水迅速的 排除 路基范围之外。 §7-1 概述 7 路基路面排水设计 路基路面工程 205 三、基本要求 1. 设计中把影响路基路面的水流，加以拦截，排除，截断，疏干，降低，引导。 2. 施工中，校核全线排水系统的设计是否完善。必要时补充，修改。增加临时排水措施。 四、一般原则 1. 认真调查研究 2. 结合农田水利，城市建设，整体规划 。 3. 全线综合考虑 4. 因地制宜，经济适用，尽可能就地取材 。 7 路基路面排水设计 路基路面工程 206 路基排水工程： 地面排水，地下排水 一、地面排水设备 1. 边沟 2 跌水：阶梯形的建筑物，水以瀑布形式通过的排水设施 3 急流槽： 具有很陡坡度的水槽，水流以陡坡形式通过的排水设施，但水流不离开槽底。 5. 倒虹吸与渡水槽： 设置于水流需要横跨路基，同时受到设计标高的限制，从路基底部或上部架空跨越。前者称为 倒虹吸 ，后者称为 渡水槽 。 渡水槽： 水流横跨路基且受到路基标高限制时，水流从路基上方跨越的排水设施。 二、地下排水设备 1. 暗沟 2 渗沟 3 渗井 7 路基路面排水设计 路基路面工程 207 7 路基路面排水设计 第八章 土质路基施工 路基路面工程 208 路基路面工程 209 路基施工 — — 按照设计图纸和要求，以最经济的 方式，及时建成符合质量标准的路基结构物。 路 基施工就是把路线和路基设计的方案转变为实物。 路基施工的主要内容 ：施工前准备工作和基本工 作。 施工前准备工作是保证施工顺利进行的重要前 提，必须给予足够的重视并认真做好。 施工准备工作包括 组织准备、物资准备和技术准 备 等。 路基路面工程 210 基本工作 包括路基和小型人工构造物 路基施工的主要内容： 挖掘路堑或取土，沿路线纵横向运土，填筑路堤，压实土基，整平路基表面及修整路基边坡，修筑路基排水及防护设施等。 小型人工构造物包括 : 小桥、涵洞、挡土墙等。 路基路面工程 211 施工时应实现的基本要求： 1. 路基的位置、标高、断面尺寸、材料规格及压实 或砌筑等质量应符合 设计文件和有关的施工技术规 范 的规定，以保证路基良好的使用性能。 2. 根据条件，选择 适用的施工方法 ，合理的调配和使用劳力、机具与材料，以提高劳动生产率，降低建筑成本和确保工程质量 3. 路基施工的各项工作要 紧密配合 ，路基工程同其它工程也要相互协调，服从整个道路施工组织与计划的统一安排，来按时或提前完成施工任务。 4. 路基施工必须贯彻 安全生产 的方针，制定安全技术措施，严格执行安全操作规程，做好事故的预防工作，确保施工安全。 总之，为实现优质、经济、快速、安全的要求，必须重视施工技术与组织管理 路基路面工程 212 二、路基施工的基本方法 人工施工 — 使用手工工具，效率底，劳动强度大，占用大量的劳动力，进度慢，质量难于保证，适用于缺乏筑路机械的工地和工程量小而分散的零星工点以及辅助性工作。 简易机械化施工 — 使用简易机械设备 ( 提高工效、减轻劳动强度 ) ，适用于缺乏筑路机械的工地和工程量小而分散的零星工点以及辅助性工作。 机械施工 — 使用机械设备，可以极大提高劳动生产率，加快施工进度，确保工程质量。是保证施工质量和施工进度的重要条件。 土方：挖掘机、装载机→自卸车→铲运机→推土机→平地机→压路机。 路基路面工程 213 综合机械化施工 — 为充分发挥机械 ( 主要机械 ) 的工作效率，根据工程性质和施工条件等因素，选配若干种机械，共同协调地完成施工任务。 是路基施工现代化的重要途径。 水力施工 — 运用水泵、水枪等水力机械，喷射强力水流，把土冲散并流到指定地点沉积。适用于挖掘比较松散的土层和填筑路堤、砂砾填筑路堤或基坑回填的密实作用 ( 水夯法 ) 、或者进行软土地基加固的钻孔等工作。 条件是需要有充足水源和动力。 爆破施工 — 依靠炸药的爆破力量来破碎和抛掷岩石等。用途是开挖岩石、松动冻土 ( 或硬土 ) 、排除淤泥、挖除树根、开采石料等。 路基路面工程 214 施工前准备工作： 组织准备、技术准备、物质准备工作。 施工组织计划 : 包括选择施工方案、确定施工方法、 布置施工现场、编制施工进度计划、 拟定关键工程的技术措施等。 施工测量： 1. 恢复路线； 2. 划定路界； 3. 路基放样； 4. 清理场地； 5. 临时工程。 路基路面工程 215 §8-2 施工要点 一、基本要求 1. 必须搞好施工排水； 2. 路基挖填范围内的地表障碍物，事先应予以清除； 3. 路基取土与填筑，必须有条不紊，有计划有步骤地进行操作； 4. 路堑开挖，应在全横断面进行，自上而下一次成型，注意按设计要求准确放样，不断检查校正，边坡表面削齐拍平； 路基路面工程 216 5. 土质路堤，应视路基高度及设计要求，先着手清理或加固地基； 6. 土路堤分层填平压实，是确保施工质量的关键； 7. 路基原定设计要求及施工操作规程，是路基施工的依据及质量检验的标准，必须严格执行。 二、填挖方案 填挖方案 — 沿路基深度或宽度的施工顺序。 方案的选择依据： 当地自然情况、工程量大小和分布、 施工机具的性能及施工要求等条件。 路基路面工程 217 路基填挖的基本工作类型： 1. 挖取边沟和路侧取土坑 ( 单侧或双侧 ) 的土填筑路 堤； 2. 挖取上侧半路堑的土填筑下侧半路堤 ( 半填半挖路 基 ) ； 以横向短距离运土为主。 3. 挖取集中取土坑或路堑的土运到填土处填筑路堤； 4. 挖取路堑的土运至弃土地点，或者把台口式路堑的 土弃至路堑下侧。 以纵向长或短距离运土为主。 路基路面工程 218 方案的选择目的： 1. 创造有利的工作条件，使劳动力和机具生产效率得以充分发挥； 2. 保证有足够的工作面，便于布置为如期完工所需要的全部工人和机具并能正常工作； 3. 有利于提高工程质量，保证施工安全。应使各个筑路阶段都有排水出路。 路基路面工程 219 3. 基本填筑方案 按填土顺序可分为 分层填筑和竖向填筑 。 1) 分层填筑 - 按照路堤设计横断面，自下而上逐层填 筑。依据填料的性质 ( 透水性 ) ，从原地面逐层向上堆 填并分层压实。 2) 竖向填筑法 - 从路堤的纵向或横向，按照全部高度逐 步推进填筑。常用于路线跨越深谷或通过陡坡地段及泥 沼地区，但不易压实，沉降不均匀 路基路面工程 220 2. 基本开挖方案 1) 横挖法 - 从路堑的一端或两端，按其整个横断面 逐步沿中线向前挖掘。 2) 纵挖法 ( 包括分层纵挖和通道挖掘 ) ： 分层纵挖法 - 沿路堑全宽度分为深度不大的纵向层逐层挖掘。 3) 混合法 - 沿纵向挖出一条通道，再沿横向两侧挖出若干条辅助通道，分别沿纵横的正反方向多施工面同时挖掘。 三、机械化施工 采用机械： 松土机、推土机、铲运机、平地机、挖土机、压实机械等。 路基路面工程 221 §8-3 路基压实 路基压实的目的与意义 目的： 通过对路基进行认真的压实使土基获得 一定的密实度，以提高其强度与稳定性。 意义： 1. 压实可充分发挥填土的强度； 2. 减少路基在行车荷载与自然因素作用下产生的变形； 3. 增加土基的不透水性、强度与稳定性； 4. 减薄路面厚度，对提高道路使用性能，延长其使用寿命有巨大作用。 路基路面工程 222 三、影响压实效果的主要因素 1. 内因： 土质和湿度 1) 含水量对压实影响 2) 土质对压实的影响 2. 外因： 1 ） 压实功能 ( 机械性能、压实时间与速度、土层厚度 ) 及压实时的外界自然和人为的其它因素等。 2) 压实工具和方法对压实的影响 压实机具大致有 碾压式、夯击式和振动式 。 压实方法： 先轻后重、先慢后快、先边缘后中间。 确定压实方法的内容包括 ：选择合适的压实机 具类型、确定压实土层的厚度、湿度和压实作用的 重复次数等。 路基路面工程 223 2 ．压实土层的最佳深度 1) 极限深度： 压实机具作用在土层上时，其压力传递的深度有一定限度，深于此限度的上，受压实作开而变形的量很小，此深度称作极限深度。 2) 对厚度小于极限深度的上层进行多次压实后，可发现在上层上部一定厚度范围内密实度沿深度大致均匀地分布。对这一部分土层厚度称作为 有效深度。 3) 在确定每层厚度时，应考虑机具的极限深度。同时，更应考虑如何选择一合适的层厚，使整个土层达到要求的密实度，而所耗费的压实功能又最少。这种压实层厚称作 最佳厚度。 路基路面工程 224 七、土基压实标准 控制标准 - 压实度 K 采用击实试验确定最大干容重，其方法有重型和 轻型击实试验。重型击实试验确定 压实度（见表 8-7 ） 土质路基压实度试验方法 ： 灌砂法、环刀法、灌水法或核子密度湿度仪法。 路基路面工程 225 复习思考题 一、名词解释 1. 压实度 2. 最佳含水量 二、思考题 1. 试述路基施工的重要性。 2. 简述路基压实的意义、原理及压实原则。 3. 路堤正确填筑应如何进行，填筑方法有哪些？各自使用条件是什么？ 4. 路堑开挖有哪些方式？各自适用条件是什么？ 5. 路基施工前应做好哪些准备工作？ 6. 影响路基压实的因素有哪些？路基压实标准应根据哪些要求确定 ? 小 结