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 WL W WL Wp 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 0 Wc 0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 K 1时 路堤边坡处于稳定状态且与边坡高度无关 K 1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2 4m 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 25 1 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15 20m 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 0 1 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 2 1 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 4 0 6m 4 边沟的纵坡和