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1 社 心 版 中 出 版 学 科 术出 k.cn o 技 o b 教 a. 职 ww w

2 全国高等院校土木工程类应用型系列规划教材 路基路面工程 程培峰主编王付洲于秀娟副主编 北京

3 内容简介本书以最新颁布的规范为依据, 汇集了当今路基路面工程领域内的新思想 新成果和新技术, 注重基本概念 基础理论和专业技术的紧密联系, 力求理论和实践相结合 全书分为路基工程和路面工程两部分, 共十七章 书中主要对路基路面工程的结构 材料 设计等基础知识和专业技术理论进行了详细的讲解, 并对施工和质量控制相关内容进行了翔实的介绍 全书图文并茂, 并附有示例, 便于使用和参考 本书可作为高等院校交通土建工程专业的教学用书, 也可作为相关专业的研究生教学参考书, 还可供从事公路 城市道路 机场跑道建设及交通土建行业技术和管理人员参考 图书在版编目 (CIP) 数据 路基路面工程 / 程培峰主编.- 北京 : 科学出版社,2009 ( 全国高等院校土木工程类应用型系列规划教材 ) ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 7 Ⅰ 畅路 Ⅱ 畅程 Ⅲ 畅 1 路基唱道路工程唱高等学校唱教材 2 路面唱道路工程唱高等学校唱教材 Ⅳ 畅 U416 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2009) 第 号 责任编辑 : 童安齐任加林 / 责任校对 : 赵燕 责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 耕者设计工作室 北京东黄城根北街 16 号 邮政编码 : 出版 ht tp :// w w w 畅 sciencep 畅 com 印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2009 年 12 月第一版开本 : / 年 12 月第一次印刷印张 : 31 印数 : 字数 : 定价 :45 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙路通枛 ) 销售部电话 010 唱 编辑部电话 010 唱 ( H B08) 版权所有, 侵权必究 举报电话 :010 唱 ;010 唱 ; 倡 科学出版社职教技术出版中心

4 前 言 路基路面工程 是高等学校交通土建工程专业的必修课程, 涵盖道路工程相关的设计 施工和养护, 以及结构和材料设计及要求等内容, 且与工程实际联系密切 随着道路建设的快速发展, 公路工程新材料 新工艺和新技术也层出不穷, 路基路面工程的理论和技术也在不断提高 自 2004 年以来, 我国公路路基 沥青路面和水泥混凝土路面的设计和施工等规范都进行了大范围的更新, 为了能更好地反映和体现这些新规范 新成果, 有必要及时对相关路基路面工程的教材进行重新编写 本书以现行规范为基础, 参考了大量相关书籍和文献, 力求深入浅出, 理论和实践相结合, 基本概念准确 基础理论清晰 专业内容实用, 必要部分辅以图片和设计范例, 将新材料 新成果和新技术融入书中 本书注重满足交通土建专业本科教学的需要, 同时也可供科研人员和工程技术人员参考 相关路基路面工程的基础知识较多, 书中尽量清楚论述相关基础知识, 将其有机地运用在本书之中 本书分为路基工程 ( 上篇 ) 和路面工程 ( 下篇 ) 两大部分, 共十七章 具体编写分工为 : 第一 三 十二章由程培峰编写 ; 第六 八章由王付洲编写 ; 第五 九 十六章由于秀娟编写 ; 第二 七 十章由徐永丽编写 ; 第十三 十四 十七章由王黎明编写 ; 第四 十一 十五章由韩春鹏编写 在编写过程中, 参考 借鉴了相关著作 文章以及科研资料, 在此对其作者深表谢意 限于水平和能力, 书中难免有疏漏或不当之处, 恳请读者批评指正 编者 2009 年 7 月

5 目 录 前言 上篇路基工程 第一章总论 道路工程的发展 路基路面工程的特点和基本性能 路基路面工程的内容 7 复习思考题与习题 8 第二章路基工程概论 公路自然区划 路基土的分类 路基干湿类型 影响路基稳定性的因素 路基的力学强度特性及评价 常见的路基病害 32 复习思考题与习题 35 第三章路基设计 一般要求 路基横断面设计 路基横断面尺寸 路基填土与压实 46 科学出版社职教技术出版中心 有关附属设施 路基稳定性分析 特殊路基设计 68 复习思考题与习题 73 第四章路基排水设计 路基排水要求及设计一般原则 路基地表排水设施 地下排水设施 排水系统的综合设计 91 复习思考题与习题 91

6 iv 路基路面工程 第五章路基防护与加固 坡面防护 冲刷防护 软土地基加固 105 复习思考题与习题 111 第六章挡土墙设计 挡土墙的类型及适用范围 挡土墙的构造与布置 挡土墙土压力计算 挡土墙设计原则 重力式挡土墙设计 地震地区挡土墙设计 加筋土挡土墙设计 148 复习思考题与习题 166 第七章路基施工 概述 施工机械和机械化施工 土质路基施工准备 一般土质路基施工 施工压实 路基排水与防护工程施工与质量控制 冬 雨季土质路基施工 土质路基验收与质量控制 石质路基施工 195 复习思考题与习题 199 下篇路面工程 第八章路面工程概论 路面的功能及要求 路面结构及层次划分 路面的分类 209 复习思考题与习题 213 第九章设计荷载环境因素 行车荷载 环境因素 路面材料的疲劳特性与变形累积 238 复习思考题与习题 243

7 目 录 v 第十章路面基层与垫层 碎 ( 砾 ) 石基层 无机结合料稳定类基层物理力学强度特性 无机结合料稳定类基层 无机结合料稳定类基层材料及组成设计 无机结合料稳定类基层施工及质量控制 垫层 272 复习思考题与习题 273 第十一章沥青路面 沥青路面的类型及一般要求 沥青路面材料的结构与力学特性 沥青路面材料的稳定性与耐久性 沥青路面材料的原材料 沥青混合料组成设计 沥青路面施工与质量控制 309 复习思考题与习题 317 第十二章沥青路面设计 概述 弹性层状体系理论简介及应力分析 路面结构层与组合设计 我国新建沥青路面设计方法 332 复习思考题与习题 347 第十三章水泥混凝土路面 概述 水泥混凝土路面的构造 路面混凝土 水泥混凝土路面面层施工 364 科学出版社职教技术出版中心 复习思考题与习题 381 第十四章水泥混凝土路面设计 概述 水泥混凝土路面应力分析 水泥混凝土路面结构组合设计 水泥混凝土路面结构厚度设计 水泥混凝土路面的平面分块和接缝设计 水泥混凝土路面路肩设计 面层配筋设计 427 复习思考题与习题 429

8 vi 路基路面工程 第十五章块料路面 概述 天然块料路面 机制块料路面 436 复习思考题与习题 436 第十六章路面排水 概述 路面表面排水 路面内部排水 444 复习思考题与习题 448 第十七章路面维修 评定与改建设计 路面常见病害与防治 路面状况调查与评定 沥青路面加铺层设计 水泥混凝土路面加铺层设计 473 复习思考题与习题 484 主要参考文献 485

9 上篇路基工程 科学出版社职教技术出版中心

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11 第一章总 论 学习要点本章介绍路基路面工程的研究内容 道路工程发展概况等了解性内容, 重 点介绍路基路面工程的特点和基本性能 1.1 道路工程的发展 道路是一种暴露于自然中的线形工程构造物, 由路基 路面 排水设施 交通安全设施等部分组成 从原始的压实带状道路雏形到有铺装的路面再到现在的高速公路, 道路工程无论从材料 结构 附属设施 交通安全以及信息化管理等方面都发生了巨大变化, 道路已经成为与人民生活密切相关的一部分 当今, 公路运输在我国交通运输中发挥着重要的作用, 带动当地经济的发展 高等级公路是经济发展的必然产物, 是一个国家现代化水平的重要标志 高速公路的快速发展, 大大缩短了省际之间 重要城市之间的时空距离, 加快了区域间人员 商品 技术 信息的交流速度, 有效降低生产运输成本, 促进国民经济发展和社会进步, 改变着人们的时空观念和生活方式 我国公路建设发展经历了几个不同阶段 中华人民共和国成立之前的旧中国的公路交通极为落后,1949 年全国公路通车里程仅 8.07 万 km, 公路密度仅 0.8km/100km 2 建国初 期, 公路交通经历一段时期的恢复后开始获得长足发展,1952 年公路里程达到 万 km 20 世纪 50 年代中后期, 为适应经济发展和开发边疆的需要, 我国开始大规模建设通往边疆 和山区的公路, 相继修建了川藏公路 青藏公路, 并在东南沿海 东北和西南地区修建国防公 路, 公路里程迅速增长,1959 年达到 50 多万 km 60 年代, 我国在继续大力兴建公路的同时, 加强了公路技术改造, 有路面道路里程及高级 次高级路面比重显著提高 从 1949 ~ 1978 年的 30 年间, 尽管国民经济发展道路曲折, 但全国公路里程仍基本保持持续增长, 到 1978 年底达到 89 万 km, 平均每年增加约 3 万 km, 公路密度达到 9.3km/100km 2 科学出版社职教技术出版中心 改革开放后, 国民经济持续高速发展, 公路运输需求强劲增长, 公路基础设施建设开 始发生了历史性转变 公路建设得到中央和地方各级政府的重视, 公路建设的重要性逐 步为全社会所认识, 在统一规划的基础上, 开始了有计划的全国公路基础设施建设 公路 建设在继续扩大总体规模的同时, 重点注重了质量水平的提高, 高速公路及其他高等级公 路的迅速发展, 改变了我国公路事业的落后面貌 从统计数字看, 到 1999 年, 全国公路里 程达到 135 万 km, 公路密度达到 14.1km/100km 2, 二级以上公路占全国公路总里程的比 重为 12.5 %, 主要城市之间的公路交通条件显著改善, 公路交通紧张状况初步缓解 同时, 县 乡公路里程快速增长, 质量也有很大提高, 全国实现了 100 % 的县 98 % 的乡和 89 % 的行政村通公路 总体而言, 一个干支衔接 布局合理 四通八达的全国公路网已初步形成 特别值得一提的是我国高速公路建设 高速公路建设是改革开放后我国公路事业取

12 4 路基路面工程得的突出成就 从 20 世纪 80 年代末开始, 我国开始了高速公路建设的新时代, 至今为止经历了两个阶段 1988 年至 1998 年的 10 年时间为我国高等级公路建设的起步阶段 1988 年上海至嘉定高速公路建成通车, 结束了我国大陆没有高速公路的历史 ;1990 年, 沈大高速公路全线建成通车 ;1993 年京津塘高速公路的建成, 使我国拥有了第一条利用世界银行贷款建设的 跨省市的高速公路, 标志着我国高速公路发展进入了一个新时代 1992 年, 交通部制定了 五纵七横 国道主干线规划并付诸实施, 从而为我国高速公路持续 快速 健康发展奠定了基础 到 1997 年年底, 我国高速公路通车里程达到 4771km,10 年间年均增长 477km 相继建成了沈大 京津塘 成渝 济青等一批具有重要意义的高速公路, 解决了高速公路建设的多项重大技术问题, 积累了设计 施工 监理和运营等建设管理全过程的宝贵经验, 为 1998 年后的快速发展奠定了基础 从 1998 年至今为快速发展阶段, 年均通车里程超过 4000km, 年均完成投资 1400 亿元 1999 年, 全国高速公路里程突破 1 万 km ;2000 年, 国道主干线京沈 京沪高速公路建成通车, 在我国华北 东北 华东之间形成了快速 安全 畅通的公路运输通道 ;2001 年, 有 西南动脉 之称的西南公路出海通道经过 10 多年的艰苦建设实现了全线贯通 2002 年年底, 我国高速公路通车里程一举突破 2.5 万 km, 位居世界第二位,2006 年底超过 4 万 km 除西藏外, 各省 自治区和直辖市都已拥有高速公路, 有 15 个省份的高速公路里程超过 1000km 同时在国家大力支持基础设施建设的政策支持下, 各省均制定了 年大战 计划, 提高了公路等级和里程 在注重高等级公路建设的同时, 从 2004 年开始, 全国各地开展了农村公路建设, 大大改善了通乡通村公路的质量, 提高了公路里程, 扩大并完善了公路网建设, 给农民经济发展和日常生活带来极大的方便 总体而言, 改革开放以来的 30 多年是我国公路发展速度快 规模大的崭新时期 公路总里程由 1990 年的 万 km 增加到 2004 年的 万 km 2005 年交通部组织了全国农村公路专项调查, 并以此为基础确定农村公路统计标准 2006 年起, 将农村公路纳入全国公路统计里程, 截至 2006 年底, 全国公路总里程达 万 km, 位居世界第二, 全国公路密度为 36.0km/100km 2 全国公路总里程中, 国道 万 km, 省道 23 畅 96 万 km, 县道 万 km, 乡道 万 km, 专用公路 5.80 万 km, 农村公路 153 畅 20 万 km, 分别占公路总里程的 3.9 % 6.9 % 14.7 % 28.6 % 1.7 % 和 44.3 % 各等级公路里程分别为 : 高速公路 4.53 万 km, 一级公路 4.53 万 km, 二级公路 万 km, 三级公路 35 畅 47 万 km, 四级公路 万 km, 等外公路 万 km 根据交通部最新公布的枟国家高速公路网规划枠, 从 2005 年起到 2030 年, 国家将斥资两万亿元, 新建 5 畅 1 万 km 高速公路, 使我国高速公路总里程达到 8.5 万 km 的规模, 其中主线 6.8 万 km, 地区环线 联络线等其他路线约 1.7 万 km 国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合布局方案, 由 7 条首都放射线 9 条南北纵线和 18 条东西横线组成, 简称为 7918 网 国家高速公路网规划建成后, 可以形成 首都连接省会 省会彼此相通 连接主要地市 覆盖重要县市 的高速公路网络 这个网络能够覆盖 10 多亿人口, 直接服务区域 GDP 占全国总量的 85 % 以上 ; 实现东部地区平均 30min 中部地区平均 1h 西部地区平均 2h 抵达高速公路,

13 第一章总 论 5 客货运输的机动性将有显著提升 1.2 路基路面工程的特点和基本性能 路基和路面是道路的主要工程结构物 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 面用各种混合料铺筑而成的层状结构物 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保证, 路面结构层提供荷载支撑和良好路面使 用的同时, 又保护了路基, 使之避免直接经受车辆和大气的破坏作用, 长久处于稳定状态 路基和路面相辅相成, 是不可分离的整体, 应综合考虑它们的工程特点, 解决两者的强度 稳定性等技术问题 路基与路面工程是道路工程的主要组成部分, 工程数量十分可观 例如微丘区的三 级公路, 每公里土石方数量为 8000 ~ m 3, 山岭 重丘区的三级公路每公里可达 ~ m 3, 对于高速公路, 数量更为可观 路面结构在道路造价中所占比重很 大, 一般都要达到 30 % 左右 因此精心设计 精心施工, 使路基路面能长期具备良好的使 用性能, 对节约投资 提高运输效益, 具有十分重要的意义 路基路面是一项线形工程, 有的公路延续长百公里, 甚至上千公里 公路沿线地形起 伏, 地质 地貌 气象特征多变, 再加上沿线城镇经济发达程度与交通繁忙程度不一, 因此 决定了路基与路面工程复杂多变的特点, 工程技术人员必须掌握广博的知识, 善于识别各 种变化的环境因素, 恰当地进行处理, 建造出理想的路基路面工程结构 现代化公路运输, 不仅要求道路能全天候通行车辆, 而且要求车辆能以一定的速度 安全 舒适而经济地在道路上运行 这就要求路面具有良好的使用性能, 提供良好的行驶 条件和服务水平 为了保证公路与城市道路最大限度地满足车辆运行的要求, 提高车速 增强安全性和舒适性, 降低运输成本和延长道路使用年限, 要求路基路面工程具有下述基 本性能 1 畅 2 畅 1 承载能力 行驶在路面上的车辆, 通过车轮把荷载传给路面, 由路面传给路基, 在路基路面结构 内部产生应力 应变及位移 如果路基路面结构整体或某一组成部分的强度或抗变形能 力不足以抵抗这些应力 应变及位移, 路面会出现断裂, 路基路面结构会出现沉陷, 路面表 面会出现波浪或车辙, 使路况恶化 服务水平下降 因此要求路基路面结构整体及其各组 成部分都具有与行车荷载相适应的承载能力 结构承载能力包括强度与刚度二方面 路面结构应具有足够的强度 ( 承载能力 ) 以抵 抗车轮荷载引起的各个部位的各种应力 ( 如压应力 拉应力 剪应力等 ), 保证不发生压碎 拉断 剪切等各种破坏 路基路面整体结构或各个结构层应具有足够的刚度 ( 模量 ), 使得 在车轮荷载作用下不发生过量的变形, 保证不发生车辙 沉陷或波浪等病害 1 畅 2 畅 2 稳定性 科学出版社职教技术出版中心 在天然地表面建造的道路结构物改变了自然的平衡, 在达到新的平衡状态之前, 道路

14 6 路基路面工程结构物处于一种暂时的不稳定状态 另外, 新建的路基路面结构裸露在大气之中, 经常受到大气温度 降水与湿度变化的影响, 路面结构的物理 力学性能将随之发生变化, 处于另外一种不稳定状态 路基路面结构能否经受这种不稳定状态, 而保持工程设计所要求的几何形态及物理力学性质, 称为路基路面结构的稳定性 在地表上开挖或填筑路基, 必然会改变原地面地层结构的受力状态, 原来处于稳定状态的地层结构, 有可能由于填挖筑路而引起不平衡, 导致路基失稳 如在软土地层上修筑高路堤, 或者在岩质或土质山坡上开挖深路堑时, 有可能由于软土层承载能力不足, 或者由于坡体失去支承, 而出现路堤沉落或坡体坍塌破坏 因此在选线 勘测 设计 施工中应密切注意, 并采取必要的工程措施, 以确保路基有足够的稳定性 大气降水使得路基路面结构内部的湿度状态发生变化, 低洼地带路基排水不良, 长期积水, 会使得矮路堤软化, 失去承载能力 山坡路基有时因排水不良, 会引发滑坡或边坡滑塌 水泥混凝土路面, 如果不能及时将水分排出结构层, 会发生唧泥现象, 冲刷基层, 导致结构层提前破坏 沥青混凝土路面中水分的侵蚀, 会引起沥青结构层剥落, 结构松散 砂石路面, 在雨季时, 会因雨水冲刷和渗入结构层, 而导致强度下降, 产生沉陷 松散等病害, 因此防水排水是确保路基路面稳定的重要因素 大气温度周期性的变化对路面结构的稳定性也有重要影响, 高温季节沥青路面软化, 在车轮荷载作用下产生永久性变形, 水泥混凝土路面在高温季节因膨胀变形产生过大内应力, 导致路面压曲破坏 在低温冰冻季节, 水泥混凝土路面 沥青路面 半刚性基层由于低温收缩产生大量裂缝 在季节性冰冻地区, 低温引起路基的不稳定是多方面的, 低温会引起路基收缩裂缝, 地下水源丰富的地区, 低温会引起冻胀, 路基上面的路面结构也随之发生断裂 春天融冻季节, 在交通繁重的路段, 有时引发翻浆, 路基路面发生严重的破坏 1 畅 2 畅 3 耐久性路基路面在车辆荷载的反复作用与大气水温周期性的重复作用下, 路面使用性能将逐年下降, 强度与刚度将逐年衰变, 路面材料的各项性能也可能由于老化衰变, 引起路面结构的损坏 至于路基的稳定性也可能在长期经受自然因素的侵袭后, 逐年削弱 因此, 提高路基路面的耐久性, 保持其强度 刚度, 几何形态经久不衰, 除了精心设计 精心施工 精选材料之外, 要把长年的养护 维修 恢复路用性能的工作放在重要的位置 路基路面工程投资昂贵, 从规划 设计 施工至建成通车需要较长的时间, 因此对使用年限也有较高要求, 即路基路面工程应具有耐久的性能 一般高等级公路沥青混凝土路面的使用年限为 15 年, 水泥混凝土路面的使用年限为 30 年 1 畅 2 畅 4 表面平整性路面表面平整性是影响行车安全 行车舒适性以及运输效益的重要使用性能, 特别是高速公路对路面平整度的要求更高 不平整的路表面会增大行车阻力, 并使车辆产生附加的振动作用, 这种振动作用会造成行车颠簸, 影响行车的速度和安全, 驾驶的平稳性和乘客的舒适性 同时, 振动作用还会对路面施加冲击力, 从而加剧路面和汽车零部件的损坏和轮胎的磨损, 并增大油耗 因此, 为了减少振动冲击力, 提高行车速度和增进行车舒

15 第一章总 论 7 适性 安全性, 路面应保持一定的平整性 路面平整性通常以平整度指标表示 优良的路面平整性, 要依靠优良的施工装备, 精 细的施工工艺, 严格的施工质量控制以及经常和及时的养护来保证 同时, 路面的平整性 同整个路面结构和路基顶面的强度和抗变形能力有关, 同结构层所用材料的强度 抗变形 能力以及均匀性有很大关系 强度和抗变形能力差的路基路面结构和面层混合料, 经不 起车轮荷载的反复作用, 极易出现沉陷 车辙和推挤破坏, 从而形成不平整的路面表面 1 畅 2 畅 5 表面抗滑性 路面表面要求平整, 但不宜光滑 汽车在光滑的路面上行驶时, 车轮与路面之间缺乏 足够的附着力或摩擦力 雨天高速行车, 或紧急制动或突然启动, 或爬坡 转弯时, 车轮也 易产生空转或打滑, 致使行车速度降低, 油耗增多, 甚至引起严重的交通事故 通常用摩 擦系数表征抗滑性能, 摩擦系数小, 则抗滑能力低, 容易引起交通事故 对于高速公路, 要 求具有较高的抗滑性能 路面表面的抗滑能力可以通过采用坚硬 耐磨 表面粗糙的粒料组成路面表层材料来 实现, 有时也可以采用一些工艺措施来实现, 如水泥混凝土路面的刷毛或刻槽等 此外, 路面上的积雪 浮冰或污泥等, 也会降低路面的抗滑性能, 必须及时予以清除 1.3 路基路面工程的内容 路基路面结构裸露在自然中, 并直接承受行驶车辆的作用, 结构和材料性能受自然因 素和荷载的大小及性质所影响 过去由于车辆数量少 重量低 公路里程短以及使用要求 不同, 路基路面工程研究不多 进入 20 世纪后, 随着汽车工业和交通运输的发展, 路基路 面工程逐步形成了新的学科分支 路基路面工程的主要研究内容为公路 城市道路和机 场跑道路基路面的合理结构 设计原理 设计方法 材料性能要求以及施工 养护 维修和 管理技术等 随着我国交通运输的发展, 路基路面工程作为一个学科分支, 正在以较快的 速度逐步接近国外同类学科的前沿 进入 21 世纪, 交通运输不论是在中国, 还是在其他 发达国家, 仍然是一个重要的科技领域 根据当前路基路面工程科学技术的发展趋势, 应 重视以下几方面学科的交叉与发展 1) 材料科学 回顾历史, 路基路面工程每一项新技术的出现, 首先在材料方面有所 突破, 如路基土壤的改良与稳定路基的技术措施 沥青材料和水泥材料的改性研究, 土工 合成材料等都与材料科学有关 材料微观结构研究, 复合材料研究的许多成果也正在被 引入路基路面工程 2) 岩土工程学 路基路面作为地基结构物依托天然地表的岩石与土壤构筑而成 因此, 路基路面工程在诸多方面借鉴于岩土工程学的科技成果, 如土质学 土力学 岩石力 学 地质学 水文地质学等都是路基路面工程学科的重要基础理论 科学出版社职教技术出版中心 3) 结构分析理论 路基路面设计理论由以经验为主的方法演变成以结构分析理论 为主的方法 由于结构的复杂性以及车辆荷载与环境因素变化的复杂性, 目前多数国家 的设计方法所依据的静力线弹性力学分析理论还是不能完全满足要求, 许多学者仍致力

16 8 路基路面工程于路基路面结构分析的力学基础研究, 如动力荷载与结构动力效应, 非线性 粘弹性等数学 力学模型的建立以及适用于各种要求, 各种边界条件的数学分析方法和数值解方法 今后进一步发展有可能使宏观结构分析与材料的组成 材料的特性以及材料的微观结构与微观力学相融为一体, 成为路基路面工程设计的重要基础 4) 机电工程 现代化道路与机场路基路面工程的固有性能及使用品质越来越多地依赖于施工装备的性能与施工工艺 如振动压路机的吨位 频率与振幅对于各种结构层产生的效果截然不同 许多专用施工设备就是根据结构强度形成理论和工艺要求专门进行设计的 因此有些国家在研究一项路面工程新技术时, 将施工工艺与施工装备也列入研究计划作同步开发研究 5) 自动控制与检测技术 为确保路基路面的工程质量和良好的使用品质, 必须在施工过程中严格控制各项指标, 如材料用量 加热温度 碾压吨位 碾压质量等, 在使用过程中需要长期作跟踪监测 所有这些控制与量测都在逐步采用高新技术, 以达到较高的精确度, 如配料自动控制, 平整度自动控制等 在检测技术方面引用高速摄影 激光装置 红外线装置以及雷达等量测各项质量指标及性能指标等 6) 现代管理科学 从现代管理科学的角度来看, 路基路面工程在一个区域范围内属于一个大系统, 而且从规划 设计 施工 养护 维修 管理全过程来看, 延续数十年之久 通过大型的管理系统, 对区域范围内路基路面工程各个阶段的信息进行跟踪 采集 存储 处理 定期作评估和预测, 必要时提出维修决策, 投放资金进行维修养护, 使路基路面始终具有良好的使用性能 这是现代化管理的总的概念, 有许多国家已在这方面取得实质性的进展, 用于工程实践, 这对于节约维修养护投资 提高运输效率具有重要作用 复习思考题与习题 1 畅 1 路基路面工程的特点是什么? 1 畅 2 路基路面工程的基本性能是什么?

17 第二章路基工程概论 学习要点本章内容为后面所需基础知识的综合, 均为重点内容, 需要重点把握公路自然区划 路基土的分类及工程特性 干湿类型划分 土基受力特点及承载力评价等知识点 2.1 公路自然区划 道路的路用性能以及道路用筑路材料的性能与自然因素密切相关, 随着地理地质和 气候水文等因素变化而变化, 而在自然因素相似地区又具有一定的相似性 我国地域辽 阔, 地形复杂, 从北向南处于寒带 温带和热带, 从东到西高程相差 4000m 以上 为了区 分各地自然区域的筑路特性, 并共享道路工程相似地区的筑路经验和原始试验数据, 经多 年调查研究, 根据道路工程特征相似性 地表气候区划差异性和自然气候因素既有综合又 有主导作用等三个原则制定了枟公路自然区划标准枠 (JTJ003 86), 见图 2.1 公路自然 区划分三级进行区划 一级区划 一级区划是按自然气候, 全国轮廓性地理地貌划分的 将全国划分为多年冻土 季节 冻土和全年不冻土三大地带, 再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, 其代号和名称如下 : Ⅰ 区 北部多年冻土区 ; Ⅱ 区 东部温润季冻区 ; Ⅲ 区 黄土高原干湿过渡区 ; Ⅳ 区 东南湿热区 ; Ⅴ 区 西南潮暖区 ; Ⅵ 区 西北干旱区 ; Ⅶ 区 青藏高寒区 二级区划 二级区划仍以气候和地形为主导因素, 并以潮湿系数为主要分区依据, 在 7 个一级区 划内进一步分为 33 个二级区和 19 个副区, 共 52 个二级自然区 潮湿系数 K 按全年的 大小分为六个等级 其中潮湿系数 K 以下式计算, 即 式中 : R 年降水量,mm ; Z 年蒸发量,mm ; 科学出版社职教技术出版中心 K = R/ Z (2.1)

18 10 路基路面工程 图 2.1 全国公路自然区划图

19 第二章路基工程概论 11 K 潮湿系数, 其中 K > 2.0,1 级, 过湿 2.0 K > 1.5,2 级, 中湿 1.5 K > 1.0,3 级, 润湿 1.0 K > 0.5,4 级, 润干 0.5 K > 0.25,5 级, 中干 0.25 K,6 级, 过干 三级区划 三级区划是二级区划的进一步划分 划分的方法有两种, 一种以水热 地理和地貌为 依据, 另一种是以地表的地貌 水文和土质为依据, 由各省 自治区和直辖市自行划定 我国七个一级自然区的路面结构设计注重的特点各有不同, 根据各地区经验, 可大致 归纳如下 1. Ⅰ 区 北部多年冻土区 该区北部为连续分布多年冻土, 南部为岛状分布多年冻土 对于泥沼地多年冻土层, 最重要的道路设计原则是保温, 不可轻易挖去覆盖层, 使路堤下保持冻结状态, 若受大气 热量影响融化, 后患无穷 对于非多年冻土层的处理方法则不同, 须将泥炭层全部或局部 挖去, 排干水分, 然后填筑路堤 该区主要是林区道路, 路面结构为中级路面 林区山地 道路, 因表土湿度大 地面径流大, 最易翻浆, 应采取换土 稳定土 砂垫层等处理方法 2. Ⅱ 区 东部温润季冻区 该区路面结构突出的问题是防止翻浆和冻胀 翻浆的轻重程度取决于路基的潮湿状 态 可根据不同的路基潮湿状态采取措施 该区缺乏砂石材料, 采用稳定土基层已取得 一定的经验 3. Ⅲ 区 黄土高原干湿过渡区 该区特点是黄土对水分的敏感性, 干燥土基强度高 稳定性好 在河谷盆地的潮湿路 段以及灌区耕地, 土基稳定性差, 强度低, 必须认真处理 4. Ⅳ 区 东南湿热区 该区雨量充沛集中, 季节性强, 台风暴雨多, 水毁 冲刷 滑坡是道路的主要病害, 路面 结构应结合排水系统进行设计 该区水稻田多, 土基湿软, 强度低, 必须认真处理 由于 气温高 热季长, 要注意黑色面层材料的热稳定性和防透水性 5. Ⅴ 区 西南潮暖区 该区山多, 筑路材料丰富, 应充分利用当地材料筑路, 对于水文不良路段, 必须采取措 施, 稳定路基 科学出版社职教技术出版中心

20 12 路基路面工程 6. Ⅵ 区 西北干旱区该区大部分地下水位很低, 虽然冻深多在 100 ~ 150cm 以上, 但一般道路冻害较轻 个别地区, 如河套灌区, 内蒙草原洼地, 地下水位高, 翻浆严重 丘陵区 1.5m 以上的深路堑冬季积雪厚, 雪水浸入路面造成危害, 所以沥青面层材料应具有良好的防透水性, 路肩也应作防水处理 由于气候干燥, 砂石路面经常出现松散, 搓板和波浪现象 7. Ⅶ 区 青藏高寒区该区局部路段有多年冻土, 须按保温原则设计, 由于地处高原, 气候寒冷, 昼夜气温相差很大, 日照时间长, 沥青老化很快, 又因为年平均气温相对偏低, 路面易遭受冬季雪水渗入而破坏 2.2 路基土的分类 路基土的分类土的种类不同, 其工程性质也不同, 为了区分路基土的工程性质, 我国枟公路土工试验规程枠 (JTJ ) 依据土的颗粒组成特征 土的塑性指标和土中有机质存在的情况, 将公路用土分为巨粒土 粗粒土 细粒土和特殊土四类, 并进一步细分为十一种土, 见图 2.2 图 2.2 土的分类图我国公路用土的颗粒组成特征用不同粒径颗粒的质量占土总重的百分含量表示, 表 2.1 所列为不同粒组的划分界限及范围 表 2.1 粒组划分 (mm) 巨粒组粗粒组细粒组 溧石 ( 块石 ) 卵石 ( 小块石 ) 砾 ( 角砾 ) 粗中细粗中细 砂 粉粒 黏粒

21 第二章路基工程概论 巨粒土巨粒组 ( 大于 60mm 的颗粒 ) 质量多于总质量的 50 % 的土称为巨粒土 巨粒土分类见图 2.3 巨粒组质量多于总质量 75 % 的土称漂 ( 卵 ) 石 ; 巨粒组质量为总质量 75 % ~ 50 % 的土称漂 ( 卵 ) 石夹土 ; 巨粒组质量为总质量 50 % ~ 15 % 的土称漂 ( 卵 ) 石质土 ; 巨粒组质量少于总质量 15 % 的土, 可扣除巨粒, 按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名 图 2.3 巨粒土分类 漂 ( 卵 ) 石 : 漂石粒组质量多于总质量 50 % 的土称漂石, 记为 B 漂石粒组质量少于 或等于总质量 50 % 的土称卵石, 记为 Cb 漂 ( 卵 ) 石夹土 : 漂石粒组质量多于总质量 50 % 的土称漂石夹土, 记为 BSI 漂石粒组 质量少于或等于总质量 50 % 的土称卵石夹土, 记为 CbSI 漂 ( 卵 ) 石质土 : 漂石粒多于卵石粒的土称漂石质土, 记为 SIB 漂石粒少于或等于卵石 粒的土称卵石质土, 记为 SICb 如有必要, 可按漂 ( 卵 ) 石质土中的砾 砂 细粒土含量定名 2. 粗粒土 粗粒土分砾类土和砂类土两种 砾类组 (2 ~ 60mm 的颗粒 ) 质量多于总质量的 50 % 的土称为砾类土, 砾类组 (2 ~ 60mm 的颗粒 ) 质量小于总质量的 50 % 的土称为砂类土 具体分类见图 2.4 和图 2.5 (1) 砾类土 砾类土中细粒组质量少于总质量的 5 % 的土称砾 按土的级配指标的不均匀系数 CU 和曲率系数 CC 指标定名 : 当 CU 5 CC = 1 ~ 3 时, 称级配良好砾, 记为 GW, 否则称 级配不良砾, 记为 GP 砾类土中细粒组质量为总质量的 5 % ~ 15 % 的土称含细粒土砾, 记为 GF 砾类土中细粒组质量大于总质量的 15 %, 并小于或等于总质量的 50 % 时, 按细 粒土在塑性图 ( 图 2.4) 中的位置定名 : 当细粒土位于塑性图 A 线以下时, 称粉土质砾, 记 为 G M ; 当细粒土位于塑性图 A 线以上时, 称黏土质砾, 记为 GC 科学出版社职教技术出版中心

22 14 路基路面工程 图 2.4 砾粒土分类 (2) 砂类土砂类土中细粒组质量少于总质量的 5 % 的土称砂 按下列级配指标定名 : 当 CU 5 CC = 1 ~ 3 时, 称级配良好砂, 记为 SW, 否则称级配不良砂, 记为 SP 需要时, 砂可进一步细分为粗砂 中砂和细砂 粗砂是指粒径大于 0.5mm 颗粒多于总质量 50 % ; 中砂是指粒径大于 0.25mm 颗粒多于总质量 50 % ; 细砂是指粒径大于 0.074mm 颗粒多于总质量 75 % 砂类土中细粒组质量为总质量的 5 % ~ 15 % 的土称含细粒土砂, 记为 SF 砂类土中细粒组质量大于总质量的 15 % 并小于或等于总质量的 50 % 时, 按细粒土在塑性图 ( 图 2 畅 5) 中的位置定名 : 当细粒土位于塑性图 A 线以下时, 称粉土质砂, 记为 S M ; 当细粒土位于塑性图 A 线以上时, 称黏土质砂, 记为 SC 图 2.5 砂粒土分类 3. 细粒土 细粒土的分类及性质很大程度与土的塑性指标相关联, 因此工程上经常以土的塑性 图进行分类, 图 2.6 为塑性图 图中以 A 线 [ Ip = 0.73( wl - 20)] 和 B 线 [ wl = 50 % ] 将

23 第二章路基工程概论 15 坐标空间划分为四个区, 大致区分了细粒土的塑性性质 当细粒土位于 A 线以上时 : 在 B 线以右, 称为高液限黏土 ; 在 B 线以左, 称为低液限黏土 当细粒土位于 A 线以下时 : 在 B 线以右, 称为高液限粉土 ; 在 B 线以左, 称为低液限粉土 有机质土也应根据塑性图规定定名, 如有机质高液限黏土 有机质低液限粉土等 细粒土分类见图 2.7 图 2 畅 6 塑性图 图 2.7 细粒土分类 科学出版社职教技术出版中心 4. 特殊土 特殊土主要包括黄土 膨胀土 红黏土和盐渍土 其各自的工程性质详见后面章节, 由于自身特殊性, 在设计和施工过程中需要特殊处理

24 16 路基路面工程 公路用土在设计或说明书上常以代号表示, 其分类的基本代号如表 2.2 所示 表 2.2 土的基本代号 土类 代号 巨粒土 粗粒土 细粒土 有机土 特殊土 特征 成分代号 漂石 B 块石 Ba 卵石 Cb 砾 G 角砾 Ga 砂 S 粉土 M 黏土 C 细粒土 (C 和 M 合称 ) F 有机土 O 黄土 Y 膨胀土 E 红黏土 R 小块石 Cb a 粗细粒土合称 Sl 盐渍土 St 级配和液限 级配良好 W 高液限 H 高低代号 级配不良 P 低液限 L 注 : 土类名称可用一个基本代号表示 当由两个基本代号构成时, 第一个代号表示土的主成分, 第二个代号表示 副成分 ( 级配或液限 ) 当由三个基本代号构成时, 第一个代号表示土的主成分, 第二个代号表示液限 ( 或级配 ), 第三 个代号表示土中所含次要成分 路基土的工程性质各类公路用土具有不同的工程性质, 在选择路基填筑材料, 以及修筑稳定土路面结构层时, 应根据不同的土类分别采取不同的工程技术措施 巨粒土包括漂石 ( 块石 ) 和卵石 ( 块石 ), 有很高的强度和稳定性, 用以填筑路基是良好的材料, 亦可用于砌筑边坡 级配良好的砾石混合料, 密实程度好, 强度和稳定性均能满足要求 除了填筑路基之外, 可以用于铺筑中级路面, 经适当处理后可以铺筑高级路面的基层 底基层 砂土无塑性, 透水性强, 毛细上升高度小, 具有较大的内摩擦系数, 强度和水稳定性均好, 但砂土粘结性小, 易于松散, 压实困难, 但经充分压实的砂土路基, 压缩变形小, 稳定性好 为了加强压实和提高稳定性, 可以采用振动法压实, 并可掺加少量黏土, 以改善级配组成 砂性土含有一定数量的粗颗粒, 又含有一定数量的细颗粒, 级配适宜, 强度 稳定性等都能满足要求, 是理想的路基填筑材料 如细粒土质砂土, 其粒径组成接近最佳级配, 遇水不黏着 不膨胀, 雨天不泥泞, 晴天不扬尘, 便于施工 粉性土含有较多的粉土颗粒, 干时虽有黏性, 但易于破碎, 浸水时容易成为流动状态 粉性土毛细作用强烈, 毛细上升高度大 ( 可达 1.5m) 在季节性冰冻地区容易造成冻胀翻浆等病害 粉性土属于不良的公路用土, 如必须用粉性土填筑路基, 应采取技术措施改良土质并加强排水 采取隔离水等措施 黏性土中细颗粒含量多, 土的内摩擦系数小而粘聚力大, 透水性小而吸水能力强, 毛细现象显著, 有较大的可塑性 黏性土干燥时较坚硬, 施工时不易破碎 其浸湿后能长期保持水分, 不易挥发, 因而承载力小 对于黏性土如在适当含水量时加以充分压实和设置良好的排水设施, 筑成的路基也能获得稳定 重黏土工程性质与黏性土相似, 但其含黏土矿物成分不同时, 性质有很大差别 黏土矿物主要包括蒙脱土 伊利土 高岭土 蒙脱土主要分布在东北地区, 其塑性大, 吸湿后膨胀强烈, 干燥时收缩大, 透水性极低, 压缩性大, 抗剪强度低 高岭土分布在南方地区, 其塑性较低, 有较高的抗剪强度和透水性, 吸水和膨胀量较小 伊利土分布在华中和华北地

25 第二章路基工程概论 17 区, 其性质介于上述两者之间 重黏土不透水, 粘聚力特强, 塑性很大, 干燥时很坚硬, 施工时难以挖掘与破碎 综上所述, 土作为路基建筑材料, 砂性土最优, 黏性土次之, 粉性土属不良材料, 最容易引起路基病害, 重黏土, 特别是蒙脱土也是不良的路基土 此外, 还有一些特殊土类, 如有特殊结构的土 ( 黄土 ) 含有机质的土 ( 腐殖土 ) 以及含易溶盐的土 ( 盐渍土 ) 等, 用以填筑路基时必须采取相应技术措施 2.3 路基干湿类型 路基湿度来源路基的强度与稳定性在很大程度上与路基的湿度以及大气温度引起的路基水温状况有密切关系 路基在使用过程中, 受到各种外界因素的影响, 使湿度发生变化 路基湿度的来源可分为以下几方面, 见图 2.8 图 2.8 路基湿度来源 1) 大气降水 大气降水通过路面, 路肩边坡和边沟渗入路基 2) 地面水 边沟的流水 地表径流水因排水不良, 形成积水 渗入路基 3) 地下水 路基下面一定范围内的地下水浸入路基 4) 毛细水 路基下的地下水, 通过毛细管作用, 上升到路基 5) 水蒸气凝结水 在土的空隙中流动的水蒸气, 遇冷凝结成水 6) 薄膜移动水 在土的结构中水以薄膜的形式从含水量较高处向较低处流动, 或 由温度较高处向冻结中心周围流动 上述各种导致路基湿度变化的水源, 其影响程度随当地自然条件和气候特点以及所 采取的工程措施不同而不同 路基干湿类型及划分方法 1. 路基干湿类型 科学出版社职教技术出版中心 路基的强度与稳定性与路基的干湿状态有密切关系, 并在很大程度上影响路面结构 设计 路基按其干湿状态不同, 分为干燥 中湿 潮湿和过湿四类 为了保证路基路面结

26 18 路基路面工程 构的稳定性, 一般要求路基处于干燥或中湿状态 过湿状态的路基必须经处理后方可铺 筑路面 四种干湿类型以分界稠度 wc1 wc2 和 wc3 来划分, 见表 2.3 表 2.3 路基干湿类型 路基干湿类型 路槽底面以下 80cm 深度内的平均相对含水量 w c 与分界相对含水量的关系 干燥 w x < w c1 中湿 w c1 w x < w c2 潮湿 w c2 w x < w c3 过湿 w x w c3 一般特征路基干燥稳定, 路面强度和稳定性不受地下水和地表积水影响路基高度 H > H 1 路基上部土层处于地下水或地表积水影响的过渡带区内, 路基高度 H 2 < H H 1 路基上部土层处于地下水或地表积水毛细影响区, 路基高度 H 3 < H H 2 路基极不稳定, 冰冻区春融翻浆, 非冰冻区弹簧, 土基经处理后方可铺筑路面, 路基高度 H H 3 稠度 wc 计算公式见式 (2.2), 其较准确地表示了土的各种形态与湿度的关系, 全面直 观地反映了土的硬软程度, 物理概念明确 研究人员根据实地调查结果, 针对不同公路自 然区划 不同土质类型, 给出了各自然区划土基干湿分界稠度表供使用 ( 表 2.4) 式中 : wc 土的稠度 ; wl 土的液限 ; w 土的含水量 ; wp 土的塑限 wc = wl - w w L - wp 表 2.4 各自然区划土基干湿分界稠度 (2.2) 土组分界稠度自然区划 砂性土 ω c0 ω c1 ω c2 ω c3 黏性土 ω c0 ω c1 ω c2 ω c3 粉性土 ω c0 ω c1 ω c2 ω c3 附注 Ⅱ 黏性土 : 分母适用于 Ⅱ 1 Ⅱ 3 Ⅱ 3 区 ; 粉性土 : 分母适用于 Ⅱ2a 副区 Ⅱ 4 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ 分子适用于粉土 地区分母适用于 粉质亚黏土地区 注 : 1) w c0 干燥状态路基常见下限稠度 ; 2) w c1 w c2 w c3 干燥和中湿 潮湿 过湿状态的分界稠度

27 第二章路基工程概论 路基干湿类型划分方法 (1) 已建公路 对于原有公路, 按不利季节路槽底面以下 80cm 深度内土的平均稠度确定 于路槽 底面以下 80cm 内, 每 10cm 取土样测定其天然含水量 塑限含水量和液限含水量, 按 式 (2.3) 和式 (2.4) 计算 wc 将 wc 按照道路所在的自然区划和路基土的类别, 查表 2.3, 与分界稠度作比较, 并按表 2.4 所列区划界限确定道路所属的路基干湿类型 wc i = wc = 8 wl i - wi w L i - wp i 式中 : wi 路槽底面以下 80cm 内, 每 10cm 为一层, 第 i 层上的天然含水量 ; wl i 同一层土的液限含水量 (76g 平衡锥 ) ; wp i 同一层土的塑限含水量 ; wc i 第 i 层的稠度 ; i = 1 8 wc i wc 路槽以下 80cm 内土的算术平均稠度 (2) 新建公路 (2.3) (2.4) 对于新建道路, 路基尚未建成, 无法按上述方法现场勘查路基的湿度状况, 可以用路 基临界高度作为判别标准 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( 见图 2.9), 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 科学出版社职教技术出版中心 图 2.9 路基临界高度与分界稠度 研究人员根据试验结果总结不同土质和自然区的路基临界高度 ( 表 2.5) 在设计新

28 20 路基路面工程建道路时, 可将路基设计高度与临界高度进行比较, 由此确定路基的干湿类型, 如表 2.5 所示 表 2.5 路基临界高度参考值 水的分类 临界高度 自然区划 地下水 地表长期积水 H 1 H 2 H 3 H 1 H 2 H 3 Ⅱ 1 Ⅱ 2 Ⅱ ~ ~ 1.6 Ⅱ 4 Ⅱ ~ ~ 1.1 Ⅲ 1 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.9 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.9 Ⅲ 4 Ⅲ 1a Ⅲ 2a 1.4 ~ ~ 1.3 Ⅳ 1,Ⅳ 1a Ⅳ 2 Ⅳ 3 Ⅳ ~ ~ 0.8 砂 性 土 Ⅳ 5 Ⅳ ~ ~ 0.8 Ⅳ 6a Ⅳ ~ ~ ~ 0.7 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ 2a( 紫色土 ) Ⅴ 3 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ 3 ( 黄壤土, 现代冲积土 ) Ⅴ 4,Ⅴ 5,Ⅴ 5a Ⅵ 1 (2.1) (1.7) (1.3) (1.8) (1.4) (1.0) Ⅵ 1a (2.0) (1.6) (1.2) (1.7) (1.3) (1.1) Ⅵ 2 (1.9) (1.5) (1.1) (1.7) (1.2) (0.9) Ⅵ 3 (2.1) (1.7) (1.3) (1.9) (1.5) (1.1) Ⅵ 4 (2.2) (1.8) (1.4) (1.9) (1.5) (1.2) Ⅵ 4a (1.9) (1.5) (1.1) (1.6) (1.2) (0.9) Ⅵ 4b (2.0) (1.6) (1.2) (1.7) (1.3) (1.0) Ⅶ 1 (2.2) (1.9) (1.6) (2.1) (1.6) (1.3) Ⅶ 2 Ⅶ 3 (2.3) (1.9) (1.6) (2.1) (1.6) (1.3) Ⅶ 4 (2.1) (1.6) 1.3 (1.8) (1.4) (1.0) Ⅶ 5 (3.0) (2.4) (1.9) (2.4) (2.0) (1.6) Ⅶ 6a

29 第二章路基工程概论 21 续表 水的分类 地下水 地表长期积水 临界高度 自然区划 H 1 H 2 H 3 H 1 H 2 H 3 Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ ~ ~ ~ 1.4 Ⅱ ~ ~ 2.0 Ⅲ 1 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1.3 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1.2 Ⅲ 4 Ⅲ 1a Ⅲ 2a Ⅳ 1,Ⅳ 1a 1.7 ~ ~ ~ 0.9 Ⅳ ~ ~ ~ 0.9 Ⅳ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.4 Ⅳ ~ ~ ~ 1.0 黏 性 土 Ⅳ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.4 Ⅳ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.4 Ⅳ 6a 1.6 ~ ~ ~ 0.8 Ⅳ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.5 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ 2a( 紫色土 ) 2.0 ~ ~ ~ 0.6 Ⅴ ~ ~ ~ 0.6 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ 3 ( 黄壤土, 现代冲积土 ) 1.7 ~ ~ ~ 0.5 Ⅴ 4,Ⅴ 5,Ⅴ 5a 1.7 ~ ~ ~ 0.6 Ⅵ 1 (2.3) (1.9) (1.6) (2.1) (1.7) (1.3) Ⅵ 1a (2.2) (1.9) (1.5) (2.0) (1.6) (1.2) Ⅵ 2 (2.2) (1.8) (1.5) (1.9) (1.6) 1.1 Ⅵ 3 (2.4) (2.0) (1.6) (2.1) (1.7) (1.4) Ⅵ (2.2) (1.7) (1.3) Ⅵ 4a (2.2) (1.7) (1.4) (1.0) (1.4) (1.1) Ⅵ 4b (2.3) (1.8) (1.4) (2.0) (1.6) (1.2) Ⅶ (1.9) (1.5) (2.1) (1.6) (1.2) Ⅶ 2 (2.3) (1.9) (1.6) Ⅶ 3 (2.3) (1.9) (1.6) (2.0) (1.6) (1.3) 科学出版社职教技术出版中心 Ⅶ 4 (2.1) (1.6) (1.3) (1.8) (1.4) (1.1) Ⅶ 5 (3.3) (2.6) (2.1) (2.4) (2.0) (1.6) Ⅶ 6a (2.8)

30 22 路基路面工程 续表 水的分类 地下水 地表长期积水 临界高度 自然区划 H 1 H 2 H 3 H 1 H 2 H 3 Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ ~ ~ ~ 1.6 Ⅱ ~ ~ 2.3 Ⅲ ~ ~ 2.4 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1.4 Ⅲ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1.4 Ⅲ ~ ~ 2.4 Ⅲ 1a 2.4 ~ ~ 2.4 Ⅲ 2a 2.4 ~ ~ 2.4 Ⅳ 1,Ⅳ 1a 1.9 ~ ~ ~ 1.0 Ⅳ ~ ~ ~ 0.9 Ⅳ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0.4 粉 性 土 Ⅳ 4 Ⅳ ~ ~ ~ 1.1 Ⅳ ~ ~ ~ 1.1 Ⅳ 6a 1.8 ~ ~ ~ 1.1 Ⅳ 7 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ 2a( 紫色土 ) 2.3 ~ ~ ~ 0.7 Ⅴ ~ ~ ~ 0.7 Ⅴ 1,Ⅴ 2,Ⅴ ~ ~ ~ 0.7 ( 黄壤土, 现代冲积土 ) Ⅴ 4,Ⅴ 5,Ⅴ 5a 2.2 ~ ~ ~ 0.7 Ⅵ 1 (2.5) (2.0) (1.6) (2.3) (1.8) (1.3) Ⅵ 1a (2.5) (2.0) (1.5) (2.2) (1.7) (1.2) Ⅵ Ⅵ 3 (2.6) (2.1) (1.6) (2.4) (1.8) (1.4) Ⅵ 4 (2.6) (2.2) Ⅵ 4a (2.4) (1.9) Ⅵ 4b (2.5) (2.2) (1.7) (1.2) Ⅶ 1 (2.5) (2.0) (1.5) (2.4) Ⅶ 2 (2.5) (2.1) (1.6) (2.2) (1.6) (1.1) Ⅶ 3 (2.6) (2.3) (1.8) (1.3) Ⅶ 4 (2.3) (1.8) (1.3) (2.1) (1.6) (1.1) Ⅶ 5 (3.8) (2.2) (1.6) (2.9) (2.2) (1.5) Ⅶ 6a (2.9) (2.5) 1.8 (2.7) 注 : 1) H 1 干燥状态路基临界高度 ; H 2 中湿状态路基临界高度 ; H 3 潮湿状态路基临界高度 2) Ⅵ Ⅶ 有横线者, 表示实测资料较少, 有括号者表示没有实测资料, 根据规律推算 3) 缺少资料的二级区, 可论证地参考相邻二级区数值

31 第二章路基工程概论 影响路基稳定性的因素 路基路面结构物裸露在大气中, 其稳定性在很大程度上由当地自然条件所决定 因 此, 深入调查公路沿线的自然条件, 从总体到局部, 从大区域到具体路段的自然情况分析 研究, 掌握其规律及对路基路面稳定性的影响, 因地制宜地采取有效的工程措施, 以确保 路基路面具有足够的强度和稳定性 路基路面的稳定性与下列因素有关 自然因素 1. 地理条件 公路沿线的地形 地貌和海拔高度不仅影响路线的选定, 也影响到路基与路面的设 计 平原 丘陵 山岭各区地势不同, 路基的水温情况也不同 平原区地势平坦, 排水困 难, 地表易积水, 地下水位相应较高, 因而路基需要保持一定的最小填土高度, 路面结构层 应选择水稳定性良好的材料, 并采取一定的结构排水设施 ; 丘陵区和山岭区, 地势起伏较 大, 路基路面排水设计至关重要, 否则会导致稳定性下降, 出现破坏现象, 影响路基路面的 稳定性 2. 地质条件 沿线的地质条件, 如岩石的种类 成因 节理 风化程度和裂隙情况, 岩石走向, 倾向 倾角 层理和岩层厚度, 有无夹层或遇水软化的夹层, 以及有无断层或其他不良地质现象 ( 岩溶 冰川 泥石流 地震等 ) 都对路基路面的稳定性有一定的影响 3. 气候条件 气候条件如气温 降水 湿度 冰冻深度 日照 蒸发量 风向 风力等都会影响公路沿 线地面水和地下水的状况, 并且影响到路基路面的水温情况 在一年之中, 气候有季节性的变化, 因此路基路面的水温情况也随之变化 气候还受 地形的影响, 例如山顶与山脚, 山南坡与山北坡的气候就会有很大的差别 这些因素都会 严重影响路基路面的稳定性 4. 水文和水文地质条件 水文条件如公路沿线地表水的排泄, 河流洪水位 常水位, 有无地表积水和积水时期 的长短, 河岸的淤积情况等 水文地质条件如地下水位, 地下水移动的规律, 有无层间水 裂隙水 泉水等 所有这些地面水及地下水都会影响路基路面的稳定性 5. 土的类别 土是建筑路基和路面的基本材料, 不同的土类具有不同的工程性质, 将直接影响路基 和路面的强度与稳定性 科学出版社职教技术出版中心

32 24 路基路面工程不同的土类含有不同粒径的土颗粒, 砂粒成分多的土, 强度构成以内摩擦力为主, 强度高, 受水的影响小, 但施工时不易压实 较细的砂, 在渗流情况下, 容易流动, 形成流砂 黏粒成分多的土, 强度形成以粘聚力为主, 其强度随密实程度的不同, 变化较大, 并随湿度的增大而降低 粉土类土毛细现象强烈, 路基路面的强度和承载力随着毛细水上升, 湿度增大而下降, 在负温度坡差作用下, 水分通过毛细作用移动并积聚, 使局部土层湿度大幅度增加, 造成路基冻胀, 最后导致路基翻浆, 路面结构层断裂等各种破坏 路基的水温稳定性影响路基稳定性的诸因素中, 温度和湿度是对路基有重要影响的自然环境因素, 路基土内部的水分状态随着外界温度和湿度的变化而变化, 路基土的承载能力也随之发生变化, 路基在水和温度的作用下保持其强度的能力称为路基的水温稳定性 水对路基的影响表现为水分的浸入降低了路基的承载能力 自然界中的水以各种形式浸入路基土体内部, 尤其如粉性土这样对水分敏感的土, 更是危害极大 因此, 在设计 施工和养护过程中均要重视排水工作, 满足最小填土高度, 保持路基处于干燥或中湿状态 保持路基干燥的主要方法是设置良好地面排水设施和路面结构排水设施, 经常养护保持畅通 地下水对路基湿度的影响随地下水位的高低与土的性质而异 通常认为受地下水影响的高度对黏土为 6m, 砂质黏土或粉土约为 3m, 砂土为 0.9m 在这个深度范围内, 路基湿度受地下水位控制, 其影响程度随土质而异, 在这个范围以上部分, 路基湿度主要受大气降水, 蒸发以及地面排水控制, 对于干旱地区, 路基的湿度主要受空气相对湿度的控制, 受降水的影响很小, 相当于当地覆盖土相同深度处的湿度 面层的透水性对路基路面的湿度有很大影响, 若采用不透水的面层结构, 将减少降水和蒸发的影响 在道路竣工二三年内, 路面结构与路基上部中心附近的湿度逐渐趋向稳定 对于透水的面层结构, 若不作专门处理, 则路面结构和上层路基的湿度状况将受到降水和蒸发的影响而产生季节性的变化 路肩以下路基湿度的季节性变化对路面结构及以下的路基也有影响 通常在路面边缘以内 1m 左右, 湿度开始增大, 直至路面边缘与路肩下的湿度相当, 路肩如果经过处治, 防止雨水渗入, 则路面下的土基湿度将趋向于稳定, 与路基中心湿度相当 温度对于路基的影响主要体现在温度的变化调节土内水分的迁移和冻融 尤其对于北方季节性冰冻地区, 冰冻开始时, 路基水分向冻结线积聚形成冻胀, 春暖融冻初期形成翻浆的现象较普遍 沿路基深度出现较大的温度梯度时, 水分在温差的影响下以液态或气态由热处向冷处移动, 并积聚在该处 这种现象特别是在季节性冰冻地区尤为严重 路基在冬季冻结的过程中会在负温度坡降的影响下, 出现湿度积聚现象 气温下降到零度以下, 路面和路基结构内的温度也随之由上而下地逐渐降到零下 在负温度区内, 自由水 毛细水和弱结合水随温度降低而相继冻结, 于是土粒周围的水膜减薄, 剩余了许多自由表面能, 增加了土的吸湿能力, 促使水分由高温处向上移动, 以补充低温处失去的部分 由试验得知, 在温度下降到 - 3 以下时, 土中未冻结的水分在负温差的影响下实际上已不可能向温度更低处移动, 因此, 负温度区的水分移动一般发生在 0 ~ - 3 等温线之间 在正温度区内, 因零度等温线附近土中自由水和毛细水的冻结, 形成了与深层次

33 第二章路基工程概论 25 土层之间的温度坡差, 从而促使下面的水分向零度等温线附近移动 而这部分上移的水分便又成了负温度区水分移动的补给来源 这就造成了上层路基湿度的大量积聚 积聚的水冻结后体积增大, 使路基隆起而造成面层开裂, 即冻胀现象 春暖化冻时, 路面和路基结构由上而下逐渐解冻 而积聚在路基上层的水分先融解, 水分难以迅速排除, 造成路基上层的湿度增加, 路面结构的承载能力便大大降低 若是在交通繁重的地区, 经重车反复作用, 路基路面结构会产生较大的变形, 严重时, 路基土以泥浆的形式从胀裂的路面缝隙中冒出, 形成了翻浆 冻胀和翻浆的出现, 使路面遭受严重损坏 当然并不是在季节性冰冻地区所有的道路都会产生冻胀与翻浆, 对于渗透性较高的砂性土以及渗透性很低的黏性土, 水分都不容易积聚, 因此不易发生冻胀与翻浆, 而相反, 对于粉性土和极细砂则由于毛细水活动力强, 极易发生冻胀与翻浆 周边的水文条件和气候条件亦是重要原因 地面排水不良, 地下水位高, 路基湿度大, 水源充足 冬季温和与寒冬反复交替, 路基冻结缓慢, 这些都是产生冻胀与翻浆重要的自然条件 人为因素目前, 公路建设各环节都重视质量问题, 所以由于人为因素导致路基发生稳定性破坏的案例较少 影响路基稳定性的人为因素主要有设计 施工和养护等几方面 如设计过程中选择的荷载 ( 静载 活载及其大小和重复作用次数等 ), 确定的路基结构 ( 路基形式 路基填土或填石的类别与性质 排水结构物与支挡结构物的设置等 ) 在施工过程中的施工工艺是否正确, 如填筑方法 ( 是否分层填筑 ) 压实方法 压实度等是否满足要求以及是否采用大爆破等 另外, 养护措施是否及时有效也会影响路基稳定性 路基受力 2.5 路基的力学强度特性及评价 路基承受着路基自重和汽车轮重两个荷载 在两种荷载共同作用之下, 在一定深度 范围内, 路基土处于受力状态 正确的设计应使得路基所受的力在弹性限度范围内, 而当 车辆驶过后, 路基能恢复原状, 以保证路基相对稳定, 不致引起路面破坏 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力 σz 可以用近似公式计算 计算时, 假定 车轮荷载为一圆形均布垂直荷载, 路基为一弹性均质半空间体, 则 式中 : P 单侧车轮荷载,kN ; K 系数, 一般取 K = 0.5 ; Z 荷载中心下应力作用点的深度,m 科学出版社职教技术出版中心 σz = K P Z 2 (2.5) 路基土本身自重在路基内深度为 Z 处所引起的垂直压应力 σb 按下式计算, 即 σb = γz (2.6) 式中 : γ 土的重度,kN/m 3

34 26 路基路面工程 图 2.10 路基应力分布图 式中 : Za 路基工作区深度,m ; n 系数, n = 5 ~ 10 虽然路面结构材料的重度比路基土的重度略 大, 但是结构层的厚度相对于路基某一深度而言可 以忽略, 仍可视作为均质土体 路基内任一点处的 垂直应力包括由车轮荷载引起的 σz 和由土基自重 引起的 σb, 两者的共同作用, 如图 2.10 所示 路基工作区 在路基某一深度 Za 处, 当车轮荷载引起的垂 直应力 σz 与路基土自重引起的垂直应力 σb 相比很 小, 仅为 1/5 ~ 1/10 时, 该深度 Za 范围内的路基称 为路基工作区 Za 用下式计算, 即 n = σb Za σz = 3 = γz K P Z 2 (2.7) KnP γ (2.8) 在工作区范围内的路基, 对于支承路面结构和车轮荷载影响较大, 在工作区范围以外 的路基, 影响逐渐减少 由式 (2.8) 可知, 路基工作区随车轮荷载的加大而加深 但在实 际工程中, 常统称将路基顶面以下 0.8m 范围内视为路基工作区, 称为路床 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, 对工作区深度范围内 的土质选择和路基的压实度应提出较高要求 尤其当工作区深度大于路基填土高度时, 行车荷载的作用不仅施加于路堤, 而且施加于天然地基的上部土层, 因此, 天然地基上部 土层和路堤应同时满足工作区的要求, 均应充分压实, 如图 2.11 所示 图 2.11 工作区深度和路基高度 (a) 路堤高度 H 大于 Z a ; (b) 路堤高度 H 小于 Z a 路基土的应力唱应变特性 路基是路面结构的支承体, 车轮荷载通过路面结构传至路基 所以路基土的应力唱应 变特性对路基路面结构的整体强度和刚度有很大影响 路面结构的损坏, 除了它本身的

35 第二章路基工程概论 27 原因之外, 路基的变形过大是重要原因之一, 在路面结构总变形中, 土基的变形占很大部分, 占 70 % ~ 95 % 路基土的变形包括弹性变形和塑性变形两部分 过大的塑性变形对于沥青路面产生车辙和纵向不平整, 对于水泥混凝土路面, 将引起板块断裂 弹性变形过大将使得沥青面层或水泥混凝土面板产生疲劳开裂 所以提高路基土的抗变形能力是提高路基路面结构整体强度和刚度的重要方面 理想的线性弹性体在一定的应力范围内, 应力与应变的关系呈线性特性 而且当应力消失时, 应变随之消失, 恢复到初始状态 路基土的内部结构十分复杂, 由固相 液相和气相三部分组成, 固相部分又由不同成分 不同粒径的颗粒组成, 所以路基土在应力作用下呈现的变形特性同理想的线性弹性体有较大区别 压入承载板试验是研究土基应力唱应变特性最常用的一种方法 这种方法是以一定尺寸的刚性承载板置于土基顶面, 逐级加荷卸荷, 记录施加于承载板上的荷载及由该荷载所引起的沉降变形, 根据试验结果, 可绘出土基顶面压应力与回弹变形的关系曲线 如图 2 畅 12(a) 所示 图 2 畅 12(b) 为三轴试验结果, 与压入承载板试验结果相似 图 2.12 土的应力唱应变关系曲线 根据弹性力学理论, 通过试验测得的回弹变形, 可以用下式计算土基的回弹模量, 即 式中 : l 承载板的回弹变形,m ; D 承载板的直径,m ; E 土体的回弹模量,kPa ; μ 土体的泊松比 ; p 承载板压强,kPa E = pd(1 - μ2 ) l (2.9) 假如土体为理想的线性弹性体, 则 E 应为一常量, 施加的荷载 p 与回弹变形 l 之间应 呈直线关系 但是实际上图 2.12(b) 所示的 p 与 l 之间的曲线关系是普遍的 因此, 土基 的回弹模量 E 并不是常数 科学出版社职教技术出版中心 土体在内部应力作用下表现出的变形, 从微观的角度看, 是土的颗粒之间的相对移 动 当移动的距离超出一定限度时, 即使将应力解除, 土体颗粒已不再能回复原位, 从宏 观角度看, 土基将产生不可恢复的残余变形 因此, 土基的应力唱应变关系除了出现非线 性特性之外, 还表现出弹塑性性质 由图 2.12(c) 可以看出, 当荷载卸除, 应力恢复到零

36 28 路基路面工程时, 曲线由 A 回到 B,OB 即为塑性或残余变形 尽管土基的应力唱应变关系如此复杂, 但是在评定土基应力唱应变状态以及设计路面时通常仍然用模量值 E 来表征 最简单的方法是采用局部线性化的方法, 即在曲线的某一个微小线段内, 近似地将它视为直线, 以它的斜率作为模量值 按照应力唱应变曲线上应力取值方法的不同 模量主要有以下四种 : 1) 初始切线模量 应力值为零时的应力唱应变曲线的斜率, 如图 2.12(c) 中的 1 所示 2) 切线模量 某一应力级位处应力唱应变曲线的斜率, 如图 2.12(c) 中的 2 所示 反映该级应力处应力唱应变变化的精确关系 3) 割线模量 以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率, 如图 2.12(c) 中 3 所示 反映土基在工作应力范围内的应力唱应变的平均状态 4) 回弹模量 应力卸除阶段, 应力唱应变曲线的割线模量, 如图 2.12(e) 中 4 所示 前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变, 而回弹模量则仅包含回弹应变, 它部分地反映了土的弹性性质, 是研究和工程中常采用的土基参数 土基应力唱应变的非线性特性还有另一种表示方法, 即将回弹模量值以应力或应变的函数形式来表示 例如根据试验结果, 砂性土路基的回弹模量可以按下式计算, 即 ER = K1 θ K 2 (2.10) 式中 : ER 土基回弹模量,kPa ; θ 全应力, 即三向主应力之和,θ = σ1 + σ2 + σ3,kpa ; K1 K2 回归常数 土基承受着车轮荷载的多次重复作用 每一次荷载作用之后, 回弹变形即时消失, 而塑性变形则不能消失, 残留在土基之中 随着作用次数的增加, 产生塑性变形的积累, 总变形量逐渐增大, 最终会导致两种不同的情况, 一种情况是土体逐渐压密, 土体颗粒之间进一步靠拢, 每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小, 直至稳定, 停止增长, 这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏 ; 另一种情况是荷载的重复作用造成了土体的破坏, 每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形, 形成能引起土体整体破坏的剪裂面, 最后达到破坏阶段 土基在重复荷载作用下产生的塑性变形积累, 最终将导致何种状况, 主要取决于 : 1) 土的性质 ( 类型 ) 和状态 ( 含水量 密实度 结构状态 ) 2) 重复荷载的大小 以重复荷载同一次静载下达到的极限强度之比来表示, 即相对荷载 3) 荷载作用的性质, 即重复荷载的施加速度 每次作用的持续时间以及重复作用的频率 路基土承载能力的评价路基的承载能力一般都采用一定应力级位下的抗变形能力来表征 尽管柔性路面设计和刚性路面设计以不同的理论体系为基础, 不同的设计方法有不同的假定前提, 但是用于表征路基承载力的各种指标都是土基在一定应力级位下的抗变形能力 用于表征土基

37 第二章路基工程概论 29 承载力的参数指标主要有回弹模量 地基反应模量和加州承载比 (CBR) 等 1. 土基回弹模量 以回弹模量表征土基的承载能力, 可以反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形能 力 因而可以应用弹性理论公式描述荷载与变形之间的关系 以回弹模量作为表征土基 承载能力的参数, 可以在以弹性理论为基本体系的各种设计方法中得到应用 为了模拟 车轮印迹的作用, 通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量 测定土基回弹模量的承载板有两种, 即柔性压板与刚性压板 用柔性压板测定回弹 模量, 土基与压板之间的接触压力为常量, 如图 2.13(a) 所示, 即 p( r) = P π a 2 (2.11) 图 2.13 土基在圆形承载板下的压力与挠度分布曲线 (a) 柔性承载板 ; (b) 刚性承载板 承载板的挠度 l( r) 与坐标 r 有关, 在压板中心处 ( r = 0) 在柔性压板边缘处 ( r = a) lr = 0 = 2 pa(1 - μ2 ) E lr = a = 4 pa(1 - μ2 ) π E (2.12) (2.13) 因此, 当测得压板中心或者压板边缘处挠度之后, 假如 μ 为已知值, 即可通过式 (2.12) 或 式 (2.13) 反算, 得到回弹模量 ER 值 科学出版社职教技术出版中心 用刚性承载板测定土基回弹模量, 压板下土基顶面的挠度为等值, 不随坐标 r 而变 化 但是板底接触压力则随 r 值的变化, 成鞍形分布, 如图 2 畅 13(b) 所示 其挠度 l 值与 接触压力 p 值可分别按式 (2.14) 或式 (2.15) 计算 测得刚性承载板挠度之后, 即可按

38 30 路基路面工程 式 (2.15) 反算, 得到回弹模量 ER 值 l = 2 pa(1 - μ2 ) E p( r) = 1 2 π 4 (2.14) pa a 2 - r 2 (2.15) 在实际测定中, 由于刚性承载板挠度易于 量测, 压力容易控制, 用得较多 试验时宜采用 逐级加载卸载法, 每级增加 0.04M Pa, 待卸载 稳定 1min 后读取回弹弯沉值, 再加下一级荷 载 回弹变形值超过 1mm 时, 则停止加载 将 结果可点绘出荷载唱回弹弯沉曲线 ( 图 2.14) 在多数情况下, 试验曲线呈非线性 在确定模 量值时, 可以根据实际可能出现的最大压应力 级位, 或可能出现的最大弯沉范围, 在曲线上选 取合适的量值按下式进行计算, 即 pi E0 = π a (1 - μ 2 0 ) (2.16) 图 2.14 荷载唱回弹弯沉曲线 2 li 式中 : pi li 分别为各级荷载的单位压力与相对应的回弹弯沉值 承载板直径的大小对测定结果也有影响, 通常用车轮的轮印当量圆直径作为承载板 的直径 但是对于刚性路面下的土基, 有时采用较大直径承载板进行测定, 因为荷载通过 刚性路面板施加于地基表面的压力范围较之柔性路面为大 2. 地基反应模量 用温克勒 (E.Winkler) 地基模型描述土基工作状态时, 用地基反应模量 K 表征土基的承载力 根据温克勒地基假定, 土基顶面任一点的弯沉 l, 仅同作用于该点的垂直压力 p 成正比, 而同其相邻点处的压力无关 即地基如同由许多各不相连的弹簧所组成, 如图 2.15 所示 压力 p 与弯沉 l 之比称为地基反应模量 K, 即 图 2.15 温克勒地基模型 K = p l (kn/m 3 ) (2.17) 温克勒地基又称为稠密液体地基 地基反应模量 K 值相当于该液体的比重, 路面板受到的地基反力相当于液体产生的浮力 地基反应模量 K 值用承载板试验确定 承载板的直径规定为 76cm 测定方法与回弹模量测定方法相类似, 但是采取一次加载到位的方法, 施加荷载的量值根据不同的工程对象, 有两种方法供选用 当地基较为软弱时, 用 0.127cm 的弯沉量控制承载板的荷载, 因为通常情况下混凝土路面板的弯沉不会超出这一范围 假如地基较为坚实, 弯沉值难

39 第二章路基工程概论 31 以达到 0.127cm 时, 以单位压力 p = 70kPa 控制承载板的荷载 这也是考虑到混凝土路 面下土基承受的压力通常不会超过这一范围 承载板直径的大小对 K 值有一定影响, 直径越小, K 值越大 但是由试验得知, 当承 载板直径大于 76cm 时, K 值的变化很小 因此规定以直径为 76cm 的承载板为标准 当采用直径为 30cm 的承载板测定时, 可按下式进行修正, 即 K76 = 0.4 K30 (2.18) 按上述方法确定的 K 值是一定荷载或沉降条件下的荷载应力与总弯沉之比, 其中包 含回弹弯沉和残余弯沉 如果只考虑回弹弯沉, 则可以得到地基回弹反应模量 KR, 通常 KR 与总弯沉对应的地基反应模量 K 之间有如下关系, 即 3. 加州承载比 (CBR) KR = 1.77 K (2.19) 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为 CBR 值 CBR 值按下式计算 计算 CBR 值时, 取贯入深度为 0.254cm, 但是当贯入深度为 0 畅 254cm 时的 CBR 值小于贯入深度为 0.508cm 时的 CBR 值时, 应采用后者, 即 CBR = 式中 : p 对应于某一贯入度的土基单位压力,kPa ; p p s ps 相应贯入度的标准压力 ( 见表 2.6),kPa 表 2.6 CBR 试验标准压力值 ps 100 (2.20) 贯人值 /cm 标准压力 /kpa 试验时, 用一个端部面积为 19.35cm 2 的标准压头, 以 0.127cm/min 的速度压入土 中 记录每贯入 0.254cm 时的单位压力, 直至压入深度达到 1.27cm 时为止 标准压力 值是用高质量标准碎石由试验求得, 其值如表 2.6 所示 CBR 试验设备有室内试验与室外试验两种 室内用 CBR 试验装置如图 2.16 所示 试件按路基施工时的含水量及压实度要求在试筒内制备 并在加载前浸泡在水中, 饱水 4 天 为了模拟路面结构对土基的附加压力, 在浸水过程中及压入试验时, 在试件顶面施 加环形砝码, 其重量应根据预计的路面结构重量来确定 CBR 值野外试验方法基本与室内试验相同, 但其压入试验直接在土基顶面进行 有 时, 野外试验结果与室内试验结果不完全相同, 这主要是由于土壤含水量不一样, 室内试 验时, 试件处于饱水状态 ; 野外试验时, 土基处于施工时的湿度状态 所以, 对野外试验结 果必须加以修正, 换算成饱水状态的 CBR 值 表 2.7 所列为常用路基土的 CBR 值 科学出版社职教技术出版中心

40 32 路基路面工程 图 2.16 CBR 试验简图表 2.7 常用路基土的 CBR 值土类 CBR/ % 级配良好的砾石, 砾石唱砂混合料 60 ~ 80 级配差的砾石, 砾石唱砂混合料 35 ~ 60 均匀颗粒的砾石和砂质砾石粉质砾石, 砾石唱砂唱粉土混合料黏土质砾石, 砾石唱砂唱粉土混合料级配良好的砂, 砾石质砂 ; 粉质砂, 砂唱粉土混合料 40 ~ ~ 40 级配差的砂或砾石质砂 15 ~ 25 黏土质砂, 石砂唱黏土混合料 10 ~ 20 粉土, 砂质粉土, 砾石质粉土, 贫黏土, 砂质黏土, 砾石质黏土, 粉质黏土 5 ~ 15 无机质粉土, 贫有机质黏土, 云母质黏土或硅藻土 4 ~ 8 有机质黏土, 肥黏土, 有机质粉土 3 ~ 常见的路基病害 路基工程的基本要求 1. 整体稳定性路基是直接在地面上填筑或挖去一部分建成 路基修建后, 改变了原地面的天然平衡状态, 在工程地质不良地区, 修建路基可能加剧原地面的不平衡状态, 从而导致路基发生各种破坏现象 因此, 为防止路基结构在行车荷载及自然因素作用下发生整体失稳, 或

41 第二章路基工程概论 33 发生不容许的变形或破坏, 必须因地制宜采取一定的措施来保证路基整体结构的稳定性 2. 强度 路基的强度是指在行车荷载作用下, 路基抵抗变形与破坏的能力 因为行车荷载及 路基路面的自重使路基下部和地基产生一定的变形, 较大的变形会影响路面的使用品质 尤其是不均匀沉降, 直接导致路面的不均匀沉降, 降低路面平整度, 同时也是路面早期破 损的重要原因 为保证路基在外力作用下, 不致产生超过容许范围的变形, 要求路基应具 有足够的强度 3. 水温稳定性 路基的水温稳定性是指路基在水和温度的作用下保持其强度的能力 路基在地面水 和地下水的作用下, 其强度将会显著降低 因此, 对于路基, 不仅要求具有足够的强度, 而 且还应保证在最不利的水温状况下, 强度不致显著降低, 这就要求路基应具有一定的水温 稳定性 4. 排水通畅 路基无论施工期还是运营期, 应自始至终确保排水通畅 路基施工前, 应首先设置完 善临时排水系统 永久排水设施应确保排水通畅, 并力求内在及外观质量优良 5. 边坡稳定美观 上边坡防护应首先确保安全 耐久 同时应注意施工质量的内实外美 下边坡防护 的形式较多, 在确保施工内在质量的同时, 应高度重视工程外观质量 路基的主要病害 路基裸露在大气中, 经受着土体自重 行车荷载和各种自然因素的作用, 路基的各个 部位将逐渐产生变形 路基的变形分为可恢复变形和不可恢复变形, 路基的不可恢复变 形将引起路基标高和边坡坡度 形状的改变, 严重时造成土体位移, 危及路基的整体性和 稳定性, 造成路基各种破坏 路基的病害主要有以下几种 1. 路基沉陷 路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落, 如图 2.17(a) 所示 路基的沉 陷可以有两种情况, 一是路基本身的压缩沉降 ; 二是由于路基下部天然地面承载能力不 足, 在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的 路基的沉缩是因路基填料选择不当, 填筑方法不合理, 压实度不足, 在路基堤身内部 形成过湿的夹层等因素, 在荷载和水温综合作用之下, 引起路基沉缩, 如图 2.17(b) 所示 地基沉陷是指原天然地面有软土 泥沼或不密实的松土存在, 承载能力极低, 路基修 筑前未经处理, 在路基自重作用下, 地基下沉或向两侧挤出, 引起路基下陷, 如图 2.17(c) 所示 科学出版社职教技术出版中心

42 34 路基路面工程 图 2.17 路基沉陷 (a) 路基沉陷 ;(b) 路基沉缩 ;(c) 地基沉陷 2. 边坡滑塌路基边坡滑塌是最常见的路基病害, 根据边坡土质类别, 坡坏原因和规模的不同, 可分为溜方与滑坡两种情况 (1) 溜方由于少量土体沿土质边坡向下移动所形成 溜方通常指的是边坡上表面薄层土体下溜 主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的, 如图 2.18(a) (b) 所示 (2) 滑坡一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动 滑坡主要是由于土体的稳定性不足所引起的, 如图 2.18(c) 所示 图 2.18 路基边坡滑塌 (a) (b) 溜方 ; (c) 滑坡路堤边坡坡度过陡, 或边坡坡脚被冲刷淘空, 或填土层次安排不当是路堤边坡发生滑坡的主要原因 路堑边坡滑坡的主要原因是边坡高度和坡度与天然岩土层次的性质不相适应 黏性土层和蓄水的砂石层交替分层蕴藏, 特别是有倾向于路堑方向的斜坡层理存在时, 容易造成滑动 3. 碎落和崩塌剥落和碎落是指路堑边坡风化岩层表面, 在大气温度与湿度的交替作用, 以及雨水冲刷和动力作用之下, 表层岩石从坡面上剥落下来向下滚落 大块岩石脱离坡面沿边坡滚落称为崩塌, 见图 路基沿山坡滑动在较陡的山坡填筑路基, 若路基底部被水浸湿, 形成滑动面, 坡脚又未进行必要的支撑, 在路基自重和行车荷载作用下, 整个路基沿倾斜的原地面向下滑动, 路基整体失去稳定

43 第二章路基工程概论 35 图 2.19 路堑边坡破坏示意图 (a) 碎落 ; (b) 滑坍 ; (c) 崩塌 5. 不良地质 水文条件和自然灾害造成破坏 公路通过不良地质条件 ( 如泥石流 溶洞等 ) 和较大自然灾害 ( 如大暴雨 ) 地区, 均可能 导致路基的大规模毁坏 另外, 不可抗拒的自然灾害 ( 如地震 火山等 ) 均可造成无法防治 的毁坏 路基工程病害防治 排水 ) 为提高路基稳定性, 防治病害的产生, 主要有以下措施 : 1) 正确设计路基横断面 2) 选择良好的路基用土填筑路基, 必要时对路基上层填土作稳定处理 3) 采取正确的填筑方法, 充分压实路基, 保证达到规定的压实度 4) 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路基工作区范围 5) 正确进行排水设计 ( 包括地面排水 地下排水 路面结构排水以及地基的特殊 6) 必要时设计隔离层隔绝毛细水上升, 设置隔温层减少路基冰冻深度和水分累积, 设置砂垫层以疏干土基 定性 7) 采取边坡加固, 修筑挡土结构物, 土体加筋等防护技术措施, 以提高其整体稳 以上各项技术措施的宗旨在于限制水分侵入路基, 使已侵入路基的水分迅速排除, 保 持干燥, 提高路基的整体强度与稳定性 复习思考题与习题 2.1 公路自然区划原则是什么? 如何划分? 2.2 路基土的分类原则是什么? 共分为几大类? 内部又如何细划分? 2.3 各类公路用土的工程性质是什么? 2.4 新建公路和已建公路的干湿类型如何划分? 2.5 路基土的承载能力评价指标有哪些? 具体如何评价? 科学出版社职教技术出版中心

44 第三章路基设计 学习要点本章重点讲解一般路基设计的横断面设计 填料选择和压实标准 难点 为路基稳定性分析 了解附属设施设计和特殊路基设计 3.1 一般要求 公路路基是路面的基础, 它承受着本身土体的自重和路面结构的重量, 同时还承受由路面传递的行车荷载, 所以路基是公路的承重主体 公路路基属于带状结构, 随着天然地面的高低起伏 标高不同, 路基设计需根据路线平 纵 横设计, 精心布置, 确定标高, 为路面结构提供具有足够宽度的平顺基面 路基承受行车荷载作用, 主要在路基工作区范围之内, 其深度一般在路基顶面以下 0.8m 范围以内, 此部分路基被称作路床, 要求具有较高的强度与稳定性 坚固的路基, 是路面强度与稳定性的重要保证, 能为延长路面使用寿命创造有利条件 路基设计之前, 应做好全面调查研究, 充分收集沿线地质 水文 地形 地貌 气象 地震等设计资料 改建公路设计时, 还应收集历年路况资料及当地路基的翻浆 崩塌 水毁 沉降变形等病害的防治经验 发生情况及防治措施 应从地基处理 路基填料选择 路基强度与稳定性 防护工程 排水系统, 以及关键部位施工技术等方面进行综合设计 路基设计应符合环境保护的要求, 避免引发地质灾害, 减少对生态环境的影响 在工程地质和水文地质条件良好的地段修筑的一般路基设计包括以下内容 :1 路基横断面设计 ( 选择路基断面形式, 确定路基宽度 高度 边坡形状和坡度 ) ;2 选择路基填料与压实标准 ;3 路基排水系统布置和排水结构设计 ;4 坡面防护与加固设计 ;5 附属设施设计 对于特殊路基除上述内容外需针对特殊性进行专门设计 3.2 路基横断面设计 通常公路路线设计确定的路基标高与天然地面标高是不同的, 路基设计标高低于天然地面标高时, 需进行挖掘 ; 路基设计标高高于天然地面标高时, 需进行填筑 由于填挖情况的不同, 路基横断面的典型形式, 可归纳为路堤 路堑和填挖结合三种类型 路堤路堤是指全部用土石填筑而成的构造物 图 3.1 所示为路堤的几种常见横断面形式 按路堤的填土高度不同, 可划分为矮路堤 高路堤和一般路堤 另外, 根据路基所处的条件和加固类型的不同, 还有浸水路堤 护脚路堤及挖沟填筑路堤等形式 填土高度小于 1.0 ~ 1.5m, 属于矮路堤 矮路堤常在平坦地区取土困难时选用 平

45 第三章路基设计 37 图 3.1 路堤的几种常用断面形式 (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 ; (f) 陡坡路堤 坦地区地势低, 水文条件较差, 易受地面水和地下水的影响, 设计时应注意满足最小填土 高度的要求, 力求不低于规定的临界高度, 使路基处于干燥或中湿状态 路基两侧均应设 边沟 矮路堤的高度通常接近或小于路基工作区的深度, 除填方路堤本身要求满足规定 的要求外, 至路床范围内的天然地面也应按规定进行压实, 达到规定的压实度, 必要时进 行换土或加固处理, 以保证路基路面的强度和稳定性 科学出版社职教技术出版中心 填土高度大于 18m( 土质 ) 或 20m( 石质 ) 的路堤属于高路堤 高路堤的填方数量大, 占地多, 易发生沉陷 滑塌等病害 尽量少用, 需要论证和验算后使用 为使路基稳定和 横断面经济合理, 需进行个别设计, 高路堤的边坡可采用上陡下缓的折线形式 或台阶形 式 为防止水流侵蚀和冲刷坡面, 须采取适当的坡面防护和加固措施, 如铺草皮 砌石等 填土高度在 1.5 ~ 18m 范围内的路堤为一般路堤 通常认为一般路基可以结合当地

46 38 路基路面工程 的地形 地质情况, 直接选用典型断面图或设计规定, 不必进行个别论证和验算 填方高度不大 ( h = 2 ~ 3m), 填方数量较少, 全部或部分填方可以在路基两侧设置取土坑, 使之与排水沟渠结合 路堑路堑是指全部在天然地面开挖而成的构造物 图 3.2 是路堑的几种常见横断面形式, 即全挖路基 台口式路基及半山洞路基 图 3.2 路堑的几种常用断面形式 (a) 全挖路基 ; (b) 台口式路基 ; (c) 半山洞路基挖方边坡可视高度和岩土层情况设置成直线或折线 路堑的路基病害, 直接或间接由于水的原因而造成的, 路堑的排水非常重要 挖方边坡的坡脚处必须设置边沟, 以汇集和排除路基范围内的地表迳流 路堑的上方应设置截水沟, 以拦截和排除流向路基的地表径流 挖方弃土可堆放在路堑的下方 边坡坡面易风化时, 在坡脚处设置 0 畅 5 ~ 1 畅 0m 的碎落台, 坡面可采用防护措施 陡峻山坡上的半路堑, 路中线宜向内侧移动, 尽量采用台口式路基 [ 图 3.2(b)], 避免路基外侧的少量填方 遇有整体性的坚硬岩层, 为节省石方工程, 可采用半山洞路基 [ 图 3.2(c)] 挖方路基处土层地下水文状况不良时, 可能导致路面的破坏, 所以对路堑以下上路床 (0 ~ 30cm) 或路床 (0 ~ 80cm) 的天然地基, 要人工压实至规定的密实程度, 必要时还应翻

47 第三章路基设计 39 挖, 重新分层填筑 换土或进行加固处理, 采取加铺隔离层, 设置必要的排水设施 深路堑成巷道式, 受排水 通风 日照影响, 病害多于路堤, 行车视野受限, 景观环境有所降低, 施工也较困难 所以, 尽量少采用很深的长路堑 必需采用路堑时, 要兼顾日照 积雪 通风等, 确定合理的路线走向, 尽可能选用大半径平竖曲线及缓和的纵 横坡度等技术指标 技术等级高的公路, 还必须进行平面 纵断面线形的组合设计, 使道路景观与周围环境协调, 以改善路堑段的行车条件 半填半挖路基当天然地面横坡大, 且路基较宽, 需要一侧开挖而另一侧填筑时, 为填挖结合路基, 也称为半填半挖路基 在丘陵或山区公路上, 填挖结合是路基横断面的主要形式 图 3.3 所示是半填半挖路基的几种常见横断面形式 位于山坡上的路基, 通常取路中心的标高接近原地面的标高, 以便减少土石方数量, 保持土石方数量横向平衡, 形成半填半挖路基 若处理得当, 路基稳定可靠, 是比较经济的断面形式 图 3.3 半填半挖路基的几种常用断面形式 (a) 一般填挖路基 ; (b) 矮挡土墙路基 ; (c) 护肩路基 ; (d) 砌石护坡路基 ; (e) 砌石护墙路基 ; (f) 挡土墙支撑路基 ; ( g) 半山桥路基 科学出版社职教技术出版中心 半填半挖路基兼有路堤和路堑两者的特点, 上述对路堤和路堑的要求均应满足 填 方部分的局部路段, 如遇原地面的短缺口, 可采用砌石护肩 如果填方量较大, 也可就近

48 40 路基路面工程利用废石方, 砌筑护坡或护墙, 石砌护坡和护墙相当于简易式挡土墙, 承受一定的侧向压力 有时填方部分需要设置路肩 ( 或路堤 ) 式挡土墙, 确保路基稳定, 进一步压缩用地宽度 石砌护肩 护坡与护墙以及挡土墙等路基, 参阅图 3.3 中 (c) ~ (f) 如果填方部分悬空, 而纵向又有适当的基岩时, 则可以沿路基纵向建成半山桥路基, 如图 3.3(g) 所示 上述三类典型路基横断面形式, 各具特点, 分别在一定条件下使用 由于地形 地质 水文等自然条件差异性很大, 且路基位置 横断面尺寸及要求等, 亦应服从于路线 路面及沿线结构物的要求, 路基横断面类型的选择, 必需因地制宜, 综合设计 3.3 路基横断面尺寸 路基横断面由宽度 高度和边坡坡度三要素组成 设计时应根据公路等级 路基干湿类型 岩土性质以及规划等综合考虑 路基宽度路基宽度为行车道路面及其两侧路肩宽度之和 技术等级高的公路, 设有中间带 路缘石 变速车道 爬坡车道 紧急停车带等, 均应包括在路基宽度范围内 路面宽度根据设计通行能力及交通量大小而定, 一般每个车道宽度为 3.50 ~ 3.75m, 技术等级高的公路及城镇近郊的一般公路, 路肩宽度尽可能增大, 一般取 1 ~ 3m, 并铺筑硬质路肩, 以保证路面行车不受干扰 各级公路路基宽度按枟公路工程技术标准枠 (J T G B ) 的规定进行设计, 如图 3.4 和表 3.1 所示 图 3.4 公路路基宽度图 (a) 高速公路和一级公路 ; (b) 二 三 四级公路

49 第三章路基设计 41 表 3.1 各级公路路基宽度 公路等级 高速公路 一级公路 设计速度 /(k m/h) 车道数 路基宽度 / m 一般值 最小值 公路等级 二级公路 三级公路 四级公路 设计速度 /(k m/h) 车道数 或 1 路基宽度 / m 6.50 一般值 ( 单车道 ) 最小值 ( 单车道 ) 注 : 1) 一般值为正常情况下的采用值 ; 最小值为条件受限制时可采用的值 2) 八车道高速公路路基宽度 一般值 为设置左侧硬路肩 内侧车道采用 3.50 m 时的宽度 ; 八车道高速公路路基宽度 最小位 为不设置左侧硬路肩 内侧车道采用 3.75 m 时的宽度 路基高度 路基高度是指路堤的填筑高度和路堑的开挖深度, 是路基设计标高和地面标高之差 由于原地面沿横断面方向往往是倾斜的, 在路基宽度范围内, 两侧的高差常有差别 路基 高度是指路基中心线处设计标高与原地面标高之差, 而路基两侧边坡的高度是指填方坡 脚或挖方坡顶与路基边缘的相对高差, 所以路基高度有中心高度与边坡高度之分 新建 公路的路基设计标高为路基边缘标高, 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 ; 改建公路的路基设计标高可与新建公路相同, 也可采用路中线标高 设有中 央分隔带的高速公路 一级公路, 其路基设计标高为中央分隔带的外侧边缘标高 路基的填挖高度, 是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 程经济等因素确定的 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, 路基高度应根据临界高度并结合公路沿线具体条件和排水及防护措施确定路堤 的最小填土高度 沿河及受水浸淹的路基, 其高度应根据所规定的设计洪水频率 ( 表 3.2), 求得设计水 位, 再增加 0.5m 的余量 如果河道因设置路堤而压缩过水面积, 致使上游有壅水, 或河 面宽阔而有风浪, 就应增加壅水高度和波浪冲上路堤的高度 ( 即波浪侵袭高度 ) 所以, 沿 河浸水路堤的高度, 应高出上述各值之和, 以保证路基不致淹没, 并据此进行路基的防护 与加固 表 3.2 路基设计洪水频率 公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路 路基设计洪水频率 1/100 1/100 1/50 1/25 按具体情况确定 科学出版社职教技术出版中心

50 42 路基路面工程 路基边坡坡度公路路基的边坡坡度, 可用边坡高度 H 与边坡宽度 b 之比值表示, 并取 H = 1, 如图 3.5 所示,H b = 1 0.5( 路堑边坡 ) 或 1 1.5( 路堤边坡 ), 通常用 1 n( 路堑 ) 或 1 m ( 路堤 ) 表示其坡率, 称为边坡坡率 图 3.5 路基边坡坡度示意图 (a) 路堑 ; (b) 路堤路基边坡坡度的大小, 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 在陡坡或填挖较大的路段, 边坡稳定不仅影响到土石方工程量和施工的难易, 而且是路基整体稳定性的关键 因此, 确定边坡坡度对于路基的稳定性和工程的经济合理性至关重要, 是路基设计的重要任务 一般路基的边坡坡度可根据多年工程实践经验和设计规范推荐的数值采用, 特殊路基的边坡坡度宜通过边坡稳定性验算确定 路基边坡坡度的大小, 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 在陡坡或填挖较大的路段, 边坡稳定不仅影响到土石方工程量和施工的难易, 而且是路基整体稳定性的关键 因此, 确定边坡坡度对于路基的稳定性和工程的经济合理性至关重要 一般路基的边坡坡度可根据多年工程实践经验和设计规范推荐的数值采用 1. 路堤边坡当地质条件良好 边坡高度不大于 20m 时, 其边坡坡率不宜陡于表 3.3 规定 表 3.3 路堤边坡坡率 填料类别 边坡坡率 上部高度 ( H 8 m) 下部高度 ( H 12 m) 细粒土 粗粒土 巨粒土 路堤边坡高度超过表列数值时, 属高路堤, 应进行单独设计 填方边坡高时, 可在边 坡中部每隔 8 ~ 10m 设平台一道, 平台宽度为 1 ~ 3m, 用浆砌片石或水泥混凝土预制块防

51 第三章路基设计 43 护 边坡平台设排水沟时, 应符合排水沟设计要求 ; 不设排水沟时, 平台应设坡度为 2 % ~ 5 % 向外倾斜的缓坡 填石路基上的边坡平台不设排水沟 沿河受水浸淹的路堤边坡坡度, 在设计水位以下部分视填料情况可采用 ~ 1 2.0, 在常水位以下部分可采用 ~ 如用渗水好的土填筑或设边坡防护时, 可采用较陡的边坡 当公路沿线有大量天然石料或路堑开挖的废石方时, 可用以填筑路堤 填石路堤边坡坡度一般可用 1 1, 边坡坡面应选用大于 25cm 的不易风化的石块进行台阶式码砌, 码砌厚度为 1 ~ 2m 填石路堤高度不宜超过 20m 易风化岩石及软质岩石用做填料时, 应按土质路堤边坡设计 陡坡上的路基填方可采用当地不易风化的开山片石砌筑 ( 图 3.6) 砌石顶宽一律采用 0.8m, 基底面以 1 5 的坡率向路基内侧倾斜, 砌石高度 H 一般为 2 ~ 15m 砌石的襟边宽度 L 按表 3.4 采用, 砌石的内外坡度依砌图 3.6 砌石路基边坡石高度按表 3.5 选定 为提高砌石的稳固性, 砌石顶部 0.5m 高度范围内应采用 M5 水泥砂浆砌筑 砌石路基每隔 15 ~ 20m 设一道伸缩缝 表 3.4 襟边宽度 ( L) 地基地质情况襟边宽度 L/ m 地基地质情况襟边宽度 L/ m 地基地质情况襟边宽度 L/ m 弱风化的强风化岩石 0.2 ~ 0.6 硬质岩石或软质岩石 表 3.5 砌石边坡坡度表 0.6 ~ 1.5 密实的粗粒土 1.0 ~ 2.0 序号高度 / m 内坡坡度外坡坡度 在地震地区, 应参照枟公路工程抗震设计规范枠 (J TJ004 89) 的有关规定 该规范规 定, 高速公路和一级公路的路堤, 边坡高度大于表 3.6 的规定时, 应放缓边坡坡度 表 3.6 路堤边坡高度限制值 科学出版社职教技术出版中心 填 料 基本烈度 8 9 岩块和细粒土 ( 粉性土和有机质土除外 ) 粗粒土 ( 细砂 极细砂除外 ) 6 3

52 44 路基路面工程 2. 路堑边坡路堑是从天然地层中开挖出来的路基结构物, 设计路堑边坡时, 首先应从地貌和地质构造上判断其整体稳定性 在遇到工程地质或水文地质条件不良的地层时, 应尽量使路线避绕它 ; 而对于稳定的地层, 则应考虑开挖后, 是否会由于减少支承, 坡面风化加剧而引起失稳 影响路堑边坡稳定的因素较为复杂, 除了路堑深度和坡体土石的性质之外, 地质构造特征 岩石的风化和破碎程度 土层的成因类型 地面水和地下水的影响 坡面的朝向以及当地的气候条件等都会影响路堑边坡的稳定性, 在边坡设计时必须综合考虑 土质 ( 包括粗粒土 ) 路堑边坡, 应根据边坡高度 土的密实程度 ( 表 3.7) 地下水和地面水的情况 土的成因及生成时代等因素, 边坡高度不大于 20m 时, 边坡坡率不宜陡于表 3.8 规定 路堑边坡高度大于 20m 时, 其边坡形式及坡度应按特殊路基 ( 深路堑 ) 要求确定 表 3.7 土的密实程度划分 分级较松中密密实胶结 试坑开挖情况铁锹很容易铲入土中, 试坑坑壁容易坍塌天然坡面不易陡立, 试坑坑壁有掉块现象, 部分需用镐开挖试坑坑壁稳定, 开挖困难, 土块用手使力才能破碎, 从坑壁取出大颗粒处能保持凹面形状细粒土密实度很高, 粗颗粒之间呈弱胶结, 试坑用镐开挖很困难, 天然坡面可以陡立 表 3.8 土质路堑边坡坡率 土的类别 边坡坡率 黏土 粉质黏土 塑性指数大于 3 的粉土 1 1 中密以上的中砂 粗砂 砾砂 卵石土 碎石土 圆砾土 角砾土 胶结和密实 中密 1 1 岩质路堑边坡形式及坡度应根据工程地质与水文地质条件 边坡高度 施工方法, 结合自然稳定边坡和人工边坡的调查综合确定 必要时可采用稳定分析方法予以验算 边坡高度不大于 30m 时, 无外倾软弱结构面的边坡岩体类型, 边坡坡率可按表 3.9 确定 对于有外倾软弱结构面的岩质边坡 坡顶边缘附近有较大荷载的边坡 边坡高度超过表 3.10 范围的边坡等, 边坡坡率应通过稳定性分析计算确定 表 3.9 岩质路堑边坡坡率 边坡岩体类型 风化程度 H < 15 m 边坡坡率 15 m H < 30 m Ⅰ 类 Ⅱ 类 未风化 微风化 ~ ~ 弱风化 ~ ~ 未风化 微风化 ~ ~ 弱风化 ~ ~

53 第三章路基设计 45 续表 边坡岩体类型 风化程度 H < 15 m 边坡坡率 15 m H < 30 m Ⅲ 类 Ⅳ 类 未风化 微风化 ~ 弱风化 ~ 弱风化 ~ 1 1 强风化 ~ 1 1 注 : 1) 有可靠的资料和经验时, 可不受本表限制 2) Ⅳ 类强风化包括各类风化程度的极软岩 表 3.10 岩石风化破碎程度分级表 分级 外观特征 颜色矿物成分结构构造破碎程度强度 轻度较新鲜无变化无变化 节理不多, 基本上是整体, 节理基 本不张开 基本上不降低, 用锤 敲很容易回弹 中等 造岩矿物失去光泽 色变暗 基本不变 无显著变化 开裂成 20 ~ 50cm 的大块状, 大多数节理张开较小 有减低, 用锤敲声音仍较清脆 严重 显著改变 有次生矿物产生 不清晰 开裂成 5 ~ 20cm 的碎石状, 有时节理张开较多 有显著降低, 用锤敲声音低沉 极重 变化极重 大部成分已改变 只具外形, 矿物间已失去结晶联系 节理极多, 爆破以后多呈碎石土状, 有时细粒部分已具塑性 极低, 用锤敲时, 不易回弹 由于地表岩层和自然条件, 以及路基构造要求与形式变化极大, 岩石路堑边坡率难以 定型, 表 3.9 所列数值为一般条件下的经验数值, 运用时应结合当地的工程地质和水文条 件, 参考各地现有自然稳定的山坡和人工成型稳定的山坡, 加以对比选用 必要时应进行 个别设计和稳定性验算, 采用排水和护坡与加固等技术措施 对高速公路 一级公路, 当挖方为软质 风化岩层及土质边坡时, 可根据坡面稳定状况 和碎落情况设置挡土墙或矮墙, 或进行坡面防护, 并应考虑绿化与工程措施相结合 容易 产生碎落的风化破碎岩石 软质岩石 砾 ( 碎石 ) 等地段的挖方路基, 应在边沟外侧设置碎 落台 碎落台高度与路肩齐平, 宽度不宜小于 1m, 高速公路 一级公路边坡高度超过 12m 时, 碎落台宽度不宜小于 2m 在地震地区的岩石路堑边坡坡率应参考枟公路工程抗震设计规范枠 (J TJ ) 规 定 规范规定, 当岩石路堑边坡高度超过 10m 时, 边坡坡度应按表 3.11 采用 表 3.11 高度超过 10m 的岩石路堑边坡的坡度 科学出版社职教技术出版中心 岩石种类 基本烈度 8 9 风化岩石 ~ ~ 一般岩石 ~ ~ 坚石 ~ 直立 ~ 直立

54 46 路基路面工程 3.4 路基填土与压实 路基填土填方路基应优先选用级配较好的砾类土 砂类土等粗粒土作为填料, 含草皮 生活垃圾 树根 腐殖质土严禁作为填料 泥炭 淤泥 冻土 强膨胀土 有机土及易溶盐超过容许含量的土等, 不得直接用于填筑路基, 确需使用时, 必须采取技术措施进行处理, 经检验满足设计要求后方可使用 冰冻地区的路床及浸水部分的路堤不应直接采用粉质土填筑 液限大于 50 % 塑性指数大于 26 的细粒土, 不得直接作为路堤填料 浸水路堤应选用渗水性良好的材料填筑 当采用细砂 粉砂作填料时, 应考虑振动液化的影响 桥涵台背和挡土墙墙背应优先选用渗水性良好的填料 在渗水材料缺乏的地区, 采用细粒土填筑时, 宜用石灰 水泥 粉煤灰等无机结合料进行处治 当采用细粒土填筑时, 路堤填料最小强度应符合表 3.12 的规定 表 3.12 路堤填料最小强度和最大粒径要求 填料应用部位 ( 路面 底面以下深度 )/ m 填料最小强度 ( CBR)/ % 高速公路 一级公路二级公路三 四级公路 填料最大粒径 / m m 上路床 (0 ~ 0.3) 路堤 下路床 (0.3 ~ 0.8) 上路堤 (0.8 ~ 1.5) 下路堤 ( > 1.5) 零填及挖 方路基 0 ~ ~ 注 : 1) 表列强度按枟公路土工试验规程枠 (J T J 051) 规定的浸水 96h 的 CBR 试验方法测定 2) 三 四级公路铺筑沥青混凝土和水泥混凝土路面时, 应采用二级公路的规定 3) 表中上 下路堤填料最大粒径 150 m m 的规定不适用于填石路堤和土石路堤 路基压实及压实标准 1. 压实的意义和机理在公路工程实践中, 因路基压实不好引起路面病害的实例较多, 尤其对于高填方易出现大面积沉陷变形和不均匀沉陷变形 因此, 为了提高路基和路面结构的强度, 保证公路路面的使用品质, 必须对路基按规范要求进行压实 从力学上分析, 压实就是用机械的方法把土压实, 人为地使土的密度增大, 从而使土的内摩阻力和粘聚力增加, 使路基受水的影响减小, 路基土的强度与水稳性相对地得到提高 路基土和多数路面材料通常是由固体颗粒 水和空气三部分组成, 俗称三相土 用某种工具或机械对路基进行压实时, 在压实机具的短时荷载或振动荷载作用下, 土颗粒重新排列和互相靠拢, 小颗粒进入大颗粒的孔隙中, 孔隙率减小, 单位体积内固体颗粒含量增

55 第三章路基设计 47 加, 增加了粗粒土颗粒间的摩擦和咬合以及细粒土颗粒间的粘结力, 从而提高了路基的强度和稳定性 可以认为, 三相土的压实过程是气体逸出和土粒相互错动 靠紧的过程 欲使土体压实, 必须施加一定的功, 以克服土体中空气逸出和土粒相互错动的阻力, 其大小与土中含水量的大小有着密切的关系 目前, 人们所知道的压实理论有普罗克特的毛细管湿润学说 霍根托勒的粘聚水学说及拉姆的物理化学理论 ( 颗粒定向理论 ) 这些理论虽然不同, 但基本都是从土压实的含水量这一要素来说明 综合各理论可以认为黏性土的压实特性与黏土颗粒的物理化学性质有着密切的关系 黏性细粒土压实, 主要是将土孔隙中的空气挤出, 碾压得越密实, 土中空气越少 黏土颗粒通常小于 2μm, 且大多数呈薄片状 因此, 黏粒的表面积与其质量的比值是非常大的, 以致颗粒表面的作用力对土的性质有显著的影响 另外, 黏土表面通常带负电荷, 而边缘可能带正电, 且为了平衡表面负电荷而扩散层中分布着阳离子 在压实过程中, 主要是由土粒间的引力与斥力的相对大小决定了压实土的结构 当土样的含水量较小时, 粒间引力较大, 在一定的外部压实功能作用下, 尚不能有效地克服引力而使土粒相对移动, 这时土体不能得到充分压密 ; 增大含水量时, 结合水膜逐渐增厚, 粒间引力减小, 土粒在相同功能条件下易于移动而挤密, 所以压实效果较好 ; 当达到某一含水量时, 土中空气全部被挤出, 土体接近于两相体, 土的密度接近理论的最大密实度 但当含水量增大到一定程度之后, 孔隙中已出现了自由水, 结合水膜的扩大作用已不显著, 而由于自由水填充在孔隙中阻碍土粒的移动作用却随着含水量的增加而渐渐显著起来, 从而导致压实效果下降 砂性土碾压过程中, 砂颗粒组成的均匀程度对所能达到的密实度影响很大 由相同 颗粒组成的均匀砂的密实度与相互接触的砂粒的排列位置有关 天然砂是由不同粒径的 砂粒所组成的, 在压实过程中, 细颗粒填入粗粒间的孔隙中, 使砂的密实度增加 因此, 单 一尺寸砂的密实度通常最小, 由各种不同粒径颗粒组成的砂的密实度, 常大于单一尺寸砂的密实度, 最佳级配的砂可能达到的密实度最大 2. 压实土的特性分析 (1) 提高路基的强度 土的干密度越大, 强度越高 级配砂砾压实度对其强度有明显影响, 当压实度由 95 % 提高到 100 % 时, 弹性模量值能提高 60 % 对粉质亚黏土的干密度与其强度有直接 关系, 当土的干密度由 1.720g/cm 3 提高到 1.930g/cm 3 当指出的是随着干密度增大, 强度提高, 但也是有限度的 (2) 提高路基的水稳定性 科学出版社职教技术出版中心 时, 土的弹性模量增加一倍 应 压实土浸水后, 其最大强度出现在最佳含水量时最大密实度的附近处, 因此现场压实一般应在最佳含水量时进行 (3) 显著地降低土的渗透性和毛细作用当在最佳含水量将土压实到最大密度时, 土中孔隙小, 相邻土颗粒的接触点水膜交叠起来, 此水膜的粘滞度使水分的渗透和毛细移动受到阻碍, 土中不再发生水分的毛细移

56 48 路基路面工程动 用粉质亚黏土进行的试验表明, 随着压实度的增加, 土的渗透系数明显降低 另外, 土中细粒部分越多, 其最小渗透系数值越小 (4) 减少路基的塑性变形路基压实度不足, 在荷载作用下会产生沉陷变形 ( 塑性变形 ), 压实度越小, 产生的沉陷变形就越大 (5) 减小冻胀量, 提高冻融稳定性在有水压的情况下, 冻胀随密实度增加而不断减小 ; 在无水压饱水的情况下, 冻胀值曲线有最高点, 冻胀最大值位于压实度 91 % ~ 94 % 的范围内, 当压实度达到 100 % 时, 相对冻胀值较最大值减小 2 ~ 4 倍 试验资料和工程实践表明, 路基冻前密实度越大, 融冻后其强度降低越少 因此, 在季节性冰冻地区, 采用提高路基压实度来增强其冻融稳定性, 是经济而有效的措施 3. 路基压实标准 (1) 压实度压实度是指路基土压实达到的干密度 γ 与室内标准击实试验所得的最大干密度 γ0 比值, 用 K 表示, 即 K = γ γ0 100 % (3.1) 压实度 K 是现行规范规定的路基压实标准, 表示路基土的压实程度 土基野外施工受种种条件限制, 不能达到室内标准击实试验所得的最大干容重 γ0, 并且考虑经济与性能二者关系, 可予适当降低 正确选定 K 值, 关系到土路基受力状态 路基路面设计要求 施工条件, 必须兼顾需要与否, 讲究实效与经济 (2) 标准干密度的确定标准干密度的试验方法是击实试验 在室内确定土和材料的最大干密度和最佳含水量, 并以此最大干密度作为该土或该材料的标准干密度 目前各国使用的击实试验法, 基本上可以分为两类 一类是开始于 20 世纪 30 年代初的轻型击实试验法 该法适用于公路上交通量较小 载重汽车是轻型和中型的, 施工碾压机具的品种较少, 吨位不大的情况 另一类是开始于 50 年代的重型击实试验法 该法适用于公路上重型载重汽车增多 交通量增大以及压实机具的吨位和品种增加的情况 我国公路 1959 年制定使用的路基土击实试验法与前苏联的击实试验法相同, 是轻型的 从 1977 年开始, 我国援外公路工程正式采用重型击实试验法确定土和路面材料的最大干密度 1980 年开始, 国内公路工程试用重型击实试验法 1982 年开始, 一 二级公路的施工正式采用重型击实试验法 现在我国公路工程全部采用重型击实试验法, 所用重型击实试验法的单位击实功是 2.687J 重型击实试验法一般只适用于最大粒径不超过 38mm( 方孔筛 ) 的土 土中超尺寸的颗粒含量不大于 5 % 时, 对试验结果无明显的影响 ; 超尺寸的颗粒含量不大于 30 % 时, 对试验结果可进行修正确定土的最大干密度

57 第三章路基设计 49 (3) 土质路基压实标准路基受力由顶部向下, 受力急剧减小, 在一般汽车荷载情况下, 其影响深度在 1.0 ~ 2.0m 范围内, 深度更大时路基主要承受路基本身重量 因此, 路基填土的压实度, 应是由下而上逐渐提高标准 路面等级愈高, 对路基强度要求相应增大 ; 自然条件越差, 对路基的强度与稳定性越不利 ; 路基挖填不同, 对于路基的强度与稳定性亦有关系 基于上述分析, 现行规范规定的土质路基压实度 K, 见表 3.13 表 3.13 土质路堤压实度标准 填料应用部位 ( 路面 底面以下深度 )/ m 压实度 / % 高速公路 一级公路二级公路三 四级公路 上路床 (0 ~ 0.3) 路堤 下路床 (0.3 ~ 0.8) 上路堤 (0.8 ~ 1.5) 下路堤 ( > 1.5) 零填及挖方 路基 0 ~ ~ 注 : 1) 表列压实度以枟公路土工试验规程枠 (J T J051) 重型击实试验法为准 2) 三 四级公路铺筑水泥混凝土路面或沥青混凝土路面时, 其压实度应采用二级公路的规定值 3) 路堤采用特殊填料或处于特殊气候地区时, 压实度标准根据试验路在保证路基强度要求的前提下可适当 降低 4) 特别干旱地区的压实度标准可降低 2 % ~ 3 % 地基表层处理 填方的地基表层为原始地面, 其表面的横坡坡度以及表层土质均对路基稳定性构成 影响, 因此在修筑前需要对地基表层进行处理 当地面横坡缓于 1 5 时, 清除地表草皮 腐殖土后, 可直接在天然地面上填筑路堤 ; 地面横坡为 1 5 ~ 时, 原地面应挖台阶, 台阶宽度不应小于 2m 当基岩面上的覆 盖层较薄时, 宜先清除覆盖层再挖台阶, 当覆盖层较厚且稳定时, 可予保留 ; 地面横坡陡于 地段的陡坡路堤, 必须检算路堤整体沿基底及基底下软弱层滑动的稳定性, 抗滑 稳定系数不得小于规定值 否则应采取改善基底条件或设置支挡结构物等防滑措施 应将地基表层碾压密实 在一般土质地段, 高速公路 一级公路和二级公路基底的压 实度 ( 重型 ) 不应小于 90 % ; 三 四公路不应小于 85 % 路基填土高度小于路面和路床总 厚度时, 应将地基表层土进行超挖 分层回填压实, 其处理深度不应小于重型汽车荷载作 用的工作区深度 在稻田 湖塘等地段, 应视具体情况采取排水 清淤 晾晒 换填 加筋 外掺无机结合 料等处理措施 当为软土地基时, 应按相应措施处理 科学出版社职教技术出版中心 有关附属设施 与一般路基工程有关的附属设施有取土坑 弃土堆 护坡道和碎落台等 这些设施是

58 50 路基路面工程路基设计的组成部分, 影响着路基的强度, 稳定性和行车安全, 正确合理地设置十分重要 取土坑与弃土堆路基土石方的挖填平衡, 是公路路线设计的基本原则, 但往往难以做到完全平衡 土石方数量经过合理调配后, 仍然会有部分借方和弃方 ( 又称废方 ), 路基土石方的借弃, 首先要合理选择地点, 即确定取土坑或弃土堆的位置 选点时要兼顾土质 数量 用地及运输条件等因素, 还必须结合沿线区域规划 因地制宜, 综合考虑, 维护自然平衡, 防止水土流失, 做到借之有利 弃之无害 借弃所形成的坑或堆, 要求尽量结合当地地形, 充分加以利用, 并注意外形规整, 弃堆稳固 对高等级公路或位于城郊附近的干线公路, 尤应注意 1. 取土坑平坦地区如果用土量较少, 可以沿路两侧设置取土坑, 与路基排水和农田灌溉相结合 路旁取土坑 ( 图 3.7), 深度约 1.0m 或稍大一些, 宽度依用土数量和用地容许而定 取土坑设置的技术要求 : 地面横坡陡于 1 10 时, 取土坑应设在路堤上侧 ; 桥头两侧不宜设置取土坑 ; 取土坑与路基之间的距离, 应满足路基边坡稳定的要求, 取土坑与路基坡脚之间的护坡道应平整密实, 表面设 1 % ~ 2 % 向外倾斜的横坡 ; 取土坑兼作排水沟时, 其底面宜高出附近水域的常水位, 与永久排水系统及桥涵出水口的标高相适应, 纵坡不宜小于 0 畅 2 %, 平坦地段不宜小于 0.1 % ; 线外取土坑图 3.7 路旁取土坑示意图 1 畅路堤 ; 2 畅取土坑等与排水沟 鱼塘 水库等蓄水 ( 排洪 ) 设施链接时, 应采取防冲刷 防污染的措施 对取土坑应采取必要的排水 防护和绿化措施, 避免水土流失 2. 弃土坑路基开挖的废方, 应尽量加以利用, 如用以加宽路基或加固路堤, 填补坑洞或路旁洼地, 亦可兼顾农田水利或基建等所需, 做到变废为用, 弃而不乱 弃土不得占用耕地, 沿河弃土不得影响排洪 通航, 不得加剧河岸冲刷 ; 不得向水库 湖泊 岩溶漏斗及暗河口处弃土 ; 禁止在贴近桥墩台 涵洞口处弃土 弃土堆 ( 图 3.8) 的几何尺寸 压实程度 位置应保证路基边坡和弃土堆自身的稳定 弃土堆的边坡不陡于 1 1.5, 顶面向外设不得小于 2 % 的横坡, 其内侧高度不宜大于 3m 在地面横坡陡于 1 5 的路段, 不得在高于路堑边坡的山坡上方设弃土堆 在山坡上侧的弃土堆, 应连续而不间断, 并在弃土堆上侧设置截水沟, 山坡下侧的弃土堆, 应每隔 50 ~ 100m 设宽度不小于 1m 的缺口作排水用, 排水主流方向不得对地面结构物及农田等造成不利影响, 必要时可设人工沟渠导引排水 弃土堆坡脚应进行防护和加固 弃土应按设计要求进行压实, 并对弃土堆进行必要的防护和排水工程

59 第三章路基设计 51 图 3.8 路旁弃土堆示意图 1 畅弃土堆 ; 2 畅平台与三角土块 ; 3 畅路堑 护坡道与碎落台 1. 护坡道 护坡道是保护路基边坡稳定性的措施之一, 设置的目的是加宽边坡横向距离, 减小边 坡平均坡度 护坡宽度最少为 1.0m, 护坡道愈宽, 愈有利于边坡稳定, 但宽度大, 则工程 数量亦随之增加 因此, 设计时要兼顾边坡稳定性与经济合理性 通常护坡道宽度视边 坡高度 h 而定 :h 3.0m 时,d = 1.0m ;h = 3.0 ~ 6.0m 时,d = 2.0m ;h = 6.0 ~ 12.0m 时, d = 2.0 ~ 4.0m 护坡道一般设在挖方坡脚处, 边坡较高时亦可设在边坡上方及挖方边坡的变坡处 浸水路基的护坡道, 可设在浸水线以上的边坡上 2. 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 碎落台宽度一般为 1.0 ~ 1.5m, 如兼有护坡作 用, 可适当放宽 高速公路 一级公路边坡高度超过 12m 时, 碎落台宽度不宜小于 2m 碎落台上的堆积物应定期清理 3.6 路基稳定性分析 一般路基设计可直接根据地形套用典型横断面图, 不必进行边坡论证和验算, 然而对 于高路堤 深路堑 陡坡路堤 浸水路堤以及不良地质地段的路基, 易出现滑坍等病害, 应 进行个别分析 设计和验算, 以确定安全可靠 经济合理的路基断面形式, 或据此寻求相应 的防护与加固措施 根据土力学原理, 路基边坡滑坍是由于边坡土体的剪应力超过其抗剪强度所产生的 剪切破坏 因此, 凡是使土体剪应力增加或抗剪强度降低的因素都可引起边坡滑坍 路 基的稳定, 涉及水文地质 地带类型 填土高度 边坡土质 边坡几何形状以及荷载大小等 因素 路基的稳定性, 除施工质量等因素外, 一般取决于边坡和地基的稳定性, 填筑在陡 坡上的路堤, 还取决于路堤在陡坡上的滑动稳定性 科学出版社职教技术出版中心

60 52 路基路面工程 路基边坡稳定性分析原理根据对边坡发生滑坍现象的观察, 边坡破坏时形成一滑动面 滑动面的形状与土质有关 对于黏性土, 滑动土体有时像圆柱形, 有时像碗形 对于松散的砂性土及砂土, 滑动面类似于平面 如果下滑面是单一平面, 则根据静力平衡原理可以求解力未知量, 这是一个静力平衡问题 [ 图 3.9(a)] 如果下滑面具有两个破坏面, 稳定性分析时必须确定两个破坏面上的法向力的大小和作用点, 但只能建立三个平衡方程, 因而这是一个超静定问题 [ 图 3.9 (b)] 如果下滑面具有多个破坏面, 稳定性分析时必须确定每个破坏面法向力的大小和作用点, 同样只能建立三个平衡方程, 因而这是一个多次超静定问题 [ 图 3.9(c)] 图 3.9 边坡的滑动面 (a) 直线破坏面 ; (b) 折线破坏面 ; (c) 曲线破坏面为能求解这些静不定问题, 通常需要作出某些假设, 使之变为静定问题 在用力学边坡稳定性分析法进行边坡稳定性分析时, 为简化计算, 通常都按平面问题来处理 松散的砂性土和砾 ( 石 ) 土具有较大的内摩擦角 ( φ) 和较小的粘聚力 ( c), 边坡滑坍时, 破裂面近似平面, 在边坡稳定性分析时可采用直线破裂面法 黏性土具有较大的粘聚力 ( c), 而内摩擦角 ( φ) 较小, 破坏时滑动面通常近似于圆曲面, 故可采用圆弧破裂面法 在进行边坡稳定性分析时, 大多采用近似的方法, 并假设 : 1) 不考虑滑动土体本身内应力的分布 2) 认为平衡状态只在滑动面上达到, 滑动土体成整体下滑 3) 极限滑动面位置要通过试算来确定 路基边坡稳定性分析, 一般情况下, 可只考虑破裂面通过坡脚的稳定性 路基地面以下含有软弱夹层时, 还应考虑滑动破裂面通过坡脚以下的可能 边坡为折线形, 必要时应对通过变坡点的滑动面进行稳定性验算

61 第三章路基设计 边坡稳定性分析的计算参数 1. 土的计算参数 ( γ c φ) 路基处在复杂的自然环境中, 其稳定性随环境条件 ( 特别是土的含水量 ) 和时间的增 长而变化 路堑是在天然土层中开挖而成, 土石的性质 类别和分布是自然存在的 而路 堤是由人工填筑而成, 填料性质可由人为方法控制 因此, 在边坡稳定性分析时, 对于土 的物理力学数据的选用, 以及可能出现的最不利情况, 应力求能与路基将来实际情况相 一致 对于路堑或天然边坡需试验 : 原状土的容重 γ(kn/m 3 ) 内摩擦角 φ( ) 和粘聚力 c(kpa) 土体力学参数宜采用原位剪切试验 原状土样室内剪切试验及反算分析等方法 综合确定 岩体抗剪强度宜根据现场原位试验确定, 当无条件进行试验时, 可参考规范推 荐值, 根据岩体裂隙发育程度进行折减 对路堤边坡, 应取与现场压实度一致的压实土的试验数据, 包括压实后土的容重 γ(kn/m 3 ) 内摩擦角 φ( ) 和粘聚力 c(kpa) 路基填土的强度参数 c φ 值, 宜采用直剪快 剪三轴不排水剪试验获得 ; 地基的强度参数 c φ 值, 宜采用直剪固结快剪或三轴固结不排 水剪试验获得 在边坡稳定性分析时, 如边坡由多层土体所构成, 所采用土的边坡稳定性分析参数 c φ 和 γ 的值应根据边坡稳定性分析方法确定, 对于直线法和圆弧法可通过合理的分段, 直接取用不同土层的参数值 如用综合土体边坡稳定性分析, 可采用式 (3.2) ~ 式 (3.4) 加权平均法求得, 加权平均法适用于较为粗略的边坡稳定性分析 tan φ = c = c1 h1 + c2 h2 + + cn hn h1 + h2 + + hn h1 tan φ1 + h2 tan φ2 + + hn tan φn γ = h1 + h2 + + hn γ1 h1 + γ2 h2 + + γn h n h1 + h2 + + hn 式中 : ci φi γi i 土层的粘聚力 内摩擦角 容重 ; hi i 土层的厚度 2. 边坡的取值 = = n ci h i i = 1 n hi i = 1 n = γi hi i = 1 n hi i = 1 n hi tan φi i = 1 n hi i = 1 (3.2) (3.3) (3.4) 边坡稳定性分析时, 对于折线形或阶梯形边坡 ( 图 3.10), 一般可取平均值, 例如 图 3.10(a) 取 A B 线, 图 3.10(b) 则取坡脚点和坡顶点的连线 科学出版社职教技术出版中心

62 54 路基路面工程 3. 汽车荷载当量换算 图 3.10 边坡取值示意图 路基除承受自重作用外, 同时还承受行车荷载的作用 在边坡稳定性分析时, 需要将 车辆按最不利情况排列, 并将车辆的设计荷载换算成当量土柱高 ( 即以相等压力的土层厚 度来代替荷载 ), 以 h0 表示 当量土柱高度 h0 的计算式为 h0 = NQ γb L 式中 : N 横向分布的车辆数, 单车道 N = 1, 双车道 N = 2 ; Q 每一辆车的重量,kN ; γ 路基填料的容重,kN/m 3 ; (3.5) L 汽车前后轴 ( 或履带 ) 的总距,m 对公路唱 Ⅰ 级和公路唱 Ⅱ 级汽车荷载,L = 12.8m ; B 横向分布车辆轮胎最外缘之间总距,m B = Nb + ( N - 1) d 其中 : b 每一车辆的轮胎外缘之间的距离,m ; d 相邻两辆车轮胎 ( 或履带 ) 之间的净距,m 荷载分布宽度, 可以分布在行车道 ( 路面 ) 的范围, 考虑到实际行车可能有横向偏移或 车辆停放在路肩上, 也可认为 h0 厚的当量土层分布在整个路基宽度上 路基边坡稳定性分析方法 路基边坡稳定性分析方法可分为两类, 即力学分析法和工程地质法 力学分析法包 括数解法和图解或表解法 : 数解法即假定几个不同的滑动面, 按力学平衡原理对每个滑动 面进行边坡稳定性分析, 从中找出极限滑动面, 按此极限滑动面的稳定程度来判断边坡的 稳定性 此法较精确, 但计算较繁 图解或表解法即在计算机和图解分析的基础上, 制定 成图或表, 用查图或查表法进行边坡稳定性分析 此法简单, 但不如数解法精确 工程地 质法即根据不同土类及其所处的状态, 经过长期的生产实践和大量的资料调查, 拟定边坡 稳定值参考数据, 在设计时, 将影响边坡稳定的因素作比拟, 采用类似条件下的稳定边 坡值 随着电算的普及, 常用的边坡稳定性分析方法为力学分析法的数解法, 根据滑动面形

63 第三章路基设计 55 状分直线破裂面法和圆弧破裂面法, 简称直线法和圆弧法 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 圆弧法适用于黏性土, 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 1. 直线滑动面法 如图 3.11(a) 所示, 路堤土楔 A B D 沿假设破裂面 A D 滑动, 其稳定系数 K 按下式计 算 ( 按纵向长 1m 计, 下同 ), 即 K = F T 式中 : F 沿破裂面的抗滑力,kN ; T 沿破裂面的下滑力,kN ; = Gcos ωtan φ + cl Gsin ω G 土楔重量及路基顶面换算土柱的荷载之和,kN ; ω 破裂面对于水平面的倾斜角,( ) ; φ 路堤土体的内摩擦角,( ) ; c 路堤土体的单位粘聚力,kPa ; L 破裂面 A D 的长度,m (3.6) 边坡稳定性分析时, 先假定路堤边坡值, 然后通过坡脚 A 点, 假定 3 ~ 4 个可能的破 裂面 ωi, 如图 3.11(b) 所示, 按式 (3.6) 求出相应的稳定系数 K i 值, 得出 K i 与 ω i 的关系 曲线, 如图 3.11(c) 所示 在 K = f( ω) 关系曲线上找到最小稳定系数值 Kmin, 及对应的 极限破裂面倾斜角 ω 值 由于砂类土粘结力很小, 一般可忽略不计, 即取 c = 0, 则式 (3.6) 可表达为 K = F T = tan φ tan ω (3.7) 由式 (3.7) 可知, 当 K = 1 时,tan φ = tan ω, 抗滑力等于下滑力, 滑动面土体处于极限 平衡状态, 此时路堤的极限坡度等于砂类土的内摩擦角, 该角相当于自然休止角 当 K > 1 时, 路堤边坡处于稳定状态, 且与边坡高度无关 ; 当 K < 1 时, 则不论边坡高度多少, 都 不能保持稳定 对砂类土的路堑边坡, 如图 3.12 所示, 土楔 A B D 沿假设破裂面 A D 滑动, 其稳定系 数 K 按下式计算, 即 式中 : h 边坡的竖向高度,m ; K = F T Gcos ωtan φ + cl = Gsin ω φ 路堑土楔的内摩擦角,( ), f = tan φ ; α0 参数,α0 = 2 c γh, γ 为土的容重,kN/m 3 ; θ 边坡倾斜角 ; 其他符号同前 科学出版社职教技术出版中心 = f + a0 cot ω + a0 cot θ - ω (3.8)

64 56 路基路面工程 图 3.11 直线法计算图 图 3.12 均质砂类土路堑 按微分方法, 当 d K/d ω = 0 可求稳定系数 K 最小时破裂面倾斜角 ω0 值, 即 ctan ω0 = ctanθ + 将式 (3.9) 代入式 (3.8) 得最小稳定系数为 a0 cscθ (3.9) f + a0

65 第三章路基设计 57 Kmin = (2α0 + f) ctanθ + 2 a0 ( f + a0 )cseθ (3.10) 考虑到滑动面的近似假定, 土工试验所得 φ 和 C 的局限性以及气候环境条件的变异性的影响, 为保证边坡稳定性有足够的完全储备, 稳定系数 Kmin 应大于 1.25, 但 K 值也不宜过大, 以免造成工程不经济 2. 圆弧滑动面法圆弧法适用于黏性土, 假定滑动面为一圆弧, 它适用于边坡有不同的土层 均质土边坡, 部分被淹没均质土坝, 局部发生渗漏 边坡为折线或台阶形的黏性土的路堤与路堑 在非均质土层中, 如果土坡下有软弱层, 则滑动面很大部分将通过软弱土层, 形成曲折的复合滑动面, 见图 3.13(a) 如果土坡位于倾斜的岩层面上, 则滑动面往往沿层面产生, 见图 3.13(b) 图 3.13 非均质土中的滑动面 (a) 下伏软弱土层的滑动面形式 ; (b) 下伏硬层的滑动面形式 均质黏性土的土坡破坏时, 其滑动面常常是一曲面, 通常近似地假定为圆弧滑动面, 其形式一般有三种, 即坡脚圆 坡面圆和中点圆 ( 图 3.14) 三种圆弧滑动面的产生, 与土 坡的坡脚大小 土的强度指标以及土中硬层的位置因素有关 图 3.14 均质土土坡圆弧滑动面形式 (a) 坡脚圆 ; (b) 坡面圆 ; (c) 中点圆 科学出版社职教技术出版中心 圆弧法首先由瑞典人彼德森 (K.E.Petterson) 提出, 后经费伦纽斯 (W.Fellinius) 和 泰勒 (D.W.Taylor) 做了研究和改进, 沿用至今 该分析方法可分成两种 :1 土坡圆弧滑 动体按整体稳定分析法, 主要适用于均质简单土坡 所谓简单土坡指土坡上 下两个土面

66 58 路基路面工程是水平的, 坡面是一平面 ;2 用条分法分析土坡稳定 条分法使用较广泛 对于非均质土坡 土坡外形复杂 土坡部分在水下时均适用 (1) 圆弧法的基本原理与步骤圆弧法是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 用圆弧法进行边坡稳定性分析时, 一般假定土为均质和各向同性 ; 滑动面通过坡脚 ; 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 圆弧法的基本步骤如下 : 1) 通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面 A B, 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, 如图 3.15 所示 图 3.15 圆弧法边坡稳定性分析计算图 2) 计算每个土条的土体重 Gi ( 包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载在内 ) Gi 可分解为垂直于小段滑动面的法向分力 N i = Gi cosαi 和平行于该面的切向分力 T i = Gi sinαi, 其中 αi 为该弧中心点的半径线与通过圆心的竖线之间的夹角, αi = xi R ( 其中 xi 为圆弧中心点距圆心竖线的水平距离, R 为圆弧半径 ) 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 = tan φ) 和粘 聚力 cl i( Li 为 i 小段弧长 ) 滑力矩 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 滑动力矩 n Ms = R i = 1 m Ti - i = 1 Ti (3 畅 11a)

67 第三章路基设计 59 抗滑力矩 n 式中 : i = 1 m i = 1 n Mr = R i = 1 Ti Oy 轴右侧的力矩 ; Ti N i f + n cl i (3 畅 11b) i = 1 Oy 轴左侧的力矩, 左侧力矩与滑动方向相反, 起到抗滑作用, 应在滑动 力矩中扣除 ; n m Oy 轴右侧的分段数和 Oy 轴左侧的分段数 5) 求稳定系数 K 值 K = Mr Ms = R R n i = 1 n i = 1 N i f + 式中 : L 滑动圆弧的总长度,m ; f 摩阻系数, f = tan φ ; c 黏聚力,kPa (2) 确定稳定系数 n i = 1 m Ti - i = 1 cl i Ti = n i = 1 n f Gi cosαi i = 1 + cl m Gi sinαi - Gi sinαi i = 1 (3.12) 由于试算的滑动面是任意选的, 故需再假定几个可能的滑动面, 按上述步骤计算对应 的稳定系数 K, 在圆心辅助线 M I 上绘出, 稳定系数 K1,K2,,K n 对应于 O1,O2,,On 的关系曲线 K = f(0), 在该曲线最低点作圆心辅助线 M I 的平行线, 与曲线 f (0) 相切的 切点为极限滑动面圆心, 对应的滑动面为极限滑动面, 相应的稳定系数为极限稳定系数, 其值应在 1.25 ~ 1.5 之间 (3) 确定圆心辅助线 为了较快地找到极限滑动面, 减少试算工作量, 根据经验, 极限滑动圆心在一条线上, 该线即是圆心辅助线 确定圆心辅助线可以采用 4.5 H 法或 36 线法 1) 4.5 H 法 [ 图 3.16(a)] 1 由坡脚 E 向下引竖线, 在竖线上截取高度 H = h + h0 ( 边坡高度及荷载换算为土柱 高度 h0 ) 得 F 点 2 自 F 点向右引水平线, 在水平线上截取 4.5 H, 得 M 点 3 连结边坡坡脚 E 和顶点 S, 求得 SE 的斜度 i0 = 1/m, 据此值查表 3.14 得 β1 和 β2 值 由 E 点作与 SE 成 β1 角的直线, 再由 S 点作与水平线成 β2 角的直线, 两线相交得 I 点 4 连结 I 和 M 两点即得圆心辅助线 2) 36 线法 [ 图 3.16(b)] 由荷载换算土柱高顶点作与水平线成 36 角的线 EF, 即得 圆心辅助线 上述两种确定圆心辅助线方法的计算结果相差不大, 均可采用 为求解简便, 一般用 36 线法 但 4.5 H 较精确, 且求出的稳定系数 K 值最小, 故常用于边坡稳定性分析重要 建筑物的稳定性 通过坡脚的极限破裂圆弧中心位置的有关角值见表 3.14 科学出版社职教技术出版中心

68 60 路基路面工程 图 3.16 确定辅助线 (a) 4.5 H 法 ; (b) 36 法 表 3.14 破裂圆弧中心位置的有关角 边坡斜度 i 0 边坡倾斜角 θ α ω β 1 β (4) 稳定系数 K 取值 一般稳定系数 [ K] = 1.25 ~ 1.50, 具体值应根据土的特性 抗剪强度指标的可靠程度 以及公路等级和地区经验综合考虑, 当计算 K 值小于容许 [ K] 值, 则应放缓边坡, 重新拟

69 第三章路基设计 61 定横截面, 再按上述方法进行边坡稳定性分析 路基稳定性分析的规范采用方法 1. 路堤稳定性分析 路堤稳定性分析包括路堤堤身的稳定性 路堤和地基的整体稳定性 路堤沿斜坡地基 或软弱层带滑动的稳定性等内容 算, 即 (1) 路堤的堤身稳定性 路堤和地基的整体稳定性 宜采用简化毕肖普法进行分析计算, 计算图示见图 3 畅 17, 稳定系数 Fs 按下式计 Fs = K i W i + Qi sinαi (3.13) 式中 : W i 第 i 土条重力 ; αi 第 i 土条底滑面的倾角 ; Qi 第 i 土条垂直方向外力 图 3.17 简化毕肖普法计算图示 K i 依土条滑弧所在位置分别按下式计算 : 1 当土条 i 滑弧位于地基中时 K i = 式中 : W d i 土条 i 地基部分的重力 ; W t i 土条 i 路堤部分的重力 ; bi 第 i 土条宽度 ; U 地基固结度 ; cd i bi + W d i tan φd i + U( W t i + Qi)tan φd i cd i φd i 第 i 土条滑弧所在地基土层的粘结力和内摩擦角 ma i 科学出版社职教技术出版中心 (3.14)

70 62 路基路面工程 2 当土条 i 滑弧位于路堤中时 K i = ct i bi + ( W t i + Qi)tan φt i 式中 : ct i φt i 土条 i 滑弧所在路堤土的粘结力和内摩擦角 ; 其余符号同前 ma i (3.15) ma i = cosαi + sinαi tan φi Fs (3.16) 式中 : φi 第土条 i 滑弧所在土层的内摩擦角 滑弧位于地基中取地基土的内摩擦角, 位于路堤中时取路堤土的内摩擦角 (2) 路堤沿斜坡地基或软弱层带滑动的稳定性可采用不平衡推力法进行分析计算, 计算图示见图 3 畅 18, 稳定系数 Fs 按下述式计算 Ei = W Q i sinαi - 1 [ ci l i + W Q i cosαi tan φi] + Ei- 1 ψi- 1 (3.17) Fs ψi- 1 = cos(αi- 1 - αi) - tan φi sin(αi- 1 - αi) (3.18) 式中 : W Q i 第 i 个土条的重力与外加竖向荷载之和 ; αi 第 i 个土条底滑面的倾角 ; ci φi 第 i 个土条底的粘结力和内摩擦角 ; li 第 i 个土条底滑面的长度 ; αi- 1 第 i - 1 个土条底滑面的倾角 ; Ei- 1 第 i - 1 个土条传递给第 i 个土条的下滑力 用式 (3.17) 和式 (3.18) 逐条计算, 直到第 n 条的剩余推力为零, 由此确定稳定系数 Fs Fs 图 3.18 不平衡推力法计算图示 (3) 稳定安全系数路堤稳定性计算分析得到的稳定系数不得小于表 3.15 所列稳定安全系数 路堤基底处理应符合规定, 当地基分布有软弱土层时, 应做好地基加固设计 当路堤稳定系数小于表 3.15 的稳定安全系数时, 应采取改善基底条件或设置支挡结构物等措施 路堤施工应注意观测路堤填筑过程中或以后的地基变形动态, 对路堤施工实行动态监控 设计应明确观测的路堤段落 观测项目 观测点的数量及位置等, 确定稳定性观测控制标准, 说明施工中应注意的事项

71 第三章路基设计 63 表 3.15 推荐的稳定安全系数 分析内容计算方法地基情况安全系数 路堤的堤身稳定性简化毕肖普法 1.35 路堤和地基的整体稳定性 简化毕肖普法 地基土渗透性较差 排水条件不好 地基土渗透性较好 排水条件良好 路堤沿斜坡地基或软弱层滑动的稳定性不平衡推力法 路堑稳定性分析路堑边坡稳定性分析宜综合采用工程地质类比法 图解分析法 极限平衡法和数值分析法进行 边坡稳定性计算方法应考虑边坡可能的破坏形式, 可按下列方法确定 : 规模较大的碎裂结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化毕肖普计算 ; 对可能产生直线形破坏的边坡宜采用平面滑动面解析法进行计算 ; 对可能产生折线形破坏的边坡宜采用不平衡推力法计算 ; 对结构复杂的岩质边坡, 可配合采用赤平投影法和实体比例投影法分析及锲形滑动面法进行计算 当边坡破坏机制复杂时, 宜结合数值分析法进行分析 边坡稳定性计算应分成以下三种工况 :1 正常工况 : 边坡处于天然状态下的工况 ; 2 非正常工况 Ⅰ : 边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况 ;3 非正常工况 Ⅱ : 边坡处于 地震等荷载作用状态下的工况 边坡稳定性验算时, 其稳定系数应满足表 3.16 规定的安全系数要求, 否则应对边坡 进行支护 表 3.16 路堑边坡安全系数 公路等级高速公路 一级公路二级及二级以下公路 注 : 表中安全系数取值应与计算方法对应 路堑边坡安全系数 正常工况 1.20 ~ 1.30 非正常工况 Ⅰ 1.10 ~ 1.20 非正常工况 Ⅱ 1.05 ~ 1.10 正常工况 1.15 ~ 1.25 非正常工况 Ⅰ 1.05 ~ 1.15 非正常工况 Ⅱ 1.02 ~ 1.05 科学出版社职教技术出版中心 根据不同的岩土性质和稳定要求应将边坡开挖成折线式或台阶式边坡 台阶式边坡中部应设置边坡平台, 边坡平台的宽度不宜小于 2m 坚硬岩石地段边坡可不设平台, 其边坡坡率可调查附近已建工程的人工边坡及自然山坡情况, 根据边坡稳定性分析综合确定 边坡防护设计应根据边坡地质和环境条件 边坡高度及公路等级, 采取工程防护与植物防护的综合措施, 稳定性差的边坡应设置综合支挡工程, 并采用分层开挖 分层稳定和

72 64 路基路面工程坡脚预加固技术 应设置完善的边坡地表和地下排水系统, 及时引排地面水和地下水 高速公路 一级公路挖方高边坡及不良地质 特殊岩土地段的挖方边坡设计应采用施工监测 信息化动态设计方法 应提出对施工方案的特殊要求和监测要求, 应掌握施工现场的地质情况 施工情况和变形 应力监测的反馈信息, 及时对原设计进行校核 修改和补充 监测的内容包括 : 对边坡不稳定的范围 移动方向和速度以及地下水 爆破振动等取得定量数据, 供设计分析 ; 对锚固系统 挡土墙等加固措施的受力 变形等进行量测, 验证其是否达到预期的作用, 如未达到则应采取补救措施 边坡工程监测项目应考虑公路等级 支挡结构特点和变形控制要求 地质条件综合选定 监测周期应根据公路等级 支挡结构特点 地质条件确定, 对于高速公路重点高边坡, 监测周期应为公路建成营运后不少于一年 浸水路堤稳定性分析 1. 渗透动水压力的作用受到季节性或长期浸水的沿河路堤 河滩路堤等均称浸水路堤 河滩路堤除承受普通路堤所承受的外力及自重力外, 还要承受浮力及渗透动水压力的作用 当河中水往上升时, 水从边坡的一侧或两侧渗入路堤内 ; 当水位降落时, 水又从堤身内向外渗出 由于在土体内渗水速度比河中水位升降速度慢, 因此, 当堤外水位升高时, 堤内水位的比降曲线 ( 浸润线 ) 成凹形 ; 当堤外水位下降时, 堤内水位比降曲线成凸形, 见图 3.19 当路堤一侧或两侧水位发生变化时, 水的渗透速度与土的性质和时间有关 因此, 当水位开始上升时, 土体内的渗透浸润曲线比边坡外面水位低, 经过一定时间后, 才达到与外面水位齐平 如填土有毛细管作用, 则土体内的浸湿曲线可继续上升至一定高度 在砂性土中, 这一高度为 0.15m 左右 ; 在黏性土中, 能达到 1.5m 或更高 水位上升时, 土体除承受竖向的向上浮力外, 还承受渗透动水压力的作用, 其作用方向指向土体内部 图 3.19 路堤内浸润曲线当水位骤然下降时 [ 图 3.20(a)], 土体内部的水流出边坡需要较长的时间, 由于水位的差异, 其渗透动水压力的方向指向土体外面, 这就剧烈破坏路堤边坡的稳定性, 并可能产生边坡凸起和滑坡现象 此外, 渗透水流还能带走路堤细小的土粒而引起路堤的变形 在高水位时, 如路堤两侧边坡上的水位不一致, 就会产生横穿路堤的渗透, 即使水位相差较小, 也需予以考虑 [ 图 3.20(b)] 因此, 凡是用黏性土填筑的浸水路堤 ( 不包括渗透性极小的纯黏土 ), 都必须进行渗透动水压力的计算

73 第三章路基设计 65 图 3.20 水位变化时路堤中的浸润曲线 (a) 水位降落时的浸润曲线 ; (b) 水位不一致时的浸润曲线 2. 渗透动水压力的计算 渗透动水压力可按下式计算, 即 D = IΩB γ0 (3.19) 式中 : D0 作用于浸润线以下土体重心的渗透动水压力,kN/m ; I 渗流水力坡降 ( 取用浸润曲线的平均坡降 ) ; ΩB 浸润曲线与滑动弧之间的面积,m 2 ; γ0 水的容重,kN/m 3 3. 浸水路堤边坡稳定性分析 浸水路堤的稳定性, 应按路堤处于最不利的情况进行边坡稳定性分析 其破坏一般 发生在最高洪水位骤然降落的时候 边坡稳定性分析的原理和方法与普通路堤边坡稳定 性的圆弧法基本相同 当路堤一侧浸水时, 只要注意浸水土条与未浸水土条的基本参数 的变化 采用圆弧法进行浸水路堤边坡稳定性分析, 其稳定系数 K 可按下式计算, 即 K = M 抵抗 M 滑动 = f c Nc + f B Tc + TB R + Dn S NB + cc Lc + cb LB R = f c Nc + f B NB + cc Lc + cb LB Tc + TB + Dn S/ R (3.20) 由于渗透动水压力一般较小, 为简化计算, 分母第三项可用 D 代替, 即 式中 : K 稳定系数, 一般取 1.25 ~ 1.50 ; K = f c Nc + f B NB + cc Lc + cb LB Tc + TB + D (3.21) f c Nc 浸润线以上部分沿滑动面的内摩擦力, f c = tan φc ; f B NB 浸润线以下部分沿滑动面的内摩擦力, f B = tan φb ; cc 浸润线以上部分沿滑动面的单位粘聚力,kPa ; cb 浸润线以下部分沿滑动面的单位粘聚力,kPa ; Lc 浸润线以上部分沿滑动面的弧长,m ; 科学出版社职教技术出版中心

74 66 路基路面工程 LB 浸润线以下部分沿滑动面的弧长,m ; Tc 浸润线以上部分沿滑动面的下滑力 ; TB 浸润线以下部分沿滑动面的下滑力 ; D 渗透动水压力 ; Dn 分段渗透动水压力 ; Sn 分段渗透动水压力作用线距圆心的垂直距离 计算水位线以下土的浸水容重 γb 可按下式 ( 考虑了水的浮力 ) 计算, 即 γb = ( Δ - Δ0 )(1 - n) γ0 = ( Δ - Δ0 ) γ0 1 + e 式中 : Δ 土的比重 ( 即固体土粒容重对水容重之比 ), Δ = γs / γ0 ; Δ0 水的比重, Δ0 = 1 ; n 土的孔隙率 ; e 土的孔隙比 ; γ0 水的容重, γ0 = 10kN/m 3 ; n = e 1 + e (3.22) 在进行边坡稳定性分析时, 对于用黏土填筑的路堤, 因其几乎不透水, 所以堤外水位 涨落对土体内部影响较小, 可以认为不产生动水压力, 其边坡稳定性分析方法与一般路堤 边坡稳定性分析方法相同 如果由于浸水路堤外河水猛涨, 使路堤左右两侧水位发生差异, 若路堤用透水性较强 的土填筑, 虽可发生横穿路堤的渗透, 但其作用力一般较小 若路堤采用不透水材料填 筑, 则不会发生横穿渗透现象, 故也可不计算 但当路堤用普通土填筑, 浸水后土体内产 生动水压力, 则需先绘出土体内的浸润曲线, 然后根据前述方法进行计算 如果是混合断面, 其边坡稳定性计算方法仍同前述, 仍可采用各土层的物理力学数据 用圆弧法进行边坡稳定性分析 软土路堤稳定性分析 软土是由天然含水量大 压缩性高 承载能力低的淤泥沉积物及少量腐植质所组成的 土, 主要有淤泥 淤泥质土及泥炭 软土按沉积环境分为下列四类, 即河海沉积 湖泊沉 积 江滩沉积和沼泽沉积 软土的抗剪强度低, 填土后受压可能产生侧向滑动, 或有较大沉降, 从而导致路基的 破坏, 一般要求采取适当的稳定措施 比较简易的方法有换土 铺筑砂石垫层 修建反压 护道等, 必要时可考虑设置砂井 石灰桩 水泥搅拌桩等加固措施 对于路基施工而言, 由 于铺筑的面积较大, 应根据需要和可能选择技术经济条件许可的最佳方案, 择优而定 1. 地基沉降计算 枟公路路基设计规范枠 (J T G D ) 规定地基沉降计算时主固结沉降 Sc 层总合法计算, 总沉降宜采用沉降系数 ms 与主固结沉降计算, 即 采用分

75 第三章路基设计 67 S = ms Sc (3.23) 沉降系数 ms 为一经验系数, 与地基条件 荷载强度 加荷速率等因素有关, 其范围值 为 1.1 ~ 1.7, 应根据现场沉降观测资料确定, 也可采用下面的经验公式估算, 即 ms = γ 0.7 (θh V H ) + Y (3.24) 式中 : θ 地基处理类型系数, 地基用塑料排水板处理时取 0.95 ~ 1.1, 用粉体搅拌桩 或 处理时取 0.85, 一般预压时取 0.90 ; H 路基高度,m ; V 填土速率修正系数, 填土速率在 0.2 ~ 0.7mm/d 之间时, 取 ; Y 地质因素修正系数, 满足软土层不排水抗剪强度小于 25kPa 软土层的厚度 大于 5m 硬壳层厚度小于 2.5m 三个条件时, Y = 0, 其他情况下可取 Y = 总沉降还可以由瞬时沉降 Sd 主固结沉降 Sc 及次固结沉降 Ss 之和计算, 即 S = Sd + Sc + Ss (3.25) 任意时刻地基的沉降量, 考虑主固结随时间的变化过程, 按下式计算, 即 St = ( ms Ut ) Sc (3.26) St = Sd + Sc Ut + Ss (3.27) 上式中地基平均固结度 Ut 采用太沙基一维固结理论解计算, 对于砂井 塑料排水板等竖 向排水体处理的地基, 固结度按巴隆给出的太沙基唱伦杜立克固结理论轴对称条件固结方 程在等应变条件下的解答来计算 软土地基路堤的稳定验算一般采用瑞典圆弧滑动法中的固结有效应力法 改进总强 度法, 有条件时也可采用简化毕肖普法 Jub 普遍条分法 验算时按施工期和营运期的荷 载分别计算稳定安全系数 施工期的荷载只考虑路堤自重, 营运期的荷载包括路堤自重 路面的增重及行车荷载 2. 地基稳定性与工后沉降控制标准 软土地基处治设计包括稳定处治设计和沉降处治设计, 当计算的稳定安全系数小于 表 3.17 规定时, 应针对稳定性进行处治设计 ; 当路面设计使用年限 ( 沥青路面 15 年 水泥 混凝土路面 30 年 ) 内的残余沉降 ( 简称工后沉降 ) 不满足表 3.18 的要求时, 应针对沉降进 行处治设计 指标 安全系数 固结有效应力法 表 3.17 稳定安全系数 改进总强度法 不考虑固结考虑固结不考虑固结考虑固结 直接快剪 静力触探 十字板剪 简化毕肖普法 Jub 法 三轴有效剪切指标 1.4 注 : 当需要考虑地震力时, 稳定安全系数减少 0.1 科学出版社职教技术出版中心

76 68 路基路面工程 表 3.18 容许工后沉降 道路等级 工程位置 桥台与路堤相邻处涵洞 通道处一般路段 高速公路 一级公路 0.10 m 0.20 m 0.30 m 二级公路 0.20 m 0.30 m 0.50 m 3.7 特殊路基设计 季节性冰冻地区路基 1. 季节性冰冻地区道路工程特点季节性冰冻地区是指地基在冬季冻结, 夏季全部融化 我国华北 东北 西北为季节性冰冻地区, 这些地区的路基在冬季冻结过程中, 当有水分供给时, 在冬季负温度作用下, 路基内由于积聚的水冻结后体积增大, 使路基隆起而造成面层开裂称为冻胀 来年春融后, 随着大气温度升高路面 路基结构由上而下开始解冻上层融化后, 由于内外温度不同形成凹形曲线, 水分难以迅速排除, 使路基上部湿度增加, 强度降低, 低于承载能力后, 经过荷载碾压, 路面产生变形破坏, 并产生龟裂病害, 在行车荷载作用下该水分变成有压水并与路基土的细颗粒搅成悬液形成泥浆, 该泥浆由路面龟裂裂缝冒出的现象称为翻浆 冻胀与翻浆是季节冻土与多年冻土地区特有的两种公路病害, 主要分布在我国北方寒冷地区和南方高寒地区以及青藏高原, 因而也是路基路面设计必须考虑的问题 2. 设计原则和防治措施 (1) 设计原则冻胀与翻浆地区的路基设计, 要实行以防为主, 防治结合的原则 路线应尽量设置在干燥地段, 当路线必须通过水文及水文地质条件不良地段时, 就要采取预防措施 防治冻胀与翻浆应根据地区与路段的特点, 按照因地制宜就地取材和路基路面综合设计的原则, 提出合理处治方案 冻胀与翻浆地区路基设计, 在一般情况下, 应先做好地面水和地下水的排水设计, 并注意路基填土高度 对于高级和次高级路面, 除按照强度进行结构层设计外, 还需按照容许冻胀要求进行复核 ; 对于低 中级路面则根据防治翻浆要求进行设计 (2) 防治的基本途径调节路基水温状况, 防止地面水, 地下水或其他水分在冻结前或冻结过程中进入路基上部 例如, 在路基中设置隔离层 隔温层, 作好路基排水, 提高路基高度等 如有水分聚积在路基上部, 则应在化冻时期将多余的水分及时排除或暂时蓄积在渗水性与水稳性良好的路面结构层中, 例如设置排水或盖水砂 ( 砾 ) 垫层等 改善土基, 加强路面 例如, 路基换土或采用加固土 ; 路面采用石灰土, 煤渣石灰土等结构层 在有些情况下, 用一种处理措施, 往往不能收到预期效果或不够经济合理时, 可采用两种或两种以上综合措施

77 第三章路基设计 多年冻土地区地基 1. 多年冻土地区道路工程特点 多年冻土是埋藏于地表以下一定深度多年不化的含冰冻土层 ( 连续超过三年不融化 者称为多年冻土 ), 是古代冰川气候的残留物, 属于一种特殊的地质现象 其平面分布分 为大片连续多年冻土 不连续岛状多年冻土及岛状融区多年冻土 ; 其垂直体系分为高山冻 土, 高纬度冻土 我国的多年冻土主要分布于青藏高原及大 小兴安岭, 天山, 阿尔泰山及 祁连山等地也有零星分布 总面积共 215 万 km, 约占国土面积的 22 % 由于地下永冻 层的存在, 使得大面积国土资源的开发利用受到很大的限制, 主要是因为地下冻土层的原 始环境受到人为干扰后, 原有的热平衡状态会发生变化, 冻土融化, 土的基本物理性质发 生很大改变, 地面出现大幅度沉降, 导致建 ( 构 ) 筑物无法正常使用 在多年冻土地区进行土木工程建设, 有一系列特殊的工程地质问题, 如冰丘 冰椎 地 下冰 热融沉陷 热融滑坍 热融湖 ( 塘 ) 等 2. 设计原则和防治措施 多年冻土地区路基设计, 根据具体情况, 分别采取保护多年冻土或破坏多年冻土的设 计原则 在饱冰冻土和含土冰层地段, 应采取保护多年冻土的原则 ; 在富冰冻土地段, 当 含水量较大, 且公路等级较高时, 宜采取保护多年冻土的原则 ; 当含水量小, 融化后不致发 生过量沉陷时, 也可按破坏多年冻土的原则设计 ; 在少冰冻土和多冰冻土地段, 容许破坏 多年冻土, 并按一般路基进行设计 多年冻土地区路基填土高度, 应满足防治翻浆和冻胀 的最小填土高度要求, 在采取保护多年冻土的路段, 应同时满足上限不下降的要求 尽量 避免挖方 零断面和高度不够的低填方, 如不能避免时要采取相应的措施 为保护多年冻 土不致融化, 除须满足路基填土高度的要求外, 还须做好路基排水工程, 并保护好路基附 近的植被 在生长塔头草地段, 应用反铺塔头草的方法, 把路基底部塔头草之间的空隙填 满, 以加强保温 对于富冰冻土 饱冰冻土及含土冰层地段, 热融滑坍地段, 冰丘 冰椎地段 冻土沼泽 地段等路基应进行个别设计 黄土地区路基 黄土是第四纪地质历史时期在干旱气候条件下的黄色粉状沉积物 在天然状态下, 具有肉眼可见的大空隙并有垂直节理 黄土的颗粒组成以粉粒为主, 可达 55 % 以上, 其 中粗粉粒 (0.05 ~ 0.01mm) 含量又大于细粉粒 (0.01 ~ 0.005mm) 的含量 天然含水量的 黄土, 如未受水浸湿, 强度一般较高, 压缩性较小 但有些黄土在覆土层的自重应力或自 重应力与附加应力共同作用下特别是黄土受水浸湿时, 土的结构迅速破坏, 其强度也迅速 降低, 并发生显著的附加下沉, 称为湿陷性黄土 有的黄土却不发生湿陷称为非湿陷性 黄土 科学出版社职教技术出版中心

78 70 路基路面工程 1. 黄土的工程特性黄土结构中存在大量孔隙 ( 大孔隙 细孔隙 毛细孔隙 ), 这些孔隙形成黄土的高孔隙度, 故又称黄土为 大孔土 新黄土中原生柱状垂直节理发育, 未发现有构造节理 老黄土中普遍发育有斜节理, 属构造节理 节理特别是构造节理, 对路基边坡稳定带起控制作用, 对黄土冲沟的发育和黄土暗穴的形成也常起控制作用 由于黄土具有大孔隙及垂直节理等特殊构造, 故其垂直方向的渗透性较水平方向大 黄土经压实后大孔构造被破坏, 其透水性也大大降低 此外, 黏粒的含量也会影响黄土的渗透性 黏粒含量较多的埋藏土及红色黄土经常成为透水不良或不透水的土层 黄土遇水膨胀, 干燥后又收缩, 由于黄土在堆积过程中, 土的自重作用使粉粒在垂直方向的粒间距离变小, 所以具有天然湿度的黄土在干燥后, 水平方向的收缩量比垂直方向的收缩大, 一般大 50 % ~ 100 %, 多次反复容易形成裂缝及剥落 原状黄土的各向异性, 由于垂直节理及大孔隙的存在, 原状黄土的强度随方向而异, 原状黄土抗剪强度的峰值和残值差值较大, 是黄土地区多崩塌性滑坡和高速滑坡的重要原因 黄土浸水后在外荷载或土自重的作用下发生的下沉现象, 称为湿陷 湿陷性黄土又可分为自重湿陷与非自重湿陷两类 自重湿陷是指土层浸水后仅仅由于土的自重发生的湿陷 ; 非自重湿陷是指土层浸水后, 由于土自重及附加压力的共同作用而发生的湿陷 2. 设计原则和防治措施黄土地区路基设计, 应查明黄土分布范围 厚度及其变化规律 ; 沿线黄土的成因类型和地层特征 ; 路线所处的地貌单元及地面水 地下水等情况 ; 各种不同地层黄土的物理 力学性质及湿陷性类型 湿陷等级 黄土塬梁地区, 路基应避开有滑坡 崩塌 陷穴群 冲沟发育 地下水出露的塬梁边缘和斜坡地段 如必须通过, 应有充分依据和切实可行的工程措施 位于冲沟沟头和陷穴附近的路基, 应分析评价其发展趋势及对路基的危害程度, 并在设计中考虑冲沟和陷穴对路基稳定性影响 位于湿陷性黄土地段的路基, 宜设在湿陷等级轻微 湿陷土层较薄 排水条件较好的地段 黄土地区路基设计应特别注意加强排水, 采取拦截 分散的处理原则, 设置防冲刷 防渗漏和有利于水土保持的综合排水设施及防护工程, 并妥善处理农田水利设施与路基的相互干扰 湿陷性黄土地基处理的目的是改善土的性质和结构, 减小土的渗水性, 压缩性, 控制其湿陷性的发生, 部分或全部消除它的湿陷性 在黄土地区修筑公路时, 应首先考虑选用非湿陷性黄土地基, 它比较经济和可靠 如确定在湿陷性黄土地基上, 应尽量利用非自重湿陷性黄土地基, 因为这种地基的处理要求比自重湿陷性地基低 盐渍土地区路基如果地表 1m 内易溶盐含量超过 0.3 % 时即属盐渍土 盐渍土常遇到的易溶盐类有

79 第三章路基设计 71 氯化钠 (NaCL) 氯化镁 ( M gcl2 ) 氯化钙 (CaCL2 ) 硫酸钠 (Na2 SO4 ) 硫酸镁 ( M gso4 ) 碳酸钠 (Na2 CO3 ) 重碳酸钠 (NaH CO3 ), 有时也可遇到不易溶解的硫酸钙 (CaSO4 ) 和很难溶解的碳酸钙 (CaCO3 ) 由于土中含有易溶盐使土的物理 力学性质发生变化, 引起许多路基病害的出现 ; 随着土中含盐性质和含盐量的不同, 盐渍土的筑路性质和路基病害的类型与严重程度也不同 盐渍土在我国的分布较广, 新疆 青海 甘肃 内蒙古 宁夏等省 ( 自治区 ) 分布较多, 陕西 辽宁 吉林 黑龙江 河北 河南 山东 江苏等省也有分布 盐渍土按含盐性质分为氯盐渍土 亚氯盐渍土 亚硫酸盐渍土 硫酸盐渍土和碳酸盐渍土五类 盐渍土的盐渍化程度, 按细粒土和粗粒土分别进行分类见表 3.19 表 3.19 盐渍土按盐渍化程度分类 盐渍土名称 细粒土土层的平均含盐量 ( 以质量百分数计 ) 氯盐渍土及 硫酸盐渍土及 亚氯盐渍土 亚硫酸盐渍土 粗粒土通过 10 m m 筛孔土的平均含盐量 ( 以质量百分数计 ) 氯盐渍土及硫酸盐渍土及亚氯盐渍土亚硫酸盐渍土 弱盐渍土 0.3 ~ < ~ < ~ < ~ < 1.5 中盐渍土 1.0 ~ < ~ < ~ < ~ < 3.0 强盐渍土 5.0 ~ ~ ~ ~ 6.0 过盐渍土 > 8.0 > 5.0 > 10.0 > 盐渍土的工程特性 盐渍土由于盐分的存在, 主要有以下病害 (1) 溶蚀 溶蚀主要是氯盐渍土, 其次是硫酸盐渍土, 受水对土中盐分溶解, 可形成雨沟 洞穴, 甚至湿陷 坍陷等路基病害 (2) 盐胀 硫酸盐渍土盐胀作用强烈 在冬季, 土基内的盐胀可使路面不平 鼓仓 开裂, 是盐渍 土地区高等级公路最突出的病害 ; 路基边坡及路肩表层, 在昼夜温度变化所引起的盐胀反 复作用下, 变得疏松多孔, 易遭风蚀, 并易陷车 (3) 冻胀 氯盐渍土, 当含盐量在一定范围内时, 由于冰点降低 水分聚流时间加长, 可加重冻 胀 但含盐量更多时, 由于冰点降低多, 路基将不冻结或减少冻结, 从而不产生冻胀或产 生轻冻胀 硫酸盐渍土对冻胀具有和氯盐渍土类似的作用, 但冰点降低不如氯盐渍土多, 因此影响不如氯盐渍土显著 碳酸盐渍土由于透水性差, 可减轻冻胀 (4) 翻浆 科学出版社职教技术出版中心 氯盐渍土, 当含盐量在一定范围内时, 不仅可加重冻胀, 也可加重翻浆, 这是因为氯盐 渍土不仅聚冰多, 而且液 塑限低, 蒸发缓慢 当含盐量更多时, 也因不冻结或减少冻结而 不翻浆或减轻翻浆 硫酸盐渍土, 在降低冰点方面, 其作用和氯盐渍土类似, 因此也可加

80 72 路基路面工程重翻浆, 但不如氯盐渍土显著 春融时结晶硫酸钠脱水可起加重翻浆的作用 碳酸盐渍土由于透水性差, 可减轻冻胀, 也可减轻翻浆 2. 设计原则和防治措施盐渍土地区的公路, 应查明沿线不同类型盐渍土的分布范围 含盐特征及地下水与地表水等情况, 根据盐渍土类型及盐渍化过程, 研究和分析可能产生的路基病害, 合理确定设计方案, 满足路基强度和稳定性要求 路基应以填方路堤通过, 其高度应结合当地气候特征 水文地质 土质盐渍化程度 地下水毛细作用高度 盐胀深度 冻胀深度以及公路等级等因素综合确定 路基处理应针对土基含盐性质 盐渍化程度 当地工程地质 水文地质 地形和筑路材料等条件, 因地制宜地采用提高路基 路基换填 设置隔断层 改善排水条件等有效措施, 保证路床处于干燥或中湿类型的稳定状态, 不受盐分 水分的影响 路基提高的高度, 应与防治措施及排水设计综合考虑 ; 排水不良的过湿地带, 路基最小高度不应小于规范规定 ; 二级以上公路路基高出地面 2m 时, 应加设宽 1 ~ 2m 的护坡道, 护坡道顶面应高出长期积水位 0.5m 以上 路基换填材料宜选用砾类土或砂 换填厚度为高速公路 一级公路不应小于 1.0m, 二 三级公路不应小于 0.8m, 并宜结合隔断层措施综合治理 隔断层设置层位应高出地面和地表长期积水位, 以隔断水分和盐分进入路基上层或路面基层 用风积沙或河沙作为路基填料或隔断层时, 应适当放缓边坡或用砾 ( 砂 ) 类土包边, 以防止边坡蚀坍 盐渍土地区路基必须设置完善的排水设施, 并结合当地农田排 灌系统综合考虑 地面排水困难 地下水位较高或公路旁有农田排 灌水渠的路段, 应在路基一侧或两侧设排 ( 截 ) 水沟, 以降低地下水位或截阻农田排灌水, 排 ( 截 ) 水沟距路基坡脚应不小于 2m, 沟深应低于地表 1.0m 以下 在排水困难 占地容许的路段, 可设置蒸发池 当原有路基填料换填受到限制时, 可在原填料中掺入加固剂处治 加固剂的类型 成分和掺入剂量可根据填料土质通过试验确定 膨胀土地区路基膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀 失水后显著收缩特性的高液限黏土 膨胀土在我国的分布范围很广, 如广西 云南 河南 湖北 四川 陕西 河北 安徽 江苏等地均有不同范围的分布 1. 膨胀土的工程特性膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石, 是一种高塑性黏土, 一般承载力较高, 具有吸水膨胀 失水收缩和反复胀缩变形 浸水承载力衰减 干缩裂隙发育等特性, 性质极不稳定, 常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形, 造成位移 开裂 倾斜甚至破坏, 且往往成群出现, 危害性很大

81 第三章路基设计 设计原则和防治措施 膨胀土地区路基设计, 应查明膨胀土分布范围 成因类型 土体的结构层次 地下水分 布及埋藏条件和膨胀土的矿物成分 物理 力学性质及膨胀特性等资料 路基设计应综合考虑膨胀土类型 土体结构与工程特性 环境地质条件与风化深度等 因素, 保证路基稳定, 满足路用要求 路基设计应避免大填 大挖, 以浅路堑 低路堤通过为宜 当路基填挖大 工程艰巨及 稳定性差时, 应与桥隧方案比选确定 路基通过时, 必须有保证路基稳定的措施 公路通过膨胀土地段时, 路基设计应以防水 保湿 防风化为主, 结合坡面防护, 降低 边坡高度, 连续施工 及时封闭路床和坡面 边坡防护加固在可能发生浅层破坏时, 宜采取半封闭的相对保湿防渗措施 ; 在可能发 生深层破坏时, 应先解决整体边坡的长期稳定, 并采取防止浅层破坏的措施 ; 支挡结构基 础埋深应大于气候影响层深度, 反滤层应适当加厚 复习思考题与习题 3 畅 1 一般路基设计的主要内容有哪些? 3 畅 2 路基横断面形式有哪几种? 各有什么要求? 3 畅 3 何为压实度? 高速公路和一级公路的压实标准是什么? 3 畅 4 边坡稳定性分析中土的计算参数有哪三个? 路堑和路堤分别如何确定? 3 畅 5 路基稳定性分析的规范方法是什么? 如何计算? 3 畅 6 黄土的工程性质和设计防治措施是什么? 科学出版社职教技术出版中心

82 第四章路基排水设计 学习要点本章主要阐述路基工程的地面排水和地下排水的构造和要求, 介绍路基 排水设计的原则和排水系统综合设计方法, 并简要分析明渠和渗沟的水力水文计算 4.1 路基排水要求及设计一般原则 路基排水的目的与要求路基路面的强度与稳定性同水的关系十分密切 路基路面的病害很多, 形成的原因也很多, 但水是主要的因素之一, 因此路基路面设计 施工 养护中都十分重视路基路面排水工程 根据水源的不同, 影响路基路面的水源可分为地面水和地下水, 与此相应的排水工程为地面排水设施和地下排水设施 地面水包括大气降水 ( 雨和雪 ) 江河湖海里的水及水库水 地面水对路基产生冲刷和渗透, 冲刷可导致路基整体稳定性受损坏, 渗透使土体过湿降低路基强度 地下水包括上层滞水 潜水及层间水等, 它们对路基的损坏轻者使路基湿软 降低强度, 重者引起冻胀 翻浆 边坡滑坍 路基整体滑动 路基排水设计的目的是拦截路基上方的地面水和地下水, 迅速汇集路基基身内的地面水, 把它们导入排水管道, 并通过桥涵等将其排泄到路基下方 对于路基下方, 则应采取措施妥善处理路基上方排泄下来的水流或路基下方水道里的水流, 防止冲刷路基坡脚 路基排水的任务就是把路基范围内的土基湿度降低到一定范围, 保持路基常年处于干燥状态, 确保路基路面具有一定的强度与稳定性 路基设计时, 必须考虑将影响路基路面稳定性的地面水, 排除和拦截于路基用地范围以外, 并防止地面水漫流 滞积或下渗 对影响路基稳定性的地下水, 则应予以隔断 疏干和降低, 并引导到路基范围以外的适当地点 路基施工时首先应校核全线范围内的排水系统设计是否完备合理, 必要时予以补充, 应重视排水工程的质量和使用效果 此外, 应根据实际情况与需要, 设置施工现场的临时性排水措施, 以保证路基土石方及附属结构物在正常条件下进行施工作业, 消除路基基底和土体内与水有关的隐患, 保证路基工程质量, 提高施工效率 路基养护中应对排水设施定期检查与维修, 保证排水设施正常使用, 水流畅通, 并据具体情况不断改善路基路面的排水条件 路基排水设计的一般原则 1) 排水设计要因地制宜 全面规划 因势利导 综合治理 讲究实效 注意经济, 并充分利用有利地形和自然水系 一般情况下, 地面和地下设置的排水沟渠, 宜短不宜长, 以

83 第四章路基排水设计 75 使水流不过于汇集, 做到及时疏散, 就近分流 2) 各种路基排水沟渠的设置, 应注意与农田水利相配合, 必要时可适当增设涵管孔 径, 以防农业用水影响路基稳定, 并做到路基排水有利于农田排灌 路基边沟一般不应用 作农田灌溉渠道, 两者必须合并使用时, 边沟的断面应加大, 并予以加固, 以防止水流危害 路基 3) 设计前必须进行调查研究, 查明水源与土质条件, 重点路段要进行排水系统的全 面规划, 考虑路基排水与桥涵布置相配合, 地下排水与地面排水相配合, 各种排水沟渠的 平面布置与竖向布置相配合, 做到综合治理和分期修建 对于排水困难和地质不良的地 段, 还应与路基防护加固相配合, 并进行特殊设计 4) 路基排水要注意防止附近山坡的水土流失, 尽量不破坏天然水系, 不轻易合并自 然沟渠和改变水流性质, 尽量选择有利地质条件布设人工沟渠, 减少排水沟渠的防护与加 固工程 对于重点路段的主要排水设施以及土质松软和纵坡较陡地段的排水沟渠, 应注 意必要的防护和加固 5) 路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况, 注意就地取材, 以防为主, 既要稳固适用, 又必须讲究经济效益 可以考虑先重点后一般, 先地下后地面, 采取分期 修建和逐步完善的步骤, 但要注意不应遗留后患而导致短期内路基 路面的严重破坏, 从 而影响交通和造成经济等方面的损失 4.2 路基地表排水设施 常用的路基地表排水设施包括边沟 截水沟 排水沟 跌水与急流槽等 路基地表排 水设施的概流量计算, 对高速公路 一级公路应采用 15 年, 其他等级公路应采用 10 年的 重现期内任意 30min 的最大降雨强度 各类地表水沟沟顶应高出设计水位 0.2m 以上 地表排水设施 1. 边沟 设置在挖方路段的路肩外侧或低路堤的坡脚外侧, 多与路中线平行, 用于汇集和排除 路基范围内和流向路基的少量地面水 平坦地面填方路段的路旁取土坑, 常与路基排水 设计综合考虑, 使之起到边沟的排水作用 边沟的排水量不大, 一般不需要进行水文水力计算, 根据沿线条件, 选用标准横断面 形式 边沟紧靠路基, 通常不容许其他排水沟渠的水流引入, 亦不能与其他人工沟渠合并 使用 边沟不宜过长, 尽量使沟内水流就近排至路旁边自然水沟或低洼地带, 必要时设置涵 洞, 将边沟水横穿路基从另一侧排出 边沟沟底的纵坡 ( 出水口附近除外 ) 宜与路线纵坡一致 平坡路段, 边沟宜保持不小 于 0.3 % 的纵坡 困难情况下, 可减少至 0.1 % 在边沟出水口附近以及排水困难路段, 如回头曲线和路基超高较大的平曲线等处, 边沟应进行特殊设计 科学出版社职教技术出版中心

84 76 路基路面工程边沟的横断面形式有梯形 矩形 三角形及流线形等, 如图 4.1 所示 边沟横断面一般采用梯形, 梯形边沟内侧边坡为 ~ 1 1.5, 外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同 石方路段的边坡宜采用矩形横断面, 其内侧边坡直立, 坡面应采用浆砌片石防护, 外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同 少雨浅挖地段的土质边沟可采用三角形横断面, 其内侧边坡宜采用 1 2 ~ 1 3, 外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同 三角形边坡的水流条件较差, 流量较大时沟深宜适当加大 图 4.1 边沟的横断面形式图 (a) 对称梯形 ; (b) 不对称梯形 ; (c) 三角形 ; (d) 碟形 ( 路堑 ) ; (e) 碟形 ( 路堤 ) ; (f) 直立形梯形边沟的底宽与高度约为 0.4 ~ 0.6m, 水流少的地区或路段, 取低限或更小, 但不宜小于 0.3m 降水量集中或地势偏低的路段, 取高限或更大一些 流线形边沟, 是将路堤横断面的边角整修圆滑, 可以防止路基旁侧积沙或堆雪, 适用于沙漠或积雪地区的路基 边沟可采用浆砌片石, 栽砌卵石和水泥混凝土预制块防护 砌筑用的砂浆强度, 对于高速公路 一级公路采用 M7.5, 其他等级公路采用 M5 边沟出水口附近, 水流冲刷比较严重, 必须慎用布置和采取相应措施 由于边沟泄出水流流向路堤坡脚处, 两者高差大, 必须因地制宜, 根据地形与地质等具体条件, 将出水口延伸至坡脚以外, 以免边沟水冲刷填方坡脚 边沟水流流向桥涵进水口时, 为避免边沟流水产生冲刷, 应作适当处治, 此外还应根据地形等条件, 在桥涵进口前或在其他水流落差较大处, 设置急流槽与跌水等结构物, 将水流引入桥涵或其他指定地点 当边沟水流流至回头曲线处, 一般边沟水较满, 且流速较大, 此时宜顺着边沟方向沿山坡设置引水沟, 将水引至路基范围以外的自然沟中, 或设急流槽或涵洞等结构物, 将水引下山坡或路基另一侧, 以免对回头曲线路段冲刷 2. 截水沟截水沟又称天沟, 一般设置在挖方路基边坡坡顶以外, 或山坡路基上方的适当地点, 用以拦截并排除路基上方流向路基的地面径流, 减轻边沟的水流负担, 保证挖方边坡和填方坡脚不受流水冲刷 ( 见图 4.2) 降水量较少或坡面坚硬和边坡较低以至冲刷影响不大

85 第四章路基排水设计 77 的路段, 可以不设截水沟 ; 反之, 如果降水量较多, 且暴雨频率较高, 山坡覆盖层比较松软, 坡面较高, 水土流失比较严重的地段, 必要时可设置两道或多道截水沟 图 4.2(a) 中距离 d, 一般应大于 5m, 地质不良地段可取 10m 或更大 截水沟下方一侧, 可堆置挖沟的土方, 要求做成顶部向沟倾斜 2 % 的土台 图 4.2 截水沟示意图 (a) 挖方路段截水沟 ; (b) 填方路段截水沟 1 畅截水沟 ; 2 畅土台 ; 3 畅边沟 山坡填方路段可能遭到上方水流的破坏作用, 此时必须设截水沟, 以拦截山坡水流保 护路堤 如图 4.2(b) 所示, 截水沟与坡脚之间, 要有不小于 2.0m 的间距, 并做成 2 % 的 向沟倾斜横坡, 确保路堤不受水害 截水沟的横断面形式, 一般为梯形, 沟的边坡坡度因岩土条件而定, 一般采用 ~ 沟底宽度 b 不小于 0.5m, 沟深 h 按设计流量而定, 亦不应小于 0.5m 截水沟的位置, 应尽量与绝大多数地面水流方向垂直, 以提高截水效能和缩短沟的长 度 截水沟应保证水流畅通, 就近引入自然沟内排出, 必要时配以急流槽或涵洞等泄水结 构物将水流引入指定地点 截水沟水流不应引入边沟, 当必须引入时, 应增大边沟横断 面, 并进行防护 沟底应具有 0.3 % 以上的纵坡, 沟底和沟壁要求平整密实, 不滞流 不渗 水, 必要时予以加固和铺砌 截水沟的长度以 200 ~ 500m 为宜 3. 排水沟 排水沟的主要用途在于引水, 将路基范围内各种水源的水流 ( 如边沟 截水沟 取土 坑 边坡和路基附近积水 ), 引至桥涵或路基范围以外的指定地点 排水沟的横断面一般采用梯形, 尺寸大小应经过水力水文计算选定 用于边沟 截水 沟及取土坑出水口的排水沟, 横断面尺寸根据设计流量确定, 底宽与深度不宜小于 0.5m, 土沟的边坡坡度为 ~ 排水沟的位置可根据需要并结合当地地形等因素而定, 离路基应尽可能远些, 距路基 坡脚不宜小于 2m, 平面上应力求直捷, 需要转弯时亦应尽量圆顺, 做成弧形, 其半径不宜 小于 10 ~ 20m, 连续长度宜短, 一般不超过 500m 排水沟水流注入其他沟渠或水道时, 应使原水道不产生冲刷或淤积 通常应使排水 沟与原水道两者成锐角相交, 即交角不大于 45, 有条件可用半径 R = 10 b( b 为沟顶宽 ) 的 圆曲线朝下游与其他水道相接, 如图 4.3 所示 科学出版社职教技术出版中心 排水沟还应具有合适的纵坡, 以保证水流畅通, 不致流速太大而产生冲刷, 亦不可流

86 78 路基路面工程 图 4.3 排水沟与水道衔接示意图 速太小而形成淤积, 为此宜通过水文水力计算择优选定 一般情况下, 可取 0.5 % ~ 1 畅 0 %, 不小于 0.3 %, 亦不宜大于 3 % 若纵坡大于 3 %, 应采取相应的加固措施 4. 跌水 急流槽跌水与急流槽是路基地面排水沟渠的特殊形式, 用于纵坡大于 10 %, 水头高差大于 1m 的陡坡地段 由于纵坡陡 水流速度快 冲刷力大, 要求跌水与急流槽的结构必须稳固耐久, 通常应采用浆砌块石或水泥混凝土预制块砌筑, 并具有相应的防护加固措施 1 畅排水沟 ; 2 畅其他沟渠 ; 3 畅路基中线 ; 4 畅桥涵 跌水的构造, 有单级和多级之分, 沟底有 等宽和变宽之别 单级跌水适用于排水沟渠 连接处, 由于水位落差较大, 需要消能或改变水流方向 图 4.4 表示路基边沟水流通过涵 洞排泄时, 采用单级跌水的示例之一 较长陡坡地段的沟渠, 为减缓水流速度, 并予以消 能, 可采用多级跌水, 图 4.5 即为示例之一 图 4 畅 4 边沟与涵洞单级跌水连接图 1 畅边沟 ; 2 畅路基 ; 3 畅跌水井 ; 4 畅涵洞 图 4 畅 5 多级跌水纵剖面图 ( 单位 :m) 1 畅沟顶线 ; 2 畅沟底线 按照水力计算特点, 跌水的基本构造可分为进水口 消力池和出水口三部分, 如图 4 畅 6 所示 各个组成部分的尺寸, 由水力计算而定 跌水两端的土质沟渠, 应注意加固, 保持水流畅通, 不致产生水流冲刷或淤积, 以充分发挥跌水的排水效能 急流槽的纵坡, 比跌水的平均纵坡更陡, 结图 4 畅 6 跌水构造示意图构的坚固稳定性要求更高, 是山区公路回头曲 1 畅护墙 ; 2 畅消力槛线沟通上下线路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施 急流槽主体部分的纵坡依地形而定, 一般可达 67 % (1 1.5), 如果地质条件良好, 需要时还可更陡, 但结构要求更严, 造价亦相应提高, 设计时应通过比较而定

87 第四章路基排水设计 79 急流槽多用砌石 ( 抹面 ) 和水泥混凝土结构, 亦可利用岩石坡面挖槽 如临时急需时, 可就近取材, 采用竹木结构 急流槽的构造, 如图 4.7 所示, 由进口 主槽 ( 槽身 ) 和出口三 部分组成 5. 蒸发池 图 4 畅 7 急流槽构造示意图 ( 单位 :m) 1 畅耳墙 ; 2 畅消力池 ; 3 畅混凝土槽底 ; 4 畅钢筋混凝土槽底 ; 5 畅横向沟渠 ; 6 畅砌石护底 气候干旱 排水困难地段, 可利用沿线的集中取土坑或专门设置蒸发池排除地表水 蒸发池与路基边沟 ( 或排水沟 ) 间应设排水沟连接 蒸发池边缘与路基边沟距离不应 小于 5m, 面积较大的蒸发池该距离不得小于 20m 池中水位应低于排水沟的沟底 蒸发池的容量应以一个月内路基汇流入池中的雨水能及时完成渗透与蒸发作为设计 依据 每个蒸发池的容水量不宜超过 200 ~ 300m 3, 蓄水深度不应大于 1.5 ~ 2.0m 蒸发池的设置不应使附近地面形成盐渍化或沼泽化 6. 油水分离池 如路基排水沟出口位于水质特别敏感区, 且所排污水水质不满足规定要求时, 可设置 油水分离池 油水分离池宜采用沉淀法处理, 污水进入油水分离池前, 应先通过格栅和沉 沙池 油水分离池的大小应根据所在路段排水沟汇入水量确定, 并保证流入分离池的油 水能有足够的时间分离或过滤净化 7. 排水泵站 路基汇水无法自流排出时, 可设置排水泵站 排水泵站包括集水池和泵房 集水池 的容积应根据汇水量 水泵能力和水泵工作情况等因素确定 水泵抽出的水, 应排至路界 之外 明渠的水文水力计算 1. 设计流量 流量是路基排水设计的基本依据, 其大小与汇水面积和洪水频率 汇水区域内的地 形 地貌及地表植被等因素有关 路基排水的设计流量, 常可采用下面的简化公式 科学出版社职教技术出版中心

88 80 路基路面工程 Q = ψqf (4.1) 式中 : Q 设计流量,m 3 /s ; q 设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度,mm/min ; ψ 径流系数, 见表 4.1 ; F 汇水面积,km 2 表 4.1 径流系数 ( ψ) 地表种类 径流系数 ( ψ) 地表种类 径流系数 ( ψ) 沥青混凝土路面 0.95 陡峭的山地 0.75 ~ 0.90 水泥混凝土路面 0.95 起伏的山地 0.60 ~ 0.80 透水性沥青路面 0.60 ~ 0.80 起伏的草地 0.40 ~ 0.65 粒料路面 0.40 ~ 0.60 平坦的耕地 0.45 ~ 0.60 粗粒土坡面和路肩 0.10 ~ 0.30 落叶林地 0.35 ~ 0.60 细粒土坡面和路肩 0.40 ~ 0.65 针叶林地 0.25 ~ 0.50 硬质岩石坡面 0.70 ~ 0.85 水田 水面 0.70 ~ 0.80 软质岩石坡面 0.50 ~ 水力计算 (1) 基本计算公式 对于形状规则, 纵坡缓和, 而且两者均无急剧变化的排水沟渠, 流量和流速可按如下 公式计算, 即 v = C Ri (4.2) Q = ω v = ω C Ri (4.3) 式中 : v 水流通过横断面的流速,m/s ; Q 水流通过横断面的流量,m 3 /s ; ω 水流经过横断面的面积,m 2 ; R 水力半径,m ; i 水力坡降, 在等速流的情况下, 可以认为水力坡降与沟底纵坡相等 ; C 流速系数, 通过试验按规定公式计算 (2) 流速系数 流速系数 C 对于路基排水而言, 我国普遍采用下列公式计算, 即 C = 1 n R y (4.4) 式中 : n 沟渠表面的粗糙系数, 与沟渠表层材料有关 ; R 水力半径,m ; y 与 R 及 n 有关的指数, 三者关系如下 y = 2.5 n R( n ) (4.5)

89 第四章路基排水设计 81 (3) 容许的最小与最大流速为了使沟渠不致产生泥沙淤积, 设计时应保证沟渠内的水流具有一定流速 沟渠的容许最小流速 vmin (m/s), 同水中所含的泥沙粒径有关, 一般可按如下经验公式计算, 即 vmin = αr 1 2 (4.6) 式中 : α 与水中含土粒径有关的系数, 见表 4.2 ; R 水力半径,m 表 4.2 α 系数表 水中含土类 α 值 水中含土类 α 值 粗砂 0.65 ~ 0.77 细砂 0.41 ~ 0.45 中砂 0.58 ~ 0.64 极细砂 0.31 ~ 0.41 为使沟渠不致冲刷成害, 应限制设计流速 容许最大设计流速, 见表 4.3 的实验数值 表中建议值, 适用于水流深度 h = 0.4 ~ 1.0m, 否则应乘以下列修正系数 :h < 0.4m 时, 系数为 0.85 ;h > 1.0m, 系数为 1.25 ;h 2.0m, 系数 1.40 表 4.3 容许流速表 沟渠类型 容许最大设计流速 v max/( m/s) 沟渠类型 容许最大设计流速 v max/( m/s) 粗砂及粉土质砂 0.8 草皮护面 1.6 黏土质砂 1.0 干砌片石 2.0 高液限黏土 1.2 浆砌片石 3.0 石灰岩及砂岩 4.0 混凝土 4.0 (4) 常用沟渠横断面的水力三要素 1) 水流横断面面积 ω = bh + mh 2 (4.7) 式中 : m 沟渠边坡坡率, 矩形 m = 0 ; 对称梯形 m = m1 = m2 ; 不对称梯形 m = 0.5( m1 + m2 ) 2) 湿周, 指流水对沟底与两侧接触长度, 即 图 4.8 梯形沟渠横断面示意图 χ = b + Kh (4.8) 式中 :K 横断面系数 ( 因边坡率而变 ) : 对于矩形 ( m = 0),K = 2 ; 对于对称梯形, K = 3) 水力半径 m 2 ; 对于不对称梯形,K = 1 + m m 2 2 科学出版社职教技术出版中心 R = ω χ (4.9) (5) 最佳水力横断面的水力要素 最佳水力横断面, 又称经济横断面, 指在既定设计流量的条件下, 与容许最大流量相 对应的水流最小横断面面积 分析上述公式不难得知, 在固定条件下 ( 即 Q v C 与 m 等

90 82 路基路面工程 参数不变 ), 如果使设计的沟渠横断面具有最小的湿周, 则可达到此目的 式 (4.7) 移项代 入式 (4.8) 得 χ = 式 (4.10) ω h + Ah, 式中 A = (2 1 + m 2 d - m) 欲使湿周最小, 取 χ d h = 0, 可得 1) 湿周最小时水流深度 h 与水流横断面面积 ω 的关系, 即 h = 2) 水深 h 与底宽 b 的最佳比例关系, 即 3) 最佳横断面时, 湿周 χ 0 与面积 ω 的关系, 即 ω A (4.10) b = 2( 1 + m 2 - m) h (4.11) χ 0 = 2 ωa = 2 ω( K - m) = 2 ω(2 1 + m 2 - m) 1 2 (4.12) 4) 最佳横断面时水力半径 R0, 即 5) 最佳横断面时的流速 v0, 即 式中 : B = i0.5 h v0 = i0.5 h 1 2 K - m R0 = K - m y ) 最佳水流横断面面积 ω0, 即 ω0 = y Q B ω A = 1 h (4.13) 2 ω 0.5 y = Bω 0.5 y (4.14) y (4.15) 4.3 地下排水设施 地下排水设施常用的路基地下排水设备有暗沟 渗沟 渗井等 其特点是排水量不大, 主要以渗流的方式汇集水源, 并就近排出路基范围以外 对于流量较大的地下水应设专门的地下管道予以排除 由于地下水排水设备埋置地面以下, 不易维修, 在路基建成后又难以查明失效情况, 因此要求地下排水设备牢固有效 下面分别介绍常用的几种地下排水构造物 1. 暗沟暗沟又称盲沟, 用于排出泉水或地下集中水流 从暗沟的构造特点出发, 由于沟内分层填以大小不同的颗粒材料, 利用渗水材料的透水性将地下水汇集于沟内, 并沿沟排泄至指定地点, 此种构造相对于管道流水而言, 习惯上称之为盲沟, 在水力特性上属于紊流 图 4.9 为一侧边沟下面所设的暗沟, 用以拦截流向路基的层间水, 防止路基边坡滑坍和毛细水上升危及路基的强度与稳定性

91 第四章路基排水设计 83 图 4.10 为路基两侧边沟下面均设暗沟, 用以降低地下水位, 防止毛细水上升至路基 工作区范围内, 形成水分积聚而造成冻胀和翻浆, 或土基过湿而降低强度等 图 4 畅 9 一侧边沟下设盲沟 1 畅盲沟 ; 2 畅层间水 ; 3 畅毛细水 ; 4 畅路堤 图 4 畅 10 两侧设盲沟 1 畅盲沟 ; 2 畅原地下水位 ; 3 畅降低后地下水位 图 4.11 是设在路基挖方与填方交界处的横向暗沟, 用以拦截和排除路堑下面层间水或小股泉水, 保持路堤填土不受水害 以上所述的暗沟, 沟槽内全部填满颗粒材料, 可以理解为简易盲沟, 其构造比较简单, 横断面成矩形, 亦可做成上宽下窄的梯形, 沟壁倾斜度约 1 0.2, 底宽 b 与深度 h 大致为 1 3, 深约 1.0 ~ 1.5m, 底宽约 0.3 ~ 0.5m 暗沟的底部中间填以粒径较大 (3 ~ 5cm) 的碎石, 其空隙较大, 水可在空隙中流动 粗料碎石两侧和上 图 4 畅 11 挖填交界处设横向盲沟 1 畅盲沟 ; 2 畅边沟 ; 3 畅路堑 ; 4 畅路堤 部, 按一定比例分层 ( 层厚约 10cm) 填以较细粒径的粒料, 逐层粒径比例大致按 6 倍递减 盲沟顶部和底面, 一般设有厚 30cm 以上的不透水层, 或顶部设有双层反铺草皮 暗沟沟底的纵坡不宜小于 1 %, 条件困难时亦不得小于 0.5 %, 出水口处应加大纵坡 并应高出地表排水沟常水位 0.2m 以上 寒冷地区的暗沟, 应作防冻保温处理或将暗沟 设在冻结深度以下 2. 渗沟 采用渗透方式将地下水汇集于沟内, 并通过沟底通道将水排至指定地点, 此种地下排 水设备统称为渗沟, 它的作用是降低地下水位或拦截地下水, 其水力特性是紊流, 但在构 造上与上述简易盲沟有所不同 渗沟有三种结构形式, 见图 4.12 科学出版社职教技术出版中心 盲沟式渗沟与上述简易盲沟相似, 但构造更为完善 当地下水流量较大 要求埋置更 深时, 可在沟底设洞或管, 前者称为渗洞, 后者称为渗水隧洞 渗沟的位置与作用, 视地下排水的需要而定, 大致与图 4.9 ~ 图 4.11 所示的简易盲沟相仿, 但沟的尺寸更大, 埋置更深, 而且要进行水力计算确定尺寸 渗沟底部设洞或管, 底部结构相当于顶部可以渗水的涵洞 图 4.13 是洞式渗沟结构图例之一, 其洞宽 b 约 20cm, 高 20 ~ 30cm ; 盖板用条石或混凝土预制板 ; 板长约为 2 b, 板

92 84 路基路面工程 图 4 畅 12 盲沟结构图式 ( 单位 :cm) (a) 盲沟式 ; (b) 洞式 ; (c) 管式 1 畅黏土夯实 ; 2 畅双层反铺草皮 ; 3 畅粗砂 ; 4 畅石屑 ; 5 畅碎石 ; 6 畅浆砌片石沟洞 ; 7 畅预制混凝土管厚 P 不小于 15cm, 并预留渗水孔, 以便渗入沟内的水汇集于洞内排出 洞身要求埋入不透水层内, 洞底设置不小于 0.5 % 的纵坡, 使集水通畅排出 当排除地下水的流量更大, 或排水距离较长, 可考虑采用管式渗沟 渗沟底部埋设的管道, 一般为陶土或混凝土的预制管, 管壁上半部留有渗水孔, 渗水孔交错排列, 设于边沟下的管或渗沟, 如图 4.14 所示 图 4 畅 13 洞式渗沟图 1 畅浆砌块石 ; 2 畅盖板 ; 3 畅碎砾石 ; 4 畅砂 ; 5 畅双层反铺草皮或土工布 ; 6 畅基础 图 4 畅 14 管式渗沟 1 畅排水管 ; 2 畅土工布 ; 3 畅碎石或砾石 3. 渗井当地下存在多层含水层, 其中影响路基的上部含水层较薄, 排水量不大, 且平式渗沟难以布置, 采用立式 ( 竖向 ) 排水, 设置渗井, 穿过不透水层, 将路基范围内的上层地下水, 引入更深的含水层中去, 以降低上层的地下水位或全部予以排除 ( 见图 4.15) 渗井的平面布置, 以及孔径与渗水量, 按水力计算而定, 一般为直径 1.0 ~ 1.5m 的圆柱形, 亦可是边长为 1.0 ~ 1.5m 的方形 井深视地层构造情况而定, 井内由中心向四周按层次分别填入由粗而细的砂石材料, 粗料渗水, 细料反滤

93 第四章路基排水设计 85 鉴于渗井施工不易, 单位渗水面积的造价高于渗 沟, 一般尽量少用 有时, 因土基含水量较大, 严重影 响路基路面的强度, 其他地下排水设备不易布置, 其 他技术措施如隔离层的造价较高, 此时渗井可作为方 式之一, 设计时应进行分析比较, 有条件地选用 4. 检查 疏通井 深而长的暗沟 渗沟及渗水隧洞, 在直线段每隔一定距离及平面转弯 纵坡变坡点等处, 宜设置检查 疏通井 检查井内应设检查梯, 井口应设井盖, 兼起渗井作用的检查井的井壁应设置反滤层 图 4 畅 15 渗井 5. 仰斜式排水孔 仰斜式排水孔是采用小直径的排水管在边坡体内排除深层地下水的一种有效方法, 它可以快速疏干地下水, 提高岩土体抗剪强度, 防止边坡失稳, 并减少对岩 ( 土 ) 体的开挖, 加快工程进度和降低造价, 因而在国内外山区公路中得到广泛应用 仰斜式排水孔钻孔直径一般为 75 ~ 150mm, 其仰角不宜小于 6, 长度应伸至地下水 富集部位或潜在滑动面, 并宜根据变坡渗水情况成群分布, 排出的水宜引入路堑边沟排 除 孔内透水管直径一般为 50 ~ 100mm, 透水管应外包 1 ~ 2 层渗水土工布, 防止泥土将 渗水孔堵塞, 管体四周宜用透水土工布作为反滤层 暗沟的水力水文计算 地下水流量计算时, 条件较为复杂, 如地下水的储量有无限和有限之分 ; 水力性质则 有无压和有压之分 ; 渗沟的埋置情况有完整式和不完整式之分 ; 沟内水流特性又有层流和 紊流之分 上述不同条件, 计算的方法相应有所差异 就路基地下排水的渗沟而言, 一般 可认为地下储水层是无限和无压, 并假定土质均匀, 含有细小孔隙, 多半属于完整式, 按层 流渗透规律, 在此前提下建立有关水力水文的计算方法 1. 地下水流量及降落曲线方程 (1) 渗流的流量与流速 按静水力学的基本原理, 流过土中的水量 W, 同水力坡降 I 水流断面面积 ω 及时间 t 三者成正比, 即 移项则得 vφ W = K( ωi t) (4.16) = W w t 科学出版社职教技术出版中心 = KI (4.17) 式中 : vφ 渗流速度 (m 3 /s m 2 = m/s), 表示单位时间内通过单位面积的渗流水量 ; K 渗流系数 (m/s), 表示单位时间内在一定土质中通过单位面积的渗透距离,

94 86 路基路面工程 其值与土质有关, 可视为常数 因此, 按层流渗透定律, 水在土中的渗透速度 vφ, 与坡降 I 成正比, 其比例常数为 K 单位时间内流过水流断面面积地下水的流量为流速与水流断面面积的乘积, 即 Q = vφ ω = ωk I (4.18) (2) 完整式渗沟 图 4.16 表示, 对于单位长度矩形渗沟, 单侧渗水时, 水流降落曲线上任意点的参数, ω= 狔, 犐 = 犱狔 / 犱狓代入式 (4.18), 得 yd y = q K d x 图 4 畅 16 完整式渗沟水文计算图 当 x = l,y = H 时, 流量为最大, 所以 式中 : l 水力影响长度,m ; 积分则得 q = K( H2 - h 2 0 ) 2 l y 2 = 2 q K x + C 式中 q 为单位长度单侧的流量,C 为积分常数 由 图 4.16 可知, 当 x = 0 时,y = h0 其降落曲线方程 I0 平均水力坡降, 近似取 I0 = H + l0 l H 地下水位与不含水层的高差,m ; h0 降落曲线末端与不含水层的间距,m = 2,C = h0, 由此得知 y 2 = h q x (4.19) K K( H - h0 ) I0 (4.20) 2 由于 h0 较小, 其平方值与 H 2 相比, 计算时亦可不计, 式 (4.20) 可简化为 q = K H 2 2 l 若渗沟总长为 L, 则双侧渗水的总流量计算式为 (3) 含水层无限的不完整式渗沟 ; Q = K L( H + L0 ) I0 (4.21) 图 4.17 中, 设渗流等压面为圆柱形, 单侧渗流断面的张角 θ = 90 + α, 则单位长度渗 沟的流量关系为 积分 y d y = 0 q = ω vφ = ωk I = K x θ d y/d x q K θ x r 0 d x/ x, 得 y = q K θ ln x r0 流量最大时,x = R + r0,y = H, 由式 (4 畅 22) 得 (4.22)

95 第四章路基排水设计 87 H = q K θ ln R r 与 R/ r0 相比, 数值小可略去, 而当 α 很小 时,sinα tanα = H R = I0, 再引入修正系数 ε, 双侧全长渗沟的总流量表示如下 Q = 2 H KθLε H ln I0 r0 (4.23) 式中 : θ 水力坡降曲线的张角 ( 以弧度计 ) ; ε 修正系数 ( 为 0.7 ~ 0.8) ; 其余同上 (4) 含水层有限不完整式渗沟图 4 畅 17 含水层无限不完整式渗沟水文计算图图 4.18 中, 设单侧渗沟的张角成两个扇形 (θ = α + β), 图中阴影部位的含水, 不进入渗沟, 当 α 与 β 很小时 sinα tanα = H R = I0 图 4 畅 18 含水层有限不完整式渗沟水文计算图 sinβ tanβ = θ = α + β = 代入式 (4.23), 则 (5) 渗井 曲线任一点 y 的值, 随 x 值成反比变化 取 I = d y/ d x, 喇叭口形的流水断面面积 ω = 2π x y, 所以 分项积分 Q = ωk I = 2π K x yd y/d x 大 小 Q d x x 小 = 2π Kyd y 大 式左由小至大定积分, 式右由大至小不定积分, 则 Qln x = - π Ky 2 + C 当 x = r0,y = h0, 得积分常数为 T R + r0 = H + T H T H I0 I0 Q = 2 LI0 K( H + T)ε H ln I0 r0 (4.24) 图 4.19 表示埋置于透水层的圆形竖井, 水在井的底部按一定曲线沿四周扩散, 降落 科学出版社职教技术出版中心 C = Qln r0 + π Kh 2 0 由此得水流降落曲线方程 图 4 畅 19 渗井水文计算图

96 88 路基路面工程 y = h Q π K ln x r0 流量最大时,x = R,y = H, 代入式 (4.25), 则 Q = π K( h2 0 - H 2 ) ln R r0 = 1.36 K( h2 0 - H 2 ) lg R r0 (4.25) (4.26) 2. 暗沟水力计算 (1) 盲沟 盲沟的通过流量可按下式求得, 即 式中 : Q 通过流量,m 3 /s ; Km 排水层岩块的渗透系数 (m/s), 见表 4.4 ; ω 渗透面积,m 2,ω = bh ; h 高,m ; b 底宽,m 换算成球形的 颗粒直径 d/cm 岩块排水层孔隙度 n 渗透系数 K/( m/s) Q = ωk m i (4.27) 表 4.4 排水层岩块渗透系数 换算成球形的 颗粒直径 d/cm 岩块排水层孔隙度 n 渗透系数 K/( m/s) 当 b = 0.4m 时, 式 (4.27) 的关系如图 4.20 所示 图 4 畅 20 盲沟水力计算图 (b= 0.4m) ( 注 : 如图中无适当线条可用插入法近似求算 )

97 第四章路基排水设计 89 已知填料的粒径 d(cm) 和孔隙率 ε( % ) 时,Km 值的经验公式如下 Km = d ε d (4.28) 设单颗填料为球体, 其体积 = 1 6 π d3, 则 N 颗填粒的平均粒径 d(cm) 为 式中 : γ 填料的容重,N/cm 3 ; G 单颗填料的重力,N d = 6 G π Nγ (4.29) 3. 几个主要参数 (1) 渗沟埋置深度渗沟的埋置深度, 视其位置即要求而定 图 4.21 所示盲沟设在两侧边沟下面, 用于降低路基内的地下水位, 并考虑地下冻结 由图可知 h = Z + p + ε + d + h0 - h1 (4.30) 图 4.21 渗沟埋置深度示例图 1 畅路面 ; 2 畅边沟 ; 3 畅原地下水位 ; 4 畅冻结线位 ; 5 畅毛细水上升水位 ; 6 畅降落曲线 ; 7 畅沟底水平线 式中 : Z 沿路基中线的冻结深度,m ; p = 0.25 ; ε 毛细水上升高度, 见表 4.5 ; d m1 I0 ( I0 见表 4.7) ; h0 见式 (4.31) 或取 0.3 ~ 0.4 ; h1 由路中心标高推算的边沟深度 (2) 沟底有效高度 完整式渗沟埋置在不透水层内, 为使渗沟具有纵向排水作用, 水力降落曲线末端至沟 底, 应具有最小高度 h 设降落曲线在沟壁处的倾斜角为 45, 则其坡落 I = d y/d x 1.0, 有效高度 h0 单侧的流量 q = vφ ω = Kh0, 由式 (4.30) 可得 h0 I0 2 - I0 式中 : I0 降落曲线的平均坡降, 与土质有关, 见表 4.7 或表 4.8 ; 科学出版社职教技术出版中心 范围内 H (4.31)

98 90 路基路面工程 H 地下水位与不透水层的高差 (3) 渗透系数 地下排水设计中, 渗透系数是个重要参数, 其值随岩土颗粒组成 粒径与形状, 以及岩 土的结构与温度等因素而变化 颗粒愈粗 组成愈匀及温度愈高, 渗透系数亦愈大, 反之 则愈小 各种含水层的渗透系数 K 值, 通过试验求得, 大致见表 4.6 (4) 水力影响半径 渗沟和渗井的水力影响半径 R( 或长度 l), 同渗透系数 K 具有下列关系 R = 3000 hz K (4.32) 表 4.5 各种土的危险毛细水升高值表 (ε) 土类 未经压实时 / m 经过一般性压实 / m 砂 0.2 ~ 粉土质砂土 0.3 ~ 粉质土 0.8 ~ 黏土质砂 1.5 ~ 表 4.6 各种土的渗透系数 (K) 值表 土类 K/( m/d) 土类 K/( m/d) 高液限黏土 < 细砂 1 ~ 5 黏质土 ~ 0.05 中砂 5 ~ 20 黏土质砂 0.05 ~ 0.1 粗砂 20 ~ 50 粉土质砂 0.1 ~ 0.5 砾石 50 ~ 150 黄 土 0.25 ~ 0.5 卵石 100 ~ 500 粉 砂 0.5 ~ 1.0 漂石 ( 填砂 ) 500 ~ 1000 表 4.7 不同土层 I0 与 R 参考数值表 土类 I 0/ % R/ m 土类 I 0 / % R/ m 卵石 粗砂 0.25 ~ ~ 300 黏土质砂 5 ~ ~ 20 中砂 0.5 ~ ~ 200 黏质土 10 ~ 15 6 ~ 10 细砂 1.5 ~ 2.0 高液限黏土 15 ~ 20 5 ~ 6 粉砂 1.5 ~ ~ 50 泥炭 2 ~ 12 粉土质砂 2.0 ~ 5.0 表 4.8 各种土的 K 与 I0 数值表 土 类 渗透系数 K/(cm/s) 渗流平均坡降 I 0/ % 粗砂 ~ ~ 0.6 土质砂 ~ ~ 2.0 泥炭 ~ ~ 12.0 粉土质砂 ~ ~ 5.0 黏土质砂 ~ ~ 10.0 黏质土 ~ ~ 15.0 高液限黏土 ~ 20.0

99 第四章路基排水设计 91 式中 : K 渗透系数,m/s ; 写为 hz 降落曲线的高差,m, 由钻孔资料可知 在水力计算中, 地下水渗透的平均水力坡降 I0, 可近似取 I0 = hz / R, 则式 (4.32) 可改 I0 = K 不同土层的 I0 值与 R 值, 见表 4.7, 而 I0 值与 K 值, 大致可见表 排水系统的综合设计 (4.33) 在设计的路基排水设计中, 由于自然情况 路线布置等情况往往比较复杂, 对于某些 路段需要进行路基排水的综合设计, 以提高排水效率, 发挥各类排水设施的优点, 降低工 程造价 综合排水设计的主要原则有以下内容 : 1) 流向路基的地面水和地下水, 需在路基范围以外的地点设置截水沟 排水沟或渗 沟等进行拦截, 并引至指定的地点 ; 路基范围内的水源, 分别采用边沟 渗沟 渗井及排水 沟予以排除 路基排水需要横跨路基时, 尽量利用拟设的桥涵, 必要时设置涵洞 倒虹吸 或渡槽 水流落差较大时, 应设置跌水或急流槽 2) 对于明显的天然沟槽, 一般宜依沟设涵, 不必勉强改沟与合并 对于沟槽不明显 的漫流, 应在上游设置束流设施, 加以调节, 汇集成沟, 导流排除 对于较大水流, 注意因 势利导, 不可轻易改变流向, 必要时配以防护工程进行分流或束流 3) 为提高截流效果, 减少工程量, 地面沟渠宜大体沿等高线布置, 使沟渠垂直于水流 方向, 力求短捷, 水流通畅 沟渠弯道处应以圆曲线相连, 减少水流的冲击力 4) 各排水沟渠地基应稳固, 不得渗漏或滞留, 并有适当的纵坡 沟槽的基底与沟底 及构壁, 必要时应予以加固, 不得溢水渗水, 防止损害路基, 引起水土流失 路基排水综合设计, 必须做好事先调查研究工作, 查明水源和有关现状, 测绘现场图 纸, 进行必要的水力水文计算, 作出总体规划, 提出总体布置方案, 逐段逐项进行细部设计 计算, 并进行效益分析与经济核算 及纵坡 复习思考题与习题 4 畅 1 常用路基地面与地下排水设施有哪些? 各自主要起什么作用? 4 畅 2 综合排水设计的主要原则是什么? 科学出版社职教技术出版中心 4 畅 3 已知设计流量式中 Q = 0.013m 3 /s, 当 Km = 0.35m/s 时, 试定盲沟的断面尺寸

100 第五章路基防护与加固 学习要点本章介绍路基防护和加固中坡面防护 冲刷防护和软土地基加固的技术 特点 要求以及适用条件 5.1 坡面防护 路基工程大多裸露于自然中, 其岩土等铺筑材料长期受自然因素 ( 雨 雪 风蚀 日晒等 ) 的作用, 物理 力学性质将发生变化, 甚至导致路基强度下降, 产生破坏 为了保证路基强度和稳定性, 进行防护和加固设计显得非常重要 工程上, 一般将防止冲刷和风化, 主要起隔离作用的工程措施称为防护工程 ; 将防止路基或山体因重力作用而坍滑, 主要起支撑作用的工程措施称为加固工程 作为路基工程的组成部分, 防护和加固工程多位于不良地质和水文地段, 重点针对路基的边坡部分 坡面防护主要是保护路基边坡表面免受雨雪 日照 气温和风力等作用的破坏, 减缓温差及湿度变化的影响, 防止和延缓软弱岩土表面的风化 碎裂 剥蚀演变进程, 从而保护路基边坡的整体稳定性, 在一定程度上还可兼顾路基美化和协调自然环境 保护生态平衡的作用 坡面防护设施不承受外力作用, 必须要求坡面岩土整体稳定牢固 简易防护的边坡高度与坡度不宜过大, 土质边坡坡度一般不陡于 1 1 ~ 1 1.5, 地面水的径流速度以不超过 2.0m/s 为宜, 水亦不宜集中汇流 雨水集中或汇水面积较大时, 应有排水设施相配合, 如在挖方边坡顶部设截水沟, 高填方的路肩边缘设拦水埂等 常用的坡面防护设施有植物防护和工程防护, 前者可视为有 生命 防护, 以土质边坡为主 ; 后者属无机物防护, 以石质路堑边坡为主 在边坡稳定和改善路容方面, 有 生命 防护优于无机物防护 植物防护植物防护是采用植物覆盖层对坡面进行防护, 利用植物根系起到固结表土和稳定边坡的作用, 同时可以美化路容, 协调环境, 调节边坡土的湿温状况 对于坡高不大 边坡比较平缓的土质坡面, 植物防护是一种简易有效的防护设施 但植物防护施工时有一定的限制, 即要求安排在温暖 湿度较大的季节进行施工 ; 铺 种植物后, 应适时进行洒水施肥 清除杂草等养护管理, 直至植物成长覆盖坡面 植物防护包括植被防护 三维植被网防护和骨架植物防护, 具体如下 :

101 第五章路基防护与加固 93 植物防护 种草植被防护铺草皮植树三维植被网防护浆砌片石 ( 混凝土 ) 骨架植物护坡 骨架植物防护多边形混凝土空心块植物护坡锚杆混凝土框架植物防护 1. 种草种草适用于边坡坡度不陡于 1 1, 不浸水或短期浸水但地面径流速度不超过 0.6m/s 的边坡, 如图 5.1 所示 草的品种应考虑防护的目的 气候 土质 施工季节等因素, 应选择适应当地自然条件, 易成活, 根系发达, 叶茎低矮, 多年生, 耐旱, 多种草籽混种 土质不宜种草的坡面, 可以铺 5 ~ 10cm 厚的种植土层, 土层与原坡面结合稳固, 再进行栽植或播种 ; 暴雨强度较大的地区, 可在坡面上铺设植生袋, 将草籽 肥料和种植土均匀拌和并裹于土工织物内 2. 铺草皮 图 5.1 边坡种草防护 铺草皮适用于需要迅速绿化的土质边坡和风化严重的软质岩石边坡, 边坡坡度为 1 1 ~ 1 2 草皮应选择根系发达 茎矮叶茂的耐旱草种, 可就近培育, 如远距离采购, 培 育地气候应尽量与工程所在地相近 当坡面冲刷比较严重, 边坡较陡, 径流速度大于 0.7m/s, 容许最大速度为 1.8m/s 时, 可分别采用平铺 ( 平行于坡面满铺 ) 叠铺 ( 包括水平叠置 垂直坡面或与坡面成一半坡 角的倾斜叠置草皮 ) 以及采用片石铺砌成方格或拱式边框, 方格或框内再铺草皮的方式, 如图 5.2 所示, 各种方式应根据边坡坡度 水流速度和草皮来源等具体条件来选用 科学出版社职教技术出版中心 平铺草皮铺法是坡面预先整平, 必要时应加铺种植土或对边坡土进行分析检验后进

102 94 路基路面工程 图 5.2 草皮防护示意图 ( 单位 :cm) (a) 平铺平面 ; (b) 平铺剖面 ; (c) 水平叠铺 ; (d) 垂直叠铺 ; (e) 斜交叠铺 ; (f) 网格式行必要的改良或施肥 ; 草皮切成整齐块状, 移铺在坡面上 铺时应自下而上, 并用竹木小桩将草皮钉在坡面上 ( 边坡缓于 时, 亦可不钉桩 ), 使之稳固 叠铺草皮用于坡度不小于 1 1 的坡面上, 每块草皮的尺寸以 20cm 40cm 为宜, 其中水平叠置的方式施工较方便 方格式铺法如图 5.3 所示, 系将草皮平铺成与路线方向成 45 斜交的方格状, 坡顶和坡脚部分则铺设几条水平的带状, 方格内栽草或撒草籽 此种方式最为经济, 但坚固 图 5.3 方格式铺草皮

103 第五章路基防护与加固 95 程度稍差, 常用于草皮供应受限的场合 草皮根部土应随草切割, 草皮应随挖随铺, 注意相互贴紧 ; 铺完后及时喷洒浇水 路 堑边坡铺草皮时, 应铺过路堑顶部 10m 或铺至截水沟边 3. 植树 植树主要用在堤岸边的河滩上, 边坡适宜的坡度为 或更缓, 用来降低流速, 促 使泥沙淤积, 防止水流直接冲刷路堤 多排林堤岸与水流方向斜交, 可起到挑水改变水流 方向的作用 沙漠与雪害地区, 防护林带具有阻沙防雪作用 树木的品种一般应选择能 迅速生长且根深枝密的低矮灌木类, 种植位置及宽度应根据防护要求 流水速度等因素, 参见有关设计手册并结合当地经验而定 种草 铺草皮与植树可配合应用, 使坡面形成良好的防护层 4. 三维植被网防护 三维植被网是一种三维结构的 适用于水土保持的新型土工合成材料, 适用于砂性 土 土夹石及风化岩石, 且坡率缓于 的边坡防护, 可以有效地防治水土流失, 增加 绿化面积, 改善生态环境 具体作用是 : 草皮长成前, 可保持土地表面免遭风雨的侵蚀 ; 与 植物形成的复合保护层可经受高水位, 大流速的水流冲刷 ; 可替代混凝土 沥青 块石等坡 面保护 该方法采用高分子材料以及抗紫外线稳定剂, 化学稳定性高, 对环境无污染 ( 降 解型的网垫二年后在土中不留痕迹 ), 工程造价低, 造价仅为混凝土护坡和干砌块石护坡 的 1/7, 浆砌块石护坡的 1/8, 并具有施工简便的特点 5. 浆砌片石 ( 混凝土 ) 骨架植物 浆砌片石 ( 混凝土 ) 骨架植物适用于边坡缓于 的土质和全风化岩石边坡, 当 坡面受雨水冲刷严重或长期潮湿时, 坡度应缓于 1 1 骨架可分为方格形 拱形和人字 形等, 如图 5.4 所示 在降雨量较大且集中的地区, 骨架宜做成截水沟型, 骨架嵌入坡面 深度一般为 30 ~ 50cm, 骨架内植物的选择参见植物防护的有关要求 科学出版社职教技术出版中心 图 5.4 混凝土拱形骨架植物防护

104 96 路基路面工程 6. 多边形混凝土空心块植物多边形混凝土空心块植物适用于边坡缓于 的土质和全风化 强风化岩石路堑边坡 六边形空心预制块形式如图 5.5 所示, 采用 C20 混凝土,M7.5 砂浆砌筑, 边长为 15 ~ 20cm, 厚度约 10cm, 宽度约 5cm 预制块内填充种植土, 喷播植草, 植物的选择参见植物防护的有关要求 图 5.5 混凝土空心块植物防护 7. 锚杆混凝土框架植物锚杆混凝土框架植物适用于边坡高度较大 稳定性较差的土质和岩石路堑边坡 (1) 系统锚杆混凝土框架植物系统锚杆混凝土框架植物适用于坡体中无不良结构面 风化破碎的岩石路堑边坡 系统锚杆宜为全长粘结型锚杆, 长度为 4 ~ 10m, 间距为 1.5 ~ 4m 锚杆宜采用 Ⅱ 级或 Ⅲ 级钢筋, 直径 14 ~ 32mm, 设计抗拔力不低于 75kn, 钢筋保护层厚度不应小于 2cm 注浆材料宜选用 M20 水泥浆或水泥砂浆, 注浆压力不低于 0.2 M Pa 框架采用钢筋混凝土, 强度不低于 C25, 宽度为 40 ~ 60cm, 厚度为 40 ~ 60cm 框架内可喷播植草或骨架植物 (2) 预应力锚索混凝土框架植物预应力锚索混凝土框架植物适用于坡体中存在不良结构面 具有潜在破坏面或滑动面的土质和岩石路堑边坡 预应力锚索间距一般为 3 ~ 6m, 锚固体上覆土层厚度不应小于 4m, 锚固段长度不应小于 4m, 也不宜大于 10m, 锚杆自由段长度不宜小于 5m, 并应超过破裂面 1 ~ 2m 杆孔径根据设计锚固力 地层形状 锚杆材料等确定, 预应力钢筋的保护层厚度不应小于 2cm, 锚孔直径一般为 10 ~ 15cm 注浆材料宜选用水泥浆或水泥砂浆, 设计强度不低于 30M Pa, 压力分散型锚杆锚固段注浆体抗压强度不宜低于 40M Pa

105 第五章路基防护与加固 97 框架和承压垫块的几何尺寸 结构强度根据设计锚固力 地层形状等确定 框架内可喷播 植草或骨架植物 工程防护 对于不宜使用植物防护的边坡, 或应考虑就地取材时, 可以采用砂石 水泥等工程材 料进行坡面防护, 称为工程防护, 包括圬工防护和抹面 捶面防护, 具体方法如下 : 工程防护 1. 喷护 圬工防护 抹面 捶面 喷护 锚杆挂网喷浆 ( 混凝土 ) 护坡 护面墙 干砌片石护坡 浆砌片 ( 卵 ) 石护坡 水泥混凝土预制块护坡 喷护适用于边坡坡度缓于 1 0.5, 易风化 裂隙和节理发育 坡面不平整的岩石挖方 边坡, 包括喷浆防护和喷射防护 喷浆采用 M10 砂浆, 防护厚度为 5 ~ 10cm, 施工简便, 效果较好 ; 喷射采用 C15 混凝土, 防护厚度不小于 8cm, 一般宜采用 10cm, 当岩石表面凹 凸明显或气候条件恶劣时, 可增加至 15cm 为了防止喷射的混凝土 ( 砂浆 ) 硬化收缩产生 裂缝或脱落, 尤其是坡面岩体切割破碎时, 应在混凝土 ( 砂浆 ) 内设置菱形金属网或高强度 聚合物土工格栅, 并通过锚杆或锚固钉固定在边坡上, 称为锚喷混凝土 ( 砂浆 ) 防护 重点 工程或高等级公路要求封面防护稳固和耐久, 宜选用锚喷混凝土方式 喷护应间隔 2 ~ 3m 交错设置泄水孔, 孔径为 0.1m 大面积坡面喷护, 应设置伸缩 缝, 间距一般为 15 ~ 20m 2. 锚杆挂网喷浆 ( 混凝土 ) 锚杆挂网喷浆 ( 混凝土 ) 适用于坡面为碎裂结构的硬质岩石或层状结构的不连续地层 以及坡面岩石与基岩分开并有可能下滑的挖方边坡 锚杆应嵌入稳固基岩内, 锚固深度 应根据岩体性质确定 钢筋网喷射混凝土支护厚度为 100 ~ 250mm, 钢筋保护层厚度不 应小于 20mm 3. 护坡 在浸水路堤路段 重要路段或暴雨集中地区的土质高边坡, 以及桥涵附近坡面与岩 坡 地面排水沟渠等, 采用干砌片石护坡进行防护或加固, 如图 5.6 所示 片石护面要求 坡面稳固, 先垫以砂层, 然后自下而上平整地铺砌片石, 片石应逐块嵌紧且错缝, 护面厚度 一般不小于 20cm, 干砌要勾缝, 必要时改用浆砌, 护面顶部封闭, 以防渗水 科学出版社职教技术出版中心 在缺乏片石 块石材料的地区, 可选择水泥混凝土预制块护坡, 它比浆砌片石防护能

106 98 路基路面工程 图 5.6 片石护面示意图 (a) (b) 单层 ; (c) (d) 双层注 : 图中干砌石垛高度 H 为 20 ~ 30cm, 护面厚度 h 大于 20cm 抵抗较大的水流速度和波浪的冲击 ( 其容许水流速度在 4 ~ 8m/s 以上 容许波浪高度可在 2m 以上 ), 还能抵抗较强的冰压力 水泥混凝土预制块护坡施工方便, 可拼成各种图案 预制块可制成边长不小于 1m 厚度大于 6cm 的方块, 并配置一定的钢筋, 为了减小水流或波浪对预制块的冲击与上浮力, 在预制板块时可留出整排的孔眼 混凝土强度不应低于 C15, 在严寒地区不应低于 C20 预制块砌缝内用沥青麻丝 沥青木板或聚合物合成防水材料填塞 ; 预制块护坡底面也应设置碎砾石垫层或土工织物, 垫层厚度与边坡土的潮湿程度有关, 一般不宜小于 100mm 4. 护面墙护面墙以浆砌片石 块石铺砌或混凝土结构砌筑的坡面覆盖层, 用于封闭各种易风化或风化严重的软质岩层和较破碎的挖方边坡以及坡面易受侵蚀的土质边坡 护面墙部承受墙后坡体的侧压力, 故防护的坡面坡度应符合极限稳定边坡的要求, 一般不应陡于 基础应设置在稳定的地基上, 并埋置在冻结线以下不小于 0.25m 处, 墙面紧贴坡面, 表面砌平 墙体通常采用浆砌片 ( 块 ) 石结构, 在缺乏石料地区, 也可采用现浇或预制混凝土结构 防护松散夹层时, 为了增加护面墙的稳定性, 宜在夹层底部留出平台, 并进行加固 护面墙形式有实体式 窗孔式和拱式, 墙高与厚度及路堑边坡的关系参见表 5.1, 其构造与布置如图 5.7 所示

107 第五章路基防护与加固 99 表 5.1 护面墙厚度 护面墙高度 H/ m 路堑边坡 顶宽 b 护面墙厚度 / m 底宽 d 陡于 H 6 < H ~ H 10 < H < ~ H 图 5.7 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 畅平台 ; 2 畅耳墙 ; 3 畅泄水孔 ; 4 畅封顶 ; 5 畅松散夹层 ; 6 畅伸缩缝 ; 7 畅软池基 ; 8 畅基础 ; 9 畅支补墙 ; 10 畅护面墙 实体式护面墙高一般不超过 10m, 较高时可以每 6 ~ 10m 分级, 每级之间设宽度 1m 的平台, 墙背每 4 ~ 6m 设一道耳墙, 耳墙宽 0.5 ~ 1.0m, 纵向每 10m 设一条伸缩缝, 墙身应交错预留泄水孔, 顶部封闭 坡面常有各种不同地质现象, 开挖后形成凹陷, 此时 应以石砌圬工填塞平整, 称为支补墙 墙基软硬不匀时可设拱跨过软弱处 窗孔式护面墙防护的边坡不应陡于 , 墙孔通常为半圆拱型, 高 2.5 ~ 3.5m, 宽 2 ~ 3m, 圆拱半径 1 ~ 1.5m, 墙孔内视情况采用植草 干砌片石或捶面 拱式护面墙适用于边坡下部岩层较完整而上部需防护的坡面 当拱跨为 2 ~ 3m 时, 拱圈采用 M10 水泥沙浆砌块石, 拱高视下部完整岩层高度而定 ; 拱跨 5m 以上时, 采用混 凝土拱圈, 拱圈厚度根据拱上护面墙高度而定 科学出版社职教技术出版中心

108 100 路基路面工程 5. 抹面防护抹面防护 ( 图 5 畅 8) 适用于坡面干燥, 未经严重风化的各种易风化石质挖方坡面 常用的抹面材料有石灰浆 石灰炉渣三合土等, 表层可涂软化点稍高于当地气温的沥青保护层 其中石灰为胶结料, 要求精选 ; 混合料如加纸筋或竹筋, 可提高强度, 防止开裂 ; 如掺加适量制盐副产品卤水, 因含有氯化钙与氯化镁, 可使抹面加速硬化和预防开裂 抹面厚度视材料与坡面状况而定, 一般 2 ~ 10cm 操作前, 应清理坡面风化层 浮土与松动碎块 填坑补洞, 洒水润湿, 比较坚硬的岩石坡面, 为防止水渗入缝隙成害, 视缝隙深浅与大小, 分别予以灌浆 勾缝或嵌补等 抹面后, 应拍浆 抹平和养护 图 5.8 抹面防护 6. 捶面防护捶面防护适用于边坡坡度缓于 易受冲刷的土质边坡或易风化剥落的石质边坡 常用的捶面材料有水泥炉渣混合土 石灰炉渣三合土或四合土等, 捶面厚度为 10 ~ 15cm, 一般采用等厚截面 抹面和捶面护坡的周边与未防护坡面衔接平顺, 并应严格封闭, 凿槽嵌入岩石内的深度不小于 10cm 坡脚宜设 1 ~ 2m 高的浆砌片石护坡 工程防护中, 通常都涉及填缝问题, 填缝分勾缝和灌缝 岩体节理裂缝多而细者, 宜用勾缝, 将水泥砂浆 ( 或水泥石灰砂浆 ) 嵌入缝中 ; 缝隙较大且深者, 宜用水泥砂浆灌缝, 缝隙更严重者采用混凝土灌缝 5.2 冲刷防护 常年或季节性浸水堤岸, 受流水冲刷 拍击和淘洗, 易造成路基浸湿 坡脚淘空, 或水位骤降时路基内细粒填料流失, 致使路基失稳, 边坡崩坍, 故沿河滨海路堤 河滩路堤及水泽区路堤包括桥头引道以及路基边坡的防护堤岸等应考虑冲刷防护, 可以起到防水治害和加固堤岸双重功效 堤岸防护与加固设施包括加固坡岸的直接防护和改变水流性质的

109 第五章路基防护与加固 101 间接防护两类 直接防护堤岸防护直接措施包括植物防护 砌石或混凝土护坡 护坦 抛石与石笼防护 土工膜袋以及必要的支挡 ( 驳岸等 ) 其中植物防护与砌石防护, 同坡面防护所述基本类同, 由于路段洪水急流, 水位变迁不定, 水流速度较大, 因而相应的防护要求更高 在盛产石料的地区, 当水流速度达到 3.0m/s 或更高时, 植树与砌石防护无效时, 可采用抛石防护 当水流速度达到或超过 5.0m/s 时, 则改用石笼防护, 也可就地取材, 用竹笼或梢料防护, 必要时可以采用土工膜袋护坡 1. 护坦防护护坦一般指闸 坝下游保护河床的底板, 用来保护水跃范围内的河床免受冲刷 在道路中适用于沿河路基挡土墙或护坡的局部冲刷深度过大 深基础施工不便的路段, 一般采用混凝土或浆砌片石砌筑 护坦的高程和尺寸取决于护坦水跃的水力特性 紧接护坦或消力池后面的消能防冲措施, 称为海漫, 其作用是进一步消杀水流的剩余动能, 保护路基免受水流的危害性冲刷 2. 抛石防护抛石防护适用于经常浸水且水深较大的路基边坡或坡脚以及挡土墙 护坡的基础防护, 类似在坡脚处设置护脚, 亦称抛石垛, 如图 5.9 所示 抛石垛的边坡坡度不应陡于抛 石浸水后的天然休止角, 边坡率 m 一般为 1.5 ~ 2.0,m2 为 1.25 ~ 2.0, 具体见表 5.2 石 料粒径视水深与流速而定, 一般为 15 ~ 50cm, 抛石防护的顶宽不应小于所用最小石料块 径的两倍 科学出版社职教技术出版中心 图 5.9 抛石防护示意图 ( 单位 :m) (a) 新堤石垛 ; (b) 旧匙石垛

110 102 路基路面工程 表 5.2 抛石边坡坡度参考表 水文条件 采用边坡 水浅 流速较小 ~ 1 2 水深 2 ~ 6 m, 流速较大, 波涛汹涌 1 2 ~ 1 3 水深大于 6 m, 在急流中施工缓于 石笼防护石笼防护适用于受水流冲刷和风浪侵袭, 防护工程基础不易处理或沿河挡土墙 护坡基础局部冲刷深度过大的沿河路堤坡脚或河岸 石笼可分为铁丝石笼和钢筋混凝土框架石笼, 铁丝石笼一般可容许流速 4 ~ 5m/s 的水流冲刷, 多用于抢修或临时工程, 钢筋混凝土框架石笼用于急流滚石河段 铁丝框架采用镀锌铁丝或高强度聚合物土工格栅, 可以为箱形或圆形, 如图 5.10 中 (a) 和 (b) 所示 笼内填石应选用容重大 浸水不崩解 坚硬且未风化石块, 最小粒径不小于 4.0cm, 一般为 5 ~ 20cm, 外层应用大且棱角突出石料, 内层可用较小石块填充 石笼在坡脚处排列, 用于防止冲刷淘底时, 应平铺并与坡脚线垂直, 一端应固定, 另一端不必固定, 淘刷后可以向下沉落贴于底面 ; 用于防止堤岸边坡冲刷时, 则垒码平铺成梯形, 如图 5.10 中 (c) 和 (d) 所示 石笼一般高 h = 0.25 ~ 1.5m, 长 l = (3 ~ 4) h, 以不被相应速度的水流冲动为宜 铺设时须用碎 砾 卵石垫层铺平, 垫层厚度宜为 0.2 ~ 0.4m, 底层各角可用铁棒固定于基底, 相邻铁丝笼应用铁丝连成整体 图 5.10 石笼防护示意图 ( 单位 :m) (a) 箱形笼 ; (b) 圆柱形笼 ; (c) 防止淘底 ; (d) 防护岸坡

111 第五章路基防护与加固 土工织物软体沉排 土工织物软体沉排适用于水下工程及预计可能发生冲刷的河床和岸坡土面上, 是在 土工织物上以块石或预制混凝土块体为压重的护坡结构, 主要结构形式包括单片垫和双 片垫 单片垫是利用土工织物拼接成大面积的排体 ; 双片垫是将两块单片垫重叠后按一 定距离和形式将两片垫连接在一起而构成管状或格状空间, 其中填充透水性土石料 ( 如砂 卵石等 ) 以起到防冲与反滤的作用 5. 土工膜袋 土工膜袋是一种尼龙绳缝制的双层织物袋, 袋中填充流动性混凝土或水泥砂浆或稀 石混凝土, 凝固后形成高强度和高刚度的硬结板块 采用土工膜袋护坡的坡度不得陡于 1 1, 如在水下施工, 水流速度不宜大于 1.5m/s 土工膜袋强度大 整体性好, 主要应用 场合及铺设形式如图 5.11 所示, 膜袋选型应根据工程要求和当地土质 地形 水文 经济 施工条件等确定 袋内可充填混凝土或砂浆, 材料应满足技术要求 充填混凝土时, 粗骨 料最大粒径应符合要求, 坍落度不宜小于 20mm, 其强度等级不低于 C10 ; 填充砂浆时, 其 强度等级不低于 M2.5 根据水流量选定膜袋滤水点分布数量, 选用无滤水点膜袋时应 增设渗水滤管 间接防护 图 5.11 土工膜袋的应用及铺设 间接防护包括修建丁坝 顺坝等导治结构物以及疏浚 改造河道 营造防护林等工程 1. 导治结构物 设置导治结构物可改变水流方向, 消除和减缓水流对堤岸直接破坏, 同时可减轻堤岸 近旁淤积, 彻底消除水流对局部堤岸的损害作用 导治结构物是桥涵和路基的重要附属 工程, 由于涉及水流改向, 影响范围较大, 工程费用较高, 应慎重采用 导治结构物主要是设坝, 按其与河道的相对位置, 一般可分为丁坝 顺坝和格坝, 如 图 5.12 所示 科学出版社职教技术出版中心

112 104 路基路面工程 图 5.12 沿河导治结构物布置示意图 1 畅顺坝 ; 2 畅格坝 ; 3 畅丁坝 ( 挑水坝 ) ; 4 畅拦水坝 ; 5 畅导流坝 ; 6 畅桥墩 (1) 丁坝丁坝又称挑水坝, 是坝根与岸滩相接, 坝头伸向河槽, 坝身与水流方向成某一角度 ( 90 ), 能将水流挑离河岸的结构物, 适用于宽浅变迁性河段, 用以挑流或减低流速从而改善水流状态, 减轻水流对河岸或路基的冲刷, 起到保护的作用 丁坝可采用铁丝石笼或相互铰接的预应力混凝土块等柔性结构物, 也可采用石砌或现浇混凝土等刚性结构物 采用刚性结构物时, 横断面形式一般为梯形, 坝体分为坝头 坝身和坝根三个组成部分, 如图 5.13 所示, 坝头基础应埋置于局部冲刷深度以下不小于 1m, 否则应进行防冲刷处理, 坝根和坝身的基础不应浅于冲刷线的深度 图 5.13 丁坝结构示意图 (2) 顺坝顺坝又称作导流坝 顺水坝, 是坝根与岸滩相接, 坝头大致与堤岸平行的结构物 主要用于导流 束水 调整河道 改变流态, 适用于河床断面较窄 基础地质条件较差的沿河路基防护 顺坝大致与水流平行, 采用石砌或混凝土结构, 构造与丁坝相似 坝顶宽度根据稳定计算确定, 浆砌结构宜为 0.5 ~ 1.0m, 迎水面边坡采用 ~ 1 2.5, 背水面边坡采用 1 1 ~ 当流速较大 土质较松软时, 迎水坡应设置护脚以获得适当放缓

113 第五章路基防护与加固 105 迎水面坡度 顺坝坝根应嵌入稳定河岸内不小于 3 ~ 5m (3) 格坝格坝为建于顺坝与河岸之间, 其一端与河岸相连, 另一端与顺坝坝身相连的横向导治结构物 格坝的作用是将水流反射入主河床, 同时防止洪水溢入顺坝冲刷坝后河床与河岸, 并促进其间的淤积 顺坝与格坝布如图 5.14 所示 2. 改移河道 图 5.14 顺坝与格坝布置示意图 改移河道用于防护堤岸的改河工程, 一般限于小型工程, 如裁弯取直, 挖滩改道, 清除 孤石等, 可在小河的局部段落上进行 改河起 终点的位置应顺应河势, 设在河流较稳定的河段, 尽可能做到因势利导, 减少 对农田水利设施和道路的不良影响 在新河道进口处的原河道上修筑拦水坝, 以引水进 入新河道, 终点应与原河道顺接 5.3 软土地基加固 土作为路基本身或其支承体, 其松散特性体现出一大缺点是强度低, 软土路基更是如 此 若对软土地基不加处理或处理不当, 往往会导致路基沉陷 滑移或产生其他病害, 故 要保持地基稳定, 保证地基具有足够的承载能力, 必须对软土地基进行加固处理 软土地基加固方法 软土地基加固关键在于治水和固结, 其处理方法有很多种, 每种方法都有其适应性和 局限性, 需要根据工程实际情况 材料来源 施工条件等因素, 对处理方案进行技术 经济 以及施工进度等方面的比较论证, 为同时解决软土路基沉降 稳定性而选用最有效 最经 济的处治方案 科学出版社职教技术出版中心

114 106 路基路面工程软土地基处理往往首先考虑法浅层处理, 然后选择深层处理, 并强调综合处理 在进行综合处理设计时, 应遵循几项基本原则 : 一是加速排水固结措施和增强软土地基强度措施相结合, 如塑料排水板加砂垫层, 并与填土预压进行联合作用, 施工简单, 可加速固结沉降, 再如反压护道法与竖向排水法并用, 由反压护道获得软土地基的稳定性, 由竖向排水促进软基固结 ; 二是地上 地面与地下处理相结合 ; 三是避免处理措施在施工或使用中受到干扰 我国高等级公路软土地基常用的处理方法及其特点见表 5.3, 各方法示意如图 5.15 ~ 图 5.23 所示 表 5.3 软土地基常用处理方法方法处治原理工程特性适用范围 换填法 以砂 石或强度较高的黏土置换软土 通过换填增加强度, 减少沉降 施工简单, 费用高 适用于清淤回填 强夯法 采用夯锤从高处子有落下, 在冲击力和振动力作用下振实 挤密地基土, 从而提高地基承载力, 减少沉降 施工简单, 禁毒快, 工期短, 费用低 对周围环境影响大 适用于加固碎石土 砂土 低饱和土 黏土和泥炭 反压护道法 将原设计护坡道抬高到路堤高度一半位置, 使路堤下软土向两侧隆起的趋势得到抑制, 以增大抗滑力矩, 防止路堤滑动破坏 施工简单, 费用低, 但公路用地增加 适用于路堤高度不超过极限高度地基 堆载预压法 利用路堤荷载对地基施加应力, 引起地基中孔隙水压力增加, 经过 6 ~ 12 个月的预压, 孔隙水流出, 地基不断沉降, 形成密实实体 施工简单, 工期长, 若采用超载预压可缩短工期, 但需土方两次调运 适用于软黏土 淤泥质土路段 砂垫层法 在路堤底部的地面上铺设厚度一般为 30 ~ 50cm 的砂层, 形成水平方向的排水通道 施工简单, 费用较低, 工期较长 适用于软弱层薄和路堤高度不大 ( 小于 2 倍极限高度 ) 塑料排水板法 将带状塑料排水板用插板机插入软土中, 其上加载预压, 土中水沿塑料板通道溢出, 增加了竖向排水能力, 同时缩短水平方向的排水距离 施工速度快, 效率高, 费用低, 对土体扰动小 适用于垂直方向性比大, 或软土中有较薄粉细砂夹层情况 适用于淤泥 淤泥质土和含水 利用深层搅拌机械将水泥或石灰与土强制搅 量较高 地基承载力不大于 水泥 ( 石灰 ) 拌, 形成加固土桩体的复合地基, 以提高地基 施工较复杂, 造价较 120kPa 的黏性土 粉性土 石 搅拌桩法 的承载能力, 限制软土的侧向挤动及截阻地 高, 处理效果良好 灰桩适用于含砂量小, 没有滞 下的渗透水流 水砂层的软土, 水泥桩适用于 含砂量大的软土 挤密碎石 ( 砂 ) 法 地基中用锤击 振冲 爆破等方法成孔, 然后在孔中分层填入砂 砾石 灰土或石灰等材料, 压实成直径较大的桩体, 并与桩间挤密的土共同组成复合地基 施工工艺较复杂, 造 价高, 对周围环境影 响大 适用于松散的非饱和的黏性土 地基

115 第五章路基防护与加固 107 方法处治原理工程特性适用范围 续表 挤密石灰桩法 通过机械或人工成孔, 将生石灰掺和料填进孔中, 以及生石灰的吸水 膨胀 发热及离子交换作用, 使地基疏干, 增强强度, 挤密桩间土 施工工艺较复杂, 造价高, 受地下水影响大 适用于含水量大 排水性差 没有滞水砂层的软土地基 轻质路堤 以自重轻的材料作为路堤填料, 可有效减少地基沉降, 有利地基稳定 施工较复杂 适用于沿线轻质材料丰富的地基 土中加入某种能承受一定拉力的筋条或化学 纤维铺设在路基底部, 凭籍筋条与填土之间 适用于沉降量不大的路基, 可 加筋土法 的摩擦作用, 提高土的抗剪强度, 扩散基底应 施工简单, 费用较低 以用于整治翻浆, 或用作路基 力, 改善路基抵抗变形的条件, 从而提高地基 反滤 排水 隔离层 承载力和减小差异沉降 图 5.15 换填法处理地基 图 5.16 反压护道法 科学出版社职教技术出版中心 图 5.17 强夯法 图 5.18 砂井堆载预压 1. 堆料 ; 2. 砂垫层 ; 3. 淤泥 ; 4. 砂井

116 １０８ 路基路面工程 图 ５ １９ 真空预压法 图 ５ ２０ 砂垫层法 １ 橡皮布 ２ 砂垫层 ３ 淤泥 ４ 砂井 ５ 黏土 ６ 集水罐 ７ 抽水泵 ８ 真空泵 图 ５ ２１ 水泥搅拌桩施工 图 ５ ２２ 挤密石灰桩法 图 ５ ２３ 土工格栅试验段现场 软土地基加固工程监测 为了防止因设计不当或施工管理不善而造成地基处理失败或未达到预期效果 软土 地基处治施工必须确保施工质量 科学组织 加强管理 严格按照有关操作规程实施 在 施工过程中 应注意观测填筑过程中和竣工后的固结 强度和位移的变化 即变形监测 应