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路基路面工程教案
路基路面工程
教
案
第一章总论(2课时)
§1-1道路工程发展概况
一、古代道路发展概况
二、我国路基路面工程的成果
1.公路自然区划:
7大区
2.土的工程分类:
巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土
3.路基强度与稳定性:
以回弹模量作为评价路基强度与稳定性的力学指标。
4.高路堤修筑技术与支挡结构
5.软土地基稳定技术
6.岩石路基爆破技术
7.沥青路面结构:
8.水泥混凝土路面结构:
9.柔性路面设计理论与方法:
在力学理论基础方面,建立了弹性力学多层结构承受多个圆形荷载的分析系统。
10.刚性路面设计理论与方法:
在力学基础理论方面,运用解析法及有限元法建立弹性力学层状结构,弹性地基板体结构模型。
11.半刚性路面结构:
一种主要的结构型式。
12.路面使用性能与表面特性:
路面的平整度、破损程度、承载能力及抗滑性能。
13.路面养护管理:
路面管理网络系统、项目和路网级优化管理决策。
三、引起重视的学科
§1-2路基路面工程的特点
1.路基定义:
在天然地面上按道路的设计线形(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。
2.路面定义:
在路基顶面的行车部分用各种混合料铺筑而成的层状结构物。
3.特点:
一、承载能力
要求路基路面结构整体及其各组成部分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两方面。
强度——抵抗车轮荷载引起的各个部位的各种应力的性质。
刚度——在车轮荷载作用下不发生过量的变形的性质。
二、稳定性
1.在地表上开挖或填筑,改变原地层结构。
2.大气降水使得路基路面结构内部的湿度状态发生变化。
3.大气温度周期性的变化对路面结构的稳定性有重要影响如冻胀、翻浆。
三、耐久性
路基路面工程从规划、设计、施工至建成通车需要较长时间,且投资大的工程应有较长的使用年限。
因此路基路面工程应具有耐久的性能。
四、路面表面平整度
影响行车安全,行车舒适性以及运输效益的重要使用性能。
五、抗滑性能:
摩擦系数。
§1-3影响路基路面稳定的因素
1.地理条件:
公路沿线的地形、地貌和海拔高度;
平原区地势平坦,路基需要保持一定的最小填土高度。
2.地质条件:
岩石的种类、成因、节理、风化程度和裂隙情况等。
3.气候条件:
气温、降水、湿度。
4.水文和水文地质条件:
河流洪水位,常水位。
5.土的类别:
不同的土类具有不同的工程性质。
§1-4路基土的分类
1.土的分类
(1)分类体系
划分依据:
根据土的颗粒组成,塑性指数和土中有机质含量分类。
分类:
巨粒土、粗粒土、细粒土、特殊土。
(2)分类方法
1)按有机质含量:
有机质土,无机质土。
2)无机质土按粗粒含量:
巨粒土、粗粒土、细粒土三类。
3)巨粒土、粗粒土按其细粒含量和级配进一步细分(粒径大小、不均匀系数和曲率系数)。
4)细粒土按塑指Ip和液限WL在塑性图上进一步细分。
2.公路用土的工程性质
巨粒土:
高强度、稳定性。
砾石混合料:
强度、稳定性满足要求。
砂土:
无塑性,压实困难。
砂性土:
粗、细颗粒适宜,理想材料。
粉性土:
粉土颗粒,毛细作用强烈。
需改良使用。
粘性土:
细颗粒含量多。
重粘土:
不透水,粘聚力大,干燥时很坚硬,施工难易开挖与破碎。
§1-5公路自然区划
一、公路自然区划的制定原则
1.道路工程特征相似性原则
2.地表气候区域差异性原则
3.自然气候因素既有综合又有主导作用的原则
二、公路自然区划的划分
我国公路自然区划分为三个等级。
1.一级区划:
七个一级区
2.二级区划:
依据潮湿系数K,将全国分为33个二级区和18个二级副区。
3.三级区划:
1)以水热、地理和地貌为依据,分为若干个具有相似性的区域单元;
2)以地表的地貌、水文和土质为依据分为若干个类型单元。
§1-6路基水温状况及干湿类型
一、路基湿度来源
(1)大气降水;
(2)地面水; (3)地下水; (4)毛细水;
(5)水蒸汽凝结水;(6)薄膜移动水。
二、大气温度对路基水温状况的影响
冻胀:
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。
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。
翻浆:
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。
经重车反复作用,路基路面结构会产生较大的变形,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。
三、路基干湿类型
1.干湿状态
干燥、中湿、潮湿和过湿。
要求路基处于干燥或中湿状态。
2.分界标准
干湿类型以分界稠度wc1、wc2和wc3来划分。
稠度wc定义:
土的含水量w与土的液限wl之差与土的塑限wp与液限之差wL的比值。
即
wc=(wL-w)/(wL-wp)(1.1)
3.公路干湿类型确定:
1)对于原有公路,按不利季节路槽底面以下80cm深度范围内路基土的平均稠度确定。
2)对于新建道路,可用路基临界高度为标准来确定。
路基临界高度:
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。
§1-7路面结构及层位功能
一、路面横断面 1.槽式横断面 2.全铺式横断面
二、路拱横坡度
路拱:
横坡度 横坡度:
行车、排水
三、路面结构分层及层位功能
1.面层
特点:
直接同行车和大气接触,承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用,受到降水的浸蚀和气温变化的影响。
要求:
具备较高的结构强度,抗变形能力,较好的水稳定性和温度稳定性,耐磨,不透水;其表面还应有良好的抗滑性和平整度。
材料:
水泥混凝土、沥青馄凝土、沥青碎(砾)石混合料、砂砾或碎石掺土或不掺土的混合料以及块料等。
分层:
分两层或三层铺筑。
水泥混凝土路面也有分上下两层铺筑。
2.基层
特点:
承受由面层传来的车辆荷载的垂直力,并扩散到下面的垫层和土基中去。
要求:
是路面结构中的承重层,具有足够的强度和刚度,并具有良好的扩散应力的能力,具有足够的水稳定性。
材料:
主要有各种结合料(如石灰、水泥或沥青等)稳定土或稳定碎(砾)石、贫水泥混凝土、天然砂砾、碎石或砾石、片石、块石或圆石,各种工业废渣(如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等)和土、砂、石所组成的混合料等。
分层:
分两层或三层。
3.垫层
特点:
改善土基的湿度和温度状况;扩散基层传下的荷载应力。
要求:
水稳性、隔温性。
材料:
松散粒料,砂、砾石;稳定类垫层,水泥、石灰稳定。
§1-8路面的等级与分类
一、路面类型
面层类型
适用范围
沥青混凝土
高速公路、一级公路、二级公路、三级公路
水泥混凝土
高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路
沥青贯入、沥青碎石
沥青表面处治
三级公路、四级公路
砂石路面
四级公路
二、路面分类
1.柔性路面
总体结构刚度较小,产生较大的弯沉变形,抗弯拉强度较低,土基承受较大的单位压力。
主要靠抗压强度和抗剪强度承受车辆荷载的作用。
包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎(砾)石面层或块石面层组成的路面结构。
2.刚性路面
主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。
抗弯拉强度高,较高的弹性模量,较大的刚性。
竖向弯沉较小,路面结构主要靠水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载,通过板体的扩散分布作用,传递给基础上的单位压力较柔性路面小得多。
3.半刚性路面
用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎(砾)石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层。
前期具有柔性路面的力学性质,后期的强度和刚度均有较大幅度的增长,但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。
第二章行车荷载、环境因素、材料的力学性质(1课时)
§2-1行车荷载
一、车辆的种类
分为客车与货车两大类。
客车:
小客车、中客车与大客车。
货车:
整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。
路面结构设计——轴重作为荷载标准。
二、车辆的轴型:
我国公路与城市道路路面设计规范中以100kN作为设计标准轴重。
三、汽车对道路的静态压力
1.汽车处于停驻状态下——静态压力。
2.接触压力:
直接取内压力作为接触压力,并假定在接触面上压力是均匀分布的。
3.轮胎与路面的接触面形状:
近似于椭圆形,在工程设计中采用圆形接触面积。
4.当量的圆:
将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载,并采用轮胎内压力作为接触压力p,轮胎与路面接触圆的半径可以按式(2.1)确定。
5.标准轴载
我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ—100的P=100/4kN,p=700kPa:
d100=0.213m,D100=0.302m
四、运动车辆对道路的动态影响
运动状态的汽车:
垂直静压力、水平力、振动力。
动力影响还有瞬时性的特征。
五、交通分析
1.交通量
2.交通量预测
在路面结构设计中,通过调查分析确定初始年平均日交通量N1,进一步计算设计年限内累计交通量Ne。
3.标准轴载等效换算
汽车的轴载与通行次数可以按照等效原则换算成标准轴载的作用次数。
4.轴迹横向分布
§2-2环境因素影响
1.温度变化对路面的影响 2.温度变化预测 3.大气湿度
§2-3土基的力学强度特性
一、路基受力状况
路基:
自重、轮重 设计:
路基受力在路基弹性限度范围内轮载引起的垂直应力:
自重垂直应力
二、路基工作区
概念:
在路基某一深度处,当车轮荷载引起的垂直应力与路基土自重引起的垂直应力相比所占比例很小(1/10-1/5),该深度范围内的路基称为应力工作区。
工作区内:
强度、稳定性重要,压实度提高。
三、路基土的应力——应变特性
路基土变形:
弹性、塑性
试验:
压入承载板试验和三轴压缩试验
绘应力与回弹变形的关系——非线性
应力——应变特性:
非线性、弹塑性
模量:
初始切线模量、切线模量、割线模量、回弹模量
四、重复荷载对路基土的影响
塑性变形积累:
土的性质、相对荷载、荷载作用的性质
§2-4土基的承载能力
土基承载能力:
路基顶面在一定应力级位下抵抗变形的能力。
一、土基回弹模量
二、地基反应模量
三、加州承载比
§2-5路基的变形、破坏及防治
一、路基的主要病害
1.路基沉陷
2.边坡滑塌 路基边坡滑塌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。
主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的。
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。
3)碎落和崩塌:
路堑边坡风化岩层表面从坡面上剥落。
4)路基沿山坡滑动:
整个路基沿倾斜的原地面向下滑动。
5)不良地质和水文条件造成的路基破坏
二、路基病害防治
1.正确设计路基横断面。
2.选择良好的路基用土填筑路基。
3.采取正确的填筑方法,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。
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,砂垫层以疏干土基。
7.采取边坡加固、修筑挡土结构物、上体加筋等防护技术措施,以提高其整体稳定性。
第三章一般路基的设计(1课时)
§3-1路基设计的一般要求
路基设计根据路线平、纵、横设计,精心布置,确定标高。
路基承受的行车荷载,主要作用在应力作用区范围之内。
路基的整体结构中包括各项附属设施。
一般路基:
指在良好地质与水文等条件下,填方高度和挖方深度不大的路基。
——选用典型断面图。
特殊路基:
对于超过规范规定的高填、深挖路基,以及地质和水文等条件特殊的路基。
——进行个别设计和验算。
§3-2路基的类型与构造
路基横断面的典型形式——路堤、路堑和填挖结合等三种类型。
路堤:
指全部用岩土填筑而成的路基。
路堑:
指全部在天然地面开挖而成的路基。
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。
一、路堤
按路堤的填土高度不同,划分为矮路堤、高路堤和一般路堤。
矮路堤:
填土高度小于1.0-1.5m;
高路堤:
填土高度大于18m(土质)或20m(石质)的路堤;
一般路堤:
填土高度在1.5m-18m范围内的路堤。
矮路堤常在平坦地区取十困难时选用,满足最小填土高度的要求。
高路堤的填方数量大,占地多,需进行个别设计。
二、路堑
路堑横断面形式有全挖路基、台口式路基及半山洞路基。
路堑以下的天然地基,要人工压实至规定的密实程度。
三、半填半挖路基
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。
§3-3路基设计
一般路基设计包括以下内容:
(1)选择路基断面形式,确定路基宽度与路基高度;
(2)选择路堤填料与压实标准;
(3)确定边坡形状与坡度;
(4)路基排水系统布置和排水结构设计;
(5)坡面防护与加固设计;
(6) 附属设施设计。
一、路基宽度
二、路基高度
三、路基边坡坡度
四、路基压实
1.压实土的特性:
在最佳含水量条件下,采用一定的压实功能可以达到最大的密实度。
路基土在最佳含水量状态下进行压实可以提高路基的抗变形能力和水稳定性。
2.压实标准:
压实度:
应达到的干密度绝对值与标准击实试验得到的最大干密度之比值的百分率。
§3-4路基附属设施
一、取土坑与弃土堆
二、护坡道与碎落台
三、堆料坪与错车道
第四章路基稳定性设计(2课时)
§4-1边坡稳定性分析原理与方法
一、边坡稳定原理
滑动面的形状与土质有关。
对于粘性土——圆柱形、碗形。
对于松散的砂性土及砂土——平面。
在进行边坡稳定性分析时的假设:
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。
二、边坡稳定性分析的计算参数
(一)土的计算参数
(二)边坡的取值
(三)汽车荷栽当量换算
三、边坡稳定性分析方法
路基边坡稳定性分析方法——力学分析法和工程地质法。
1.力学分析法
数解法:
假定滑动面,按力学平衡原理进行稳定性分析,找出极限滑动面。
图解或表解法:
在计算机和图解分析的基础上,制定成图或表,用查图法或查表法进行边坡稳定性分析。
2.工程地质法:
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,拟定边坡稳定值的参考数据,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。
(一)力学分析法
1.直线法
适用于砂土和砂性土。
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,求出相应的稳定系数Ki值,得出Ki与ωi的关系曲线。
在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。
砂性土:
c=0 K>1.25稳定。
2.圆弧法
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粘性土的路堤与路堑。
1)圆弧法的基本原理与步骤
圆弧法:
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。
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AB,其半径为R,沿路线纵向取单位长度1m。
将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条,其宽一般为2-4m,如图所示。
(2)计算每个土条的土体重G(包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载在内)。
G——法向分力Ni、切向分力Ti;
α为该弧中心点的半径线与通过圆心的竖线之间的夹角。
(3)计算每一小段滑动面上的反力(抵抗力)。
(4)计算滑动力矩和抗滑力矩。
(5)求稳定系数值
2)假定几个可能的滑动面,按上述步骤计算对应的稳定系数。
在圆心辅助线MI上绘出,稳定系数对应于圆心的关系曲线,在该曲线最低点作圆心辅助线MI的平行线,与曲线相切的切点对应的圆心为极限滑动面圆心,对应的滑动面为极限滑动面,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
(1)4.5H法
(2)36°线法
4)稳定系数K取值:
1.25-1.5。
3.表解法
均质、直线形边坡路堤,滑动面通过坡脚,坡顶为水平并伸至无限延远。
§4-2陡坡路堤稳定性
一、陡坡路堤
当路堤修筑在陡坡上,且地面横破大于1:
2.5或在不稳固的山坡上,路基不仅要分析路堤边坡稳定性,还要分析路堤沿陡坡或不稳定山坡下滑的稳定性。
陡坡路堤边坡稳定性分析假定路堤整体沿滑动面下滑,边坡稳定性分析方法可按滑动面形状的不同分为直线和折线两种方法。
二、陡坡路堤边坡稳定性分析方法
1.直线法
基底为单一坡面,土体沿直线滑动面整体下滑时,可用直线滑动面法。
公式见教材。
2.折线法
定义:
滑动面为多个坡度的折线倾斜面时,将滑动面上土体折线划分为若干条块,自上而下分别计算每个土体的剩余下滑力,根据最后一块的剩余下滑力的正负值确定其整体稳定性。
剩余下滑力等于或小于零时,认为稳定;大于零时则不稳定,必须采取稳定措施。
§4-3浸水路堤稳定性
一、渗透动水压力的作用
浸水路堤:
受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等均称为浸水路堤。
河滩路堤:
承受普通路堤所承受的外力及自重力、浮力及渗透动水压力的作用。
特点:
1.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。
2.当水位骤然下降时,其渗透动水压力的方向指向土体外面,剧烈破坏路堤边坡的稳定性,产生边坡凸起和滑坡现象。
3.在高水位时,如路堤两侧边坡上的水位不一致,产生横穿路堤的渗透。
4.凡是用粘性土填筑的浸水路堤(不包括渗透性极小的纯粘土),都必须进行渗透动水压力的计算。
二、渗透动水压力的计算
三、浸水路堤边坡稳定性分析
浸水路堤的破坏一般发生在最高洪水位骤然降落的时候。
采用圆弧法进行浸水路堤边坡稳定性分析,其稳定系数K计算与一般路堤相同。
第五章路基防护与加固(2课时)
§5-1概述
路基防护与加固设施:
边坡坡面防护 沿河路堤河岸冲刷防护与加固 湿软地基的加固处治
1)坡面防护:
作用:
保护路基边坡表面免受雨水冲刷,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。
特点:
不承受外力作用,要求坡面岩土整体稳定牢固。
分类:
植物防护(种草、铺草皮、植树等)——有“生命”(成活)防护——土质边坡
工程防护(抹面、喷浆、勾缝、石砌护面等)——无机物防护——石质路堑边坡。
在一定程度上,有“生命”防护在边坡稳定和改善路容方面,优于无机物防护。
2)堤岸防护与加固:
作用:
对沿河滨海路堤、河滩路堤及水泽区路堤,亦包括桥头引道,以及路基边旁的防护堤岸等。
特点:
主要针对水流的破坏作用而设,起防水治害和加固堤岸双重功效。
分类:
直接和间接两类。
直接防护与加固设施——植物防护、石砌防护与加固两种——植树、铺石、抛石或石笼等。
间接防护——导治结构物,如丁坝、顺坝、防洪堤、拦水坝等,疏浚河床、改变河道。
3)湿软地基加固:
作用:
防止路基沉陷、滑移或产生其他病害。
特点:
湿软地基加固,规模大,造价高,应注意方案比较,研究技术和经济方面的可行性,力求从简,尽量就地取材。
加固方法:
换填土、辗压夯实、排水固结、振动挤密、土工格栅加筋和化学加固等五类。
§5-2坡面防护
一、植物防护
适用条件:
坡高不大,边坡比较平缓的土质坡面。
方法:
种草、铺草皮和植树。
1.种草:
2.铺草皮:
3.植树:
4.拉伸网草皮:
5.固定草种布(也可称植生带):
6.网格固定撒种 沙漠与雪害地区,防护林带可阻沙防雪。
二、工程防护
1.抹面防护:
适于:
石质挖方坡面,岩石表面易风化,但比较完整,尚未剥落,如页岩、泥砂岩、千枚岩的新坡面。
抹面材料:
石灰浆。
抹面厚度:
一般2-10cm。
2.喷浆:
适用于:
易风化而坡面不平整的岩石挖方边坡,厚度一般为5-10cm。
经济的砂浆是用水泥、石灰、河砂及水,按重量比1:
1:
6:
3配合。
干砌片石护面:
单层或双层护面。
护面厚度一般不小于20cm,干砌要勾缝。
3.护面墙:
适用于:
浆砌片石的坡面覆盖层,用于封闭各种软质岩层和较破碎的挖方边坡。
注意:
护面墙除自重外,不承受其他荷重,亦不承受墙背土压力。
设置:
护面墙高一般不超过1
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