第七章 高速公路路基路面設(shè)計(jì)

1、第七章 高速公路路基路面設(shè)計(jì)第一節(jié) 概述一、路基工程作用：路基作為路面的基礎(chǔ)，與路面共同承擔(dān)汽車荷載的作用1、要求：具有足夠的整體穩(wěn)定性；在天然地表上開挖或填筑路基，會(huì)改變?cè)貙拥氖芰顟B(tài)，破壞原地層的自然平衡狀態(tài)而導(dǎo)致路基失穩(wěn)。措施：排水、防護(hù)、加固具有足夠的抗變形能力。路基和路基下的土基，在自重或車載作用下產(chǎn)生較大的形變，會(huì)使路面過早損壞和影響路面的使用性能。措施：加固軟弱地基，改善水溫狀況等2、路基構(gòu)造的類型：路堤高于原地面，由填方構(gòu)成的路基為路堤。填高為1米的，屬于矮路堤；120米之間為一般路堤；超過20米的為高路堤。路塹低于原地面，由挖方構(gòu)成的路基為路塹，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性予以充分注

2、意。半填半挖這重路基是路塹與路堤的綜合形式，主要設(shè)置在比較陡的山坡上。將挖出的土石方，作為填筑的土石方，可以節(jié)省土石方，比較經(jīng)濟(jì)，給施工帶來方便。3、路基設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)路基橫斷面形狀和邊坡坡度；道路排水系統(tǒng)及構(gòu)造物的設(shè)計(jì)；路基穩(wěn)定性分析，以及防護(hù)和加固措施的設(shè)計(jì)。二、路面工程1、要求良好的平整度；路面不平整使行車顛簸，舒適性和速度下降，車輛運(yùn)行成本增加，可能引發(fā)交通事故，也將加速路面的損壞。措施：靠?jī)?yōu)質(zhì)的施工機(jī)具，精細(xì)的施工工藝，嚴(yán)格的施工質(zhì)量管理和良好的養(yǎng)護(hù)來實(shí)現(xiàn)和保證足夠的抗滑能力；指路面與車輪之間的附著力措施：可采用堅(jiān)硬、耐磨和表面粗糙的集料修筑路表面層，也可通過一些工藝措施，如刻槽

3、來實(shí)現(xiàn)。足夠的承載能力；路面結(jié)構(gòu)必須具有足夠強(qiáng)度、抗變形能力和耐久性。高速公路路面還應(yīng)滿足低噪聲、美觀和雨天不濺水等要求。2、路面的構(gòu)造路面結(jié)構(gòu)層路肩給面層、基層和墊層一個(gè)側(cè)向支承保護(hù)和拱車輛臨時(shí)?？?。路拱內(nèi)部排水設(shè)施3、路面結(jié)構(gòu)層1）面層受力特點(diǎn)：直接承受行車荷載（垂直荷載和水平荷載）和大氣（溫度和濕度）的作用。 要求：良好的平整度、抗滑性能和足夠的承載能力，以及密水性。材料：水泥混凝土、瀝青混合料。2）基層受力特點(diǎn)：擴(kuò)散面層傳下的豎向力，要求：具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的水穩(wěn)定性，材料：各種結(jié)合料（水泥、石灰、瀝青）處治碎石和工業(yè)廢渣混合料3）墊層介于基層和土基之間的層次作用：改善土基的濕

4、溫狀況，以保證路基、路面的強(qiáng)度穩(wěn)定性和抗凍脹能力 材料：砂、礫石材料組成的透水墊層水泥或石灰穩(wěn)定土組成的穩(wěn)定墊層磨耗層4、路面設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容路面結(jié)構(gòu)層的選擇和組合方案的提出；各結(jié)構(gòu)層混合料的組成設(shè)計(jì)；各結(jié)構(gòu)層的厚度設(shè)計(jì)；方案的工程經(jīng)濟(jì)分析和比選，確定實(shí)施方案。第二節(jié) 路基設(shè)計(jì)一、路基的受力狀況一般情況下，路基承受兩種荷載 ：一是路面和路基自重引起的靜力荷；路基土因自重引起的垂直應(yīng)力與深度成正比例。另一種是車輪引起的動(dòng)力荷載。路基在車輪荷重作用下所引起的垂直應(yīng)力隨深度而減弱。二、路基的工作區(qū)當(dāng)荷載引起的應(yīng)力僅為自重應(yīng)力的20%-10%時(shí)，荷載應(yīng)力影響的深度作為工作區(qū)的深度。 Za該深度Za 隨車

5、輛荷載增大而增大，隨路面的強(qiáng)度和厚度的增加而減小。 路基工作區(qū)深度有兩種情況： Za 大于路基填土高度； Za 小于路基填土高度。三、路基的強(qiáng)度和強(qiáng)度指標(biāo)路基的強(qiáng)度，用抵抗相對(duì)滑動(dòng)位移變形和豎直位移變形的能力，作為具體指標(biāo)來表征。1. 抗剪強(qiáng)度在路基邊坡內(nèi)，當(dāng)路基強(qiáng)度不夠，不能抵抗剪應(yīng)力的作用。便會(huì)沿某一剪切面產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)于是邊坡破壞，穩(wěn)定喪失。土體必須具有抵抗此變形能力，用抗剪強(qiáng)度表示。見公式9-5 土體的抗剪強(qiáng)度取決于土的粘結(jié)力C 和內(nèi)摩擦角。土的顆粒越細(xì)，粘聚力越大。沙土的粘聚力很小或沒有，由于粘聚力不如內(nèi)摩擦力影響大，因此土的顆粒越大，抗剪強(qiáng)度就越高。2. 回彈模量通過路面?zhèn)鞯酵粱拇?/p>

6、直壓力，使土基產(chǎn)生一定程度的豎向位移變形，假設(shè)土基是均質(zhì)的彈性體，在圓形垂直均布荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系時(shí)，可用彈性理論來解荷載與變形之間的關(guān)系。見公式9-1從上述的公式可以看出，土基回彈模量，表示土基在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力.四、路基防護(hù)與加固路基防護(hù)與加固工程，按其作用的不同，可以分成：1、沖刷防護(hù) 它的作用是防護(hù)水流對(duì)路基的沖刷和淘刷。 按方法的不同，又可以分為直接防護(hù)和間接防護(hù) 。 沿河路基防止水流沖刷的措施，一種是加固岸坡的直接防護(hù)；另一種是改變水流性質(zhì)的間接防護(hù)。直接防護(hù)，除坡面防護(hù)和石砌護(hù)坡外，還有拋石、石蘢、柔性混凝土塊及浸水擋土墻等防護(hù)

7、方法。間接防護(hù)，包括各種導(dǎo)流與調(diào)治構(gòu)筑物，如丁壩、順?biāo)畨渭皵r河壩等。2、坡面防護(hù) 用來防護(hù)容易受到自然因素影響而破壞的土質(zhì)與巖質(zhì)邊坡。1）、植物防護(hù)措施： 種草用于防止表面水土流失，固結(jié)表土，增加路基的穩(wěn)定性。鋪草皮適用于當(dāng)?shù)赜凶銐蛲谌∈褂玫牟萜さ囟温坊雷o(hù)。植樹2）、 坡面處治對(duì)巖石邊坡無法用植物防護(hù)時(shí)，可選用坡面處治，如抹面、噴漿、勾縫、灌漿、錨固等方法防護(hù)； 抹面使用于易風(fēng)化而表面較完整，還未剝落的巖石邊坡； 噴漿用于易風(fēng)化和坡面不平的巖石邊坡 ，厚度一般為2cm ； 勾縫用于較堅(jiān)硬且裂縫多而細(xì)的巖石邊坡以防水侵人巖層內(nèi)造成破壞； 灌漿用于較堅(jiān)硬但裂縫深和寬的巖石邊坡師坡面表層成為防水的

8、整體。3）、護(hù)面墻 為了覆蓋各種軟質(zhì)巖層和較破碎巖石的挖方邊坡，免受大氣因素影響而修建的墻，稱為護(hù)面墻。3、支檔建筑物 是防止路基變形或支檔路基本身以保證其穩(wěn)定性。 為了使概念明確，一般把防止沖刷和風(fēng)化，主要起隔離作用的措施稱為防護(hù)工程，而把防止路基或山體因重力作用而滑塌，主要起支撐作用的支檔結(jié)構(gòu)物稱加固工程。1）、擋土墻的用途和分類 它是用來支撐路基邊坡或山坡土體，以防填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)筑物。 按其所在位置可分為路肩墻、路堤路塹墻、山坡墻等。2）、擋土墻的構(gòu)造一般由墻身、基礎(chǔ)、排水設(shè)施和伸縮縫幾部分構(gòu)成。 墻身構(gòu)造可作成仰斜、附斜、直立、衡重式。仰斜擋墻墻背所受土壓力小，墻背比較經(jīng)濟(jì)。但

9、基礎(chǔ)外移，地面橫坡比較陡時(shí)，增加墻高，斷面增大；俯斜式所受土壓力較大，通常在地面坡度較陡時(shí)采用，借助于陡直的墻面，減小高度；衡重式在上下墻之間設(shè)一衡重臺(tái)，采用陡直的墻面，適宜于陡峻的地形。 墻背的坡度一般在1：0.0251：0.4，仰斜式坡度在1：0.25左右。 基礎(chǔ)基礎(chǔ)的埋深應(yīng)按地基的性質(zhì)、承載力要求、凍脹的影響、水文地質(zhì)條件來定。一般情況下，地表下不小于1米。 排水設(shè)施在墻身適當(dāng)高度處設(shè)一排泄水孔，間距2-3米，出水口高出地面0.3米。 沉降縫為避免地基不均勻沉陷引起墻身開裂，按高度和地基的性質(zhì)，設(shè)置沉降縫。一般每隔1015米設(shè)一道。寬2-3厘米。五、路基排水1、根據(jù)來源的不同，水流可分為

10、地面水和地下水。地面水主要是經(jīng)由降水形成的地面徑流。地下水分為：上層滯水 從地面入尚未深達(dá)下層的土中水；潛水 在地面以下第一個(gè)隔水層以上的含水層中的水，距地面較近； 層間水 在地面以下任何兩個(gè)隔水層之間的含水層之間的地下水。 目的是把路基工作區(qū)內(nèi)的土基含水量降低到一定的范圍，土基含水量過大，會(huì)引起土質(zhì)松軟，強(qiáng)度降低，邊坡塌方，基身沉陷或滑動(dòng)，影響交通。2、地面排水邊溝設(shè)計(jì)位置設(shè)置在路塹的路肩外側(cè)或路堤坡腳外側(cè)，主要用于匯集和排除路基范圍內(nèi)以及流向路基的小量地面水，當(dāng)流量不大時(shí)，可采用標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。橫斷面形式邊溝的橫斷面形式常為梯形或三角形，也有流線型和矩形。底寬與深度一般不小于0.4 m。 邊溝

11、的邊坡：一般為1：1-1：1.5，巖石邊坡為1：0-1：0.5。 溝底縱坡：一般與路線縱坡一致，并不得小于0.5%，若大于3%時(shí)，需采取加固措施。 為防止邊溝水流漫溢或沖刷，規(guī)定單向排水長(zhǎng)度每300500米設(shè)出水口，把水引到低洼處。截水溝設(shè)計(jì) 作用截水溝設(shè)在離路塹邊緣一定距離和山坡路堤上方的適當(dāng)位置，用來攔截山坡流向路基的水流。其縱坡不小于0.5%，以免水流停滯。 斷面形式一般為梯形，底寬、深度不小于0.5米，邊坡坡度根據(jù)土質(zhì)而定。 位置最好能與絕大部分地面水流的方向垂直，轉(zhuǎn)折處最好用曲線連接，在路基邊坡到分水嶺的距離長(zhǎng)而降雨量又大的低段，可設(shè)置一道或幾道差不多平行的截水溝，分段攔截地面徑流。

12、排水溝設(shè)計(jì)目的就是為了將水從路基導(dǎo)入低洼地或其他排水構(gòu)造物中去。斷面形式一般采用梯形，大小應(yīng)通過計(jì)算確定，但水量較小時(shí)，可以不用計(jì)算而直接采用底寬0.5米的最小斷面，溝深也不小于0.5米。排水溝的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要來定，通常在500米左右。跌水與急流槽山嶺重丘區(qū)，排水溝渠樅坡較陡，水流急沖刷力強(qiáng)。為減小流速，降低水流的能量，防止對(duì)路基的危害，大多設(shè)跌水和急流槽。構(gòu)造：進(jìn)水口、臺(tái)階、出水口。臺(tái)階部分的作用在于消能。3、地下排水暗溝暗溝是指地面以下引導(dǎo)水流的溝渠，本身不起滲水和匯水作用。當(dāng)路線通過地區(qū)路基范圍內(nèi)出現(xiàn)了個(gè)別泉眼，泉水上冒，路線不能繞避時(shí)，在其與邊溝之間開挖溝槽，修建暗溝，把泉水排除。&

13、#216; 暗溝的斷面尺寸不必經(jīng)過水力計(jì)算來確定。溝寬一般是 2030cm ，溝 底縱坡不小于 1%，出口處溝底應(yīng)高出邊溝最高水位 20cm 以上，不允許 出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象 滲溝 Ø 滲溝的構(gòu)造一般分為三形式，即盲溝、管式滲溝和洞式滲溝。 利用片石的空隙作為排水通道的稱為盲溝； 底部設(shè)滲水管作為排水通道的，稱為有管式滲溝； 底部用滲水石板涵作排水通道的稱為排水通道的稱為洞式滲溝。 Ø 它們的構(gòu)造基本相同，斷面通常為矩形，頂部為覆蓋層或叫做封閉層， 側(cè)面為反濾層，底部為排水通道。 Ø 滲溝布置盡可能與地下水流相互垂直，使之能攔截更多的地下水。 滲水井 Ø 作用

14、 是將地面水通過滲井深入地下，將其排除。 Ø 修建條件 路線經(jīng)過的地區(qū)，地形平坦，地面水無法排除，而離地面不深的地方有滲 透性土層，而且地下水背離路基，可以建豎井或吸水井一樣的豎井。用這個(gè) 設(shè)施把邊溝中的水引導(dǎo)到原離路基以外，并匯集于路基范圍以外離地面 1.5 米以下的土層中去，以保證路基的穩(wěn)定。 第三節(jié) 路面設(shè)計(jì) 一、路面材料的力學(xué)性能 路面材料：粒料、瀝青混合料和水硬性混合料。 粒料： 顆粒狀材料，如碎石、礫石、天然砂礫、爐渣等。 Ø 常用于修筑底基層和墊層。 Ø 粒料的回彈模量隨主應(yīng)力增大、側(cè)限應(yīng)力減小而下降。 瀝青混合料： 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與溫度和荷載作用時(shí)間

15、有關(guān)： Ø 在低溫時(shí)，呈現(xiàn)彈性； Ø 在高溫時(shí)，變?yōu)閺椪承曰驈椪乘苄泽w。 水硬性混合料 常見有：石灰穩(wěn)定類、水泥穩(wěn)定類、工業(yè)廢渣混合料和水泥混凝土等。 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： Ø 在加載前期，近似為線彈性； Ø 在加載后期，呈現(xiàn)為非線性。 二、路面設(shè)計(jì)理論 Ø 層狀彈性體系理論 假設(shè)： ü 各層由勻質(zhì)、各向同性、無質(zhì)量的線彈性材料組成，其力學(xué)參數(shù)為彈性 模量和泊松比； ü 最下層為水平方向無限的半無限體，其上各層為水平向無限但豎向同厚； ü 各層間應(yīng)力和位移完全連續(xù)，或豎向應(yīng)力和位移連續(xù)，但水平力為零； ü 最下

16、層無限深處的應(yīng)力和位移均為零。 見圖 9-5 Ø 彈性地基上薄板理論 假設(shè)： ü 路面板為等厚的彈性體，其力學(xué)參數(shù)有彈性模量、泊松比和厚度 h； ü 豎向應(yīng)變可以忽略； ü 法平面在變形前后均保持平面并垂直中面； ü 板中面無水平位移； ü 地基與板之間無摩阻力。 三、瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 瀝青路面在行車荷載和環(huán)境的重復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的主要損壞有： Ø 車轍 Ø 疲勞開裂 Ø 反射裂縫 Ø 低溫開裂 Ø 推移、擁包 瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)： Ø 路表彎沉指標(biāo) 控制路基路面結(jié)構(gòu)總變形，以防止出現(xiàn)沉陷、車轍等整體強(qiáng)度不足的損壞。 Ø 拉應(yīng)力指標(biāo) 防止路面結(jié)構(gòu)因疲勞抗拉強(qiáng)度不足而出現(xiàn)的疲勞開裂。 Ø 剪切指標(biāo) 控制高溫時(shí)瀝青混凝土表面材料因抗剪能力不足而造成推擠等破壞。 四、水泥混凝土路面結(jié)