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《路基工程》学生用备课

《路基工程》

授课提纲

毕卫国

2015.10

第1章绪论（2学时）

1.1道路工程发展概况

1.2路基工程的特点

1.3公路自然区划

1.5路基稳定性的影响因素

学习要点：

1、了解道路工程发展概况和成就；

2、了解公路自然区划的概念和一级自然区划；

3、掌握路基工程的特点；

4、掌握路基稳定性的影响因素。

1.1道路工程发展概况

道路伴随人类活动而产生，又促进人类社会的进步和发展，是历史文明的象征和科学进步的标志。

1.1.1国内道路工程发展

★古代

新石器晚期——约4000年前，中国有记载的牛马驮运道；

商代——驿道传送；

西周——有了以都市为中心的道路体系，还建立了比较完善的道路管理制度；

西汉、唐、宋、元、明、清各代，道路交通又有发展。

★近代

北洋政府时期——（1912~1928）受外来（汽车）影响，公路建设处于萌芽状态。

北洋政府末，全国公路里程为26110km，大都是晴通雨阻的低级道路；

国民政府时期——（1925~1948）修建各省联络公路，初步形成公路网。

截至1945年，全国公路总里程123720km，1949年能通车的公路不过75000km；

★现代

建国初期——1949年以来，工农业迅速发展，尤其是汽车工业和石油工业的建立和发展，我国公路交通事业得到了迅速的发展。

1978年来——改革开放新时期，开始兴建高速公路，京津塘、沈大、济青、同三和京珠高速投入运行，到2008年底，全国公路通车里程达到358.37万km，其中高速公路总里程为6.03万km。

★规划

中国2005年公布的高速公路网发展规划：

到2020年，基本建成国家高速公路网，高速公路通车总里程将达10万km。

新路网由7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线组成，简称为“7918网”。

高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、舒适地运行提供了良好的条件。

★成就：

道路工程科技工作者，从我国实际和建设需要出发，引进外国的先进技术，反复实践，取得了许多突破性的系列成果：

如公路自然区划、

土的工程分类、

沥青路面结构、

水泥混凝土路面结构、

柔性路面设计理论与方法、

刚性路面设计理论与方法、

路面养护管理等等。

1.1.2国外道路工程发展

英国的苏格兰工程师特尔福德于1815年建筑道路时，采用层式大石块基础的路面结构，这种大块石基础称为特尔福德基层。

1816年英国另一苏格兰的工程师马克当，对碎石路面做了认真的研究。

首先科学地阐述了路面结构的两个基本原则，至今为道路工程所肯定：

一是道路承受交通荷载的能力，主要依靠天然土基，并强调土路基要具备良好的排水，当土路基处于干燥状态下，才能承受交通荷载而不致发生过大沉降；

二是用有棱角的碎石，互相咬紧锁结成为整体，形成坚固的路面。

汽车发明后，其性能不断改善，在速度、安全和舒适方面有很大的提高，原来的道路条件已不能适应，因而有了高速公路的出现。

发达国家公路的发展大致都已经历了四个发展阶段。

1）普及——19世纪末~20世纪30年代。

构成基本的道路网。

2）改善——20世纪30~50年代。

各国除进一步改善公路条件外，开始考虑城市间、地区间公路的有效连接，着手高速公路和干线公路的规划。

3）高速发展——20世纪50~80年代，高速公路和干线公路高速发展。

4）综合发展——20世纪80~90年代初以来。

进一步完善公路网络系统，合理导向、运行安全以及环保等问题，以提高公路网综合通行能力和服务水平。

目前，国外高速公路呈现出了新的发展趋势，主要表现在以下几个方面：

1）形成国际高速公路网；（国际化）

2）实现信息化公路；（信息化）

3）利用卫星检测及控制系统。

（卫星检控化）

1.2路基工程的特点

1.2.1公路的线形与组成

1）公路的线形

公路——是一种条带状（线形）工程构筑物。

什么叫公路路线的线形？

即公路中线在自然空间中的形状。

由于地形、地质条件的限制，公路的中线在平面上由直线段、曲线段组成；在纵面上由上下坡、平坡段及竖曲线组成。

因此，公路中线是一条空间线。

所受影响：

①重复的汽车荷载、②长期的自然因素。

中线的表示方法：

为在设计中充分反映公路各部位的空间关系，便于分析研究，通常将公路分成三个投影面进行分析研究。

即平面图——在水平面上的投影；

纵断面图——在平行于路中线的立面上的投影；

横断面图——在垂直于路中线的立面上的投影。

2）公路的组成

基本组成部分包括：

（也即公路整体的构成）

▲路基、路面、桥梁、涵洞、隧道；

▲防护与加固工程（护坡、挡土墙、护脚等）；

▲排水设施（边沟、截水沟、排水沟、盲沟、跌水、倒虹吸等）；

▲山区特殊构造物（半山桥、明洞）；

▲附属设施（公路标志、护栏、路房、加油站、通信、服务区、绿化等）。

1.2.2路基工程的特点

路基的作用：

路基是路面的基础，承受由路面传递的行车荷载，是公路的主体。

（说明路基路面的关系及重要性）

路基工程具有以下特点：

1）工程量和投资巨大；

一般路基占公路总投资的25-45%、山区可达65%。

2）占地多、涉及面广；

在设计时要尽可能少占用农田，注意农田的保护和恢复。

3）结构复杂多变；

公路沿线地形起伏、地质、地貌和气象特征多变，再加上沿线城镇经济发达程度与交通繁忙程度不一，路基断面形式、防护构造物应根据不同的情况设置。

4）路基与路面相互制约；

路基要为路面提供稳固的地基，路基必须有足够的强度和稳定性，路基是保证路面强度和稳定性的必要前提，合理设计路基，可减少路面的厚度，降低路面造价。

5）路基施工将原有地面自然状态改变；

填挖借弃土石方，涉及当地生态平衡、水土保持、农田水利等自然环境。

6）路基工程对总工期影响最大；

特别是工程量集中、地质与水文条件复杂、施工环境复杂地段。

7）路基质量直接影响公路质量和运营效益、安全等。

1.3公路自然区划

1.3.1自然区划的目的与原则

我国地域辽阔，多山。

从北向南分处寒带、温带、热带；从青藏高原到东部沿海高差4000m。

即所谓：

地带性差异——（不同纬度）北冷南暖

非地带性差异——（同一纬度）西高东低

因此，自然因素差异亦大，公路产生的病害也不相同。

需在路线勘测、路基路面设计、筑路材料选择和施工方案拟定时综合考虑各地区的特征。

根据地理、地貌及气候的差异特点，按三项原则进行划分：

1）道路工程特征相似性原则

同一区划内，在相同的自然因素作用下，筑路具有相似性原则。

如：

北方不利季节主要是春融时期，有翻浆病害；

南方不利季节在雨季，有冲刷，水毁等病害。

2）地表气候区域差异性原则

地表气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。

如：

北半球，北方寒冷，南方温暖；

青藏高原海拔高，虽纬度相同，但气候更加寒冷。

3）自然气候要素既综合又有主导作用原则

即是各种因素综合作用的结果，又有起主导作用的因素。

如：

道路冻害是水和热综合作用的结果。

在南方温度起主导作用，只有水的影响，不会有冻害；

在西北干旱区与东北潮湿区水起主导作用，同样都有负温度，但冻害程度不同。

1.3.2一级自然区划

一级自然区划将全国分为三大地带：

多年冻土、季节冻土、全年不冻土。

再由水热平衡和地理位置划分为七个一级区：

I——北部多年冻土区、

II——东部温润季冻区、

III——黄土高原干湿过渡区、

IV——东南湿热区、

V——西南潮暖区、

VI——西北干旱区、

VII——青藏高寒区。

1.3.3二级自然区划

二级区划仍以气候和地形为主导因素，但具体标志与一级区划有显著差别。

二级自然区划——是在一级区划范围内，依据潮湿系数进一步将全国分为33个二级区和19个二级副区。

（见表1-1，如III3为二级区；III2a为二级副区……）。

有关潮湿系数K值和蒸发量的计算公式规定如下：

（1-1）

式中R——年降水量（mm）；

Z——年蒸发量（mm）。

1.3.4三级自然区划

三级区划是二级区划的进一步划分。

三级区划的方法有两种，一种是按照地貌、水温和土质类型将二级区进一步划分为若干类型单位的类型区别；另一种是按水热、地理和地貌等为标志将二级区进一步划分为若干更低级区域的区域划分。

三级自然区划——未列入全国性的区划，各地自行区划。

1.5路基稳定性的影响因素

路基的稳定性是指：

路基在使用期内，在荷载、温度、水等因素变化影响下，能保持自身有足够完好的整体性，而不发生过大的变形和沉降的能力，从而满足行车要求。

它包括：

强度稳定性、整体稳定性和水温稳定性等。

影响路基的稳定性的因素很多，也比较复杂，一般可以分为自然因素和人为因素两种。

1.5.1自然因素

1）地质和地理条件

平原、丘陵及山区地势各不相同，水温情况各异。

平原区地势平坦——易积聚地面水，地下水位高，路基需保证最小填土高度；

丘陵山区地势起伏——山区地势陡峭，如路基排水设计不当，易导致路基稳定性下降，出现各种变形和破坏现象。

地质条件对路基影响非常大

包括路基所在地段的岩石种类、走向、节理发育情况以及有无断层等。

沿海地区软土地基，其中湿软土基下卧层的厚度、软土层分布情况，是影响路基的强度和稳定性的最主要因素。

2）气候条件

我国南方地区雨季集中，降雨量大，夏季高温，北方地区冬季冰冻等，都会使路基水温情况产生较大变化，水温变化经常会对路基产生不利的影响，在道路选线与路基设计中应予以注意。

3）水文与水文地质

水文条件——如道路沿线地表水的排泄情况，河流洪水位、常水位的高低，有无地表积水和积水期的长短，河岸的冲刷和淤积情况等；

水文地质条件——如地下水位、地下水的移动情况，有无泉水、层间水，裂隙水等。

4）路基填筑材料的性质

不同性质类别的岩土，其水稳定性也不同，选择工程性质良好的土石材料填筑路基，使路基能够充分压实，地下毛细水上升高度小，路基受水的影响小，从而保证路基强度和整体稳定性。

5）植被覆盖

植物覆盖影响地面径流、水土冲刷和导热情况，直接影响地表水对路基的作用。

1.5.2人为因素

1）汽车荷载作用

是一种重复性作用，路基应在一定深度范围内充分压实。

2）路基的结构形式

路基的结构形式包括：

路基的宽度、高度、边坡形式和坡度、防护结构物的形式和排水构造物布置和类型等。

合理选择路基的边坡形式和坡度，做好防护与排水设计，与路基稳定性直接相关。

3）路基施工

合格施工是保证路基工程质量的必要条件，如：

路基要分层填筑、充分压实，在软土地基地段合理处理。

4）养护管理措施

对路基保持经常的养护维修，发现问题及早解决，及时疏通排水设施，使路基保持良好的工作状态。

第2章路基工程概述（4学时）

2.1路基的作用及基本要求

2.2路基土的分类及工程性质

2.3路基水温状况及干湿类型

2.4路基材料力学特性及评价指标

学习要点：

1、掌握路基的作用和基本要求；

2、熟悉各类路基土的工程性质及使用；

3、掌握路基的干湿类型及路基临界高度的概念；

4、熟悉常用表征路基强度的指标。

2.1路基的作用及基本要求

●概念─路基是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物，它贯穿公路全线，与桥梁、隧道相连，构成公路的整体。

●作用─路基是路面的基础，承受由路面传递下来的行车荷载。

坚固且稳定的路基为道路长期承受车辆荷载和自然因素作用提供了重要保证，没有稳固的路基就没有稳固的路面。

正如苏格兰工程师马克当，对碎石路面所做的研究认为：

道路承受交通荷载的能力，主要依靠天然土基。

因此，路基工程对道路的正常使用影响很大。

●形态─由于地形、地质和经济等因素的限制，路基在平面上有弯曲，在竖直方向上有起伏，因此，路基是一条空间曲线。

●工程特点：

①路基施工对原地面自然状态的改变大。

（挖、填、借、弃土涉及当地生态平衡、水土保持和农田水利等自然环境），因此，路基设计和施工必须与当地农田水利建设和环境保护相配合。

②路基工程对全线总工期的影响大。

在工程地质和水文条件复杂的路段，不但工程技术问题多，施工难度大，增加工程投资，而且常成为影响全线工期的关键。

③路基工程质量对公路质量和运营的影响十分重要。

路基质量差，将引起路面沉降变形和破坏，增加养护维修费用，影响行车舒适、安全和道路的服务水平，因此，对路基设计和施工质量必须予以重视，确保路基工程质量。

●基本要求

除断面尺寸应符合设计标准外，为了能够满足路基的功能要求，并保证其适应各种环境，路基还应满足下列基本要求：

1）具有足够的整体稳定性；

2）具有足够的强度；

3）具有足够的水温稳定性。

应做好工程地质勘察工作，查明水文地质和工程地质条件，获取设计所需要的岩土物理力学参数。

特别是在季冻区出现的冻融问题，使路基强度急剧下降，要求在最不利水温变化的条件下，保持路基强度下降显著降低。

另外，还要满足：

（1）应符合安全适用、技术经济合理的要求。

（2）应符合环境保护的要求，减少对生态环境的影响，避免引发地质灾害。

（3）应从地基处理、填料选择、路基强度与稳定性、防护工程、排水系统、以及关键部位路基施工技术等方面进行综合设计。

（4）宜避免高路堤与深路堑，当路基中心填方高度超过20m、中心挖方深度超过30m时，宜结合路线方案与桥梁、隧道等构造物或分离式路基作方案比选。

（5）受水浸淹路段的路基边缘标高，应不低于路基设计洪水频率的水位加壅水高、波浪侵袭高，以及0.5m的安全高度。

（6）高等级公路的高边坡路堤、陡坡路堤、挖方高边坡、滑坡、软土地区路基必须以完整的施工设计图为基础，适用于路基施工阶段。

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状况、施工情况和变形、应力监测的反馈信息，必要时对原设计做校核、修改和补充，应采用动态设计法。

（7）提倡采用成熟的新技术、新结构、新材料和新工艺。

2.2路基土的分类与工程性质

2.2.1路基土的分类

土——是由不同粒径的土颗粒组成。

地壳表面上土的成因是各不相同的，其工程性质、地质性质也相差很大。

用来筑路时，会对路基的强度和稳定性产生很大影响。

所以，选择用土时必需对其工程特性进行区分。

我国公路用土分为：

巨粒土（块石、碎石、卵石）、

粗粒土（砾、砂）、

细粒土（粉粒、粘粒）、

特殊土（泥炭、腐植土、易溶岩类土等）

《公路路基设计规范》中又根据不同粒径的组成比例特征，将路基土分成五类：

砂土、砂性土、粉性土、粘性土、重粘土。

作为路基用土，以上五类路基土，各有不同的工程性质。

2.2.2路基土的工程性质

砂土：

无塑性、透水性好、内摩阻系数大、路基强度高、水稳性好；但是，粘性差、易松散、压实困难。

砂性土：

具有粗粒使路基有足够的强度和水稳性，又具有细粒使路基有一定的粘结力、不分散，遇水干得快、不膨胀，干时粘结好、少飞尘。

是修筑路基的良好材料。

粉性土：

干时飞尘大，湿时呈泥巴，毛细水上升高度大，冬季冻害多，称为翻浆土。

是最差的筑路材料。

粘性土：

透水性差、粘结力大、干时坚硬，可塑性较好。

粘结性、膨胀性毛细现象显著。

比粉性土好较砂性土差。

填筑时应充分压实，且设置良好的排水系统。

重粘土：

一般情况下与粘土相似，受矿物质成分影响，不透水，粘结力强，干时硬、湿时胀。

总之，土作为路基建筑材料，以

砂性土，最优，

粘性土，次之，

粉性土，属不良材料，最容易引起路基病害，

重粘土，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。

2.2.3路基土的工程分级及野外鉴定

路基土开挖施工中，按开挖难易程度分为6级：

松土、普通土、硬土、软石、次坚石、坚石。

2.3路基水温状况及干湿类型

2.3.1路基水温状况及对路基稳定性的影响

路基湿度受水的来源影响，同时也受当地大气温度的影响。

由于温度与湿度变化对路基产生的共同影响称为路基的水温状况。

路基潮湿的来源

大气降水；地表积水；地下水；水汽凝结水。

（如图2-1所示）

潮湿的来源不同，对路基影响各不相同。

路基的稳定性

即反映在各种外界因素作用下，路基保持其强度的性质。

如：

水的作用下——水稳性；

温度的作用下——温度稳定性。

路基稳定性本身也包含两方面的含义：

整体稳定性、强度稳定性。

我国各地区的气候影响因素变化较大，

因此，在路基设计中，要充分考虑当地的自然环境、土基、水温状态，采取不同措施以保证在各季节、各种气候条件下（即使在最不利季节），路基都具有足够的强度和稳定性。

概念：

最不利季节——土基强度最低的季节。

（如：

南方为雨季、北方为春融季节）

除了正确选择路基断面形式、坡度、土质、加固边坡外，其它措施都主要表现在如何避开或防止水的作用和影响方面。

干湿状态是确定路面结构和厚度的重要影响因素。

路基干湿类型划分的指标：

一般用土的稠度（wc）来划分。

根据土的平均稠度大小，将路基干湿类型分为四类：

干燥、中湿、潮湿、过湿

在实际应用中的意义和作用：

①对已建成公路路基干湿状况评价；

②对新建公路路基提出设计要求。

——即合理确定路基高度问题。

对不同区划内路基，针对其干湿类型有不同的填筑高度，路基高度设计时，应尽量使路基处于干燥或中湿，避免处于潮湿，过湿状态。

也即是，当

H＞H1——路基为干燥、

H1≥H＞H2——路基为中湿、

H2≥H＞H3——路基为潮湿、

H≤H3——路基为过湿。

引入重要概念：

路基临界高度——指在最不利季节，当路基分别处于干燥、中湿、潮湿状态时，路槽底距地下水位或长期地表积水水位的最小高度（分别用H1、H2、H3表示）。

（也有：

临界高度H——是指在最不利季节，路基处于不同干湿类型所需的路床底面距地下水或地面水的最小高度，或与分界稠度相对应的路基离地下水或地表积水水位的高度。

）

不同土质和自然区的路基临界高度（大于或等于干燥、中湿状态所对应的临界高度）参见P37（表2-7）所示。

2.4路基材料力学特性及评价指标

2.4.1路基的受力与路基工作区

（1）路基受力状况

理想的设计可使路基受力时，只产生弹性变形，车辆过后可以恢复原状，以保证路基的稳定、不受破坏。

▲随着路基深度的增加，行车荷载分布规律为：

上式简化后为：

式中

▲土基自重引起的

式中：

——土的容重。

▲土基中任意一点受力的竖向应力是、的叠加

（2）路基受力工作区

由图可知，各应力是随路基的深度而变化的。

在路基某一深度Za处，行车荷载的应力仅为土基自重的1/5～1/10，也即行车荷载对路基强度和稳定性影响很小了，不起作用了，可以忽略了。

我们把车载起作用的这一深度范围Za，叫应力作用区或路基工作区。

可以推出：

（分别代入即得）

一般在路基顶面以下0.8m，有的视此部分路基为路面结构的路床。

当然，随车载的增加，应力作用区深度亦随之加深。

（见表2-8）

根据路基工作区的概念，对不同的路基填筑高度（H）有不同的设计要求:

Za＜H——在工作区内的土质选择、含水量、压实度等均应满足设计要求；

Za＞H——此时，除对填筑部分满足上述要求外，地基上部土层也应满足设计要求，并作相应处理。

2.4.2路基材料力学特性

研究土基（路基）强度和变形特性的意义

路基是路面结构的支承体，轮载通过路面传到路基。

因此路基的强度和变形特性对路面结构的整体强度和刚度有很大影响，在路面结构的总变形中，路基的变形占很大部分，约为70%~95%。

路面结构的破坏，除其本身原因外，也主要由于路基过大变形所引起。

因此，研究路基的强度和变形特性对路面设计具有重要意义。

路基的l-p特性曲线：

图2-12l-p曲线是以压入承载板试验所得的土基竖向变形和压力的关系曲线，从中可知路基土受荷产生的变形中包含着弹塑性变形的非线性性质。

路基变形分三个阶段：

Ⅰ阶段—弹性阶段。

土基受弹性压缩，变形发展缓慢，l-p曲线近似呈直线变化。

Ⅱ阶段—弹塑性变形阶段。

外力作用下的变形增长较快，土基已产生塑性变形。

Ⅲ阶段—变形失稳阶段。

出现弹塑性变形后，如果压力继续增加，最后使土基失去抵抗变形的能力，此时即使荷载不再增加，变形亦不能稳定下来，随作用时间的增加而达到破坏。

变形的结果：

土基在荷载的重复作用下，产生的变形积累，可能导致两种不同的结果：

一是土颗粒之间进一步靠拢，土体逐渐密实，这对提高土基的强度和刚度有利；

二是当荷载重复次数过多或荷载过大时，会形成引起土体整体破坏的剪切面，造成土基破坏。

2.4.3土基的强度指标

路基强度——是指路基抵抗外力作用而不破坏的能力。

表征土基强度有以下指标：

①回弹模量（E0）

其力学模型为弹性半空间体，表征路基的应力-应变特性。

（是指路基、路面及筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值，土基回弹模量表示土基在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力，如果垂直荷载为定值，土基回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小；如果竖向位移是定值，回弹模量值愈大，则土基承受外荷载作用的能力就愈大，因此，路面设计中采用回弹模量作为土基抗压强度的指标。

）

②土基反应模量（K0）

介绍文克勒地基模型，认为：

土基上任一点的反力与该点的挠度成正比而与其它点无关。

（土基回弹模量是表征弹性半空间体地基荷载与变形的关系；地基反应模量是表征文克勒地基的变形特性。

）

原捷克斯洛伐克工程师文克勒（Winkler）1876年提出的，其基本假定是地基上任一点的弯沉l，仅与作用于该点的压力P成正比，而与相邻点处的压力无关，反映压力与弯沉值关系的比例常数K称为地基反应模量。

根据上述假定，可以把地基看作是无数彼此分开的小土柱组成的体系，或者是无数互不相联的弹簧体系，文克勒地基又可称为稠密液体地基，地基反应模量K相当于液体的密度，地基反力相当于液体的浮力。

如图2-13所示。

③CBR值（加州承载比Californiabearigratio）

　　是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试验方法。

承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值。

式中P—某一贯入度的土基单位压力；Ps—标准单位压力，P48表2-9。

④抗剪强度

库仑公式，适用于边坡稳定性和挡土墙土压力计算。

orτ=c+σ·f

第3章一般路基设计（4学时）

3.1路基设计的基本内容

3.2路基横断面类型与构造

3.3路基设计

3.4路基附属设施

学习