轨道与路基工程设计计算书.docx
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轨道与路基工程设计计算书
轨道与路基工程
设
计
计
算
书
Ⅰ概述
Ⅱ路基横断面设计
Ⅲ施工方法及程序
Ⅳ路基边坡稳定性验算
Ⅴ轨道与路基工程课程设计图
Ⅵ参考文献
第一部分概述
一、课程设计目的及任务概述
轨道与路基工程课程设计是对轨道交通路基工程课堂教学的必要的补充和深化，通过设计让学生更加切合实际地和灵活地掌握基本理论，设计理论体系，加深对路基工程设计方法和设计内容的理解，进而提高和培养学生分析、解决工程实际的能力。
本课程设计的主要是路基横断面设计、边坡稳定性验算及施工工序及工法概述三部分内容。
查阅相关的文献资料，再结合当地的气候条件、地质条件、水文条件以及给定的交通条件，拟定路基横断面设计方案，对路基本体、排水系统进行设计、计算，进行整个边坡稳定性分析计算，根据稳定性分析的结果设计相应的防护和支护系统，最后根据设计内容，写出对应的施工工序及注意事项。
二、课程设计内容
设计任务，主要内容包括：
路基本体及排水设备设计、路基边坡稳定性分析及防护设备设计，施工工序及工法。
1.路基本体部分：
确定路基横断面形式、路基面宽度、路肩宽度、路基基床厚度及填料、边坡坡度、路基基底；
2.路基排水设备：
排水设备形式及截面尺寸；
3.边坡稳定性分析：
假设危险滑动面，计算对应安全系数；
4.特殊路基处理：
选择合适的处理方法，写出处理过程；
5.施工工序：
路基施工工序及相关的注意事项。
三、设计资料
1.基本资料
线路标准：
单线Ⅰ级铁路；
轨道类型：
重型；
旅客列车设计行车时度：
160km/h；
线路位于某山岭地区，选线工作已经完成，如附图1所示，该地区年平均降雨量300mm，且无河流、地表水及地震的的影响，此地段表层为残积土（重度γ=18KN/m3，粘聚力C=20Kpa，内摩擦角φ=22），覆盖厚度为5m，下层为强风化花岗岩，经测定地段路基承载力满则设计规范要求。
其中DK25+100-DK26+450段内的坡洪积（Q4dl+pl）与坡残积（Q4dl+el）黏土均为膨胀土。
具吸水膨胀、软化，失水收缩开裂的特征，边坡易失稳。
对路基挖方有较大影响，填方影响小。
2.场地地形图及线路平面图如图1所示：
图1场地地形图及线路平面图
3.纵断面图
图2 纵断面图
4.填土参数
表1填土参数
填土名称
重度kN/
粘聚力Kpa
内摩擦角
残积土
18
20
22
5.地质资料
表2 结构层参数
土层编号
土的名称
土层厚度ｍ
１
残积土
５
２
强风化花岗岩
未钻穿
6.测量资料
表2断面设计标高
断面标号
设计标高m
实际标高m
K26+408.28
447.38
472.76
K26+460
479.79
482.67
K26+600
484.20
480.20
K26+765
488.58
490.67
第二部分路基横断面设计
路基横断面是指垂直于铁路中心线的截面，路基横断面设计主要包括路基本体设计和相关设备的设计。
路基本体即按照线路设计要求铺设轨道而构筑的部分，主要包括路基面、路肩、基床、边坡、路基基底几部分；路基相关设备工程主要是排水设备、防护设备、加固设备。
一、K26+408.28断面路基横断面设计
1.横断面各部分尺寸
（1）断面形式
有上述测量质量可知，A断面设计标高为477.38m，由地形图可知测量，A断面的实际标高为472.76m，设计标高大于实际标高，所以设计断面形式为路堤形式。
（2）路基面宽度
由已知条件：
单线Ⅰ级铁路，重型轨道，列车设计行车时度160km/h，断面形式为路堤，查《铁路路基设计规范》TB1001-2005表4.2.3的，路基顶面宽度为b=7.8m，再由4.2.2可知路肩宽度为0.8m，路基顶面设4%的人字坡。
（3）路肩
路肩是指路基面自道床坡脚至路基边缘的部分。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005规定了时速在160Km/h以内I级线路的路肩宽度为：
路堤不应小于0.8m。
（4）基床厚度
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中的相关规定，设计时速不大于160Km/h，基床表层厚度为0.6m，底层厚度为1.9m，总厚度为2.5m。
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中6.2.1和表6.2.2规定，表层填料为A类填料，选用细粒含量小于5%级配良好的碎石，，底层选B类材料，选用细粒含量15-30%级配良好的土质碎石，
（5）边坡坡度
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表7.4.1可知，该路基边坡设置成折线形边坡，第一段坡率为1:
1.5，高度为8m；第二段坡率为1:
1.75，高度为12m。
由地形图可知地面坡度为1：
3，原地面应挖台阶，台阶宽度不应小于2m。
（6）排水沟
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中9.2.2规定：
地面横坡明显地段的排水沟、天沟可在横坡上放一侧设置，当不明显时，宜在两侧设置。
由于该地区年平均降雨量为300mm，无河流、地表水及地震的的影响，且由地形图可知地面坡度为1：
3，所以只在迎水侧设置截水沟，截水沟尺寸为底宽为0.4m，深度为0.6m，边坡坡率采用1:
1.5。
2.路基加宽量计算
本地段处于曲线路段，由于曲线轨道的外轨设置超高、外侧道床加厚，道床坡脚外移，需对曲线段路基面加宽。
线Ⅰ级铁路，列车设计行车时度160km/h，查阅《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表4.2.4可知，路基面外侧加宽值为
。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005中7.3.3条规定，当路堤边坡高度大于15m时，还应根据填料、边坡高度等加宽路基面，其每侧加宽值Δb按下式求出：
其中C—沉降比，细粒土约为0.01-0.02，漂石土、卵石土、碎石土、粗粒土约为0.005-0.015，硬块石土约为0.005-0.01，软块石土约为0.015-0.025；
H—路堤边坡高度（m）
m—为道床边坡破率，m=1.75
根据地形图和初步拟定的断面尺寸，可知道横断面边坡高度小于15m，所以路基横断面还需加宽
得出路基横断面总宽度为
。
二、K26+460断面路基横断面设计
1.横断面各部分尺寸
（1）断面形式
有上述测量质量可知，B断面设计标高为479.79m，由地形图可知测量,B断面的实际标高为482.67m，设计标高小于实际标高，所以设计断面形式为路堑形式。
（2）路基面宽度
由已知条件：
单线Ⅰ级铁路，重型轨道，列车设计行车时度160km/h，断面形式为路堑，查《铁路路基设计规范》TB1001-2005表4.2.3的，路基顶面宽度为b=7.4m，再由4.2.2可知路肩宽度为0.6m，路基顶面设4%的人字坡。
（3）路肩
路肩是指路基面自道床坡脚至路基边缘的部分。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005规定了时速在160Km/h以内I级线路的路肩宽度为：
路堤不应小于0.6m。
（4）基床厚度
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中的相关规定，设计时速不大于160Km/h，基床表层厚度为0.6m，底层厚度为1.9m，总厚度为2.5m。
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中6.2.1和表6.2.2规定，表层填料为A类填料，选用细粒含量小于5%级配良好的碎石，，底层选B类材料，选用细粒含量15-30%级配良好的土质碎石，
（5）边坡坡度
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表7.4.1可知，该路基边坡设置成折线形边坡，第一段坡率为1:
1.5，高度为8m；第二段坡率为1:
1.75，高度为12m。
（6）排水沟
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中9.2.2规定：
地面横坡明显地段的排水沟、天沟可在横坡上放一侧设置，当不明显时，宜在两侧设置。
由于该地区年平均降雨量为300mm，无河流、地表水及地震的的影响，且由地形图可知地面坡度为1：
3.75，在路堑两侧设置底宽0.4m，深度0.6m侧沟，视情况在山坡迎水面方向设置天沟，规范规定距路堑坡顶外缘大于等于5m。
3.路基加宽量计算
本地段处于直线路段，无需对此段路基面加宽。
得出路基横断面总宽度为B=7.4m
三、K26+600断面路基横断面设计
1.横断面各部分尺寸
（1）断面形式
有上述测量质量可知，C断面设计标高为484.2m，由地形图可知测量，C断面的实际标高为480.2m，设计标高大于实际标高，所以设计断面形式为路堤形式。
（2）路基面宽度
由已知条件：
单线Ⅰ级铁路，重型轨道，列车设计行车时度160km/h，断面形式为路堤，查《铁路路基设计规范》TB1001-2005表4.2.3的，路基顶面宽度为b=7.8m，再由4.2.2可知路肩宽度为0.8m，路基顶面设4%的人字坡。
（3）路肩
路肩是指路基面自道床坡脚至路基边缘的部分。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005规定了时速在160Km/h以内I级线路的路肩宽度为：
路堤不应小于0.6m。
（4）基床厚度
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中的相关规定，设计时速不大于160Km/h，基床表层厚度为0.6m，底层厚度为1.9m，总厚度为2.5m。
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中6.2.1和表6.2.2规定，表层填料为A类填料，选用细粒含量小于5%级配良好的碎石，，底层选B类材料，选用细粒含量15-30%级配良好的土质碎石，
（5）边坡坡度
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表7.4.1可知，该路基边坡设置成折线形边坡，第一段坡率为1:
1.5，高度为8m；第二段坡率为1:
1.75，高度为12m。
由地形图可知地面坡度为1：
3，原地面应挖台阶，台阶宽度不应小于2m。
（6）排水沟
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中9.2.2规定：
地面横坡明显地段的排水沟、天沟可在横坡上放一侧设置，当不明显时，宜在两侧设置。
由于该地区年平均降雨量为300mm，无河流、地表水及地震的的影响，且由地形图可知地面坡度为1：
3，所以只在迎水侧设置截水沟，截水沟尺寸为底宽为0.4m，深度为0.6m，边坡坡率采用1:
1.5。
3.路基加宽量计算
本地段处于曲线路段，由于曲线轨道的外轨设置超高、外侧道床加厚，道床坡脚外移，需对曲线段路基面加宽。
线Ⅰ级铁路，列车设计行车时度160km/h，查阅《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表4.2.4可知，路基面外侧加宽值为
。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005中7.3.3条规定，当路堤边坡高度大于15m时，还应根据填料、边坡高度等加宽路基面，其每侧加宽值Δb按下式求出：
其中C—沉降比，细粒土约为0.01-0.02，漂石土、卵石土、碎石土、粗粒土约为0.005-0.015，硬块石土约为0.005-0.01，软块石土约为0.015-0.025；
H—路堤边坡高度（m）
m—为道床边坡破率，m=1.75
根据地形图和初步拟定的断面尺寸，可知道横断面边坡高度小于15m，所以路基横断面还需加宽
得出路基横断面总宽度为
。
四、K26+765断面路基横断面设计
1.横断面各部分尺寸
（1）断面形式
有上述测量质量可知，D断面设计标高为488.58m，由地形图可知测量，D断面的实际标高为490.67m，设计标高小于实际标高，所以设计断面形式为路堑形式。
（2）路基面宽度
由已知条件：
单线Ⅰ级铁路，型轨道，列车设计行车时度160km/h，断面形式为路堑，查《铁路路基设计规范》TB1001-2005表4.2.3的，路基顶面宽度为b=7.4m，再由4.2.2可知路肩宽度为0.8m，路基顶面设4%的人字坡。
（3）路肩
路肩是指路基面自道床坡脚至路基边缘的部分。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005规定了时速在160Km/h以内一、二级线路的路肩宽度为：
路堤不应小于0.8m。
（4）基床厚度
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中的相关规定，设计时速不大于160Km/h，基床表层厚度为0.6m，底层厚度为1.9m，总厚度为2.5m。
按照《铁路路基设计规范》TB1001-2005中6.2.1和表6.2.2规定，表层填料为A类填料，选用细粒含量小于5%级配良好的碎石，，底层选B类材料，选用细粒含量15-30%级配良好的土质碎石，
（5）边坡坡度
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表7.4.1可知，该路基边坡设置成折线形边坡，第一段坡率为1:
1.5，高度为8m；第二段坡率为1:
1.75，高度为12m。
（6）排水沟
根据《铁路路基设计规范》TB1001-2005中9.2.2规定：
地面横坡明显地段的排水沟、天沟可在横坡上放一侧设置，当不明显时，宜在两侧设置。
由于该地区年平均降雨量为300mm，无河流、地表水及地震的的影响，且由地形图可知地面坡度为1：
2.75，在路堑两侧设置底宽0.4m，深度0.6m侧沟，视情况在山坡迎水面方向设置天沟，规范规定距路堑坡顶外缘大于等于5m。
2.路基加宽量计算
本地段处于曲线路段，由于曲线轨道的外轨设置超高、外侧道床加厚，道床坡脚外移，需对曲线段路基面加宽。
已知该段线路曲线半径为4850m，线Ⅰ级铁路，列车设计行车时度160km/h，查阅《铁路路基设计规范》TB1001-2005中表4.2.4可知，路基面外侧加宽值为
。
《铁路路基设计规范》TB1001-2005中7.3.3条规定，当路堤边坡高度大于15m时，还应根据填料、边坡高度等加宽路基面，其每侧加宽值Δb按下式求出：
其中C—沉降比，细粒土约为0.01-0.02，漂石土、卵石土、碎石土、粗粒土约为0.005-0.015，硬块石土约为0.005-0.01，软块石土约为0.015-0.025；
H—路堤边坡高度（m）
m—为道床边坡破率，m=1.75
根据地形图和初步拟定的断面尺寸，可知道横断面边坡高度小于15m，所以路基横断面还需加宽
得出路基横断面总宽度为
。
五、绘制标准横断面图
通过初步拟定及相关部分加宽后，画出路基横断面图见附图A、附图B、附图C、附图D。
第三部分施工方法及程序
路基填料是用来填筑路基的材料，它的力学性质的好坏直接影响到路基的变形和稳定。
据《铁路路基设计规范》TB1001—2005中7.2,I级铁路应选用A组填料填筑基床，当缺乏A组填料时，通过经济比选后可以选用级配碎石或级配砂砾石。
路基的基床顶层采用A组填料，基床底层采用A、B组填料，否则应采取土质改良或加固措施。
路堤基床以下部位宜选用A、B、C组填料，当选择D组时应采取加固或土质改良。
路堤浸水部分的填料应采用渗水土填料。
使用不同填料填筑路基时，应分层填筑每一水平层全宽应以同一种填料填筑。
一、施工方法及主要机具设备
1.路基的施工程序
（1）进行施工调查，审核设计文件
1）沿线取土坑；
2）填料取土场。
（2）测量放线
1）填方路堤坡脚点放样方法
解法求取填方路堤坡脚点放样数据，用皮尺量距法进行路堤坡脚点放样在填方路堤实地用坐标放样等方法标定横断面的中桩、边桩自中桩起沿中桩至边桩方向用皮尺量平距；计算路堤中桩至坡脚平距，然后计算出路堤坡脚桩坐标，再用全站仪坐标法在实地标定路堤坡脚点。
2）填方路堤施工进行中的测量工作
协调现场施工员，控制填土厚度，保证填压精度；每填筑高5m应复测中线桩，测定其标高及宽度，控制边坡的大小；根据复测的中桩、边桩，控制线路线形，根据其复测的高程，控制上填高度；告知现场施工员路宽界限、重新标定的坡脚线及上填高度数据；用坡度尺检控边坡坡面坡度及平整度。
2.土石方调配方法
线法调配主要借助于线路纵断面图和土积图来实现。
通过线路纵断面图和土积图，可以确定区间路基土石方调配的最大经济运距，从而得出最合理的移挖作填方案。
面法调配的调配程序：
（1）在站场地形平面图上画方格；
（2）确定填挖零线；
（3）计算每一方格填挖数量，编制“广场土石方数量计算表”；
（4）进行土石方调配，选择施工方法，确定运土线路，并编制“广场土石方调配表”。
3.路基的开挖方法
对于石方开挖路段，采用从上至下分层爆破的方法开挖，在地形较陡、地表岩石风化破碎地段，采用楹动爆破。
石质整体性较好地段，人工清理地表，潜孔钻机钻孔，阶梯深孔松动爆破，炮位呈宽孔距、小排距、梅花形布置。
塑料导爆管MS雷管微差挤压爆破，为确保边坡的稳定和平顺，先采用潜孔钻机沿边坡面先行加密钻孔，实施预裂光面爆破。
4.路基的填筑方法
路基填筑采用水平分层、纵向分段、以机械施工为主、人工为辅的作业方法进行施工。
在达到要求的路基上，将合格的路基填料运到填筑地点，其卸料顺序按先两面侧后中间，派专人指挥，按规定数量均匀卸料，以免影响摊铺厚度和质量。
每层路基的摊铺宽度均大于设计宽度20cm~30cm，以保证路基边坡位置的压实质量和边坡整修的净宽。
（1）组织路基的平整工作
路基的碾压方法：
碾压遵循先低后高、先轻后重的原则，直线段由路基两侧向中心碾压，有超高的曲线段由弯道内侧向外碾压。
碾压时前后两次轮迹重叠20cm~30cm，并尽快压到规定的压实度（土）或固体体积率（宕渣）。
（2）修建路基支挡建筑物及路基加固防护工程
（3）整修及验收工作
二、主要的施工机械选择
1.碾压机械
（1）羊脚碾压路机进行碾压
羊脚碾压路机压实深度大而均匀，有很好的压实效果和较高的生产率，适用于粘性土的压实，不适用于非粘性土及高含水量粘土的压实。
（2）振动压路机进行碾压
振动压路机压实深度较大，最适用于压实非粘性土、碎石、块石及不同类型、不同厚度的沥青混合料面层。
（3）冲击压路机进行碾压
适用于粉质粘土的碾压，在基底处理或路基补压时经常使用。
2.土石方施工机械
路基土石方施工机械，包括挖、装、运、压实等工序的主机、辅机及其可换的工作装置等
（1）常用机械
1）铲土运输机械：
推土机、铲运机和平地机；
2）挖掘机械：
正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机和抓铲挖掘机；
3）工程运输机械：
公路型和非公路型车辆；
4）石方工程机械：
松土器和各种凿岩钻孔机械。
（2）选择原则
土方施工机械的选择与工程实际情况相结合主导施工机械确定后，要合理配备完成其他辅助施工过程的机械选择土方施工机械要考虑其他施工方法，辅助土方机械化施工。
三、特殊路基的处理
1.换土
可采用非膨胀型材料或灰土，换土厚度可通过变形计算确定。
平坦场地上I、II级膨胀土的地基处理。
宜采用砂、碎石垫层、垫层厚度≥300mm，垫层宽度应大于基底宽度，两侧宜采用与垫层相同的材料回填，并做好防水处理。
换土法能够得到比其他处理方法更大的地基承载力，从根本上改变地基土的性质，工期也比较短。
2.改良土质
在膨胀土中添加石灰、水泥等非膨胀材料或添加化学剂使膨胀土失去膨胀性的材料。
在膨胀土中拌合一定量的石灰或水泥可降低或消除膨胀土的膨胀性；同时，有机和无机的化学剂也已经在膨胀土改良中得到应用，可以降低膨胀土的塑性指数和膨胀趋势。
第四部分路基边坡稳定性验算
一、路基面上的荷载
结合线路条件：
I级铁路，重型，路基表层为A类级配良好碎石，重度取20KN/m³。
据《铁路路基设计规范》TB1001-2005续表A查出，换算土柱宽度为3.7m，换算土柱高度3.0m。
二、进行初步设计断面的边坡稳定性验算
圆弧条分法原理：
先假定有若干剪切破坏面，然后将破坏面之上的土体分成若干垂直土条，对作用于各土条上的力和力矩进行平衡分析，求出在极限平衡状态下的土体安全系数，并通过一系列方法确定最危险滑裂面的位置和最小的安全系数。
采用圆弧型滑面，并运用瑞典条分法进行边坡稳定性验算，稳定系数计算公式
（1）为：
（1）
其中K——沿某滑裂面计算的边坡安全系数
Wi——土条重力（若分条上存在列车及轨道的换算土柱，还应包含土柱的和载重）
——过重心的垂线与滑裂面相交，交点的切线与水平的夹角
——为内摩擦角
——粘聚力（kpa）
Li——圆弧面长度（m）
采用4.5H法确定危险圆弧滑动面圆心轨迹，我们组每人假设一个危险滑动面的位置，利用上述公式进行稳定性系数计算。
3、最终设计断面边坡稳定
1.对K26+408.28处的路基横断面进行边坡稳定性验算（路堤）
对此路堤断面进行了A、B、C、D四个滑动面的稳定性验算，滑动面见图3，计算过程及结果如下：
图3滑动面
计算所选滑动面为A滑动面，条分条宽度为3m，将路基分为10条，如图4所示
图4路堤A滑动面计算图
计算图见表3，计算过程及结果如下:
表3计算参数
序号
角度
COSθ
SINθ
上部面积
W上
下部面积
W下
Wi
WiCOSθ
WiSINθ
1
-8
0.990
-0.14
1.48
29.6
2.01
36.18
65.78
65.12
-9.21
2
-1
0.9998
-0.017
2.968
59.36
4.844
87.90
147.26
147.23
-2.5
3
6
0.994
0.104
4.816
96.32
7
126.00
222.32
220.98
23.12
4
11
0.982
0.191
7.392
147.84
8.4
151.20
299.04
293.66
57.12
5
17
0.956
0.292
10.16
203.2
9.156
164.80
368.00
351.81
107.46
6
23
0.921
0.391
10.92
218.4
9.24
166.30
384.70
354.31
150.42
7
29
0.875
0.485
14.14
282.8
8.512
153.20
436.00
381.5
211.46
8
36
0.809
0.588
15.6
312
5.068
91.20
403.20
326.19
237.08
9
43
0.731
0.682
12.88
257.6
1.323
23.80
281.40
205.7
191.91
10
52
0.616
0.788
5.18
103.6
0.00
0.00
103.60
63.82
81.64
已知：
土体粘聚力
=20KPa
单个土条的滑动面长度
=32.28m
土体的内摩擦角
=22°
计算所选滑动面为B滑动面，条分条宽度为3m，将路基分为9条，如图5所示。
图5路堤B滑动面计算图
计算参数如表4和计算过程如下：
表4 计算参数
序号
角度
COSθ
SINθ
上部面积
W上
下部面积
W下
Wi
WiCOSθ
WiSINθ
1
0
1.000
0.000
0.778
15.56
0.999
17.982
33.542
33.542
0.000
2
5
0.996
0.087
2.426
48.52
2.747
49.446
97.966
97.574
8.523
3
10
0.984
0.174
3.909
78.1
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