1、第七章 高速公路路基路面设计 第一节 概述 第二节 路基设计 第三节 路面设计第一节 概述一、路基工程1、要求：具有足够的整体稳定性；排水、防护、加固具有足够的抗变形能力。加固软弱地基，改善水温状况等2、路基构造的类型：路堤高于原地面，由填方构成的路基为路堤。填高为1米的，属于矮路堤；120米之间为一般路堤；超过20米的为高路堤。路堑低于原地面，由挖方构成的路基为路堑，设计时对边坡稳定性予以充分注意。半填半挖这重路基是路堑与路堤的综合形式，主要设置在比较陡的山坡上。将挖出的土石方，作为填筑的土石方，可以节省土石方，比较经济，给施工带来方便。3、路基设计的主要内容 设计路基横断面形状和边坡坡度；
2、道路排水系统及构造物的设计；路基稳定性分析，以及防护和加固措施的设计。二、路面工程1、要求良好的平整度；优质的施工机具，精细的施工工艺，严格的施工质量管理和良好的养护来实现和保证 足够的抗滑能力；采用坚硬、耐磨和表面粗糙的集料修筑路表面层，也可通过一些工艺措施，如刻槽来实现 足够的承载能力；路面结构必须具有足够强度、抗变形能力和耐久性。2、路面的构造路面结构层路肩 给面层、基层和垫层一个侧向支承保护和拱车辆临时停靠。路拱内部排水设施3、路面结构层面层 直接承受行车荷载和大气作用。应具备良好平整度、抗滑性能和足够的承载能力，以及密水性。基层功能：扩散面层传下的竖向力。应具有足够的强度、刚度和良好
3、稳定性。垫层作用：改善土基的湿温状况，以保证面层和基层的强度稳定性和抗冻胀能力。4、路面设计的主要内容路面结构层的选择和组合方案的提出；各结构层混合料的组成设计；各结构层的厚度设计；方案的工程经济分析和比选，确定实施方案。第二节 路基设计一、路基的受力状况 一般情况下，路基承受两种荷载：一是路面和路基自重引起的静力荷；路基土因自重引起的垂直应力与深度成正比例。另一种是车轮引起的动力荷载。路基在车轮荷重作用下所引起的垂直应力随深度而减弱。路基土因自重所引起的垂直应力，在一定的深度下，路面的质量远小于路基的自重，所以土基自重引起的垂直应力与深度成正比，既 =Z圆形均布荷载中心下土基的垂直压应力，可
4、用下面的公式计算：=P/（1+2.5(Z/D)）二、路基的工作区当荷载引起的应力仅为自重应力的20%-10%时，荷载应力影响的深度作为工作区的深度。该深度Za随车辆荷载增大而增大，随路面的强度和厚度的增加而减小。路基工作区深度有两种情况：Za大于路基填土高度；Za 小于路基填土高度。三、路基的强度和强度指标 路基的强度，用抵抗相对滑动位移变形和竖直位移变形的能力，作为具体指标来表征。1.抗剪强度 在路基边坡内，当路基强度不够，不能抵抗剪应力的作用。便会沿某一剪切面产生相对移动于是边坡破坏，稳定丧失。土体必须具有抵抗此变形能力，用抗剪强度表示。见公式9-5 土体的抗剪强度取决于土的粘结力C和内摩
5、擦角。土的颗粒越细，粘聚力越大。沙土的粘聚力很小或没有，由于粘聚力不如内摩擦力影响大，因此土的颗粒越大，抗剪强度就越高。2.回弹模量 通过路面传到土基的垂直压力，使土基产生一定程度的竖向位移变形，假设土基是均质的弹性体，在圆形垂直均布荷载作用下，当应力与应变成直线关系时，可用弹性理论来解荷载与变形之间的关系。见公式9-1 从上述的公式可以看出，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.四、路基防护与加固 路基防护与加固工程，按其作用的不同，可以分成：1、冲刷防护 它的作用是防护水流对路基的冲刷和淘刷。按方法的不同，又可以分为直接防护和间接防护。2、坡面防护
6、用来防护容易受到自然因素影响而破坏的土质与岩质边坡。3、支档建筑物 是防止路基变形或支档路基本身以保证其稳定性。为了使概念明确，一般把防止冲刷和风化，主要起隔离作用的措施称为防护工程，而把防止路基或山体因重力作用而滑塌，主要起支撑作用的支档结构物称加固工程。冲刷防护 沿河路基防止水流冲刷的措施，一种是加固岸坡的直接防护；另一种是改变水流性质的间接防护。直接防护，除坡面防护和石砌护坡外，还有抛石、石茏、柔性混凝土块及浸水挡土墙等防护方法。间接防护，包括各种导流与调治构筑物，如丁坝、顺水坝及拦河坝等。坡面防护1、植物防护措施：种草 用于防止表面水土流失，固结表土，增加路基的稳定性。铺草皮 适用于当
7、地有足够挖取使用的草皮地段路基防护。植树 2、坡面处治 对岩石边坡无法用植物防护时，可选用坡面处治，如抹面、喷浆、勾缝、灌浆、锚固等方法防护；抹面使用于易风化而表面较完整，还未剥落的岩石边坡；喷浆用于易风化和坡面不平的岩石边坡，厚度一般为2cm；勾缝用于较坚硬且裂缝多而细的岩石边坡以防水侵人岩层内造成破坏；灌浆用于较坚硬但裂缝深和宽的岩石边坡师坡面表层成为防水的整体。3、护面墙 为了覆盖各种软质岩层和较破碎岩石的挖方边坡，免受大气因素影响而修建的墙，称为护面墙。挡土墙1、挡土墙的用途和分类 它是用来支撑路基边坡或山坡土体，以防填土或土体变形失稳的构筑物。按其所在位置可分为路肩墙、路堤路堑墙、山
8、坡墙等。2、挡土墙的构造 一般由墙身、基础、排水设施和伸缩缝几部分构成。墙身构造 可作成仰斜、附斜、直立、衡重式。仰斜挡墙墙背所受土压力小，墙背比较经济。但基础外移，地面横坡比较陡时，增加墙高，断面增大；俯斜式所受土压力较大，通常在地面坡度较陡时采用，借助于陡直的墙面，减小高度；衡重式在上下墙之间设一衡重台，采用陡直的墙面，适宜于陡峻的地形。墙背的坡度一般在1：0.0251：0.4，仰斜式坡度在1：0.25左右。基础 基础的埋深应按地基的性质、承载力要求、冻胀的影响、水文地质条件来定。一般情况下，地表下不小于1米。排水设施 在墙身适当高度处设一排泄水孔，间距2-3米，出水口高出地面0.3米。沉
9、降缝 为避免地基不均匀沉陷引起墙身开裂，按高度和地基的性质，设置沉降缝。一般每隔1015米设一道。宽2-3厘米。五、路基排水1、根据来源的不同，水流可分为地面水和地下水。地面水主要是经由降水形成的地面径流。地下水分为：上层滞水 从地面入尚未深达下层的土中水；潜水 在地面以下第一个隔水层以上的含水层中的水，距地面较近；层间水 在地面以下任何两个隔水层之间的含水层之间的地下水。目的 是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围，土基含水量过大，会引起土质松软，强度降低，边坡塌方，基身沉陷或滑动，影响交通。2、地面排水边沟设计位置 设置在路堑的路肩外侧或路堤坡脚外侧，主要用于汇集和排除路基范围内以及
10、流向路基的小量地面水，当流量不大时，可采用标准横断面。横断面形式 边沟的横断面形式常为梯形或三角形，也有流线型和矩形。底宽与深度一般不小于0.4 m。边沟的边坡：一般为1：1-1：1.5，岩石边坡为1：0-1：0.5。沟底纵坡：一般与路线纵坡一致，并不得小于0.5%，若大于3%时，需采取加固措施。为防止边沟水流漫溢或冲刷，规定单向排水长度每300500米设出水口，把水引到低洼处。截水沟设计作用 截水沟设在离路堑边缘一定距离和山坡路堤上方的适当位置，用来拦截山坡流向路基的水流。其纵坡不小于0.5%，以免水流停滞。断面形式 一般为梯形，底宽、深度不小于0.5米，边坡坡度根据土质而定。位置 最好能与
11、绝大部分地面水流的方向垂直，转折处最好用曲线连接，在路基边坡到分水岭的距离长而降雨量又大的低段，可设置一道或几道差不多平行的截水沟，分段拦截地面径流。排水沟设计n 目的就是为了将水从路基导入低洼地或其他排水构造物中去。n 断面形式一般采用梯形，大小应通过计算确定，但水量较小时，可以不用计算而直接采用底宽0.5米的最小断面，沟深也不小于0.5米。n 排水沟的长度根据实际需要来定，通常在500米左右。跌水与急流槽 山岭重丘区，排水沟渠枞坡较陡，水流急冲刷力强。为减小流速，降低水流的能量，防止对路基的危害，大多设跌水和急流槽。构造：进水口、台阶、出水口。台阶部分的作用在于消能。3、地下排水 暗沟 暗
12、沟是指地面以下引导水流的沟渠，本身不起渗水和汇水作用。当路线通过地区路基范围内出现了个别泉眼，泉水上冒，路线不能绕避时，在其与边沟之间开挖沟槽，修建暗沟，把泉水排除。暗沟的断面尺寸不必经过水力计算来确定。沟宽一般是2030cm，沟底纵坡不小于1%，出口处沟底应高出边沟最高水位20cm以上，不允许出现倒灌现象 渗沟 渗沟的构造一般分为三形式，即盲沟、管式渗沟和洞式渗沟。利用片石的空隙作为排水通道的称为盲沟；底部设渗水管作为排水通道的，称为有管式渗沟；底部用渗水石板涵作排水通道的称为排水通道的称为洞式渗沟。它们的构造基本相同，断面通常为矩形，顶部为覆盖层或叫做封闭层，侧面为反滤层，底部为排水通道。
13、渗沟布置尽可能与地下水流相互垂直，使之能拦截更多的地下水。渗水井作用是将地面水通过渗井深入地下，将其排除。修建条件路线经过的地区，地形平坦，地面水无法排除，而离地面不深的地方有渗透性土层，而且地下水背离路基，可以建竖井或吸水井一样的竖井。用这个设施把边沟中的水引导到原离路基以外，并汇集于路基范围以外离地面1.5米以下的土层中去，以保证路基的稳定。第三节 路面设计一、路面材料的力学性能路面材料：粒料、沥青混合料和水硬性混合料。粒料：粒料：颗粒状材料，如碎石、砾石、天然砂砾、炉渣等。常用于修筑底基层和垫层。粒料的回弹模量随主应力增大、侧限应力减小而下降。沥青混合料沥青混合料应力应变关系应力应变关系
14、与与温度温度和和荷载作用时间荷载作用时间有关：有关：在低温时，呈现在低温时，呈现弹性；弹性；在高温时，变为在高温时，变为弹粘性弹粘性或或弹粘塑性体弹粘塑性体。水硬性混合料水硬性混合料 常见有：石灰稳定类、水泥稳定类、工业废渣混合料和水泥混凝土等。应力应变关系：在加载前期，近似为线弹性；在加载后期，呈现为非线性。二、路面设计理论 层状弹性体系理论假设：各层由匀质、各向同性、无质量的线弹性材料组成，其力学参数为弹性模量和泊松比；最下层为水平方向无限的半无限体，其上各层为水平向无限但竖向同厚；各层间应力和位移完全连续，或竖向应力和位移连续，但水平力为零；最下层无限深处的应力和位移均为零。见图9-5弹
15、性地基上薄板理论假设：路面板为等厚的弹性体，其力学参数有弹性模量、泊松比和厚度h；竖向应变可以忽略；法平面在变形前后均保持平面并垂直中面；板中面无水平位移；地基与板之间无摩阻力。见图9-6三、沥青路面结构设计 沥青路面在行车荷载和环境的重复作用下结构的主要损坏有：车辙疲劳开裂反射裂缝低温开裂推移、拥包沥青路面设计指标：路表弯沉指标 控制路基路面结构总变形，以防止出现沉陷、车辙等整体强度不足的损坏。拉应力指标 防止路面结构因疲劳抗拉强度不足而出现的疲劳开裂。剪切指标 控制高温时沥青混凝土表面材料因抗剪能力不足而造成推挤等破坏。四、水泥混凝土路面结构设计 水泥混凝土路面在行车荷载和环境的重复作用下结构的主要损坏有：因应力超过混凝土强度而出现板断裂；过大应力可能是板厚度不足、轮载过量、地基脱空、板平面尺寸过大或切缝过迟等原因引起的。嵌缝料失效，路肩不透水或排水不畅，基层抗冲刷能力差等；因传力杆定位不准或不能正常滑动，使混凝土胀缩时应力过大而碎裂。水泥混凝土路面设计指标：以控制混凝土面层板在车辆荷载和环境因素重复作用下不出现疲劳开裂作为设计标准。五、路面排水设计排水系统：中央分隔带排水、路表排水、结构层内排水和路肩排水等。
