路基设计理论与方法

一、什么是路基？路基设计的基本要求。1、交通部颁发的行业标准《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）中，路基的定义是：按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物，是路面的基础，承受由路面传来的行车荷载。2、路基设计的基本要求：路基设计应符合安全适用、技术经济合理的要求，使路基具有足够的强度、稳定性和耐久性；同时要求设计符合环保的要求。3、沥青路面规范：路基必须密实、均匀、稳定。必须采取措施，防止地面水、地下水侵入路基路面措施，以保证路基的强度、稳定性。设计宜使路基处于干、中湿状态，E030MPa，重交通E040MPa。二、苏州地区（太湖流域）水文地质的特点：苏州地处江南，降水丰富，地形平坦，地表均为粘性土，且地下水位高。三、路基填土高度：为了保证路基处于较为干燥的工作状态，就要求路基填土高度在一个合理的范围。1、根据交通部颁发的《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）对路基干湿类型的规定：干燥H0H1潮湿H3H0H2中湿H2H0H1过湿H0≤H3式中：H0——不利季节路床顶面距地下水位的高度；H1、H2、H3——分别为干燥、中湿、潮湿状态路基的临界高度。苏州Ⅳ-1H1=1.7~1.9，H2=1.2~1.3，H3=0.8~0.9H0——路床顶面距地下水位的高度；h1——原地面距地下水位的高度；h2——路基设计高度；h3——路面结构厚度。2、我院设计的普遍情况：①一般在城市道路设计中，填土高度均较小，除桥头较高外，一般h2=0.5cm左右。地下水位：苏州普遍情况，一般为黄海标高1.2~1.5m，即距原地面1.0~1.5m左右≈h2。②正常情况，一般路基设计标高控制在3.0m左右，距地下水位1.5~1.8m，基本处于中湿状态（H0=h1+h2-h3=0.9~1.4m）当道路处于地下水丰富的地区（如苏北大丰），地下水位距地表仅0.5m，这时处于潮湿状态。所以我院在市政工程设计的道路工程，其路基的工作状态，基本都处于中湿~潮湿状态，为此路床要求掺灰土处理，分层压实，来保证其强度。四、关于低填方路基处理根据《公路路基设计规范》3.3.5条“地基表层处理”中第4点规定：应将地基表层碾压密实。在一般土质地段、高速公路、一级公路和二级公路基底的压实度（重型）不应小于90%，三、四级公路不应小于85%。路基填土高度小于路面和路床总厚度时，应将地基表层土进行超挖并分层回填压实，其处理深度不应小于重型汽车荷载作用的工作区深度（Za）。本条规范需解决如下三个问题：③路基在汽车荷载作用下的工作区深度；④什么是重型汽车荷载；⑤路基的处理深度。1、工作区深度：根据交通部第二公路勘察设计院主编的《公路设计手册》“路基”（第二版），车辆荷载所引起的应力分布深度，即工作区深度Za的近似值为：3knpZar式中：Za——路基工作区深度，m；K——系数，32≈0.5；P——车辆荷载，kN（单轴单轮荷载）；r——土的容重，kN/m3；1/n——系数，1/n=1/5~1/10，即n=5~10。本图为车辆荷载P及土体自重在路基土体中按深度分布的应力。当路基土体达到一定深度时，车辆荷载P引起的应力σ2与路基土体自重所引起的应力σB的比值，即5~10BZn时，可以得出工作区深度计算的简化公式：3knpZar亦即1/n=1/5~1/10，即n=5~10。2、重型汽车荷载：①沥青路面设计规范的车辆荷载BZZ-100，单轴双轮轴载为100kN；单轴单轮轴载为50kN，即P=50kN。计算工作区深度：n=5Za=1.9m；n=10Za=2.4m。②公路桥涵设计车辆荷载（公路-Ⅰ、Ⅱ相同）单轴单轮140/2kN:n=5Za=2.13m；n=10Za=2.69m。③取超重车辆300kN：后轴单轮荷载100kN:n=5Za=2.40m；n=10Za=3.03m。3、路面结构厚度的换算：①路基、路面由不同强度的材料组成，在计算工作区深度时，应将路面折算为路基同一性质的厚度再进行计算，即当量厚度；②柔性路面的当量厚度换算公式：110mEZehE式中：Ze——路面换算为路基土层的当量厚度，m；h1——路面结构厚度，m；E1——路面材料的回弹模量，MPa；E0——路基土的回弹模量，MPa；m——指数，2.5，多层弹性体m=2，多层刚性体m=3.③我院设计中，路面结构厚度大体为：主干路：h1=0.65m；次干路：h1=0.55m；支路：h1=0.45m.基层材料：一般为水泥稳定碎石、二灰碎石，底基层为石灰土。E1：水泥稳定碎石1300~1700MPa；二灰碎石1300~1700MPa；石灰土400~700MPa；沥青混凝土1000~1400MPa；E0：土基E0取3.5MPa。为说明问题，简化计算：组合一：水泥稳定碎石（二灰碎石）+石灰土基层，取E1=1050MPa；组合二：水泥稳定碎石（二灰碎石）+石灰土基层，取E1=700MPa。组合二为保守值。E0=35MPa④组合一的路面结构厚度，换算成工作区的当量厚度为：主干路：h1=0.65m，Ze=3.9×0.65≈2.5m；次干路：h1=0.55m，Ze=3.9×0.55≈2.1m；支路：h1=0.45m，Ze=3.9×0.45≈1.8m⑤组合二的路面结构厚度，换算成工作区的当量厚度为：主干路：h1=0.65m，Ze=3.3×0.65≈2.1m；次干路：h1=0.55m，Ze=3.3×0.55≈1.8m；支路：h1=0.45m，Ze=3.3×0.45≈1.5m换算公式采用：2.510EZeE4、路基处理深度①上述计算中，路基在汽车荷载作用下的工作区深度时，汽车总重分别为150kN（BZZ-100）、200kN（公路桥梁荷载）、300kN（超重汽车）。汽车总重单轴单轮工作区深度n=5工作区深度n=1015吨50kN1.9m2.4m20吨70kN2.1m2.7m30吨100kN2.4m3.0m②以下取城市主干道为例，路面结构厚度0.65m，换算成工作区深度时的当量厚度为2.1m——并按设计保守值的组合二计算，即E1=700MPa。③路基处理深度：从以上理论计算中可以看出，由于路面材料的强度高，当量回弹模量高，理论计算的当量厚度较大，路基处理的深度比目前设计人员常用的设计方法，应该小得多。我们可以作如下处理：a、以城市主干道路面结构厚度取0.65mE1=700MPa；其折算厚度0.65×3.3≈2.1mb、工作区深度：P=50kN，n=10Za=2.4m；P=70kN，n=10Za=2.7m；P=100kN，n=10Za=3.0m；c、处理深度：从理论计算：一般重车（15吨）Za-Ze=2.4-2.1=0.3m；桥梁重车（20吨）Za-Ze=2.7-2.1=0.6m；超重车（30吨）Za-Ze=3.0-2.1=0.9m.从以上理论分析可以看出，在路基设计中，路面下的路床采用掺消石灰的处理方法，分层回填压实，厚度为60~80厘米，完全可以满足规范——《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）第3.3.5条规定的要求。快速路，路面下1.2~1.4；主干路，路面下1.0~1.2；次干路，路面下0.6~0.8；支路，路面下0.4~0.6五、几点意见1、掌握、理解规范的要求①路基设计中，对填料的强度、压实度、填料的性质都做了明确的要求，设计中应认真执行。②关于压实度城市道路工程设计规范（CJJ37-2012）类型路床以下深度（m）路基最小压实度（%）快速路主干路次干路支路填方0~0.80969594920.80~1.50949392911.5093929190挖方0~0.30969594920.30~0.809493——《城市道路工程设计规范》与《公路路基设计规范》比较，挖方路基，在0.30~0.80m部分的路床，压实度降低了2%，适当降低标准，是比较符合城市道路的地形条件。③注意道路地质：我市地表基层，一般由上而下为杂填土、粘土，当路床完全在杂填土中，应满足路床的处理深度；当杂填土层较薄，开挖后的粘土层，这时应区分粘土层的性质，当粘土层σ≥160~200kPa时，可以不开挖；当粘土层σ=100~120kPa时，应满足路床处理深度。④压实过渡层与原地面处理：城市道路设计中，绝大多数路床位于原地面以下，可执行挖方路基，处理深度可按路床80cm来控制原地面以下的开挖处理深度。路面结构0~0.3m95%；0.3~0.8m93%；0.8~1.0m91%底部0.2m，翻挖掺灰压实，89%左右。路面下的处理深度：a.满足规范要求；b.掌握不同技术标准的道路设计要求。我的建议：快速路，路面下1.2~1.4；主干路，路面下1.0~1.2；次干路，路面下0.6~0.8；支路，路面下0.4~0.6