路基工程讲义2015

公路工程知识一、路基部分1.路基概念：•路基:是在地表按道路的线型（位置）和断面（几何尺寸）的要求开挖或堆填而成的岩土结构物。路基依其所处的地形条件不同，有两种基本形式：路堤和路堑，俗称填方和挖方。•路基构造由路基本体、排水设施、防护设施等组成。路基的构造通常用横断面图来表示。按路基填挖的情况，其断面型式可分为路堤、路堑和半填半挖三种类型。路基、路床、路堤、上路堤、下路堤示意图上路床下路床上路堤下路堤地基路基顶面80cm70cm5030路堤2525（1）.路堤•矮路堤：填土高度小于1.0～1.5m–注意满足最小填土高度的要求，保持路基处于干燥或中湿状态；–路基工作区范围内的地基需按路基标准严格压实，必要时换土或加固处理；•一般路堤：填土高度1.5～20m•高路堤：水稻田或长年积水地带，用细料填筑路堤高度在6米以上，其它地带填土或填石路堤高度在20米以上时1.路堤一般路堑（h20m）深路堑（h≥20m）2、路堑3、半填半挖高速公路、一级公路路基标准横断面图二、三、四级公路路基标准横断面图公路是一条带状的三维空间体，它的中心线（以下称公路中线）是一条空间曲线，这条中心线在水平面上的投影简称为公路路线的平面线形。相邻直线的转折点称为交点，用JD表示。直线与圆曲线的切点称为直圆点，用ZY表示。圆曲线与直线的切点称为圆直点，用YZ表示。圆曲线的中点称为曲中点，用QZ表示。当曲线半径小于不设超高最小半径时，为行车舒适，在直线与圆曲线之间插入缓和曲线，直线与缓和曲线的切点称为直缓点，用ZH表示。缓和曲线与圆曲线相切点称为缓圆点，用HY表示。圆曲线与缓和曲线相切点称为圆缓点，用YH表示。缓和曲线与直线的切点称为缓直点，用HZ表示。直线、缓和曲线、圆曲线是构成平面线形的主要组成线形。当圆曲线半径小于不设超高最小半径时，为使汽车能安全、经济、舒适地通过圆曲线，必须将圆曲线部分的路面做成向内侧倾斜的单向坡：这个单向坡坡度称为超高横坡度，用i超表示。目的是让汽车在圆曲线上行驶时能获得—个向曲线内侧的横向分力，以克服离心力，减小横向力。公路路面为有利于迅速排除地面水，保持路面干燥，一般设置成中间高、并向两侧倾斜的拱形，具有一定的坡度，称这种形式为路拱，坡度称为路拱横坡度。路线平面图中线公里桩等高线路线纵断面图设计纵线地面线路线横断面图挖方断面填方断面设计线地面线公路测量仪器全站仪水水准准仪尺GPS接收机经纬仪棱镜高速公路枢纽互通主线被交线匝道跨线桥高速公路普通互通路堑：低于原地面的挖方路基。碎落台路堑边坡坡度尺路堤填筑施工路堤分层堆土作业路堤边坡碾压成型路堤路堤填筑前原地面涵洞路堤排水沟路堤分层填筑施工路堤分层填筑施工压路机碾压作业路基压实度检测（灌砂法）路基成型路基平整度检测2地基处理•路堤基底是指地基与堤身的接触部分，应根据不同情况分别予以处理，以保证堤身稳固。1、基底土密实稳定、地面坡度缓于1:5时，路堤可直接填筑在天然地面上。2、路堤基底为耕地或较松的土，应在填筑前进行压实。3、路线经过水田、池塘或洼地时，应根据情况采取排水疏干、清淤换填、晾晒或者掺灰等处理措施，经碾压密实后再填路堤。4、当原地面坡度（包括横坡和纵坡）陡于1:5的稳定斜坡上填筑路堤时，基底应挖成反台阶，防止堤身沿斜坡下滑。•我国沿海地区和内陆湖泊河流谷地分布着大量的软基，其特点为含水量大、压缩性高、透水性差、强度低，为了确保工程的安全和正常使用，必须进行地基处理。•路基敷设于天然地基上，自身荷载较大，要求地基应具有足够的承载能力，以保持地基稳定，另外应使某些自然因素(如地下水、坑穴、湿陷、胀缩等)不致于产生对路基的有害变形。一、换填土层法以人工、机械或爆破方法将软土挖除，换填强度较高的粘性土或砂、砾石、碎石等渗水材料。适用性：适用于软土层较薄（h3.0ｍ）、无硬土覆盖的情况和易于排水施工等情况。软土地基处理最彻底的一种方法。抛石挤淤适用于湖、塘、河流等积水洼地，水量大且不易排除，无硬壳，软土易挤开，片石能沉达底部者。二、重锤夯实法•对于非粘性土及松散杂填土而言，振动压实法效果良好。•重锤夯实法，一般以钢筋混凝土制成截头圆锥体(底部垫钢板)，重量宜1.5t或稍重，锤底直径为1～1.5m，起重设备的能力为8～15t，落距高一般为2.5～4.5m。重锤夯实法加固地基，可提高地基表层土的强度。•在重锤夯实法的基础上，经过研究和实践，出现所谓强夯法，亦称动力固结法，它是以8～12t(甚至20t)的重锤，8～20m落距(最高达40m)，对土基进行强力夯击，利用击波和动应力，达到土基加固的目的。夯锤•实践证明，强夯过程中，土体中因含可压缩的微气泡而产生几十厘米的沉降，土体产生液化，使土的结构破坏，强度下降至最小值，随后在夯击点周围出现径向裂隙，成为加速孔隙水压力消散的主要通道，继而因粘性土的触变性，使土基的强度得到恢复和增强。•强夯法至今还没有一套成熟和完善的理论和设计方法，但实践证明，它具有施工简单、加固效果好、使用经济、运用面较广等优点。缺点是需要相应的机具设备，操作时噪音和振动较大，不宜在人口密集或附近防震要求高的地点使用。强夯加固设计与施工广泛适用于杂填土、碎石土、砂土、粘性土、湿陷性黄土和沼泽土，还可用于水下•三、排水固结法•饱和软土在荷载作用下，排水固结后，抗剪强度可得到提高，则达到加固的目的。此法在建筑工程中，常用于加固软弱地基，包括天然沉积层和人工冲填的土层，如沼泽土、淤泥及淤泥质土，水力冲积土等。•排水固结是运用堆载预压，挤出土中的过多含水，达到挤紧土粒和提高强度的目的。为了缩短预压时间，加设砂井竖向排水通道或铺设砂垫层，效果甚好。1)堆载预压法是在建筑物建造前，在地基表面铺一层透水砂料，若处理的软基较厚，向软基中打入砂井、袋装砂井或塑料板，然后用临时堆载（砂石料、土料、其他建筑材料、货物等）的方法对地基施加荷载，给予一定的预压期，加速地基沉降，使地基固结压密，强度提高。•其实质为在荷载作用下地基中的孔隙水被逐渐排出，促使孔隙体积变小，地基发生固结变形，随着孔隙水的排出，有效应力增加，地基土的强度也随之增长。1.砂垫层法砂垫层填土软土层适用于：a.路堤高度小于两倍极限高度，软土表面无透水性低的硬壳；b.软土层不很厚，或虽稍厚，但具有双面排水条件；c.当地有砂，运距不太远；d.施工期限不甚紧迫。砂垫层的厚度一般为0.6～1.0m，视路堤高度、软土层的厚度及压缩性而定。2.砂井/袋装砂井/塑料排水板排水法真空堆载预压排水法示意图砂垫层堆载填土砂井/袋装砂井/塑料排水板塑料薄膜射流泵有孔管道网络有孔管道网络示意图广泛适用于各类饱和粘土、粉土真空泵沟槽砂垫层袋砂井深层沉降孔压测头堆载366737358649s=1.5md=7cmL=10m10.0m•砂井堆载预压，砂井直径多为8～l0cm，间距大约是井径的6～8倍。砂井长度应穿越地基可能的滑动面，砂垫层厚度约0.5～1.0m。•砂井成孔，有沉管法和水冲法两类。•沉管法是用锤击或振动方式将带靴的钢管沉人地基，管内灌砂，在振动作用下拔出钢管，最后在土中形成砂井。•水冲法是利用高压水冲孔，孔内灌砂，此法施工速度快，但难以保证孔径匀称，质量较差。•排水固结法中除砂井堆载预压外，还有降水预压和真空预压等技术。2)真空预压法是在软粘土地基表面铺设砂垫层，用土工薄膜覆盖且周围密封。用真空泵对砂垫层抽气，使薄膜下的地基形成负压。随着地基中气和水的抽出，地基土得到固结。•该法的实质是由于土体与垫层和砂井间的压差，发生渗流，使孔隙水压力降低，有效应力增加，土体固结，强度增长。真空预压法与堆载预压法相比，如果真空预压的膜下真空度与堆载值相同时，两种加固方法的效果基本相同，其固结过程也都是促使孔隙水排出，使土体固结，强度增长。但孔隙水排出的过程是缓慢的，历时长，尤其是大面积加固工程，若采用常规堆载预压法，需要大量堆载材料，加荷时须分级加荷且易出现地基失稳现象，施工工期长，工程成本高。采用真空预压法无须大量堆载材料，施工方便，施工速度可加快，但其施工操作技术较复杂。对于多数建造在软基上的一般工程建筑物能满足工程设计要求，但对于荷载较大，承载力要求较高的地基，如扩建码头堆场、机场等地基加固时，往往需要超出真空预压所能形成的等效预压荷载，需要进一步提高加固效果，又提出了采用真空联合堆载预压法加固地基。四、挤密法将砂桩打入软土地基，使密实的砂柱体挤密软弱土层，形成复合地基。有外荷载作用时，应力向砂桩集中，使桩周围土层承受的压力减小，沉降也相应减小。适用性：适用于对沉降要求较严的工程。加固机理：挤密土层碎石桩碎石桩的桩身由碎石充填。由于碎石桩的刚度大于地基中的软粘土，地基应力重分布，荷载大部分由碎石桩承担，桩土应力比值一般为3～5。加固机理：置换土层武广客运专线采用CFG桩处理松软土地基采用CFG桩加桩帽可有效的将路基荷载传递至桩体,增强路基稳定性,控制路基工后沉降变形量。甬台温软土地基处理CFG桩京津城际铁路亦庄车站切去桩头的CFG桩京津城际铁路无砟轨道路基剖面示意图高速铁路路基CFG桩加固•孔中填石灰而成灰桩，用于挤密软土地层。•石灰桩主要作用是挤密，而生石灰的吸水、膨胀、发热及离子交换作用、使桩体硬化，改善了原地基土的性质，此外还可减小因周围土的蠕变所引起的侧向位移。•砂桩和石灰桩的布置与尺寸，需通过设计计算而定，一般桩径约20～30cm，桩的间距约为桩径的3.5倍，可在平面上按梅花形布置，桩的长度与加固土层厚度及加固要求有关。•桩孔的施工方法，有冲击和振动力等法，在湿陷性黄土中还可用爆扩成孔法。爆空区挤出区五、爆破挤淤：适用于换填深度超过3m，需要快速施工且允许爆破的场合。对于稠度较大的软土采用先爆后填，对于稠度小的软土，可以先填后爆破。1.粒料桩2.石灰桩适用于含砂量低，没有滞水砂层的软土适用于处理松砂、杂填土和粘粒含量不大的普通粘土，亦能有效防止砂土基地的液化振沉桩施工示意图•六、化学加固法•利用化学溶液或胶结剂，采用压力灌注或搅拌混合等措施，使土颗粒胶结起来，达到对土基加固的目的，称为化学加固法，又称胶结法。•此法加固效果取决于土的性质和所用化学剂，亦与施工工艺有关。•化学加固法的施工工艺有：注浆法、旋喷法和深层搅拌法。•目前化学溶液主要有：(1)以水玻璃溶液为主的浆液，常用的是水玻璃浆液和氯化钙浆液配合使用，价格昂贵，使用受到限制。(2)以丙烯酸氨为主的浆液，我国研制的丙强是其中一种。加固效果较好，因价高亦难以广泛采用。(3)水泥浆液，是由高标号的硅酸盐水泥，配以速凝剂而组成的浆液。(4)以纸浆溶液为主的浆液，如重铬酸盐木质素和木铵，加固效果好，但有毒性，且易污染地下水。•以上四类，目前以水泥浆液使用较多。今后发展的关键应是研制高效、无毒、易渗的化学浆液。1.浅层搅拌法2.深层搅拌桩法旋喷桩粉喷桩粉体搅拌复合地基技术处理厦门海沧大道海滩钻头叶片喷头软管旋喷桩示意图水泥适用于含砂量较大的软土，石灰适用于含沙量较低的软土或淤泥质土。七、胶结硬化法1.反压护道法土工织物加筋反铺塔头材排或梢捆适用于：a.非耕作区和取土不困难的地区；b.路堤高度不大于5/3～2倍极限高度；c.主要用于处理软土，对泥沼有时也可以采用。反压护道土工织物砂垫层八、调整结构法2.路堤加筋法九、侧向约束法系杆夯石堆•除了以上几种地基加固方法在国内公路路基工程中应用以外，随着公路工程技术的不断发展，湿软土基的加固技术也有了新的突破，如采用土工布、土工格栅等技术处理软基。砂砾换填袋装砂井塑料排水板碎石桩粉喷桩土工格栅土工布土工织物软土处治土工格栅和土组成抗压抗剪的复合体2.排水工程排水管管道基础（管座）管轴线壁厚管内底高程内径抹带路堑边沟碎落台排水沟截水沟跌水急流槽水簸箕检查井排水泵站（沉井）当高速公路下穿时，由于地下水位较高，用于排除洪涝渍水和降低地下水位的泵站。一般设置在排水管道的中途和终点需要提升废水时设置泵站，称为中途泵站和终点泵站。当周围环境有特殊要求时，中途泵站有时全部隐建在地下。排水泵站的主要组成部分是泵房和集水池，泵房中设置由水泵和动力设备组成的机