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第一章 总论(Introduction)How fast time flies, now you are the third year university students (junior college student)! Is that right? I have the honor to be your road engineering teacher in this term, our task is to study road engineering. I wish that we can successfully finish the study of this course through our joint efforts and cooperation. As we know, the road engineering is one of the mains course of the road engineering direction of civil engineering. Because the concept of civil engineering has been widely broadened , it is necessary for the students of building engineering to understand this courses. In fact, the road engineering in our country has been developed rapidly in recent years, our country need a large number of scientific researcher, engineering designers, construction and management engineering technicians. So, in terms of market demands, road engineering is also a very important course.1-1道路工程发展概况(the road engineering developing conditions) 1 发展历史 (history) * beginning with the Shang Dynasty (开始于商代)（natural-soil road for carriage or walking for human） * initial developing stage 20世纪1949（公路13万公里）-初步发展阶段 *stable developing stage19491980-稳定发展阶段 *high speed developing stage 1980-现在-高速公路飞速发展阶段 2 道路工程的概念 涉及道路工程（公路、城市道路、机场道路）的设计，道路材料，道路的施工养护管理的一门科学。 The subject which mainly are concerned with the design of highway、urban street road、airport ground, and with the road material, road construction、the management of road maintenance and rehabilitation .3涉及的学科 材料、岩土工程、结构分析、机电工程，量测，管理。 The material 、geotechnical 、structure analyses、machinery engineering ,measurement、management science. 1-2 路基路面工程的特点1 路基路面的概念2 基本特点- 工程量大(earthwork)（微丘区(hill)：8000-16000m3/ km2 重丘区(montain)：20000-60000 m3/ km2 -造价高(high investment) -技术复杂(complicated technique)3 路基路面的基本功能(basic or essential function)a：承载力（强度和刚度二个方面）b：稳定性（气温(tempreture)、降水(precipitation)、湿度变化）c：耐久性（疲劳特点）durability or fatigued：表面平整度(evenness)f：表面抗滑性能（安全性）road surface anti-sliding performance1-3 影响路基路面稳定的因素分析（人为、自然）自然因素(natural factors)一 地理条件（geographical condition）平原-丘陵山岭plain -drainage is the key problemhill and mountain slope stability 二 地质条件土质、岩土类型、构造、岩溶、滑坡等到不良地质现象三 气候气温、降水、温度、冻胀等四 水文及水文地质条件人为因素(artificial factors)一 载荷 （静载、动载）二 路面结构、路基三 施工四 养护1-4 路基土分类 一粒组的划分（division of soil particle-size group）细粒组（d0.074mm）：(fine grain group)粉粒 （0.0740.002mm） 粘粒 （60mm） ：(giant grain group) 卵石(pebble)（60-200mm） 漂石(boulder)（200mm） 二土类 巨粒土( giant-grain soils )：漂石 （d200mm 50%） 卵石 （d200 50%） 砾类土（2-60mm 50%） 细粒土：50% 有机土：有机质含量超过20%。特殊土：（黄土loess 、膨胀土 expensive soils、红粘土 red clay 、冻土frozen soils)关于细粒土的进一步分类A线：B线： CL CLO CH CHO ML MLO IpWL MH MH0一区：CH；CHO：高液限粘土和有机高液限粘土high liquid limit clay (high L.L clay)organic high L.L clay二区：MH 高液限粉土(high L.L fine soils) MHO 有机质高液限粉土(organic high LL fine soils)三区：ML (low L.L fine soils) MLO四区：CL CLO符号： Ba 块石 G 砾 F 粗粒土 B 漂石 Ga 角砾 C 粘粒 Cb 卵石 S 砂 M 粉粒 Cba 小块石 O 有机质 W 良好级配fine grading V 很高液限 P 不良级配 bad - H 高液限 Pu 均匀级配uniform- I 中液限 Pg 阶段级配 stage- L 低液限 GW-C 微含粘土很好级配砾石 CIS+B 含漂石和砂中液限粘土 说明不同种类土在道路工程中的好坏1-5公路自然区划 (The natural zone division of highway)公路自然区划的目的：寻找不同地区道路工程的规律。 Frost boiling - northern area Subgrade subsidence -south area划分原则：（三点）道路工程相似 地表气候差异 主导因素共分三个地带：多年冻土、季节冻土、全年不冻土再根据冷热平衡（temperature balance）和地理位置划分为七大区 区：北部多年冻土区(permanent frozen area)（保持冻结状态） 区：东部温润季冻区(mild seasonal frozen area in east part)（防翻浆和冻胀）(frost boil and heave) 区：黄土高原干湿过渡区(loess plateau transition zone) 区：东南湿热区(hot and humid zone) 区：西南潮暖区(damp and mild zone ) 区：西北干旱区(arid, dry) 区：青藏高寒区(frigid zone) 二级区划根据潮湿系数(moisture index) 分成6个等级K=R（降水）/Z（蒸发） K2 1级 过湿 K=1.52 2级 中湿 K=1.51 3级 K=(见土木126页)三级区划是二级区划的具体化 根据水热、地理位置 地表水文、土质1-6 路基水温状况及干湿类型 (moisture and temperature status of subgrade)一路基湿度的来源(the origin of the ) 路基强度=f材料、施工质量、湿度、大气湿度对湿度的影响 湿度来源：大气降水、地面水、地下水、毛细水（capillary water） （地下水：重力水毛细水、薄膜水）二大气温度对水温状况的影响温度差下，水由热处向冷处移动（冻胀性）the groundwater usually move in the direction of higher temperature areas to the lower temperature areas on the action of temperature difference 如冻胀现象，可解释及移动机理三路基干湿类干湿类型：干燥，中湿，潮湿，过湿 (frigid, mid-damp damp over-damp)划分的依据：稠度( moisture content)consistency路槽底面下80cm范围内的平均稠度 干燥 中湿 不同自然区，不同类型土其值不同 过湿:为分界稠度(division consistency)（其值见土木125页）含水量增加方向干燥 中湿 潮湿 过湿1.2 1.0 0.9wc1 wc2 wc3稠度增加方向 路基临界高度(critical height of subgrade)： critical height of subgrade is the distance from the bottom of the pavement structure to the groundwater level or underground water level which is in accordance with the limited consistency()分界调度相对应路槽底面距地下水位（地表积水）的高度值H2H3H1Wc1-对应路基临界高度H1Wc2-对应路基临界高度H2Wc3-对应路基临界高度H31-7 路面结构及层位功能 路拱横坡度：(transverse slope of road crown )不同路面要求不一，土木175页表（主要是排水）有中央分隔带(median)时视中央分隔带是否为排水分成 median路肩横坡度一般应大于路面横坡度1%面层土路肩加固路肩i :路拱横坡度垫层基层Shoulder - surface layerbase layercushion - cross-section gradient of berm面层：强度和刚度，稳定性（水稳，温稳），防渗（seepage interception），抗磨性能(wearing capacity)，抗滑及平整度。 介绍所用的材料 asphalt cement 基层：主要承重层，强度，刚度，水稳性构成基层的材料（结合料 稳定土，稳定碎石，工业废渣）base or subbase combine (mixture:混合料) stable soil, stable crushed stone , industrial waste 垫层：改善土基的湿度和强度以保证面层和基层及扩散应力 使用材料：碎石等透水性好的材料(the material with good permeability) 1-8 路面等级及分类(pavement grading and classification) 根据：面层材料，结构强度，稳定性高级路面（advanced pavement）（强度、刚度（stiffness）、稳定性好、寿命长 高交通量(high traffic volume) ，平整，无尘(dustless) 运输成本低(low transportation cost)初期投资较高(high initial stage investment) 面层类型：水泥砼，沥青砼，厂拌沥青碎石次高级(sub-advanced pavement )中级(moderate grade pavement)低级(low grade pavement)路面分类：（根据力学特性）和设计的角度柔性路面(flexible pavement)刚性路面(rigid pavement )：水泥砼作路面或基层构成的路面半刚性路面(semi-rigid pavement)第二章 行车荷载，环境因素，材料的力学性质2-1 行车荷载（vehicle load）一 车辆的种类客车(bus) （小客，中客，大客）货车(truck) （整车、牵引式挂车、牵引式半挂车） 整车：货箱和发动机为一体 二汽车的轴型(axle type of automobile) 前轴 后轴1/3(M) M: 车总重 单轮组单前轴 单轮组单后轴 single wheel-single head axle single wheelsingle axle shaft 单轮组单前轴 双轮组单后轴一般后轴都由双轮组组成 ，后轴轴载为：60130KN因此取100KN为标准轴载(standard vehicle load)二 汽车对道路的静力作用(vehicle static action to road)DP P 单园荷载 Single circle load style ：作用在轮胎上的荷载 (the load on the tyre)d1.5dP P 双园荷载 ：轮胎压力(tyre pressure) Double circle load style四运动车辆对道路的动态影响 (dynamic action of the vehicle to road)垂直静压力，水平力，振动力(vertical static pressure, horizontal force ,vibration force )轮载的特性：波动性，（以静载为中心），呈正态分布五 交通分析(traffic analyses) 交通分析的重要性：安全设计年限内(design period)，综合分析车辆对道路累计破坏作用1 交通量(traffic volume)过某一断面，在某一定时间间隔内车辆的数量。车辆分11 类大型货车 小型客车 拖挂车 小型拖拉机中型货车 大型客车 大中型拖拉机小型货车 9 人力车 10 自行车 11畜力车设：设计年限的初年的交通量为N1则设计年限内累计交通量(accumulated traffic volume)2 轴载组成与等效换算(axle load constitution and equivalent calculation)根据实测可得轴载谱为便于分析，将不同轴载在同一路面结构不同轴载达到相同操损伤程度的原则下，进行换算，换算成相当100KN（标准轴载）的作用次数3 轮迹的横向分布 在路面结构设计中取50cm的频率之和2-2 环境因素的影响 (environmental impaction to road structure) 温度和湿度对路基路面影响明显沥青砼弹性模量随温度升高引起的降低（37页 图2-9）路基的回弹模量随湿度急剧下降（37页 图2-10）路基土，路面材料的体积由温度湿度而引起的膨胀和收缩2-3 土基的力学强度(strength of the basement soils) 一 路基受力状况及工作区 the working condition and working area of the subgrade DZPCZ=rz ：工作区深度（m）p：轮重荷栽（一侧）k:y:土的容重n:（5-10）二、 路基土的应力-应变特性(stress-strain property) （75-95%的路面结构变形来源于路基） 弹性变形-沥青面层、水泥混凝土板的疲劳开裂(fatigue cracks) 塑性变形-车辙(rut)、板块断裂由三轴压缩实验，则可得如下曲线1-3残余变形回弹变形初始切线摸量割线摸量回弹摸量Residual deformation secant modulus(割线模量)Resilience modulus(回弹模量)对砂性土： 其中：对于粘性土：1-3ERk4k3k2k1当 当 三、重复荷载对路基土的影响（repeated load） 重复荷载将导致塑性变形的积累，变形的积累的结果： =变形积累逐渐减少, 路基稳定 =变形积累逐渐增加, 路基破坏是否稳定取决于: 土的性质, 相对荷载的大小, 重复荷载的作用次数一般总应变积累变形的规律可表示为:2-4 土基的承载能力土基的承载能力采用一定级位下的抗变形能力表示:(reflection modulus )一、土基的回弹模量 回弹模量确定的意义：可以确定在瞬间荷载作用下，土基可恢复变形的性质确定方法：（柔性压板、刚性压板） (flexible plate 、rigid plate)实测的采用逐级加载卸载法. 每加0.04Mpa- 稳1minl值 回弹超过1mm时停止加载。（the methods of loading and unloading progressively ）取实际可能出现的最大压应力 。按下式可求出E值。 二、地基反应模量温克勒地基模型（用于刚性路面设计中）p土基顶面任一点的弯沉(dip)，只与作用在该点的垂直压力P成正比，则有 K=K值的确定：采用承载板试验、板d=76cm 采用一次加载到位的方法地基较软时：lm=0.127cm时对应荷载为控制荷载地基较硬时：P=70Kpa作为控制荷载回弹反应模量KR KR=1.77K (KR=) K=采用d=30cm 时 K76=0.4K30三、加州承压比（CBR） California Bearing Ratio CBR= P: 对应于某一贯入度（penetration）的土基单位压力。 0.254,0.508Ps: 相应贯入度时的标准压力。（查表求得） 2-5、路基的变形、破坏及防治一、主要病害(disease)1、 路基沉陷 路基沉陷 路基收缩 路基散塌 shrinkage(contract) 路基土压缩地基为软土施工质量：压密（compaction）不够、增筑方法不合理2 边坡滑塌溜方 滑坡（土坡稳定性） 路堑边坡失稳（流水冲刷、施工） 2、 碎落和崩塌(crumbling and collapse)4、路基沿山坡滑动二、病害的防治(prevention and treatment)1、 路基横断面设计合理2、 路基土选用良好路基土3、 增筑方法4、 合理排水5、 边坡加固（slope reinforcement）6、 路基高度保证2-6 路面材料的力学强度特性 松散颗粒型材料scattered particlesize materials 沥青结合料(asphalt binder) 无机结合料 ( inorganic binder )一、抗剪强度（三轴试验） p压条D 二、抗拉强度 直接拉伸间接拉伸（劈裂试验）对沥青混合料(mixture) h:试样高度立方体试块对水泥混凝土第三章 一般路基设计 3-1 路基的类型与构造1 一般路基：在良好的地质水文条件下，填方(fill)与挖方(excavation)量不大的情况下的路基， 其横断面可直剪选用典型横断面。2 类型：（路堤路堑填挖结合） embankment cut fill-cut combination一、 路堤：矮路堤 h=1.01.5m高路堤 h18m(土); h20m(石)一般路堤 h=1.518m 矮路堤: 1:1.5hB条件 ：取土困难时注意： hH(临界高度) 由于h1m1:1.51:1.75变坡的形式 为防水，设护坡道 山坡路堤设石砌护脚 slope chang berm高路堤1/2H1:m1:m软土地区设反压护道，防软土侧向挤出 (inverse berm)1:m0.51.0m0.61.0m 软土地区设砂垫层，利于排水1:n11:n25m截水沟二、路堑 变坡较缓，路中线较低时设全挖路基（上图） 变坡较陡时 采用台口式路基 岩层坚硬时 半山洞式（61页图）三、半填半挖 斜坡路段，当路中心线标高接近原地面线，目的是减少土石方量。3-2 路基设计 设计内容： （1）选择路基断面形式，确定路基宽度和高度 （2）选择路基填料与压实标准 （3）变坡形状和坡度 (4) 排水系统布置，排水结构设计 （5）边坡防护与加固设计the design for slope protection and reinforcement （6）附属设施设计(attached facilities)一、路基宽度的确定（公路工程技术标准） 宽度=行车道宽度+路肩宽度 一个车道宽度=3.5-3.75m 见63页表 路肩：1-3m 注意：少占农田山坡处填挖平衡防水土流失 farmland loss of water and erosion of soilsBi0ishoulderVehicle lanemedian二、路基高度（H）概念：路堤的填筑高度，路堑的开挖深度，即路基设计标高和原地面标高之差（指路中心线）。路基高度(H,h)应满足: 纵坡要求(profile slope) 路基稳定性（保持路基干燥和中湿） 经济性 注：（1）若H8,见表） 2: 路堑边坡 (cut slope) 应首先分析路堑边坡稳定性因素（岩性、构造、风化程度） 土质边坡： 66页 岩质边坡： 66页 地震区岩质边坡 67页四、路基压实 分析路基压实的意义1:压实土的特性分析woptirdmaxwrd 最佳含水量的概念 施工压实度k(compaction degree)的概念 the maximum dry density2: 压实标准（70页）3-3 路基附属设施设计内容：取土坑，弃土堆，护坡道，碎落台，堆料坪，错车道 soil pit berm一、取土坑与弃土堆 取土坑应防止积水（71页） 弃土堆设置见（71页图）二、护坡道与碎落台护坡道目的利于边坡稳定性 护坡道宽度d=1.0m 边坡高度h3.0m d=2.0m 边坡高度h=3.06m d=2.4m 边坡高度h6-12m碎落台：供下落土石堆积场所三、堆料坪与错车道 堆料坪：用于路面养护用的矿料错车道：用于单车道公路汇车和相互避让的需要第四章：路基边坡稳定性分析4-1 边坡稳定性分析原理与方法 一、原理、基本假定（principle、assumption） 1 粘性土滑动，滑动面为圆弧面 砂性土滑动，滑动面为平面2 滑动体内力不与考虑(internal force)3 对非静定问题转化为静定问题 statically determinate problem二、计算参数的选取 *土的参数h3 r3 c3 3h2 r2 c2 2h1 r1 c1 1h3 r3 c3 3h2 r2 c2 2h1 r1 c1 1 *边坡角取值（75页图）*汽车荷载转化为当量土柱高度h0 (equivalent column height )L :=4.2m 汽-10 汽15 =5.6m 汽-20B: 横向发布的车辆轮胎最外缘之间的距离 B=N b+(N-1)dLdb三、边坡稳定性分析方法 力学分析法 工程地质比拟法(comparison)力学分析法1 直线法(straight line or tangent line)GTNLResultant force(合力) component of force(分力) (safety factor) (sliding force) (anti-sliding force) 求kmin 对砂性土的路堑边坡可求出： 令： 带入上式得：h 其中：对于成层砂土：2 圆弧法( circle arc)（1） 基本原理（2） 基本步骤 * 选定圆弧滑动面AB，划分土条（soil stripe），每条宽2-4m* 计算每个土条的重量 *计算滑动力矩和抗滑力矩 (sliding moment of force and anti-sliding moment of force) *求k若土质是均匀的：危险圆心的确定方法：(the center of a circle) （1）求h0 H=h0+h (2) 求M的位置（3）由边坡斜度 查表可得： ，由此可得I点 （4）连接MI IHHh04.5HM12简化方法： 不计h0的影响 36度法（一） 36度法（二）3603604-2 陡边坡稳定性(steep slope)一、陡边坡路堤稳定性的概念 （87页图）二、稳定性分析方法 基底为一斜面当滑面为折面时，第n个土条的剩余下滑力为：NnTnQnPnEnn-1LnnEn-14-3 浸水路堤稳定性分析 一、渗透动水力分析(permeation force)高水位低水位二、渗透动水力计算其中：A为水占据的面积SnOBCA三、稳定性分析 fc ： 水上部分fB: 水下部分注：水下土的容重取浮容重第五章 路基防护与加固 5-1 概述 自然因素：水（地下水、地表水、降水）、温度防护与加固：坡面防护=河岸冲刷防护=湿软路基加固 5-2 坡面防护*坡面防护的目的：免受雨水的冲刷，减缓温差及温度变化的影响 美化环境*类型 植物防护（种草、铺草皮、植树） 工程防护（抹面、喷浆、勾缝、石砌护面） 植物防护： 种草：用于土质边坡坡度不陡于1:1， 地面径流速度0.6m/s时，可采用片石砌成方格，在方格内再铺草皮。 植树：用于堤岸边的河滩上，降低流速，防淤积工程防护 抹面防护:由于石质挖方坡面，以防进一步风化。 喷浆： 适于地表不平整的石质边坡（厚5-10cm） -勾缝： 大块石质边坡坡面， 干砌片石抹面：适于浸水路堤坡面（97页图） 护面墙： 用于松软岩质边坡（98页图）5-3 冲刷防护一、 直接措施 植物防护 石砌防护 抛石，抛石垜（v3m/s） 见图99页石笼防护（v5m/s） 见图99页二、间接措施设置导治结构物（坝）， 改变水流方向。5-4 地基加固一、换填土层法（软土）要求： 砂垫层（0.6-1.0m），中粗为好， 不均匀系数5 含泥量35%作用： 提高承载力，减少沉降，加速排水固结，防冻胀，去湿陷。 二、重锤夯实法 条件： 杂填土，碎石、一般粘性土、黄土 技术要求： 重锤为钢筋混凝土圆锥体 ，重1.5t落高：2.54.5m次数：812m作用深度：一倍锤低直径 三、排水固结法（软土）四、砂桩挤密法 条件：松砂，杂填土、普通粘性土五、化学加固法 原理：利用化学溶液或胶结胶结剂，采用压力灌浆，使土颗粒胶结起来，达到结构地基的作用。第六章 挡土墙设计6-1 概述一、挡土墙的用途支撑路堤、路堑边坡=隧道洞口=桥梁两端=河流岸壁 按设置位置的不同，分为：路肩墙路堤墙 路堑墙 山坡墙踵墙胸墙背墙底宽度墙顶宽度墙趾各部位名称：二、挡土墙的类型1 重力式挡土墙（107页）2 锚定式挡土墙（108页） 锚干式：用于墙较高，石料缺乏的地区（108页） 锚定板式：同上（不适于路堑） 总的特点：构件断面小，工程量小，不受地基承载力的限制3 薄臂式挡土墙分：悬臂式和扶臂式特点：墙身轻，稳定性靠锺板填土维持墙高较大，需钢材4 加筋土挡土墙 组成 填土拉筋条：镀鋅薄钢带、鋁合金、高强塑料、合成纤维墙面板：混凝土预制 特点： 对地基适应性强， 建筑高度大，适于填土路基，节省投资6-2 挡土墙土压力计算 一、作用力分析：EPGNEa 另外： 对浸水挡土墙=静水压力、浮力、动水压力、波浪冲击力、冻胀压力地震力、施工荷载、水流漂浮物的撞击力二、一般条件下库仑土压力计算1. 破裂面交于内边界4321EaRGCABH900-+EaRG900-=+由上式可推得：令可得： 2 破裂角交于路基表面：h0aHH tan(a+H) tanh0dbL0破坏棱体的截面积s整理后得： 因此， 代入整理后得： 将值代入表达式中，即可求出3 破裂面交于外边缘，同理可求出三、 大俯角的主动土压力（略）四、 折线形墙背主动土压力计算（略）五、 粘性土主动土压力计算1 等效内摩擦角法 2 力的多边形法6-3 挡土墙设计一、 挡土墙的布置 （1）挡土墙修建的条件（125页）路堑挡墙=边沟旁山坡墙=基础可靠路肩墙和路堤墙应进行比较（2）挡土墙的纵向布置 *确定墙的起点、墙长、与桥台隧道的衔接方式*确定伸缩缝，沉降缝的位置*布设墙的基础*布置排水孔位置 （3）横向布置（墙身断面、基础） （4）平面布置（必要时用）二、挡土墙的构造 1 墙身构造 *墙背：形式与角度（126页图） *墙面（一般为平面） *墙顶（满足最小宽度） *护栏2 基础 *类型：一般为扩大基础（128页图） *基础埋藏深度 土质：无冲刷天然地面下1m有冲刷冲刷线下1m 有冻胀冻结线下0.25m 石质：（128页）3 排水设施 地面排水沟 夯实顶面松土，防水下渗 墙身设泄水孔（129页图） 4 沉降缝与伸缩缝 一般沿路线方向，每隔1015m设置一道，缝宽23m 伸缩缝： 因圬工受温度影响收缩而设 沉降缝：因地质条件变化而设，目的是防止因地基不均匀沉降而导致墙身开列。三、挡土墙的荷载计算方法 1 作用在挡土墙上的荷载恒载=可变荷载=温度与施工荷载（130页） 常用荷载组合见（130页）2 挡土墙的设计原则 分项安全系数极限状态法四、挡土墙稳定性验算 （抗滑稳定性、抗倾覆稳定性）
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