第一章 總論(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道路工程發展概況(the road engineering developing conditions) 1 發展歷史 (history) * beginning with the Shang Dynasty (開始于商代)（natural-soil road for carriage or walking for human） * initial developing stage 20世紀1949（公路13萬公里）-初步發展階段 *stable developing stage19491980-穩定發展階段 *high speed developing stage 1980-現在-高速公路飛速發展階段 2 道路工程的概念 涉及道路工程（公路、城市道路、機場道路）的設計，道路材料，道路的施工養護管理的一門科學。 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涉及的學科 材料、巖土工程、結構分析、機電工程，量測，管理。 The material 、geotechnical 、structure analyses、machinery engineering ,measurement、management science. 1-2 路基路面工程的特點1 路基路面的概念2 基本特點- 工程量大(earthwork)（微丘區(hill)：8000-16000m3/ km2 重丘區(montain)：20000-60000 m3/ km2 -造價高(high investment) -技術復雜(complicated technique)3 路基路面的基本功能(basic or essential function)a：承載力（強度和剛度二個方面）b：穩定性（氣溫(tempreture)、降水(precipitation)、濕度變化）c：耐久性（疲勞特點）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 影響路基路面穩定的因素分析（人為、自然）自然因素(natural factors)一 地理條件（geographical condition）平原-丘陵山嶺plain -drainage is the key problemhill and mountain slope stability 二 地質條件土質、巖土類型、構造、巖溶、滑坡等到不良地質現象三 氣候氣溫、降水、溫度、凍脹等四 水文及水文地質條件人為因素(artificial factors)一 載荷 （靜載、動載）二 路面結構、路基三 施工四 養護1-4 路基土分類 一粒組的劃分（division of soil particle-size group）細粒組（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） 二土類 巨粒土( giant-grain soils )：漂石 （d200mm 50%） 卵石 （d200 50%） 礫類土（2-60mm 50%） 細粒土：50% 有機土：有機質含量超過20%。特殊土：（黃土loess 、膨脹土 expensive soils、紅粘土 red clay 、凍土frozen soils)關于細粒土的進一步分類A線：B線： CL CLO CH CHO ML MLO IpWL MH MH0一區：CH；CHO：高液限粘土和有機高液限粘土high liquid limit clay (high L.L clay)organic high L.L clay二區：MH 高液限粉土(high L.L fine soils) MHO 有機質高液限粉土(organic high LL fine soils)三區：ML (low L.L fine soils) MLO四區：CL CLO符號： Ba 塊石 G 礫 F 粗粒土 B 漂石 Ga 角礫 C 粘粒 Cb 卵石 S 砂 M 粉粒 Cba 小塊石 O 有機質 W 良好級配fine grading V 很高液限 P 不良級配 bad - H 高液限 Pu 均勻級配uniform- I 中液限 Pg 階段級配 stage- L 低液限 GW-C 微含粘土很好級配礫石 CIS+B 含漂石和砂中液限粘土 說明不同種類土在道路工程中的好壞1-5公路自然區劃 (The natural zone division of highway)公路自然區劃的目的：尋找不同地區道路工程的規律。 Frost boiling - northern area Subgrade subsidence -south area劃分原則：（三點）道路工程相似 地表氣候差異 主導因素共分三個地帶：多年凍土、季節凍土、全年不凍土再根據冷熱平衡（temperature balance）和地理位置劃分為七大區 區：北部多年凍土區(permanent frozen area)（保持凍結狀態） 區：東部溫潤季凍區(mild seasonal frozen area in east part)（防翻漿和凍脹）(frost boil and heave) 區：黃土高原干濕過渡區(loess plateau transition zone) 區：東南濕熱區(hot and humid zone) 區：西南潮暖區(damp and mild zone ) 區：西北干旱區(arid, dry) 區：青藏高寒區(frigid zone) 二級區劃根據潮濕系數(moisture index) 分成6個等級K=R（降水）/Z（蒸發） K2 1級 過濕 K=1.52 2級 中濕 K=1.51 3級 K=(見土木126頁)三級區劃是二級區劃的具體化 根據水熱、地理位置 地表水文、土質1-6 路基水溫狀況及干濕類型 (moisture and temperature status of subgrade)一路基濕度的來源(the origin of the ) 路基強度=f材料、施工質量、濕度、大氣濕度對濕度的影響 濕度來源：大氣降水、地面水、地下水、毛細水（capillary water） （地下水：重力水毛細水、薄膜水）二大氣溫度對水溫狀況的影響溫度差下，水由熱處向冷處移動（凍脹性）the groundwater usually move in the direction of higher temperature areas to the lower temperature areas on the action of temperature difference 如凍脹現象，可解釋及移動機理三路基干濕類干濕類型：干燥，中濕，潮濕，過濕 (frigid, mid-damp damp over-damp)劃分的依據：稠度( moisture content)consistency路槽底面下80cm范圍內的平均稠度 干燥 中濕 不同自然區，不同類型土其值不同 過濕:為分界稠度(division consistency)（其值見土木125頁）含水量增加方向干燥 中濕 潮濕 過濕1.2 1.0 0.9wc1 wc2 wc3稠度增加方向 路基臨界高度(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()分界調度相對應路槽底面距地下水位（地表積水）的高度值H2H3H1Wc1-對應路基臨界高度H1Wc2-對應路基臨界高度H2Wc3-對應路基臨界高度H31-7 路面結構及層位功能 路拱橫坡度：(transverse slope of road crown )不同路面要求不一，土木175頁表（主要是排水）有中央分隔帶(median)時視中央分隔帶是否為排水分成 median路肩橫坡度一般應大于路面橫坡度1%面層土路肩加固路肩i :路拱橫坡度墊層基層Shoulder - surface layerbase layercushion - cross-section gradient of berm面層：強度和剛度，穩定性（水穩，溫穩），防滲（seepage interception），抗磨性能(wearing capacity)，抗滑及平整度。 介紹所用的材料 asphalt cement 基層：主要承重層，強度，剛度，水穩性構成基層的材料（結合料 穩定土，穩定碎石，工業廢渣）base or subbase combine (mixture:混合料) stable soil, stable crushed stone , industrial waste 墊層：改善土基的濕度和強度以保證面層和基層及擴散應力 使用材料：碎石等透水性好的材料(the material with good permeability) 1-8 路面等級及分類(pavement grading and classification) 根據：面層材料，結構強度，穩定性高級路面（advanced pavement）（強度、剛度（stiffness）、穩定性好、壽命長 高交通量(high traffic volume) ，平整，無塵(dustless) 運輸成本低(low transportation cost)初期投資較高(high initial stage investment) 面層類型：水泥砼，瀝青砼，廠拌瀝青碎石次高級(sub-advanced pavement )中級(moderate grade pavement)低級(low grade pavement)路面分類：（根據力學特性）和設計的角度柔性路面(flexible pavement)剛性路面(rigid pavement )：水泥砼作路面或基層構成的路面半剛性路面(semi-rigid pavement)第二章 行車荷載，環境因素，材料的力學性質2-1 行車荷載（vehicle load）一 車輛的種類客車(bus) （小客，中客，大客）貨車(truck) （整車、牽引式掛車、牽引式半掛車） 整車：貨箱和發動機為一體 二汽車的軸型(axle type of automobile) 前軸 后軸1/3(M) M: 車總重 單輪組單前軸 單輪組單后軸 single wheel-single head axle single wheelsingle axle shaft 單輪組單前軸 雙輪組單后軸一般后軸都由雙輪組組成 ，后軸軸載為：60130KN因此取100KN為標準軸載(standard vehicle load)二 汽車對道路的靜力作用(vehicle static action to road)DP P 單園荷載 Single circle load style ：作用在輪胎上的荷載 (the load on the tyre)d1.5dP P 雙園荷載 ：輪胎壓力(tyre pressure) Double circle load style四運動車輛對道路的動態影響 (dynamic action of the vehicle to road)垂直靜壓力，水平力，振動力(vertical static pressure, horizontal force ,vibration force )輪載的特性：波動性，（以靜載為中心），呈正態分布五 交通分析(traffic analyses) 交通分析的重要性：安全設計年限內(design period)，綜合分析車輛對道路累計破壞作用1 交通量(traffic volume)過某一斷面，在某一定時間間隔內車輛的數量。車輛分11 類大型貨車 小型客車 拖掛車 小型拖拉機中型貨車 大型客車 大中型拖拉機小型貨車 9 人力車 10 自行車 11畜力車設：設計年限的初年的交通量為N1則設計年限內累計交通量(accumulated traffic volume)2 軸載組成與等效換算(axle load constitution and equivalent calculation)根據實測可得軸載譜為便于分析，將不同軸載在同一路面結構不同軸載達到相同操損傷程度的原則下，進行換算，換算成相當100KN（標準軸載）的作用次數3 輪跡的橫向分布 在路面結構設計中取50cm的頻率之和2-2 環境因素的影響 (environmental impaction to road structure) 溫度和濕度對路基路面影響明顯瀝青砼彈性模量隨溫度升高引起的降低（37頁 圖2-9）路基的回彈模量隨濕度急劇下降（37頁 圖2-10）路基土，路面材料的體積由溫度濕度而引起的膨脹和收縮2-3 土基的力學強度(strength of the basement soils) 一 路基受力狀況及工作區 the working condition and working area of the subgrade DZPCZ=rz ：工作區深度（m）p：輪重荷栽（一側）k:y:土的容重n:（5-10）二、 路基土的應力-應變特性(stress-strain property) （75-95%的路面結構變形來源于路基） 彈性變形-瀝青面層、水泥混凝土板的疲勞開裂(fatigue cracks) 塑性變形-車轍(rut)、板塊斷裂由三軸壓縮實驗，則可得如下曲線1-3殘余變形回彈變形初始切線摸量割線摸量回彈摸量Residual deformation secant modulus(割線模量)Resilience modulus(回彈模量)對砂性土： 其中：對于粘性土：1-3ERk4k3k2k1當 當 三、重復荷載對路基土的影響（repeated load） 重復荷載將導致塑性變形的積累，變形的積累的結果： =變形積累逐漸減少, 路基穩定 =變形積累逐漸增加, 路基破壞是否穩定取決于: 土的性質, 相對荷載的大小, 重復荷載的作用次數一般總應變積累變形的規律可表示為:2-4 土基的承載能力土基的承載能力采用一定級位下的抗變形能力表示:(reflection modulus )一、土基的回彈模量 回彈模量確定的意義：可以確定在瞬間荷載作用下，土基可恢復變形的性質確定方法：（柔性壓板、剛性壓板） (flexible plate 、rigid plate)實測的采用逐級加載卸載法. 每加0.04Mpa- 穩1minl值 回彈超過1mm時停止加載。（the methods of loading and unloading progressively ）取實際可能出現的最大壓應力 。按下式可求出E值。 二、地基反應模量溫克勒地基模型（用于剛性路面設計中）p土基頂面任一點的彎沉(dip)，只與作用在該點的垂直壓力P成正比，則有 K=K值的確定：采用承載板試驗、板d=76cm 采用一次加載到位的方法地基較軟時：lm=0.127cm時對應荷載為控制荷載地基較硬時：P=70Kpa作為控制荷載回彈反應模量KR KR=1.77K (KR=) K=采用d=30cm 時 K76=0.4K30三、加州承壓比（CBR） California Bearing Ratio CBR= P: 對應于某一貫入度（penetration）的土基單位壓力。 0.254,0.508Ps: 相應貫入度時的標準壓力。（查表求得） 2-5、路基的變形、破壞及防治一、主要病害(disease)1、 路基沉陷 路基沉陷 路基收縮 路基散塌 shrinkage(contract) 路基土壓縮地基為軟土施工質量：壓密（compaction）不夠、增筑方法不合理2 邊坡滑塌溜方 滑坡（土坡穩定性） 路塹邊坡失穩（流水沖刷、施工） 2、 碎落和崩塌(crumbling and collapse)4、路基沿山坡滑動二、病害的防治(prevention and treatment)1、 路基橫斷面設計合理2、 路基土選用良好路基土3、 增筑方法4、 合理排水5、 邊坡加固（slope reinforcement）6、 路基高度保證2-6 路面材料的力學強度特性 松散顆粒型材料scattered particlesize materials 瀝青結合料(asphalt binder) 無機結合料 ( inorganic binder )一、抗剪強度（三軸試驗） p壓條D 二、抗拉強度 直接拉伸間接拉伸（劈裂試驗）對瀝青混合料(mixture) h:試樣高度立方體試塊對水泥混凝土第三章 一般路基設計 3-1 路基的類型與構造1 一般路基：在良好的地質水文條件下，填方(fill)與挖方(excavation)量不大的情況下的路基， 其橫斷面可直剪選用典型橫斷面。2 類型：（路堤路塹填挖結合） 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條件 ：取土困難時注意： hH(臨界高度) 由于h1m1:1.51:1.75變坡的形式 為防水，設護坡道 山坡路堤設石砌護腳 slope chang berm高路堤1/2H1:m1:m軟土地區設反壓護道，防軟土側向擠出 (inverse berm)1:m0.51.0m0.61.0m 軟土地區設砂墊層，利于排水1:n11:n25m截水溝二、路塹 變坡較緩，路中線較低時設全挖路基（上圖） 變坡較陡時 采用臺口式路基 巖層堅硬時 半山洞式（61頁圖）三、半填半挖 斜坡路段，當路中心線標高接近原地面線，目的是減少土石方量。3-2 路基設計 設計內容： （1）選擇路基斷面形式，確定路基寬度和高度 （2）選擇路基填料與壓實標準 （3）變坡形狀和坡度 (4) 排水系統布置，排水結構設計 （5）邊坡防護與加固設計the design for slope protection and reinforcement （6）附屬設施設計(attached facilities)一、路基寬度的確定（公路工程技術標準） 寬度=行車道寬度+路肩寬度 一個車道寬度=3.5-3.75m 見63頁表 路肩：1-3m 注意：少占農田山坡處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，路塹的開挖深度，即路基設計標高和原地面標高之差（指路中心線）。路基高度(H,h)應滿足: 縱坡要求(profile slope) 路基穩定性（保持路基干燥和中濕） 經濟性 注：（1）若H8,見表） 2: 路塹邊坡 (cut slope) 應首先分析路塹邊坡穩定性因素（巖性、構造、風化程度） 土質邊坡： 66頁 巖質邊坡： 66頁 地震區巖質邊坡 67頁四、路基壓實 分析路基壓實的意義1:壓實土的特性分析woptirdmaxwrd 最佳含水量的概念 施工壓實度k(compaction degree)的概念 the maximum dry density2: 壓實標準（70頁）3-3 路基附屬設施設計內容：取土坑，棄土堆，護坡道，碎落臺，堆料坪，錯車道 soil pit berm一、取土坑與棄土堆 取土坑應防止積水（71頁） 棄土堆設置見（71頁圖）二、護坡道與碎落臺護坡道目的利于邊坡穩定性 護坡道寬度d=1.0m 邊坡高度h3.0m d=2.0m 邊坡高度h=3.06m d=2.4m 邊坡高度h6-12m碎落臺：供下落土石堆積場所三、堆料坪與錯車道 堆料坪：用于路面養護用的礦料錯車道：用于單車道公路匯車和相互避讓的需要第四章：路基邊坡穩定性分析4-1 邊坡穩定性分析原理與方法 一、原理、基本假定（principle、assumption） 1 粘性土滑動，滑動面為圓弧面 砂性土滑動，滑動面為平面2 滑動體內力不與考慮(internal force)3 對非靜定問題轉化為靜定問題 statically determinate problem二、計算參數的選取 *土的參數h3 r3 c3 3h2 r2 c2 2h1 r1 c1 1h3 r3 c3 3h2 r2 c2 2h1 r1 c1 1 *邊坡角取值（75頁圖）*汽車荷載轉化為當量土柱高度h0 (equivalent column height )L :=4.2m 汽-10 汽15 =5.6m 汽-20B: 橫向發布的車輛輪胎最外緣之間的距離 B=N b+(N-1)dLdb三、邊坡穩定性分析方法 力學分析法 工程地質比擬法(comparison)力學分析法1 直線法(straight line or tangent line)GTNLResultant force(合力) component of force(分力) (safety factor) (sliding force) (anti-sliding force) 求kmin 對砂性土的路塹邊坡可求出： 令： 帶入上式得：h 其中：對于成層砂土：2 圓弧法( circle arc)（1） 基本原理（2） 基本步驟 * 選定圓弧滑動面AB，劃分土條（soil stripe），每條寬2-4m* 計算每個土條的重量 *計算滑動力矩和抗滑力矩 (sliding moment of force and anti-sliding moment of force) *求k若土質是均勻的：危險圓心的確定方法：(the center of a circle) （1）求h0 H=h0+h (2) 求M的位置（3）由邊坡斜度 查表可得： ，由此可得I點 （4）連接MI IHHh04.5HM12簡化方法： 不計h0的影響 36度法（一） 36度法（二）3603604-2 陡邊坡穩定性(steep slope)一、陡邊坡路堤穩定性的概念 （87頁圖）二、穩定性分析方法 基底為一斜面當滑面為折面時，第n個土條的剩余下滑力為：NnTnQnPnEnn-1LnnEn-14-3 浸水路堤穩定性分析 一、滲透動水力分析(permeation force)高水位低水位二、滲透動水力計算其中：A為水占據的面積SnOBCA三、穩定性分析 fc ： 水上部分fB: 水下部分注：水下土的容重取浮容重第五章 路基防護與加固 5-1 概述 自然因素：水（地下水、地表水、降水）、溫度防護與加固：坡面防護=河岸沖刷防護=濕軟路基加固 5-2 坡面防護*坡面防護的目的：免受雨水的沖刷，減緩溫差及溫度變化的影響 美化環境*類型 植物防護（種草、鋪草皮、植樹） 工程防護（抹面、噴漿、勾縫、石砌護面） 植物防護： 種草：用于土質邊坡坡度不陡于1:1， 地面徑流速度0.6m/s時，可采用片石砌成方格，在方格內再鋪草皮。 植樹：用于堤岸邊的河灘上，降低流速，防淤積工程防護 抹面防護:由于石質挖方坡面，以防進一步風化。 噴漿： 適于地表不平整的石質邊坡（厚5-10cm） -勾縫： 大塊石質邊坡坡面， 干砌片石抹面：適于浸水路堤坡面（97頁圖） 護面墻： 用于松軟巖質邊坡（98頁圖）5-3 沖刷防護一、 直接措施 植物防護 石砌防護 拋石，拋石垜（v3m/s） 見圖99頁石籠防護（v5m/s） 見圖99頁二、間接措施設置導治結構物（壩）， 改變水流方向。5-4 地基加固一、換填土層法（軟土）要求： 砂墊層（0.6-1.0m），中粗為好， 不均勻系數5 含泥量35%作用： 提高承載力，減少沉降，加速排水固結，防凍脹，去濕陷。 二、重錘夯實法 條件： 雜填土，碎石、一般粘性土、黃土 技術要求： 重錘為鋼筋混凝土圓錐體 ，重1.5t落高：2.54.5