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1、路基工程课程设计目 录第一部分 课程设计基本内容及背景数据介绍21课程设计背景数据介绍21.1上海地区土质介绍21.2路基设计背景数据介绍22课程设计要求3第二部分 低路堤设计41路基断面设计41.1路堤断面尺寸41.2路堤高度确定41.3路堤填料52路基沉降计算52.1计算方法52.2计算过程62.2.1应力系数计算62.2.2分层总和法总沉降计算72.2.3施工期固结度计算73软土层应力控制验算83.1荷载组成分析：83.2行车荷载应力计算93.3路堤自重作用的应力计算94造价估算10第三部分 高路堤设计111路基断面设计111.1路堤断面尺寸111.2路堤极限填土高度确定112一般填土路
2、堤沉降计算113加固路堤沉降计算123.1加固路堤的填料选择123.2加固地基处理方法133.3加固地基应力计算133.4加固地基沉降计算133.5 EPS抗浮验算。154挡土墙设计154.1挡墙尺寸设计154.2挡墙应力分析154.3挡墙验算175造价估算。18第四部分 课程设计小结181路基工程课程小结182课程设计小结18路基工程课程设计第一部分 课程设计基本内容及背景数据介绍1 课程设计背景数据介绍1.1上海地区土质介绍上海地区，表层土为褐黄色亚粘土，孔隙比为0.71.0，压缩模量E1-2为4080kg/cm2，通常称为“硬壳层”，为浅基础的持力层，容许承载力根据变形控制，可以达到8t
3、/m2 ，最大达14 t/m2，但土层的厚度仅23米，且地下水（潜水）埋藏颇浅，年平均水位在地表下0.50.7米，故力求基础埋得浅些，一般为50cm，可少挖除一些好土。在表层土中暗浜和墓穴较多，必须勘察清楚并予以处理，否则引起建筑物的不均匀沉降。 表土层下的淤泥质亚粘土和粘土，孔隙比为1.01.6，含水量大于液限，压缩模量E1-2只有1824kg/cm2，是上海地区最软弱的土层，厚度达10m多，是引起天然地基上建筑物较大沉降和不均匀沉降的根源。淤泥质亚粘土竖向的渗透性很小，渗透系数为2410-6cm/sec，淤泥质亚粘土层夹有薄层粉砂，每层厚度12mm，但层数很多，因而土层水平方向的渗透系数较
4、大，约为垂直向渗透系数的50100倍，有利排水，为井点降水开辟了广阔的前途。 亚砂土的工程性质接近粉砂，在浅层中如有亚砂土或粉砂存在，可减少浅基础的沉降和不均匀沉降，并可提高地基容许承载力。在较深地层中出现亚砂土或粉砂，如有适当厚度，可作为桩基持力层，对减少沉降和不均匀沉降能起良好作用。 暗绿色亚粘土一般埋藏在20多米深度，孔隙比为0.650.75，压缩模量E1-2达120250kg/cm2，是桩基的良好持力层，但有的地方缺失。此层土不厚，仅24米，其下仍可能有较软的土层，故桩基仍有一定数量的沉降，但较均匀。有的地区在此层下即为粉砂层，则尽可能将桩基打入粉砂层。 1.2路基设计背景数据介绍上海
5、地区新建一条高速公路，双向四车道，初定路基上口宽度在28米左右，路基横坡为1.5%。地下水位在地表下0.5米，地质条件和各土层参数如附表所示。路基顶面以上荷载考虑路面结构的恒载和运营车辆的活载。路面结构为20cm砾石砂垫层、40cm二灰碎石基层、15cm沥青混凝土面层。设计交通量按设计年限内每车道累计标准轴载作用次数为10000000，超载可按直接在标准车的后轴轴载（1+超载比）。2 课程设计要求假设路基施工周期为2年，路堤最低高度按中湿状态控制，两侧考虑设置路肩挡墙，必要的话采取地基加固措施。按照路基工程的整体稳定和变形小（工后沉降小于0.1米）的要求，确定路堤最小高度（减少土方量角度）和最
6、大高度（桥头段可缩短桥梁跨径）等。设计内容包括：路基横断面设计图、路堤高度的确定、路堤填料、边坡设计、边坡防护、挡墙设计、地基处理设计、沉降计算（加固前后的沉降值变化）、造价估算/公里、设计总结等。核心内容为最高路堤段的挡墙设计（外部支挡、内部稳定）、软基加固（加速工前沉降、复合地基减小总沉降、轻质路堤）。第二部分 低路堤设计1路基断面设计1.1路堤断面尺寸1)路堤上口宽度该高速公路双向4车道，每车道宽3.75m,中央分隔带3m,单侧路缘带1.5m,硬路肩3.5m,土路肩0.75m,根据该尺寸拟定路基上口宽度为28m.2)路堤路拱横坡考虑到行车以及排水要求，拟定路拱横坡为1.5%3)路堤边坡坡
7、度 边坡设为1：1.5，采用植物防护，既达到边坡防护的效果，也起到了绿化的作用，同时作为高速公路，可以减轻司机驾驶疲劳，减少行车事故。1.2路堤高度确定根据条件知：上海地区地下水位在地表下0.5米，路基横坡为1.5%。路面结构为20cm砾石砂垫层、40cm二灰碎石基层、15cm沥青混凝土面层。路堤最低高度按中湿状态控制。现规定地面路基边缘标高为+0.000m，计算路堤的最低高度图式如下：采用公路自然区划预估法，上海地区位于1区，土质为粘性土，由于路基处于中湿状态，则要求H H2 ，查表得H2 =1.21.3m，这里计算取1.3m,则最低设计标高为H低=0- H+ H2 + h =0-0.5+1
8、.3+0.75=1.55m ,考虑到南方梅雨季节地下水位上涨的因素，故取路堤的最低高度为2m。1.3路堤填料由于低路堤填挖不是很大，同时考虑到上海及周边地区的地形地质特点，故采用天然土层作为路堤的填料，该填料经济便宜，来源广泛，经过充分的压实可以满足承载力要求，并复合变形小的特点。路面结构为20cm砾石砂垫层、40cm二灰碎石基层、15cm沥青混凝土面层。2路基沉降计算2.1计算方法根据题意，采用道路中心线以下附加应力进行分层总和法计算总沉降量，并计算施工完毕各层土的固结度，根据固结度验算工后沉降。为防止路面结构变形或破坏，沉降控制指标应保证路基顶面工后沉降小于0.1m。计算公式如下：l 附加
9、应力： 其中，为与x/z，b/z有关的系数，x为路堤中心点距荷载边缘的距离b为荷载作用的宽度的一半，z 为作用的深度，为填土的重度H为填土的高度l 总沉降量计算： 其中，为第i层自重应力对应的含水量，为第i层自重应力与附加应力和对应的含水量为第i层土的高度，为总的沉降量l 固结度计算： 其中， ，为压缩系数，为渗透系数，为土的空隙比为固结厚度2.2计算过程2.2.1应力系数计算在计算路基沉降过程中，填土高度为2m，填土重度为19kN/m3，上口宽为28m，边坡1：1.5，可得下口宽为34m，因此，填土荷载可以简化为梯形分布，其最大的强度为p=h =192=38kPa 。将梯形荷载分解为两个三角
10、形荷载（ebc）和（ead）之差，因此 ，计算图示如下： 计算各点的应力系数如下：荷载面积z=0z=0.5z=3z=10z=20ebo100.50.030.490.180.450.590.331.180.22eaf100.50.040.480.210.430.710.301.430.192.2.2分层总和法总沉降计算 根据分层总和法，以地下水位和不同土层为分界线，同时每1m分一层，计算总的沉降量，计算简图及计算过程如下：深度自重应力附加应力自重应力平均值P1i附加应力平均值P总应力平均值P2i受压前空隙比e1i受压后空隙比e2i分层压缩量00380.59.537.874.7537.93542.
11、6850.8902950.8607060.00782711437.6811.7537.77549.5250.8848350.8553710.00781622337.3318.537.50556.0050.879570.8515170.01492533236.927.537.11564.6150.872550.8465610.01387945036.544136.7277.721.081781.0434980.01838956836.335936.43595.4351.060721.02720.01626668636.27736.265113.2651.044161.0142450.014634
12、710436.089536.14131.141.02761.0024480.012405812235.9811336.03149.031.014420.9906340.011808914035.8813135.93166.931.002540.9788260.0117241015835.7214935.8184.80.990660.9670320.01162111175.535.66166.7535.69202.440.9789450.9560.0115951219335.61184.2535.635219.8850.9673950.9488470.009428经过计算，在此时总的沉降量，2.
13、2.3施工期固结度计算路基施工周期为2年，计算引起主要沉降的土层即第二层灰色淤泥质亚粘土在施工期等压固结后的固结度：其中Cv=5.3710-3（cm2/sec），H=12m 由此可以看出，该路堤工后沉降占总沉降的47%左右，约为0.092m。满足工后沉降小于0.1m 的控制指标要求，故可以采用此种低路堤设计。3软土层应力控制验算3.1荷载组成分析：1） 行车荷载：设计年限内每车道累计标准轴载作用次数为10000000，无超载。荷载计算简图如下：2）路堤自重荷载：路堤填土重度为,梯形分布，梯形上底28m，下底34m高2m。3.2行车荷载应力计算已知灰色淤泥质亚粘土层无侧限抗压强度Qu=0.6kg
14、/cm2=60kPa，则在反复荷载作用下，考虑到塑性变形的积累，以及该层土为饱和粘性土，其抗压临界应力值为u=0.09， Qu=5.4kPa，当重复应力超过次临界值时，土的塑性变形会随荷载次数的增加而急剧增大。 采用布辛奈斯克解，将标准轴载等效为作用在轮胎中心的集中荷载。标准轴载轴距为2.4m，后轴一侧两轮中心矩为0.32m；等效后的集中力为25kN。分别对道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的附加应力，以及周围集中力分布最为密集的集中力下方该土层顶端的附加应力进行验算，这些点为附加应力较大的点。验算公式为 其中： F 为集中力，Z 为计算点的深度， 为系数，与r/z有关，r为计算点至荷载作用
15、点的水平距离。验算道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的附加应力，其中z=5m。由于荷载对称分布，只需计算半结构引起的附加应力即可。计算表如下：点号12345678r/z1.791.731.391.330.990.650.320.250.01290.01440.03170.03570.03440.19780.38490.4103计算得到道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的行车荷载附加应力为：，满足承载力要求。同理验算道路其他集中荷载点的应力，均满足要求。这里不做一一验算。3.3路堤自重作用的应力计算根据前面沉降分析得到了路堤自重的应力计算值 ，在利用应力叠加的办法求解，得到各分层点的应力值如
16、下：荷载面积z=0z=0.5z=3z=10z=20ebo100.50.030.490.180.450.590.331.180.22eaf100.50.040.480.210.430.710.301.430.193837.8736.935.7227.36经过计算，可以发现自重应力也满足要求，故该路堤满足承载力要求。4造价估算 低路堤设计填方两较少，在上海平原微丘区施工成本较低，项目支出大多为人力及材料成本，在没有考虑用地及其他外部成本支出的情况下，对低路堤项目人材机的费用支出如下表。项目数量单位单价(元)费用（万元）人工60000人*日50300材料土方12000m33036黄砂600m3500
17、.3碎石10000m35555生石灰700m3322.24粉煤灰1300m3455.85路面用碎石2600m36015.6改性石油沥青900t4000360能源（柴油及电能）300草皮3000m26.51.95机械及运输费用各种施工机械平均约5万元每月200三项总费用1277 第三部分 高路堤设计1路基断面设计1.1路堤断面尺寸1)路堤上口宽度该高速公路双向4车道，每车道宽3.75m,中央分隔带3m,单侧路缘带1.5m,硬路肩3.5m,土路肩0.75m,根据该尺寸拟定路基上口宽度为28m.2)路堤路拱横坡考虑到行车以及排水要求，拟定路拱横坡为1.5%3)路堤边坡坡度 边坡设为1：1.5，采用植
18、物防护，既达到边坡防护的效果，也起到了绿化的作用，同时作为高速公路，可以减轻司机驾驶疲劳，减少行车事故。1.2路堤极限填土高度确定在不控制软土地基处理和不控制填土速率的情况下，确定路堤的极限填土高度，由于上海地区存在一定厚度的硬壳层（1.5m），故采用下式进行估算。其中， 为软土层的直剪块剪试验的粘性力指标，为路堤填土重度，为硬壳层厚度。假设填土为表层的褐黄色亚粘土，查得各项数据值为：Ck =25kPa，=19kN/m3, 硬壳层厚度=3m得，极限填土高度为5.8m。2一般填土路堤沉降计算 选用表层褐黄色亚粘土作为填土材料，填土高度设为5m，边坡坡度按1：1.5设计，则路堤的上口宽为28m，下
19、口宽为45m，总的沉降计算，方法同前。由此得到一般填土路基的总的沉降计算如下表：深度自重应力附加应力自重应力平均值P1i附加应力平均值P总应力平均值P2i受压前空隙比e1i受压后空隙比e2i分层压缩量00950.59.594.764.7594.8899.630.8902950.8262150.0169498422393.5116.2594.135110.3850.8813250.8204960.0484996345092.3336.592.92129.421.088171.0035830.0810156368691.166891.745159.7451.052440.9835680.06711
20、202812289.9610490.56194.561.020360.960590.059167281015889.6814089.82229.820.99660.9447740.051914451219384.76175.587.22262.720.973170.9312850.042454731422878.45210.581.605292.1050.9526950.9192370.034268591626371.21245.574.83320.330.9383450.9076650.031656181829866.56280.568.885349.3850.9239950.8957520
21、.029358552033364.42315.565.49380.990.9096450.8827940.02812135由此计算得到总的沉降量为0.49m。由于该路基施工周期为2年，计算引起主要沉降的土层即第三层灰色淤泥质粘土等压固结后的固结度：其中Cv=0.810-3（cm2/sec），H=20m 可以看出，该填土路堤在施工期的沉降较小，沉降主要集中在工后阶段，这部分沉降仍占总沉降的80%左右，约为0.388m。尽管没有考虑硬壳层导致的应力扩散作用，以及随深度增加压缩模量的增大而使计算的附加应力偏大，偏安全，但工后沉降量仍然远远高出沉降控制量，因此采取软基加固措施是很有必要的。3 加固路堤
22、沉降计算3.1加固路堤的填料选择对于上述的填土路堤，我们发现由于附加应力的作用，导致路堤的工后沉降过大，不能满足变形要求。因此，我们采用EPS轻质路堤对软基进行加固。EPS材料具有超轻质、耐压缩、自立性强、耐水性强等特性。容重一般进为沙土的1/501/100，吸水性很差。利用EPS轻质路堤可以减少地基顶面的垂直土压力，减少软土地基的沉降，同时还能降低侧向土压力，简化支挡结构物，是一种比较经济、实用价值高的材料。在高路堤的设计中选择该材料进行地基的加固。3.2加固地基处理方法对地基进行处理，主要对地面以下第一层褐黄色亚粘土层，第二层灰色淤泥质亚粘土层以及第三层灰色淤泥质粘土层进行处理，处理方式为
23、：1） 路堤以下厚度为3m的褐黄色亚粘土采用聚苯乙烯泡沫（EPS，=20Kg/m3,Es=6MPa）换填。同时对地下水进行处理，将水位降至-3m以下。2） 采用等压预固结，设置袋装砂井降水，砂井采用正三角形布置，间距L为1.5，深度20m，即伸入灰色淤泥质粘土层底部。EPS顶部设置厚度为0.5m的砂垫层与砂井顶部相接。加速路堤排水过程，减少固结时间。3.3加固地基应力计算由于采用了EPS地基加固，换填了表层下面的褐黄色亚粘土，就减少了地基顶面的垂直土压力，这样，路堤的附加应力相对降低，此时，各点的附加应力计算式为： 其中 为未做地基处理时的附加应力 为加固地基的自重压力为未做地基处理时的自重压
24、力3.4加固地基沉降计算采用EPS加固后的附加应力，利用前面相同的方法进行路堤的沉降计算，计算简图如下：此时路基的表层土被EPS置换，由于EPS的容重远远小于天然土的容重（约为1%），故可以忽略该部分EPS的重量，经过加固后的地基在地表下3m处的自重应力可以近似看成0，所以，各土层前后自重应力差为，利用分层总和法重新计算路基的总沉降量为：深度自重应力附加应力自重应力平均值P1i附加应力平均值P总应力平均值P2i受压前空隙比e1i受压后空隙比e2i分层压缩量00630.5062.76062.8862.880.8550.847530.002013582061.51062.13562.1350.85
25、50.8479620.0056913541860.33960.9269.921.127221.0506740.0719684865459.163659.74595.7451.088881.0269150.0593288389057.967258.56130.561.048761.002830.044836491012657.6810857.82165.821.017720.9795590.037826061216152.76143.555.22198.720.994290.9578450.036549551419646.45178.549.605228.1050.971190.9454770.
26、026088861623139.21213.542.83256.330.9514650.9339050.017997041826634.56248.536.885285.3850.9371150.9219920.015613792030132.42283.533.49316.990.9227650.9090340.01428245在计算到16m处的时候，附加应力已经小于自重应力的20%，此时的总沉降为0.302m。经过比较可以发现，采用EPS对地基进行加固后的沉降(0.302m)小于一般填土路基的沉降（0.49m）。在施工期内进行等压固结，由于采用砂井排水，取砂井的影响半径 作为排水距离H的计
27、算值，各层的工后沉降计算如下表：土层固结系数Ch (10-3cm2/sec)排水距离 H(m)时间因数Tv固结度U工后沉降(m)EPS材料沉降主要在工期内完成，工后沉降约为0 灰色淤泥质亚粘土8.140.84.010灰色淤泥质粘土1.40.80.670.840.048工后沉降量为S=0+0+0.048=0.048(m)0.1m，同时考虑填筑EPS带来的应力扩散，以及土的压缩模量随深度增加而增大，工后沉降量完全满足工程要求。3.5 EPS抗浮验算。 由于EPS材料密度远小于水，当地下水位上升时，可能导致EPS材料浸水而产生一定的浮力，为了防止因材料因受水的浮力而产生应力应变变化，需要对EPS进行
28、抗浮验算。在本项目的设计中，由于EPS位于地表以下，填筑时必须考虑尽可能的排尽基坑内的水后再施工。防止产生浮力而影响地基的稳定性和承载能力。在高路堤的设计中，路面填土的重量为h远大于EPS材料受到的浮力，因此不会因为EPS受浮力作用导致下层的结构破坏，因此可以说抗浮性能满足基本的要求。4 挡土墙设计4.1挡墙尺寸设计根据条件，为满足排水要求，设置挡墙的形式为路堤墙，墙高设为4m,填土高为5m，则高出挡墙部分的路堤高a =1m,b =1.5m,设置挡墙上表面水平，宽4m，破裂面交于荷载内延伸至墙角，则下底宽为5.46m,墙后填土为褐黄色亚粘土，经过计算可以得到，取墙身容重为24kN/m3 。4.
29、2挡墙应力分析车辆荷载采用15级的重车，车重200KN，车辆荷载纵向分布长度L=4.2m，车辆荷载横向分布宽度 B=nb+(n-1)d+e.其中：双向四车道，n =4；b =1.8m；d =1.3m；e =0.6m；则计算车辆荷载换算土柱高度h0 应力分析图及应力计算如下：1） 计算破裂面与垂直面的夹角 2） 计算总的压力与所在的位置， 4.3挡墙验算1）墙体的重量计算墙身体积: 墙自重 2）滑动稳定性验算 不满足要求故将挡土墙底部内倾此时 满足要求3）倾覆稳定性验算 满足要求4）偏心距验算满足要求5）基底应力验算满足要求5 造价估算。对于高路堤的填方方案而言，由于需要大量的天然填土和EPS轻
30、质路堤材料，相应的造价较低路堤将有所增加，仅从人力，材料的角度粗略估算。不包括设计费等额外支出，造价人才机费用表如下：（其中二灰碎石垫层生石灰：粉煤灰：碎石为6：11.5：82.5）项目数量单位单价(元)费用（万元）人工80000人*日50400材料土方200000m330600黄砂25000m350125碎石10000m35555生石灰700m3322.24粉煤灰1300m3455.85路面用碎石2600m36015.6改性石油沥青900t4000360EPS138000m32603588能源（柴油及电能）300草皮3000m26.51.95机械及运输费用各种施工机械平均约5万元每月250三
31、项总费用5700第四部分 课程设计小结1路基工程课程小结作为一名同济的道路专业的学生，在不断积累专业知识的同时，通过实践的教学环节，对所学的课程有了进一步深刻的认识，书本上的知识往往是生硬的，不是形象、生动的。有时可能读了很久都不会理解它的深刻含义。路基工程课程设计这门课从实践的角度要求我们掌握一门简单路基设计的本领，不但要学以致用，还要不断的学习再学习，知识是无止境的。通过理论联系实际，我们才能更好的掌握好一门基本的专业本领2课程设计小结针对实际的情况，我们在理论联系实际的情况下，真正动手去接触现实的工程问题，虽然只是一个虚拟的情况，但是通过设计，我们了解了工程上设计的一些基本情况，不但在设计中巩固了基本的专业知识，同时也学到了书本上学不到的一些社会经验。在设计中，不断有新的问题出现，就引导我们不断的解决新问题，促进了我们学习的积极性。可以说收获甚大。
