路基設計

鐵路路基和公路路基的整體作用和設計原則基本相同,其目標是在動荷載和自然營力作用下應保持穩定;對於高速鐵路和公路，路基的長期變形和動載下的彈性變形不能過大。路基設計的內容包括路堤、路塹設計，路基排水和防護工程（見路基擋土結構）設計以及特殊條件下的路基設計。

路堤(見路基)頂面的寬度由鐵路軌道的道牀底寬或公路路面寬加上兩側的路肩寬決定。鐵路路堤的路肩寬，要便於養路機械的放置和操作。公路路肩寬，應足以保持路面穩定和堆放養路材料。路堤填料的選擇和填築質量的要求，影響到路堤的強度、穩定、造價和工期，對不同等級鐵路或公路的路基要求應不同。在保證填料質量的前提下，要考慮就近取土以降低造價。第二次世界大戰前，車速不高，運量小，因而選擇填料要求不高；後來要求路堤在填筑後立即能適應正常的行車速度和運量，因而各國都制定嚴格標準，以防止沉陷變形。例如，中國鐵路部門將填料按其適用性分為A、B、C和D四級。A級為優質填料，如粗粒無粘性土；B級為良好填料,如細粒含量小於30%的混合土和砂粘土等；C級為限制使用的填料，如細粒含量超過30%的混合土及粉砂等；D級為一般禁止使用的土料,如粘粉土、粘土和有機土等。鐵路路堤頂面承受動荷載的基牀部分應選用 A級或B級填料，若不得不使用C級填料時，填料的液限應不大於32，塑性指數應不大於12。公路部門規定粗細粘砂土和砂土及輕重砂粘土為適宜填築路堤的材料。輕重粘土及粉質土除採取一定改善措施外，一般不宜用作填料。施工時路堤填土應分層壓實達到規定的密度，此密度根據標準夯實試驗得到的最佳密度確定（見路基填土壓實）。

路堤邊坡須根據填料的力學性質設計，當邊坡較高時,應單獨進行檢算，如採用圓弧法設計(見土坡穩定分析)。一般情況下采用1:1.5～1:1.75的邊坡。平原地區的路堤填土高度應不小於 0.5米。路堤填土的基底應清除草皮。當地面橫坡陡於1:5時,應將原地面挖成寬度不小於1米的台階；當地面橫坡陡於1:2.5或地基為軟土時，對其穩定性需作特殊設計。路堤邊坡常種植灌木或草皮以防雨水沖刷。路堤兩側地面要修築排水溝(邊溝)，以防坡腳積水影響其穩定性。在多雨及低窪地的路基兩側，要修築護道以保護坡腳。跨溝的路堤需在底部修建涵洞，以便排泄溝水或雨季的地表水，並注意保證灌溉。土質路基頂面應設置路拱，其目的是將頂面雨水迅速排走。石質路基可不設路拱。

路塹設計主要是確定路塹邊坡。邊坡一般分三類：①岩石路塹邊坡（包括巖質及半巖質）；②碎石土類（礫石、卵石、碎石、塊石）路塹邊坡；③粘性土路塹邊坡。

岩石路塹邊坡 　確定岩石路塹邊坡的方法可以按平面破壞、楔體破壞、圓弧形破壞或傾倒破壞等形態用力學方法檢算其穩定性，對於較低的路塹邊坡一般可根據巖性、風化程度、地層產狀、層厚及節理裂隙、水文地質條件及氣候因素，特別是依據附近的極限穩定邊坡統計調查資料，採用工程類比方法確定。

碎石土類路塹邊坡 　通常考慮在不同密實程度下此類土的穩定邊坡，並根據水文地質和工程地質條件、散狀特徵、顆粒大小、邊坡高度，給予不同的安全係數而確定。在有土工試驗資料或有較可靠的經驗數據時，也可用圓弧法或折線法進行穩定性檢算作為參考。在巖堆上開挖路塹時，除檢算路塹邊坡的穩定外，還需檢算巖堆與基岩層接觸面間的滑動穩定性。

粘性土路塹邊坡 　根據工程地質勘察和土工試驗資料，當邊坡較高時，用圓弧分析法進行檢算。對計算中採用的土的物理力學性質數據，應加分析，須確認其具有代表性及真實性後才能使用，並考慮到施工後可能產生的變化（例如地下水的影響等）。

一般在較均質的地層中,岩石邊坡為1:0.1～1:1;碎石土類邊坡為1:0.5～1:1.5；粘性土邊坡為1:1～1:1.5。

路基排水　水的作用是造成路基病害最主要的因素：舉凡路基沉陷、翻漿冒泥、凍脹凸起、邊坡溜滑、崩坍滑坡等病害,多與地面水或地下水的活動有關。因此,為了保證路基穩定，必須做好排水附屬工程，一般分為排除地面水和排除地下水兩大類。

地面排水系統 　使所有的地面水流都能通暢地流出路塹範圍以外，防止漫流或停積。在地質不良地段，更須防止下滲。路塹的地面排水系統包括以下設備：①路塹側溝，設在路塹的路肩外側，用以排除路塹坡面和路基表面的雨水；②天溝，設於路塹邊坡坡頂以外的適當距離處，用以截引塹頂上方的地面徑流；③吊溝，設於路基需要橫向排水的陡峻邊坡上，可分為單級或多級吊溝。路堤兩側地面要修築排水溝。

地下排水系統 　其作用為降低地下水位或攔截地下水流。這種排水設備一般採用滲水暗溝、滲水隧洞、滲水井和滲水管等。其構築物的位置、類型和尺寸，由地下水的水量、流向、埋藏深度、土層及土的種類決定。其設計和施工需根據詳細的工程地質調查資料進行。

特殊條件下的路基　在不同的地質和氣候地區，有一些特殊問題須加考慮。

軟土地區路堤 　軟土的特點是強度低,變形大,且延續時間長。路堤填築過高時將引起地基的滑動破壞，因而軟土地區路堤需先計算能填築的“臨界高度”，超過該高度的路堤必須對地基進行處理（見軟土地區築路）。最簡單的方法是分層分階段填築，每層填筑後，等待地層中的超靜孔隙水壓力消散（見土體固結理論），再填築次一層土。這種方法的缺點是工期長。為加速填築過程中地層超靜孔隙水壓力的消散，最常用的措施是在地層中先打砂井或排水紙板以增加軟土中的排水通道。近年來，用生石灰樁或礫石樁以改良軟土地基，或鋪設土工織物以提高軟土承載能力。

黃土地區路基　黃土是一種特殊地層，它的特點是孔隙度很大(一般為44～53%)，並具有豎直節理；孔隙內壁堅硬，有碳酸鈣膠結；遇水後易於在自重及外力作用下產生沉陷(稱為濕陷性，見濕陷性黃土地基)。因而黃土地區多溝谷和陷穴，其邊緣多為近於垂直的黃土陡壁。黃土地貌有塬、墚、峁。黃土塬是溝間的地貌，寬而平坦,大者達數百平方公里，小者亦有幾平方公里,厚約200米左右。黃土墚成長而狹的條形分佈,其間的溝谷切割深度較塬地區為淺，但溝谷的分佈密度較大。墚角再被切割，則形成孤立的山頭，形態如饅頭，稱為黃土峁。黃土路塹邊坡的設計主要應根據黃土地區的工程地質決定，即根據黃土的區域分佈規律、工程地質及已有邊坡的穩定情況而定（見黃土地區築路）。

鹽漬土地區路基　鹽漬土在中國河西走廊、柴達木盆地和南疆，亞洲阿拉伯半島等地分佈較廣泛。土中含鹽量超過一定數量會使土的密度和強度降低。隨着表面蒸發作用，土中鹽分將隨着地下水的上升向路堤頂面集聚而使土松脹，在車輛動力作用下形成翻漿冒泥或凍融，影響運輸。中國和蘇聯都規定了填料中不同鹽類的最高含量，超過限量的含鹽土不能用作填料。鹽漬土對一般混凝土有腐蝕性，鹽漬土地區的路基土工構築物須採用能抗腐蝕的材料建築（見鹽漬土地區築路）。

沙漠地區路基 　在沙漠地區築路，首先要掌握當地風向和風速的變化規律，以及地面沙丘的移動規律。防治流沙侵襲路堤最根本的方法是植樹造林，但沙漠地區造林困難，而且樹木生長需要一定時間。因此，在沙漠中修築路基，應進行特殊設計並須要採取各種固沙措施。中國包蘭鐵路經過中衞縣沙漠地區，採取了固沙造林與機械防沙的綜合措施，效果良好（見沙漠地區築路）。

泥石流地區的路基 　泥石流為攜帶大量固體（如粘土漿、砂礫、石塊等）的山洪。粘土漿是泥石流的基本組成部分。它具有巨大的懸浮力及搬運力，有時能攜帶直徑1米或更大一些的石塊。泥石流常突然發生,短暫而且具有劇烈的破壞作用。泥石流的流域可分為上游、中游和下游三個部分。上游部分為供給帶，由無數的細流和小溝匯合，形似漏斗；中游部分為通過帶，經常是窄的峽谷；下游部分是沉積帶，在谷口處形成沖積扇，大的可達幾十平方公里。鐵路或公路應在其中游部分，以有足夠淨空的單孔橋跨過，或以隧道、明洞自泥石流溝底的下面通過（見泥石流地區築路、自然地質作用和工程地質作用）。

多年凍土地區路堤 　在高緯度或高海拔地層中，温度等於或低於零度，土中固態水終年不化且連續三年以上者，稱為多年凍土。其表面層則常為季節融化層。多年凍土層中存在冰錐、冰丘、熱融湖和沼澤，都會影響路堤的穩定（見凍土地基）。路堤的修築可能改變或破壞土層的地温條件，從而引起凍土冰層的變化和路堤的變形。因此，須進行特殊設計（見多年凍土地區築路）。

河灘及水庫地區路堤 　終年浸水及季節性浸水的路堤，最好用水穩性的滲水材料填築。中國從集美到廈門的鐵路公路兩用海堤，是在海中填石築成。浸水路堤的坡面防護，通常採用幹砌片石護坡、擋牆、堆石等措施。海灘路堤的防護也可採用導流措施，以減弱海水對路堤的沖刷。水庫路堤還要考慮水庫水位漲落所引起的庫岸地下水位的變化，以及波浪所引起的坍岸。這些變化和坍岸有時會影響沿岸路堤的穩定。

岩溶、坑洞地區路基 　在石灰岩地區，由於地面水和地下水的溶蝕作用，在地層中存在大小不等的溶洞和暗河；在礦區則在地下有正在使用的坑道，或已廢棄的礦穴。路基經過這種地區，必須查明這些空洞的分佈位置和對路基的危害程度，並儘量少挖少填。對溶岩地區主要是要查明其是否還在繼續發展和岩溶頂板的安全厚度，必要時將岩溶空洞回填。地下礦體開採會引起地表大面積下沉，一般重要鐵路幹線下一定寬度內不允許開挖；廢棄的礦穴坑道上部覆蓋常為土層，因而對地面路基穩定的影響更為嚴重。有些老煤礦上的老路基，由於廢棄坑道大量抽水，地下水位下降會引起路基沉陷。

裂隙粘土地區路基 　裂隙粘土是在地質年代中曾經在地層深處受過很大壓力和擠壓剪切作用，後來經過地殼運動出露地面的粘土層。這種粘土的特點是孔隙比很小，密度大而堅硬，但其中有大量微小不規則的剪裂面。這種地區的路塹在開挖時可以維持較陡的邊坡，但這種邊坡往往在經過幾個雨季後逐漸喪失其原有的強度而發生坍滑。有些裂隙硬粘土邊坡的坍滑可以延續很多年，甚至邊坡放緩至1:2和1:3仍不能穩定。因此，在裂隙硬粘土地層中，路基設計應儘量避免深挖和高填，並注意坡面防水。

崩坍滑坡地區路基　滑坡是大量土體或巖體在重力作用下，沿一定的滑動面緩慢而長期地下滑，有些則在到達一定程度後出現比較急劇的傾倒崩塌。這些現象往往造成重大災害。鐵路和公路選線需要儘可能地繞避崩坍滑坡地段。無法繞避時，應對可能發生崩坍滑坡的地段進行詳細的工程地質調查研究，並採取必要的防治措施，包括排除地表水及地下水，坡頂減重，坡腳修建抗滑樁等等（見岩土滑移）。

特殊條件下路基除上述幾種外，尚有墜石、沼澤、鹽湖、雪崩、水庫坍岸等等。它們對路基穩定性都有影響，要充分調查研究加以考慮。