畢業(yè)設計（論文）-公路擋土墻設計.doc

大連理工大學網絡教育學院畢業(yè)論文（設計）模板 生 畢 業(yè) 論 文（設 計） 擋土墻的類型及適用條件 III公路擋土墻設計內容摘要隨著我國公路事業(yè)的迅速發(fā)展，公路擋土墻的應用日益廣泛。公路擋土墻的建設是公路施工中的一項重要內容。擋土墻對公路的養(yǎng)護作用至關重要 ，因此要嚴格控制擋土墻的設計和施工質量的控制。本文介紹了擋土墻的類型及使用條件，擋土墻設計的基礎資料及設計參數(shù)，擋土墻的初定尺寸，分析了擋土墻設計中的土壓力計算方法，探討了采用容許應力法進行擋土墻驗算的內容及方法，并對擋土墻設計中的重要問題提出較為合理可行的建議與措施。后附設計實例。關鍵詞：擋土墻；土壓力；穩(wěn)定性驗算；目 錄內容摘要I概 述11 擋土墻的類型及適用條件21.1 重力式擋土墻21.2 懸臂式擋土墻21.3 扶壁式擋土墻21.4 錨定板式及錨桿式擋土墻21.5 加筋土擋土墻21.6 土釘墻32 擋土墻設計的基礎資料及設計參數(shù)42.1 基礎資料42.2 設計參數(shù)的選取42.2.1 墻背填料的物理學性質42.2.2 墻背摩擦角42.2.3 基底摩擦系數(shù)42.2.4 地基容許承載力42.2.5 建筑材料的容重42.2.6 砌體的容許應力和設計強度42.2.7 砼的容許應力和設計強度43 擋土墻選型53.1 材料選擇53.2 截面形式的選擇53.3 擋土墻的位置選擇54 擋土墻初定尺寸64.1 擋土墻的高度64.2 擋土墻的頂寬64.3 擋土墻的底寬65.擋土墻的穩(wěn)定性驗算75.1 作用在墻上的諸力75.1.1 墻身自重75.1.2 土壓力75.1.3 基底反力85.2 穩(wěn)定性驗算85.2.1 抗滑動穩(wěn)定性驗算85.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗算105.2.3 基底應力及偏心距驗算115.2.4 墻身斷面強度計算126 墻后回填土的選擇136.1 理想回填土136.2 可用回填土136.3 不能用的回填土137 擋土墻設計關鍵措施147.1 基礎加固措施147.2 排水措施147.3 沉降縫與伸縮縫的設置147.4 材料的要求147.5 設計控制重點148 工程實例158.1 初定擋土墻截面尺寸158.2 土壓力計算158.3 抗滑動穩(wěn)定性驗算168.4 抗傾覆穩(wěn)定性驗算168.5 地基承載力驗算169 結束語18參考文獻19概 述公路擋土墻是用來支承路基填土或山坡的土體，防止填土或土體變形失穩(wěn)的一種構造物。在公路工程中，擋土墻可以穩(wěn)定路堤和路塹邊坡，以及橋臺、隧道洞口和河流堤岸等處，減少土石方工程量和占地面積，防止水流沖刷路基，并經常用于整治塌方，滑坡等路基病害。路基工程中，擋土墻的建筑費用較高，故路基設計時，應與其他可能的工程方案進行技術、經濟比較，擇優(yōu)選定。因此，深入探討各種公路擋土墻的設計原理與方法，以及優(yōu)化擋土墻結構的選型具有重要的工程實際意義和潛在的巨大經濟效益。1 擋土墻的類型及適用條件擋土墻的形式多種多樣，按其結構形式可分為：重力式、衡重式、，懸壁式、扶壁式、加筋土式、錨桿式、錨定板式。各類擋土墻的適用范圍取決于墻址地形。工程水文地質，建筑材料，墻體用途，施工方法，技術經濟條件及當?shù)氐慕洕蛩氐取?.1 重力式擋土墻重力式擋土墻一般由石頭砼材料砌筑。重力式擋土墻是靠墻身自重保證墻身穩(wěn)定的，因為，墻身截面較大，適用于小型工程，墻高小于8米，但結構簡單，施工方便，能就地取材，因此廣泛應用于實際工程中。1.2 懸臂式擋土墻 當?shù)鼗临|量差或缺少石料而墻又較高時，通常采用懸臂式擋土墻，一般設計成L型，由鋼筋混凝土建造，墻的穩(wěn)定性主要依靠墻踵懸臂以上土重來維持。墻體內設置鋼筋以承受應力，故墻身截面面積較小。1.3 扶壁式擋土墻由墻面板、墻趾板、墻踵板和扶肋組成，既沿懸臂式擋土墻的墻長方向，每隔一定距離增設一道扶肋，把墻面板和墻踵板連接起來。適用于缺乏石料的地區(qū)或地基承載力較差的地段。當墻高較高時，比懸臂式擋土墻更為經濟。1.4 錨定板式及錨桿式擋土墻錨定板擋土墻是由預制的鋼筋混泥土立柱、墻面、鋼拉桿和埋置在填土中的錨定板在現(xiàn)場拼裝而成，依靠填土與結構的相互作用力維持其自身穩(wěn)定。與重力式擋土墻相比，具有結構輕、柔性大、工程量少、造價低、施工方便等優(yōu)點、特別適合用于地基承載力不大的地區(qū)。設計時，為了維持錨定板擋土墻的內力平衡，必須保證錨定板構造周圍的整體穩(wěn)定和土的摩阻力大于由土自身和荷載產生的土壓力。錨桿式擋土墻是由預制的鋼筋混凝土立柱、擋土板構成墻面，與水平或 的鋼錨桿聯(lián)合組成。錨桿的一端與立柱連接，另一端被錨固在山坡深處的穩(wěn)定巖層或土層中。墻后側向土壓力由擋土板傳給立柱，由錨桿與穩(wěn)定巖層或土層之間的錨固力，使墻獲得穩(wěn)定。它適用于墻高較大，缺乏石料或挖基困難地區(qū)，具有錨固條件的路塹擋土墻。1.5 加筋土擋土墻由墻面板。拉筋和填土三部分組成，借助于拉筋于填土間的摩擦力，把土的側壓力傳給拉筋，從而穩(wěn)定土體。既是柔性結構，可承受地基較大的變形；又是重力式結構，可承受荷載的沖擊、震動作用、施工簡便，外形美觀。占地面積小、而且對地基的適應性強。適用于缺乏石料的地區(qū)和大型填方工程。1.6 土釘墻土釘墻是由面板、土釘與邊坡相互作用形成的支檔結構，它適用于一般地區(qū)土質及破碎軟巖質地段，也可置于樁板擋土墻之間擋巖土以保證邊坡穩(wěn)定。2 擋土墻設計的基礎資料及設計參數(shù)2.1 基礎資料擋土墻設計時，必須具備以下資料：路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖，地質資料（包括工程地質勘測報告、工程物探報告），地震勘測報告，水文資料，總體設計資料及構造物一覽表等。2.2 設計參數(shù)的選取2.2.1 墻背填料的物理學性質對于山嶺重丘二、三級公路的擋土墻設計，當缺乏試驗數(shù)據(jù)時，填料的計算內摩擦角及容重可參照表1和表2選用：表1 填料內摩擦角參考值土的種類塊石大卵石、碎石類土小卵石、礫石、粗砂、石屑中、細、砂質土粉砂粘土內摩擦角（）454035302614-21表2 填料標準容重土的種類礫石、碎石、礫質土砂、砂質土粉土、粘性土（150%）石灰土（石灰10%）粉煤灰容重（KN/m3）20191818152.2.2 墻背摩擦角填土與墻背間的摩擦角應根據(jù)墻背的粗糙程度及排水條件的確定。山區(qū)公路中，對于漿砌片石墻體、排水條件良好均可采用=/2。2.2.3 基底摩擦系數(shù) 基底摩擦系數(shù)應依據(jù)基底粗糙程度、排水條件和土質確定。2.2.4 地基容許承載力地基容許承載力可按照公路設計手冊路基及有關設計規(guī)范規(guī)定選取。2.2.5 建筑材料的容重根據(jù)有關設計規(guī)范規(guī)定選取。2.2.6 砌體的容許應力和設計強度根據(jù)有關設計規(guī)范規(guī)定選取。2.2.7 砼的容許應力和設計強度根據(jù)有關設計規(guī)范規(guī)定選取。3 擋土墻選型3.1 材料選擇通常擋土墻的高度是由任務要求確定的，即考慮墻后被支擋的填土呈水平時墻頂?shù)母叱?。有時，對長度很大的擋土墻，也可使墻頂?shù)陀谔钔另斆?，而用斜坡連接，以節(jié)省工程量。漿砌片石擋土墻取材容易，施工簡便，適用范圍比較廣泛。山區(qū)公路中，石料資源較為豐富，在擋土墻高10米時，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好的滿足經濟、安全方面的要求。3.2 截面形式的選擇根據(jù)擋土墻結構類型及其特點分析，當墻高5米時，采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡單，施工方便的優(yōu)勢。同時，由于山區(qū)公路地面橫坡比較陡峭，若采用仰斜式擋土墻，會過多增加墻高，斷面增大，造成浪費，采用俯斜式擋土墻會比較經濟合理。一般在路塹墻、墻趾處地面平緩的路肩墻或路堤墻等情況下，才考慮采用仰斜式擋土墻。當墻高5米時，且地基條件較好時，采用衡重式擋土墻，可以有效地減小截面，節(jié)省材料。3.3 擋土墻的位置選擇在挖方邊坡比較陡峭時，采用路塹擋土墻，可以降低邊坡高度，減少山坡開挖，避免破壞山體平衡；在地質條件不良的情況下，還可以支擋可能坍滑的山坡土體。對于采用路肩擋土墻或路堤擋土墻，應結合具體條件考慮，必要時應作技術經濟比較。因為路堤擋土墻承受荷載較大，受力條件較為不利，截面尺寸也較大，所以當路堤擋土墻與路肩擋土墻的墻高或截面圬工數(shù)量較為接近，基礎情況相仿時，采用路肩墻比較有利。4 擋土墻初定尺寸4.1 擋土墻的高度通常擋土墻的高度是由任務要求確定的，即考慮墻后被支擋的填土呈水平時墻頂?shù)母叱獭Ｓ袝r，對長度很大的擋土墻，也可使墻頂?shù)陀谔钔另斆?，而用斜坡連接，以節(jié)省工程量。4.2 擋土墻的頂寬擋土墻的頂寬為構造要求確定，以保證擋土墻的整體性，具有足夠的強度。對于砌石重力式擋土墻，頂寬應大于0.5m。對于素混凝土重力式擋墻頂寬也不應小于0.5m。對于鋼筋混凝土懸臂式擋土墻頂寬不小于0.3m。4.3 擋土墻的底寬擋土墻的底寬由整體穩(wěn)定性確定。初定擋土墻底寬B(0.50.7)H，擋土墻底面為卵石、碎石時取小值；墻底為粘性土時取大值。擋土墻尺寸初定后，進行擋土墻抗滑穩(wěn)定與抗傾覆穩(wěn)定驗算。若安全系數(shù)過大，則適當減小墻的底寬；反之，安全系數(shù)太小，則適當加大墻的底寬或采取其他措施，以保證擋土墻既安全又經濟。5.擋土墻的穩(wěn)定性驗算5.1 作用在墻上的諸力5.1.1 墻身自重 墻身自重W豎直向下，作用在墻體的重心。擋土墻型式與尺寸初定后，W 為：W-墻身自重C-擋土墻頂寬B-擋土墻基底寬度H-擋土墻高度-混凝土容重若經驗算后，尺寸修改，則W需重新計算。5.1.2 土壓力 擋土墻是支擋土體的結構物，它的斷面尺寸與穩(wěn)定性主要取決于土壓力。擋土墻的位移情況不同，可以形成不同性質的土壓力。當擋土墻受土體側壓力作用向外位移或傾覆時，土壓力隨之減小，直到墻后土體達到向下滑動的極限平衡狀態(tài)時，作用于墻背的土壓力稱為主動土壓力；當擋土墻由于外力作用向土體擠壓移動式，土壓力隨之增大，直到墻后土體達到向上滑動的極限平衡狀態(tài)時，土體對墻的抗力稱為被動土壓力；當擋土墻在原來位置而不產生位移時，作用于墻背的土壓力稱為靜壓力。 路基擋土墻都有可能向外位移或傾覆，墻背受到的土壓力為主動土壓力。對于墻趾前土體的被動土壓力，為偏于安全。往往略去不計。 擋土墻承受的主動土壓力一般按庫倫定律計算。 主動土壓力計算公式： -墻后填料的容重，KN/m3； K-主動土壓力系數(shù)-墻背與填料間的摩擦角，（）；-墻背傾斜角，（）；公路設計手冊-路基中，以庫倫理論為基礎，按墻后填土表面的形狀和車輛荷載分布情況的不同，推導出各種情況下的主動土壓力計算公式，設計時可根據(jù)實際情況查表計算。5.1.3 基底反力擋土墻基底反力可分解為豎向的法向分力和水平分力兩部分。為簡化計算，法向分力與偏心受壓基底反力相同，呈梯形分布，合力用V表示，作用在梯形的重心。基底反力的水平分力用H表示，如圖5.1所示。 圖5.1 擋土墻基底受力圖以上3種力為作用在擋土墻上的基本荷載。此外，若排水不良，墻后填土積水，需計算水壓力。填土表面堆料以及地震區(qū)還應計入相應的荷載。5.2 穩(wěn)定性驗算擋土墻的設計應保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強度、基底應力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在設計擋土墻時，應驗算擋土墻沿基底的抗滑動穩(wěn)定性，繞墻趾的抗傾覆穩(wěn)定性，基底應力和偏心距，以及墻身強度等。一般情況下，主要由基底承載力和滑動穩(wěn)定性來控制設計，墻身應力可不必驗算。擋土墻的力學計算取單位長度計算。擋土墻設計所用的荷載與荷載組合按交通部部頒標準（JTJ 021-89）公路橋涵設計通用規(guī)范的規(guī)定采用。5.2.1 抗滑動穩(wěn)定性驗算如圖5.2所示，在主動土壓力的水平分力Ex作用下，使擋土墻向外滑動，抵抗滑動的是基礎底面與地基之間的摩阻力?？够εc滑動力的比值稱為抗滑穩(wěn)定系數(shù)，用Kc表示，在一般情況下： 如下（圖1）圖5.2擋土墻抗滑移穩(wěn)定驗算 ZWEEOZyWEyExZx（W+Ey）fB (1)將作用在擋土墻上的土壓力E分解為兩個分力；(2)水平分力EX為使擋土墻滑動的力，EX=Ecos(+)；(3)豎向分力EY和墻自重W引起的摩擦力為抗滑力，EY=Esin(+)；(4)抗滑力與滑動力的比值，稱為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，記為Kc；(5)抗滑穩(wěn)定驗算公式：式中：W-擋土墻自重，KNEx,Ey-主動土壓力的水平與垂直分力，KNf-基礎底面與地基土之間的摩擦系數(shù)。可通過現(xiàn)場試驗確定，當無實測資料時，可按下表選用；-容許的抗滑動穩(wěn)定系數(shù)，對于荷載組合I-IV為1.3，荷載組合V為1.2 基底摩擦系數(shù)地基名稱f地基名稱F粘性土軟塑狀態(tài)0.25砂類土0.40硬塑狀態(tài)0.30碎石類土0.50半干硬狀態(tài)0.30-0.40軟質巖土0.40-0.60輕壓粘土0.30-0.40硬質巖土0.60-0.70(6)當Ks時，表明擋土墻的抗滑穩(wěn)定性不足，可考慮采用下列措施，以增加其抗滑動穩(wěn)定性。采用傾斜基底，設置向內傾斜的基底，可以增加抗滑力和減少滑動力，從而增加其抗滑穩(wěn)定性?；變A角，對于土質地基不陡于1：5；對于巖石地基不陡于1:3；采用凸榫基礎，在擋土墻基礎底面設置混凝土凸榫，與基礎連成整體，利用凸榫前土體所產生的被動土壓力以增加擋土墻的抗滑性能；更換基底土層，以增大基礎底面與地基之間的摩擦系數(shù)；改變墻身斷面形式和尺寸，以增大垂直力系，但單純擴大斷面尺寸，收效不大，也不經濟。5.2.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗算擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性是指抵抗墻身繞墻趾向外轉動傾覆的能力。墻趾總的穩(wěn)定力矩與總的傾覆力矩之比稱為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性分析如圖5.2所示。ZWZyWEyExZxOEH5.3 擋土墻抗傾覆穩(wěn)定驗算(1)抗傾覆穩(wěn)定驗算以墻趾O點取力矩進行計算(參見圖3.2)；(2)主動土壓力的水平分力Ex乘以力臂Zx為使墻傾覆的力矩；(3)主動土壓力的豎向分力Ey乘以力臂Zy與墻自重W乘以力臂Zw之和為抗傾覆力矩；(4)抗傾覆力矩與傾覆力矩之比值稱為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，記以K0；(5)抗傾覆穩(wěn)定驗算公式： 式中：K0容許的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，對于荷載組合I=1.5；荷載組合II-IV為1.3；荷載組合V為1.2； Zw 、Zx、Zy分別為W，Ex，Ey對O點的力臂，m。(6)若傾覆穩(wěn)定性驗算結果不滿足要求，則應采取以下的措施來解決：修改擋土墻尺寸，如加大墻底寬，增大墻自重，以增大抗傾覆力矩。這一方法要增加較多的工程量，通常并不經濟；伸長墻前趾，增加混凝土工程量不多，但需增加鋼筋用量；將墻背做成仰斜，可減小土壓力，但施工不方便；做卸荷臺，位于擋土墻豎向墻背上，形如牛腿。卸荷臺以上的土壓力，不能傳到卸荷臺以下。土壓力呈兩個小三角形，因而減小了總的土壓力，使傾覆力矩減小。5.2.3 基底應力及偏心距驗算（如下圖2）作用于垂直力為N=W+Ey，基底合力的偏心距為e0，按力矩平衡原理可計算N對墻趾O的力臂ZN Zn=圖2ZWOZyWEyExZx（W+Ey）fBNZNe0B/2合力的偏心距e0按下式求的 e0=-在偏心荷載作用下，基底的最大應力和最小應力為：=式中 N基底合力垂直于基底面的分力KN 作用于擋土墻上的水平力和豎向力對基底重心的彎矩，KN。M A 基底底面的面積，m2，對1m長擋土墻而言A=B B 基底寬度 m W0基礎底面的截面抗低距，m3 ，W0=B2 e0 基底合力的偏心距，m 地基容許承載力，KPa。按現(xiàn)行公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范取值。當e0時，2為負值，即基底墻踵一側出現(xiàn)拉應力，這是不容許的，可僅按受壓區(qū)計算基底最大壓應力，不考慮基底承受拉應力，其最大應力max按下式計算： 從上述分析可知，合力偏心距e0直接影響到基底應力的大小和性質，如e0過大，即使基底應力小于地基容許承載力，但由于墻趾壓應力max與墻踵壓應力 min相差過大，亦可能引起基礎產生不均勻沉陷，從而導致墻身過分傾斜，為此應控制偏心距。偏心距應符合下列要求：土質地基:e0,石質較差的巖石地基:e0, 堅硬的巖石地基：e0。5.2.4 墻身斷面強度計算通常取一、兩個截面進行驗算。驗算截面可選在基礎底面、墻高處或上下墻交界處等。墻身截面強度驗算包括法向應力和剪應力的驗算。剪應力包括水平剪應力和斜剪應力兩種，重力式擋土墻只驗算水平剪應力，而衡重力式擋土墻還進行斜截面剪應力的驗算。6 墻后回填土的選擇根據(jù)上述土壓力理論進行分析，通常希望作用在擋土墻上的土壓力值越小越好。這樣可使擋土墻斷面小，省方量，降低造價。各種土壓力中，最小的土壓力為主動土壓力Pa，而Pa的數(shù)值大小與墻后填土的種類和性質密切相關。由此可見，擋土墻后的填土應作為擋土墻工程的組成部分進行設計與選擇。6.1 理想回填土卵石、礫石、粗砂、中砂的內摩擦角大，主動土壓力系數(shù)小，則作用在擋土墻上的主動土壓力小。上述粗粒土為擋土墻后理想的回填土。6.2 可用回填土細砂、粉砂、含水率接近最優(yōu)含水率的粉土、粉質粘土和低塑性粘土為可用的回填土，如當?shù)責o粗粒土，外運不經濟，可就地取材。6.3 不能用的回填土軟粘土、成塊的硬粘土、膨脹土和耕植土，因性質不穩(wěn)定，在冬季冰凍時或雨季吸水膨脹都將產生額外的土壓力，對擋土墻的穩(wěn)定性產生不利影響，故不能用作墻后的回填土。7 擋土墻設計關鍵措施7.1 基礎加固措施為減少基地壓應力,增加抗傾覆的穩(wěn)定性。在墻趾處伸出一臺階， 以拓寬基底。墻趾臺階的跨度不小于20cm，臺階高寬比可采用3:2或2:1。地基為軟弱土層時，可用砂礫，碎石，礦渣或灰土等質量較好的材料換填，以擴散基底壓應力，滿足設計要求。7.2 排水措施對于漿砌石擋土墻，應在墻前地面以上設置一排泄水孔。墻較高時?？稍趬ι喜考釉O泄水孔。泄水孔采用1010cm的方孔或圓孔，孔眼間距2-3米。上下排泄水孔錯開設置。泄水孔進水應設置反濾材料。7.3 沉降縫與伸縮縫的設置為避免地基不均勻沉降引起強身開裂，需按墻高和地基性質的變異，設置沉降縫，同時，為了減少圬工砌體因收縮硬化或溫度變化作用而產生裂縫，需設置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設置在一起。每隔10-15米設置一道，縫寬2-3米，自墻頂做至地基，縫內宜用瀝青麻絮。瀝青竹絮或涂以瀝青的木板等具有彈性的材料，沿墻的內、外、頂三側填塞，填塞深度不小于15cm。 7.4 材料的要求石料須經過挑選。 質地均勻，無裂縫，不宜風化。石料的抗壓強度不低于30mpa 盡量采用較大的石料砌筑，塊石應大致方正。其厚度不小于15cm 寬度和長度相應位厚度的1.5-2.0倍和1.5-3.0倍。 7.5 設計控制重點對于俯斜式擋土墻，由于所受土壓力較大，所以設計時應注意其穩(wěn)定和抗傾覆的驗算。對于衡重式擋土墻，一般較容易滿足穩(wěn)定要求，墻身斷面的強度成為擋土墻設計中主要的控制指標。所以一定要采用高強度的材料砌筑。8 工程實例已知某混凝土擋土墻如圖8.1所示：高度H=6.0m，墻背傾斜=10，填土表面傾斜=10，墻摩擦角=20，=30，重度=18.5KN/m3。地基承載力設計值f=180KPa。 圖8.1 擋土墻示意圖8.1 初定擋土墻截面尺寸由已知設計資料分析，所設的擋土墻墻高6m，頂寬0.