公路挡土墙设计毕业设计.pdf

毕业设计 第1页 共55页 第一章绪论 1 1 毕业设计的目的和意义 毕业设计 论文 是教学计划最后一个重要的教学环节 是培养学 生综合应用所学的土木工程基础理论 基本理论和基本技能 进行工程 设计或科学研究的综合训练 是前面各个教学环节的继续 深化和拓展 是培养我们综合素质和工程实践能力的重要阶段 毕业设计是在学完培养计划所规定的基础课 技术基础课及各类必 修和选修专业课程之后 较为集中和专一地培养我们综合运用所学基础 理论 基本理论和基本技能 分析和解决实际问题的能力 和以往的理 论教学不同 毕业设计要求我们在教师指导下 独立地 系统地完成一 个工程设计 以及能掌握一个工程设计的全过程 学会考虑问题 分析 问题和解决问题 并可以继续学习到一些新的专业知识 有所创新 1 2 毕业设计课题 挡土墙的概述 公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体 防止填土或土体变形 失稳的一种构造物 在路基工程中 挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡 减少土石方工程量和占地面积 防止水流冲刷路基 并经常用于整治坍 方 滑坡等路基病害 在山区公路中 挡土墙的应用更为广泛 路基在遇到下列情况时可考虑修建挡土墙 毕业设计 第2页 共55页 1 陡坡地段 2 岩石风化的路堑边坡地段 3 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段 4 可能产生塌方 滑坡的不良地质地段 5 高填方地段 6 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段 7 为节约用地 减少拆迁或少占农田的地段 在考虑挡土墙的设计方案时 应与其他方案进行技术经济比较 例 如 采用路堤或路肩挡土墙时 常与栈桥或填方等进行方案比较 采用 路堑或山坡挡土墙时 常与隧道 明洞或刷缓边坡等方案进行比较 以 求工程技术经济合理 1 3 挡土墙的类型及适用条件 挡土墙类型的划分方法较多 一般以挡土墙的结构形式分类为主 常见的挡土墙形式有 重力式 衡重式 悬臂式 扶壁式 加筋土式 锚杆式和锚定板式 各类挡土墙的适用范围取决于墙址地形 工程地质 水文地质 建筑材料 墙的用途 施工方法 技术经济条件及当地的经 济等因素 1 3 1 重力式挡土墙 重力式挡土墙一般由块石或混凝土材料砌筑 重力式挡土墙是靠墙 身自重保证墙身稳定的 因此 墙身截面较大 适用于小型工程 通常 毕业设计 第3页 共55页 墙高小于 8 米 但结构简单 施工方便 能就地取材 因此广泛应用于 实际工程中 1 3 2 悬臂式挡土墙 当地基土质较差或缺少石料而墙又较高时 通常采用悬臂式挡土 墙 一般设计成 L 型 由钢筋混凝土建造 墙的稳定性主要依靠墙踵悬 臂以上土重来维持 墙体内设置钢筋以承受拉应力 故墙身截面较小 1 3 3 扶壁式挡土墙 由墙面板 墙趾板 墙踵板和扶肋组成 即沿悬臂式挡土墙的墙长 方向 每隔一定距离增设一道扶肋 把墙面板和墙踵板连接起来 适用 于缺乏石料的地区或地基承载力较差的地段 当墙高较高时 比悬臂式 挡土墙更为经济 1 3 4 锚定板及锚杆式挡土墙 锚定板挡土墙是由预制的钢筋混凝土立柱 墙面 钢拉杆和埋置在 填土中的锚定板在现场拼装而成 依靠填土与结构的相互作用力维持其 自身稳定 与重力式挡土墙相比 具有结构轻 柔性大 工程量少 造 价低 施工方便等优点 特别适合用于地基承载力不大的地区 设计时 为了维持锚定板挡土墙结构的内力平衡 必须保证锚定板结构周围的整 体稳定和土的摩阻力大于由土自重和荷载产生的土压力 锚杆式挡土墙 是利用嵌入坚实岩层的灌浆锚杆作为拉杆的一种挡土结构 1 3 5 加筋土挡土墙 由墙面板 拉筋和填土三部分组成 借助于拉筋于填土间的摩擦作 毕业设计 第4页 共55页 用 把土的侧压力传给拉筋 从而稳定土体 即是柔性结构 可承受地 基较大的变形 又是重力式结构 可承受荷载的冲击 振动作用 施工 简便 外形美观 占地面积小 而且对地基的适应性强 适用于缺乏石 料的地区和大型填方工程 1 3 6 土钉墙 土钉墙是有面板 土钉与边坡相互作用形成的支挡结构 它适用于 一般地区土质及破碎软岩质地段 也可置于桩板挡土墙之间支挡岩土以 保证边坡稳定 土钉墙面层为喷射混凝土中间夹钢筋网 土钉要和面板有效连接 外端设钢垫板或加强钢筋通过螺丝端杆锚具或焊接进行连接 毕业设计 第5页 共55页 1 4 设计给定的工程地质条件 25 10m2 5m 黄土 红层软岩风化物 高速公路 图 1 地形地质条件图 设计资料 设计资料 黄土覆盖厚度 3 0m 6 0m 黄土性质 含水率 9 14 重度 13 6 15 7 3 kN m 红层软岩风化物 呈碎砾状 其中夹杂沙砾约 35 松散 含水率估计 5 8 重度 18 2 19 3 3 kN m 粘聚力 C 0 内摩擦角 31 度 墙背填土的重度为 14 2 3 kN m 墙背 摩擦角取为 8 度 基底摩擦系数为 0 5 碎石土承载力标准值等 于 800 kPa 挡土墙使用材料浆砌块石的容重 24 3 kN m 钢筋 混凝土的容重为 25 3 kN m 毕业设计 第6页 共55页 1 5 支挡结构的方案设计 该路基支挡工程的总体方案是 在保证工程质量的前提下 尽可能 地优化方案 节约支挡结构的造价 降低施工难度 加快施工进程 综 合分析考虑建筑场地的地理地质条件及工程特性 确定最为经济合理的 挡土墙形式有重力式挡土墙和扶壁式挡土墙两种 为了确保设计的节约 经济 科学合理 将对这两种挡土墙形都进行设计计算 确定其结构形 式 以及所用材料 截面尺寸 配筋等 然后进行造价工程量的比较分 析 最终确定一种最佳方案作为施工设计 1 6 墙后回填土的选择 根据土压力理论分析可知 不同的土质对应的土压力是不同的 挡 土墙设计中希望土压力越小越好 这样可以减小墙的断面 节省土石方 量 从而降低造价 1 理想的回填土 卵石 砾砂 粗砂 中砂的内摩擦角较大 主 动土压力系数小 则作用在挡土墙上的土压力就小 从而节省工程量 保持稳定性 因此上述粗颗粒土为挡土墙后理想的回填土 本设计采用 此类型的填土 且回填土粘聚力等于零 墙后填土分层夯实 以提高填 土质量 2 可用的回填土 细砂 粉砂 含水量接近最佳含水量的的粉土 粉质粘土和低塑性粘土为可用的回填土 如当地无粗颗粒 外运不经济 毕业设计 第7页 共55页 3 不宜采用的回填土 凡软粘土 成块的硬粘土 膨胀土和耕植 土 因性质不稳定 在冬季冰冻时或雨季吸水膨胀将产生额外的土压力 导致墙体外移 甚至失去稳定 故不能用作墙的回填土 毕业设计 第8页 共55页 第二章公路挡土墙设计 2 1 边坡稳定性分析 为了准确把握拟建挡土墙后土体的稳定性及土压力情况 首先要对 边坡进行稳定性分析 由设计给定的工程地质条件可知 拟建的挡土墙后土体为松散的碎 砾石土 其粘聚力为零 即该土坡为无粘性土土坡 必须按照无粘性土 土坡的稳定性分析方法进行分析 无粘性土形成的土坡 产生滑坡时其滑动面近似于平面 常用直线 滑动面分析土坡的稳定性 均质的无粘性土坡颗粒间无粘聚力 只要坡 面上的土体能保持稳定 那么整个土坡便是稳定的 土坡的稳定性用土坡稳定安全系数来表示 抗剪力与抗切拉之比即 为土坡稳定安全系数 K cos sin TWtgtg TWtg 抗剪力 抗切力 根据规范 边坡工程等级为二级的土坡 采用直线式滑动法分析的土坡 安全稳定系数 K 取 1 30 故该土坡的稳定坡角可以求出 31 0 462 1 30 tgtg tg K 24 8 其中 为土坡的安全稳定坡角 毕业设计 第9页 共55页 显然 所得的稳定坡角较小 与实际条件中约为 60 度的边坡相距 甚大 因此该土坡是不稳定的 为了得到一个稳定的土坡 若不采取挡 墙支护 则需要放缓坡 而实际的工程地质条件给定的坡高较高 放缓 坡所需要的挖方量巨大 明显不经济 所以放缓坡不合适 必须采取挡 墙支护 2 2 重力式挡土墙的设计 重力式挡土墙是以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定 它是我国目前最常用的一种挡土墙形式 重力式挡土墙多用浆砌片石砌 筑 缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体 也可直接用混凝土 浇筑 一般不配钢筋 或只在局部范围配置少量钢筋 这种挡土墙形式 简单 施工方便 可就地取材 适用性强 因而应用广泛 由已知设计资料和工程地质条件 所设的重力式挡土墙墙高 9 米 顶宽 1 米 底宽 5 米 选择浆砌块石砌筑 墙背垂直 如图 2 1 所示 0 X2 毕业设计 第10页 共55页 图 2 1 重力式挡土墙的截面尺寸图 2 2 1 土压力计算 墙体自重 W 1 05 0 9 24 648 2 KN m 根据拟建挡土墙的条件浆砌块石 查得墙背摩擦角为 1 3 1 2 此处 取12 墙后填土倾斜 25 31 0 则查表可知主动土压力系 数 Ka 0 46 墙后填土选择为黄土 容重为 13 6 15 7kN m 3 取为 14 2 kN m 3 所以 22 1 1 214 2 90 46264 5 2 aa EH KkN m 土压力的竖向分力 sin 90 5 aya EEkNm 土压力的水平分力 cos 248 5 axa EEkNm 2 2 2 抗滑移稳定性验算 64890 5 0 5 1 491 3 248 5 ay s ax WE K E 安全 2 2 3 抗倾覆稳定性验算 求出作用在挡土墙上诸力对墙趾 O 点的力臂 自重 W 的力臂 将挡墙的截面分为一个矩形和一个三角形分别计算自重 1 1 4 9 24432 2 GkN m 2 1 9 24216 GkN m 如图所示 得各自力臂 1 2 42 67 3 xm 毕业设计 第11页 共55页 2 1 414 5 2 xm Eay 的力臂 b 5 0m Eax 的力臂 h 3 0m 应用公式可得抗倾覆稳定安全系数 1122 432 2 67216 4 590 5 5 0 248 5 3 0 3 461 5 ay ax GxGxEb Kt Eh 安全 2 2 4 地基承载力验算 作用在基础底面上总的竖向力 N W Eay 648 90 5 738 5KN m 合力作用点与墙前趾 O 点的距离 1 122 2 48 ayax G xG xEbEh xm N 偏心距 0 020 83 26 BB exm 基底边缘力 max218 56 min208 32 6 1 kPa kPa Ne KtB p 要求满足下列公式 maxmin 1 213 44 2 ppkPa 毕业设计 第12页 共55页 由于基底为碎石土 密实状态下 基底的承载力 f 800kPa 所以 maxmin 1 213 44 2 ppkPa f 800kPa max 218 561 2960pkPafkPa 基底平均应力及最大压力均满足要求 最终确定挡土墙的尺寸 顶宽 1 0m 底宽 5 0m 2 3 扶壁式挡土墙的设计 扶壁式挡土墙的设计内容主要包括墙身构造设计 墙身截面尺寸的 拟定 墙身稳定性和基底应力及合力偏心距验算 墙身配筋设计和裂缝 开展宽度等 2 3 1 墙身构造设计 扶壁式挡土墙墙高不宜超过 15m 一般在 9 10m 左右 段长度不宜 大于 20m 扶肋间距应根据经济性要求确定 一般为 1 4 1 2 墙高 每 段中宜设置三个或三个以上的扶肋 扶肋厚度一般为扶肋间距的 1 10 1 4 但不应该小于 0 3m 采用随高度逐渐向后加厚的变截面 也可 以采用等厚式 以便于施工 墙面板宽度和墙底板的厚度与扶肋间距成正比 墙面板顶宽不得小 于 0 2m 可采用等厚的垂直面板 墙踵板宽一般为墙高的 1 4 1 2 且不小于 0 5m 墙趾板宽宜为墙高的 1 20 1 5 墙底板板端厚度不小 毕业设计 第13页 共55页 于 0 3m 如图 2 1 所示 2 3 2 截面尺寸拟定 根据 建筑边坡工程技术规范 及工程地质条件 此扶壁式挡土墙 墙高拟定为 H 10m 分段长度为 20m 扶肋间距 L 4m 扶肋宽度 0 6m 墙 面板顶宽 b 300m 为了利于施工 采用等厚垂直面板 墙底板板端厚度 0 4m 墙踵板宽度 B1 1m a b 图 2 1扶壁式挡土墙构造 单位 cm a 平面图 b 横断面图 毕业设计 第14页 共55页 2 3 3 土压力的计算 图 2 2 主动土压力计算图 其中8 31 如图 2 所示 扶壁式挡土墙墙背垂直 BC 为开挖后的土坡坡面 作 为第一破裂面 BC 与垂直方向的夹角为 25 度 ADBC 即为破裂棱体 这 个棱体作用着三个力 即破裂棱体的自重 W 主动土压力的反力 Ea 破 裂面的反力 R 其中 Ea 的方向与墙背成 角 由工程地质条件所给得 0 8 且偏于阻止棱体下滑的方向 R 的方向与破裂面法线成 角 同 样偏于阻止棱体下滑的方向 由于棱体处于平衡状态 因此力的三角形 闭合 从力的三角形中可得 cos sin EaW 毕业设计 第15页 共55页 式中 31839 根据前面计算得的稳定坡角 此处的挡墙后填土坡度拟定为 25 度 填土的重度为 3 14 2 kN m 则 0 1 2 1 2cos25 ADBC SabhAEAC 其中 3 39 6257 48 9 6am btgm hm 8 5AEb ACm 所以 算得 67 7 ADBC S 主动土压力反力 00 00 cos 2531 597 76 sin 2539 EaWkN m 2 3 4 墙面板设计计算 1 计算模型与计算荷载 墙面板计算通常取扶肋中到扶肋中或跨中到跨中的一段为计算单 元 视为固支于扶肋及墙踵板上的三向固支板 属于超静定结构 一般 作简化近似计算 计算时 将其沿墙高或墙长划分为若干单位宽度的水 平板条与竖向板条 假设每一个单位条上作用均布荷载 其大小为该条 单位位置处的平均值 近似按支承于扶肋的连续板来计算水平板条的弯 矩和剪力 按固支于墙底板上的刚架梁来计算竖向板条的弯矩 墙面板的荷载仅考虑墙后主动土压力的水平分力 而墙自重 土 压力竖向分力及被动土压力等均不考虑 其中土压应力为 2 1597 76 9 662 26 hk eEa HkN m 毕业设计 第16页 共55页 图 2 3墙面板简化土应压力图 0 54 112 97 pihkii ehHh 01 4hiH 0 531 13 pihk e 1 43 1 4HhiH 0 54 9 64 112 97 9 6 pihk ehiHhi 3 4 11HhiH 2 水平内力 根据墙面板计算模型 水平内力计算简图如图 2 4 所示 各内力分别为 支点负弯矩 22 11 121 12 31 13 4 055 pi MlkNm 支点剪力 262 26 pi QlkN 跨中正弯矩 22 21 201 20 31 13 4 033 pi MlkNm 边跨自由端弯矩 30M 其中 l为扶肋间净距 毕业设计 第17页 共55页 1 12 1 20 1 12 1 20 1 12 c b a l hi 图 2 4墙面板的水平内力计算 a 计算模型 b 荷载的作用图 c 设计弯矩图 墙面板承受的最大水平正弯矩及最大水平负弯矩在竖直方向上分 别发生在扶肋跨中的 1 2H1 处和扶肋固支处的第三个 H1 4 处 如图 2 5 所示 设计采用的弯矩值和实际弯矩值相比是安全的 如图 4 c 所示 例 如 对于固端梁而言 当它承受均布荷载时 其跨中弯矩应为 2 24 pil 但是 考虑到墙面板虽然按连续梁计算 然而它们的固支程度并不充分 为安全起见 故设计值按式 2 1 2 20 pi Ml 确定 3 竖直弯矩 墙面板在土压力的作用下 除了上述的水平弯矩外 将同时产生沿 墙高方向的竖直弯矩 其扶肋跨中的竖直弯矩沿墙高的分布如图 5 所示 负弯矩出现在墙杯一侧底部 H1 4 范围内 正弯矩出现在墙面一侧 最 毕业设计 第18页 共55页 大值在第三个 H1 4 段内 其最大值可近似按下列公式计算 竖直负弯矩 1 0 03 Dhk Me H l 0 03 62 26 9 6 471 72kNm b a a b c a c b d e H 1 4 图 2 5墙面板跨中及扶肋处的弯矩图 a 跨中弯矩b 扶肋处弯矩 竖直正弯矩 1 0 03 417 93 hk Me H lkNm 沿墙长方向 纵向 竖直弯矩的分布如图 6 所示 呈抛物线形分 布 设计时 可采用中部 2l 3 范围内的竖直弯矩不变 两端各 l 6 范 围内的竖直弯矩较跨中减少一半的阶梯形分布 毕业设计 第19页 共55页 b l l 62l 3l 6 MD MD 2 a M D M D 4 H 1 H 1 4H 1 2H 1 4 图 2 6墙面板竖直弯矩图 a 竖直弯矩沿墙高分布 b 竖直弯矩沿墙纵向分布 4 扶肋外悬臂长度 l 的确定 扶肋外外悬臂节长 l 可按悬臂梁的固端弯矩与设计用弯矩相等 求得 即 2 2 1 121 2 pipi Mll 0 411 64llm 2 3 5 墙踵板设计计算2 3 5 墙踵板设计计算 1 计算模型和计算荷载 墙踵板可视为支承于扶肋上的连续板 不计墙面板对它的约束 而 视其为铰支 内力计算时 可将墙踵板顺墙长方向划分为若干单位宽度 的水平板条 根据作用于墙踵板上的荷载 对每一个连续板条进行弯矩 毕业设计 第20页 共55页 剪力计算 并假定竖向荷载在每一连续板条上的最大值均匀作用在板条 上 作用在墙踵板上的力有 计算墙背间与实际墙背的土重 W1 墙踵板 自重 W2 作用在墙踵板顶面上的土压力竖向分力 W3 作用在墙踵板端 部的土压力竖向分力 W4 由墙趾板固端弯矩 M1 的作用在墙踵板上引起 的等代荷载 W5 以及地基反力等 如图所示 为了简化计算 假设W3 为中心荷载 W4 是悬臂端荷载 Ety 所引 起的 实际应力呈虚线表示二次抛物线分布 简化为实线表示的三角形 分布 M1引起的等代荷载的竖向应力近似地假设成图7所示的抛物线形 其重心位于距固支端 5 8B3 处 以其对固支端的力矩与 M1 相平衡 可 得墙踵处的应力 2 53 2 41 w MB 将上述荷载在墙踵板上的引起的竖向应力叠加 即可得到墙踵板的 计算荷载 由于 墙面板对墙踵板的支撑约束作用 在墙踵板与墙面板 的衔接处 墙踵板沿墙长方向板条的弯矩为零 并向墙踵方向变形逐渐 增大 故可近似假设沿墙踵板的计算荷载为三角形分布 最大值在踵点 处 如图 2 7 所示 各部分应力计算 113 14 2 9 6325 156 18 W HB tgtgkN 23 24 0 49 6 Wht kN 3 3 sin 3 B W E B 其中 毕业设计 第21页 共55页 3B E是作用在 BC 面上的土压力 所以 0 9 6 1 52510 3Htgm 22 22 coscoscos cos0 487 coscoscos a K 所以 22 3 11 14 2 10 30 487366 83 22 Ba EH KkN m 所以 3 3 sin 3 B W E B 366 83 sin25 51 68 3 0 kN 4 3 2sin t W E B 其中 t E是作用在 CD 表面上的土压力 所以1032511 4Htgm 同样的0 487 a K 所以 22 11 14 2 11 40 487449 36 22 ta EH KkN m 所以 4 3 2sin t W E B 2 449 36 sin25 126 6 3 0 kN 墙踵板固端处的计算弯矩 M1 2 11 1112 3 2 6 ihpj BB Mtt B 其中 max min NM AW 688 06NkN 2 1 10 33 4 3Am 222 11 1 4 33 08 66 Wabm 0 4 33 688 06 447 24 22 MNekNm 所以 max min NM AW 305 2 14 8 688 06447 24 4 33 08 kPa 毕业设计 第22页 共55页 即 12 305 2 14 8kPakPa 求得 1 139 185MkNm 1 5 22 3 139 185 2 42 437 1 3 w M kPa B 所以 123452wwwwww 156 189 651 68 126 637 1 14 8366 36kPa M 1 Et y e d c 5 8B3 W B3 W5 B3 W5 B3 b EB3y W3 B3 1 2 Et EB3 EB3 Et y W 3 W 2 W 1 M 1 D C B A 25 B3 B H 图 2 7 墙踵板计算荷载图式 a 墙踵板受力图 b 3B y E对墙踵板的作用 c ty E对墙踵板的作用 d M1 对墙踵板的作用 e 墙踵板法向应力总和 上述中 3B E 作用在 BC 面上的土压力 kN t E 作用在 CD 面上的土压力 kN M1 墙趾板固端处的计算弯矩 kNm 毕业设计 第23页 共55页 h 墙后填土和钢筋混凝土的容重 Kn m 3 t 墙踵板厚度 m 2 墙踵板端处的地基反力 kPa 2 纵向内力 墙踵板顺墙长方向板条的弯矩和剪力计算与墙面板相同 各内力分 别为 支点负弯矩 2 1 1 319 68 12 w MlkNm 支点剪力 2479 52 w QlkN 跨中正弯矩 2 2 1 191 80 20 w MlkNm 边跨自由端弯矩 3 0M 3 横向弯矩 墙踵板沿墙长方向 横向 的弯矩由两部分组成 1 在图 7 e 所示的三角形分布荷载作用下产生的横向弯矩最大值出 现在墙踵板的根部 由于墙踵板的宽度通常只有墙高的 1 3 左右 其值 一般较小 对墙踵板横向配筋不起控制作用 故不必计算此横向弯矩 2 由于在荷载作用下墙面板与墙踵板有相反方向的移动趋势 即在 墙踵板根部产生与墙面板的竖直弯矩纵向分布的相同 如图 2 6 b 所 示 毕业设计 第24页 共55页 2 3 6 扶肋设计计算 1 计算模型与计算荷载 a b c 图 2 8 扶肋计算图式 扶肋可视为锚固在墙踵板上的 T 形变截面悬臂梁 墙面板则作为该 T 形梁的翼缘板 如图 2 8 a 所示 翼缘板的有效计算宽度由墙顶向下 逐渐加宽 如图 2 8 a b 所示 为了简化计算 只考虑墙背主动土压 力的水平分力 而扶肋和墙面板的自重以及土压力的竖向分力忽略不 计 2 剪力和弯矩 悬臂梁承受两相邻的跨中至跨中长度 lw 与墙面板高 H1 范围内的土 压力 在土压力 1H E中 作用在 AB 面上的土压力的水平分力作用下 产 生的剪力和弯矩为 毕业设计 第25页 共55页 0 0 5 cos hiwa QhiLh K 2 0 1 3 cos 6 hiiwia Mh Lhh K 当 1 hiH 时的 11HH QM和 111 0 5cos25 Hwa QH LHK 14 2 9 6 4 6 0 5 9 6 0 487 cos25 1328 50kN 2 111 1 cos25 6 Hwa MH LHK 2 1 14 2 9 64 6 9 6 0 487 cos25 6 4251 22kN m 如图所示 计算长度 Lw 按下式计算 且 2 12 w LbB 40 64 6 w Llb 中跨 0 910 91 40 64 24 w Llb 悬臂跨 3 翼缘宽度 扶肋的受压区有效翼缘宽度 bi 墙顶部 bi b 底部 b1 Lw 中间 为直线变化 如图 9 所示 即 1 i i h bbl H 2 3 7 容许应力验算 扶壁式挡土墙的验算内容包括抗滑移稳定性 抗倾覆稳定性 基底 应力及合力偏心距的验算 其验算方法与重力式挡土墙相同 毕业设计 第26页 共55页 1 抗滑移稳定性验算 挡土墙的抗滑移稳定性是指在土压力和其他的荷载作用下 基底摩 阻力抵抗挡土墙滑移的能力 用抗滑移稳定系数表示 即作用于挡土墙 的抗滑力与实际下滑力之比 ay c ax GE K E 其中0 3 9 6 244 3 0 4 243 10 14 2536 4GkN 22 11 14 2 9 60 45294 45 22 aa EH KkN 查得 Ka 0 45 以墙踵板的板端竖直面作为假想墙背 则 0 sin31151 66 aya EEkN 0 cos31252 39 axa EEkN 所以 0 5 536 4 151 66 1 361 30 252 39 c K 查得基底摩擦系数为 0 5 故抗滑移稳定性满足要求 2 抗倾覆稳定性验算 挡土墙的抗倾覆稳定性是指它抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能 力 用抗倾覆系数 Ko 表示 即对墙趾的稳定力矩之和与倾覆力矩之 和的比值 算得土压力的水平分力的力臂 h 3 0m 则 0 0 0 3 9 6 24 1 154 3 0 4 24 2 153 10 14 2 2 8 151 66 4 3 252 39 3 0 y M K M 2002 81 2 651 50 757 17 所以满足抗倾覆稳定性的要求 3 地基承载力及偏心距的验算 毕业设计 第27页 共55页 为了保证挡土墙的基底应力不超过地基的容许承载力 应进行基底 应力验算 为了使挡土墙墙形结构合理和避免发生不均匀的沉降 还应 控制作用于挡土墙基底的合力偏心距 a 底面上的总竖向力 536 4 151 66688 06 ay NWEkN b 合力作用点与墙前趾的距离 2002 81 757 17 1 81 688 06 xm c 偏心距 4 3 0 340 72 26 B ex d 基底边缘应力 1235 86 284 16 6688 066 0 34 1 1 4 34 3 Ne kPa BB e 要求满足下列公式 12 1 160800 2 k kPafkPa 查得在密实状态下 碎石土承载力标准值为 700 900kPa 此处取 k f 800kPa 1 235 861 2960 k fkPa 基底平均应力和最大压力均满足要求 所以 最初拟定的挡土墙截面尺寸即可作为实际挡土墙的尺寸 毕业设计 第28页 共55页 2 3 8 配筋设计 扶壁式挡土墙墙面板 墙趾板按矩形截面受弯构件配筋 而扶肋按 变截面 T 形梁配筋 1 墙面板 墙面板的水平受拉钢筋分为内外侧钢筋两种 1 水平受力钢筋 内侧水平受拉钢筋 N2 布置在墙面板靠填土一侧 承受水平负弯矩 以扶肋处支点弯矩设计计算 全墙可分为 3 4 段 a 以墙面板中间 H1 2 的弯矩作为控制进行计算 经算得 M 55KNM 选用材料 以 HRB335 钢筋作为受拉钢筋 混凝土的强度等级选用 C20 查得 2 9 6 c fN mm 2 300 y fN mm 钢筋保护层厚度 C 30mm 估计选用钢筋直径为 20mm 截面尺寸拟定 为 h 300mm b 取 1 米宽进行设计 则截面有效高度 h0 h c d 2 260mm 将以上的数据代入基本公式 1cys f bxf A 10 2 c x Mf bx h 算得 23xmm 2 736 s Amm 查 混凝土结构设计原理 附表 19 得 选配422 200 2 804 s Amm 验算适用条件 0 230 55 260143 b xmmhmm 毕业设计 第29页 共55页 min 0 804 0 31 0 2 1000 260 s A bh 验算满足要求 b 以墙面板顶 H1 8 处作为控制面进行计算 此时 M 27 5KN m 代入 基本公式得 1 9 6 1000300 s xA 6 27 5 101 9 6 1000 260 2 x x 求得 11 24xmm 2 360 s Amm 同样查得 选用4 14 250 2 615 s Amm 验算满足适用条件 由以上的计算可知 墙面板内侧的受拉钢筋分布为 墙顶 H1 8 墙 底 H1 8 范围内选配 14 的钢筋 间距为 250mm 墙面板中间的范围选 配 22 的钢筋 间距为 250mm 外侧受拉钢筋 N3 布置在中间跨墙面板临空一侧 承受水平正弯矩 该钢筋沿墙长方向通长布置 为方便施工 可在扶肋中心切断 沿墙高 可分为几个区段进行配筋 但区段不宜分得太多 a 以墙面板的中间 H1 2 处作为控制面进行计算 此时 M 33kNm 同 样代入基本公式得 1 9 6 1000300 s xA 6 33 101 9 6 1000 260 2 x x 求得 15xmm 2 480 s Amm 毕业设计 第30页 共55页 查表得 选配4 14 250 2 615 s Amm 验算满足适用条件 b 以墙面板墙顶 H1 8 处作为控制面进行计算 此时 M 16 5KNm 代入基本公式计算得 7xmm 2 224Asmm 此时 min 0 0 08 0 2 s A bh 故需按最小配筋率进行配筋 即 2 0min 520Asbhmm 查得选配4 14 250 2 615Asmm 验算满足适用条件 以上配筋计算可知 墙面板外侧水平受拉钢筋 N2 的分布为 全墙采用 14 的钢筋 间距为 250mm 2 竖向受力钢筋 内侧竖向收里钢筋 N4 布置在靠填土一侧 承受墙面板的竖直负弯 矩 该筋向下伸入墙踵板不少于一个钢筋锚固长度 向上在距离墙踵板 顶高 H1 4 处加上一个钢筋锚固长度处切断 每跨中部 2L 3 范围内按跨 中的最大竖直负弯矩 MD 配筋 靠近扶肋两侧各 L 6 部分按 MD 2 配筋 a 跨中 2L 3 范围内的弯矩 M 71 72kNm 代入基本公式得 1 9 6 1000300 xAs 6 71 72 101 9 6 1000 260 2 x x 求得 30 xmm 2 960Asmm 查表得选配4 18 250 2 1017Asmm 验算满足适用条件 b 靠近扶肋两侧 L 6 部分的弯矩 M MD 2 35 86kNm 毕业设计 第31页 共55页 同样代入基本公式求得 14 8xmm 2 473Asmm 此时 min 0 0 18 0 2 As bh 故需按最小配筋率进行配筋 由以上可知 选配的钢筋为 4 14 250 2 615Asmm 所以 由上可知 墙面板内侧竖向受力钢筋的分布为 每跨中部 2L 3 范围采用 18 钢筋 间距为 250mm 靠近扶肋两侧 L 6 范围内采用 14 钢筋 间距为 250mm 外侧竖向受力钢筋 N5 布置在墙面板的临空一侧 承受墙面板的竖 向正弯矩 该钢筋通长布置 兼作墙面板的分布钢筋用 由于正弯矩较 小 M 17 93kNm 由上面的计算可知 需按最小配筋率进行配筋 故墙外 侧的钢筋布置为 全墙布置 14 钢筋 间距为 250mm 3 墙面板与扶肋的 U 形拉筋 连接墙面板与扶肋的 U 形拉筋 N6 其开口向扶肋的背侧 该钢筋每一支 承受高度为拉筋间距水平板条的支点剪力 Q 在扶肋水平方向通长布置 由上面的计算可知 选配的 U 形钢筋为 14 承受拉力作用 每个 扶肋上 U 形钢筋的个数为 9 6 1000 30032N 根 2 墙踵板 墙踵板顶面横向水平钢筋 N7 是为了墙面板承受竖直负弯矩的钢筋 N4 得以发挥作用而设置的 该钢筋位于墙踵板顶面 垂直于墙面板方向 其布置与钢筋 N4 相同 该钢筋一端插入墙面板一个钢筋锚固长度 另一 端伸至墙踵端 作为墙踵板纵向钢筋 N8 的定位钢筋 如钢筋 N7 的间距很 毕业设计 第32页 共55页 小 可以将其中一半在距墙踵端 3 2 B减一个钢筋锚固长度处切断 墙踵板的顶面和底面纵向水平受拉钢筋 N8 N9 承受墙踵板在扶肋 两端的负弯矩和跨中正弯矩 该钢筋的切断情况与 N2 N3 相同 墙踵板的选用材料跟墙面板的相同 墙踵板厚度为 0 4m 属于基础 所以混凝土保护层的厚度应大于 70mm 此处取为 C 80mm 估计选配的钢 筋直径为 20mm 所以截面有效高度 0 20 40080310 2 hmm 由前面的计算可知 墙踵板的支点负弯矩为 M 319 68kNm 带入基 本公式得 1 9 6 1000300 xAs 6 319 68 101 9 6 1000 310 2 x x 求得 138xmm 2 4416Asmm 查表得选配8 28 120 2 4926Asmm 验算满足适用条件 跨中正弯矩 M 191 8kNm 同样可得 73xmm 2 2336Asmm 查表得选配5 25 200 2 2454Asmm 验算满足适用条件 连接墙踵板与扶肋之间的 U 形钢筋 N10 其开口向上 可在距墙踵板 顶面一个钢筋锚固长度处切断 也可延至扶肋的顶面 作为扶肋两侧的 分布钢筋 在垂直于墙面板方向的钢筋分布与墙踵板顶面纵向水平钢筋 N8 相同 3 墙趾板 墙趾板的受力筋 N1 设置于墙趾板的底面 为了方便施工 将墙面板 毕业设计 第33页 共55页 外侧竖向受力筋 N5 弯曲作为墙趾板的受力筋 4 扶肋 扶肋背侧的受拉筋N11 应根据扶肋的弯矩图 选择2 3个截面 分别 计算所需的拉筋根数 为了节省混凝土 钢筋 N11 可以多层排列 但不得 多于 3 层 其间距应满足规范要求 必要时可采用束筋 各层钢筋上端应 按不需此钢筋的截面再延长一个钢筋锚固长度 必要时可将钢筋沿横向 弯入墙踵板的底面 除受力钢筋之外 还需要根据截面剪力配置箍筋 并按构造要求布 置构造钢筋 2 4 施工设计方案比选 为了使支挡结构的设计更加节约经济 科学合理 对前面的两种挡 土墙设计所得进行分析比较 选择一种造价 工程量 施工工艺更为合 理的方案作为施工设计 由上设计计算所得可知 重力式挡土墙的截面尺寸为顶宽 1 米 底 宽 5 米 高 9 米 所使用的混凝土强度等级为 C20 估算材料用量可知 重力式挡土墙横向没延米所需的混凝土用量为 27 平米 由于该挡墙的 尺寸较大 施工架设模板难度较大 扶壁式挡土墙的截面尺寸为 墙面板高 9 6 米 厚度 0 3 米 墙底 板宽 4 3 米 厚度 0 4 米 扶肋高 9 6 米 厚度 0 6 米 底宽 3 米 估 算材料用量得每延米的混凝土用量为 8 6 平米 使用 HRB335 级钢筋 毕业设计 第34页 共55页 显然 重力式挡土墙所需的混凝土用量比扶壁式的大得多 因此所 花费的造价也要高 而且工程量巨大 施工难度高 一般情况下 坡高 大于 8 米时不选择采用重力式挡土墙作为支挡结构 以上分析看出 该地段不宜采用重力式挡墙支护 而采用扶壁式挡 墙支护 总体造价不高 经济合理 又符合墙高要求 故此工程采用扶 壁式挡土墙作为施工组织设计方案 2 5 扶壁式挡墙结构加固措施 在选择了扶壁式挡土墙作为施工方案设计 完成了挡土墙截面设计 及稳定 强度验算之后 必须采取必要的措施 以保证挡土墙的安全性 2 5 1 基底拓展 为减少基底压应力 增加抗倾覆的稳定性 在墙趾处伸出一台阶 以拓宽基底 墙趾台阶宽度为 25mm 台阶高宽比为 3 2 2 5 2 排水设计 挡土墙排水措施的作用在于疏干墙后土体和防止地表水下渗 以免 墙后积水形成静压力 良好的排水在寒冷地区可以减小回填土的冻胀压 力 排水措施主要包括 1 截水沟 截水沟又称天沟 设置在挖方路基边坡挡土墙坡 顶以外 用以拦截并排除在山坡上流淌的地面径流 减轻边沟的水 流负担 保证挖方边坡不受流水冲刷 截水沟采用梯形截面 内边 毕业设计 第35页 共55页 坡的坡度为 1 1 采用 25cm 厚的 5 号浆砌片石加固 并设置 15cm 厚的砂砾垫层 2 泄水孔 若已渗入墙后填土中的水 则应将其迅速排出 通 常在挡土墙的下部设置泄水孔 一般泄水孔的直径为 5 10cm 间距 2 3cm 泄水孔应高于墙前水位 以免倒灌 此外 在泄水孔入口附近应用易渗 的粗颗粒材料做反滤层 并在泄水孔入口下方铺设粘土夯实层 防止积 水渗入地基不利于墙的稳定性 泄水孔的布置应错开呈梅花桩式 以免 在某一个面上形成软弱层 影响挡土墙的稳定性 3 排水沟 主要用途在于引水 将路基范围内的各种水源 水流引至桥涵或路基范围内的指定地点 采用梯形截面 25cm 厚 5 号浆砌片石加固 并设 15cm 厚砂砾垫层 2 5 3 沉降缝和伸缩缝的设置 为避免地基不均匀沉降引起墙身 开裂 需按墙高和地基性质的变异 设置沉降缝 同时 为了减少圬工 砌体因收缩硬化和温度化作用而产生裂缝 需设置伸缩缝 挡土墙的沉 降缝和伸缩缝设置在一起 每隔 10m 设置一道 缝宽 3cm 自墙顶做至 基底 缝内宜用沥青麻絮 沥青竹绒或涂以沥青的木板等具有弹性材料 沿墙的内 外 顶三侧填塞 填塞的深度为 20cm 毕业设计 第36页 共55页 第三章毕业设计心得 公路挡土墙是路基防护工程的重要组成部分 在山区公路中 挡土 墙的应用更为广泛 挡土墙设计时 应进行详细地调查 勘测 确定构 造物的形式与尺寸 运用合适的理论计算土压力 并进行稳定性和截面 强度方面的验算 采取合理 可行的措施 以保证挡土墙的安全性 扶 壁式挡土墙结构是在重力式挡土墙的基础上因地制宜发展而来的 实际 工程中 可采取联合的结构形式 其计算方法基本相同 对于多地震带 的地区 只要在地基应力允许的条件下 应尽量扩大抗滑计算值 毕业设计 第37页 共55页 结束语 随着毕业日子的到来 毕业设计也接近了尾声 经过几个月的奋战 我的毕业设计终于完成了 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对 这几年来所学知识的单纯总结 但是通过这次做毕业设计发现自己的看 法有点太片面 毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验 而且也是 对自己能力的一种提高 通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还 比较欠缺 自己要学习的东西还太多 通过这次毕业设计 我才明白学 习是一个长期积累的过程 在以后的工作 生活中都应该不断的学习 努力提高自己知识和综合素质 在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了 同学之间互相 帮助 有什么不懂的大家在一起商量 听听不同的看法对我们更好的理 解知识 所以在这里非常感谢帮助我的同学 总之 不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多 真是万事开 头难 不知道如何入手 最后终于做完了有种如释重负的感觉 此外 还得出一个结论 知识必须通过应用才能实现其价值 有些东西以为学 会了 但真正到用的时候才发现是两回事 所以我认为只有到真正会用 的时候才是真的学会了 毕业设计 第38页 共55页 致谢 在此要感谢我的指导老师米海珍和乔雄对我悉心的指导 感谢老师 给我的帮助 在设计过程中 我通过查阅大量有关资料 与同学交流经 验和自学 并向老师请教等方式 使自己学到了不少知识 也经历了不 少艰辛 但收获同样巨大 在整个设计中我懂得了许多东西 也培养了 我独立工作的能力 树立了对自己工作能力的信心 相信会对今后的学 习工作生活有非常重要的影响 而且大大提高了动手的能力 使我充分 体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦 虽然这个设计做的 也不太好 但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获 和财富 使我终身受益 毕业设计 第39页 共55页 设计参考文献 1 1 中华人民共和国国家标准 建筑边坡工程技术规范 GB50330 2002 人民交通出版社 北京 2002 2 2 陈忠达 公路挡土墙设计 人民交通出版社 北京 1999 3 3 赵树德 土力学 高等教育出版社 北京 2002 4 4 池淑兰 路基及支挡结构 中国铁道出版社 北京 2002 5 5 邓学均 路基路面工程 人民交通出版社 北京 2002 6 6 冯忠居 基础工程 人民交通出版社 北京 2002 7 7 基础工程分析与设计 中国建筑工业出版社 8 8 朱彦鹏 混凝土结构设计原理 重庆大学出版社 重庆 2002 9 9 张雨化 朱照宏 道路勘测设计 人民交通出版社 北京 1997 10 10 中华人民共和国国家标准 公路工程技术标准 JTG B01 2003 人民交通出版社 北京 2004 11 11 其他与设计相关的资料等 毕业设计 第40页 共55页 附 英文翻译 LIMIT ANALYSIS OF SOIL SLOPES SUBJECTED TO PORE WATER PRESSURES ByJ KimR salgado assoicitemember ASCE andH S member ASCE ABSTRACT the limit equilibrium method is commonly used for slope stability analysis However it is well known that the solution obtained from the limit equilibrium method is not rigorous because neither static nor kinematic admissibility conditions are satisfied Limit analysis takes advantage of the lower and upper bound theorem of plasticity to provide relatively simple but rigorous bounds on the true solution In this paper three nodded linear triangular finite elements are used to construct both statically admissiblestressfieldsforlower boundanalysisandkinematically admissible velocity fields for upper bound analysis By assuming linear variation of nodal and elemental variables the determination of the best lower and upper bound solution maybe set up as a linear programming problem with constraints based on the satisfaction of static and kinematic 毕业设计 第41页 共55页 admissibility The effects ofpro waterpressureareconsidered and incorporated into the finite element formulations so that effective stress analysis of saturated slope may be done Results obtained from limit analysis of simple slopes with different ground water patterns are compared with those obtained from the limit equilibrium method INTRODUCTION Stability and deformation problem in geotechnical engineering are boundary value problem differential equ