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毕业设计论文
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公路挡土墙设计毕业设,毕业设计论文
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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： nts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nts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nts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。 nts毕 业 设 计 第 5 页 共 55 页 1 4 设计给定的工程地质条件 2510m2.5m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： 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 。 nts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。 nts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。 nts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= c o ss i nT W t g t gT W t g g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 . 4 6 21 . 3 0t g t gtgK o 2 4 .8 o 其中 为土坡的安全稳定坡角。 nts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。 .0X2nts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 . 0 5 . 0 ) 9 2 4 6 4 8 /2 K N 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 12o ，墙后填土倾斜， =25o ， 3 1 , 0oo 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 13.615.7kN/m3 ,取为 14.2kN/m3 。 所以 2211 / 2 1 4 . 2 9 0 . 4 6 2 6 4 . 5 /2aaE H K k N m 土压力的竖向分力： s i n ( ) 9 0 . 5 /a y aE E k N m 土压力的水平分力： c o s ( ) 2 4 8 . 5 /a x aE E k N m 2 2 2 抗滑移稳定性验算 () ( 6 4 8 9 0 . 5 ) 0 . 5 1 . 4 9 1 . 3 ( )2 4 8 . 5aysaxWEKE 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 2 4 4 3 2 /2G k N m 2 1 9 2 4 2 1 6 /G k N m 如图所示，得各自力臂：1 2 4 2 .6 73xm nts毕 业 设 计 第 11 页 共 55 页 2 14 1 4 . 52xm 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： 1 1 2 24 3 2 2 . 6 7 2 1 6 4 . 5 9 0 . 5 5 . 02 4 8 . 5 3 . 03 . 4 6 1 . 5 ( )ayaxG x G x E bKtEh 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 1 2 2 2 . 4 8a y a xG x G x E b E hxmN 偏心距： 0 . 0 2 0 . 8 326BBe x m 基底边缘力： m a x 2 1 8 . 5 6m i n 2 0 8 . 3 26( 1 ) k P ak P aNeK t Bp 要求满足下列公式： m a x m i n1 ( ) 2 1 3 . 4 42 p p k P ants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m a x m i n1 ( ) 2 1 3 . 4 42 p p k P a f=800kPa m a x 2 1 8 . 5 6 1 . 2 9 6 0p k P a f k P a 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nts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。 2000 20 o.41L L (1/10 - 1/4)L H1 H B1 B2 B3 30 B1=(1 /20 - 1/5) H B3=(1 /4 - 1 /2)H 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 nts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 o ， 31 o ， 。 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 =08 ，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： c o s ( )s i n ( )E a W nts毕 业 设 计 第 15 页 共 55 页 式中 3 1 8 3 9 o o o 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 314.2 /kN m ,则： 01 / 2 ( ) 1 / 2 c o s 2 5A D B CS a b h A E A C 其中 3 , 3 9 . 6 2 5 7 . 4 8 , 9 . 6a m b t g m h m o。 , 8 . 5A E b A C m 所以，算得 6 7 .7A D B CS 。 主动土压力反力 0000c o s ( 2 5 3 1 ) 5 9 7 . 7 6 /s i n ( 2 5 3 9 )E a W k N 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/ 1 5 9 7 . 7 6 / 9 . 6 6 2 . 2 6 /hke E a H k N m nts毕 业 设 计 第 16 页 共 55 页 图 2-3 墙面板简化土应压力图 0 . 5 4 / 1 1 2 . 9 7p i h k i ie h H h （ 0 1 / 4hi H ） 0 . 5 3 1 . 1 3p i h ke （ 1 / 4 3 1 / 4H h i H ） 0 . 5 4 ( 9 . 6 4 ) / 1 1 2 . 9 7 ( 9 . 6 )p i h ke h i H h i （ 3 / 4 1 1H h i H） 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： 221 1 / 1 2 1 / 1 2 3 1 . 1 3 4 . 0 5 5piM l k N m 支点剪力： / 2 6 2 . 2 6piQ l k N跨中正弯矩： 222 1 / 2 0 1 / 2 0 3 1 . 1 3 4 . 0 3 3piM l k N m 边跨自由端弯矩： 30M 其中， l 为扶肋间净距。 nts毕 业 设 计 第 17 页 共 55 页 1 / 1 21 / 2 01 / 1 21 / 2 01 / 1 2c)b)a)lhi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 /24pil，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 21220 piMl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nts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：10 . 0 3D h kM e H l0 . 0 3 6 2 . 2 6 9 . 6 4 7 1 . 7 2 k N m b)a) abcacbdeH1/4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：10 . 0 3 / 4 1 7 . 9 3hkM e H l k N m 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。 nts毕 业 设 计 第 19 页 共 55 页 b)ll / 62 l / 3l / 6MDMD/2a)-+MDM D / 4H1H1/4H1/2H1/4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 21 / 1 2 1 / 2p i p iM l l 0 . 4 1 1 . 6 4l l m 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，nts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 2532 . 4 1 /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： 1 1 3( ) 1 4 . 2 ( 9 . 6 3 2 5 ) 1 5 6 . 1 8W H B t g t g k N 23 2 4 0 . 4 9 . 6Wh t k N 33 s i n3BW E B ，其中 nts毕 业 设 计 第 21 页 共 55 页 3BE是作用在 BC 面上的土压力，所以 09 . 6 1 . 5 2 5 1 0 . 3H t g m 。 22c o s c o s c o sc o s 0 . 4 8 7c o s c o s c o saK g 所以， 223 11 1 4 . 2 1 0 . 3 0 . 4 8 7 3 6 6 . 8 3 /22BaE H K k N m 所以， 33s i n3BWEB 3 6 6 . 8 3 s i n 2 5 5 1 . 6 83 . 0 kNo 4 32 s intWE B ， 其中 tE是作用在 CD 表面上的土压力，所以 1 0 3 2 5 1 1 . 4H t g m o 同样的 0.487aK 所以， 2211 1 4 . 2 1 1 . 4 0 . 4 8 7 4 4 9 . 3 6 /22taE H K k N m 所以，4 32 s intWE B 2 4 4 9 . 3 6 s i n 2 5 1 2 6 . 63 . 0 kNo 墙踵板固端处的计算弯矩 M1： 2111 1 1 2 3 ( ) ( 2 ) ( ) 6 i h p jBBM t t B ，其中 m a xm i n NMAW 6 8 8 .0 6N kN 21 ( 1 0 . 3 3 ) 4 . 3Am 2 2 211 1 4 . 3 3 . 0 866W a b m 0 4 . 3 36 8 8 . 0 6 ( ) 4 4 7 . 2 422M N e k N m 所以 m a xm inNMAW 3 0 5 . 21 4 . 86 8 8 . 0 6 4 4 7 . 2 44 . 3 3 . 0 8 k P a nts毕 业 设 计 第 22 页 共 55 页 即 123 0 5 . 2 ; 1 4 . 8k P a k P a求得1 1 3 9 . 1 8 5M k N m15 2231 3 9 . 1 8 52 . 4 2 . 4 3 7 . 13wM k P aB 所以1 2 3 4 5 2w w w w w w 1 5 6 . 1 8 9 . 6 5 1 . 6 8 1 2 6 . 6 3 7 . 1 1 4 . 8 3 6 6 . 3 6 k P a M1E t ye)d)c)5 / 8 B3WB3W5B3W5B3b)E B 3 yW3B312EtE B 3E B 3E t yW3W2W1M1DCBA25B3BH图 2-7 墙踵板计算荷载图式 a) 墙踵板受力图； b)3ByE对墙踵板的作用； c)tyE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： 3BE 作用在 BC面上的土压力（ kN）； tE 作用在 CD面上的土压力（ kN）； M1 墙趾板固端处的计算弯矩（ kNm） ; nts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） ; 3t 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： 21 1 3 1 9 . 6 812 wM l k N m 支 点剪力： / 2 4 7 9 . 5 2wQ l k N跨中正弯矩： 22 1 1 9 1 . 8 020 wM l k N m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。 nts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 1HE 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： nts毕 业 设 计 第 25 页 共 55 页 0( 0 . 5 ) c o sh i w aQ h i L h K2 01 ( 3 ) c o s6h i i w i aM h L h h K 当1hi H时的11HHQM和： 1 1 10 . 5 c o s 2 5H w aQ H L H K o1 4 . 2 9 . 6 4 . 6 0 . 5 9 . 6 0 . 4 8 7 c o s 2 5 o 1328.50kN 21 1 11 c o s 2 56H w aM H L H K o 21 1 4 . 2 9 . 6 4 . 6 9 . 6 0 . 4 8 7 c o s 2 56 o4 2 5 1 .2 2 kN m g 如图所示，计算长度 Lw,按下式计算，且212wL b B。 4 0 . 6 4 . 6wL l b （中跨） 0 . 9 1 0 . 9 1 4 0 . 6 4 . 2 4wL l b （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： 1ii hb b lH 。 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。 nts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。 ()aycaxGEKE 其中 0 . 3 9 . 6 2 4 4 . 3 0 . 4 2 4 3 1 0 1 4 . 2 5 3 6 . 4G k N 。 2211 1 4 . 2 9 . 6 0 . 4 5 2 9 4 . 4 522aaE H K k N （查得 Ka=0.45） 以墙踵板的板端竖直面作为假想墙背，则： 0s i n 3 1 1 5 1 . 6 6a y aE E k N 0c o s 3 1 2 5 2 . 3 9a x aE E k N 所以 0 . 5 ( 5 3 6 . 4 1 5 1 . 6 6 ) 1 . 3 6 1 . 3 02 5 2 . 3 9cK （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， 000 . 3 9 . 6 2 4 1 . 1 5 4 . 3 0 . 4 2 4 2 . 1 5 3 1 0 1 4 . 2 2 . 8 1 5 1 . 6 6 4 . 32 5 2 . 3 9 3 . 0yMKM 2 0 0 2 . 8 1 2 . 6 5 1 . 5 07 5 7 . 1 7 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 nts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 5 3 6 . 4 1 5 1 . 6 6 6 8 8 . 0 6ayN W E k N b. 合力作用点与墙前趾的距离 2 0 0 2 . 8 1 7 5 7 . 1 7 1 . 8 16 8 8 . 0 6xm c. 偏心距 4 . 3 0 . 3 4 0 . 7 226Bex d. 基底边缘应力 1 2 3 5 . 8 62 8 4 . 1 66 6 8 8 . 0 6 6 0 . 3 4( 1 ) ( 1 )4 . 3 4 . 3Ne k P aBB e. 要求满足下列公式 121 ( ) 1 6 0 8 0 02 kk P a f k P a 查得在密实状态下，碎石土承载力标准值为 700-900kPa,此处取kf=800kPa。 1 2 3 5 . 8 6 1 . 2 9 6 0kf k P a 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。 nts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 29 . 6 /cf N m m, 23 0 0 /yf N m m。 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： 1 c y sf b x f A 10()2cxM f b x h 算得： 23x mm 2736sA mm查混凝土结构设计原理附表 19 得： 选配 4 22 200 2804sA m m验算适用条件：02 3 0 . 5 5 2 6 0 1 4 3bx m m h m m nts毕 业 设 计 第 29 页 共 55 页 m i n0804 0 . 3 1 % 0 . 2 %1 0 0 0 2 6 0sAbh 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 1 0 0 0 3 0 0sxA 62 7 . 5 1 0 1 9 . 6 1 0 0 0 ( 2 6 0 )2xx 求得： 11.24x mm 2360sA m m同样查得，选用 4 14 250 ， 2615sA mm。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 1 0 0 0 3 0 0 sxA 63 3 1 0 1 9 . 6 1 0 0 0 ( 2 6 0 )2xx 求得： 15x mm 2480sA m m。 nts毕 业 设 计 第 30 页 共 55 页 查表得：选配 4 1 4 2 5 0 ， 2615sA m m。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： 7x mm 2224A s m m 此时，m i n0 0 . 0 8 % 0 . 2 %sAbh ，故需按最小配筋率进行配筋，即：20 m i n 520A s b h m m 查得选配 4 14 250 ， 2615As mm 。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 1 0 0 0 3 0 0x A s 67 1 . 7 2 1 0 1 9 . 6 1 0 0 0 ( 2 6 0 )2xx 求得： 30x mm 2960A s m m 查表得 选配 4 18 250 ， 21017As m m 。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。 nts毕 业 设 计 第 31 页 共 55 页 同样代入基本公式求得： 14.8x mm ， 2473As mm 。此时， m i n0 0 . 1 8 % 0 . 2 %Asbh ，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 ， 2615As mm 。 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 1 0 0 0 / 3 0 0 3 2N 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nts毕 业 设 计 第 32 页 共 55 页 小 ,可以将其中一半在距墙踵端3/2B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0 204 0 0 8 0 3 1 02h m m . 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 1 0 0 0 3 0 0x A s 63 1 9 . 6 8 1 0 1 9 . 6 1 0 0 0 ( 3 1 0 )2xx 求得 : 138x mm , 24416As m m . 查表得选配 8 28 120 , 24926As m m .验算满足适用条件 . 跨中正弯矩 M=191.8kNm,同样可得 : 73x mm , 22336As m m 查表得选配 5 25 200 , 22454As m m ,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nts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。 nts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
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