g路基路面设计及综合排水设计.doc

目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 总体情况概述 1 1 1 1 设计任务 1 1 1 2 任务要求 1 1 1 3 设计标准 1 1 1 4 路线起迄点 地形地貌情况 1 1 1 5 沿线气候水文特征 1 1 2 总体设计 2 1 2 1 总体设计原则 2 1 2 2 技术标准与技术指标的的总体适用情况 2 1 3 道路设计软件说明 2 1 3 1 本系统概况 2 1 3 2 系统的特点 2 2 2 路基路面设路基路面设计计 4 2 1 设计简介 4 2 1 1 设计说明 4 2 1 2 新建路面结构设计步骤 4 2 1 3 路面结构综合设计 4 3 3 路堤边坡稳路堤边坡稳定性验算定性验算 14 3 1 参数分析 14 3 2 边坡稳定性验算分析 14 3 2 1 路基横断面的标准设计 14 3 2 2 将车辆荷载换算成土柱高 当量高度 15 4 4 挡土墙设计挡土墙设计 27 4 1 绪言 27 4 2 挡土墙的设计及验算 27 4 2 1 基础资料 27 4 2 2 设计资料 27 4 2 3 墙背土压力计算 29 4 2 4 破裂面计算 30 4 2 5 破裂面验算 30 4 2 6 主动土压力计算 30 4 2 7 墙身截面性质计算 31 4 2 8 挡土墙的稳定验算及强度验算 32 4 3 采取措施 35 4 3 1 基础加固措施 35 4 3 2 排水措施 35 4 3 3 沉降缝与伸缩缝的设置 35 4 3 4 墙顶与路面的衔接 35 4 3 5 车辆安全行驶保障措施 35 4 3 6 材料要求 35 4 4 设计参数 36 4 4 1 设计参数的选取 36 4 4 2 安全系数的选取 36 4 4 3 墙面坡的选取 36 4 4 4 墙背坡的选取 36 4 4 5 设计控制重点 36 5 5 路基路面排路基路面排水设计水设计 37 5 1 排水设计一般原则 37 5 2 综合排水设计 37 5 3 路基排水设计 37 5 3 1 地表排水设备的类型 37 5 3 2 边沟设计 37 5 3 3 确定边沟布置断面形式及尺寸 38 5 3 4 确定截水沟布置断面形式及尺寸 41 5 4 其他排水设计 41 结结 论论 42 致致 谢谢 43 参参 考考 文文 献献 44 附附 录录 1 1 绪论绪论 1 11 1 总体情况概总体情况概述述 1 1 11 1 1 设计任务设计任务 本设计为平凉至定西高速公路路基路面及综合排水设计 本标段工程位于兰州市 到白银市会宁县 施工里程为K84 600 K86 100 全长约147km 在整个设计任务主 要包括 路面工程的设计 沥青混凝土路面结构设计 挡土墙设计 路堤边坡稳定 性的验算 路基路面排水专题研究等 1 1 21 1 2 任务要求任务要求 通过本设计要求能够综合运用专业所学的知识并尽量联系实际 根据有关的设计 规范掌握各设计阶段的设计内容 掌握设计过程中设计原始资料的采集方法于内容 掌握路面设计参数的确定 选用及计算方法 掌握道路设计软件程序及方法 将计算 机这新世纪科技操作技术灵活运用于公路建设中 以达到熟练从事公路专业的工作能 力 1 1 31 1 3 设计标准设计标准 公路等级 双向四车道高速公路 设计车速 80km h 路基宽度 整体式24 5m 分离式2 12 25m 极限最小平曲线半径 250m 最大纵坡 5 桥涵设计荷载 公路 I 级 设计洪水频率 特大桥1 100 1 1 41 1 4 路线起迄路线起迄点 地形地貌情点 地形地貌情况况 平定高速公路 全长 258 22km 分东西两段 中间为宁夏段 东段起于庆阳市宁 县长庆桥 途经平凉市泾川县 崆峒区 止于宁甘界沿川子 西段起于静宁县司桥 途经平凉市静宁县 白银市会宁县 止于定西市安定区的十八里铺 河道常年有水 河谷地层由砂砾 砾卵石及亚砂土组成 本段通过山区 为中低山地貌 山体岩层风 化 山顶部有黄土覆盖 两侧山体坡面较缓 覆盖层较薄 山体地质自下而上为强风 化砂砾岩 全风化砂砾岩 砂砾卵石 黄土层 均为 V 级围岩地质 1 1 51 1 5 沿线气候沿线气候水文特征水文特征 项目区属暖温带半湿润 半干旱大陆季风性气候区 夏短冬长 四季分明 多年 平均气温13 一月平均气温 1 七月平均气温26 极端最低气温 16 7 极端 最高气温41 4 盆地及河谷区无霜期210天 深山区无霜期不足100天 区内年平均 降雨量701mm 降雨多集中在七月至九月 是关中西部雨水较多地区 路线所经区域属 于黄河流域 其大部分路段沿渭河干流和支流布设 地震基本烈度为 度 1 21 2 总体设计总体设计 1 2 11 2 1 总体设计总体设计原则原则 设计在满足工程经济的前提下既要符合高速公路标准的要求 尽可能采用较高的 技术指标 还要综合考虑工程造价 施工技术条件 地质气候 材料来源等其它影响 因素 1 2 21 2 2 技术标准技术标准与技术指标与技术指标的的总体适的的总体适用情况用情况 本项设计方案各项技术指标均符合 公路工程技术标准 JTG B01 2003 公路路线设计规范 JTG D20 2006 公路路基设计规范 JTG D30 2004 公路排水设计规范 JTJ018 97 公路水泥混凝土设计规范 JTG D40 2002 公路沥青路面设计规范 JTG D50 2006 的要求 1 31 3 道路设计软道路设计软件说明件说明 1 3 11 3 1 本系统概本系统概况况 本系统是根据现行 公路沥青路面设计规范 JTJ014 97 和 公路水泥混凝土路面 设计规范 JTG D40 2002 的有关内容编制的 共包括如下九个程序 1 沥青路面设计弯沉值和容许拉应力计算程序 HLS 2 改建路段原路面当量回弹模量计算程序 HOC 适用于沥青路面设计 3 沥青路面设计程序 HMPD 4 沥青路面及土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算程序 HMPC 5 改建路段原路面当量回弹模量计算程序 HOC1 6 新建单层水泥混凝土路面设计程序HCPD1 7 新建复合式水泥混凝土路面设计程序 HCPD2 8 旧混凝土路面上加铺层设计程序 HCPD3 9 水泥混凝土路面基 垫 层及土基竣工验收弯沉值计算程序HCPC 1 3 21 3 2 系统的特系统的特点点 1 采用 Visual Basic 6 0 for Windows 语言编程 在 Windows 系统下运行 有良 好的用户界面 2 功能齐全 凡公路路面设计与计算所需的程序应有尽有 3 计算速度快 精度高 4 数据输入采用可视化 全屏幕的窗口输入方式 操作简单方便 一目了然 所有 程序既可人机对话输入 又可用数据文件输入 计算结束立即在输出窗口显示设计计 算成果文件内容 并可根据用户要求打印输出 十分方便 5 具有随机帮助以及自动识别错误并提出警告和提示的功能 让学生无后顾之忧 2 2 路基路面设路基路面设计计 2 12 1 设计简介设计简介 2 1 12 1 1 设计说明设计说明 设计计算根据 公路沥青路面设计规范 JTGD 50 2004 本设计采用路面弯沉值作为设计指标 并验算基底拉应力 部分未知参数可查表及规范得出 采用软件进行设计 路基设计按高速公路双向四车道进行设计 路基设计及路面设计都要说明设计过程 并绘制设计图表 2 1 22 1 2 新建路面新建路面结构设计步结构设计步骤骤 新建沥青路面通常按一下步骤进行路面结构设计 根据设计任务书的要求 确定路面等级和面层类型 计算设计年限内一个车道的累 计当量轴次和设计弯沉值 路基土类与干湿类型 将路基划分为若干路段 在一般情况下路段长度不宜小于 500m 若为大规模机械化施工 不宜小于 1km 确定各路段土基回弹模量值 根据已有经验和规范推荐的路面结构 拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案 根据选用的材料进行配合比试验及测定各机构层材料的抗压回弹模量 抗拉强度 确 定个结构层材料设计参数 根据设计弯沉值计算路面厚度 对高速公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基 层 底基层 应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求 如不满足要求 或调整路面 结构层厚度 或变更路面结构组合 或调整材料配合比 提高材料极限抗拉强度 再 重新计算 上述计算应采用弹性多层体系理论编制的程序进行 路面设计流程如图 2 1 所示 对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面 尚应验算防冻厚度是否满足要求 2 1 32 1 3 路面结构路面结构综合设计综合设计 资料 资料 公路等级 高速 自然区划 土基回弹模量 40MPa 交通增长率 5 车辆组成及交通量见表2 1 否 验算 验算 否 不满足 是 有 否 没有 是 否 收集或调整交通量 并及时累计标准轴 次 气象资料 材料调查及 混合料试验 根据公路等级 面 层 基层类型及 并计算设计弯 e N 沉值 土基类型 划分 确定 土基回弹模量 拟 定 路 面 结 构 方 案 是否验算 防 冻厚度 计算层底拉应力 mR 是否有以 下 结构方 AAANN 案案 案 是否增 加厚 度 是否调整 材料配比 提高 提高 提高 进行技术经 济比较确 定采用的路 面结构方案 验算防冻厚度 确定材料模量 按设计弯沉值计算路面厚度 拉应力 进行劈裂试 验确定抗拉 强度 确定容许拉应力 否 是 图 2 1 路面设计流程图 表 2 1 车辆组成及交通量 序 号 车型名称 前轴重 KN 后轴重 KN 后轴 数 后轴轮组数 后轴 距 m 交通量 次 1黄河 JN16358 61141双轮组600 2长征 CA16045 283 72双轮组 350 3解放 CA34022 156 61双轮组700 4太脱拉138S45 4902双轮组 350 5解放 CA14124 270 41双轮组750 6长征 CZ36147 690 72双轮组 340 7黄河 JN15049 0101 61双轮组650 8三菱 PV41349 71012双轮组 340 轴载分析轴载分析 路面设计以双轮组单轴载 100KN 为标准轴载 以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次 轴载换算 轴载换算采用如下的计算公式 4 35 12 k i i n i P NC C n P 计算结果如表 2 2 所示 表 2 2 轴载换算结果表 车 型 i p KN 1 c 2 c i n 次 日 4 35 12 i i p c c n p 次 日 黄河 JN163前轴58 616 4600 后轴1142 21600 长征 CA160前轴45 216 450 后轴83 72 2150 解放 CA340后轴56 62 21700 变更路面结构 太脱拉 138S前轴45 416 450 后轴902 2150 解放 CA141后轴70 42 21750 长征 CZ361前轴47 616 440 后轴90 72 2140 黄河 JN150前轴49 616 4650 后轴101 62 21650 三菱 PV413前轴49 716 440 后轴1012 2140 35 4 2 1 1 p p nCCN i i k i 2870 注 轴载小于 25KN 的轴载作用不计 累计当量轴次 根据设计规范 一级公路沥青路面的设计年限取 15 年 四车道的车道系数是 0 4 0 5 取 0 4 累计当量轴次 验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 轴载验算 验算帮刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为 计算结果如 8 2 1 1 P P CCN i n k i i 表 2 3 所示 表 2 3 轴载换算结果表 半刚性基层层底拉应力 车 型 i p KN 1 c 2 c i n 次 日 8 1 2 i i p c c n p 次 日 黄河 JN163前轴58 6118 5600 后轴11431600 长征 CA160后轴83 73150 解放 CA340后轴56 631700 太脱拉 138S后轴903150 解放 CA141后轴70 431750 长征 CZ361后轴90 73140 黄河 JN150后轴101 631650 三菱 PV413后轴1013140 8 1 2 1 K i i i p Nc c n p 2990 注 轴载小于 50kN 的轴载作用不计 累计当量轴次 参数取值同上 设计年限是15 年 车道系数取0 4 累计当量轴次 结构组合与结构组合与材料选取材料选取 沥青路面各结构层如何选择和安排 使整个路面结构既能抵抗行车荷载和自然因 素的作用 又能发挥各结构层的最大效能 是路面结构组合设计要求解决的问题 沥青路面时由不同材料组成的多层结构 结构设计时应根据使用要求及当地自然 环境条件 结合当地实践经验进行路基路面综合设计 按合理选材 方便施工 利于 养护的原则 比较并选择路面结构设计方案 对于分期修建的路面工程 应通过技术 经济论证 合理设计层次与厚度 使前期工程在后期能得到充分利用 为确保工程质 量 应尽量选用便于机械化 工厂化施工的结构设计方案 结构组合设计原则 面层 基层的结构类型和厚度应与交通量相适应 适应车辆荷载的作用 保证层间结合紧密稳定 在各种自然因素下稳定性好 适当的结构层数和厚度 路面结构组合方案 由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为 900 万次左右 根据规范推荐结构 并考虑到公路沿途有大量沙砾且有石灰供应 路面结构面层采用 沥青混凝土 13cm 基层采用石灰粉煤灰碎石 厚度待定 底基层采用石灰土 取 25cm 和天然砂砾 取 15cm 规范规定高速公路 一级公路的面层由二层及三层组成 查规范中的沥青路面的 高级路面中的沥青混合料类型的选择 方孔筛 采用三层式沥青面层 表面层采用细 粒式密级配沥青混凝土 厚度约 3cm 中面层采用中粒式密级配沥青混凝土 厚度 4cm 下面层采用组粒式密级配沥青混凝土 厚度 6cm 各层材料的各层材料的抗压模量与抗压模量与劈裂强度劈裂强度 查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度 抗压模量取20 的模量 各值均取规 范给定范围的中值 因此得到 20 的抗压模量 细粒式密级配沥青混凝土为 1400MPa 中粒式密级配沥青混凝土为 1200MPa 粗粒式密级配沥青混凝土为 900MPa 石灰粉煤灰 碎石为 1500MPa 石灰土为 550MPa 各层材料的劈裂强度 细粒式密级配沥青混凝土为 1 4MPa 中粒式密级配沥青混凝土为 1 0MPa 粗粒式密级配沥青混凝土为 0 8MPa 石 灰粉煤灰碎石为 0 6MPa 石灰土为 0 25MPa 土基回弹模土基回弹模量的确定量的确定 路基土的回弹模量值除受加荷方式和应力状态等因素的影响外 还与土的性质 密实度 含水量及土基所处的干湿状态有关 路面设计时 应在最不利季节采用现场 承载板试验确定土基顶面回弹模量 在路基尚未修建完工的情况下 通过有关参考资 料估计土基的回弹模量 该路段处于 区 查得为 40MPa 设计指标的设计指标的确定确定 对于高速公路 规范要求以设计弯沉值作为设计指标 并进行结构层底拉应力验 算 设计弯沉值 路面设计弯沉值根据公式计算 该公路为高速公路 公路等级系数取 1 0 面层是 沥青混凝土 面层类型系数取 1 0 半刚性基层 底基层总厚度大于 20cm 基层类型 系数取 1 0 设计弯沉值为 4 240 10 10 19041850600600 2 02 0 bsced AAANl 各层材料的容许层底拉应力 SspR K 细粒式密级配沥青混凝土 05 3 0 1 90418500 109 0 09 0 22 0 22 0 ceaS ANAK MPaKs spR 46 0 05 3 4 1 中粒式密级配沥青混凝土 05 3 0 1 90418500 109 0 09 0 22 0 22 0 ceaS ANAK MPaKs spR 33 0 05 3 0 1 粗粒式密级配沥青混凝土 36 3 0 1 90418501 109 0 09 0 22 0 22 0 ceaS ANAK MPaKs spR 24 0 36 3 8 0 石灰粉煤灰碎石 05 2 0 1 941990635 0 35 0 11 0 11 0 ces ANK MPaKS spR 29 0 05 2 6 0 石灰土 63 20 1 941990645 0 45 0 11 0 11 0 ces ANK a09 0 63 2 25 0 spMPKSR 公路等级系数 1 面层类型系数 1 路面设计弯沉值 24 4 0 01mm 表 2 4 各结构层设计参数 层数结构层材料类型 劈裂强度 MPa 容许拉应力 MPa 1细粒式沥青混凝土1 40 46 2中粒式沥青混凝土1 00 33 3粗粒式沥青混凝土0 80 24 4石灰粉煤灰碎石0 60 29 5石灰土0 250 09 6天然砂砾 计算设计层厚 输入及计算结果如下 公路等级 高速公路 新建路面的层数 6 标准轴载 BZZ 100 路面设计弯沉 值 24 4 0 01mm 路面设计层层位 6 设计层最小厚度 20cm 表 2 5 各设计层厚度计算参数 按设计弯沉值计算设计层厚度 LD 24 4 0 01mm H 4 20 cm LS 25 5 0 01mm H 4 25 cm LS 22 7 0 01mm H 4 22 cm 仅考虑弯沉 按容许拉应力验算设计层厚度 H 4 22 cm 第 1 层底面拉应力验算满足要求 H 4 22 cm 第 2 层底面拉应力验算满足要求 层 位 材料名称厚度 cm 15 抗压模 量 MPa 20 抗压模 量 MPa 容许拉应力 MPa 1细粒式沥青混凝土3200014000 46 2中粒式沥青混凝土4160012000 33 3粗粒式沥青混凝土612009000 24 4石灰粉煤灰碎石 150015000 29 5石灰土255505500 09 6天然砂砾15150150 7土基 40 H 4 22 cm 第 3 层底面拉应力验算满足要求 H 4 22 cm 第 4 层底面拉应力验算满足要求 H 4 22 cm 第 5 层底面拉应力验算满足要求 路面设计层厚度 H 4 22 cm 仅考虑弯沉 H 4 22 cm 同时考虑弯沉和拉应力 验算路面防冻厚度 路面最小防冻厚度 80cm 验算结果表明 路面总厚度比路面最小防冻厚度小5cm 程序将自动在上述刚设计 的路面最下层厚度中予以补足 通过对设计层厚度取整和将路面防冻厚度不足部分增补到路面最下层 最后得到 路面结构设计结果如下 细粒式沥青混凝土 3 cm 中粒式沥青混凝土 4 cm 粗粒式沥青混凝土 6 cm 石灰粉煤灰碎石 22 cm 石灰土 25 cm 天然砂砾 20 cm 土基 竣工验收弯竣工验收弯沉值和层底沉值和层底拉应力计算拉应力计算 公路等级 高速公路 新建路面的层数 6 标准轴载 BZZ 100 路面设计弯沉 值 24 4 0 01mm 计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 23 5 0 01mm 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 25 2 0 01mm 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 27 6 0 01mm 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 31 2 0 01mm 表 2 6 弯沉值和层底拉应力计算表 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 73 4 0 01mm 第 6 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS 220 2 0 01mm 土基顶面竣工验收弯沉值 LS 292 5 0 01mm LS 232 9 0 01mm 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 第 1 层底面最大拉应力 1 0 251 MPa 第 2 层底面最大拉应力 2 0 107 MPa 第 3 层底面最大拉应力 3 0 055 MPa 第 4 层底面最大拉应力 4 0 119 MPa 层 位 结构层材料名称 厚度 cm 20 抗压模 量 MPa 15 抗压模 量 MPa 计算信息 1细粒式沥青混凝土314002000计算应力 2中粒式沥青混凝土412001600计算应力 3粗粒式沥青69001200计算应力 4石灰粉煤灰碎石2215001500计算应力 5石灰土25550550计算应力 6天然砂砾20150150计算应力 7土基40 第 5 层底面最大拉应力 5 0 06 MPa 3 3 路堤边坡稳路堤边坡稳定性验算定性验算 3 13 1 参数分析参数分析 本设计任务段总长1400m 按设计标准共有71个设计横断面 其中填方路堤的 K184 960 横断面中最高填方高度为16 48m 所以路堤边坡稳定性验算采用此断面为验 算对象 图 3 1 路堤边坡稳定性验算断面图 此断面高度为 16 48m 顶宽为 26m 边坡坡度一级采用 1 1 5 路堤填土为粘性 土 土的粘聚力 摩擦角 19 tg 0 344 容重为 19 8kN m 荷25cKPa 0 3 载为公路 级 3 23 2 边坡稳定性边坡稳定性验算分析验算分析 3 2 13 2 1 路基横断路基横断面的标准设面的标准设计计 路基横断面的标准设计也称为路基标准横断面 是根据有关横断面的设计原则和 规定而编制的 它仅适宜于一般水文 地质条件 填挖高度不大的普通土质地基 路堤标准横断面 边坡高度不大于八米 两侧有取土坑的普通土质路堤 当填方高度大于 8 米而不小于 20 米时 采用上陡下缓的变坡形式 地面横坡大于 1 5 而小于 1 2 5 的斜坡上的路堤横断面 路堑标准横断面 在横断面的标准设计中 路基排水设备也是重要的组成部分 路基地面排水设备 包括路堤的排水沟 取土坑及路堑的侧沟 天沟 排水槽等 对于足以破坏路基稳定 性及坚固性的地下水 应修筑地下排水建筑物以降低水位或将水聚集并排至路基范围 以外 地下排水建筑物有渗沟 隧道等 有关路基排水设备的设计 构造可参阅路基 设备手册 为设有侧沟平台的路堑断面 适用于黄土及黄土类土 细纱土及易风化岩石的路 因为这类边坡容易风化剥落 设置侧沟平台以避免侧沟堵塞 方便养护维修 3 2 23 2 2 将车辆荷将车辆荷载换算成土载换算成土柱高柱高 当量高度 设一辆车停在路肩上 另三辆以最小间距 d 0 6m 与它并排 按以下公式换算土柱 高度为 BL NQ h 0 公式中 L 纵向分布长度 等于汽车前后轴轮胎的总距 L 13 B 横向分布车辆轮胎最外缘间总距 B Nb N 1 d 其中 N 为车辆数为 4 d 为车身之间的净距为0 6m b 可以近似取车身宽 为 2 5m 则 B 4 2 5 4 1 0 6 11 8m 故 4 550 19 8 11 8 13 0 724 0 h H h 4 69 0 724 17 204m 0 h 按法确定滑动圆心辅助线 H5 4 查教材 路基路面工程 表 4 1 得 据此两角分别自坡脚和左 35 26 21 顶点作直线相交于点 的延长线即为滑动圆心辅助线 在辅助线延长线上从点OBO 向左上方每0 3 长取一圆心点 OH 按简化 Bishop 法检算 1 出各滑动曲线每一分段中点与圆心竖线之间的偏角 圆心竖线左侧为负 右侧为 i 正 2 每一分段的滑动弧曲线可近似取直线 将各分段图形简化为梯形或三角形 计算其面积 其中包括荷载换算成土柱部分的面积在内 i 3 以路堤纵向长度 3m 计算出各分段的重力 i W 4 求出各土条滑动面的弧长 i l 5 由简化毕肖普法计算土坡稳定安全系数的公式 1 1 1 cos sin i n iii ii i i i n ii i Wtgcl m K W 其中式中含有值 用迭代法求解 先假定一个值 iiii tg K m sin 1 cos KK 求得 代入 式求得新的值 若此值与假定不符 则用此值重新计算求得 i m KK 新的值 如此反复迭代 直至假定的值与求得的值相近为止 i m KKK 以下用表格分别计算各个滑动面的K 值 第一滑动面 第一次试算假定安全系数 K 1 369 计算结果列于表 3 1 中 可按式 求得稳 定安全系数 1 1 1 cos 1574 4 1 368 1150 91 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgcl m K W 第二次试算假定 K 1 368 计算结果列于表 3 1 中 可得 K 1574 4 1 368 1150 91 计算结果与假定接近 故得第一滑动面的土坡稳定安全系数 1 1 368K 图 3 2 第一滑动面计算图 第二个滑动面 第一次试算假定安全系数 K 1 489 计算结果列于表 3 1 中 可按式 求得稳 定安全系数 1 1 1 cos 1730 8 1 8 983 5 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgcl m K W 表 3 1 第一滑动面计算结果表 图 3 3 第二滑动面计算图 第二次试算假定 K 1 821 计算列于表3 2 中 可得 K 1731 1 821 983 5 计算结果与假定接近 故得第二滑动面的土坡稳定安全系数 2 1 821K 表 3 2 第二滑动面计算结果 第三个滑动面 第一次试算假定安全系数 K 1 4473 计算结果列于表 3 3 中 可按式 求得稳 o 定安全系数 1 1 1 cos 980 57 1 4465 677 499 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgc l m K W 图 3 4 第三滑动面计算图 第二次试算假定 K 1 446 计算结果列于表 3 3 中 可得 K 980 57 1 4465 677 499 计算结果与假定接近 故得第三滑动面的土坡稳定安全系数 K3 1 446 第四个滑动面 第一次试算假定安全系数 K 1 489 计算结果列于表 3 4 中 可按式 求得稳 定安全系数 1 1 1 cos 2256 1 1 489 1515 05 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgc l m K W 图 3 5 第四滑动面计算图 表 3 3 第四滑动面计算图 表 3 3 第三滑动面计算结果表 第二次试算假定 K 1 489 计算结果列于表 3 4 中 可得 K 2256 5 1 489 1515 05 计算结果与假定接近 故得第四滑动面的土坡稳定安全系数 K4 1 489 表 3 4 第四滑动面计算结果表 第五个滑动面 第一次试算假定安全系数 K 1 3956 计算结果列于表 3 5 中 可按式 求得稳 定安全系数 1 1 1 cos 1128 1 1 3956 808 314 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgcl m K W 图 3 6 第五滑动面计算图 第二次试算假定 K 1 396 计算结果列于表 3 5 中 可得 K 1128 4 1 396 808 314 计算结果与假定接近 故得第五滑动面的土坡稳定安全系数 K5 1 396 图 3 7 危险滑动面计算图 将以上五个滑动面的土坡稳定系数分别按其大小相应画在圆心辅助线的延长线上 再用一圆滑曲线将其连接 用一与辅助线平行的线与圆滑曲线相切 其切点所对应的 圆心点即为最危险滑动面的圆心 并将最危险的滑动面画出标于上图中 用与前面相 同的方法求出该滑动面的土坡稳定安全系数 表 3 5 第五滑动面计算结果表 第一次试算假定安全系数 K 1 3678 计算结果列于表 3 6 中 可按式 求得稳 定安全系数 1 1 1 cos 1375 1 368 1005 29 sin i n iii ii i i i n ii i Wtgc l m K W 第二次试算假定 K 1 368 计算结果列于表 3 6 中 可得 K 1375 1 368 1005 29 计算结果与假定接近 故得第三滑动面的土坡稳定安全系数 min 1 368K 因为 所以设计中路基填方采用的边坡坡率符合要求 min 2 471 35K 表 3 6 危险滑动面计算结果表 4 4 挡土墙设计挡土墙设计 4 14 1 绪言绪言 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 随着我国高等级 公路建设的飞速发展 特别是西部山区高速公路的发展 路基挡土墙的应用显得越来 越重要 山区高速公路由于由于地形条件复杂 地面衡坡陡 不能完全沿山形布线 因此挡土墙在路基设计中具有不可替代的作用 路基在遇到下列情况时可考虑修建挡 土墙 陡坡地段 岩石风化的路堑边坡地段 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段 可能产生塌方 滑坡的不良地质地段 高填方地段 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段 为节约用地 减少拆迁或少占农田的地段随着应用的越来越广泛 挡土墙的结构形式也日新月异 按其结构特点 可分为 石砌重力式 石砌衡 重式 加筋土轻型式 砼半重力式 钢筋砼悬臂式和扶壁式 柱板式 锚杆式 锚定 板式及垛式等类型 按其中路基横断面上的位置 又可分 路肩墙 路堤墙及路堑墙 按所处的环境条件 又可分为 一般地区挡墙 浸水地区挡土墙及地震地区挡土墙 在考虑挡土墙设计方案时 应与其他工程方案进行技术比较 分析其技术的可行性 可靠性及经济的合理性 然后才确定设计方案 并根据实际情况进行挡土墙的选型 4 24 2 挡土墙的设挡土墙的设计及验算计及验算 4 2 14 2 1 基础资料基础资料 挡土墙设计时 必须具备以下资料 路线平面图 横断面图 地质资料 包括工 程地质勘察报告 工程物探报告 地震勘探报告 水文资料 总体设计资料及构造 物一览表等 4 2 24 2 2 设计资料设计资料 墙身构造墙身构造 本设计任务段中K184 200 K184 440 的横断面左侧地面线较陡 为了收缩边坡 增强路基的稳定性 拟在本段设一段仰斜式路堤挡土墙 其尺寸见横断面见图4 1 图 4 1 挡土墙横断面图 单位 挡土墙的选挡土墙的选型型 材料选择 浆砌片石挡土墙取材容易 施工简便 适用范围比较广泛 山区公路中 石料资 源较为丰富 在挡土墙高 10m时 因地制宜 采用浆砌片石砌筑 可以较好地满足经 济 安全方面的要求 截面形式选择 根据挡土墙结构类型及其特点分析 当墙高 5m时 采用重力式挡土墙 可以发 挥其形式简单 施工方便的优势 同时 由于山区公路地面横坡比较陡峭 若采用仰 斜式挡土墙 会过多增加墙高 断面增大 造成浪费 采用俯斜式挡土墙会比较经济 合理 一般在路堑墙 墙趾处地面平缓的路肩墙或路堤墙等情况下 才考虑采用仰斜 式挡土墙 当墙高 5m且地基条件较好时 采用衡重式挡土墙 可以有效地减小截面 节省材料 位置选择 在挖方边坡比较陡峭时 采用路堑挡土墙 可以降低边坡高度 减少山坡开挖 避免破坏山体平衡 在地质条件不良情况下 还可以支挡可能坍滑的山坡土体 对于采用路肩挡土墙或路堤挡土墙 应结合具体条件考虑 必要时应作技术经济 比较 因为路堤挡土墙承受荷载较大 受力条件较为不利 截面尺寸也较大 所以录 路堤墙与路肩墙的墙高或截面污工数量较为接近 基础情况相仿时 采用路肩墙比较 有利 综上所述 拟采用浆砌片石仰斜式路堤挡土墙 墙高H 8 0m 墙顶填土高度为 2m 顶宽2 0m 底宽2 4m 路堤边坡采用1 1 5 墙背仰斜 坡度为1 0 25 14 02 基底倾斜 坡度为1 5 arctg 1 5 11 18 0 车辆荷载车辆荷载 根据 JTG D30 2004 车辆荷载为计算的方便 可简化换算为 路基填土的均布土层 并采用全断面布载 换算土层厚 m 0 12 5 0 658 19 q h 其中 2 2010 108 1012 5 102 qKNm 为墙后填土容量 3 19 KNm 土壤地质情土壤地质情况况 填土为砂性土 土的粘聚力C 23kpa 内摩擦角 35 墙背与填土间的摩擦角 2 17 5 容重为 3 18 KNm 粘性土地基 容许承载力为 400KPa 基底摩擦系数f 0 5 0 墙身材料墙身材料 采用7 5 号砂浆 25 号片石 砌体容重为k 23KN m3 按规范 砌体容许压应力为 600KPa 容许剪应力为 100KPa 容许拉应力为 wl 60Kpa a 4 2 34 2 3 墙背土压墙背土压力计算力计算 对于墙趾前土体的被动土压力Ep 在挡土墙基础一般埋深的情况下 考虑到各种 自然力和人畜活动的作用 以偏于安全 一般均不计被动土压力 只计算主动土压力 本设计任务段的路堤挡土墙 采用一级台阶 分析方法采用 力多边形法 按粘 性土的公式来计算土压力 边坡坡度为1 1 5 33 42 1 1 5 arctg 4 2 44 2 4 破裂面计破裂面计算算 假设破裂面交于荷载中部 则 Ao a H 2 ho a H 2 2 0 8 0 2 0 694 2 0 8 0 2 56 940 Bo a b 2 b d ho H H 2 a 2 ho tg 2 2 0 3 0 2 3 0 0 0 694 8 0 8 0 2 2 0 2 0 694 0 25 2 18 470 Bo tgtgctgtgtg Ao tg37 58 46 628 353828 3828 107 338 ctgtgtg 0 876 其中 351730 1402 38 28 破裂角 41 13 4 2 54 2 5 破裂面验破裂面验算算 H a tg 8 0 2 0 tg41 13 8 76m Htg a b d 8 0 0 25 3 0 5 0m Htg a b d 10 8 0 0 25 3 0 7 5 12 5m 所以5 0 8 75 12 5 假设满足要求 4 2 64 2 6 主动土压主动土压力计算力计算 Ea 00 cos sin A tg 18 107 338 0 876 46 628 cos 4113 35 sin 4113 3828 149 987KN m Ex Ea cos 149 987 cos 14 02 17 30 149 787KN m Ey Ea sin 149 987 sin 14 02 17 30 7 755KN m 主动土压力系数 Ka 2 2 2 cos sin sin sin coscos 1 cos cos 2 2 cos 351402 cos 140230 cos 1402 3342 17 0 471 土压力作用点位置确定 h1 b a tg tg 3 0 2 0 0 876 0 876 0 25 1 108m tg h2 d tg 0 tg h3 H h1 h2 8 0 1 108 0 6 892m 所以土压力作用点到墙趾的水平距离为 Zy 3222 3 110 2 103 3 3 3 22 HHh Hhh h HHhh h 3222 2 82 0 83 1 108 8 1 108 3 0 694 6 6892 382 2 0 82 0 1 1082 0 694 6 892 2 233m Zx 2 4 Zy 2 4 2 233 0 25 1 842mtg 4 2 74 2 7 墙身截面墙身截面性质计算性质计算 截面面积 2 0 13 44 1 A 8 02 4 50 8 2 02 2 A 2 42 4 50 250 8 0 61 3 A 2 42 4 50 252 4 5 2 16 07 123 AAAA 各截面重心到墙趾的水平距离 X1 2 4 8 0 0 26 2 0 2 8 0 2 4 5 0 8 0 25 2 2 56m X2 2 4 2 4 5 0 25 2 0 8 2 0 25 1 36m X3 2 4 2 4 2 4 5 0 25 2 1 64m 所以墙身重心到墙趾的水平距离为 Zg 2 347m ii i A X A 墙身重力 G 23 16 07 369 61KN ki A 4 2 84 2 8 挡土墙的挡土墙的稳定验算及稳定验算及强度验算强度验算 挡土墙的设计应保证其在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆 并保证 墙身截面有足够的强度 基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值 因此在拟 定墙身断面形式及尺寸之后 应进行墙的稳定及强度验算 挡墙的验算方法有二种 一种是采用分项安全系数的极限状态法 另一种是总安全系数的容许应力法 目前国 内多数应用容许应力法设计挡土墙 下面是采用容许应力法进行挡土墙验算的简介 抗滑稳定性抗滑稳定性验算验算 验算采用 极限状态分项系数法 挡土墙沿基底的滑动稳定系数Kc应不小于1 3 Ke 00 00 cossin cos sin GEf EG 369 61 cos1118 149 987sin 14021118 0 4 149 987cos 1402 171118 369 61 sin1118 17 2 738 Kc 1 3 所以抗滑稳定性满足要求 抗倾覆稳定抗倾覆稳定性验算性验算 验算采用 极限状态分项系数法 挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数Ko应不小于1 5 K0 gyx xy GZE Z E Z 369 61 2 3747 755 1 842 149 787 2 233 2 581 K0 1 5 式中 Zx Ey对墙趾O点的力臂 m Zy Ex对墙趾O点的力臂 m Zg g 对墙趾O点的力臂 m 所以抗滑稳定性满足要求 基底应力及基底应力及合力偏心距合力偏心距验算验算 基底的合力偏心距e 计算公式为 e B 2 Zn B 2 WZw EyZx ExZy W Ey 在土质地基上 e B 6 在软弱岩石地基上 e B 5 在不易风化的岩石地基上 e B 4 当 e B 6 时 墙趾和墙踵处的法向压应力为 1 2 W Ey 1 6e B B 式中 地基土修正后的容许承载力 KPa o K1 1 B 2 式中 o 地基土的容许承载力 KPa K1 地基土容许承载力随基 础宽度的修正系数 1 地基土的天然容重 KN m3 当 e B 6 时 基底出现拉应力 考虑到一般情况下地基与基础间不能承受拉力 故不计拉力而按应力重分布计算基底最大拉应力 1 2 W Ey 3Zn 若出现负偏心 则上式的Zn改为 B Zn 基础地面的压应力 偏心荷载作用时 作用于基底的合力偏心距e 为 0 391 0 408 2 N B eZ 2 45 1 616 2 2 45 6 式中 0gyyxxr N y GZE ZE ZMM Z NGE 369 61 2 3747 755 2 233 149 787 1 842 369 61 7 755 1 616 倾斜基底的宽度 B 2 45m 2 4 cos1119 则 1 max min 6 1 Ne P AB 356 7886 0 391 1 2 452 45 Kpa 350Kpa 285 074 6 182 0 其中 N1 11 00 cossin GGyQX GrrEr E 369 61 0 9 1 0 7 755 cos11 19 1 3 149 787 sin11 19 356 788 A B 1 0 2 45 所以 基底合力偏心距满足要求 基底应力符合要求 截面应力验截面应力验算算 墙面与墙背互相平行 截面的最大应力出现在接近基底处 由基底应力验算可知 偏心距和基底应力都满足地基的要求 墙身截面应力也应该满足墙身材料的要求 所以 不做验算 所以 通过上述验算各项符合要求 决定采用此截面 4 34 3 采取措施采取措施 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 4 3 14 3 1 基础加固基础加固措施措施 1 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 墙趾台阶的宽度不小于20cm 台阶高宽比可采用 3 2 或 2 1 2 地基为软弱土层时 可用砂砾 碎石 矿渣或灰土等质量较好的材料换填 以 扩散基底压应力 满足设计要求 4 3 24 3 2 排水措施排水措施 对于浆砌石挡土墙 应在墙前地面以上设置一排泄水孔 墙较高时 可在墙上部加 设泄水孔 泄水孔采用10 10cm 的方孔或圆孔 孔眼间距 2 3m 上下排泄水孔错开 设置 泄水孔进水口应设置反滤材料 4 3 34 3 3 沉降缝与沉降缝与伸缩缝的设伸缩缝的设置置 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 10 15m 设置一道 缝宽 2 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的材料 沿墙的内 外 顶三侧填塞 填塞深度不小于 15cm 4 3 44 3 4 墙顶与路墙顶与路面的衔接面的衔接 当墙顶宽大于土路肩宽度时 挡土墙侵入土路肩部分应预留出相当于路面结构厚 度部分以铺筑路面 4 3 54 3 5 车辆安全车辆安全行驶保障措行驶保障措施施 对于路肩墙 其墙顶面以下 50cm采用 C20砼浇筑 并预埋钢筋 在其上设置防撞栏 或防撞墙 4 3 64 3 6 材料要求材料要求 石料须经过挑选 质地均匀 无裂缝 不易风化 石料的抗压强度应不低于 30MPa 尽量采用较大的石料砌筑 块石应大致方正 其厚度不小于 15cm 宽度和长度相应 为厚度的 1 5 2 0 倍和 1 5 3 0 倍 采用 7 5 号砂浆砌筑 10 号砂浆勾缝 4 44 4 设计参数设计参数 4 4 14 4 1 设计参数设计参数的选取的选取 因用于主动土压力的库伦较适用于砂性土 而对于粘性土的压力计算会存在一定的 误差 所以对于以粘性土做填料的挡土墙计算 设计参数如填料的内摩擦角等的取值 应相对保守 由于库伦理论是一种简化的土压力计算 所以对于以砂性土做填料的挡 土墙 设计参数也应根据实际情况取相对保守值 4 4 24 4 2 安全系数安全系数的选取的选取 对墙高 6m 的挡土墙 实际设计时建议将安全系数提高 20 以保证其安全性 4 4 34 4 3 墙面坡的墙面坡的选取选取 出于美观和施工方便的考虑 一段挡土墙通常都采用一个墙面坡 对于山区公路挡 土墙 采用较陡的墙面坡 可有效减小墙高 节省材料 一般情况下 重力式挡土墙 俯倾式 衡重式挡土墙墙面坡取1 0 05 仰斜式挡土墙的墙面坡取 1 0 25 均能 满足设计要求 4 4 44 4 4 墙背坡的墙背坡的选取选取 仰斜式挡土墙的墙背坡一般不超过1 0 3 具体结合开挖的临时边坡选取 俯斜式挡土墙的墙背坡一般取 1 0 2 随着墙高增加 墙顶宽度相应增大 对于衡重式路肩挡土墙 当墙高 8m 时 上墙背坡取1 0 25 墙高 8m 而 10m 时 上墙背坡取1 0 3 下墙背坡取1 0 25 若为路堤墙 则上墙背坡应相应加大 4 4 54 4 5 设计控制设计控制重点重点 对于俯斜式挡土墙 由于所受土压力较大 所以设计时应注意其稳定和抗倾覆的验 算 对于衡重式挡土墙 一般较容易满足稳定要求 墙身断面的强度成为挡土墙设计 中主要的控制指标 所以一定要采用高强度的材料砌筑 5 5 路基路面排路基路面排水设计水设计 5 15 1 排水设计一排水设计一般原则般原则 各种路基排水沟渠的设置和连接应尽量不占或少占良田 并与当地农田水利建设 相配合 必要时可适当加大涵管孔径或增设涵管以利于农田排灌