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1、2010-2011学年第一学期路基工程课程设计任 务 书题目：某新建二级公路重力式挡土墙设计专业：交通土建班级：道路071班指导教师： 土木建筑工程学院二零一零年十二月1 课程设计的性质与任务 路基工程课程设计是对路基工程课堂教学的必要补充和深化，通过设计让学生可以更加切合实际地和灵活地掌握路基的基本理论，设计理论体系，加深对路基设计方法和设计内容的理解，进而提高和培养学生分析、解决工程实际问题的能力。通过设计，培养学生分析问题和解决问题的能力。路基工程课程设计以教师提供的设计资料为主，学生在查阅相关文献资料的基础上，结合当地的气候条件、地质条件、水文条件以及给定的交通条件，拟定挡土墙的设计方
2、案，并对挡土墙的稳定性进行验算。课程设计要求设计计算条理清晰，计算的方法和结果能符合我国现阶段路基设计规范的要求。2 设计要求本课程设计适用交通土建专业。学生完成课程设计后，能够掌握路基工程的基础理论和基本知识，以便使学生具有分析问题和解决路基工程实际问题的能力。具体要求如下：（1）初步掌握路基工程设计的内容、设计计算步骤及方法；（2）设计任务书下达后，应立即着手进行资料的收集和教材、规范中相关内容的复习工作，使设计成果必须符合现阶段相关规范。（3）要求每个学生充分发挥独立工作的能力和钻研精神，合理拟定设计方案，独立完成设计计算和验算，能够分析设计中存在的问题并能加以解决。（4）每个学生的设计
3、成果均不一样，如有雷同，一律计零分。（5）设计开始后，应编排工作计划和进度表，合理安排设计时间，确保设计顺利完成。3 路基工程课程设计内容路基课程设计是以挡土墙设计为主的设计内容。（一）设计资料某新建公路K2+345K2+379路段采用浆砌片石重力式挡土墙，具体设计资料列于下：1路线技术标准，山岭重丘区一般二级公路，路基宽8.5m，路面宽7.0m。2车辆荷载，计算荷载为汽车-20级，验算荷载为挂车-100。3横断面原地面实测值及路基设计标高如表1所示。4K2+361挡墙横断面布置及挡墙型式如图1（仅供参考）所示（注：参考尺寸：m,=0.40m,=0.60m）。5填料为砂性土，其密度18KN/m
4、3，计算内摩擦角=35，填料与墙背间的摩擦角=。6地基为整体性较好的石灰岩，其允许承载力=450Kpa，基地摩擦系数为f=0.45。7墙身材料采用5号砂浆砌30号片石，砌体=22KN/m3，砌体容许压应力为Kpa，容许剪应力=100Kpa，容许拉应力=60 Kpa。横断面原地面实测值及路基设计标高 表1 左侧桩号右侧中桩标高（m）路基设计标高（m）8(-2.6) 4(-3)K2+3454(2) 6(4.5)631.45630.576(-2.4) 6(-3.6)K2+3504(2.1) 6(2.4)631.08630.627(-3) 6(-3)K2+3564(2.2) 6(2.8)629.626
5、30.686(-3) 6(-1)K2+3614(1.2) 6(2.4)628.51630.736(-2) 6(-2.6)K2+3675(2) 5(1.5)630.30630.795(-1.6) 7(-3)K2+3734(2) 6(2)629.08630.856(-1.2) 6(-1.8)K2+3792(1) 8(1)629.03630.91图1 K2+361挡墙横断面布置及挡墙型式示意图（仅供参考）（二）具体要求挡土墙设计包括挡土墙的平面、立面、横断面设计，其中挡土墙横断面设计以K2+361横断面设计为例。大致步骤如下：1选用何种类型的挡土墙，并说明理由。（路堤墙还是路肩墙，仰斜、俯斜、衡重等
6、）2挡土墙立面设计布置图1）挡土墙在路基断面上的布置图，要求每20m一个。2）挡土墙立面图3）标准断面图4）典型断面尺寸图5）泻水孔构造图3编写设计说明书。1）计算主动土压力；2）验算挡土墙抗滑、抗倾覆稳定性；3）验算基底应力及偏心距；4）验算墙身截面强度；（三）设计完成后应提交的成果1挡土墙设计图。2设计计算说明书。4 课程组织形式与教师指导方法4.1 课程组织形式第一步，根据设计题目，利用各种途径查阅专业资料，如设计规范、教材等；第二步，根据设计指导书及老师的现场答疑指导进行各部分的设计计算；第三步，编制设计计算说明书，并将其提交给指导老师检查认可；课程设计组织形式：首先把布置设计任务，每
7、天安排指导老师到教室进行整体答疑23课时，学生将在设计过程中遇到的问题集中，向老师提问，如果问题具有普遍性，老师将向全体学生解答，答疑结束后学生继续完成各自的设计计算，每隔两天指导老师检查学生完成设计的情况，再根据完成的情况指导老师统一意见后继续指导学生做后续的设计。学生应在指导教师的指导下，独立完成设计内容；内容上要求条理清晰，尽量采用简图和表格形式；外观上要求字体工整，纸张和封面统一。4.2 课程设计内容和时间安排本课程设计时间为1周，具体安排如下：（1）布置设计任务。教师提供路基课程设计的基本资料，并交待课程设计的目的、方法、要求等。0.5天（2）路基设计资料分析、设计方案的拟定 1天（
8、3）通过试算，选择断面尺寸 1天（4）计算墙背土压力和墙身重力及其它参数 1天（5）挡土墙稳定性验算，包括抗滑、抗倾覆、基底应力和合力偏心距以及墙身截面强度验算。 2天（6）绘制挡土墙横断面图、立面图、标准断面图和所选取断面图以及排水图。 1天 （7）编写设计说明书。 0.5天5 考核内容与方法5.1 课程设计考核方式 课程设计成绩以设计成果的质量为主，结合平时的考差进行评定。凡成绩不及格者，必须重修。平时考查主要检查学生的出勤情况、学习态度、是否独立完成设计等几方面。设计成果的检查，着重检查设计图纸和计算书的完整性和正确性。成绩的评定要按课程的目的要求，突出学生独立解决工程实际问题的能力和创
9、新性的评定。课程设计的成绩按优秀、良好、中等、及格和不及格五级评定。 5.2 课程设计成绩评定标准（1）优能够熟练综合运用所学知识，全面独立完成设计任务，设计过程中能够提出自己的见解；设计方案合理，设计计算正确，数据可靠；图面质量整洁，能很好地表达设计意图；计算书表达清楚，文字通顺，书写工整。（2）良能综合运用所学知识，全面完成设计任务；设计方案合理，设计计算基本正确，；图面质量整洁，能够较好地表达设计意图；计算书表达清楚，文字通顺，书写工整。（3）中能运用所学知识，按期完成设计任务；能基本掌握设计与计算方法；图面质量一般，能较好地表达设计意图；计算书表达一般，有多处不够确切。（4）及格基本能
10、运用所学知识，按期完成设计任务；设计与计算没有原则性错误；图面质量不够完整，基本能表达设计意图；计算书表达一般，有多处错误存在。（5）不及格运用所学知识能力差，不能按期完成设计任务；设计与计算有严重错误；图面不整洁，不能表达设计意图；计算书不完整，有多处错误存在。挡土墙设计指导书第一节 概述无论平原地区还是山区公路都有很多路段要设挡土墙，山区公路使用最多。挡土墙可起到收缩坡脚、防止路基滑动等作用。山坡陡峻，用以降低边坡高度，减少山坡开挖，避免破坏山体平衡或地质条件不良时，用以支挡可能坍滑的山坡土体，可设置路堑挡土墙。山坡上有可能产生坍滑的覆盖层土体和破碎岩层，可设置山坡挡土墙（必要时可分段设几
11、道）。在陡山坡上，为了保证路堤稳定或收缩坡脚或为避免与其他建筑物（如房屋、铁路、水渠等）或防止多占农田，可设路肩墙。受地形限制等原因必须收缩坡脚，可设路堤（坡脚）挡土墙。沿河路堤，需收缩坡脚以防冲刷和淘刷，可设置浸水挡土墙。桥梁接坡段有时也视具体工程情况设置支挡结构。是否要设置挡土墙，应根据工程地质、地形、气候、土地利用等情况，并与移改路线位置方案（包括线形质量、工程造价、路线长度等）、开挖和填筑边坡（包括稳定性、造价、农田占用等）、拆迁其他与路基有干扰的结构物（房屋、河道、水渠等）、其他处理方案（如桥梁、导流结构物、护墙、轻质路堤等刷坡清方）等，做综合技术经济对比确定。挡土墙类型应综合考虑工
12、程地质、水文地质、冲刷深度、荷载作用情况、环境条件、施工条件、工程造价等因素，按表8-1的规定选用。各类挡土墙适用条件表8-1挡土墙类童适用条件重力式挡土墙适用于一般地区、浸水地区和地震地区的路肩、路堤和路堑等支挡工程。墙高不宜超过12m ，干砌挡土墙的高度不宜超过6m 。高速公路、一级公路不应采用干砌挡土墙半重力式挡土墙适用于不宜采用重力式挡土墙的地下水位较高或较软弱的地基上，墙高不宜超过8m悬臂式挡土墙宜在石料缺乏、地基承载力较低的填方路段采用，墙高不宜超过5m 扶壁式挡土墙宜在石料缺乏、地基承载力较低的填方路段采用，墙高不宜超过巧15m锚杆挡土墙宜用于墙高较大的岩质路重地段，可用作抗滑挡
13、土墙，可采用肋柱式或板壁式单级墙或多级墙，每级墙高不宜大于8m ，多级墙的上下级墙体之间应设置宽度不小于2m 的平台锚定板挡土墙宜使用在缺少石料地区的路肩墙或路堤式挡土墙，但不应建筑于滑坡、胡塌、软土及膨胀土地区。可采用肋柱式或板壁式，墙高不宜超过10m 。肋柱式锚定板挡土墙可采用单级墙或双级墙，每级墙高不宜大于6m ，上下级墙体之间应设置宽度不小于2m 的平台，上下两级墙的肋柱宜交错布置加筋土挡土墙用于一般地区的路肩式挡土墙、路堤式挡土墙，但不应修建在滑坡、水流冲刷、崩塌等不良地质地段。高速公路、一级公路墙高不宜大于12m ，二级及二级以下公路不宜大于20m 。当采用多级墙时，每级墙高不宜大
14、于10m ，上下级墙体之间应设置宽度不小于2m 的平台桩板式挡土墙用于表土及强风化层较薄的均质岩石地基，挡土墙高度可较大，也可用于地震区的路堑或路堤支挡或滑坡等特殊地段的治理在勘察设计阶段，应对挡土墙地基基础进行综合地质勘察，查明地基地质条件和地质承载能力。设计中应分析预测挡土墙对环境产生的影响，确定必要的环境保护方案和措施；在施工阶段应采用合理施工方法，尽量减少对环境和相邻路基段的不利影响。挡土墙可采用锥坡与路堤连接，墙端应伸人路堤内不小于0 . 75m ，锥坡坡率宜与路堤边坡一致，并宜采用植草防护措施。挡土墙端部嵌人原地层的深度，土质地层不应小于1.5m , 风化软质岩层不应小于1.0m
15、，微风化岩层不应小于0.5m 。应根据挡土墙墙背渗水量合理布置排水构造物。具有整体式墙面的挡土墙应设置伸缩缝和沉降缝。挡土墙墙背填料宜采用渗水性强的砂性土、砂砾、碎（砾）石、粉煤灰等材料，严禁采用淤泥、腐殖土、膨胀土，不宜采用勃土作为填料。在季节性冻土地区，不应采用冻胀性材料作填料。路肩式挡土墙的顶面宽度不应占据硬路肩、行车道及路缘带的路基宽度范围，并应设置护栏。高速公路和一级公路的护栏设计应符合 公路交通安全设施设计规范 （JTG D81 一2006）的有关规定。第二节挡土墙的构造见路基工程85页第三节挡土墙土压力计算第四节挡土墙稳定性验算（1）抗滑稳定性验算为保证挡土墙的抗滑稳定性，应检算
16、在土压力及其他外力作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力，用抗滑稳定系数K。表示，即抗滑力与滑动力之比。如图4-13所示，抗滑稳定系数为：Kc=G+EyfExKc式中：G挡土墙自重；Ex，Ey墙背主动土压力的水平与垂直分力；f基底摩阻系数，可通过现场试验确定。无试验资料时，可参考表4-8的经验数据； Kc容许抗滑稳定系数，见表4-7。图4-13 挡土墙的滑动与倾覆稳定（2）抗倾覆稳定性验算 为保证挡土墙的抗倾覆稳定性，必须验算它抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数K0表示，即对于墙趾的总稳定力矩My与总倾覆力矩M0之比，如图4-13所示。K0=MyM0=GZG+EyZyExZxK
17、o式中：Ko容许抗倾覆稳定系数，见表4-7。在验算挡土墙稳定性时，一般均未计墙趾前的被动土压力。若检算结果KCKc或K0B16时，法向应力重分布：max=2(G1+E1y)3(B12-e1)a max，min验算截面的最大、最小法向应力； a圬工砌体的容许压应力；其余符号意义如图所示。（2)剪应力验算 对于重力式挡土墙，一般只进行墙身水平截面的剪应力验算；对折线式和衡重式，除验算水平截面外还应验算倾斜截面，如图4-16中的3-3截面。水平截面的剪应力为=T1A1=E1xB1式中：A1受剪面积，A1=B11； 圬工砌体容许剪应力； 其余符号意义同前。当墙身截面出现拉应力时，应考虑裂缝对受剪面积的
18、折减。445 增加挡土墙稳定性的措施(1)增加抗滑稳定性的方法1)采用倾斜基底(图4-18)采用倾斜基底时，基底倾角0越大，对抗滑稳定性越有利，但应考虑挡土墙连同地基土体一起滑动的可能性，因此对地基倾斜度应加以控制。通常，对土质地基，不陡于1：5（01119）；对岩石地基，不陡于1：3（01642）。图4-18 采用倾斜基底增加挡土墙抗滑稳定性 此外，在验算沿基底的抗滑稳定性的同时，还应验算通过墙踵的地基水平面（图4-18中的-水平面）的滑动稳定性。抗滑稳定系数为：Kc=(G+Ey+G)f0Ex式中：G一一平面-与基底间的土楔重，按下式计算：G=12土B12tan0 土 地基土的容重； f0地
19、基土的内摩阻系数，无实测资料时，可参照表4-10选用。若系粘性土，则按换算内摩阻角计算。表4-10地基内摩阻系数f0表地基土名称内摩阻系数 f0地基土名称内摩阻系数 f0松散干砂土O.58O.70干砾石(卵石)O.70O.84湿润砂土O.620.84湿砾石(卵石)O.58饱和砂土0.36O.47干密淤泥O.841.20干粘土O.841.OO湿润淤泥O.36O.47湿粘土O.36O.582)采用凸榫基础(图4-19) 在挡土墙底部设置砼凸榫基础的作用在于利用榫前被动土压力，增加其抗滑力，从而增加挡墙的抗滑稳定性。为了增加榫前被动阻力，应使榫前土楔不超过墙趾。同时，为防止因设凸榫而增加墙背的主动土
20、压力，应使凸榫后缘与墙踵的连线与水平线的夹角不超过土体内摩阻角。因此应将整个凸榫置于通过墙趾并与水平线成 45-/2 角线和通过墙踵并与水平线成角线所形成的三角形范围内，如图4-19。图4-19 凸榫基础设凸榫后的抗滑稳定系数为：Kc=TB2+EpEx=122+3B2f+htepEx式中：TB2凸榫及榫后基底的摩阻力，TB2=12(2+3)B2f； Ep凸榫前的总抗滑力，当=0(填土表面水平)，=0(墙背垂直)，=0(墙背光滑)时，Ep=htep ep榫前的被动土压力，按朗金(Rankine)理论计算：ep=httan2(45+2)12(1+3)tan2(45+2)实际生产中，考虑到结构安全的
21、需要，ep可取上式的13。 Ex滑动力，即主动土压力的水平分力。其余符号如图4-19所示。此处，因考虑了凸榫前的被动土压力，故未计入榫前B1宽度内的基底摩阻力。按照抗滑稳定性要求，令Kc=Kc，代入式(4-36)即可得出计算凸榫高度。的公式：ht=KcEx-12(2+3)B2fep凸榫宽度Bt根据下述两方面的要求进行计算，取其大者：(a) 根据截面-(图中虚线)上的弯矩：Bt=6Mtl=612ephthtt=3ht2ept (b)根据-截面上的剪应力：Bt=htepc式中：l，c砼的容许弯拉应力和容许剪应力。3)采用人工基础采用换土的办法，增加墙底与地基之间的摩阻系数，从而加大抗滑力，增加挡墙
22、的抗滑稳定性。(2)增加抗倾覆稳定性的方法根据抗倾覆稳定系数的计算原理，应采取加大稳定力矩和减小倾覆力矩的方法增加抗倾覆稳定性。1)展宽墙趾展宽墙趾的作用是增大抗倾覆力矩的力臂，从而增加其抗倾覆稳定性，是增加挡墙抗倾覆稳定性的常用方法。但是，当墙趾前地面较陡时，墙趾加宽过多，将导致墙高和圬工体积显著增加。2)改变墙面及墙背坡度图4-20改变胸坡及背坡a)改变胸坡；b)改陡俯斜墙背；c)改为仰斜墙背改陡墙背坡度可减小土压力(图4-20b)，改缓墙面可加大抗倾覆力矩的力臂(图4-20a)。但是，若墙趾前地面较陡，改缓面坡将引起基础外移，使墙高增加。3)改变墙身断面形式图4-21加宽墙趾前后的基底应
23、力分布由42节可知，不同的墙身断面形式具有不同的稳定性，就抗倾覆而言，衡重式优于仰斜式，仰斜式又优于俯斜式。设计时可根据地基和地面横坡情况选择适当的墙身断面形式，以增加挡墙的抗倾覆稳定性。(3)提高地基承载力或减小基底应力的方法1)采用人工基础通过换土或人工加固地基的办法来扩散地基应力或提高地基承载力。2)采用扩大基础(图4-21)扩大基础的目的是加大承压面积，以减小基底应力。第五节 挡土墙的布置挡土墙的布置，通常在路基横断面和墙址纵断面上进行。布置前，应实地核对路基横断面（不足时应补测），测绘墙址处的纵断面图，收集墙址处的地质和水文等资料。挡土墙设计图包括正面图、横断面图、平面布置图、配筋图
24、、排水系统。1.纵向布置挡土墙的纵向布置在墙址纵断面上进行，并绘制挡土墙正面图（图8-1) ，纵向布置包括确定挡土墙的起讫点或墙长，选择挡土墙与路基或其他结构物的连接方式；按地基及地形情况进行分段，确定沉降缝及伸缩缝的位置；布置各段挡土墙的基础；确定泄水孔的位置，包括数量、间距和尺寸等。图8-1 挡土墙布置图在布置图上应注明各特征断面的桩号、墙顶、基础顶面、基底、冲刷线、冻胀线、常水位或设计洪水位的高程等。2.横断面图绘制讫起点、墙高最大处、墙身断面和基础形式变异处以及其他必须桩号的挡土墙横断面图。按计算结果布置墙身断面、基础形式和埋置深度，布设排水设施，指定墙背填料的类别等。3平面布置个别复
25、杂的挡土墙，例如高长的沿河曲线挡土墙或需要在纸上研究挡土墙平面布置的复杂挡墙，除了横纵向布置外，还应做平面布置。绘制平面图如图6 一14 所示，图中应标示挡土墙与路线的平面位置、地貌和地物（特别是与挡土墙有干扰的建筑物）等情况。沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向，其他防护、加固工程等。此外，在设计图上还应说明采用标准图的编号、选用挡土墙设计参数的依据、所需的工程材料数量及其他有关材料及施工的要求和注意事项等。第六节重力式档土墙设计实例一、设计资料浆砌片石重力式路堤墙（图6-22 )，墙高H=6m ，填土高度=3m，填土边坡坡度1:1.5，填土重度，综合内摩擦角，墙背采用俯斜1:0.2 ()，墙背
26、与填土间的摩擦角，基底摩擦系数，基底倾斜1:5 ()，地基容许承载力= 300kPa。砂浆砌片石墙身：圬工重度，抗压极限强度=600kPa，墙身分段长度10m 。汽车荷载等级公路-I 级，路基宽度33.5m ，路肩宽0.75m （土路肩）。断面尺寸：= 1.5m , DL = 0.4m , H=6.0m, DH=0.76m, B=3.7m, H= 7.5m, a=3.0m， b=a x 1.5=4.5m 。图6 一22 浆砌片石重力式路堤墙（尺寸单位：m )二、设计验算说明1车辆荷载车辆荷载作用在挡土墙墙背填土- L 所引起的附加土体侧压力，换算成等代均布土层厚度计算。2.墙背土压力计算在挡土
27、墙基础一般埋深的情况下，挡土墙前的被动土压力可不计，只计墙背填土的主动土压力。(l）求破裂角假设破裂面交于荷载中部，则： 破裂角验核破裂面是否交于荷载中部：破裂面距墙背顶点荷载内边缘距墙背顶点荷载外边缘距墙背顶点 因4.25 7.98 19.25 ，故破裂面交于荷载中部，假设满足要求。(2）求主动土压力系数K 和K1 (3）求主动土压力E 及其作用点位置主动土压力： 作用位置：3墙身截面性质计算(l）截面面积。(2）作用于基底以上的重力（忽略墙顶部分填土的重力，只计墙身自重合力重心到墙趾的距离为：4墙身稳定性验算(l）抗滑稳定性验算由滑动稳定方程：由此可见，抗滑稳定性满足要求。(2）抗倾覆稳定性验算由倾覆稳定方程：由此可见，抗倾覆稳定性满足要求。(3）基底应力及合力偏心距验算 基底合力偏心距所以： 基底应力因为： 所以： 所以基底应力符合要求。5墙身截面强度验算取墙底处截面进行验算。(l）强度计算验算公式： 式中： 轴向力偏心影响系数，； 挡土墙计算截面宽度，=3.7 一轴向力的偏心距，所以截面强度符合要求。稳定性演算验算公式： 所以： 则： ，所以墙身稳定性满足要求。所以通过上述验算，各项符合要求，挡土墙尺寸可采用拟定尺寸。