毕业设计（论文）-重力式挡土墙设计.doc

山东职业学院毕业设计 摘 要 挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。在挡土墙横断面中，与被支承土体直接接触的部位称为墙背；与墙背相对的、临空的部位称为墙面；与地基直接接触的部位称为基底；与基底相对的、墙的顶面称为墙顶；基底的前端称为墙趾；基底的后端称为墙踵。根据其刚度及位移方式不同，可分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。根据挡土墙的设置位置不同，分为路肩墙、路堤墙、路堑墙和山坡墙等。设置于路堤边坡的挡土墙称为路堤墙；墙顶位于路肩的挡土墙称为路肩墙；设置于路堑边坡的挡土墙称为路堑墙；设置于山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆盖层土体或破碎岩层的挡土墙称为山坡墙。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的。重力式挡土墙多用劲砌片石砌筑，在缺乏材料的地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土直接砌筑，一般不配钢筋或在局部范围配置少许钢筋。这种挡土墙形式简单，施工方便，可就地取材，适应性强。关键词：挡土墙；路堑墙；山坡墙；重力式挡土墙目 录前 言1 挡土墙的作用1挡土墙各部位的名称1挡土墙的位置1挡土墙的分类2第一章 设计要求31.1挡土墙的设计资料3第二章 重力式挡土墙的简介及分类42.1重力式挡土墙的简介42.2重力式挡土墙的类型4第三章 重力式挡土墙的设计83.1重力式挡土墙构造83.2重力式挡土墙的布置93.3基础埋置深度的确定11第四章 重力式挡土墙的验算114.1 作用在挡土墙上的力系114.2挡土墙稳定性检算14 第五章 参考文献23 第六章 附图23 前 言 一： 挡土墙的作用 在路基工程中，挡土墙的应用十分广泛。在高坡和陡坡路堤的下方设置挡土墙，可防止路堤边坡沿基底滑动，保证路基稳定，同时又可以收缩坡脚，减少填方和少占农田。滨河或水库路堤在临水一侧设挡土墙，可防止水流对路基的冲刷和侵蚀，同时也可避免压缩河床或侵占库容。在路堑地段设置挡土墙可支撑开挖后不能自行稳定的边坡，同时减少刷方高度和刷方工程量。在不良地质地段，常以挡土墙加固边坡。此外，挡土墙还被用来整治溜坍、滑坡等路基祸害。二： 挡土墙各部位的名称 图（一） 挡土墙个部位名称的介绍 三：挡土墙的位置根据挡土墙在路基横断面上的位置，挡土墙可分为路肩墙、路堤墙和路堑墙。 图 （二） 挡土墙设置位置的分类 四：挡土墙的分类 按结构形式分挡土墙可分为重力式（包括衡重式）挡土墙和轻型挡土墙。重力式挡土墙有四种，即俯斜直线墙背式挡土墙、仰斜直线墙背式挡土墙、折线墙背式挡土墙和衡重式。轻型挡土墙有多种形式。 图（三）轻型挡土墙按建筑材料分根据挡土墙所采用的主要建筑材料不同可将挡土墙分为石砌挡土墙、混凝土挡土墙和钢筋混凝土挡土墙等，但是铁路路基支挡结构设计规范（tb1002520060）规定，重力式挡土墙墙身材料应采用混凝土或片石混凝土，比之tb100252001规范取消了片石砌体挡土墙 。按挡土墙墙背的倾斜方向分 根据挡土墙墙背的倾斜方向，挡土墙可分为俯斜、仰斜和垂直挡土墙三种。第一章 重力式挡土墙的设计要求1.1设计资料：1.1.1 建设地点：济南铁路局某线dk23+415.00-dk23+520.001.1.2 建设要求：线路经过的此处是丘陵地区，石材比较丰富，在设计过程中应就地选材，节省工程费用。挡土墙结合当地的地形条件。1.1.3气候条件：当地的降雨量为每年600mm，雨季集中在6、7、8月份。1.1.4 地形条件： 8.5 522.50 518.50 515.00 线路中心线在线路dk23+415.00-dk23+520.00处有一堆积层,百米桩所测得的横断面图如上图所示1.1.5地质条件：在地面标高为518.50m以上为砂粘土,测得r=18.5kn/m3,内摩擦角=350,土与墙背摩擦角=1/3，在地面标高为518.50m以下为中密碎石，r=20kn/m3，内摩擦角=500，土与墙背摩擦角=1/3。碎石允许承载力为400kn/m2，路肩设计标高为515.00。 以上线路设计为二级铁路，采用重型钢轨，设计轴重为220kn，砼轨枕1760根/km，道床厚度为0.35m，道床顶宽为3.0 m,边坡为1:1.75。第二章 重力式挡土墙的简介及类型2.1重力式挡土墙简介2.1.1.重力式挡土墙简介：重力式挡土墙，指的是依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙。重力式挡土墙可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整体浇筑。半重力式挡土墙可采用混凝土或少筋混凝土浇筑。重力式挡土墙可用石砌或混凝土建成，一般都做成简单的梯形。它的优点是就地取材，施工方便，经济效果好。所以，重力式挡土墙在我国铁路、公路、水利、港湾、矿山等工程中得到广泛的应用。 由于重力式挡土墙靠自重维持平衡稳定，因此，体积、重量都大，在软弱地基上修建往往受到承载力的限制。如果墙太高，它耗费材料多，也不经济。当地基较好，挡土墙高度不大，本地又有可用石料时，应当首先选用重力式挡土墙。重力式挡土墙一般不配钢筋或只在局部范围内配以少量的钢筋，墙高在6m以下，地层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段，其经济效益明显。2.2.重力式挡土墙的类型1. 重力式 原理：主要依靠墙身自重抵抗墙后土体的侧向压力。 墙身：干砌、浆砌，缺乏石料时，可用混凝土。 干砌仅适用于地震烈度较低，墙高不高（6m），地基条件良好的地段。特点：断面尺寸较大，结构简单，取材较易，施工简便。（1）墙背 墙背种类 土压力 适用情况 仰斜 主动土压力小 路堑墙、墙趾处地面平坦的路肩墙或路堤墙 俯斜 土压力大 地面横坡陡峻处的路肩墙或路堤墙，可减小墙高，墙背可做台阶形 凸形折线 下部小、上部略大 上部俯斜，下部仰斜，可减少上部墙身的断面尺寸，多用于路堑墙，也用于路肩墙 衡重式 下部小、上部略大 上下墙背间设一衡重台，墙面陡直，适用于地面横坡陡峻处的路肩墙和路堤墙。借助填土自重和墙重心后移，提高墙体稳定性 用混凝土挡墙时，为减少断面尺寸，可在墙背、墙趾处设少量钢筋，称半重力式，一般适用于低墙。2. 薄壁式原理：主要依靠底板上的土重来平衡侧向土压力墙身：钢筋混凝土结构特点：墙身断面较薄，通常包括悬臂式、扶壁式和柱板式等。（1）悬臂式组成：立壁、趾板（趾部底板）和踵板（踵部底板）三个悬臂部分原理：利用踵板上的填土重量保持稳定，趾板还可增加抗倾覆能力和减小基底应力，适用场合：地基情况较差的路肩墙。（2）扶壁式当墙高超过 6m 时，侧向土压力作用下，立壁底部的弯矩迅速变大，钢筋、混凝土用量急剧增加，不经济。因此沿悬臂式墙长方向，每隔一定距离加设扶壁（肋板），将立壁与底板连接起来。悬臂受弯矩，要配置钢筋。（3）柱板式组成：立柱、挡板、底梁、底板（卸荷板）、基座和拉杆拼装而成。适用场合：支挡土质路堑高边坡或处治边坡坍滑，还用于路堤墙3. 锚固式组成：由钢筋混凝土墙面部分和锚固构件连接而成。原理：依靠埋设在稳定岩土层内锚固件的抗拔力，承受从墙面传来的土压力，保持全墙稳定。墙面：预制立柱（肋板）和挡板拼成，也可就地浇注成整体板壁。挡板断面采用矩形或槽形的直板，也用混凝土拱板。特点：属轻型结构，材料节省、占地较少，地基要求不高，有利于机械化施工。可分为：锚杆式、锚定板式和桩板式等（1）锚杆式采用锚杆（锚入稳定地层内的钢杆或钢丝束，拉住肋柱或板壁。墙高时，可分级建造。适用场合：适用于高度较大、挖基困难、具有锚固条件的路堑墙、路肩墙或抗滑墙。（2）锚定板式结构形式与锚杆式基本相同，只将钢杆（拉杆）的锚固端改用锚定板，并埋在填料稳定区（被动区和中性区）内。适用场合：特别适用于地基不良的高路肩墙或路堤墙。（3）桩板式系将支承挡板的立柱改为深埋地下的桩柱（锚固桩）。适用场合：适用于墙后土体下滑力较大而要求基础埋置又深的滑坡整治地段。4. 垛式组成：采用钢筋混凝土预制杆件纵横交错拼装成框架，内填土石。原理：借助自重抵抗墙后土体的推力。特点：允许地基产生一定不均匀沉降，施工迅速，修复容易。适用场合：常用作高路肩墙、路堤墙和抗滑墙。5. 加筋土式组成：由竖直面板、水平拉筋和内部填土三部分组成的加筋体。原理：通过拉筋材料与填土之间的摩阻力，使面板与土形成一整体结构，依靠其自重抵抗墙后（拉筋尾部后面）土体的侧压力。拉筋材料：条带拉筋（钢带、钢筋混凝土带或聚丙烯土工带）网格拉筋（金属或聚合物材料做的网格）。面板：起保护表层填料免受侵蚀和坍塌作用，一般用混凝土预制（国外用半椭圆形金属板）。特点：构件轻巧、施工简便、柔性较大、抗震性大、外型美观、造价较低。适用场合：适用于较高的路肩墙和路堤墙。第三章 重力式挡土墙的设计3.1重力式挡土墙的构造重力式挡土墙的构造必须满足强度与稳定性的要求，同时应考虑就地取材，经济合理，施工养护的方便与安全。1挡土墙的断面尺寸和形状（见附图一）（1）挡土墙的胸坡当地面横坡较陡时，挡土墙胸坡直接影响墙的高度,胸坡较陡的挡土墙高度较小，胸坡较缓的挡土墙高度较大。重力式挡土墙的墙胸坡度，一般在地形陡峻的山区，采用1:0.05-1:0.20。对于路肩和路堤式挡土墙,应尽可能采用较陡的胸坡。在地形平缓的地区，一般采用1:0.20-1:0.35。本工程在丘陵地区，地形较平缓，胸坡采用1：0.25。（2）.挡土墙的墙背坡度及形式挡土墙墙背坡度及形式,应力求使墙身结构经济合理,施工开挖量小，回填工程量少，施工便,保证安全，同时还应满足土压力计算理论的适用范围,回填前挡土墙必须稳定等要求。墙背的形式与坡度也影响墙的高度，仰斜的墙最高,竖直的次之，俯斜墙背的最低。由土压力计算公式可知，仰斜墙背的主动土压力最小，竖直的次之，俯斜墙背的最大。一般说来，对于较低的挡土墙,应优先考虑仰斜及竖直墙背；对于较高的挡土墙，应优先考虑俯斜及折线形墙背。折线形墙背上部俯斜下部仰斜，综合了二者的优点，但其形状复杂,施工不便，一般只在墙身较高时才采用。选择墙背形式时，必须考虑施工的要求。例如,路堑挡土墙，由于仰斜墙背可与开挖的临时边坡紧密贴合，而俯斜墙背则在施工后尚需填土，因此选用仰斜墙背比较合理。对于路堤、路肩挡土墙，仰斜墙背填土穷实比较困难，所以采用竖直与俯斜墙背比较合理。总之，挡土墙的墙背形式必须综合考虑上述各方面的因素,经过试算、比较后才能确定。在同一工点的挡土墙，其断面形式不宜过多，以免造成施工困难和影响墙的美观3）.挡土墙的尺寸在挡土墙的位置、胸坡、背坡和基础埋深确定后便可确定挡土墙的高度。挡土墙的宽度应在满足构造要求的基础上初拟一个尺寸并经检算，确定一个既保证安全又经济合理的尺寸。按构造要求,浆砌片石挡土墙的墙顶宽度一般不应小于0.5m；混凝土挡墙的墙顶宽度不小于0.4m；钢筋混凝土挡墙顶宽不应小于0.2m。丘陵地区，石料丰富，采用混凝土或片石混凝土挡土墙，顶面宽度设为0.6m。 （4）.挡土墙置于硬质岩石上时，应置于风化层以下；置于软质岩石上时，埋置深度不小于1.om。 3.2重力式挡土墙的布置1、 挡土墙位置的选定根据路基横断面来确定挡土墙的位置（1）路堑挡土墙的位置应设在侧沟外侧，并满足抽换轨枕的要求，即路堑中心线沿轨枕底部至墙胸的水平距离一般不小于3.5 m，挡土墙的高度和长度应保证墙顶以上边坡稳定。（2）路肩挡土墙的位置，在直线地段按路基宽度确定。（3）路肩挡土墙因可充分收缩坡脚，大量减少填方和占地，当路肩与路堤墙的高度或截面圬工数量相近、基础情况相似时，应优先选用路肩墙。若路堤墙的高度或圬工数量比路肩墙显著降低，而且基础可靠时，宜选用路堤墙。（4）当路基两侧同时设置路肩和路堑挡土墙时，一般应先施工路肩墙，以免在施工时破坏路堑墙的基础。（5）沿河路堤设置挡土墙时，应结合河流的水文、地质情况以及河道工程来布置，注意应保证墙后水流通畅，不致挤压河道而引起局部冲刷。（6）滑坡地段的抗滑挡土墙，应结合地形、地质条件、滑面的部位、滑坡推力，以及其他工程，如抗滑桩、减载、排水等综合考虑。（7）带拦截落石作用的挡土墙，应按落石范围、规模、弹跳轨迹等考虑。2. 横向布置系在路基横断面图上选定墙的位置和形式，确定墙身断面、基础形式和埋置深度，布设排水设施，指定填料类型等，并绘制具有代表性的挡土墙横断面图。3. 纵向布置在墙趾纵断面图上进行，布置后绘成挡土墙正面图。布置的内容：（1）确定挡土墙的起讫点和墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。衔接方式有：墙的端部直接嵌入山坡坡面，设置锥坡、端墙或斜墙等。（2）按地基和地形情况进行分段，确定沉降缝与伸缩缝的位置。（3）布置各段挡土墙的基础。墙趾处地面有纵坡时，挡土墙的基底做成不大于 5% 的纵坡。但地基为岩石时，为减少开挖，可沿纵向做成台阶。台阶尺寸随纵坡大小而定，但高宽比不宜大于 1 ： 2 ，宽度不小于 1m 。（4）确定泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等。4. 平面布置对于地形、地质复杂的挡土墙或工程量大的沿河曲线挡土墙，除了横纵布置外，还应在地形图上进行平面布置。绘制平面图，图中标示挡土墙与路线的平面位置、附近地貌与地物等情况，特别是与挡土墙有干扰的建筑物情况。沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向，防护与加固工程等。3.3 挡土墙的基础埋深挡土墙置于土质地基时,其埋置深度应符合下列要求:（1）.基础埋深不小于1m，如为路堑墙，应在侧沟下至少0.6m。当有冻结且冻结深度小于或等于1m时，应在冻结线以下不小于0.25m；当冻结深度超过1m时，可在冻结线下0.26m内换填弱冻胀土或不冻胀土，但埋置深度不小于1.24m。（2）.受水流冲刷时，基础在冲刷线下至少1m。（3）.路堑挡土墙基础底面应在路肩以下不小于1m，并应低于侧沟砌体底面不小于0.3m。综上所述，挡土墙的基础埋深设为1.5m。第四章 重力式挡土墙的验算4.1 作用在挡土墙上的力系作用在挡土墙上的力系,根据荷载性质和发生概率分为主要力、附加力和特殊力。一般情况下,挡土墙只考虑主要力的影响。在浸水和地震等特殊情况,还应考虑附加力和特殊力的作用。主要力是经常作用在挡土墙上的力,如图1。它包括下列的一些力:1.墙背承受的由填料自重及轨道和列车荷载产生的侧压力ea可分解为水平与垂直的侧压力ex与ey。根据题意，计算不同土层的土压力。设挡土墙高度总共为9m。第一层土=4m，第二层土高=5m。墙后填土表面坡度为1：1.5，第一层砂粘土，测得r=18.5 kn/m3,内摩擦角=350,土与墙背摩擦角=1/3，第二层为中密碎石，r=20kn/m3，内摩擦角=500，土与墙背摩擦角=1/3。挡土墙背坡为1：0.25。 i= arctan1/1.5 = 经计算, 作用点距墙底之距离为。(2)第二层土范围的墙背土压力 已知：=作用点距墙底距离为=2.10m 图4-1-1 作用在挡土墙上的力系示意图2.墙身自重g；根剧挡土墙体积、混凝土或片石混凝土的重度求墙身自重。, 混凝土或片石混凝土的重度r=23kn/m3，所以=144.7kn。 ， 3.墙顶上的有效荷载w04.法向反力r及摩擦力t。5.常水位时的静水压力和浮力。附加力指偶然发生的或发生概率很小的力。如最不利计算水位的静水压力及浮力，水位退落时的动水压力、波浪压力、冻胀压力等。特殊力指暂时的或属于灾害性的力，它发生的概率很小，如地震力、临时荷载等。至于墙前被动土压力，在挡土墙检算中一般不予考虑。仅当基础埋深较深，且地层稳定，不受水流冲刷或扰动破坏时才考虑。由于挡土墙前后土体相互作用，出现被动极限平衡状态所需的墙身位移远远大于出现主动极限平衡状态所需的位移，所以，当墙后土体处于主动极限平衡状态时，墙前土体仍未达到被动极限平衡状态，墙前土体的被动抗力要比按被动土压力计算公式求得的被动土压力小。对墙前土体的被动抗力，目前尚无可靠的计算方法，根据经验并为安全计，一般取计算被动土压力的1/3作为墙前土体的被动抗力。4.2 挡土墙稳定性检算对于重力式挡墙,墙的整体稳定性往往是设计中的控制因素。挡土墙的稳定性包括滑动稳定与倾覆稳定两方面。1.滑动稳定检算挡土墙的滑动稳定是指在土压力和其他外力作用下，基底摩擦阻力抵抗挡土墙滑移的能力，用滑动稳定系数kc表示，即作用于挡土墙的最大可能的抗滑力与实际下滑力之比，在一般情况下，有: 式中 n作用于挡土墙墙底的竖向力，为墙身自重g、墙背主动土压力的竖直分力ey、墙顶的有效荷载wo三者之合，即=ex=82.38ey-墙背主动土压力的水平分力f-基底摩擦系数，可以通过现场试验确定，如无试验值，如表1。滑动稳定系数k c不应小于1.3，考虑附加力时，kc不应小于1.2。当墙高大12-15m，应注意加大kc值以保证挡土墙的滑动稳定性查表一可得基底摩擦系数f为0.5。 滑动稳定系数kc小于1.3，不符合挡土墙的滑动稳定性，需采用措施增强其稳定性。当挡土墙的滑动稳定性不满足要求时，可采取下列措施增强其稳定性: 表1 基底摩擦系数f地 基 类 别f软塑粘土0.25硬塑粘土0.30砂黏土、黏砂土、半干硬黏土0.30-0.40砂类土0.40碎石质土0.50软质岩0.40-0.60硬质土0.60-0.70(1)增大基底摩擦系数。石质基底除掉风化、软弱部分后,保留部分硬块,增加抗滑能力。土质基底可换填0.3-0.5m的碎石。(2)墙趾前防护加固。墙趾前基坑应回填穷实,如有冲刷或其他损坏可能时,趾前地面应防护和加固。如为路堑墙,可在侧沟顶增设混凝土横撑一道(间距1-2m)。如图图4-2-1示意图(3)采用凸榫基础。凸榫基础就是在基础底面设置一个与基础连成整体的榫状凸块，如图所示，利用榫前土体的被动抗力来增加挡墙的滑动稳定性。(4)设反斜基底。反斜基底是将挡土墙墙底做成倾向墙踵的斜坡。如图所示，反斜基底倾斜度在一般地区挡土墙不大于0.2:1。浸水地区挡土墙,基底摩擦系数f0.5时，不宜设反斜基底；0.5fb/6时,基底的一侧将出现拉应力,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压应力。如图8，基底应力分布图将由虚线图形变为实线图形。由二力平衡定理，实线三角形的形心必在n作用线上，基底压应力三角形分布图的底边长度等于3zn.基底压应力分布图的面积应等于基底合力的竖向分n，即：图8 基底应力重分布基底最大压应力设反斜基底时基底应力及合力偏心距的计算设反斜基底时，基底宽 如图9 图9 设置反斜基底时的计算简图 式中：基底与水平面的夹角 墙背与竖直面的夹角作用在反斜基底上的法向力为：它对墙趾的力臂为倾斜基底的合力偏心距基底的法向应力为：当：时，当：时，当基底应力不满足要求时，可采取下列措施提高地基承载力或减小基底应力:(1)增大基础底宽，如展宽墙趾等；(2)提高地基承载力，如基础换填，将浅基础改为深基础等。挡土墙除应具有足够的稳定性,基底应力和合力偏心距满足要求外，为防止墙身破坏，还应使墙身各截面的法向应力和剪应力不超过墙身材料的容许应力。挡土墙墙身截面强度的检算，通常根据经验选择一二个控制截面，检算控制截面的法向应力和剪应力是否在墙身材料的容许应力内。对于重力式挡土墙，控制截 图10 墙身截面强度检算示意图面一般选在基础与墙身的分界及1/2墙高处。1.法向应力及偏心距检算如图10所示，为检算截面的强度，从土压力强度图可算出截面以上的部分墙身所受的土压力，截面宽度为，则作用在该截面上的力及力距为：截面两端的法向应力为： 只考虑主力时,截