(整理)《路基工程》课程设计-某新建二级公路重力式挡土墙设计

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+345~K2+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。

4．K2+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：1 1.4b =m,d l =0.40m,d h =0.60m ）。

5．填料为砂性土，其密度=γ18KN/m 3，计算内摩擦角φ=35，填料与墙背间的摩擦角δ=2/φ。

6．地基为整体性较好的石灰岩，其允许承载力[]0σ=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a γ=22KN/m 3，砌体容许压应力为[]600=a σKpa ，容许剪应力[τ]=100Kpa ，容许拉应力[wl σ]=60 Kpa 。

横断面原地面实测值及路基设计标高 表1

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）

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，每天安排指导老师到教室进行整体答疑2～3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

（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

①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；

②设计方案合理，设计计算正确，数据可靠；

③图面质量整洁，能很好地表达设计意图；

④计算书表达清楚，文字通顺，书写工整。

（2）良

①能综合运用所学知识，全面完成设计任务；

②设计方案合理，设计计算基本正确，；

③图面质量整洁，能够较好地表达设计意图；

④计算书表达清楚，文字通顺，书写工整。

（3）中

①能运用所学知识，按期完成设计任务；

②能基本掌握设计与计算方法；

③图面质量一般，能较好地表达设计意图；

④计算书表达一般，有多处不够确切。

（4）及格

①基本能运用所学知识，按期完成设计任务；

②设计与计算没有原则性错误；

③图面质量不够完整，基本能表达设计意图；

④计算书表达一般，有多处错误存在。

（5）不及格

①运用所学知识能力差，不能按期完成设计任务；

②设计与计算有严重错误；

③图面不整洁，不能表达设计意图；

③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。

⑴挡土墙类型应综合考虑工程地质、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

⑵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。

⑶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 ，微风化岩层不应小于0.5m 。

⑷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。

⑸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。

⑹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：

式中：——挡土墙自重；

——墙背主动土压力的水平与垂直分力；

——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；

——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

倾覆稳定系数表示，即对于墙趾的总稳定力矩与总倾覆力矩之比，如图4-13所示。

式中：——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。若检算结果或

，则表明挡墙抗滑稳定性或抗倾覆稳定性不够，应采取措施增加挡土墙的抗滑稳定性或抗倾覆稳定性。

表4-8 极低摩阻系数f表

4．4．3

为了保证挡土墙基底应力不超过地基容许承载力，应进行基底应力验算；同时，为了避免挡墙不均匀沉陷，应控制作用于挡土墙基底合力的偏心距。

图4—14基底应力及合力偏心距

如图4-14所示，作用于基底合力的偏心距e 为：

在偏心荷载作用下，基底最大和最小法向应力为：

式中：

——作用于基底合力的法向分力；

——对墙趾的力臂；

——基底宽度；

——基底面积，对1m 长的墙而言，；

——各力对基底中性轴的力矩和；

——基底截面模量，； ——合力偏心距，其限制见表4-9。

荷载情况 地基条件 合力偏心距

荷载I 非岩石地基

组合荷载

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

非岩石地基

石质差的岩石地基

坚密岩石地基

注：表中为基底截面核心面

，其中为基底面积，为基底截面模量。

图4-15 基底应力重分布

由式（4-29）可知．当6

B

e >

时，2σ为负，即在基础一侧出现了拉应力（图4-15）。但是，在一般情况下地基与基础的接触面上是不容许出现拉应力的，故需按无拉应力的平衡条件重新分配压应力，即按应力重分布计算基底最大压应力，将应力分布图变为三角形（图4-15），总压应力必须等于

∑N ，而且∑N 的作用线必定通过应力图形的重心。则

N

Z N 321max

?=∑σ

最大压应力为：

][2

3

2320max σe)B ()

E (G Z N σy N ≤-+==

∑

从上述分析可以看出，合力偏心距e 直接影响到基底应力的大小和性质(拉或压)。如偏心距过大，即使基底应力仍小于地基容许承载力，但由于基底应力分布的 ‘．显著差异，亦可能引起基础产生不均匀沉陷，从而导致墙身过分倾斜。为此。应控制偏心距，使其满足表4-8的要求。

图4-16验算截面的选择

4．4．4墙身截面强度验算

为保证墙身具有足够的强度，应根据经验选择1～2个控制性截面进行验算。验算截面，一般可选择在距墙身底部二分之一墙高和截面急剧变化处（图4-16）。

图4-17墙身法向应力

(1)法向应力验算

如图4-17，选择1-1截面为验算截面。若作用在此截面以上墙背的主动土压力为1E ，墙身自重为1G ，二者之合力为1R ，则可将1R 分解为1N 和1T 验算截面的法向应力，视偏心距大小，分别按下式计算：

当 6

21

1111111111B E G Z E Z E Z G B e y x x y y G ≤+?-?+?-= 时： ][)61(1

1111min max a y B e B E G σσσ≤±+=

式中：——截面宽度。

当

时，法向应力重分布：

——验算截面的最大、最小法向应力；

——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

式中：——受剪面积，；

——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折减。

4．4．5 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（）；对岩石地基，不陡于1：3（）。

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Ⅰ-Ⅰ水平面）的滑动稳定性。抗滑稳定系数为：

式中：一一平面Ⅰ-Ⅰ与基底间的土楔重，按下式计算：

——地基土的容重；

——地基土的内摩阻系数，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。

O.70 O.84

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：

式中：——凸榫及榫后基底的摩阻力，；

——凸榫前的总抗滑力，当(填土表面水平)，(墙背垂直)，(墙背光滑)时，

——榫前的被动土压力，按朗金(Rankine)理论计算：

实际生产中，考虑到结构安全的需要，可取上式的。

—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，故未计入榫前宽度内的基底摩阻力。

按照抗滑稳定性要求，令，代入式(4-36)即可得出计算凸榫高度。的公式：

凸榫宽度根据下述两方面的要求进行计算，取其大者：

(b)根据截面Ⅰ-Ⅰ(图中虚线)上的弯矩：

(b)根据Ⅰ-Ⅰ截面上的剪应力：

式中：——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力分布

由4．2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、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α=3m ，填土边坡坡度1:1.5，填土重度3

18/kN m γ=，综合内摩擦角35?=，墙背采用俯斜1:0.2 (1119?'=)，墙背与填土间的摩擦角/21730δψ'==，基底摩擦系数10.5f =，基底倾斜1:5 (1119?'=)，地基容许承载力[]0σ= 300kPa 。

砂浆砌片石墙身：圬工重度3

23/kN m γ=，抗压极限强度a R =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：1B = 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。

()015

0.8318

q

h m γ

=

=

= 2.墙背土压力计算

在挡土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θ

假设破裂面交于荷载中部，则：

()()()()

()()()()

00035111917306349222tan 23 4.520.83 4.50.757.57.52320.830.27.537.5320.830.004tan tan tan 6349ab h b d H H a h A H a H a h ψ?αδα

θψ'''

=++=?+?+?=?''++-++=

''+++?+??+-?+?+??=

??++?=-=-+'=-?+0.617

=

破裂角=3140θ'?

验核破裂面是否交于荷载中部： 破裂面距墙背顶点

()()()tan tan 7.530.6177.50.27.98H a H m θα''++=+?+?=

荷载内边缘距墙背顶点

()()()10.5 4.50.75 1.50.5 4.25b d B m +--=+--=

荷载外边缘距墙背顶点

()()010.5 4.50.7515 1.019.25b d l B m ++--=++-=

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K 1

()()()()

()

(

)()

()

()1231211cos cos 314035tan tan 0.6170.20.326sin sin 31406349tan 4.530.617

3.24tan tan 0.6170.2

0.75

0.92tan tan 0.6170.2

7.5 3.240.92 3.342112K b a h m d h m h H h h m h a K H H θ?θαθψθθαθα'+?+?=+=+=''+?+?--?=

==++===++'=--=--=??=+- ?''??0322

223 3.2420.83 3.34117.57.527.51.726

h h H ?????+=+?-+ ?'???=