西南交通大学土木工程系高路堤工程抗震优化毕业设计

西南交通大学

毕业设计（论文）

高路堤工程抗震优化设计

年级:2006级

学号:200x0000

姓名:xxx

专业:土木工程

指导老师:xxx教授

2010年6月

院系专业

年级姓名

题目

指导教师

评语

指导教师 (签章)

评阅人

评语

评阅人 (签章) 成绩

答辩委员会主任 (签章)

年月日

毕业设计任务书

班级学生姓名x x x号发题日期：年月日完成日期：毕业当年的月日题目高路堤工程抗震优化设计

1、设计原始资料（1）高路堤设计资料；（2）汶川地震调查资料

2、设计各部分内容及时间分配：（共 8 周）

第一部分收集资料、学习补充相关知识（ 2 周）

第二部分高路堤稳定性分析（ 2 周）

第三部分坡率、加筋的抗震优化设计（ 2 周）

第四部分设计说明书、文整（ 1 周）

评阅及答辩（ 1 周）

3、计算说明书内容（1）绪论：加筋土路堤设计概况、本项目概况、本论文的主要工作等（含汶川震区公路路基震害调查与分析）

（2）高路堤稳定性分析（一般工况，不同坡率的加筋与不加筋对比）

（3）高路堤抗震优化设计（地震工况，不同坡率的加筋与不加筋对比）

（4）结论

应交出之图纸及文件（1）设计说明书；（2）设计图纸；4、参考文献（1）《公路工程技术标准》JTGB01-2003；

（2）《道路勘测设计》，赵永平唐勇主编，高等教育出版社；

（3）《路基及支挡结构》池淑兰等编中国铁道出版社

(4) 《土力学及路基》梁钟琪等编，中国铁道出版社

（5）《土力学》，刘成宇编著，中国铁道出版社

（6）公路工程抗震设计规范JTJ004-89

指导教师：年月日

审批人：年月日

摘要：

近年来我国西部山区地震频发，路堤工程面临严峻考验，高路堤工程在地震作用下的稳定性问题也日益突出。由汶川地震路基工程震害调查发现，山区高路堤一般采用阶梯型边坡，主要震害模式有路基边坡开裂、臌胀或局部坍塌，但能保持整体稳定；未铺设土工格栅的高路堤边坡易发生坍塌破坏，而铺设土工格栅的高路堤仅发生局部变形。因此本文主要研究内容就是在地震工况下对路堤进行优化设计，使路堤的稳定性系数能满足规范要求。优化设计有两种方法：（1）放缓路堤边坡坡度；（2）在路堤内部铺设土工合成材料即加筋土路堤。本文利用理正软件分别计算两种方案在正常工况下和地震工况（地震烈度为7、8、9度）时的稳定性系数，确定优化设计方案。通过分析两种方法的优缺点，可以发现铺设土工格栅的高路堤工程适应土体自身变形能力强，能抵消地震能量，有良好的抗震性能，占用土地面积少，节省填料，减少对生态环境的破坏。加筋土路堤在目前虽然属于新技术，但是实用性强，前景较好，因此在综合考虑各种因素后，确定路堤抗震优化设计方案时采用铺设土工合成材料的路堤。

关键词：地震；高路堤；土工格栅；优化设计

Abstract

In recent years, the embankment in earthquake-prone mountain areas in western China, is facing a severe challenge, the stability of the high embankment under earthquake is a prominent problem. Damage from the earthquake subgrade survey, the high embankment slope in the mountain areas commonly used ladder-type, The main damage mode include the slope of the main embankment cracking damage, tympanites or partial collapse, but maintain the overall stability; The damage in the high embankment without laying geogrid prone slope collapse, while laying geogrid embankment occurred only local deformation. The main research content in this article is to optimize the design so that the stability of embankment can meet the regulatory requirements .Optimization design have two kinds of methods (1)Slow down embankment slope （2）Laying geosynthetics in the internal embankment. LLZHENG program is used to calculate the stability factor of the two methods in normal operating conditions and seismic conditions (seismic intensity for the 7,8,9 degrees), to determine the optimal design. By analyzing the advantages and disadvantages of the two methods can find that the highembankment laying geogrid soil works to adapt its deformation ability, offset the seismic energy, good seismic performance, take up less land area, saving packing, reduce the ecological environment damage. Reinforced embankment at present although belonging to the new technologies, but the practicability and prospect is good, and therefore, after comprehensive consideration of various factors to determine the optimum design of embankment program using the Embankment installation of geosynthetics.

Key words:earthquake; high embankment; geogrid; optimal design

目录

第1章绪论 (8)

1.1 汶川地震交通工程震害概论 (8)

1.1.1 交通工程震害总述 (8)

1.1.2 公路工程典型震害 (9)

1.1.3 桥梁典型震害 (11)

1.1.4 隧道典型震害 (13)

1.2 高路堤工程震害特征与分析 (14)

1.3 小结 (16)

第2章路堤工程稳定性分析与抗震设计原理 (17)

2.1 概述 (17)

2.2 砂性土坡的稳定性分析 (17)

2.3 黏性土坡的稳定性分析 (18)

2.3.1条分法 (18)

2.3.2 瑞典条分法 (20)

2.3.3 毕肖普法 (22)

2.3.4 简布普遍条分法 (23)

2.3.5 极限平衡的其他计算方法 (25)

2.3.6几种方法的简单比较 (26)

2.3.7 最危险滑弧圆心位置的确定 (27)

2.4 抗震设计原理 (29)

2.5 典型案例分析 (31)

2.6 小结 (34)

第3章路堤工程抗震优化设计初探 (35)

3.1 理正软件简介 (35)

3.2 高路堤工程初步设计 (36)

3.2.1 高路堤工程设计参数与计算简图 (36)

3.2.2 高路堤工程稳定性分析结果 (38)

3.3 边坡坡度对高路堤工程稳定性影响分析 (42)

3.4 加筋长度对路堤工程抗震性能的影响 (46)

3.4.1 铺设8m土工格栅后稳定性分析 (46)

3.4.2 铺设10m土工格栅后稳定性分析 (52)

3.4.3 地震烈度为9度时路堤稳定性分析 (57)

3.5 高路堤工程抗震优化设计建议 (60)

结论 (62)

致谢 (64)

参考文献 (65)

第1章绪论

1.1 汶川地震交通工程震害概论

2008 年 5 月12 日四川汶川发生8.0 级特大地震，震惊世界。地震起始破裂点在汶川县映秀镇的龙门山中央断裂，并在短时间内沿龙门山断裂带的中央断裂和前山断裂迅速向北东方向破裂，形成长达近300km 的破裂带。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震，重灾区的范围超过13万平方公里，其震动的强度、烈度均超过了唐山大地震，死亡和失踪人数达87000多人。汶川地震使四川省交通基础设施损毁十分严重，损失十分巨大。通往灾区的公路基础设施遭受巨大破坏，道路中断，给抗震救灾带来极大困难，而且地震引发的崩塌、滑坡、泥石流以及落石、飞石等次生灾害，数量之多，分布之广、类型之复杂、破坏之巨大，举世罕见。

1.1.1 交通工程震害总述

汶川地震对四川交通基础设施尤其是公路交通系统的损毁是空前的，它具有下列特点：

一是受损范围广。。四川省20 个市(州)、139 个县(市、区)的高速公路、国省干线、农村公路以及码头、客运站点和养护设施不同程度受损，其中重灾区的阿坝、广元、绵阳、成都、德阳、雅安等市(州)、39 个县(市)的各类交通设施严重受损。通往汶川、茂县、北川、青川等重灾县以及254 个乡镇公路交通一度完全中断。灾害造成21 条高速公路、16 条国省干线公路、2.4×104 km 农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损里程近2.8×104 km(其中高速公路近200 km、国省干线公路约3 800 km、农村公路2.41×104 km)，损坏国省干线桥梁670 座，总长45 323 m；其中隧道24 座，总长20 417 m，受损的客运站为395 个，其中国家级枢纽9 个、县级站44 个。

二是损害程度重。许多经过多年努力才建成的交通设施毁于一旦，一些路段全面损毁，造成毁灭性、根本性破坏。据不完全统计，四川省交通基础设施直接经济

损失按原值价测算达人民币580 亿元以上。

三是抢通难度大。震后3 个月仍有3 条国省主干线未抢通(国道213 线映秀—汶川段，省道303 线映秀至耿达段，省道302 线茂县—北川公路擂鼓镇—禹里乡段)。

四是保通工作艰巨。山体滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害频繁发生，还将会造成交通基础设施新的破坏，给恢复重建工作带来新的困难。

1.1.2 公路工程典型震害

汶川地震大面积、大规模的山体滑坡造成灾区公路交通瘫痪，其中道路受阻、桥梁损毁的想象尤为严重。地震灾区受破坏的国道有3条：G317、G213、G212。灾区破坏较重的省道有5条：S105、S205、S210、S302和S303。同时，数量众多的县道、乡道也遭受严重破坏。公路系统的典型震害表现为：次生地质灾害（滑坡、崩塌、泥石流、落石）掩埋、摧毁道路；下面详细介绍汶川地震典型震害模式：

（1）汶川地震使得原都汶公路某段一侧山体在山脊处发生大型岩崩、滑坡，将公路完全掩埋，破坏严重。由于掩埋严重，都汶公路交通完全中断。见图1-1：

图1-1 都汶公路的大型崩塌

（2）地震引发的落石砸坏道路路面，引起交通阻断。见图1-2：

（3）地震断层造成的断层引起公路隆起破坏，见图1-3

（4）公路路基滑塌，见图1-4：

图1-4 彭州银厂沟景区外的路基滑塌，路面悬空

1.1.3 桥梁典型震害

桥梁震害按照表现的形式分为直接震害和间接震害。桥梁直接震害主要有桥梁倒塌、落梁及梁体移位(横移、纵移、平面转动以及三者的组合)等。桥梁间接震害主要有山体崩塌、滑坡、堰塞湖等次生灾害导致桥梁损毁。具体震害形式有：（1）百花大桥第五联5×20m连续梁完全倾覆倒塌，见图1-5

图1-5 百花大桥第五联倒塌

（2）墩柱破坏

图1-6 墩柱破坏

（3）滑坡掩埋桥梁

图1-7 滑坡掩埋桥梁（5）地震造成桥梁移位

图1-8 桥梁移位（6）地震造成落梁

图1-9 地震引起落梁

1.1.4 隧道典型震害

隧道震害主要表现为：隧道洞口被山体滑坡崩塌掩埋、洞门开裂、结构破损；衬砌开裂掉块甚至坍塌、施工缝开裂错台、衬砌开裂后渗漏水；排水系统遭到堵塞和破坏、积水严重，路面及仰拱隆起、错台等。

具体震害有：

（1）震区隧道洞门典型的震害特征为墙身开裂、结构倾斜、断裂、沉陷、洞门结构破坏等情况。见图1-10

图1-10 隧道洞门破坏

（2）隧道洞身结构破坏地震引起衬砌支护结构破坏主要表现为震区的既有隧道存在衬砌开裂、碎裂、剥落、掉块、坍塌、错断、错台、渗漏水等情况；在建隧道初期支护变形、掉块以及钢支撑扭曲变形，围岩坍塌等情况。见图1-11

图1-11 二衬破坏大面积坍塌

（3）地震引起的隧道初衬、二衬破坏见图1-12、1-13

图1-12 二衬掉块图1-13 初支变形

1.2高路堤工程震害特征与分析

四川是一个多山地区，山区面积大约占全部面积的三分之二，在这些地区修建铁路和公路比平原地区更见困难。山区工程地质条件非常复杂，地形地貌变化大，水量丰富，且地震活动频繁，因此对线路修建维修造成很大影响。并且线路工程属于带状结构物，一条线路少则十几公里，多则几百公里，甚至上千公里，很多线路都不得不通过地震断裂带。山区很多地方都要进行高填土路基和深挖路堑的施工，其中高填土路基大多很高，从几米到几十米不等，因此研究地震作用下高填土路基的稳定性和抗震加固措施就至关重要。

下面介绍高路堤工程在地震作用下的震害特征：

（1）普通高路堤

图1-14所示的边坡位于进入银厂沟景区的公路边路基外侧由条石堆砌而成，地震中条石滚落，发生较大规模的坍塌，防护栏等遭到严重破坏，掉入了深谷。

图1-14 路基坍塌

普通高路堤边坡在地震作用下很容易失稳破坏，尤其是在河岸或地下水丰富的

沙质地层上填筑路堤时，在强地震力作用下会发生沙土液化现象，从而造成路堤边坡失稳

（2）都汶公路一高路堤工点，处于高烈度区，距汶川震中15.25公里。最高路堤填土高度达42米，长约179米，见图1-15

图1-15 42米加筋土路堤

本路堤为高填方路堤，最高填方42米，边坡进行多次放坡，路堤顶部与底部均放置土工格栅，保证路堤本体稳定。

路堤整体在5.12大地震完好，局部路面有拉裂、鼓起现象。两边坡局部有裂缝出现。由此可见铺设土工格栅的高路堤抗震性能良好。

（3）都汶公路落石工点，位置距汶川震中11.1公里。路堤高16米，长约42米，汶川地震后路堤边坡角附近有轻微鼓起，见图1-16：

图1-16 落石工点处加筋土路堤

本段路堤的特点也是在路堤内铺设土工格栅，间隔0.5米。护坡采用浆砌片石，加土工膜防水设计。

（3）牛圈沟震源工点

本段路堤位于牛圈沟震源处，在 5.12地震作用下，路肩墙与路堤本体发生分离，路堤本体沿圆弧形滑面发生破坏。见图1-17、1-18

图1-17 路肩墙与路堤本体发生分离 图1-18 路堤本体沿圆弧形滑面滑动

1.3 小结

由于高路堤工程大多都是几十米高，因此稳定性就比普通路堤差，尤其是在地震作用下，极易失稳。从汶川地震中就可以发现加筋土路堤大多未受到严重破坏，而普通高路堤在地震作用下坍塌很多。由此可见加筋土路堤在抵抗地震方面确实有着普通路堤无法比拟的优势。

发现问题

做什么（报数量）

怎么做

技术路线

第2章路堤工程稳定性分析与抗震设计原理

2.1 概述

天然土坡或人工填筑的堤坝，在一定条件、地质条件下，由于各种自然因素及人为因素的影响，破坏了土体内部应力的平衡，不稳定土体在自重或外力作用下，沿途中某个面滑动而导致土坡的破坏。它严重影响了铁路、公路、河道的正常运行及其他建筑工程的安全，因而研究土坡稳定性是很重要的。

影响土坡稳定性的因素很多，有地形、地质、水文、气象等因素，而边坡愈高、愈陡，其稳定性愈差。土坡稳定性丧失，是由于土体内部发生剪切作用并形成了贯通的滑动面，使土体沿此面滑动而破坏。这是因为作用在该面上的剪切力达到并超过了该面上由抗剪强度而形成的抵抗土体滑动的能力。

土体稳定程度通常用安全系数Fs表示。它表明土坡在预计的最不利条件下具有的安全保障。土坡安全系数定义为：可能出现的破裂面上，阻抗土体滑动的力系与土体沿该面滑动力系之比。

大量观察及量测证明：砂性土坡的滑动面近似一平面，在横断面上近似一直线；而黏性土坡的滑动面近似一圆柱面，在横断面上近似为圆弧状。因而在分析土坡稳定性时，常假定土坡破坏时是沿着平面或圆柱面破坏，从而简化了土坡稳定性检算的计算方法。

2.2 砂性土坡的稳定性分析

由砂性土构成的土坡，包括黏聚力较小的黏砂土、砂土、砾石、碎石等边坡，

经大量观测发现，边坡破坏时其破裂面近似平面，在断面上近似直线，为了简化计算这类土坡稳定性分析采用直线破裂面法，并假定土坡破坏时，不稳定土体沿平面破裂面整体滑动。

在无粘性土坡表面取一小块土体来进行分析(图2-1)，设该小块土体的重量为W ，其法向分力N = W cos α，切向分力T = W sin α。法向分力产生摩擦阻力，阻止土体下滑，称为抗滑力，其值为R = N ·tg ϕ＝Ｗcos α·tg ϕ。切向分力T 是促使小土体下滑的滑动力。则土体的稳定安全系数F s 为：

F s α

φαφαtg tg sin tg cos ====W W T R 滑动力抗滑力 (2-1) 式中： φ——土的内摩擦角(°)； α——土坡坡角(°)。

图2-1 砂性土土坡

为了保证土坡的安全性， F s 值必须满足《设计规范》的要求。《设计规范》

规定：“安全系数一般不小于 1.25，如有充分资料或其他有利因素时，可允许减小到1.15。”安全系数如不满足要求，必须放缓边坡或采取适当的加固措施

2.3 黏性土坡的稳定性分析

黏性土坡的稳定性分析目前广泛采用条分法，随着条分法的提出，通过改进到发展，可以分为瑞典条分法、毕肖普法、传递系数法、分块极限平衡法、简布法等。

2.3.1 条分法

条分法是以极限平衡理论为基础的一种刚体极限平衡分析法。其基本思路是：假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内部产生了滑动面，部分坡体沿着滑动

面滑动造成的，滑动面上的坡体服从破坏条件。假设滑动面已知，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿着滑面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑动面为人为确定，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。隔离体的静力平衡可以是滑面上的力平衡或力矩的平衡。隔离体可以是一个整体，也可以由若干人为分隔的竖向土条组成。由于滑动面是假定的，因而只有通过系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载，得出最小的破坏荷载，其中最小的破坏荷载要求的极限荷载与之相应的滑动面就是可能存在的最危险的滑动面。

条分法是将滑动土体竖直分成若干土条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按下式求土坡的稳定安全系

数Fs：

（2-1）受力分析如图2-1：

图2-2 条分法受力分析图

从其中选出一个土条i，所受的力包括

1)重力；

2)条块侧面法向力，其作用点离弧面为；

3)条块侧面切向力

4)土条底部的法向力，切向力，条块弧段长为；

土条i满足平衡方程：

力的平衡方程（2-2）

极限平衡方程：（2-3）求解方法：

（1）假定条间力的大小与方向的毕肖普法和瑞典条分法；

（2）假定条间力的作用方向的不平衡推力传递法；

（3）假定条间力的作用点位置的简布法。

2.3.2 瑞典条分法

瑞典法亦称Fellenious法，是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法。该方法假定滑裂面为圆弧形，在计算安全系数时，简单的将条块重量向滑面法向方向分解来求得法向力。此法构成了近代土坡稳定分析条分法的雏型。

图 2-3 瑞典条分法

其基本假定如下：

(1)假定土坡稳定属于平面应变问题，即可取其某一剖面为代表进行分析计算。

(2)假定滑裂面为圆柱面，即在横剖面上滑裂面为圆弧；弧面上的滑动土体视为刚体，即计算中不考虑滑动土体内部的相互作用。

(3)定义安全系数为滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑