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某高速公路高填方挡土墙设计

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机电系
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路桥技术
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目 录
第一章 边坡稳定性分析 1
1.1 汽车荷载当量换算 1
1.2 简化Bishop 法求稳定系数K 2
1.2.1 最危险圆弧圆心位置的确定 2
1.2.2 用条分法确定初始K值 3
1.2.3 用Bishop法进行边坡稳定性分析 4
1.2.4 具体计算结果见下表： 4
1.3 最危险滑动面验算 10
第二章 挡土墙设计与验算 11
2.1 设计资料 11
2.1.1 墙身构造 11
2.1.2 车辆荷载 11
2.1.3 土壤地质情况 12
2.1.4 墙身材料 12
2.2 墙背土压力计算 12
2.2.1 破裂面计算 13
2.2.2 验算破裂面是否交于荷载内侧： 13
2.2.3 主动土压力计算 13
2.3 墙身截面性质计算 14
2.3.1截面面积 14
2.3.2 抗滑稳定性验算 14
2.3.3 抗倾覆稳定性验算 14
2.3.4 基底应力及合力偏心距验算 15
2.3.5 墙身截面强度计算 16
2.3.6 正截面直接受剪验算 16
第三章 结论 18
参考文献 19

第一章 边坡稳定性分析
本设计任务为该挡土墙位于k5+600~k7+000桩号0 ，总长1400m，其中右幅填方路堤的横断面填方高度为36.89m，采用此断面为边坡稳定性验算对象。如图所示，此断面顶宽为21.50m，边坡坡度采用1：1.5，1：1.75,1:2.0，其横截面初步拟定如图1-1所示：
图1-1 K6+020横断面图
路堤填土为粘土，土的粘聚力c=20kPa，摩擦角为Ф=30°，天然容重为γ=18kN/m， 荷载为公路-I 级。
1.1 汽车荷载当量换算
将车辆荷载换算成土柱高（当量高度）。车辆按最不利情况排列，即假设一辆车停在硬路肩上，另两辆以最小间距d=0.6m与它并排。按以下公式换算土柱高度为
=
式中：
N——横向分布并列的车辆数，因为按最不利布载，中线每边各布3 辆，取N=3；
Q——每一辆重车的重力（标准车辆荷载为550KN）；
L——前后轮最大轴距，按《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）规定对于标准车辆荷载为12.8m
r——路基填料的容重；
B——荷载横向分布宽度，表示如下：

B=Nb+（N-1）m+d
式中：
b——后轮轮距，取1.8m；
m——相邻两辆车后轮的中心间距，取1.3m；
d——轮胎着地宽度，取0.6m
则：B=Nb+（N-1）m+d=31.8+(4-1)1.3+0.6=8.6m；
故按双向布4辆车，布满行车道时，h=(3×550)/(18×8.6×12.8)=0.83m。

1.2 简化Bishop 法求稳定系数K
1.2.1 最危险圆弧圆心位置的确定
以坡脚为坐标原点，按4.5H 法初定滑动圆心辅助线：
（1）由表查得：=26°， =35°,以坡角为圆心将AB线逆时针旋转26°，再以B点为圆心，BC为基线，旋转35°，两直线交于E点；
（2）量得坡角到路面的距离h=m，由坡角向下做垂线，量取路堤高
H=32.05+0.83=32.88m得D点；
（3）由C 点向右引水平线，在水平线上截取4.5H=147.96m得D点；
（4）连接点D、E得直线DE，即为滑动圆心辅助线；
（5）绘出五条不同的位置的滑动曲线；
（6）将圆弧范围土体分成若干段；
（7）算出滑动曲线每一分段中点与圆心竖曲线之间的偏角α；
sinα=
式中：
X—分段中心距圆心竖直线的水平距离，圆心竖曲线左侧为负，右侧为正；
R—滑动曲线半径m.
1.2.2 用条分法确定初始K值
计算过程以第一个滑动面为例
① 在圆心辅助线上拟定一个圆心，过坡脚画圆弧；
② 将土体划分为若干块，用CAD 工具量取各个条快的面积Si；用CAD 工具量取个土条重心与圆心的水平距离Xi（有正负之分，Xi在圆心左侧为负，右侧为正），
进而利用sinai =Xi /R ai =arcsinai算得ai；
③ 用CAD工具量取圆弧弧段所对应的半径R、土条宽度bi及弧长li;
④ 利用条分法根据公式

K=
----各土条的法向分力，=；
----各土条的切向分力； =
----各土条重心与圆心连接线对竖轴y的夹角，由于水平间距与半径而定
----滑动圆弧全长；
----圆心角
如图所示1-2所示

1.2.3 用Bishop法进行边坡稳定性分析

其中：

W—第i土条重力；
—第i土条底滑面的倾角；
c、—土条i滑弧所在路堤土的粘结力和内摩擦角；
1.2.4 具体计算结果见下表：
（1）确定第一个过坡脚滑动面，在辅助线上做圆1，半径R=62.88m，将结果列入表中，验算其稳定性如图1-3所示：

图1-3 边坡稳定性验算简图

表1-1 土坡稳定性计算表

由此计算得到K=2.238
（2）同理，确定第二个过坡脚滑动面，在辅助线上做圆2，半径R=63.82m，将结果列入表中，验算其稳定性：

1-2 土坡稳定性计算表

由此计算得到K=1.99
（3）确定第三个过坡脚滑动面，在辅助线上做圆3，半径R=66.81m，将结果列入表中，验算其稳定性：

表1-3 土坡稳定性计算表

由此计算得到K=1.838
（4）确定第四个过坡脚滑动面，在辅助线上做圆4，半径R=70.56m，将结果列入表中，验算其稳定性：

表1-4 土坡稳定性计算表

由此计算得到K=1.73
（5）确定第五个过坡脚滑动面，在辅助线上做圆5，半径R=74.80m，将结果列入表中，验算其稳定性：

表1-5 土坡稳定性计算表

由此计算得到K=1.675

1.3 最危险滑动面验算
如回归图所示：
图1-4 边坡稳定性验算回归图
结论：由《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）知粘性土稳定安全系数为1.35 回归图得K=1.675>1.35，故边坡稳定性符合要求。
第二章 挡土墙设计与验算
2.1 设计资料
2.1.1 墙身构造
本设计任务段中K6+000~k6+020的横断面左右侧填土高度达到36.89米，为了减少填方量，收缩边坡，增强路基的稳定性，拟在本段设置一段重力式路堤挡土墙，其尺寸见挡土墙设计图。

图2-1 k6+020截面
拟采用浆砌片石仰斜式路堤挡土墙，墙高H=11.83m，墙顶填土高度为a=16.59，顶宽2米，底宽4.48，墙背仰斜,坡度为-0.25:1，(α=-5°)，基底倾斜，坡度为，(=11°)，墙身分段长度为10m。
2.1.2 车辆荷载
根据《路基设计规范(JTG 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
其中: 根据规范和查表
γ为墙后填土容重
2.1.3 土壤地质情况
填土为粘土，土的粘聚力，内摩擦角，墙背与填土间的摩擦角,容重为,粘性土地基，容许承载力为，基底摩擦系数取0.36。
2.1.4 墙身材料
采用7.5号砂浆，25号片石,砌体容重为；按规范:砌体容许压应力为，容许剪应力为，容许拉应力为。

2.2 墙背土压力计算
对于墙趾前土体的被动土压力，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，采用四级台阶,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，1:1.75，1:2.0。
图2-2 挡土墙设计图
2.2.1 破裂面计算
假设破裂面交于荷载中部，则:

= (24.35+11.83)2
=1308.99

=24.35×44.7/2-0.5×11.83×(11.83+2×24.35) ×0.087
=513.07

其中：
破裂角：
2.2.2 验算破裂面是否交于荷载内侧：
破裂面至墙踵(H+a)tgθ=(11.83+24.35)×tg43°12′=33.97m
荷载内缘至墙踵-H tgα+b+d=-11.83×0.087+44.7+0.5=46.23m
荷载外缘至墙踵-H tgα+b+d +lo=-11.83×0.087+44.7+0.5+7.5=53.73m
∴33.97<46.23<53.73 交于荷载内侧。
2.2.3 主动土压力计算

土压力Ea 作用位置=2.77m，Z x =3.94m
2.3 墙身截面性质计算
2.3.1截面面积
A=429m2
∴ 墙身重心到墙趾的水平距离

墙身重力：
G=k ΣAi=23×42.9=986.7kN
2.3.2抗滑稳定性验算
验算采用“极限状态分项系数法”。
滑动稳定方程：
=[1.1×986.7+1.40×(111.82+706×0.2)-0.5×0]×0.36+(1.1×986.7+1. 40×111.82) ×0.2-1.40×706+0.3×0
=188.1>0
将数据代入方程后计算，满足要求。

∴ 所以抗滑稳定性满足要求。
2.3.3 抗倾覆稳定性验算
验算采用“极限状态分项系数法”。
倾覆稳定方程：

0.8×986.7×2.964 +1.3×(111.18×3.94-706×2.77)+0.5×0
= 366.8>0
将数据代入方程后计算，满足要求，所以抗倾覆稳定性满足要求

∴ 所以抗倾覆稳定性满足要求
2.3.4 基底应力及合力偏心距验算
为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力，应进行基底应力验算；同时，为了避免挡土墙不均匀沉陷，控制作用于挡土墙基底的合力偏心距。
基础地面压应力
①轴心荷载作用时：

=(986.7×1.2+1.4×111.18) ×cos+1.4×706×sin=1489.68 kPa
所以=1489.68÷(4.48×1)=332.5kPa<[σ]=350kPa
故基础地面压应力满足要求。
②偏心荷载作用时作用于基底的合力偏心距

故偏心距与基础地面压应力均满足要求。
2.3.5 墙身截面强度计算
(1)强度计算，要求：
ak==0.96为轴向力偏心影响系数，
按每延米长计算：

=1.05×[1.2×986.7+1.4×16.06]=1266.9kN
=0.96×4.48×900÷2.31=1675.7kN
所以 <,故强度满足要求。
(2)稳定计算：
要求：
其中：
=
=1÷{1+0.002×6.98×(6.98-3)×[1+16×(0.215/3.7]}=0.899
≤=0.899×0.96×4.48×900/2.31=1506.4kN，
故稳定性满足要求。
2.3.6 正截面直接受剪验算
要求：≤ ,其中==706kN，
=4.48×180÷2.31+0.42×1489.68=974.8kN
即〈，抗剪满足要求。
由上述可得K6+020截面的挡土墙符合要求，挡土墙最终截面按照拟定设计。

第三章 结论
经过6个月的艰苦奋战，我终于完成了我大学3年最后的成果，毕业设计。由于在学习过程中的不认真，导致在设计写作的过程中还是有一定的困难，有好多知识要重新学习，边学边用，可是我没有太难而放弃我自己独立研究和思考的机会，老师告诉我们要敬业，要做一行，爱一行，要有不怕吃苦的精神，因此，我会在以后的人生道路上信心满满的下去。
本设计是在导师胡雪钦的悉心指导下完成的。导师在论文的选题，挡土墙的设定以及挡土墙的优化等方面都对我进行严格的要求和悉心指导。同时感谢路桥系的其他老师，谢谢你们对我三年的栽培和教导，不仅丰富了我的知识，而且开阔了我的视野。
本设计根据汽车行驶的力学性质和行驶的要求，进行了道路设计，对平面线形要素进行计算。同时对道路纵断面和平纵线形进行设计，然后以某公路高填方挡土墙K5+600~ K7+000桩号为依托，用简化Bishop法对边坡稳定性进行分析，确定最危险滑动面。其中，最重要的部分为道路挡土墙进行设计与验算，该路段为重力式挡土墙，对墙背土压力和墙身截面进行设计计算，同时进行验算，最终确定挡土墙设计符合要求，进行拟定设计。

参考文献
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[2]冷伍明. 基础工程可靠度分析与设计理论[M]. 长沙: 中南大学出版社.2000. 9
[3]王国体. 土坡稳定可靠度指标分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2002, 25 (3) : 398-402
[4]姚继武，陈东伟. 土坡稳定可靠度分析[J]. 岩土工程学报，1994, 16 (2) :80 – 87
[5]蔡阳. 重力式挡土墙可靠度研究[硕士学位论文]. 西南交通大学，2004
[6]茜平一，陈晓平. 天然地基承载力可靠度研究[J]. 岩土力学，1999.6
[7]钱铁柱. 防滑混凝土凸桦与浆砌石重力挡土墙的联合应用[J]. 水利水电技术，2003. 6
[8]陈忠达. 公路挡土墙设计[J]. 北京:人民交通出版社，1999.10
[9]尉希成. 支挡结构设计手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社，1995.9
[10]《建筑结构荷载规范》 GB5009-2001
[11]《岩土工程勘察规范》 GB50021-2001
[12]《灌溉与排水工程设计规范》 GB50288-99

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