边坡稳定性设计

1、重力式挡土墙设计

2、边坡稳定性设计

3、沥青混凝土路面设计

4、水泥混凝土路面设计

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学       号：**********

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日       期：2013年1月3日

第1题  重力式挡土墙设计    1

1.1设计资料    1

1.2设计任务    1

1.3设计参数    1

1.4车辆荷载换算    2

1.5主动土压力计算    2

1.6挡土墙计算    5

第2题  边坡稳定性设计    9

2.1设计资料    9

2.2汽车荷载换算    9

2.3圆弧条分法    10

2.4结果分析    15

第3题  沥青混凝土路面设计    17

3.1设计资料    17

3.2设计轴载与路面等级    17

3.3确定土基回弹模量    19

3.4路面结构组合设计    20

3.5路面厚度计算    21

3.6竣工验收弯沉值和层底拉应力计算    22

第4题  水泥混凝土路面设计    24

4.1设计资料    24

4.2交通分析    24

4.3初拟路面结构    24

4.4路面材料参数确定    24

4.5荷载疲劳应力    25

4.6温度疲劳应力    26

1重力式挡土墙设计

1.1设计资料

(1)浆砌片石重力式仰斜路堤墙，墙顶填土边坡1:1.5，墙身纵向分段长度为,路基宽度，路肩宽度.

(2)基底倾斜角，取汽车荷载边缘距路肩边缘.

(3)设计车辆荷载标准值按公路－I级汽车荷载采用，即相当于汽车—超20级、挂车 120（验算荷载）。

(4)墙后填料砂性土容重,填料与墙背的外摩擦角；粘性土地基与浆砌片石基底的摩擦系数，地基容许承载力.

(5)墙身采用2.5号砂浆砌25号片石，圬工容重，容许压应力，容许剪应力，容许拉应力.

1.2设计任务

(1)车辆荷载换算。

(2)计算墙后主动土压力及其作用点位置。

(3)设计挡土墙截面，墙顶宽度和基础埋置深度应符合规范要求。进行抗滑动稳定性验算及抗倾覆稳定性验算。

(4)基础稳定性验算与地基承载力验算。

(5)挡土墙正截面强度及抗剪强度验算。

1.3设计参数

1.3.1几何参数

墙高，取基础埋深,墙身纵向分段长度；墙背仰斜坡度1:0.2，，墙底倾斜度，倾斜角；墙顶填土高度，填土边坡坡度1:1.5，，汽车荷载边缘距路肩边缘.

1.3.2力学参数

墙后砂性土填料内摩擦角，填料与墙背外摩擦角，填土容重；墙身采用2.5号砂浆砌25号片石，墙身砌体容重,砌体容许压应力,砌体容许剪应力,砌体容许拉应力；地基容许承载力.

1.4车辆荷载换算

查阅《公路路基设计手册》，按车带宽均摊的方法，计算各级荷载换算土柱高，并确定车辆荷载作用宽度。

1.4.1计算荷载：汽车—超20级

汽车—超20级对应的换算土层厚度，内数值大于分段长度,取从而求得.车辆荷载作用宽度.

1.4.2验算荷载：挂车—120

挂车—120，，布置在路基全宽上。车辆荷载作用宽度.

1.5主动土压力计算

1.5.1计算荷载：汽车—超20级

1)计算破裂角

假设破裂面交于荷载中部，则

堤顶破裂面至墙踵：

荷载内缘至墙踵：

荷载外缘至墙踵：

因，故破裂面交与荷载中部，假设正确。

2)计算主动土压力

，

水平分量 

竖直分量 

3)主动土压力作用点位置

因墙底倾斜，故取修正值

其中，挡土墙顶宽由1.6栏中的试算确定。

1.5.2验算荷载：挂车—120

计算方法和公式同计算荷载，在式中取，.计算结果如下：

1)计算破裂角

假设破裂面交于荷载中部，则

堤顶破裂面至墙踵：

荷载内缘至墙踵：

荷载外缘至墙踵：

因，故破裂面交与荷载中部，假设正确。

2)计算主动土压力

，

水平分量 

竖直分量 

3)主动土压力作用点位置

因墙底倾斜，故取修正值

其中，挡土墙顶宽由1.6栏中的试算确定。

1.6挡土墙计算

比较计算荷载与验算荷载，发现验算荷载的土压力较大。由于基底摩擦系数较小，估计为滑动控制，故先采用验算荷载即挂车—120的土压力计算。这里只对荷载组合Ⅱ进行计算。经试算，取挡土墙顶宽.

图1-1  重力式挡土墙设计示例

1.6.1墙身自重计算

墙身体积，

,

，

墙身自重，

, ，

1.6.2抗滑稳定性与抗倾覆稳定性验算

作用于墙底（即基底）的竖向力，

抗滑稳定系数，满足抗滑要求。

墙身自重力臂，

抗倾覆稳定系数

满足抗倾覆要求。

验算结果表明，断面尺寸由滑动控制，故不必采用汽车—超20级的土压力计算。

1.6.4基底应力及合力偏心距验算

竖向力至墙趾A的距离，

墙底斜宽

基底合力偏心距，基底应力，满足要求。

1.6.5墙身截面强度验算

墙面、墙背相互平行，截面最大应力出现在接近基底处。偏心距和基底应力经检验均满足要求。墙身截面应力也能满足墙身材料要求，故可不做检验。

综上可知，所拟截面符合要求，挡土墙顶宽.

2边坡稳定性设计

2.1设计资料

路线经过区域路基填土为粘土，边坡为梯形边坡，分两级，土力学的指标：塑限14%，液限27%，含水量19%，天然容重18KN/m3，粘聚力19KPa，内摩擦角27°，公路按一级公路标准，双向四车道，设计车速为80Km/h，路基宽度为24.5m，荷载为车辆重力标准值550KN，中间护坡道取2m，车道宽度3.75m，硬路肩2.5m，土路肩0.75m，进行最不利布载时对左右各布3辆车。

2.2汽车荷载换算

在进行边坡稳定性分析时，需将车辆按最不利情况排列，去单位长度路段，并将车辆的设计荷载换算成当量土柱高度.

按《公路工程技术标准》规定,对于标准车辆荷载前后轮最大轴距为12.8m.取后轮轮距为1.8m，相邻两车后轮中心间距为1.3m，轮胎着地宽度为0.6m，则

m

其中，为横向分布车辆数，

为一辆车的重力，

为横向分布车辆轮胎最外缘之间的总距,

m.

2.3圆弧条分法

2.3.1用4.5H法确定圆心辅助线

①自坡脚点向下作垂线，垂线长.

②自点向右作水平线,.即圆心辅助线上一点。

③平均边坡，据此查表得.

④以点为中心，把逆时针旋转角至；以点为中心，把水平线顺时针旋转角至；即为圆心辅助线上另一点。

⑤连接,并延长至,则即为圆心辅助线。结果如图所示。

图2-1  4.5H法确定危险圆心辅助线

2.3.2假设滑动曲线通过路基中线

1)计算步骤

①圆弧范围内土条分10段,每段宽3.45m.

②计算曲线每一分段距圆心竖线之间的偏角，

其中，为各段中心横坐标，圆心竖线右侧为正，左侧为负，

为滑动曲线半径。

③将土条底部曲线近似看做直线，计算个分段面积，其中包括土柱部分面积。

④取路堤1m长，计算各分段重力.并计算其法向分量，切向分量.

⑤直接用CAD读出滑动曲线总长.

⑥计算稳定系数，

其中，摩擦系数，粘聚力.

2)计算结果

通过CAD软件对土条10等分，取每段土条中位线深度作为土条深度，并记下相关数据。

图2-2  滑动曲线通过路基中线

具体数据如下表所示:

表2-1  曲线通过路基中线的边坡稳定性分析

最后算得边坡稳定系数.

2.3.3滑动曲线通过距左边缘路基1/4路基宽度处

用类似的方法对土条10等分，仍取每段土条中位线深度作为土条深度，结果如下，

图2-3  滑动曲线通过距左边缘路基1/4路基宽度处

具体数据如下表所示:

表2-2  曲线通过距左边缘路基1/4路基宽度处的边坡稳定性分析

最后算得边坡稳定系数.

2.3.4滑动曲线通过距右边缘路基1/4路基宽度处

用类似的方法对土条12等分，仍取每段土条中位线深度作为土条深度，结果如下，

图2-4  滑动曲线通过距右边缘路基1/4路基宽度处

具体数据如下表所示:

表2-3  曲线通过距右边缘路基1/4路基宽度处的边坡稳定性分析

最后算得边坡稳定系数.

由以上结果可知，第二条曲线（通过距左边缘路基1/4路基宽度处）稳定系数最小，而且是最靠左边，故下面再计算通过路基左边缘的滑动曲线的稳定系数。

2.3.5滑动曲线通过路基左边缘

对土条7等分，取每段土条中位线深度作为土条深度，结果如下，

图2-5  滑动曲线通过路基左边缘

具体数据如下表所示:

表2-4  曲线通过距右边缘路基1/4路基宽度处的边坡稳定性分析

最后算得边坡稳定系数.

2.4结果分析

由以上结果可知，第二条曲线（通过距左边缘路基1/4路基宽度处）为极限滑动面，其稳定系数满足范围（1.25—1.50）要求，因此所给边坡满足边坡稳定性要求。

3.沥青混凝土路面设计

3.1设计资料

广州郊区（IV区）某新建双向2车道二级公路，拟采用沥青混凝土路面，行车道划双线分隔。路基土为高液限粘土，地下水位为－1.05m，路基填土高度0.5m，预计通车初年的交通组成及交通量如下表所示：

表3-1  预测交通组成及交通量

3.2设计轴载与路面等级

路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。

3.2.1以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标 

1)轴载换算

采用公式，

其中，为标准轴载的当量轴次(次/日)

为轴数系数

为轮组系数，双轮组为1.0，单论组为6.4

为各种被换算车辆的作用次数(次/日)

为各种被换算车辆的轴型(kN)

为标准轴载(kN)

当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，此时轴数系数为1；当轴间距小于3m时，双轮或多轮的轴系数按公式计算，式中为轴数。

轴载换算结果见下表，

表3-2  以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标的轴载换算

沥青路面二级公路设计年限以12年计，双向两车道车道系数，则累计当量轴次，

(次)

属于中等交通。

3.2.2以半刚性材料层的拉应力为设计指标

1)轴载换算

采用公式，

其中，为轴数系数

为轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5

其余符号意义同前。单轴，双轮或多轮的轴系数按公式计算，式中为轴数。

轴载换算结果见下表，

表3-3  以半刚性材料层的拉应力为设计指标的轴载换算

沥青路面二级公路设计年限以12年计，双向两车道车道系数，则累计当量轴次，

(次)

3.3确定土基回弹模量

3.3.1确定临界高度

广州郊区（IV区），路基土为高液限粘土，查表取路基临界高度.

3.3.2拟定土的平均稠度

地下水位为－1.05m，路基填土高度0.5m，,故土基属中湿路基，查表取平均稠度。

3.3.3预估路基回弹模量

再根据土类和自然区划以及平均稠度，并考虑到采用重型击实标准时，路基回弹模量可较表列数值提高20%-35%，取土基回弹模量设计值为.

3.4路面结构组合设计

3.4.1拟定路面结构组合方案

二级公路中等交通路面宜采用双层结构，面层类型选择沥青混凝土。其中，表面层采用细粒式密集配沥青混凝土，下面层采用粗粒式密集配沥青混凝土。由于沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应，故基层和底基层分别采用石灰粉煤灰碎石基层和石灰土稳定碎石。

拟定方案：3cm细粒式密集配沥青混凝土+7cm粗粒式密集配沥青混凝土+20cm石灰粉煤灰碎石基层+?石灰土稳定碎石,以石灰土稳定碎石为设计层。

3.4.2各层材料设计参数

查表，确定各层材料的抗压回弹模量。当以路表弯沉值为设计验算指标时，取标准试验温度为20℃；当以层底拉应力为设计验算指标时，取标准试验温度为15℃。然后查表确定各层材料劈裂强度，并借助HPDS2003A软件计算各层材料容许拉应力（容许拉应力计算公式为，抗拉强度结构系数按结构材料类型选择相应公式计算）。软件计算结果如下表： 

表3-4  各层材料设计参数

3.5.1设计弯沉

二级公路等级系数，沥青混凝土面层系数，半刚性基层沥青路面结构类型系数，故设计弯沉，

3.5.2路面结构厚度计算

同样借助HPDS2003A软件计算。首先,确定设计层最小厚度为15cm,路面最小防冻厚度50cm.然后输入抗压模量、容许应力、设计弯沉、厚度等参数，进行厚度计算。

1) 按设计弯沉值计算设计层厚度

LD=27.01(0.01mm)

H(4)=20cm      LS=29.3(0.01mm)

H(4)=25cm      LS=26.1(0.01mm)

H(4)=23.6cm(仅考虑弯沉)

2)按容许拉应力验算设计层厚度

H(4)=23.6cm(第1层底面拉应力验算满足要求)

H(4)=23.6cm(第2层底面拉应力验算满足要求)

H(4)=23.6cm(第3层底面拉应力验算满足要求)

H(4)=23.6cm(第4层底面拉应力验算满足要求)

路面设计层厚度：

H(4)=23.6cm(仅考虑弯沉)

H(4)=23.6cm(同时考虑弯沉和拉应力)

3)验算路面防冻厚度

路面最小防冻厚度50cm，验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求 。

3.5.3各结构层厚度

对设计层厚度取整，得到各结构层厚度最终结果，

细粒式密集配沥青混凝土：3cm

粗粒式密集配沥青混凝：7cm

石灰粉煤灰碎石基层：20cm

石灰土稳定碎石：24cm

3.6竣工验收弯沉值和层底拉应力计算

仍然利用HPDS2003A软件。输入抗压模量、厚度等参数，进行竣工验收弯沉值和层底拉应力计算。

1)计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值

第1层路面顶面竣工验收弯沉值LS=26.6(0.01mm)

第2层路面顶面竣工验收弯沉值LS=29.1(0.01mm)

第3层路面顶面竣工验收弯沉值LS=34.6(0.01mm)

第4层路面顶面竣工验收弯沉值LS=82(0.01mm)

土基顶面竣工验收弯沉值，

LS=261.9(0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式)

LS=207(0.01mm)(根据“测试规程”第56页公式)

2)计算新建路面各结构层底面最大拉应力

第1层底面最大拉应力σ(1)=-.273(MPa)

第2层底面最大拉应力σ(2)=-.068(MPa)

第3层底面最大拉应力σ(3)= .069(MPa)

第4层底面最大拉应力σ(4)= .134(MPa)

可见，各结构层底面最大拉应力均小于各自的容许拉应力，故满足应力要求。

4水泥混凝土路面设计

4.1设计资料

公路自然区划III区拟新建一条二级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽9米，经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为6000，试设计该路面厚度。（取交通量年平均增长率为6%）

4.2交通分析

查表知，二级公路设计基准期为20年，可靠度设计标准的安全等级为三级，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39.设计基限期内的设计车道标准荷载累积作用次数为

查表知，该公路属特重交通等级。

4.3初拟路面结构

相应于安全等级为三级的变异水平等级为中级。根据二级公路、特重交通等级和中级变异水平，查表初拟普通混凝土面层厚度为.基层选用沥青混凝土，厚.垫层，低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽，长.纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

4.4路面材料参数确定

查表，取特重交通等级的普通混凝土面层弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量为.

根据中湿路基路床顶面当量回弹模量经验参考值表，取路基回弹模量为.根据垫层、基层材料当量回弹模量经验参考值表，取低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量为，沥青混凝土基层回弹模量为.

按相应公式计算基层顶面当量回弹模量如下：

普通混凝土面层的相对刚度半径，

4.5荷载疲劳应力

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力，

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数.考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数.根据公路等级，查表得到考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合修正系数.

荷载疲劳应力按相应公式计算，

4.6温度疲劳应力

查表，Ⅲ区最大温度梯度取℃/m.板长，，普通混凝土板厚，查图得.温度翘曲应力，

温度疲劳应力系数，

温度疲劳应力，

查表知，二级公路安全等级为三级，变异水平等级为中级，目标可靠度为85％，据此再查表的可靠度系数.

故所选普通混凝土面层厚度为满足设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳应力要求。