中南大學(xué)路基路面課程設(shè)計(jì)上課講義

1、中南大學(xué)土木工程學(xué)院路基路面工程課程設(shè)計(jì)學(xué)院：土木工程學(xué)院班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：時(shí)間：2013 年 7 月目錄22221.32.43.84. 111121212131.132.133.154.175.221一、重力式擋土墻第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）設(shè)計(jì)的目的要求通過本次設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，進(jìn)一步加深對路基路面工程有關(guān)理論知識的理解，掌握重力式擋土墻設(shè)計(jì)的基本方法與步驟。將設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)說明書及全部設(shè)計(jì)計(jì)算圖表編好目錄，裝訂成冊。（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容車輛荷載換算；土壓力計(jì)算；擋土墻截面尺寸設(shè)計(jì)；擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算。（三）設(shè)計(jì)資料1墻身構(gòu)造擬采用細(xì)粒水泥混凝土砌片石重力式路堤墻(如草圖1)，墻高H =？

2、 m，墻頂寬 b1 =？m，填土高度 ？m，填土邊坡 1：1.5，墻背仰斜， 1：0.25（=14°02），基底傾斜 1：5（0 = 11°18)，墻身等厚，分段長度 10m，b0 =7.0 m。2車輛荷載計(jì)算荷載：汽車 20；驗(yàn)算荷載：掛車 100。3土壤工程地質(zhì)情況墻后填土容重=18KN/m 3 ，內(nèi)摩檫角=35°，填土與墻背間的摩檫角2；粘性土地基，允許承載力0 =250Kpa，基底摩檫系數(shù)f =0.50。取荷載組合I ，抗滑穩(wěn)定性系數(shù) K c =1.3，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù) K o =1.5。4墻身材料細(xì)粒水泥混凝土砌25 號片石，砌體容重K =22KN/m

3、3；砌體允許壓應(yīng)力a =600KPa，允許剪應(yīng)力=100KPa，允許拉應(yīng)力l =60KPa。第二部分計(jì)算書正文1. 車輛荷載換算墻背后填土表面有車輛荷載作用，使土體產(chǎn)生附加的豎向應(yīng)力， 從而產(chǎn)生附加的側(cè)向應(yīng)力。 土壓力計(jì)算時(shí)， 對于作用于墻背后填土表面的車輛荷載可以近似的按均布荷載來考慮，并將其換算為重度與墻后填土相同的均布土層。（ 1）求不計(jì)車輛荷載作時(shí)的破裂棱體寬度B0計(jì)算圖示如下初步擬定 H6m,a2m,b3m,b11.5m ，查公路設(shè)計(jì)手冊（路基），由表 32 1 中第五類公式知Aab H ( H2a)tg( Ha)2則，2 36 (622) tan( 14002' )A(62

4、) 20.328350( 14002' ) 17.5038028'tan0.794于是有：tgtg(ctgtg )(tgA)0.794(cot 3500.794)(0.7940.328)0.785B0(Ha)tgHtgb(62)0.7856 tan(140 02' ) 4.51.78m（ 2）求縱向分布長度LLL0(H2a)tg 30o7.0(622)tan 30 012.77m10mL 采用10m，其中，L0 取為7.0m（ 3）計(jì)算車輛荷載總重Q車輪中心距路基邊緣0.5m，汽車 20 級，一輛車的總重力為300KN 。在 " LB0 " 范圍內(nèi)布

5、置車輪重Q ：布置車輪的寬度 l0l0 B0路肩寬 - （汽車外側(cè)車輪中線距路肩邊緣的距離- 重車后輪著地寬度的一半）=1.44-0.5- （ 0.5-0.3 ） 0.74m=Q 300 2 150KN (半輛車重 )（ 4）換算當(dāng)量土層厚度Q150h00.47mB0 L18 1.78 102. 主動(dòng)土壓力計(jì)算計(jì)算圖示如下（ 1）求破裂角假設(shè)破裂面交于荷載內(nèi)，查公路設(shè)計(jì)手冊（路基） ab2h0 (bd )H (H2a2h0 )tgA(Ha)( Ha2h0 )2 320.47(30.5)6(6222 0.47) tan( 14002' )(62)(6220.47)0.359tgtg(ct

6、gtg)(tgA)0.794(cot3500.794)(0.7940.359)0.807=38053'現(xiàn)驗(yàn)算破裂面是否交于荷載內(nèi)：堤頂破裂面至墻踵：( Ha)tg(62)0.8076.46m荷載內(nèi)緣至墻踵 : b H tand36tan( 14002' )0.55m荷載外緣至墻踵 : b H tand b036tan( 140 02' )0.57.0 12m比較得知： 56.6412 ，故結(jié)果與假設(shè)相符，所選公式正確。（ 2）求主動(dòng)土壓力系數(shù)K 和 K 1（1）中假設(shè)成立，即破裂面交于荷載內(nèi)，則采用公路設(shè)計(jì)手冊（路基）第二版表 3-2-1 采用第 6 類公式計(jì)算：Kco

7、s()tg)sin(tg)cos(380 53' 350 )(0.807 tan( 14002' )sin(380 53' 38028' )0.158h1batg320.8072.49mtgtg0.807tan( 14002')h2d0.50.90mtgtg0.807tan( 14002')h3 Hh1h2 62.490.902.61mK11 2a (1h1 )2h0 h3H2HH 2122(12.49 )2 0.47 2.611.59662662（ 3）求主動(dòng)土壓力及作用點(diǎn)位置按墻的每延米計(jì)算。墻后土體主動(dòng)土壓力： E1H 2KK1118 62

8、0.1581.596 81.70KN22水平向分力： EXE cos()81.70cos(14002'17030' ) 81.55KN豎向分力： EYE sin()81.70sin(14002'170 30' )4.94KNZ XHa( H h1 )2h0h3 (3h32H )33H 2K162(62.49)20.472.61(32.6126)33621.5962.11m因基底傾斜，土壓力對墻趾O 的力臂為：Z X 1Z X0.19b12.11 0.191.51.83mZY1b1Z X 1tg1.51.83tan(14002')1.96 m（ 4）驗(yàn)算荷

9、載：對于掛車 100 取 h00.8m ， d0 。于是：ab2h0 (bd )H ( H2a2h0 )tgA(Ha)( Ha2h0 )2 320.8(30)6(6222 0.8) tan( 14 002' )(62)(6220.8)0.367tgtg(ctgtg )(tgA)0.794(cot3500.794)(0.7940.367)0.812390 5'驗(yàn)算破裂面是否交于荷載內(nèi)：堤頂破裂面至墻踵：(Ha)tg(62)0.8126.50m荷載內(nèi)緣至墻踵 : bH tand36tan( 140 02' ) 04.5m荷載外緣至墻踵 : bH tandb036 tan(

10、140 02' )0 7.0 11.5m比較得知： 4.56.511.5 ，故結(jié)果與假設(shè)相符，所選公式正確。求主動(dòng)土壓力系數(shù)K 和 K 1Kcos()(tgtg )sin()cos(390 5'350 )0'sin(3905' 380 28' )(0.812tan(1402 )0.158h1batg320.8122.45mtgtg0.812tan( 14002' )h2d00tgtg0.812tan( 140 02' )h3Hh1h262.4503.55 mK112a (1h1 )2h0 h3H2HH 2122(12.45 )20.83.

11、551.68862662求主動(dòng)土壓力及作用點(diǎn)位置墻后土體主動(dòng)土壓力：E1H 2KK1118620.1581.68886.41KN22水平向分力： EXE cos() 86.41cos( 14 002'17030' ) 86.25KN豎向分力： EYE sin()86.41 sin( 14002' 17030 ' ) 5.23KN比較得知：驗(yàn)算荷載略大于設(shè)計(jì)荷載，故擋土墻截面設(shè)計(jì)按照驗(yàn)算荷載進(jìn)行計(jì)算。Z XHa( H h1 )2h0h3 (3h32H )33H2K162(62.45)20.83.55(33.5526)33621.6882.12m因基底傾斜，土壓力對

12、墻趾O 的力臂為：Z X 1Z X0.19b12.12 0.19 1.51.84mZY1b1Z X 1tg1.5 1.84 tan(14002' ) 1.96m3. 設(shè)計(jì)擋土墻截面（ 1）計(jì)算墻身自重 G 及其力臂ZGG1(b1H0.19b12 ) K(1.560.19 1.52 ) 22 188.60 KNG20.19b12K0.191.52224.70 KN22故 GG1G2188.60 4.70 193.30KNNG EY193.305.10198.40 KNZG11H0.19b10.25b121(60.191.5)0.251.51.46 m2ZG 20.651b10.6511.

13、50.98m（ 2）抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算NEX tan 0f198.400'0.5K c84.26 tan1118 EXN tan84.260'2.410198.40 tan1118K c K c 1.3 ，故抗滑移穩(wěn)定性滿足要求。（ 3）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算K 0G1ZG1G2ZG 2EY ZY1198.4 1.46 4.700.98 5.23 1.96EXZX186.251.921.84K 0K01.5 ，故擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。（ 4）基底應(yīng)力驗(yàn)算為保證擋土墻基底應(yīng)力不超過地基承載力，應(yīng)進(jìn)行基底應(yīng)力驗(yàn)算。B1b10.19b10.251.50.191.50.251.43mZNG

14、1ZG1 G2 ZG 2EYZY1EX ZX1G1G2EY198.4 1.464.700.985.23 1.9686.25 1.84198.44.705.230.70偏心距： eB1Z N1.430.700.02m221,2GEY (16e)193.30 5.23 (1150.48Kpa6 0.02)B1B11.431.43127.18Kpa因此，150.48Kpa0 250Kpa，地基承載力滿足要求。1,2127.18Kpa（ 5）截面應(yīng)力驗(yàn)算為了保證強(qiáng)身具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇12 個(gè)控制斷面進(jìn)行驗(yàn)算，墻面、墻背相互平行，截面的最大應(yīng)力出現(xiàn)在接近基底處。 強(qiáng)度計(jì)算要求：K ARK/K

15、N j如附圖所示，選取一個(gè)截面進(jìn)行驗(yàn)算：1-1 截面N j0 ( G NGQ 1 )0 (0.9G1.4Ey )1.0(0.9 193.301.45.23)181.29KN其中，0 重要性系數(shù)，取1.0 ；N G 恒重引起的軸向力（ KN ）， NG =193.30 KN ； N Q1 主動(dòng)土壓力引起的軸向力（ KN ）；2A 擋土墻構(gòu)件的計(jì)算截面積，A=1.5 m ；k 抗力安全系數(shù)，取 2.31 ；k 軸向力偏心影響系數(shù)881e012560.022561k =b0.995。22112 e01120.02b1于是：K ARK /K0.995 1.5600 / 2.31387.66kNN j1

16、81.29KN則擋土墻強(qiáng)度滿足要求。 穩(wěn)定性計(jì)算要求：k k ARkN jk其中：N j、 k、 A 、 R k、 k意義同前；k 彎曲平面內(nèi)的縱向翹曲系數(shù)，因H6=4 10，故認(rèn)為此擋墻是矮墻，B1.5取k =1.0 。于是：k k ARk =1.00.995 1.5 600=387.66KN N j =181.29KNk2.31則擋土墻穩(wěn)定性滿足要求。 正截面受剪時(shí)驗(yàn)算要求： Q jAj Rjf mN1k其中： Q j 正截面剪力（KN ）；Aj 受剪截面面積（ m2）， Aj =1.5m2；Rj 砌體截面的抗剪極限強(qiáng)度（Kpa）， Rj =100Kpa；f m 摩擦系數(shù)， fm =0.4

17、2。Q j =E x =86.25KN ；于是： Aj Rj kfm N11.51000.42 188.60 144.15KN Q j 86.25KN2.31則擋土墻抗剪強(qiáng)度滿足要求。4. 繪制擋土墻縱橫斷面圖（1:100）。重力式擋土墻縱橫斷面圖見附圖1。二、衡重式擋土墻第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）設(shè)計(jì)的目的要求通過本次設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，進(jìn)一步加深對路基路面工程有關(guān)理論知識的理解，掌握衡重式擋土墻設(shè)計(jì)的基本方法與步驟。將設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)說明書及全部設(shè)計(jì)計(jì)算圖表編好目錄，裝訂成冊。（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容車輛荷載換算；土壓力計(jì)算；擋土墻截面尺寸設(shè)計(jì)；擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算。（三）設(shè)計(jì)資料1墻身構(gòu)造擬采用細(xì)粒水泥混凝

18、土砌片石衡重式路肩墻（如草圖 2），墻高 H =？m，上墻 H 1 =？m，墻背俯斜 1：0.35，墻頂寬 b1 =0.5 m；衡重臺寬 d1 =0.90 m；下墻 H 2 =？m，墻背仰斜， 1：0.25（=-14°02）；墻面坡度 1：0.05，墻身分段長度 12 m，b0 =5.5 m。2土壤工程地質(zhì)情況墻后填土容重=18KN/m 3 ，內(nèi)摩檫角=34o ，上墻的假想墻背摩檫角1，下墻墻背墻背摩檫角2；地基允許承載力 0 =800Kpa，基底摩檫2系數(shù) f =0.60。取荷載組合I ，抗滑穩(wěn)定性系數(shù) K c =1.3，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù) K 0=1.5。3墻身材料細(xì)粒水泥混凝土砌

19、 25號片石，砌體容重=22KN/m 3； 砌體允許壓應(yīng)力a =800KPa，允許剪應(yīng)力 =160KPa，允許拉應(yīng)力 l =80KPa。4車輛荷載計(jì)算荷載：汽車 20；驗(yàn)算荷載：掛車 100。第二部分計(jì)算書正文1. 車輛荷載換算墻背后填土表面有車輛荷載作用，使土體產(chǎn)生附加的豎向應(yīng)力， 從而產(chǎn)生附加的側(cè)向應(yīng)力。 土壓力計(jì)算時(shí)， 對于作用于墻背后填土表面的車輛荷載可以近似的按均布荷載來考慮，并將其換算為重度與墻后填土相同的均布土層。（ 1）求縱向分布長度L初步擬定墻高 H=6m，上墻高 H1=2.4m，下墻高 H2=3.6m。由于該擋土墻為路肩墻，故填土高度為零，即a0 。LL0(H2a)tg 3

20、0 o7.06tan 30010.46m12m ，取 L=10.46m 。其中， L0 取為 7.0m（ 2）計(jì)算車輛荷載總重Q車輛荷載總重Q 按下述規(guī)定計(jì)算：縱向：當(dāng)取用擋土墻分段長度時(shí)， 為分段長度內(nèi)可能布置的車輪重力； 當(dāng)取一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車的擴(kuò)散長度時(shí)為一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車重力。橫向：破裂棱體寬度B0 范圍內(nèi)可能布置車輪重力，車輛外側(cè)車輪中心距路面（或硬路肩）、安全帶邊緣的距離為0.5m。按車帶均攤的方法計(jì)算。汽車20 級，一輛重車總重 300KN 。由于此處Q是整個(gè)路基寬度范圍內(nèi)的汽車作用力，故Q300KN 。（ 3）換算當(dāng)量土層厚度Q300h00.29mb0L18 5.5 10.462. 上墻土

21、壓力計(jì)算（ 1） 計(jì)算破裂角i ，判別是否出現(xiàn)第二破裂面假想墻背傾角1/ 為，見下圖：則有tan'H 1tg 1d12.4 0.35 0.91H10.7252.4則 1/350 56' 。假設(shè)破裂面交于荷載內(nèi)，查公路設(shè)計(jì)手冊（路基）表 3-2-2 第一類公式知ii45o45034028022tan i0.532驗(yàn)算破裂面的位置如下：第一破裂面距墻頂內(nèi)緣：H 1 (tg itg1/ )2.4(0.5320.725)3.02mb05.5m破裂面交于荷載內(nèi)， 與假設(shè)相符， 而且不可能出現(xiàn)其他情況，故采用此類計(jì)算公式。因?yàn)閕 280'0i35 56' ，所以會(huì)出現(xiàn)第二破

22、裂面。（ 2） 計(jì)算第二破裂面上的主動(dòng)土壓力 E1查公路設(shè)計(jì)手冊（路基） 表 3-2-2 第一類公式知：tg 2 (45o2)tan2 (4503402)K2)cos(4503400.602cos(45o2)K1 12h0120.29H 11.2422.4E11H12 KK1118 2.42 0.6021.24238.76KN22E1XE1 cos(i)38.76 cos(28 0340)18.20 KNE1yE1 sin(i)38.76 sin(280340 )34.22KN對上墻 O1 的力臂為H 1h02.40.29Z1 x3K130.88m33 1.2423. 下墻土壓力計(jì)算（ 1）求

23、破裂角2假定破裂面交于荷載外，采用表27-6中第五類公式計(jì)算。 破裂角計(jì)算示意圖如圖：則有：2 2 340 170 140 02' 65002' tan tan650 02' 2.148A01 (H1 H2)21 (2.4 3.6)21822B01 H 2(H22H 1)tg21 H12tg ib0dH1 (tg1/tg i ) h02213.6(3.622.4)(0.25)12.420.532 5.502.4(0.725 0.532) 0.29222.97R1E1 x18.2038.6 KNcos(i ) cos(340280 )tg 2tg(tgctg)(tgB0

24、)R1 sin(i )A0A0sincos2.148(2.148cot 340 )(2.1482.97 )38.76sin(340280 )1818 18sin 340cos65002'0.4502 24015'現(xiàn)驗(yàn)算破裂面位置如下：破裂面頂端至墻頂內(nèi)緣的距離為：Htg 2 H 2tg 2 H 1tg 1/6 0.45 3.6 0.25 2.4 0.725 3.54m比較 b05.5m3.54m ，故分析與原假設(shè)不相符，即破裂面交于荷載內(nèi)。計(jì)算圖示如下：2 2 340 170 140 02' 36058'tan 0.753Atan20.25tg 2tg(tgct

25、g )(tgA)0.753(0.753cot 340 )(0.753 0.25)0.7442 36040'現(xiàn)驗(yàn)算破裂面位置如下：破裂面頂端至墻頂內(nèi)緣的距離為：Htg 2 H 2tg 2 H 1tg 1/6 0.744 3.6 0.25 2.4 0.725 5.30 m比較 b05.5m5.30m ，故破裂面交于荷載內(nèi)。（ 2） 計(jì)算土壓力 E2cos(Ksin(22)2 tan2 )cos(360 40'340 )(tansin(36040'(0.744 0.25) 0.170)36058')K12(H1h0 )2 (2.4 0.29)112.494H 23.6

26、E21H22KK11183.620.170 2.494 49.45KN22E2 xE2 cos(22 )49.45cos( 140 02' 17 0 )49.38KNE2 yE2 sin(22 )49.45sin( 14002' 170 )2.56KNZ2xH2 H1h03.62.4 0.2933K1331.56m2.4944. 墻身截面計(jì)算因上墻頂寬 b10.5m ，則上墻底寬 b21.46m ，下墻底寬 B1.64m。（ 1） 計(jì)算墻的重力及力臂上墻墻身自重 G1G11K H1 (b1 b2 )1 22 2.4 (0.5 1.46) 51.74KN22對墻趾的力臂ZG1nH

27、 2b12b1b2b22(2b1b2 )nH 13(b1b2 )0.053.60.520.51.461.46 2(20.51.46)0.052.43(0.51.46)0.76mn 取 0.05下墻墻身自重 G 2G21K H 2b2d1B1223.6(1.460.9 1.64)116.98KN22對墻趾的力臂 B2B b2d1b2d12 2 b2d1B nH 2ZG23 Bb2d11.6421.64(1.640.9)(1.460.9)2 2(1.460.9)1.640.053.631.64(1.460.9)1.11m第二破裂面與墻背之間的土楔重G3G31H1d1d21182.4(0.90.46

28、)29.38KN22其中d2H 1tg1/tgi2.4(0.7250.532)0.46m對墻趾的力臂ZG3n H 1H 2b1H 1tg 1d22d1d2d122d2d1 H 1tg 13 d2d10.05(2.43.6)0.52.40.350.4620.90.460.92(20.460.9)2.40.353(0.460.9)1.99m土楔上荷載重 G4G4h0 d2180.290.462.40KN對墻趾的力臂ZG 4nH 1H 2b11 d10.05(2.4 3.6)0.510.91.25m22（ 2） 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算G1G2 G3G4E1YE2 Y fK CE1XE2 X(51.74116

29、.9829.382.4034.222.56)0.6237.280.618.2049.382.1167.58K c 2.11 Kc 1.3 ，故擋土墻抗滑穩(wěn)定性滿足要求。（ 3） 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算Z1YnH 2b2d1Z1 X tgi 0.053.61.46 0.9 0.88 0.532 2.07mZ2YBZ2 X tg21.641.56 (0.25)1.25mK 0MMYG1ZG1G2ZG 2 G3 ZG 3G4ZG4E1Y Z1Y E2Y Z2 YXE1X Z1 XH2E2X Z2X51.74 0.76116.98 1.1129.38 1.992.40 1.2534.222.072.56 1.25277.58158.5718.20 (0.883.6)49.38 1.561.75K 01.75 K 0 1.5 ，因此該擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。（ 4） 基底應(yīng)力計(jì)算ZNM yM x277.58 158.57(GEy )0.50m237.28eB1.640.32mZN0.5022e00.75 B0.751.640.21m e 0.32m66即偏心距大于容許偏心距， 基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于土地基不能承受拉力，則基底發(fā)生應(yīng)力重分