土木工程毕业设计(挡土墙)

第一章绪论

1．1毕业设计的目的和意义

毕业设计（论文）是教学计划最后一个重要的教学环节，是培养学生综合应用所学的土木工程基础理论、基本理论和基本技能，进行工程设计或科学研究的综合训练，是前面各个教学环节的继续、深化和拓展，是培养我们综合素质和工程实践能力的重要阶段。

毕业设计是在学完培养计划所规定的基础课、技术基础课及各类必修和选修专业课程之后，较为集中和专一地培养我们综合运用所学基础理论、基本理论和基本技能，分析和解决实际问题的能力。和以往的理论教学不同，毕业设计要求我们在教师指导下，独立地、系统地完成一个工程设计，以及能掌握一个工程设计的全过程，学会考虑问题，分析问题和解决问题，并可以继续学习到一些新的专业知识，有所创新。

1．2毕业设计课题——挡土墙的概述

公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。在路基工程中，挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。在山区公路中，挡土墙的应用更为广泛。

路基在遇到下列情况时可考虑修建挡土墙：

（1）陡坡地段；

（2）岩石风化的路堑边坡地段；

（3）为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段；

（4）可能产生塌方、滑坡的不良地质地段；

（5）高填方地段；

（6）水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段；

（7）为节约用地、减少拆迁或少占农田的地段。

在考虑挡土墙的设计方案时，应与其他方案进行技术经济比较。例如，采用路堤或路肩挡土墙时，常与栈桥或填方等进行方案比较；采用路堑或山坡挡土墙时，常与隧道、明洞或刷缓边坡等方案进行比较，以求工程技术经济合理。

1．3挡土墙的类型及适用条件

挡土墙类型的划分方法较多，一般以挡土墙的结构形式分类为主，常见的挡土墙形式有：重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式和锚定板式。各类挡土墙的适用范围取决于墙址地形、工程地质、水文地质、建筑材料、墙的用途、施工方法、技术经济条件及当地的经济等因素。

1．3．1重力式挡土墙

重力式挡土墙一般由块石或混凝土材料砌筑。重力式挡土墙是靠墙身自重保证墙身稳定的，因此，墙身截面较大，适用于小型工程，通常

墙高小于8米，但结构简单，施工方便，能就地取材，因此广泛应用于实际工程中。

1．3．2悬臂式挡土墙

当地基土质较差或缺少石料而墙又较高时，通常采用悬臂式挡土墙，一般设计成L型，由钢筋混凝土建造，墙的稳定性主要依靠墙踵悬臂以上土重来维持。墙体内设置钢筋以承受拉应力，故墙身截面较小。

1．3．3扶壁式挡土墙

由墙面板、墙趾板、墙踵板和扶肋组成，即沿悬臂式挡土墙的墙长方向，每隔一定距离增设一道扶肋，把墙面板和墙踵板连接起来。适用于缺乏石料的地区或地基承载力较差的地段。当墙高较高时，比悬臂式挡土墙更为经济。

1．3．4锚定板及锚杆式挡土墙

锚定板挡土墙是由预制的钢筋混凝土立柱、墙面、钢拉杆和埋置在填土中的锚定板在现场拼装而成，依靠填土与结构的相互作用力维持其自身稳定。与重力式挡土墙相比，具有结构轻、柔性大、工程量少、造价低、施工方便等优点，特别适合用于地基承载力不大的地区。设计时，为了维持锚定板挡土墙结构的内力平衡，必须保证锚定板结构周围的整体稳定和土的摩阻力大于由土自重和荷载产生的土压力。锚杆式挡土墙是利用嵌入坚实岩层的灌浆锚杆作为拉杆的一种挡土结构。

1．3．5加筋土挡土墙

由墙面板、拉筋和填土三部分组成，借助于拉筋于填土间的摩擦作

用，把土的侧压力传给拉筋，从而稳定土体。即是柔性结构，可承受地基较大的变形；又是重力式结构，可承受荷载的冲击、振动作用。施工简便、外形美观、占地面积小、而且对地基的适应性强。适用于缺乏石料的地区和大型填方工程。

1．3．6 土钉墙

土钉墙是有面板、土钉与边坡相互作用形成的支挡结构。它适用于一般地区土质及破碎软岩质地段，也可置于桩板挡土墙之间支挡岩土以保证边坡稳定。

土钉墙面层为喷射混凝土中间夹钢筋网，土钉要和面板有效连接，外端设钢垫板或加强钢筋通过螺丝端杆锚具或焊接进行连接。

1．4 设计给定的工程地质条件

图1 地形地质条件图

设计资料：黄土覆盖厚度 3.0m-6.0m

黄土性质：含水率 9%-14% 重度γ=13.6-15.73

/

kN m

红层软岩风化物：呈碎砾状，其中夹杂沙砾约35%

松散，含水率估计 5%-8%，重度γ=18.2-19.33

kN m，粘聚力

/

C=0。内摩擦角?=31度。墙背填土的重度为14.23

kN m,墙背

/摩擦角取为8度，基底摩擦系数为0.5,碎石土承载力标准值等

于800 kPa。挡土墙使用材料浆砌块石的容重243

kN m，钢筋

/

混凝土的容重为253

kN m。

/

1．5支挡结构的方案设计

该路基支挡工程的总体方案是：在保证工程质量的前提下，尽可能地优化方案，节约支挡结构的造价，降低施工难度，加快施工进程。综合分析考虑建筑场地的地理地质条件及工程特性，确定最为经济合理的挡土墙形式有重力式挡土墙和扶壁式挡土墙两种。为了确保设计的节约经济，科学合理，将对这两种挡土墙形都进行设计计算，确定其结构形式，以及所用材料、截面尺寸、配筋等，然后进行造价工程量的比较分析，最终确定一种最佳方案作为施工设计。

1．6 墙后回填土的选择

根据土压力理论分析可知，不同的土质对应的土压力是不同的。挡土墙设计中希望土压力越小越好，这样可以减小墙的断面，节省土石方量，从而降低造价。

（1）理想的回填土。卵石、砾砂、粗砂、中砂的内摩擦角较大，主动土压力系数小，则作用在挡土墙上的土压力就小，从而节省工程量，保持稳定性。因此上述粗颗粒土为挡土墙后理想的回填土。本设计采用此类型的填土，且回填土粘聚力等于零，墙后填土分层夯实，以提高填土质量。

（2）可用的回填土。细砂、粉砂、含水量接近最佳含水量的的粉土、粉质粘土和低塑性粘土为可用的回填土，如当地无粗颗粒，外运不经济。

（3）不宜采用的回填土。凡软粘土、成块的硬粘土、膨胀土和耕植土，因性质不稳定，在冬季冰冻时或雨季吸水膨胀将产生额外的土压力，导致墙体外移，甚至失去稳定，故不能用作墙的回填土。

第二章 公路挡土墙设计

2．1 边坡稳定性分析

为了准确把握拟建挡土墙后土体的稳定性及土压力情况，首先要对边坡进行稳定性分析。

由设计给定的工程地质条件可知，拟建的挡土墙后土体为松散的碎砾石土，其粘聚力为零，即该土坡为无粘性土土坡，必须按照无粘性土土坡的稳定性分析方法进行分析。

无粘性土形成的土坡，产生滑坡时其滑动面近似于平面，常用直线滑动面分析土坡的稳定性。均质的无粘性土坡颗粒间无粘聚力，只要坡面上的土体能保持稳定，那么整个土坡便是稳定的。

土坡的稳定性用土坡稳定安全系数来表示，抗剪力与抗切拉之比即为土坡稳定安全系数：

K=

co s sin T W tg tg T

W tg β??β

β

=

=

’

抗剪力抗切力

根据规范，边坡工程等级为二级的土坡，采用直线式滑动法分析的土坡，安全稳定系数K 取1.30，故该土坡的稳定坡角可以求出：

31

0.462

1.30

tg tg tg K

ββ=

=

=

24.8

β?=

其中 β为土坡的安全稳定坡角。

显然，所得的稳定坡角较小，与实际条件中约为60度的边坡相距甚大，因此该土坡是不稳定的，为了得到一个稳定的土坡，若不采取挡墙支护，则需要放缓坡，而实际的工程地质条件给定的坡高较高，放缓坡所需要的挖方量巨大，明显不经济，所以放缓坡不合适，必须采取挡墙支护。

2．2 重力式挡土墙的设计

重力式挡土墙是以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，它是我国目前最常用的一种挡土墙形式。重力式挡土墙多用浆砌片石砌筑，缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢筋，或只在局部范围配置少量钢筋，这种挡土墙形式简单，施工方便，可就地取材，适用性强，因而应用广泛。

由已知设计资料和工程地质条件，所设的重力式挡土墙墙高9米，顶宽1米，底宽5米，选择浆砌块石砌筑，墙背垂直，如图2-1所示。

图2-1 重力式挡土墙的截面尺寸图

2．2．1土压力计算 墙体自重W =

(1.0 5.0)924

648/2

K N m

+??=

根据拟建挡土墙的条件浆砌块石，查得墙背摩擦角为(1/3~1/2)?，此处取12

，墙后填土倾斜，β=25

，31,0

?

ε==

则查表可知主动土压力系

数Ka=0.46,墙后填土选择为黄土，容重为13.6~15.7kN/m 3

,取为14.2 kN/m 3

。所以

2

2

11/214.290.46264.5/2

a a E H K kN m

γ==

???=

土压力的竖向分力：sin ()90.5/a y

a E E kN m

δε=?+= 土压力的水平分力：co s()248.5/a x

a E

E kN m

δε=?+=

2．2．2抗滑移稳定性验算

()(64890.5)0.5

1.49 1.3()248.5

a y s a x

W E K E μ

++?=

=

=>安全

2．2．3抗倾覆稳定性验算

求出作用在挡土墙上诸力对墙趾O 点的力臂： 自重W 的力臂：

将挡墙的截面分为一个矩形和一个三角形分别计算自重：

114924432/2

G kN m

=

???=

21924216/G kN m

=??=

如图所示，得各自力臂：1

24 2.673

x

m

=

?=

2

141 4.52

x m

=+

?=

Eay 的力臂：b=5.0m Eax 的力臂：h=3.0m

应用公式可得抗倾覆稳定安全系数：

1122432 2.67216 4.590.5 5.0

248.5 3.0

3.46 1.5()

ay ax G x G x E b

K t E h ?+?+?=

??+?+?=

?=>安全

2．2．4地基承载力验算 ①作

N=W+Eay=648+90.5=738.5KN/m ②合力作用点与墙前趾O 点的距离： 1122 2.48a y a x G x G x E b E h

x m N

++?-?=

=

③偏心距：

0.020.832

6

B B e x m =

-=<

=

④基底边缘力：

m ax 218.56m in

208.326(1){

kP a kP a

N e K t

B

p

=

±

=

⑤要求满足下列公式：

m ax m in 1()213.442

p p kP a +=

由于基底为碎石土，密实状态下，基底的承载力f=800kPa. 所以

m ax m in 1()213.442

p p kP a

+=〈f=800kPa

m ax 218.56 1.2960p kP a f kP a =<=

基底平均应力及最大压力均满足要求。

最终确定挡土墙的尺寸：顶宽1.0m,底宽5.0m 。

2．3 扶壁式挡土墙的设计

扶壁式挡土墙的设计内容主要包括墙身构造设计、墙身截面尺寸的拟定，墙身稳定性和基底应力及合力偏心距验算、墙身配筋设计和裂缝开展宽度等。

2．3．1墙身构造设计

扶壁式挡土墙墙高不宜超过15m ，一般在9—10m 左右，段长度不宜大于20m ，扶肋间距应根据经济性要求确定，一般为1/4—1/2墙高，每段中宜设置三个或三个以上的扶肋，扶肋厚度一般为扶肋间距的1/10—1/4，但不应该小于0.3m 。采用随高度逐渐向后加厚的变截面，也可以采用等厚式，以便于施工。

墙面板宽度和墙底板的厚度与扶肋间距成正比，墙面板顶宽不得小于0.2m ，可采用等厚的垂直面板。墙踵板宽一般为墙高的1/4—1/2，且不小于0.5m 。墙趾板宽宜为墙高的1/20—1/5，墙底板板端厚度不小

于0.3m。

如图2-1所示。

2．3．2截面尺寸拟定

根据《建筑边坡工程技术规范》及工程地质条件，此扶壁式挡土墙墙高拟定为H=10m,分段长度为20m,扶肋间距L=4m,扶肋宽度0.6m。墙面板顶宽b=300m,为了利于施工，采用等厚垂直面板，墙底板板端厚度0.4m,墙踵板宽度B1=1m。

o.41L

L

H

B1=(1/20-1/5)H

B3=(1/4-1/2)H

a) b)

图2-1 扶壁式挡土墙构造（单位cm）

a) 平面图； b)横断面图

2．3．3 土压力的计算

图2-2 主动土压力计算图

其中 8

δ

=

，31

?

=

，ψ?δ

=+。

如图2所示，扶壁式挡土墙墙背垂直，BC 为开挖后的土坡坡面，作为第一破裂面，BC 与垂直方向的夹角为25度，ADBC 即为破裂棱体。这个棱体作用着三个力，即破裂棱体的自重W ，主动土压力的反力Ea ，破裂面的反力R 。其中Ea 的方向与墙背成δ角，由工程地质条件所给得

δ

=0

8，且偏于阻止棱体下滑的方向。R 的方向与破裂面法线成?角，同

样偏于阻止棱体下滑的方向。由于棱体处于平衡状态，因此力的三角形闭合。从力的三角形中可得：

co s()sin ()

E a W

θ?θψ+=+

式中

ψ?δ=+=

+

=

根据前面计算得的稳定坡角，此处的挡墙后填土坡度拟定为25度，填土的重度为3

14.2/kN

m

,则：

1/2()1/2cos 25

A D

B

C S a b h A E A C =+?+?

其中

3,39.6257.48,9.6a m b tg m h m

==+?==

。

,8.5A E b A C m == 所以，算得67.7A D B C S =。 主动土压力反力00

co s(2531)597.76/sin (2539)

E a W kN m

+==+。

2．3．4 墙面板设计计算

1.计算模型与计算荷载

墙面板计算通常取扶肋中到扶肋中或跨中到跨中的一段为计算单元，视为固支于扶肋及墙踵板上的三向固支板，属于超静定结构，一般作简化近似计算。计算时，将其沿墙高或墙长划分为若干单位宽度的水平板条与竖向板条，假设每一个单位条上作用均布荷载，其大小为该条单位位置处的平均值，近似按支承于扶肋的连续板来计算水平板条的弯矩和剪力，按固支于墙底板上的刚架梁来计算竖向板条的弯矩。

墙面板的荷载仅考虑墙后主动土压力的水平分力，而墙自重、土压力竖向分力及被动土压力等均不考虑。

其中土压应力为：2

/1597.76/9.662.26/hk

e E a H kN m

===

图2-3 墙面板简化土应压力图

0.54/112.97pi

hk i i e h H h σ

=?=（01/4hi H ≤≤ ）

0.531.13

pi

hk e σ

== （1/431/4H hi H <≤）

0.54(9.64)/112.97(9.6)

pi

hk e hi H hi σ

=?-=-（3/411H hi H <

≤）

2. 水平内力

根据墙面板计算模型，水平内力计算简图如图2-4所示。 各内力分别为：

支点负弯矩：22

11/121/1231.13 4.055pi M l kN m σ=-=-??=-

支点剪力： /262.26p i

Q l kN

σ

==

跨中正弯矩：2

2

21/201/2031.13 4.033pi M

l kN m

σ==??=

边跨自由端弯矩：30M = 其中，l 为扶肋间净距。

1/12

1/20

1/12

1/20

1/12

c )

b )

a

)

图2-4 墙面板的水平内力计算

a) 计算模型；b)荷载的作用图； c) 设计弯矩图。

墙面板承受的最大水平正弯矩及最大水平负弯矩在竖直方向上分别发生在扶肋跨中的1/2H1处和扶肋固支处的第三个H1/4处，如图2-5所示。

设计采用的弯矩值和实际弯矩值相比是安全的，如图4-c)所示。例如，对于固端梁而言，当它承受均布荷载时，其跨中弯矩应为2

/24

pi

l σ

，

但是，考虑到墙面板虽然按连续梁计算，然而它们的固支程度并不充分，为安全起见，故设计值按式2

1220

p i M l

σ=

确定。

3．竖直弯矩

墙面板在土压力的作用下，除了上述的水平弯矩外，将同时产生沿墙高方向的竖直弯矩。其扶肋跨中的竖直弯矩沿墙高的分布如图5所示。负弯矩出现在墙杯一侧底部H1/4范围内，正弯矩出现在墙面一侧，最

大值在第三个H1/4段内，其最大值可近似按下列公式计算： 竖直负弯矩：10.03D

hk M e H l

=-

0.0362.269.6471.72kN m

=-???=-

b )

a)

a

b

c

a

c b

d

e

图2-5 墙面板跨中及扶肋处的弯矩图

a)跨中弯矩 b)扶肋处弯矩

竖直正弯矩：10.03/417.93hk M

e H l kN m

=?=

沿墙长方向（纵向），竖直弯矩的分布如图6所示，呈抛物线形分布。设计时，可采用中部2l/3范围内的竖直弯矩不变，两端各l/6范围内的竖直弯矩较跨中减少一半的阶梯形分布。

b )

a )

-+

M

D

M D /4

图2-6 墙面板竖直弯矩图

a)竖直弯矩沿墙高分布；b)竖直弯矩沿墙纵向分布 4. 扶肋外悬臂长度l ’的确定

扶肋外外悬臂节长l ’，可按悬臂梁的固端弯矩与设计用弯矩相等求得，即：

2'2

1/121/2pi pi M l l σσ== '

0.41 1.64l l m ==

2．3．5墙踵板设计计算 1. 计算模型和计算荷载

墙踵板可视为支承于扶肋上的连续板，不计墙面板对它的约束，而视其为铰支。内力计算时，可将墙踵板顺墙长方向划分为若干单位宽度的水平板条，根据作用于墙踵板上的荷载，对每一个连续板条进行弯矩，

剪力计算，并假定竖向荷载在每一连续板条上的最大值均匀作用在板条上。

作用在墙踵板上的力有：计算墙背间与实际墙背的土重W1；墙踵板自重W2；作用在墙踵板顶面上的土压力竖向分力W3；作用在墙踵板端部的土压力竖向分力W4；由墙趾板固端弯矩M1的作用在墙踵板上引起的等代荷载W5；以及地基反力等，如图所示。

为了简化计算，假设 W3为中心荷载，W4是悬臂端荷载Ety 所引起的，实际应力呈虚线表示二次抛物线分布，简化为实线表示的三角形分布；M1引起的等代荷载的竖向应力近似地假设成图7所示的抛物线形，其重心位于距固支端5/8B3处，以其对固支端的力矩与M1相平衡，可得墙踵处的应力2

5

3

2.41/w M B σ=。

将上述荷载在墙踵板上的引起的竖向应力叠加，即可得到墙踵板的计算荷载。由于 墙面板对墙踵板的支撑约束作用，在墙踵板与墙面板的衔接处，墙踵板沿墙长方向板条的弯矩为零，并向墙踵方向变形逐渐增大。故可近似假设沿墙踵板的计算荷载为三角形分布，最大值在踵点处。如图2-7所示。 各部分应力计算：

113()14.2(9.6325)156.18W H B tg tg kN

σγβ=+=?+?=

23240.49.6W h t kN σγ==?= 33sin 3

B W E B βσ=

，其中