支护结构设计

路基支挡结构设计 由于设计的是高路堤路基，所以采用的挡土墙为重力仰斜式路堤挡土墙为浆砌片石圬工。墙与地基之间的摩擦系数f0.5，地基为黏性土质，容许承载力土=200kN/m2。墙身圬工容重=25kN/m2墙后填土=19kN/m2。25。墙背摩擦角23，墙高设计为H=10m。墙身已知条件如图所示 1.求极限破裂角tan arctan0.211 2251130.73 tantan30.70.59 设破裂面交在荷载分布范围外，包括全部荷载，用下面公式计算。 A01(aH)21(11.269.26)222210.5 1 B102ab12H(2aH)tanl0h01211.2617.231 210(211.2610)tan30.73.343.24182.11B0182.11A0.87 0210.5tantan(tancot)(tanB0A)0 0.59(0.592.146)(0.590.87)0.592.001.41-2.59取tan=1.41，有 101.41=14.1100.22.4. 破裂面交与无荷载的路肩上，与假设相符。 2.土压力系数、土压力及作用点的位置 由于地面坡度i=0.041，可先求出主动土压力系数a tantani)(tantan)cos()a(1(1tantani)sin()(10.20.041)(1.3440.2)cos78(11.3440.041)sin(532511)0.26 由于边界条件A0、B0的值在上面已经计算得出，最大主动土压力有下面公式可以得到: EA0tanB0aatantan190.26210.51.41182.111.410.2 468.26KNm 将主动土压力分解为水平土压力Ex和竖直土压力Ey，如下所示： 2 ExEacos()468.26cos(16.611) 466KN/m EyEasin()468.26sin(16.611) 45.69KN/m 按上图所示的已知几何关系，我们可以计算出图中的h1、h2、h3、h4 hatan1btantana17.2211.261.411.410.21.341.211.11(m) hk2.362tantana1.410.22.39(m)hl0tantana3.3431.410.22.76(m) h4Hh1h2h3101.112.392.763.74(m)Ea的作用点与墙底垂直距离Zx按土压力的形心可得，Ea的垂直分力与墙趾的力臂为Zy，计算结果如下所示 zH3a(3H23h1Hh21)3h0h3(h33h4)x3(H22aHah12h0h3)10311.26(310231.11101.112)33.342.67(2.6733.74)3(102211.261011.261.1123.342.67)4813.9991.624.85(m)zyBzxtana2.64.850.23.57(m)在重力支挡墙顶面处，填土的高度为零，土压力也不受土柱影响h00，H=0，所以h0;在墙高h1的范围内，当h从零增至h1；填土高度有零增至a，且仍不受土柱影响h00，土压应力图为直线，在墙顶下h1处的土压力为 3 1(ah1)a19(11.261.11)0.2661.1kN/m2 在墙高h2范围内，填土高为常数a墙顶下h1h2处土压应力为 2aa(h1h2)1h2a61.1192.390.2672.9kN/m在墙高h3范围内，因h0是常数，土压应力随h增长，即 2'2aah0(h1h2)1h2h0)a61.119(2.393.24)0.2688.9kN/m23aa(h1h2h3)1h2h3)a61.119(2.392.67)0.2686.1kN/m2在墙底处，填土高a有影响，h=H,故土压应力为Ha(aH)190.26(11.kN26m 10)重力式挡土墙验算： 墙身重G为 G=1.41025=350(KN/m) 抗滑稳定检算 （GEy)f(120045.69)0.5KC= 466Ex210=0.421.3 所以不能满足抗滑要求，需重新拟定挡土墙尺寸。 取墙顶宽为4.8m，检查稳定性： G=4.81025=1200(KN/m) （GEy)fKC=Ex(120045.69)0.5=1.34>1.3 466由于主动土压力水平方向土压力过大，需要取墙顶宽度经反复计算取挡土墙的顶面尺寸过大，不符合经济合理要求，选用其它形式的挡土 4 墙。 通过比较，选用混凝土拉筋加筋土挡土墙的设计，它结构简单、施工方便、外形美观、省时、省工、省料，且墙面板和拉筋都可在工厂预制，现场拼装，便于机械化施工，同时又能保证质量，稳定性好，节约占地，经济合理，对基础没有太高要求，适合于山区高路堤挡土墙设计。 选取里程DK49+713处作为设计断面 1. 设计资料及截面、结构设计 （1） 荷载标准为一级次重型，路堤填料为碎石土、沙砾土。根据资料条件查的换算土柱高度和宽度分别为h0=3.24m、l0=3.34m. （2） 墙面板的形状为十字形，其高为0.88m，宽度为1.40m，厚度为0.1m。混凝土强度等级C20。 （3） 拉筋采用混凝土带拉筋，其宽度为0.05m，厚度为0.12m，每块墙面板分为上下两层排，共有12根，均匀分布在土中。垂直距离Sy=0.4m,水平间距Sx=0.4m。 （4） 路堤填料为碎石土和沙砾土，土的容重为=19kN/m3，填土内摩擦角=25，土与墙背间的摩擦角=1212.5 （5） 地基容许承载力=400kpa,墙与地基间的摩擦系数f0.5 2. 荷载计算 （1）墙后填料产生的水平压力 h1kihi0.406196.449.37kpa， k01sin01sin25o0.577; 5 katan2(4502)0.406; hi6.46m;故kika0.406， （1） 由轨道和列车换算的土柱荷载产生的水平土压力，按下面公式计算 h0hihh2ib2h2i(bl0)bih2i(bl2arctan 0)hi其中：h03.25m;l03.34m，b=4.25-3.34/2=2.58m (3)作用于墙面板的水平压力，计算hih1h2i。 (4) 第i层的拉筋对应的墙面板所受侧压力，按ExhiSxSy计算。(5) 第i层的拉筋的拉筋拉力，计算公式为：TihiSxSy 其中拉筋拉力峰值增大系数取1.5 3. 拉筋长度计算 （1） 拉筋所在位置的垂直应力，按下面公式计算 h0X1X2vihi(arctanX1arctanX21X22) 21X2取线路中心线下、拉筋末端和墙背三点，其应力平均值作为计算值，则x分别为0m 、0.5m及4.25m。 6 无载时垂直压力为填料自重hi。 （2） 拉筋长度计算 无效段长，按规范0.3H法计算 LA0.H3 hih2 有效段长 LTaii2vaif 其中，a0.05m,f取0.30 拉筋最终长度：距顶深3m深以下用5.0m,以上用6m 。 4. 整体稳定性计算 将加筋土挡土墙视为实体墙，进行验算。 W16.231219803.67KN （1） 土压力计算 无载时：Ea12cos(a)2sin()sin(2a)1i) cosacos(cos(a)cos(ai)式中：墙背摩擦角； 墙背与铅垂线的夹角； 填土内摩擦角 填土表面倾斜角 25a90arctan(1/0.05)2.86/212.5i90arctan(1/0.04)2.3 19KN/m3;H20.97m 7 把以上参数带入上式中，得到： oE1cos(252.86o)a219122oooo2cos2.86ocos(12.5o2.86o)1sin(2512.5)sin(252.3)cos(12.5o2.86o)cos(25o2.3o)=371.2KN ExEacos(a)371.2cos(12.5o2.86o)365.96kN ExEacos(a)371.2sin(12.5o2.86o)62.2kN 此时，土压力强度沿墙背呈三角形分布，土压力作用点位于H/3=12/3=4m处 有载时：W'13.343.2419205.6kN，其他的跟无载下的情况一样。 （2） 抗滑稳定性验算 无载时：K0.5c(WEy)fE(803.6762.2)x365.961.32 >1.3 有载时：K(WW'Ey)fcE(803.76205.662.2)0.51.46>1.3 x365.96(3)抗倾覆稳定性验算 无载时 ： KMwMEy3.1176.23462.20M803.76Ex365.9641.981.5 有载时:: KMwMw'MEy0M Ex803.673.117205.63.3462.26.234365.9642.441.5 (4)地基应力计算 首先计算e。再根据下面的公式计算。 8 无载时： eB2MWMEyMExWE=6.234803.673.11762.26.234365.964y2803.6762.20.76B61.03 WW'Ey6e803.671.2B1205.662.2B6.234(160.866.234)24.05319.55t0.75KaHSxSyck400kpa 有载时：eB2MWM'WMEyMExWW'E= y6.234803.673.117205.63.3462.26.234365.9624803.67205.662.2 0.87B61.03 WW'Ey6e803.67205.662.260.8624.051.2B1B6.234(16.234)319.55 400kpa 以上验算均符合要求。 6.墙面板设计 对C1板进行设计，通常墙面板的尺寸是一定的，C1墙面板宽1.4m，高0.88m,,设计时只需要确定墙面板的厚度，可以根据墙面板的外力与所受的最大弯矩Mmax进行估算，根据下式确定板的厚度 t0.75KaHSxSyck 9 其中Ka=tan2(4502)0.406，=19kN/m3，H=12m., SxSy=0.4m,取ck= ft1.1N/mm20.11KN/cm2。得到t=5.6cm.考虑锚固需要及施工附加荷载影响，取板厚12cm。墙面板上拉筋布置图如下图所示。 墙面板上拉筋布置 下面对面板强度进行验算。要求面板中的弯曲应力uft （1） 垂直向：墙面板在侧向上的压力下垂直向计算图示如下图 10 墙面板计算垂直向简图 垂直向最大弯矩为Mm0qa其中.q=xhi0m249.37kpa,1m=49.37KN/m, 1Mmax0.02q=0.0249.37=0.987KN.m=987N.m. MmaxI9870.050.856N/mm2uftz1 1212340(2)水平向：墙面板在侧向土压力的水平向计算图示如下图 11 水平向最大弯矩为 Mmax0.045q0.04549.37kN/m2.221KN/m2221N.m MmaxI22210.051.01N/mm2uft z11212320墙面板素混凝土强度可以满足要求，无需按钢筋混凝土设计。但为了防止发生裂缝，可按最小配筋率min0.2%配筋。考虑构造要求等，墙面板设计见CAD图，N1、N2、N3、N4、N8均为6，长度视需要不同。N13为12. 12 墙面板配筋图（尺寸单位：m） 高路堤边坡防护措施 根据高路堤边坡现状，将需要加固防护的边坡分喷锚挂网防护和素喷混凝土防护两种类型；对边坡较高、坡面松散破碎严重，且破碎岩层较厚的地方采用喷锚网防护，而对那些边坡较低，只有少量裂缝，破碎不严重的地方则采用素喷混凝土防炉。 一、设计方案 （1）喷射混凝土厚度采用10 cm，喷射混凝土标号为C20细石混凝土。 （2）锚杆采用 Φ22钢筋；锚固深度视边坡岩层的破碎程度及破碎层的厚度而走，一般取3.5m（为防止锚杆滑出，锚杆必须置于较好的岩层面以下一定深度）；锚杆孔的深度应大于锚固深度20cm， 13 并用1：3～l：4 的水泥砂浆固结；锚杆间距采用2.0m×2.0m，梅花型布置。 （3）钢筋网的孔眼尺寸采用20cm×20cm的方孔，钢筋网采用φ6 圆钢。 二、材料选择要求 （1）水泥：应优先选用P.O42.5普通硅酸盐水泥；也可选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，水泥标号不得低于32.5#，性能符合现行水泥标准。 （2）砂：应采用坚硬耐久的中粗砂，细度模数宜大于2.5，含水率直控制在5％～7％。 （3）骨料：应采用坚硬耐久的碎石或卵石，粒径不宜大于15 mm；当采用碱性速凝剂时，不得使用含有活性二氧化硅的石材。 （4）外加剂：应选用符合质量要求的速凝剂，掺速凝剂后的喷射混凝土性能必须满足设计要求。 （5）水：混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水以及pH值小于4的酸性水和含硫酸盐量按SO 计算超过水重1％的水。 三、混合料的配合比设计 （1）水泥与砂石之重量比为1：2：2 ～1：2：3； （2）砂率宜为45％～55％； （3）水灰比宜为0.4～0.45； （4）速凝剂掺量应通过试验确定。 14 四、施工方法及技术措施 喷锚网支护的施工程序是：搭设脚手→整修边坡→制作安装设施排水孔→第一次喷射混凝土→锚杆钻孔、注浆→挂网→第二次喷射混凝土→养护→拆除脚手架。现把各工序的施工方法及技术措施简述如下： 1、搭设脚手架 脚手架搭设前必须先对现有边坡的稳定情况进行观察，确定安全后再搭设脚手架。钢管支架立柱应置于坚硬稳定的岩石上，不得置于浮渣上；立柱间距1．5m。架子宽度1．2～1.5 m；横杆高度1.8m，以满足施工操作；搭设管扣要牢固和稳定；钢架与壁面之间必须楔紧，相邻钢架之间应连接牢靠，以确保施工安全。 2、坡面整修 由于现有的岩石边坡破碎松散且不平整，故必须将松散的浮石和岩渣清除干净。处理好光滑岩面；拆除障碍物；用石块补砌空洞；用高压水冲洗受喷面；对边坡局部不稳定处进行清刷或支补加固；对较大的裂缝进行灌浆或勾缝处理；在边坡松散空洞处和坡脚处设置一定数量的泄水孔，预留的长度根据现场确定布设。 3 喷射混凝土作业 （1）喷射作业前必须对机械设备，风、水管路和电线等进行全面检查及试运转。 （2）喷射混凝土之前，用清水将坡面冲刷干净，湿润岩层表面，以确保一层后才进行定位；采用气腿式凿岩机钻孔，孔径50mm；根 15 据现场的情况确定锚杆深度一般为2.5～3.5m，钻孔要垂直边坡面。锚杆采用Φ22 钢筋，间排距200×200cm，梅花型布置。 （3）如遇岩石过于坚硬须采取加水的方式钻孔，钻孔时必须随机钻速度钻进，不能强加压力冲钻，以免影响边坡岩石的稳定。 （4）采用压力泵将1：1的水泥砂浆注入锚孔。如遇空洞不能加压太大，要保持0．1 MPa的工作压力。注浆时注浆管应插至孔底5～10cm处，随砂浆的注入缓慢匀速拔出。 注浆要保证砂浆饱满，不得有里空外满的现象。 （5）注完浆后，立即插入锚杆，若孔口无砂浆溢出，应及时补注砂浆。 4、挂钢筋网 （1）先将圆盘钢筋（直径φ6）调直，按边坡形状尺寸取料加工，按网孔20 cm×20cm的规格编织好钢筋网，分布要均匀，绑扎要牢固。 （2）编好钢筋网后，与锚杆交接处必须进行焊接，以保证喷射混凝土时钢筋不晃动。 （3）钢筋网必须紧贴混凝土表面，以保证钢筋网保护层厚度。 5、养护 （1）当最后一次喷射的混凝土终凝2h后，立即喷水养护，每天至少喷水四次。养护时间一般不得少于3d。 （2）在终凝后第一次喷水养生时，压力不宜过大，以防止冲坏喷射混凝土防护层表面。 16 （3）气温低于＋5 C时，不得喷水养护。 （4）在养生过程中如果发现剥落、外鼓、裂纹、局部潮湿、色泽不均等不良现象，应分析原因、采取措施进行修补，以防后患。 五、现场质量管理与检测 （1）严把钢筋、水泥、砂石、速凝剂等原材料质量关，并严格按配合比施工。 （2）严格操作规程：我们根据生产需要，专门制订出锚杆施工操作规程、喷射混凝土操作规程以及化验制度、机具测试维修制度、新工艺和新技术的推广制度等，使每一位施工人员都熟悉并掌握操作规程和技术要求。要求工人严格按操作规程施工，加强对其责任心的教育。 （3）加强对操作人员的培训。尤其是喷射手、搅拌人员、喷射机操作人员，一定要选择责任心强、技术熟练的工人担任，以保证喷射混凝土的质量。 （4）合理选择施工设备、机具和施工方案。施工前选好设备、机具，良好的机具是保证质量的基础。在选择施工方案时，要深入调查，进行测试研究，采用工程类比法，优化选择适合本工程的支护方式和施工方法 17