路基工程课程设计Word下载.docx
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为填土的重度
H为填土的高度
●总沉降量计算:
为第i层自重应力对应的含水量,
为第i层自重应力与附加应力和对应的含水量
为第i层土的高度,
为总的沉降量
●固结度计算:
,
,
为压缩系数,
为渗透系数,
为土的空隙比
为固结厚度
2.2计算过程
2.2.1应力系数计算
在计算路基沉降过程中,填土高度为2m,填土重度为19kN/m3,上口宽为28m,边坡1:
1.5,可得下口宽为34m,因此,填土荷载可以简化为梯形分布,其最大的强度为p=γh=19×
2=38kPa。
将梯形荷载分解为两个三角形荷载(ebc)和(ead)之差,因此
,计算图示如下:
计算各点的应力系数如下:
荷载面积
z=0
z=0.5
z=3
z=10
z=20
ebo
1
0.5
0.03
0.49
0.18
0.45
0.59
0.33
1.18
0.22
eaf
0.04
0.48
0.21
0.43
0.71
0.30
1.43
0.19
2.2.2分层总和法总沉降计算
根据分层总和法,以地下水位和不同土层为分界线,同时每1m分一层,计算总的沉降量,计算简图及计算过程如下:
深度
自重应力
附加应力
自重应力平均值P1i
附加应力平均值
△P
总应力平均值P2i
受压前空隙比e1i
受压后空隙比e2i
分层压缩量
38
9.5
37.87
4.75
37.935
42.685
0.890295
0.860706
0.007827
14
37.68
11.75
37.775
49.525
0.884835
0.855371
0.007816
2
23
37.33
18.5
37.505
56.005
0.87957
0.851517
0.014925
3
32
36.9
27.5
37.115
64.615
0.87255
0.846561
0.013879
4
50
36.54
41
36.72
77.72
1.08178
1.043498
0.018389
5
68
36.33
59
36.435
95.435
1.06072
1.0272
0.016266
6
86
36.2
77
36.265
113.265
1.04416
1.014245
0.014634
7
104
36.08
95
36.14
131.14
1.0276
1.002448
0.012405
8
122
35.98
113
36.03
149.03
1.01442
0.990634
0.011808
9
140
35.88
131
35.93
166.93
1.00254
0.978826
0.011724
10
158
35.72
149
35.8
184.8
0.99066
0.967032
0.011621
11
175.5
35.66
166.75
35.69
202.44
0.978945
0.956
0.011595
12
193
35.61
184.25
35.635
219.885
0.967395
0.948847
0.009428
经过计算,在此时总的沉降量
2.2.3施工期固结度计算
路基施工周期为2年,计算引起主要沉降的土层即第二层灰色淤泥质亚粘土在施工期等压固结后的固结度:
其中Cv=5.37×
10-3(cm2/sec),H=12m
由此可以看出,该路堤工后沉降占总沉降的47%左右,约为0.092m。
满足工后沉降小于0.1m的控制指标要求,故可以采用此种低路堤设计。
3.软土层应力控制验算
3.1荷载组成分析:
1)行车荷载:
设计年限内每车道累计标准轴载作用次数为10000000,无超载。
荷载计算简图如下:
2)路堤自重荷载:
路堤填土重度
为
梯形分布,梯形上底28m,下底34m高2m。
3.2行车荷载应力计算
已知灰色淤泥质亚粘土层无侧限抗压强度Qu=0.6kg/cm2=60kPa,则在反复荷载作用下,考虑到塑性变形的积累,以及该层土为饱和粘性土,其抗压临界应力值为[σu]=0.09
,Qu=5.4kPa,当重复应力超过次临界值时,土的塑性变形会随荷载次数的增加而急剧增大。
采用布辛奈斯克解,将标准轴载等效为作用在轮胎中心的集中荷载。
标准轴载轴距为2.4m,后轴一侧两轮中心矩为0.32m;
等效后的集中力为25kN。
分别对道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的附加应力,以及周围集中力分布最为密集的集中力下方该土层顶端的附加应力进行验算,这些点为附加应力较大的点。
验算公式为
其中:
F为集中力,
Z为计算点的深度,
为系数,与r/z有关,r为计算点至荷载作用点的水平距离。
验算道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的附加应力,其中z=5m。
由于荷载对称分布,只需计算半结构引起的附加应力即可。
计算表如下:
点号
r/z
1.79
1.73
1.39
1.33
0.99
0.65
0.32
0.25
0.0129
0.0144
0.0317
0.0357
0.0344
0.1978
0.3849
0.4103
计算得到道路中心线下方灰色淤泥质亚粘土层顶端的行车荷载附加应力为:
,满足承载力要求。
同理验算道路其他集中荷载点的应力,均满足要求。
这里不做一一验算。
3.3路堤自重作用的应力计算
根据前面沉降分析得到了路堤自重的应力计算值,在利用应力叠加的办法求解,得到各分层点的应力值如下:
27.36
经过计算,可以发现自重应力也满足要求,故该路堤满足承载力要求。
4.造价估算
低路堤设计填方两较少,在上海平原微丘区施工成本较低,项目支出大多为人力及材料成本,在没有考虑用地及其他外部成本支出的情况下,对低路堤项目人材机的费用支出如下表。
项目
数量
单位
单价(元)
费用(万元)
人工
60000
人*日
300
材料
土方
12000
m3
30
36
黄砂
600
0.3
碎石
10000
55
生石灰
700
2.24
粉煤灰
1300
45
5.85
路面用碎石
2600
60
15.6
改性石油沥青
900
t
4000
360
能源(柴油及电能)
草皮
3000
m2
6.5
1.95
机械及运输费用
各种施工机械平均约5万元每月
200
三项总费用
1277
第三部分高路堤设计
1.2路堤极限填土高度确定
在不控制软土地基处理和不控制填土速率的情况下,确定路堤的极限填土高度,由于上海地区存在一定厚度的硬壳层(>
1.5m),故采用下式进行估算。
其中,
为软土层的直剪块剪试验的粘性力指标,
为路堤填土重度,
为硬壳层厚度。
假设填土为表层的褐黄色亚粘土,查得各项数据值为:
Ck=25kPa,
=19kN/m3,硬壳层厚度
=3m得,极限填土高度为5.8m。
2.一般填土路堤沉降计算
选用表层褐黄色亚粘土作为填土材料,填土高度设为5m,边坡坡度按1:
1.5设计,则路堤的上口宽为28m,下口宽为45m,总的沉降计算,方法同前。
由此得到一般填土路基的总的沉降计算如下表:
94.76
94.88
99.63
0.826215
0.01694984
93.51
16.25
94.135
110.385
0.881325
0.820496
0.04849963
92.33
36.5
92.92
129.42
1.08817
1.003583
0.08101563
91.16
91.745
159.745
1.05244
0.983568
0.06711202
89.96
90.56
194.56
1.02036
0.96059
0.05916728
89.68
89.82
229.82
0.9966
0.944774
0.05191445
84.76
87.22
262.72
0.97317
0.931285
0.04245473
228
78.45
210.5
81.605
292.105
0.952695
0.919237
0.03426859
16
263
71.21
245.5
74.83
320.33
0.938345
0.907665
0.03165618
18
298
66.56
280.5
68.885
349.385
0.923995
0.895752
0.02935855
20
333
64.42
315.5
65.49
380.99
0.909645
0.882794
0.02812135
由此计算得到总的沉降量为0.49m。
由于该路基施工周期为2年,计算引起主要沉降的土层即第三层灰色淤泥质粘土等压固结后的固结度:
其中Cv=0.8×
10-3(cm2/sec),H=20m
可以看出,该填土路堤在施工期的沉降较小,沉降主要集中在工后阶段,这部分沉降仍占总沉降的80%左右,约为0.388m。
尽管没有考虑硬壳层导致的应力扩散作用,以及随深度增加压缩模量的增大而使计算的附加应力偏大,偏安全,但工后沉降量仍然远远高出沉降控制量,因此采取软基加固措施是很有必要的。
3.加固路堤沉降计算
3.1加固路堤的填料选择
对于上述的填土路堤,我们发现由于附加应力的作用,导致路堤的工后沉降过大,不能满足变形要求。
因此,我们采用EPS轻质路堤对软基进行加固。
EPS材料具有超轻质、耐压缩、自立性强、耐水性强等特性。
容重一般进为沙土的1/50—1/100,吸水性很差。
利用EPS轻质路堤可以减少地基顶面的垂直土压力,减少软土地基的沉降,同时还能降低侧向土压力,简化支挡结构物,是一种比较经济、实用价值高的材料。
在高路堤的设计中选择该材料进行地基的加固。
3.2加固地基处理方法
对地基进行处理,主要对地面以下第一层褐黄色亚粘土层,第二层灰色淤泥质亚粘土层以及第三层灰色淤泥质粘土层进行处理,处理方式为:
1)路堤以下厚度为3m的褐黄色亚粘土采用聚苯乙烯泡沫(EPS,ρ=20Kg/m3,Es=6MPa)换填。
同时对地下水进行处理,将水位降至-3m以下。
2)采用等压预固结,设置袋装砂井降水,砂井采用正三角形布置,间距L为1.5m,深度20m,即伸入灰色淤泥质粘土层底部。
EPS顶部设置厚度为0.5m的砂垫层与砂井顶部相接。
加速路堤排水过程,减少固结时间。
3.3加固地基应力计算
由于采用了EPS地基加固,换填了表层下面的褐黄色亚粘土,就减少了地基顶面的垂直土压力,这样,路堤的附加应力相对降低,此时,各点的附加应力计算式为:
其中
为未做地基处理时的附加应力
为加固地基的自重压力
为未做地基处理时的自重压力
3.4加固地基沉降计算
采用EPS加固后的附加应力,利用前面相同的方法进行路堤的沉降计算,
计算简图如下:
此时路基的表层土被EPS置换,由于EPS的容重远远小于天然土的容重(约为1%),故可以忽略该部分EPS的重量,经过加固后的地基在地表下3m处的自重应力可以近似看成0,所以,各土层前后自重应力差为
,利用分层总和法重新计算路基的总沉降量为:
63
62.76
62.88
0.855
0.84753
0.00201358
61.51
62.135
0.847962
0.00569135
60.33
60.92
69.92
1.12722
1.050674
0.07196848
54
59.16
59.745
95.745
1.08888
1.026915
0.05932883
90
57.96
72
58.56
130.56
1.04876
1.00283
0.04483649
126
57.68
108
57.82
165.82
1.01772
0.979559
0.03782606
161
52.76
143.5
55.22
198.72
0.99429
0.957845
0.03654955
196
46.45
178.5
49.605
228.105
0.97119
0.945477
0.02608886
231
39.21
213.5
42.83
256.33
0.951465
0.933905
0.01799704
266
34.56
248.5
36.885
285.385
0.937115
0.921992
0.01561379
301
32.42
283.5
33.49
316.99
0.922765
0.909034
0.01428245
在计算到16m处的时候,附加应力已经小于自重应力的20%,此时的总沉降为0.302m。
经过比较可以发现,采用EPS对地基进行加固后的沉降(0.302m)小于一般填土路基的沉降(0.49m)。
在施工期内进行等压固结,由于采用砂井排水,取砂井的影响半径
作为排水距离H的计算值,各层的工后沉降计算如下表:
土层
固结系数Ch(10-3cm2/sec)
排水距离H(m)
时间因数Tv
固结度U
工后沉降
(m)
EPS材料
沉降主要在工期内完成,工后沉降约为0
灰色淤泥质亚粘土
8.14
0.8
4.0
灰色淤泥质粘土
1.4
0.67
0.84
0.048
工后沉降量为S=0+0+0.048=0.048(m)<
0.1m,同时考虑填筑EPS带来的应力扩散,以及土的压缩模量随深度增加而增大,工后沉降量完全满足工程要求。
3.5EPS抗浮验算。
由于EPS材料密度远小于水,当地下水位上升时,可能导致EPS材料浸水而产生一定的浮力,为了防止因材料因受水的浮力而产生应力应变变化,需要对EPS进行抗浮验算。
在本项目的设计中,由于EPS位于地表以下,填筑时必须考虑尽可能的排尽基坑内的水后再施工。
防止产生浮力而影响地基的稳定性和承载能力。
在高路堤的设计中,路面填土的重量为γh远大于EPS材料受到的浮力,因此不会因为EPS受浮力作用导致下层的结构破坏,因此可以说抗浮性能满足基本的要求。
4.挡土墙设计
4.1挡墙尺寸设计
根据条件,为满足排水要求,设置挡墙的形式为路堤墙,墙高设为4m,
填土高为5m,则高出挡墙部分的路堤高a=1m,b=1.5m,
设置挡墙上表面水平,宽4m,破裂面交于荷载内延伸至墙角,
,则下底宽为5.46m,墙后填土为褐黄色亚粘土,
,经过计算可以得到,
,取墙身容重为24kN/m3。
4.2挡墙应力分析
车辆荷载采用15级的重车,车重200KN,车辆荷载纵向分布长度L=4.2m,车辆荷载横向分布宽度B=nb+(n-1)d+e.其中:
双向四车道,n=4;
b=1.8m;
d=1.3m;
e=0.6m;
则计算车辆荷载换算土柱高度h0
应力分析图及应力计算如下:
1)计算破裂面与垂直面的夹角
2)计算总的压力与所在的位置
4.3挡墙验算
1)墙体的重量计算
墙身体积:
墙自重
2)滑动稳定性验算
不满足要求
故将挡土墙底部内倾
此时
满足要求
3)倾覆稳定性验算
4)偏心距验算
满足要求
5)基底应力
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