某I级铁路路基设计-悬臂式和扶壁式挡土墙设计【兰州交通大学】
某I级铁路路基设计-悬臂式和扶壁式挡土墙设
计
The design of a Class I railroad
embankment-Cantilever and buttressed retaining
wall
专 业： 土木工程
学 号： 201903428
姓 名： 窦XX
指导老师： 孙XX
兰州交通大学毕业设计（论文）评语
兰州交通大学毕业设计（论文）任务书
兰州交通大学毕业设计(论文)开题报告表
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课题类型和性质：（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；
（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题
（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
兰州交通大学毕业设计（论文）学生自查表
指导教师签字： 年 月 日
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摘 要
铁路路基是轨道的基础，是经过开挖或填筑而形成的土工建筑物，其主要作用是满足轨道的铺设、承受轨道和列车产生的荷载、提供列车运营的必要条件。铁路路基设计主要确保路基的承载能力、稳定性、耐久性三方面的的性能要求。边坡的稳定与否理论上都运用边坡的稳定性系数进行判断。要得到边坡稳定性系数，主要运用土力学，分析边坡的稳定性方法主要有：直线滑动面法，圆弧滑动面法。要保持边坡的稳定性，目前常用的防护措施有：重力式挡土墙，悬臂式挡土墙，扶壁式挡土墙。本设计为某I级铁路路基设计-悬臂式和扶壁式挡土墙设计，主要是完成路基本体工程、路基防护工程、路基排水工程、路基支挡和加固工程的设计计算。路基的稳定性与地形条件、气候条件、地质条件、水文和水文地质条件、土的类别有关，设计跟据上述条件合理地布置挡土墙，选择适应的挡土墙类型和边坡防护类形。排水设施的设计遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理“原则，边到防水可靠，排水通畅，经济合理的目的。
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关键词：铁路路基，稳定性，土压力，挡土墙
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Abstract Railway embankment is the foundation of the track is through excavation or filling of earth structures formed, its main role is to meet the laying of tracks, train tracks and produced to withstand loads, providing the necessary conditions for train operations. Railway embankment is designed primarily to ensure that the carrying capacity of the roadbed, stability, durability three aspects of performance requirements. Slope stability or not theoretically use to judge the stability factor of the slope. To get the slope stability factor, the main use of soil mechanics, slope stability analysis methods are: linear sliding surface method, circular sliding surface method. To maintain the stability of the slope, protective measures currently used are: gravity retaining wall, cantilevered retaining wall, retaining wall buttresses. This design is a Class I railroad embankment design - and buttresses cantilever retaining wall design, the main body of the project is to complete the basic road, embankment protection works, drainage works roadbed subgrade retaining and strengthening the engineering design calculations. Stability and terrain conditions, weather conditions, geological conditions, hydrological and hydrogeological conditions of roadbed soil categories related to the design, according to the above conditions with reasonable layout retaining wall, retaining wall type and select adaptation shaped slope protection class . Drainage facilities designed to follow the \"defense, row, cut, blocking the
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combination of local conditions, comprehensive management\" principle, while the waterproof and reliable, smooth drainage, economical and reasonable purposes.
Keywords: Railway embankment, stability analysis, earth pressure, retaining walls
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目录
摘 要 ................................................................... 1
Abstract ................................................................. 2
第一章 绪论 ............................................................. 1
一、路基 .............................................................. 1
（一）路基的概念 .................................................. 1
（二）路基的作用及其在土木工程中的地位 ............................ 1
（三）路基工程的特点 .............................................. 1
第 4 页
（四）路基的建筑要求 .............................................. 1
（五）路基设计的基本内容 .......................................... 1
二、挡土墙 ............................................................ 2
（一）重力式挡土墙 ................................................ 2
（二）悬臂式、扶壁式挡土墙 ........................................ 2
（三）支挡结构设计要求 ............................................ 3
第二章 设计路基横断面 ................................................... 4
一、新建山区铁路路基的设计要求及工程地质 .............................. 4
（一）路基的设计要求 .............................................. 4
（二）新建山区铁路路基工程地质说明表 .............................. 4
二、路基的类型及设计步骤 .............................................. 5
（一）路基横断面基本形式 .......................................... 5
（二）路基的类型和构造 ............................................ 5
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（三）路基面及基床 ................................................ 7
（四）路基的设计步骤 .............................................. 8
三、路基的设计 ........................................................ 8
（一）选择路基断面形式 ............................................ 8
（二）确定路基宽度与路基高度 ...................................... 8
第三章 路基边坡稳定性设计 .............................................. 11
一、概述 ............................................................. 11
（一）边坡稳定系数 ............................................... 11
（二）火车荷载换算成土柱高度 ..................................... 12
二、直线滑动面的边坡稳定性分析 ....................................... 12
三、曲线滑动面的边坡稳定性分析 ....................................... 14
（一）圆弧滑动面的条分法 ......................................... 14
（二）圆弧滑动面的条分法设计计算 ................................. 16
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第四章 重力式挡土墙 .................................................... 23
一、重力式挡土墙的构造 ............................................... 23
（一）墙身 ....................................................... 23
（二）基础 ....................................................... 23
（三）沉降缝与伸缩缝 ............................................. 23
（四）排水措施 ................................................... 23
二、重力式挡土墙设计与计算 ........................................... 23
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（一）挡土墙的稳定性检算 ......................................... 24
（二）基底应力及偏心距检算 ....................................... 24
三、设计计算 ......................................................... 24
第五章 悬臂式、扶壁式挡土墙 ............................................ 33
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一、悬臂式挡土墙 ..................................................... 33
（一）基础资料 ................................................... 33
（二）土压力计算 ................................................. 33
（三）全墙稳定性及基础承载力验算 ................................. 36
（四）墙身结构设计 ............................................... 38
二、扶壁式挡土墙 ..................................................... 50
（一）扶壁式挡土墙尺寸 ........................................... 50
（二）扶壁式挡土墙所受各种力系的计算 ............................. 51
（三）扶壁式挡土墙外部稳定性检算 ................................. 58
（四）扶壁式挡土墙结构设计 ....................................... 58
结 论 .................................................................. 84
致 谢 .................................................................. 85
参考文献 ................................................................ 86
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外文资料翻译 ............................................................. 1
英文 .................................................................. 1
译文 .................................................................. 5
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第一章 绪论
一、路基
（一）路基的概念
路基是轨道、路面的基础，是为满足轨道铺设、路面施工和运营而修建的土工结构物，它承受着轨道及机车车辆、路面及交通荷载的静荷载和动荷载，并将荷载向地基深处传递、扩散。路基是铁道线路和道路的重要组成部分，贯穿于铁路和公路的全线。在纵断面上，路基必须保证线路需要的高程；在平面上，路基与桥梁、涵洞和隧道等连接组成完整、贯通的线路。
（二）路基的作用及其在土木工程中的地位
路基是轨道或路面的基础，它承受着轨道及机车车辆或路面及交通荷载的静荷载和动荷载，并将荷载向地基深处传递扩散。在纵断面上，路基必须保证路线需要的高程；在平
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面上，路基与桥、隧连接组成完整贯通的线路。 在土木工程中，路基在施工数量、占地面积及投资方面都占有重要地位。 路基工程包括路基本体工程、路基排水工程、路基防护和加固建筑物以及由于修筑路基而必须的改河、改沟工程等。由这些工程组成完整的体系，以保证路基正常运行、良好的工作。
（三）路基工程的特点
1.路基建筑在土石地基上并以土石为建筑材料；
2.路基完全暴露在大自然中；
3.路基同时受静荷载和动荷载的作用。
（四）路基的建筑要求
1.路基必须平顺，路基面有足够的宽度和上方界限；
2.路基必须具有足够的强度、稳定性和刚度；
3.路基必须具有足够的水、温度稳定性；
4.路基的设计和施工应满足技术经济要求。
（五）路基设计的基本内容
路基设计应根据铁路、公路打算性质、等级和技术标准，结合当地的自然条件，拟定
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正确的设计方案作为施工的依据。
路基设计的具体内容包括以下几方面：
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1.做好沿线自然情况的勘察工作，收集必要的设计资料，作为路基设计的依据，如沿线地区地质、水文、地形、地貌及气象等资料。
2根据路线纵断面设计确定的填挖高度，结合沿线地质、水文调查资料，进行路基本体工程设计。
3.根据线路沿线地面水和地下水流情况，进行排水系统的总体布置，以及地面、地下排水结构物的设计。
4. 路基防护和加固设计，包括边坡防护、冲刷防护与支挡结构物等的布置与设计计算。
5.路基工程其他设施的布设与计算，如取土坑、弃土堆和护坡道等。
二、挡土墙
（一）重力式挡土墙
1. 重力式挡土墙的构造
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挡土墙的构造必须满足强度和稳定性要求，同时还应考虑就地取材、经济合理、施工养护的方便与安全。常用的重力式挡土墙，一般由墙身、基础、排水设施与伸缩缝等部分构成。
2. 重力式挡土墙稳定性与强度检算
（1）挡土墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性检算；
（2）基底应力及偏心距检算；
（3）墙身截面应力的检算。
（二）悬臂式、扶壁式挡土墙
1. 悬臂式挡土墙
（1）采用钢筋混凝土材料，由立臂、墙趾板、墙踵板三部分组成，墙的断面尺寸较小；
（2）墙高时立臂下部的弯矩较大；
（3）宜在石料缺乏、地基承载力较低的填土地段使用；
（4）墙高不宜大于6m，当墙高大于4m宜在墙面板前加肋。
2. 扶壁式挡土墙
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（1）当悬臂式挡土墙的立臂较高时沿墙长方向每隔一定的距离加一道扶壁把墙面板和墙踵板连接起来，以减小立臂下部的弯矩；
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（2）扶壁式挡墙宜在石料缺乏、地基承载力较低的地段使用，墙高不宜大于10m。
（三）支挡结构设计要求
1.支挡结构的设计，应贯彻国家技术经济政策，按全面规划、远期近期结合、统筹兼备的原则。
2.支挡结构的设计应满足在各种设计荷载组合下支挡结构的稳定、坚固和耐久。结构类型的选择及设置位置的确定，应安全可靠、经济合理、便于施工养护，结构材料应符合耐久、耐腐蚀的要求。同时，支挡结构设计也要满足相关规范、规定的要求。
3.支挡结构荷载分类
（1）主力；
（2）附加力；
（3）特殊力。
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4.铁路列车动荷载应采用中华人民共和国铁路标准荷载（即“中—活载”）。轨道和列车荷载用换算土柱来代替。
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第二章 设计路基横断面
一、新建山区铁路路基的设计要求及工程地质
（一）路基的设计要求
新建山区铁路技术标准：双线铁路，设计行车速度120km/h，线路等级为Ⅰ级重型，列车荷载统一采用中-22级活载作为标准荷载，即“中-活载”。设计段全长345m。其中，三个断面路堤中心填高分别为13.7m、8.9m、7.4m。
（二）新建山区铁路路基工程地质说明表
1.地形地貌
该工点位于黄河阶地，地势南高北低，地形略有起伏。
2.地层岩性
工点范围内揭露地层为第四系全新统人工填筑土，冲积砂质黄土、粗圆砾土，描述如
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下：
（1）人工填筑土(Q4ml)：主要分布于既有线路堤，厚3～5m，灰黄色，以砂质黄土为主，局部夹圆砾土，稍湿，稍密-中密，Ⅱ级普通土。
（2）砂质黄土(Q4al3)：地表分布或分布于人工填筑土层下，厚4～8m，局部1～3m，灰黄色，土质较纯，局部含有少量小圆砾等，结构较为致密，可见水平层理，稍湿-潮湿，稍密-中密，Ⅱ级普通土，σ0=120kPa。
（3）粗圆砾土(Q4al6)：分布于黄土层下，厚大于5m，青灰色，浑圆状，成分以花岗岩、石英砂岩为主，粒径大于60mm约占30～45%，60～20mm约占20%，20～2m约10%，砂质充填，稍湿，中密，Ⅲ级硬土，σ0=500kPa。
3.水文地质
工点范围内未见地表水。
地下水为第四系孔隙潜水，水位埋深2～10m对混凝土及其结构具硫酸盐侵蚀性，作用等级为H1；对钢筋混凝土中钢筋具氯盐侵蚀性，环境作用等级L1。
4.不良地质与特殊岩土
工点范围内无不良地质现象，
特殊岩土为湿陷性黄土，段内分布的全新统砂质黄土具Ⅱ级自重湿陷性，湿陷性土层厚度4～8m；设计时应予以考虑并采取处理措施。
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二、路基的类型及设计步骤
（一）路基横断面基本形式
路基横断面垂直于线路中心线截取的路基断面。依其所处的地形条件不同，有各种断面形式。路基按其横断面的挖填情况分为路堤、路堑、半路堤半路堑以及不填不挖断面等。铁路路基的典型断面形式见下图。在进行路基设计时，先要进行横断面设计。横断面确定以后，再全面综合考虑路基工程在纵断面上的配合以及路基本体工程与其他各项工程的配合。
图2-1路基断面形式
（二）路基的类型和构造
在各种路基形式中，为了能按线路设计要求铺设轨道而构筑的部分，称为路基本体。它是路基工程的主体建筑物。
通常根据铁路路线设计确定的路基高程与天然地面高程是不同的。路基高于天然地面时，需要进行填筑；路基设计高程低于天然地面时，需进行挖掘。通常把垂直线路中心线截取的截面称为路基横断面。路基横断面的类型可分为以下几种：路堤、路堑、半路堤、半路堑、半路堤半路堑和不填不挖路基，而且铁路路基由路基本体和路基设备两部分组成：
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1.路基本体
在各种路基形式中，为了能按线路设计要求铺设轨道或路面而构筑的部分，称为路基本体。在路基横断面中，路基本体由路基顶面、路肩、基床、边坡、基底几部分构成。
（a） 路堤 （b）路堑
图2-2 路基本体
路基高程线路中心线设计高程为路基高程。由于线路中心线的高程与路肩高程时常相同，所以为测量工作方便起见，常用路肩高程代替路基高程。
路基高度路基设计高程与路基中心地面高程之差。
（1）路基顶面 能直接在其上面铺设轨道或铺筑面层的部分及路肩组成，称为路基顶面。在路堤中路面即为路堤堤身的顶面；在路堑中，路基面即为堑体开挖后形成的构造面。
（2）路肩 铁路路基顶面中，道床覆盖以外的部分称为路肩，其作用是保护路堤受力的堤心部分，防治道砟失落，保持路基面你的横向排水，供养护维修人员作业行走避让，放置养护机具，防洪抢险临时堆放砂石料，埋设各种标志、通行信号、电力给水设备等。在线路设计中，路基的设计高程以路肩边缘的高程表示，称为路肩高程。
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（3）基床 铁路路基面以下受到列车动荷载作用和受水文，气候四季变化影响的深度范围称为基床。其状态直接影响到列车运行的平稳和速度的提高。
（4）边坡 路基横断面两侧的边线称为路基边坡。边坡与路基顶面的交点称为顶肩。边坡与地面的交点，在路堤中称为坡脚，在路堑中称为路堑堑顶边缘。它是影响路基稳定的控制因素。
（5）基底 基底即为路堤的地基。基底部分土体的稳固性，对整个路基本体以至轨 道的稳定性都是极为关键的。
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2.路基设备
路基设备是路基的组成部分，是为确保路基体的稳固性而采用的必要的经济合理的附属工程措施。它包括排水设备和防护、加固设备两大类。 路基的排水设备分地面排水设备和地下排水设备两种。地面排水设备用以拦截地面径流，汇集路基范围内的雨水并使其畅通的流向天然排水沟谷，以防止地面水对路基的浸湿、冲刷而影响其良好状态。地下排水设备用以拦截、疏导地下水和降低地下水位，以改善地基土和路基边坡的工作条件，防止或避免地下水对地基和路基体的有害影响。 路基的防护设备用以防止或削弱风霜雨雪、气温变化及流水冲刷等各种自然因素对路基体所造成的直接或间接的有害影响。其种类很多，类型各异。常用的防护设备是坡面防护和冲刷防护。路基加固设备是用以加固路基本体或地基的工程设施，在路基工程中，有护堤、挡土墙、支垛、抗滑桩及其他地基加固措施等。
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路基加固设备是提高路基稳定的一种有效措施。 高速铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的轨下基础，而路基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚性大、稳定性和耐久性好。因此，高速铁路的路基设计要求许多方面深化设计参数保持在要求的范围之内。
（三）路基面及基床
1.铁路路基面
路基面是路基本体中实现轨道铺设和列车运行以及进行线路养护维修等构筑的工作面。它应具有足够的宽度和良好的性状。铁路一般为双线，其路基面形状为三角形。设定有中心向两侧的横向排水坡，当曲线加宽时，仍保持三角形路基面形状不变。 路基面宽度等于道床坡度角间所占用的路基宽度再加上两侧的路肩宽度。它应满足铺设轨道、设置线路及信号标志、通行维修机具和行人，便于养护维修作业，制止土体侧向挤动以保证路基核心部分的稳固等各项要求。路基面宽度与铁路等级、轨道类型、道床厚度、填料性质及路肩宽度等因素有关。
2.铁路路基基床
基床结构 路基基床应由基床表层和基床底层构成。基床表层厚度无砟轨道为 0.4m，
有砟轨道为 0.7m，基床底层厚度为 2.3m。基床底层的顶部和基床以下填料部位的顶部应设人字排水坡。
路基基床填料与压实标准 基床表层应填筑级配碎石，其压实标准应符合规定。其材料
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规格应符合下列要求：
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（1） 基床表层级配碎石材料由开山块石、天然卵石或砂砾石经破碎筛选而成。
（2） 基床表层级配碎石的粒径级配应符合的规定。其不均匀系数 Cu 不得小于15，0.02mm 以下颗粒质量百分率不得大于 3。
（3） 基床表层级配碎石与下部填土之间应满足 D15＜4d85 的要求。当不能满足时，基床表层应采用颗粒级配不同的双层结构，或在基床底层表面铺设土工合成材料。当下部填土为改良土时，可不受此项规定的限制。
（4）在粒径大于 22.4mm 的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不小于30。
（5）级配碎石粒径大于 1.7mm 的颗粒的洛杉矶磨耗率不大于 30，硫酸钠溶液浸泡损失率不大于 6。粒径小于 0.5mm 的细颗粒的液限不大于 25，塑性指数小于 6。不得含有黏土及其他杂质。 基床底层应采用A、B组填料或改良土，A、B组填料粒径级配应符合压实性能要求，寒冷地区冻结影响范围填料应符合防冻胀要求。基床底层压实标准应符合规定。
（四）路基的设计步骤
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一般路基设计包括以下内容：选择路基断面形式；确定路基宽度与路基高度；选择 路堤填料与压实标准；确定边坡形状与坡度；路基排水系统布置和排水结构设计；坡面防护与加固设计；附属设施设计等。
三、路基的设计
（一）选择路基断面形式
路基横断面设计主要是确定横断面各部分的形状和尺寸，包括路基面的宽度和形状，路基边坡的形状和坡度等。
本设计为Ⅰ级重型双线铁路路堤的设计。路基边坡的陡与缓直接影响路基的稳定性及其工程经济合理性。 路基边坡坡度应根据边坡土质的物理力学性质、边坡高度、列车荷载和工程地质条件等确定。边坡坡度一般以坡段的竖直投影和水平投影之比表示。
路堤边坡即路基填方边坡, 应根据路基填料、边坡高度和基底工程地质条件等确定。规范中一般均给出了参考值。
（二）确定路基宽度与路基高度
1.双线标准路基面宽度
铁路单线路基宽度由铺设轨道部分和路肩组成，双线路基面宽度由线间距加左、右
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两侧线路中心以外轨道的铺设宽度和路肩宽度组成。其中，路堤的路肩宽度不应小于0.8m，路堑的路肩宽度不应小于0.6m。
图2-3 双线路基面形状
双线铁路直线地段标准路基面宽度B的计算公式为：
式中： B路基面宽度，m；
A道床顶面宽度，m；
m道床边坡坡率，轻型轨道1:1.5，其余为1:1.75；
h靠近路基面中心侧的钢轨中心的轨枕底以下的道床厚度，m；
e轨枕埋入道砟深度
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