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生 毕 业 论 文（设 计）

挡土墙的类型及适用条件

III

公路挡土墙设计
内容摘要

随着我国公路事业的迅速发展，公路挡土墙的应用日益广泛。公路挡土墙的建设是公路施工中的一项重要内容。挡土墙对公路的养护作用至关重要 ，因此要严格控制挡土墙的设计和施工质量的控制。
本文介绍了挡土墙的类型及使用条件，挡土墙设计的基础资料及设计参数，挡土墙的初定尺寸，分析了挡土墙设计中的土压力计算方法，探讨了采用容许应力法进行挡土墙验算的内容及方法，并对挡土墙设计中的重要问题提出较为合理可行的建议与措施。后附设计实例。
关键词：挡土墙；土压力；稳定性验算；

目 录

内容摘要 I
概 述 1
1 挡土墙的类型及适用条件 2
1.1 重力式挡土墙 2
1.2 悬臂式挡土墙 2
1.3 扶壁式挡土墙 2
1.4 锚定板式及锚杆式挡土墙 2
1.5 加筋土挡土墙 2
1.6 土钉墙 3
2 挡土墙设计的基础资料及设计参数 4
2.1 基础资料 4
2.2 设计参数的选取 4
2.2.1 墙背填料的物理学性质 4
2.2.2 墙背摩擦角 4
2.2.3 基底摩擦系数 4
2.2.4 地基容许承载力 4
2.2.5 建筑材料的容重 4
2.2.6 砌体的容许应力和设计强度 4
2.2.7 砼的容许应力和设计强度 4
3 挡土墙选型 5
3.1 材料选择 5
3.2 截面形式的选择 5
3.3 挡土墙的位置选择 5
4 挡土墙初定尺寸 6
4.1 挡土墙的高度 6
4.2 挡土墙的顶宽 6
4.3 挡土墙的底宽 6
5.挡土墙的稳定性验算 7
5.1 作用在墙上的诸力 7
5.1.1 墙身自重 7
5.1.2 土压力 7
5.1.3 基底反力 8
5.2 稳定性验算 8
5.2.1 抗滑动稳定性验算 8
5.2.2 抗倾覆稳定性验算 10
5.2.3 基底应力及偏心距验算 11
5.2.4 墙身断面强度计算 12
6 墙后回填土的选择 13
6.1 理想回填土 13
6.2 可用回填土 13
6.3 不能用的回填土 13
7 挡土墙设计关键措施 14
7.1 基础加固措施 14
7.2 排水措施 14
7.3 沉降缝与伸缩缝的设置 14
7.4 材料的要求 14
7.5 设计控制重点 14
8 工程实例 15
8.1 初定挡土墙截面尺寸 15
8.2 土压力计算 15
8.3 抗滑动稳定性验算 16
8.4 抗倾覆稳定性验算 16
8.5 地基承载力验算 16
9 结束语 18
参考文献 19

概 述

公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡的土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。在公路工程中，挡土墙可以稳定路堤和路堑边坡，以及桥台、隧道洞口和河流堤岸等处，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治塌方，滑坡等路基病害。
路基工程中，挡土墙的建筑费用较高，故路基设计时，应与其他可能的工程方案进行技术、经济比较，择优选定。因此，深入探讨各种公路挡土墙的设计原理与方法，以及优化挡土墙结构的选型具有重要的工程实际意义和潜在的巨大经济效益。

1 挡土墙的类型及适用条件
挡土墙的形式多种多样，按其结构形式可分为：重力式、衡重式、，悬壁式、扶壁式、加筋土式、锚杆式、锚定板式。各类挡土墙的适用范围取决于墙址地形。工程水文地质，建筑材料，墙体用途，施工方法，技术经济条件及当地的经济因素等。
1.1 重力式挡土墙
重力式挡土墙一般由石头砼材料砌筑。重力式挡土墙是靠墙身自重保证墙身稳定的，因为，墙身截面较大，适用于小型工程，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。
1.2 悬臂式挡土墙
当地基土质量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应力，故墙身截面面积较小。
1.3 扶壁式挡土墙
由墙面板、墙趾板、墙踵板和扶肋组成，既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。
1.4 锚定板式及锚杆式挡土墙
锚定板挡土墙是由预制的钢筋混泥土立柱、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的内力平衡，必须保证锚定板构造周围的整体稳定和土的摩阻力大于由土自身和荷载产生的土压力。
锚杆式挡土墙是由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或 的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中。墙后侧向土压力由挡土板传给立柱，由锚杆与稳定岩层或土层之间的锚固力，使墙获得稳定。它适用于墙高较大，缺乏石料或挖基困难地区，具有锚固条件的路堑挡土墙。
1.5 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力，把土的侧压力传给拉筋，从而稳定土体。既是柔性结构，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、震动作用、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。
1.6 土钉墙
土钉墙是由面板、土钉与边坡相互作用形成的支档结构，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挡岩土以保证边坡稳定。

2 挡土墙设计的基础资料及设计参数
2.1 基础资料
挡土墙设计时，必须具备以下资料：路线平面图、纵断面图、横断面图，地质资料（包括工程地质勘测报告、工程物探报告），地震勘测报告，水文资料，总体设计资料及构造物一览表等。
2.2 设计参数的选取
2.2.1 墙背填料的物理学性质
对于山岭重丘二、三级公路的挡土墙设计，当缺乏试验数据时，填料的计算内摩擦角及容重可参照表1和表2选用：
表1 填料内摩擦角ψ参考值
土的种类
块石
大卵石、
碎石类土
小卵石、砾石、
粗砂、石屑
中、细、
砂质土
粉砂
粘土
内摩擦角（°）
45
40
35
30
26
14-21
表2 填料标准容重
土的种类
砾石、碎石、砾质土
砂、砂质土
粉土、粘性土（ω1＜50%）
石灰土
（石灰10%）
粉煤灰
容重（KN/m3）
20
19
18
18
15
2.2.2 墙背摩擦角
填土与墙背间的摩擦角δ应根据墙背的粗糙程度及排水条件的确定。山区公路中，对于浆砌片石墙体、排水条件良好均可采用δ=ψ/2。
2.2.3 基底摩擦系数
基底摩擦系数μ应依据基底粗糙程度、排水条件和土质确定。
2.2.4 地基容许承载力
地基容许承载力可按照《公路设计手册·路基》及有关设计规范规定选取。
2.2.5 建筑材料的容重
根据有关设计规范规定选取。
2.2.6 砌体的容许应力和设计强度
根据有关设计规范规定选取。
2.2.7 砼的容许应力和设计强度
根据有关设计规范规定选取。
3 挡土墙选型
3.1 材料选择
通常挡土墙的高度是由任务要求确定的，即考虑墙后被支挡的填土呈水平时墙顶的高程。有时，对长度很大的挡土墙，也可使墙顶低于填土顶面，而用斜坡连接，以节省工程量。
浆砌片石挡土墙取材容易，施工简便，适用范围比较广泛。山区公路中，石料资源较为丰富，在挡土墙高≤10米时，因地制宜，采用浆砌片石砌筑，可以较好的满足经济、安全方面的要求。
3.2 截面形式的选择
根据挡土墙结构类型及其特点分析，当墙高＜5米时，采用重力式挡土墙，可以发挥其形式简单，施工方便的优势。同时，由于山区公路地面横坡比较陡峭，若采用仰斜式挡土墙，会过多增加墙高，断面增大，造成浪费，采用俯斜式挡土墙会比较经济合理。一般在路堑墙、墙趾处地面平缓的路肩墙或路堤墙等情况下，才考虑采用仰斜式挡土墙。当墙高≥5米时，且地基条件较好时，采用衡重式挡土墙，可以有效地减小截面，节省材料。
3.3 挡土墙的位置选择
在挖方边坡比较陡峭时，采用路堑挡土墙，可以降低边坡高度，减少山坡开挖，避免破坏山体平衡；在地质条件不良的情况下，还可以支挡可能坍滑的山坡土体。
对于采用路肩挡土墙或路堤挡土墙，应结合具体条件考虑，必要时应作技术经济比较。因为路堤挡土墙承受荷载较大，受力条件较为不利，截面尺寸也较大，所以当路堤挡土墙与路肩挡土墙的墙高或截面圬工数量较为接近，基础情况相仿时，采用路肩墙比较有利。

4 挡土墙初定尺寸
4.1 挡土墙的高度
通常挡土墙的高度是由任务要求确定的，即考虑墙后被支挡的填土呈水平时墙顶的高程。有时，对长度很大的挡土墙，也可使墙顶低于填土顶面，而用斜坡连接，以节省工程量。
4.2 挡土墙的顶宽
挡土墙的顶宽为构造要求确定，以保证挡土墙的整体性，具有足够的强度。对于砌石重力式挡土墙，顶宽应大于0.5m。对于素混凝土重力式挡墙顶宽也不应小于0.5m。对于钢筋混凝土悬臂式挡土墙顶宽不小于0.3m。
4.3 挡土墙的底宽
挡土墙的底宽由整体稳定性确定。初定挡土墙底宽B≈(0.5～0.7)H，挡土墙底面为卵石、碎石时取小值；墙底为粘性土时取大值。
挡土墙尺寸初定后，进行挡土墙抗滑稳定与抗倾覆稳定验算。若安全系数过大，则适当减小墙的底宽；反之，安全系数太小，则适当加大墙的底宽或采取其他措施，以保证挡土墙既安全又经济。

5.挡土墙的稳定性验算
5.1 作用在墙上的诸力
5.1.1 墙身自重
墙身自重W竖直向下，作用在墙体的重心。挡土墙型式与尺寸初定后，W 为：

W-墙身自重
C-挡土墙顶宽
B-挡土墙基底宽度
H-挡土墙高度
-混凝土容重
若经验算后，尺寸修改，则W需重新计算。
5.1.2 土压力
挡土墙是支挡土体的结构物，它的断面尺寸与稳定性主要取决于土压力。挡土墙的位移情况不同，可以形成不同性质的土压力。当挡土墙受土体侧压力作用向外位移或倾覆时，土压力随之减小，直到墙后土体达到向下滑动的极限平衡状态时，作用于墙背的土压力称为主动土压力；当挡土墙由于外力作用向土体挤压移动式，土压力随之增大，直到墙后土体达到向上滑动的极限平衡状态时，土体对墙的抗力称为被动土压力；当挡土墙在原来位置而不产生位移时，作用于墙背的土压力称为静压力。
路基挡土墙都有可能向外位移或倾覆，墙背受到的土压力为主动土压力。对于墙趾前土体的被动土压力，为偏于安全。往往略去不计。
挡土墙承受的主动土压力一般按库伦定律计算。
主动土压力计算公式：

-墙后填料的容重，KN/m3；
K-主动土压力系数
-墙背与填料间的摩擦角，（°）；
-墙背倾斜角，（°）；
《公路设计手册-路基》中，以库伦理论为基础，按墙后填土表面的形状和车辆荷载分布情况的不同，推导出各种情况下的主动土压力计算公式，设计时可根据实际情况查表计算。
5.1.3 基底反力
挡土墙基底反力可分解为竖向的法向分力和水平分力两部分。为简化计算，法向分力与偏心受压基底反力相同，呈梯形分布，合力用∑V表示，作用在梯形的重心。基底反力的水平分力用∑H表示，如图5.1所示。

图5.1 挡土墙基底受力图
以上3种力为作用在挡土墙上的基本荷载。此外，若排水不良，墙后填土积水，需计算水压力。填土表面堆料以及地震区还应计入相应的荷载。
5.2 稳定性验算
挡土墙的设计应保证其在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。因此在设计挡土墙时，应验算挡土墙沿基底的抗滑动稳定性，绕墙趾的抗倾覆稳定性，基底应力和偏心距，以及墙身强度等。一般情况下，主要由基底承载力和滑动稳定性来控制设计，墙身应力可不必验算。挡土墙的力学计算取单位长度计算。
挡土墙设计所用的荷载与荷载组合按交通部部颁标准（JTJ 021-89）《公路桥涵设计通用规范》的规定采用。
5.2.1 抗滑动稳定性验算
如图5.2所示，在主动土压力的水平分力Ex作用下，使挡土墙向外滑动，抵抗滑动的是基础底面与地基之间的摩阻力。抗滑力与滑动力的比值称为抗滑稳定系数，用Kc表示，在一般情况下： 如下（图1）
图5.2挡土墙抗滑移稳定验算
ZW
E
εE
δ
O
Zy
W
Ey
Ex
Zx
（W+Ey）f
B
ε

(1)将作用在挡土墙上的土压力E分解为两个分力；
(2)水平分力EX为使挡土墙滑动的力，EX=Ecos(δ+ε)；
(3)竖向分力EY和墙自重W引起的摩擦力为抗滑力，EY=Esin(δ+ε)；
(4)抗滑力与滑动力的比值，称为抗滑稳定安全系数，记为Kc；
(5)抗滑稳定验算公式：
式中：W-挡土墙自重，KN
Ex,Ey-主动土压力的水平与垂直分力，KN
f-基础底面与地基土之间的摩擦系数。可通过现场试验确定，当无实测资料时，可按下表选用；
-容许的抗滑动稳定系数，对于荷载组合I-IV为1.3，荷载组合V为1.2
基底摩擦系数
地基名称
f
地基名称
F
粘性土
软塑状态
0.25
砂类土
0.40
硬塑状态
0.30
碎石类土
0.50
半干硬状态
0.30-0.40
软质岩土
0.40-0.60
轻压粘土
0.30-0.40
硬质岩土
0.60-0.70
(6)当Ks＜时，表明挡土墙的抗滑稳定性不足，可考虑采用下列措施，以增加其抗滑动稳定性。
①采用倾斜基底，设置向内倾斜的基底，可以增加抗滑力和减少滑动力，从而增加其抗滑稳定性。基底倾角，对于土质地基不陡于1：5；对于岩石地基不陡于1:3；
②采用凸榫基础，在挡土墙基础底面设置混凝土凸榫，与基础连成整体，利用凸榫前土体所产生的被动土压力以增加挡土墙的抗滑性能；
③更换基底土层，以增大基础底面与地基之间的摩擦系数；
④改变墙身断面形式和尺寸，以增大垂直力系，但单纯扩大断面尺寸，收效不大，也不经济。
5.2.2 抗倾覆稳定性验算
挡土墙的抗倾覆稳定性是指抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力。墙趾总的稳定力矩与总的倾覆力矩之比称为抗倾覆稳定系数，挡土墙的抗倾覆稳定性分析如图5.2所示。

ZW
Zy
W
Ey
Ex
Zx
O
E
H
5.3 挡土墙抗倾覆稳定验算

(1)抗倾覆稳定验算以墙趾O点取力矩进行计算(参见图3.2)；
(2)主动土压力的水平分力Ex乘以力臂Zx为使墙倾覆的力矩；
(3)主动土压力的竖向分力Ey乘以力臂Zy与墙自重W乘以力臂Zw之和为抗倾覆力矩；
(4)抗倾覆力矩与倾覆力矩之比值称为抗倾覆稳定安全系数，记以K0；
(5)抗倾覆稳定验算公式：

式中：K0—容许的抗倾覆稳定系数，对于荷载组合I=1.5；荷载组合II-IV为1.3；荷载组合V为1.2；
Zw 、Zx、Zy—分别为W，Ex，Ey对O点的力臂，m。
(6)若倾覆稳定性验算结果不满足要求，则应采取以下的措施来解决：
①修改挡土墙尺寸，如加大墙底宽，增大墙自重，以增大抗倾覆力矩。这一方法要增加较多的工程量，通常并不经济；
②伸长墙前趾，增加混凝土工程量不多，但需增加钢筋用量；
③将墙背做成仰斜，可减小土压力，但施工不方便；
④做卸荷台，位于挡土墙竖向墙背上，形如牛腿。卸荷台以上的土压力，不能传到卸荷台以下。土压力呈两个小三角形，因而减小了总的土压力，使倾覆力矩减小。
5.2.3 基底应力及偏心距验算
（如下图2）作用于垂直力为N=W+Ey，基底合力的偏心距为e0，按力矩平衡原理可计算N对墙趾O的力臂ZN
Zn=

图2

ZW
O
Zy
W
Ey
Ex
Zx
（W+Ey）f
B

N

ZN
e0
B/2

合力的偏心距e0按下式求的
e0==-
在偏心荷载作用下，基底的最大应力和最小应力为：
=
式中 N—基底合力垂直于基底面的分力KN
—作用于挡土墙上的水平力和竖向力对基底重心的弯矩，KN。M
A —基底底面的面积，m2，对1m长挡土墙而言A=B
B —基底宽度 m
W0—基础底面的截面抗低距，m3 ，W0=B2
e0 —基底合力的偏心距，m
[σ]—地基容许承载力，KPa。按现行《公路桥涵地基与基础设计规范》取值。
当e0＞时，σ2为负值，即基底墙踵一侧出现拉应力，这是不容许的，可仅按受压区计算基底最大压应力，不考虑基底承受拉应力，其最大应力σmax按下式计算：

从上述分析可知，合力偏心距e0直接影响到基底应力的大小和性质，如e0过大，即使基底应力小于地基容许承载力，但由于墙趾压应力σmax与墙踵压应力 σmin相差过大，亦可能引起基础产生不均匀沉陷，从而导致墙身过分倾斜，为此应控制偏心距。偏心距应符合下列要求：
土质地基:e0,石质较差的岩石地基:e0, 坚硬的岩石地基：e0。
5.2.4 墙身断面强度计算
通常取一、两个截面进行验算。验算截面可选在基础底面、墙高处或上下墙交界处等。
墙身截面强度验算包括法向应力和剪应力的验算。剪应力包括水平剪应力和斜剪应力两种，重力式挡土墙只验算水平剪应力，而衡重力式挡土墙还进行斜截面剪应力的验算。

6 墙后回填土的选择
根据上述土压力理论进行分析，通常希望作用在挡土墙上的土压力值越小越好。这样可使挡土墙断面小，省方量，降低造价。各种土压力中，最小的土压力为主动土压力Pa，而Pa的数值大小与墙后填土的种类和性质密切相关。由此可见，挡土墙后的填土应作为挡土墙工程的组成部分进行设计与选择。
6.1 理想回填土
卵石、砾石、粗砂、中砂的内摩擦角φ大，主动土压力系数小，则作用在挡土墙上的主动土压力小。上述粗粒土为挡土墙后理想的回填土。
6.2 可用回填土
细砂、粉砂、含水率接近最优含水率的粉土、粉质粘土和低塑性粘土为可用的回填土，如当地无粗粒土，外运不经济，可就地取材。
6.3 不能用的回填土
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都将产生额外的土压力，对挡土墙的稳定性产生不利影响，故不能用作墙后的回填土。

7 挡土墙设计关键措施
7.1 基础加固措施
为减少基地压应力,增加抗倾覆的稳定性。在墙趾处伸出一台阶， 以拓宽基底。墙趾台阶的跨度不小于20cm，台阶高宽比可采用3:2或2:1。地基为软弱土层时，可用砂砾，碎石，矿渣或灰土等质量较好的材料换填，以扩散基底压应力，满足设计要求。
7.2 排水措施
对于浆砌石挡土墙，应在墙前地面以上设置一排泄水孔。墙较高时。可在墙上部加设泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圆孔，孔眼间距2-3米。上下排泄水孔错开设置。泄水孔进水应设置反滤材料。
7.3 沉降缝与伸缩缝的设置
为避免地基不均匀沉降引起强身开裂，需按墙高和地基性质的变异，设置沉降缝，同时，为了减少圬工砌体因收缩硬化或温度变化作用而产生裂缝，需设置伸缩缝。挡土墙的沉降缝和伸缩缝设置在一起。每隔10-15米设置一道，缝宽2-3米，自墙顶做至地基，缝内宜用沥青麻絮。沥青竹絮或涂以沥青的木板等具有弹性的材料，沿墙的内、外、顶三侧填塞，填塞深度不小于15cm。
7.4 材料的要求
石料须经过挑选。 质地均匀，无裂缝，不宜风化。石料的抗压强度不低于30mpa 尽量采用较大的石料砌筑，块石应大致方正。其厚度不小于15cm 宽度和长度相应位厚度的1.5-2.0倍和1.5-3.0倍。
7.5 设计控制重点
对于俯斜式挡土墙，由于所受土压力较大，所以设计时应注意其稳定和抗倾覆的验算。对于衡重式挡土墙，一般较容易满足稳定要求，墙身断面的强度成为挡土墙设计中主要的控制指标。所以一定要采用高强度的材料砌筑。

8 工程实例
已知某混凝土挡土墙如图8.1所示：高度H=6.0m，墙背倾斜ε=10°，填土表面倾斜β=10°，墙摩擦角δ=20°，=30°，重度γ=18.5KN/m3。地基承载力设计值f=180KPa。

图8.1 挡土墙示意图
8.1 初定挡土墙截面尺寸
由已知设计资料分析，所设的挡土墙墙高6m，顶宽0.7m，底宽4.2m。
在挡土墙建成使用期间，如遇暴雨，有大量雨水渗入挡土墙后填土中，结果使填土的重度增加，内摩擦角减小，土的强度降低，导致填土对墙的土压力增大。同时墙后积水，增加水压力，对墙的稳定性产生不利影响。若地基软弱，则土压力增大引起挡土墙的失稳。因此，为了迅速排除墙后积水，在挡土墙墙身2.5m处和5m处布置10×10cm圆孔泄水孔，间距3m，上下交错设置，在泄水孔进口处设置粗粒料反滤层，以避免堵塞孔道；设置地面排水沟，引排地面水。
8.2 土压力计算
主动土压力系数：

主动土压力：

8.3 抗滑动稳定性验算
根据拟建挡土墙的条件混凝土，容重为22~24KN/m3，此处取24KN/m3，内摩擦角，可知填土为砂类土，查表可得基底摩擦系数。
墙体自重:

抗滑稳定系数:
＞1.3(安全)
8.4 抗倾覆稳定性验算
求出作用在挡土墙上各个力对墙趾O点的力臂：
自重W的力臂：
水平分力的力臂：
垂直分力的力臂：
应用公式可得抗倾覆稳定安全系数：
＞1.5（安全）
8.5 地基承载力验算
作用在基础底面上总的竖向力：

合力作用点与墙前趾O点的距离：
偏心距：
在偏心荷载作用下，基底的最大应力和最小应力为：

要满足下列公式：

由于地基承载力设计值，所以
＜
＜1.2=
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0.7m，底宽4.2m。

9 结束语
总之，挡土墙设计时，应进行详细地调查，勘测。确定构造物的形式与尺寸，运用合理的理论计算土压力。并进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理，可行的措施。以保证挡土墙的安全性。此外，在施工中要严格进行过程控制。否则将留下质量以及安全隐患，造成较大经济损失。

参考文献

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[4] 交通部部颁标准（JTJ021-89）公路桥涵设计通用规范.

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