浅谈锚杆式挡土墙的设计方法
摘要：挡土墙是一种被广泛应用于水利水电、公路、铁路、桥梁、工民用建筑、矿山、码头等工程建设中的一种支挡防护构造物，它用来支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，可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，并常用于整治塌方和护坡等路基病害，在山区工程建设中，挡土墙应用更为广泛。挡土墙一般按其结构型式分类，常见挡土墙包括：重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式等；随着我国社会经济的飞速发展，挡土墙应用越来越多，其结构型式日新月异，近些年已发展出多种新型的挡土墙，如钢板桩挡土墙、锚桩式挡土墙、锚板式挡土墙、锚杆式挡土墙、加筋土挡土墙等，这类挡土墙都是以薄板作为挡土结构的（即以面板作为承受土压力的构件），因此也称为面板式挡土墙，他们在使用上有很多优点，今后也将会逐渐得到进一步发展和应用；本文主要介绍锚杆式挡土墙的设计方法。
关键词：挡土墙；面板式挡土墙；锚杆式挡土墙；
Abstract: The retaining wall is a widely used in water conservancy and hydropower, roads, railways, bridges, civil engineering, mining, port and other projects in a protective retaining structures, which is used to support the embankment or hillside soil, prevent soil backfill or deformation instability, can stabilize the embankment and road slope, reducing the volume and area of earthwork, embankment to prevent water erosion and landslides and commonly used in the remediation embankment slope protection and other diseases, construction in the mountains in retaining more widely used. Generally classified according to their structure type retaining wall, retaining wall common include: gravity, balance weight, cantilevered, supporting wall, etc.; With China’s rapid social and economic development, retaining more and more applications, it structure type rapidly in recent years has developed a variety of new retaining walls, such as steel sheet pile retaining walls, anchored pile retaining walls, retaining wall anchor plate, anchor retaining wall, reinforced earth retaining walls, etc., such as retaining walls are to thin retaining structure (ie, the panel members as to withstand earth pressure), also known as the panel retaining wall, they have many advantages in the use of the future will also be will gradually be further developed and applied; this paper describes the anchor retaining wall design.
Keywords: retaining wall; panel retaining wall; bolt retaining wall;
1概述
面板式挡土墙主要包括板桩墙和锚定墙两大类，板桩墙是指面板要打入基坑底面以下较深的情况，如钢板桩墙，木板桩墙等，他们的主要构件是立板，附属构件有支撑，拉杆等；锚钉墙是指面板仅进入基坑底面以下较浅的情况，如锚桩
墙、锚板墙、锚杆墙等，他们的主要构件是立板，附属构件有立柱、拉杆、锚杆、锚定构件等。
在锚钉墙中锚杆挡土墙应用较为广泛，锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物，锚杆的一端与工程结构物联结，另一端通过钻孔、插入锚杆、灌浆、养护等工序锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层之间的锚固力来维持结构物的稳定。作为轻型的支挡结构，锚杆挡土墙与普通圬工挡土墙相比，可以节省大量圬工材料，现已被广泛用于公路、铁路、煤矿和水利等支挡工程中。
锚杆挡土墙因锚固地层、施工方法、受力状态以及结构型式的不同，有多种形式；按墙面的结构型式可分为柱板式和壁板式锚杆挡土墙，柱板式锚杆挡土墙有挡土板、肋柱和锚杆组成，壁板式锚杆挡土墙是由墙面板和锚杆组成。锚杆挡土墙一般适用于岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可以使用，还可应用于陡坡路堤。若支护高度小于6m时，可在墙顶布置一排锚杆；若支护高度在6～8m时，可设两排锚杆；若支护高度大于8m时，需设2～4排锚杆。锚杆水平间距1～4m，上下排距2～5m。
2土压力计算
土压力是直接作用于挡墙上的外荷载。由于墙后土层中锚杆的存在，使受力状态较为复杂，目前设计中大多仍采用库伦主动土压力理论进行近似计算。
对于多级挡土墙，应利用延长墙背法分别计算每一级墙背土压力，计算上级墙时，视下级墙为稳定结构，可不考虑下级墙对上级墙的影响，计算下级墙时则应考虑上级墙的影响。为简化计算，土压力分布简化为三角形或梯形分布。
在多层锚杆墙中，挡土板上作用的土压力分布不再是三角形，而是较复杂的、不规则的曲线，土压力发生重新分布，要确切计算挡土板上作用的土压力是困难的，目前在实际设计中多采用经验估算方法。我国普遍多采用太沙基和派克根据实测资料和模型实验结果提出的经验计算图式，这组图式是最大土压力的的可能包线，用它来确定支撑荷载，详细计算方法可参阅文献[8]。
3锚杆抗拔力计算
锚固体是锚杆尾端的锚固部分，是锚杆有效受力段。锚固体抗拔力实际就是锚杆抗拔力，或称锚固力。从理论上确定锚杆抗拔力复杂而困难，除理论计算外，还应通过施工经验、现场抗拔试验结果综合比较来确定。
锚固体抗拔力通常从三方面进行计算，并取其中最小值作为设计值。这三方面为：①锚杆自身抗拔强度；②锚杆和周边介质的握裹力；③孔壁与介质之间的抗剪力。工程经验证明，通常前两项容易满足，第三项才是设计关键，所以一般中小型工程或临时工程可只计算第三项，即孔壁与介质之间的抗剪力。
（1）锚杆自身抗拔强度
工程中锚杆多采用钢筋或钢管，对于较重要的、复杂的、规模较大的加固处理工程则采用钢绞线、钢丝束、工字钢等。本次以单根钢筋为例的计算公式：
式中：——锚杆的抗拉强度（抗拔力），；
——力换算为的折算系数，取0.001；
——单根锚杆的截面面积，；
——钢筋的抗拉强度设计值，。
（2）锚杆和周边介质的握裹力
锚杆孔一般钻孔直径为100～200mm，锚杆与孔壁之间隙视填充材料而定，通常间隙为10～100mm，当填充化学材料环氧树脂时，≥5mm；为水泥砂浆时，≥15mm；为细石砼时，≥20mm。
灌孔砼及砂浆的强度等级不应低于30MPa，这里以砂浆和细石砼为介质，列出其与锚杆握裹力计算公式：
式中：——锚杆与砂浆（细石砼）的握裹力，；
——锚杆的直径，；
——有效锚杆长度（即有效锚固深度），；
——砂浆（细石砼）与锚杆的粘着力，。试验资料表明约等于砂浆（细石砼）标准抗压强度的10％～20％，钢筋与砼之间的粘着力约为：光面钢筋1.5～3.5，螺纹钢筋为2.5～6.0。取值可参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）、《边坡工程处治技术》（赵明阶主编）等文献。
（3）孔壁与介质之间的抗剪力
这里以砂浆和细石砼为介质，列出其与孔壁之间抗剪力的计算公式：
式中：——锚杆孔壁（土体）与介质（砂浆、细石砼）之间的抗剪力，；
——锚杆孔径，；
——锚杆有效锚固长度，；
——锚固段周边土层抗剪强度，也成为孔壁与砂浆或砼的抗拉设计强度，。取值可参考《地基与基础》及《建筑施工手册》、《地基处理手册》等文献。
4锚杆设计抗力及孔深
（1）锚杆抗力设计值
锚杆抗力计算值除以安全系数为锚杆抗力设计值，即
式中：——要求锚杆抵抗的外荷载，；
——锚杆抗力设计值，；
——锚杆抗力计算值，，即前文中的、和；
——锚杆安全系数；取值可参考《建筑施工手册》、《地基处理手册》及《公路路基设计规范》等文献。
（2）锚杆有效锚固长度
联立上述几个公式即可求出有效锚固长度，即。
根据经验，实际工程中通常采用的有效锚固长度为：钢筋锚杆5～25m、钢管锚杆10～30m、工字钢锚杆20～40m、钢索30～50m。
（3）锚杆孔深
孔深计算公式：锚杆孔深=有效锚固孔长＋自由段孔长＋孔口处理长度，具体的锚杆孔深应依工程实际情况确定。
（4）锚杆布置
锚杆布置依土层情况、受力情况而定，水平及竖向间距一般为1.5～4m，锚杆倾角一般为15°～20°，一般不得大于35°，特殊情况下也可布置成水平的。锚杆总长度=有效锚固长度＋自由段孔长＋端部外露长度。
5构件设计
锚杆挡土墙构件包括挡土板、肋柱和锚杆或墙面板和锚杆。
（1）面板设计
钢筋砼面板是支撑在立柱上的受弯构件，直接承受土压力，并将土压力传给立柱。对面板进行水平条分计算，每一面板条上作用均布荷载，最大弯矩发生在板底部。当面板为整浇时，计算图式是以立柱为支撑的单跨简支梁，弯矩和支座剪力按简支梁考虑。根据计算的最大弯矩进行配筋，为节省钢筋可从上至下分段减少钢筋量。
（2）肋柱设计
肋柱是以拉杆为支撑的受弯构件，承受面板传来的土压力，根据拉杆数量，可为多跨连续梁或单跨简支梁。肋柱上作用三角形荷载或梯形荷载。根据所计算最大弯矩进行配筋，为保持肋柱的整体性和方便施工，全柱宜等量配筋。
（3）锚杆设计
锚杆承受肋柱传力，完全处于受拉状态。在肋柱计算弯矩时，同时求出各锚杆的拉力，根据拉力计算值，选配钢筋或钢管锚杆。锚杆直径一般在22～32mm之间选取，多为单杆。
以钢材为例，选择锚杆截面按如下公式：
式中：——锚杆截面积；
——锚杆计算拉力，；
——直立挡墙支点的水平支撑力计算值；
——锚杆与水平线的夹角，度；
——锚杆安全系数，一般取1.5；
——锚杆设计强度，。
（4）壁板式锚杆挡土墙
壁板式锚杆挡土墙根据施工方法不同，可分为现浇和预制拼装两种类型。现浇的壁板式锚杆挡土墙，其锚杆端头直接插入砼面板中，与壁面板一起浇筑，不存在锚头单独施工问题。而预制拼装式在预制砼壁面板时，应留有锚头或预留孔
道。此类挡土墙多用楔缝式锚杆，适用于岩质边坡防护。
6结构稳定性设计分析
锚杆有多种破坏形式，对于设置锚杆体系的挡土墙，除保证每根锚杆有足够的承载能力外，还应确保挡土板、锚杆和地基在内的结构整体稳定性。一般认为锚固段所需长度是由于承载力的需要，而锚杆所需总长度是由整体稳定性决定的。
在进行锚杆体系的整体稳定计算时，如设置多层锚杆，则需分别验算每层锚杆体系的整体稳定。锚杆挡土墙的整体稳定计算通常采用分析图解验算方法，由于整体稳定分析方法相对比较复杂，作用力较多，为此工程中多采用克朗兹的简化方法理论，来进行单层锚杆、多层锚杆、粘土性锚杆和分层土锚杆等多种情况下的整体稳定性分析，限于篇幅，克朗兹简化方法请读者从参阅相关文献。
参考文献：
[1] SL 379-2007 《水工挡土墙设计规范》.北京：中国水利水电出版社，2007
[2] GB 50330-2002 《建筑边坡工程技术规范》.北京：中国建筑工业出版社，2002
[3] JTG D30-2004 《公路路基设计规范》.北京：人民交通出版社，2004
[4] TB 10025-2006 《铁路路基支挡结构设计规范》.北京：中国铁道出版社，2009
[5] 陈忠达.《公路挡土墙设计》.第一版.北京：人民交通出版社，1999
[6] 管枫年，薛广瑞，王殿印.《水工挡土墙设计》.第一版.北京：中国水利水电出版社，1996
[7] 陈忠达.《公路挡土墙设计与施工及国家标准图集实施手册》.第一版.北京：人民交通出版社，2008
[8] 薛殿基，冯仲林.《挡土墙设计实用手册》.第一版.北京：中国建筑工业出版社，2008
浅谈锚杆式挡土墙的设计方法
摘要：挡土墙是一种被广泛应用于水利水电、公路、铁路、桥梁、工民用建筑、矿山、码头等工程建设中的一种支挡防护构造物，它用来支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，可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，并常用于整治塌方和护坡等路基病害，在山区工程建设中，挡土墙应用更为广泛。挡土墙一般按其结构型式分类，常见挡土墙包括：重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式等；随着我国社会经济的飞速发展，挡土墙应用越来越多，其结构型式日新月异，近些年已发展出多种新型的挡土墙，如钢板桩挡土墙、锚桩式挡土墙、锚板式挡土墙、锚杆式挡土墙、加筋土挡土墙等，这类挡土墙都是以薄板作为挡土结构的（即以面板作为承受土压力的构件），因此也称为面板式挡土墙，他们在使用上有很多优点，今后也将会逐渐得到进一步发展和应用；本文主要介绍锚杆式挡土墙的设计方法。
关键词：挡土墙；面板式挡土墙；锚杆式挡土墙；
Abstract: The retaining wall is a widely used in water conservancy and hydropower, roads, railways, bridges, civil engineering, mining, port and other projects in a protective retaining structures, which is used to support the embankment or hillside soil, prevent soil backfill or deformation instability, can stabilize the embankment and road slope, reducing the volume and area of earthwork, embankment to prevent water erosion and landslides and commonly used in the remediation embankment slope protection and other diseases, construction in the mountains in retaining more widely used. Generally classified according to their structure type retaining wall, retaining wall common include: gravity, balance weight, cantilevered, supporting wall, etc.; With China’s rapid social and economic development, retaining more and more applications, it structure type rapidly in recent years has developed a variety of new retaining walls, such as steel sheet pile retaining walls, anchored pile retaining walls, retaining wall anchor plate, anchor retaining wall, reinforced earth retaining walls, etc., such as retaining walls are to thin retaining structure (ie, the panel members as to withstand earth pressure), also known as the panel retaining wall, they have many advantages in the use of the future will also be will gradually be further developed and applied; this paper describes the anchor retaining wall design.
Keywords: retaining wall; panel retaining wall; bolt retaining wall;
1概述
面板式挡土墙主要包括板桩墙和锚定墙两大类，板桩墙是指面板要打入基坑底面以下较深的情况，如钢板桩墙，木板桩墙等，他们的主要构件是立板，附属构件有支撑，拉杆等；锚钉墙是指面板仅进入基坑底面以下较浅的情况，如锚桩
墙、锚板墙、锚杆墙等，他们的主要构件是立板，附属构件有立柱、拉杆、锚杆、锚定构件等。
在锚钉墙中锚杆挡土墙应用较为广泛，锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物，锚杆的一端与工程结构物联结，另一端通过钻孔、插入锚杆、灌浆、养护等工序锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层之间的锚固力来维持结构物的稳定。作为轻型的支挡结构，锚杆挡土墙与普通圬工挡土墙相比，可以节省大量圬工材料，现已被广泛用于公路、铁路、煤矿和水利等支挡工程中。
锚杆挡土墙因锚固地层、施工方法、受力状态以及结构型式的不同，有多种形式；按墙面的结构型式可分为柱板式和壁板式锚杆挡土墙，柱板式锚杆挡土墙有挡土板、肋柱和锚杆组成，壁板式锚杆挡土墙是由墙面板和锚杆组成。锚杆挡土墙一般适用于岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可以使用，还可应用于陡坡路堤。若支护高度小于6m时，可在墙顶布置一排锚杆；若支护高度在6～8m时，可设两排锚杆；若支护高度大于8m时，需设2～4排锚杆。锚杆水平间距1～4m，上下排距2～5m。
2土压力计算
土压力是直接作用于挡墙上的外荷载。由于墙后土层中锚杆的存在，使受力状态较为复杂，目前设计中大多仍采用库伦主动土压力理论进行近似计算。
对于多级挡土墙，应利用延长墙背法分别计算每一级墙背土压力，计算上级墙时，视下级墙为稳定结构，可不考虑下级墙对上级墙的影响，计算下级墙时则应考虑上级墙的影响。为简化计算，土压力分布简化为三角形或梯形分布。
在多层锚杆墙中，挡土板上作用的土压力分布不再是三角形，而是较复杂的、不规则的曲线，土压力发生重新分布，要确切计算挡土板上作用的土压力是困难的，目前在实际设计中多采用经验估算方法。我国普遍多采用太沙基和派克根据实测资料和模型实验结果提出的经验计算图式，这组图式是最大土压力的的可能包线，用它来确定支撑荷载，详细计算方法可参阅文献[8]。
3锚杆抗拔力计算
锚固体是锚杆尾端的锚固部分，是锚杆有效受力段。锚固体抗拔力实际就是锚杆抗拔力，或称锚固力。从理论上确定锚杆抗拔力复杂而困难，除理论计算外，还应通过施工经验、现场抗拔试验结果综合比较来确定。
锚固体抗拔力通常从三方面进行计算，并取其中最小值作为设计值。这三方面为：①锚杆自身抗拔强度；②锚杆和周边介质的握裹力；③孔壁与介质之间的抗剪力。工程经验证明，通常前两项容易满足，第三项才是设计关键，所以一般中小型工程或临时工程可只计算第三项，即孔壁与介质之间的抗剪力。
（1）锚杆自身抗拔强度
工程中锚杆多采用钢筋或钢管，对于较重要的、复杂的、规模较大的加固处理工程则采用钢绞线、钢丝束、工字钢等。本次以单根钢筋为例的计算公式：
式中：——锚杆的抗拉强度（抗拔力），；
——力换算为的折算系数，取0.001；
——单根锚杆的截面面积，；
——钢筋的抗拉强度设计值，。
（2）锚杆和周边介质的握裹力
锚杆孔一般钻孔直径为100～200mm，锚杆与孔壁之间隙视填充材料而定，通常间隙为10～100mm，当填充化学材料环氧树脂时，≥5mm；为水泥砂浆时，≥15mm；为细石砼时，≥20mm。
灌孔砼及砂浆的强度等级不应低于30MPa，这里以砂浆和细石砼为介质，列出其与锚杆握裹力计算公式：
式中：——锚杆与砂浆（细石砼）的握裹力，；
——锚杆的直径，；
——有效锚杆长度（即有效锚固深度），；
——砂浆（细石砼）与锚杆的粘着力，。试验资料表明约等于砂浆（细石砼）标准抗压强度的10％～20％，钢筋与砼之间的粘着力约为：光面钢筋1.5～3.5，螺纹钢筋为2.5～6.0。取值可参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）、《边坡工程处治技术》（赵明阶主编）等文献。
（3）孔壁与介质之间的抗剪力
这里以砂浆和细石砼为介质，列出其与孔壁之间抗剪力的计算公式：
式中：——锚杆孔壁（土体）与介质（砂浆、细石砼）之间的抗剪力，；
——锚杆孔径，；
——锚杆有效锚固长度，；
——锚固段周边土层抗剪强度，也成为孔壁与砂浆或砼的抗拉设计强度，。取值可参考《地基与基础》及《建筑施工手册》、《地基处理手册》等文献。
4锚杆设计抗力及孔深
（1）锚杆抗力设计值
锚杆抗力计算值除以安全系数为锚杆抗力设计值，即
式中：——要求锚杆抵抗的外荷载，；
——锚杆抗力设计值，；
——锚杆抗力计算值，，即前文中的、和；
——锚杆安全系数；取值可参考《建筑施工手册》、《地基处理手册》及《公路路基设计规范》等文献。
（2）锚杆有效锚固长度
联立上述几个公式即可求出有效锚固长度，即。
根据经验，实际工程中通常采用的有效锚固长度为：钢筋锚杆5～25m、钢管锚杆10～30m、工字钢锚杆20～40m、钢索30～50m。
（3）锚杆孔深
孔深计算公式：锚杆孔深=有效锚固孔长＋自由段孔长＋孔口处理长度，具体的锚杆孔深应依工程实际情况确定。
（4）锚杆布置
锚杆布置依土层情况、受力情况而定，水平及竖向间距一般为1.5～4m，锚杆倾角一般为15°～20°，一般不得大于35°，特殊情况下也可布置成水平的。锚杆总长度=有效锚固长度＋自由段孔长＋端部外露长度。
5构件设计
锚杆挡土墙构件包括挡土板、肋柱和锚杆或墙面板和锚杆。
（1）面板设计
钢筋砼面板是支撑在立柱上的受弯构件，直接承受土压力，并将土压力传给立柱。对面板进行水平条分计算，每一面板条上作用均布荷载，最大弯矩发生在板底部。当面板为整浇时，计算图式是以立柱为支撑的单跨简支梁，弯矩和支座剪力按简支梁考虑。根据计算的最大弯矩进行配筋，为节省钢筋可从上至下分段减少钢筋量。
（2）肋柱设计
肋柱是以拉杆为支撑的受弯构件，承受面板传来的土压力，根据拉杆数量，可为多跨连续梁或单跨简支梁。肋柱上作用三角形荷载或梯形荷载。根据所计算最大弯矩进行配筋，为保持肋柱的整体性和方便施工，全柱宜等量配筋。
（3）锚杆设计
锚杆承受肋柱传力，完全处于受拉状态。在肋柱计算弯矩时，同时求出各锚杆的拉力，根据拉力计算值，选配钢筋或钢管锚杆。锚杆直径一般在22～32mm之间选取，多为单杆。
以钢材为例，选择锚杆截面按如下公式：
式中：——锚杆截面积；
——锚杆计算拉力，；
——直立挡墙支点的水平支撑力计算值；
——锚杆与水平线的夹角，度；
——锚杆安全系数，一般取1.5；
——锚杆设计强度，。
（4）壁板式锚杆挡土墙
壁板式锚杆挡土墙根据施工方法不同，可分为现浇和预制拼装两种类型。现浇的壁板式锚杆挡土墙，其锚杆端头直接插入砼面板中，与壁面板一起浇筑，不存在锚头单独施工问题。而预制拼装式在预制砼壁面板时，应留有锚头或预留孔
道。此类挡土墙多用楔缝式锚杆，适用于岩质边坡防护。
6结构稳定性设计分析
锚杆有多种破坏形式，对于设置锚杆体系的挡土墙，除保证每根锚杆有足够的承载能力外，还应确保挡土板、锚杆和地基在内的结构整体稳定性。一般认为锚固段所需长度是由于承载力的需要，而锚杆所需总长度是由整体稳定性决定的。
在进行锚杆体系的整体稳定计算时，如设置多层锚杆，则需分别验算每层锚杆体系的整体稳定。锚杆挡土墙的整体稳定计算通常采用分析图解验算方法，由于整体稳定分析方法相对比较复杂，作用力较多，为此工程中多采用克朗兹的简化方法理论，来进行单层锚杆、多层锚杆、粘土性锚杆和分层土锚杆等多种情况下的整体稳定性分析，限于篇幅，克朗兹简化方法请读者从参阅相关文献。
参考文献：
[1] SL 379-2007 《水工挡土墙设计规范》.北京：中国水利水电出版社，2007
[2] GB 50330-2002 《建筑边坡工程技术规范》.北京：中国建筑工业出版社，2002
[3] JTG D30-2004 《公路路基设计规范》.北京：人民交通出版社，2004
[4] TB 10025-2006 《铁路路基支挡结构设计规范》.北京：中国铁道出版社，2009
[5] 陈忠达.《公路挡土墙设计》.第一版.北京：人民交通出版社，1999
[6] 管枫年，薛广瑞，王殿印.《水工挡土墙设计》.第一版.北京：中国水利水电出版社，1996
[7] 陈忠达.《公路挡土墙设计与施工及国家标准图集实施手册》.第一版.北京：人民交通出版社，2008
[8] 薛殿基，冯仲林.《挡土墙设计实用手册》.第一版.北京：中国建筑工业出版社，2008