2006年第2期(总第196期) Number 2in 2006(T otal No. 196)
混
凝 土Concrete
全国中文核心期刊T he Core Journal of China
锚杆式挡土墙的实用设计方法及工程实践
刘扬开
(厦门海投新阳开发公司, 福建厦门 361022)
[摘 要] 本文提出一套锚杆式挡土墙的实用计算方法, 并在实际工程加以应用, 取得了良好的技术与经济效果。[关键词] 锚杆式挡土墙; 框架梁; 柔性支挡结构; 耐久性
[中图分类号] TU 74 [文献标识码] A [文章编号] 1002-3550(2006) 02-0091-03
Practical design method and construction of anchorage retaining wall
L I U Y ang -kai
(Xiamen Haitou Xinyang Development Company , Xiamen 361022, China)
Abstract: A series of calculation method for anchorage retaining wall i s proposed, and they are used in practical construc -tion, followed w ith a per fect technolog ical and economical effects.
Key words: anchorage retaining wall; frame beam; flex ible suppor t structur e; dur ability
(2) 砂砾状强风化花岗岩:部分长石已风化成粘土, 层厚018m~518m, 力学强度较高。
(3) 碎块状强风化花岗岩:岩芯呈碎块状, 轻击易散, 层厚117m~12m 。力学强度较高
1 前言
锚杆式挡土墙作为一种柔性支挡结构, 以占地面积小、施工方便、变形小及安全度较高的特点得到了广泛的应用。
2 工程概况
211 建筑概况
由厦门热海温泉建设有限公司投资兴建的东坪山庄位于厦门市大厝山体旁。拟建物由15栋多层和小高层住宅组成。场地平整后, 在场地东北侧形成了大厝山体边坡。边坡高度为15m, 长度约为230m 。该段建筑红线位置即为边坡开挖线, 拟建建筑外墙距边坡线为3m 。
3 支挡方案的优化选择
首先, 从边坡工程的重要性来讲, 可以认为本边坡是东坪山庄的/生命线/工程, 如果边坡支挡出现问题, 则拟建居民区均有被破坏的危险。其次, 从边坡的高度来看, 15m 高的土质边坡, 如支挡措施不当是很容易出现问题的。第三, 从边坡的周边环境来看, 边坡是不允许放坡开挖的, 即坡面只能直立。
综合考虑上述因素, 采用刚性的重力式挡墙是不可行的。只能考虑采用柔性的支挡结构。既能节省场地空间, 又能保证边坡的稳定性和变形要求。
212 地质条件
本场地地貌单元为山前坡地。在边坡开挖范围内主要土层分述如下:
(1) 残积轻砂质粘土:系花岗岩风化而成, 层厚218m ~610m, 可塑~硬塑状态。
4 支挡结构的设计
411 锚杆式挡土墙方案。
支挡结构立面图如图1所示:
图1
(1) 锚杆采用强度等级为1860M Pa 的钢铰线, 间距2500mm @2000mm(垂直@水平) , 锚杆成孔直径为130mm, 水平倾角为20b 。
(2) 面层采用喷射C20混凝土, 边坡上部厚度为150mm, 边坡下部厚度为200mm, 内配双层钢筋网。
(3) 框架梁截面尺寸为400mm @400mm, 亦采用喷射C20混凝土。锚杆设置于水平框架梁与竖向框架梁的交点。
(4) 框架梁底部设置基础梁, 以支承框架梁重量。(5) 对于局部坡体为微风化花岗部分, 采用岩钉支挡。岩钉采用1
[收稿日期] 2005-12-27
孔直径为100mm, 长度为4m 。水平倾角为15b 。面层采用喷射C20混凝土厚100mm 。
(6) 竖向框架梁在坡顶的悬臂部分, 悬臂高度大于215m 时, 构造上设置一排土钉以限制坡顶变形。土钉采用1
(7) 锚杆端部采用现浇C20混凝土锚墩进行防腐包裹, 锚墩尺寸为250mm @250mm @200mm 。
(8) 框架梁方格中心设置
(9) 面层及框架梁每隔20m 设置一条竖向的伸缩缝, 缝宽70mm 。
1
。地震产生的侧压力增量的分项系数取113。地面附加荷15
载产生的侧压力不参与组合。
抗震验算包括:面层的抗震验算、连续梁的抗震验算、锚杆
的抗震验算。
412 支挡结构上的力系
支挡结构上的力系可分为三部分:11恒载(永久荷载) , 包括主动土压力和挡土结构自重。21活载(可变荷载) , 主要为地面附加荷载产生的侧压力。31偶然荷载(地震作用) , 包括地震水平荷载和垂直荷载。
413 土压力计算
土压力计算采用库伦土压力理论。地震情况下采用物部冈部法计算地震主动土压力, 按7度设防。
锚杆排数
1234567
图3
表1 锚杆计算对比表
荷载一般组合(锚固段长度/m)
[***********]13111119
考虑地震组合(锚固段长度/m)
[***********]14121219
抗震组合一般组合[***********]0711081108
414 支挡结构计算
土压力计算简图按图2
所示。
从表1中可看出:11对于边坡上部, 锚固段长度由荷载一般组合的情况控制, 即地面均布活荷对于边坡上部的影响较大。21对于边坡下部, 锚固段长度由地震的情况控制, 即地震情况下边坡下部的锚杆受力较大。锚杆锚固段长度应取荷载一般组合与抗震组合两种情况下的较大值。
(5) 分层开挖的整体稳定性按Bishop 条分法验算。
图2
(1) 面层按支承于框架梁上的双向板按弹性理论进行计算。
面板上的永久荷载为主动土压力, 分项系数取112。
活荷载为地面附加荷载产生的侧压力, 分项系数取114。面板上荷载如图3左图所示。
面板上的三角形分布荷载按固端弯矩相等的原则化简为均布荷载。如图3右图所示。
(2) 锚杆力取竖向连续梁和水平连续梁的梁端剪力之和。锚杆力确定之后, 就可进行锚杆体选筋及锚固段长度的确定。
因工程锚杆破坏后果严重, 且有公共安全问题, 按5土层锚杆设计与施工规范6(CECS 22:90) 取锚杆的安全K =212。同时, 在锚杆体选筋计算时应适当考虑锚杆体锈蚀的影响。
(3) 基础梁按柱下条型基础计算。(4) 抗震验算
厦门市设防烈度为7度, 同时考虑水平地震作用与垂直地
2
K =震作用。水平地震系数K H =011, 垂直地震系数K V =
3H
每步开挖时均应计算整体稳定性, 计算结果如图4所示。要求每步开挖时整体稳定安全系数大于1125。边坡开挖到底时整体稳定安全系数大于113
。
图4 整体稳定计算结果
(6) 挡土结构的位移采用三节点有限单元法计算。计算时将土体视为均质连续的线弹性体。计算结果如图5所示。
现任何问题, 坡体的位移发展已几乎完成。锚杆的预应力变化也已趋于稳定。
6 结论
(1) 边坡采用锚杆式挡墙支挡结构, 并采用上述的计算方法是可行的。
(2) 面层和框架梁均采用喷混凝土既方便施工又节省工程造价。
(3) 永久性边坡应考虑抗震的影响。
(4) 边坡稳定性计算采用Bishop 条分法是可行的。
(5)考虑边坡耐久性的要求, 框架梁的裂缝宽度应[
图5
012mm 。
(6) 边坡的位移计算应考虑施工因素的影响。
[参考文献]
[1]顾慰慈. 挡土墙土压力计算[M ]. 北京. 中国建材工业出版社. 2001. [2]林宗元. 岩土工程治理手册[M ]. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 1993. [3]锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB 50086-2001) [S]. 北京:中国
计划出版社, 2001.
[4]CECS 22:90, 土层锚杆设计与施工规范[S].
[5]建筑结构静力计算手册编写组. 建筑结构静力计算手册(第二版)
[M]. 北京. 中国建筑工业出版社. 1998. [作者简介] 刘扬开, 1963年生, 男, 本科, 工程师, 1986年6月毕业于
华东地质学院工程地质专业, 现任厦门海投新阳开发公司总经理助理。
[单位地址] 厦门市海沧新阳工业区新光路253号(361022) [联系电话] 0592-6512750, [1**********]
5 支挡结构施工
本工程从2001年7月份开始施工, 至2002年6月份完工, 施工历时一年。土方开挖及边坡支挡结构施工过程中对边坡位移进行了监测。坡顶的沉降监测值均小于10mm, 与图5计算值较为接近。坡底的隆起值则远小于计算值, 分析原因可能是下部土体的回弹模量取值偏小, 建议计算坡底隆起时将坡底部的回弹模量适当增大。边坡的水平位移监测值最大为40mm 远大于计算值。分析原因如下:水平位移发展最快时均在锚杆的注浆期间, 在注浆后一至两天内, 坡顶均出现肉眼可见的裂缝。即水平位移主要由注浆施工引起, 注浆施工完成后坡顶裂缝立即收敛。在注浆施工过程甚至出现坡顶冒浆的现象。建议在边坡土体裂缝较发育的土层, 计算坡顶水平位移时适当考虑注浆施工的影响。本边坡从施工完成至今一直未发
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率高, 施工方便, 并有利于拆除, 便于周转。预应力的张拉, 在四个角的接头进行, 四角的钢桶即是张拉的台座, 也是四个刚性节点, 采用钢板焊接而成。预应力钢筋张拉的控制值, 不宜采用太大, 因为满足强度要求的情况下, 沿墙的挠度只有50mm(计算数值) 左右, 不影响使用, 而过大的预应力值, 影响受压区混凝土的强度, 该预应力并属于短期荷载、临时结构。
完成后, 一次全部回收的方法, 整个过程应有吊车配合, 小型汽
车吊即可(每块板重800kg ) 。全部材料都可以回收, 重复使用。
3 经济对比分析
与当前最经济、使用最普通的人工钢筋混凝土挖孔桩比较。如果假定基础挖开的尺寸为30m @20m @8m, 选用直径为1m, 长为12m 的挖孔桩, 所需费用约50万元, 采用本文所述预制混凝土空心板预应力的方法所需费用仅为10万元左右。只是一次投资费用, 仅占挖孔桩全部费用的20%, 并可以全部回收, 重复使用。施工工期也可以比挖孔桩提前, 因为本方法全部是预制加工, 现场安装时间较短, 可以交叉施工, 而挖孔桩全部是现场施工, 无法交叉施工, 且混凝土需一定的养护期。
2 施工方法
施工现场平整以后, 根据建筑物的基础尺寸及所需预制空心板的规格、数量, 并分别组织进场。根据所确定的尺寸, 计算出所需预应力钢筋的长度, 并计算好分段尺寸。如采用直螺纹接头方法, 应先加工接头、套管, 并控制钢筋长度, 准备好锚固螺母, 根据地质资料, 如表层土质为粘性土, 放线后可先部分开挖, 挖至115m 深后, 开始放置预制混凝土挡土板, 交叉作业。待第一层115m 深土全部挖完后, 挡土板即可放置完毕, 可以开始张拉。张拉锚固完成后, 就可以开始下一层施工。第二层应采取先开槽的方法, 即先挖开500mm 宽、1500mm 深的槽型坑, 把混凝土板放置到槽内, 以防塌方, 待完成一个边的施工后, 可以先张拉该边, 使之成为整体, 然后与邻边相连接, 同时张拉、锚固, 全部张拉锚固完成后, 开始挖土, 挖到115m 后, 再重复前面的方法, 直到满足施工深度。当基础施工到某一高度后, 就可考虑拆除最深一层挡土板, 拆除的方法很简单, 只要将预应力锚固螺母放开, 先拆除角钢桶, 使混凝土板可以串位, 拧开钢筋接头螺母, 利用吊车吊出基坑, 也可采用全部基础施工
4 结语
预制钢管混凝土空心板后加预应力用于深基础护坡的设计与研究, 在国内外均系首次提出, 在理论上显示出了突出的优越性, 不仅设计思想先进, 合理可靠, 可以节约大量人力、材料、时间、且施工十分方便, 如能在工程上实际应用, 一定会获得较大的经济效益。
[作者简介] 李健, 1957年生, 男, 高级工程师, 沈阳市房地产开发建
设管理办公计划发展处处长。
[单位地址] 沈阳市沈河区北站路138号131F(110013) [联系电话] 024-22565153; [1**********]
2006年第2期(总第196期) Number 2in 2006(T otal No. 196)
混
凝 土Concrete
全国中文核心期刊T he Core Journal of China
锚杆式挡土墙的实用设计方法及工程实践
刘扬开
(厦门海投新阳开发公司, 福建厦门 361022)
[摘 要] 本文提出一套锚杆式挡土墙的实用计算方法, 并在实际工程加以应用, 取得了良好的技术与经济效果。[关键词] 锚杆式挡土墙; 框架梁; 柔性支挡结构; 耐久性
[中图分类号] TU 74 [文献标识码] A [文章编号] 1002-3550(2006) 02-0091-03
Practical design method and construction of anchorage retaining wall
L I U Y ang -kai
(Xiamen Haitou Xinyang Development Company , Xiamen 361022, China)
Abstract: A series of calculation method for anchorage retaining wall i s proposed, and they are used in practical construc -tion, followed w ith a per fect technolog ical and economical effects.
Key words: anchorage retaining wall; frame beam; flex ible suppor t structur e; dur ability
(2) 砂砾状强风化花岗岩:部分长石已风化成粘土, 层厚018m~518m, 力学强度较高。
(3) 碎块状强风化花岗岩:岩芯呈碎块状, 轻击易散, 层厚117m~12m 。力学强度较高
1 前言
锚杆式挡土墙作为一种柔性支挡结构, 以占地面积小、施工方便、变形小及安全度较高的特点得到了广泛的应用。
2 工程概况
211 建筑概况
由厦门热海温泉建设有限公司投资兴建的东坪山庄位于厦门市大厝山体旁。拟建物由15栋多层和小高层住宅组成。场地平整后, 在场地东北侧形成了大厝山体边坡。边坡高度为15m, 长度约为230m 。该段建筑红线位置即为边坡开挖线, 拟建建筑外墙距边坡线为3m 。
3 支挡方案的优化选择
首先, 从边坡工程的重要性来讲, 可以认为本边坡是东坪山庄的/生命线/工程, 如果边坡支挡出现问题, 则拟建居民区均有被破坏的危险。其次, 从边坡的高度来看, 15m 高的土质边坡, 如支挡措施不当是很容易出现问题的。第三, 从边坡的周边环境来看, 边坡是不允许放坡开挖的, 即坡面只能直立。
综合考虑上述因素, 采用刚性的重力式挡墙是不可行的。只能考虑采用柔性的支挡结构。既能节省场地空间, 又能保证边坡的稳定性和变形要求。
212 地质条件
本场地地貌单元为山前坡地。在边坡开挖范围内主要土层分述如下:
(1) 残积轻砂质粘土:系花岗岩风化而成, 层厚218m ~610m, 可塑~硬塑状态。
4 支挡结构的设计
411 锚杆式挡土墙方案。
支挡结构立面图如图1所示:
图1
(1) 锚杆采用强度等级为1860M Pa 的钢铰线, 间距2500mm @2000mm(垂直@水平) , 锚杆成孔直径为130mm, 水平倾角为20b 。
(2) 面层采用喷射C20混凝土, 边坡上部厚度为150mm, 边坡下部厚度为200mm, 内配双层钢筋网。
(3) 框架梁截面尺寸为400mm @400mm, 亦采用喷射C20混凝土。锚杆设置于水平框架梁与竖向框架梁的交点。
(4) 框架梁底部设置基础梁, 以支承框架梁重量。(5) 对于局部坡体为微风化花岗部分, 采用岩钉支挡。岩钉采用1
[收稿日期] 2005-12-27
孔直径为100mm, 长度为4m 。水平倾角为15b 。面层采用喷射C20混凝土厚100mm 。
(6) 竖向框架梁在坡顶的悬臂部分, 悬臂高度大于215m 时, 构造上设置一排土钉以限制坡顶变形。土钉采用1
(7) 锚杆端部采用现浇C20混凝土锚墩进行防腐包裹, 锚墩尺寸为250mm @250mm @200mm 。
(8) 框架梁方格中心设置
(9) 面层及框架梁每隔20m 设置一条竖向的伸缩缝, 缝宽70mm 。
1
。地震产生的侧压力增量的分项系数取113。地面附加荷15
载产生的侧压力不参与组合。
抗震验算包括:面层的抗震验算、连续梁的抗震验算、锚杆
的抗震验算。
412 支挡结构上的力系
支挡结构上的力系可分为三部分:11恒载(永久荷载) , 包括主动土压力和挡土结构自重。21活载(可变荷载) , 主要为地面附加荷载产生的侧压力。31偶然荷载(地震作用) , 包括地震水平荷载和垂直荷载。
413 土压力计算
土压力计算采用库伦土压力理论。地震情况下采用物部冈部法计算地震主动土压力, 按7度设防。
锚杆排数
1234567
图3
表1 锚杆计算对比表
荷载一般组合(锚固段长度/m)
[***********]13111119
考虑地震组合(锚固段长度/m)
[***********]14121219
抗震组合一般组合[***********]0711081108
414 支挡结构计算
土压力计算简图按图2
所示。
从表1中可看出:11对于边坡上部, 锚固段长度由荷载一般组合的情况控制, 即地面均布活荷对于边坡上部的影响较大。21对于边坡下部, 锚固段长度由地震的情况控制, 即地震情况下边坡下部的锚杆受力较大。锚杆锚固段长度应取荷载一般组合与抗震组合两种情况下的较大值。
(5) 分层开挖的整体稳定性按Bishop 条分法验算。
图2
(1) 面层按支承于框架梁上的双向板按弹性理论进行计算。
面板上的永久荷载为主动土压力, 分项系数取112。
活荷载为地面附加荷载产生的侧压力, 分项系数取114。面板上荷载如图3左图所示。
面板上的三角形分布荷载按固端弯矩相等的原则化简为均布荷载。如图3右图所示。
(2) 锚杆力取竖向连续梁和水平连续梁的梁端剪力之和。锚杆力确定之后, 就可进行锚杆体选筋及锚固段长度的确定。
因工程锚杆破坏后果严重, 且有公共安全问题, 按5土层锚杆设计与施工规范6(CECS 22:90) 取锚杆的安全K =212。同时, 在锚杆体选筋计算时应适当考虑锚杆体锈蚀的影响。
(3) 基础梁按柱下条型基础计算。(4) 抗震验算
厦门市设防烈度为7度, 同时考虑水平地震作用与垂直地
2
K =震作用。水平地震系数K H =011, 垂直地震系数K V =
3H
每步开挖时均应计算整体稳定性, 计算结果如图4所示。要求每步开挖时整体稳定安全系数大于1125。边坡开挖到底时整体稳定安全系数大于113
。
图4 整体稳定计算结果
(6) 挡土结构的位移采用三节点有限单元法计算。计算时将土体视为均质连续的线弹性体。计算结果如图5所示。
现任何问题, 坡体的位移发展已几乎完成。锚杆的预应力变化也已趋于稳定。
6 结论
(1) 边坡采用锚杆式挡墙支挡结构, 并采用上述的计算方法是可行的。
(2) 面层和框架梁均采用喷混凝土既方便施工又节省工程造价。
(3) 永久性边坡应考虑抗震的影响。
(4) 边坡稳定性计算采用Bishop 条分法是可行的。
(5)考虑边坡耐久性的要求, 框架梁的裂缝宽度应[
图5
012mm 。
(6) 边坡的位移计算应考虑施工因素的影响。
[参考文献]
[1]顾慰慈. 挡土墙土压力计算[M ]. 北京. 中国建材工业出版社. 2001. [2]林宗元. 岩土工程治理手册[M ]. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 1993. [3]锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB 50086-2001) [S]. 北京:中国
计划出版社, 2001.
[4]CECS 22:90, 土层锚杆设计与施工规范[S].
[5]建筑结构静力计算手册编写组. 建筑结构静力计算手册(第二版)
[M]. 北京. 中国建筑工业出版社. 1998. [作者简介] 刘扬开, 1963年生, 男, 本科, 工程师, 1986年6月毕业于
华东地质学院工程地质专业, 现任厦门海投新阳开发公司总经理助理。
[单位地址] 厦门市海沧新阳工业区新光路253号(361022) [联系电话] 0592-6512750, [1**********]
5 支挡结构施工
本工程从2001年7月份开始施工, 至2002年6月份完工, 施工历时一年。土方开挖及边坡支挡结构施工过程中对边坡位移进行了监测。坡顶的沉降监测值均小于10mm, 与图5计算值较为接近。坡底的隆起值则远小于计算值, 分析原因可能是下部土体的回弹模量取值偏小, 建议计算坡底隆起时将坡底部的回弹模量适当增大。边坡的水平位移监测值最大为40mm 远大于计算值。分析原因如下:水平位移发展最快时均在锚杆的注浆期间, 在注浆后一至两天内, 坡顶均出现肉眼可见的裂缝。即水平位移主要由注浆施工引起, 注浆施工完成后坡顶裂缝立即收敛。在注浆施工过程甚至出现坡顶冒浆的现象。建议在边坡土体裂缝较发育的土层, 计算坡顶水平位移时适当考虑注浆施工的影响。本边坡从施工完成至今一直未发
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率高, 施工方便, 并有利于拆除, 便于周转。预应力的张拉, 在四个角的接头进行, 四角的钢桶即是张拉的台座, 也是四个刚性节点, 采用钢板焊接而成。预应力钢筋张拉的控制值, 不宜采用太大, 因为满足强度要求的情况下, 沿墙的挠度只有50mm(计算数值) 左右, 不影响使用, 而过大的预应力值, 影响受压区混凝土的强度, 该预应力并属于短期荷载、临时结构。
完成后, 一次全部回收的方法, 整个过程应有吊车配合, 小型汽
车吊即可(每块板重800kg ) 。全部材料都可以回收, 重复使用。
3 经济对比分析
与当前最经济、使用最普通的人工钢筋混凝土挖孔桩比较。如果假定基础挖开的尺寸为30m @20m @8m, 选用直径为1m, 长为12m 的挖孔桩, 所需费用约50万元, 采用本文所述预制混凝土空心板预应力的方法所需费用仅为10万元左右。只是一次投资费用, 仅占挖孔桩全部费用的20%, 并可以全部回收, 重复使用。施工工期也可以比挖孔桩提前, 因为本方法全部是预制加工, 现场安装时间较短, 可以交叉施工, 而挖孔桩全部是现场施工, 无法交叉施工, 且混凝土需一定的养护期。
2 施工方法
施工现场平整以后, 根据建筑物的基础尺寸及所需预制空心板的规格、数量, 并分别组织进场。根据所确定的尺寸, 计算出所需预应力钢筋的长度, 并计算好分段尺寸。如采用直螺纹接头方法, 应先加工接头、套管, 并控制钢筋长度, 准备好锚固螺母, 根据地质资料, 如表层土质为粘性土, 放线后可先部分开挖, 挖至115m 深后, 开始放置预制混凝土挡土板, 交叉作业。待第一层115m 深土全部挖完后, 挡土板即可放置完毕, 可以开始张拉。张拉锚固完成后, 就可以开始下一层施工。第二层应采取先开槽的方法, 即先挖开500mm 宽、1500mm 深的槽型坑, 把混凝土板放置到槽内, 以防塌方, 待完成一个边的施工后, 可以先张拉该边, 使之成为整体, 然后与邻边相连接, 同时张拉、锚固, 全部张拉锚固完成后, 开始挖土, 挖到115m 后, 再重复前面的方法, 直到满足施工深度。当基础施工到某一高度后, 就可考虑拆除最深一层挡土板, 拆除的方法很简单, 只要将预应力锚固螺母放开, 先拆除角钢桶, 使混凝土板可以串位, 拧开钢筋接头螺母, 利用吊车吊出基坑, 也可采用全部基础施工
4 结语
预制钢管混凝土空心板后加预应力用于深基础护坡的设计与研究, 在国内外均系首次提出, 在理论上显示出了突出的优越性, 不仅设计思想先进, 合理可靠, 可以节约大量人力、材料、时间、且施工十分方便, 如能在工程上实际应用, 一定会获得较大的经济效益。
[作者简介] 李健, 1957年生, 男, 高级工程师, 沈阳市房地产开发建
设管理办公计划发展处处长。
[单位地址] 沈阳市沈河区北站路138号131F(110013) [联系电话] 024-22565153; [1**********]