板肋式锚杆挡土墙在边坡工程中的应用

喻卫华

(广州市住宅建筑设计院有限公司,广东 广州 510623)



板肋式锚杆挡土墙在边坡工程中的应用

喻卫华

(广州市住宅建筑设计院有限公司,广东 广州 510623)

挡土墙是工程建设中常用的边坡支护结构之一，随着现代化建设的不断发展,边坡支护工程日益增多,特别是在山区建设工程中,板肋式锚杆挡土墙得到越来越广泛的应用。该文结合广州地区的一个实际边坡工程,对锚杆挡土墙设计理论进行了探讨,列举了板肋式锚杆挡土墙设计的要点,指出边坡施工过程中及施工完成后的监测对边坡安全有重要指导作用。研究成果为边坡的设计、施工提供了参考。

板肋式锚杆挡土墙；边坡工程；应用

1 概述

锚杆挡土墙是由钢筋混凝土肋柱、挡土板和锚杆组成或者是由钢筋混凝土面板及锚杆组成的支挡结构物。一般挡土墙是靠自重来保持挡土墙的稳定性。而锚杆挡土墙是靠锚固于稳定土层中的锚杆所提供的拉力,以承受结构物的挡土墙的土压力、水压力来保证挡土墙的稳定[1]。

现代社会由于用地紧张,建筑物距离红线较近的情况时有发生,特别是山地建筑,情况更为明显,山地建筑时常距离高边坡较近,为此需要采取有效措施来保证建筑物安全,板肋式锚杆挡土墙此时应用较多[2-3]。板肋式锚杆挡土墙适用于边坡高度大于12 m,石料缺乏、具备锚固条件及为减少开挖量的挖方地区。目前我国常见的锚杆式挡土墙按面板结构形式可分：板柱式、板壁式、格构式及桩板式等。

2 锚杆挡土墙设计方法

2.1土压力的确定

《建筑边坡工程技术规范》( GB50330—2013)提出[4],确定岩土自重产生的锚杆式挡土墙侧向压力分布,应考虑多种因素,包括锚杆层数、挡墙位移大小、支护结构刚度和施工方法等,可简化为三角形、梯形或其他经验图形。单排锚杆的土层锚杆和填方式锚杆挡土墙,可近似按库仑理论取为三角形分布。对于岩质边坡以及密实、中密砂土类边坡和坚硬、硬塑状粘土和,当采用逆作法施工的、柔性结构的多层锚杆挡墙时,侧向土压力分布可按图1确定。

图1 太沙基土压力分布示意

图中ehk按下式计算。

对岩质边坡:

(1)

对土质边坡:

(2)

式中ehk为侧向岩土压力水平分力标准值,kN/m2；Ehk为侧向岩土压力合力水平分力标准值,kN/m；H为挡墙高度,m。

对于岩质边坡主动岩石压力修正系数β1,可根据边坡岩体类别按下表确定。

表1 主动岩石压力修正系数β1

3.2板肋计算

板肋的内力按照竖向连续梁计算确定,根据桩底处的土质条件和桩基入土深度,将该端点简化成自由、简支、嵌固等,肋柱看成支承在锚杆和地基土上的多跨连续梁,按结构力学方法求解内力[5]。计算采用公式为：

qi=K1σxil

(3)

式中qi为作用于肋上的荷载,kN；K1为土压力荷载分项系数,见输入界面中的荷载系数,一般为1.2；σxi为第i类板块计算的水平土压力,kPa,计算时取同一跨中该类型板最下面板块底边缘的水平土压力,做为该类型板上荷载；l为板的水平计算跨长(两肋之间的间距,m)。

3.3锚杆计算

锚杆总长度为自由段、锚固段和外锚段长度总和。自由段根据滑动面与锚杆的交点来确定,锚固段长度需计算确定。锚杆内力计算公式为：

(4)

式中Nn为第n道锚杆所受到的轴向拉力设计值，kN；Rn为第n道锚杆拉力垂直于肋柱方向的分力，kN；α为肋柱的竖向倾角，°；β为锚杆对水平方向的倾角，°。

锚杆锚固段长度计算：

(5)

式中la为锚杆锚固段长度，m；D为锚杆成孔直径，m；τ为锚杆锚固体与土层之间抗剪强度，m。

式中Nn计算时需考虑安全系数储备。

3.4面板计算

挡板可视为上下两端简支,左右两端固定的单向板,见图2。计算时按照实际土压力情况进行计算,即可确定挡板的配筋。

图2 挡板计算支承条件示意

3 板肋式锚杆挡土墙应用实例

3.1工程介绍

拟建边坡支护工程位于广州市花都区花东镇,山体植被茂盛,坡高约为0～25 m。边坡滑塌影响区内有3栋11层建筑物,高度34.1 m。边坡底部离建筑物边线仅1.5 m,距离较小(见图3)。若边坡垮塌,对建筑物将造成较大破坏。边坡设计年限为50 a,属永久性加固工程。经综合考虑,本边坡工程安全等级为二级,稳定验算及设计安全系数按1.25考虑,支护结构重要性系数γ=1.0。

图3 边坡支护平面示意(单位：mm)

3.2工程地质及水文地质条件

根据钻孔揭露,场地内地基按其成因类型自上而下分为第四系人工填土层(Qml)、第四系坡残积层(Qdel)、泥盆系(D)沉积岩。素填土组成物主要为人工堆填的风化残积土,局部夹有少量强中风化岩块。第四系坡残积层(Qdel)组成物为粘粒、粉粒,粘韧性较多,局部含坡积形成的粉砂岩质小角砾,砂砾感较明显,含较多碎石土。泥盆系(D)沉积岩主要分为粉砂岩、炭质灰岩。场地有同一风化程度但不同的岩性相互穿插、局部地段不同风化程度软硬相夹现象。

图4 边坡高度所处范围典型地质剖面示意

本场地为丘陵地貌,地下水类型主要有孔隙水、基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在场地第四系底层的颗粒孔隙之中,一般属潜水性质,基岩裂隙水主要赋存在风化岩的裂隙中,该裂隙水水量较小,地下水贫乏。场地内没有明显的含水层,各土岩层的透水性弱、富水性差。

3.3设计过程

该边坡坡高约25 m,且坡底距离建筑物距离仅为1.5 m,建筑物为高层建筑。一级边坡坡顶由于消防车道限制,边坡较陡(约82°),二级边坡坡顶由于用地红线限制,边坡也较陡峭(约75°)。考虑到如果产生滑坡,对坡底建筑物将造成严重影响,人民群众财产会有重大损失。经综合对比,最终决定采用安全性较高的板肋式锚杆挡土墙支护方案。

图5为边坡支护一典型剖面图,从图中可以看出边坡主要位于全风化岩层、强风化岩层及中风化岩层内。

图5 边坡支护1-1剖面示意(单位： mm)

图6为边坡支护部分区段立面图,图中泄水孔、锚杆水平及竖向间距均为2 m,由于边坡平面长度较长,在支护结构内设置了变形缝,缝宽20 mm。缝内用沥青麻筋等弹性防水材料填塞,用水泥砂浆整体抹面,覆盖缝隙。

图6 边坡支护立面示意(单位：mm)

图7为锚杆及压顶梁大样图，压顶梁按构造设置钢筋即可。

图7 锚杆及压顶梁大样示意(单位：mm)

图8为板肋式锚杆挡土墙面板及肋柱配筋大样。挡板可视为上下两端简支,左右两端固定的单向板。计算时按照实际土压力情况进行计算,即可确定板的配筋。肋柱根据各道锚杆处产生的支点力,按照多跨连续梁进行计算。

挡板按照单块矩形板进行计算,挡板墙面、墙背横向及竖向钢筋采用A10@200钢筋可满足构造及受力要求。肋柱按照多跨连续梁进行计算,立柱角筋采用4C16,箍筋采用A8@200可满足构造及受力要求，具体配筋见图8。

图8 混凝土面板及肋柱配筋示意(单位：mm)

3.4施工难点及主要流程

由于现浇板肋钢筋混凝土模板安装为单边支模,模板侧压力仅依靠间距2 m的锚杆点拉支撑难以满足施工要求,在板肋式锚杆挡土墙200 mm厚现浇钢筋混凝土板肋施工前,先在永久边坡上用高压喷射混凝土施工一层80～100 mm厚C20混凝土(内层钢筋网A8@50/225)以作模板，内层钢筋网的排设如图9所示。待喷射强度达到70%以上时开始板肋式支护结构的模板混凝土施工,板肋支护结构高度方向以2～2.5 m 为一施工段依次施工,施工缝按施工单位要求处理。

图9 钢丝网大样示意(单位：mm)

钢筋混凝土肋柱及面板按如下要求施工：

1) 面板的内侧钢筋,短跨钢筋置内侧,长跨钢筋置外侧；面板的外侧钢筋,短跨钢筋置外侧,长跨钢筋置内侧。

2) 肋柱与面板均采用现浇施工。

3) 格构梁每隔20 m设置伸缩缝兼做沉降缝,缝宽20 mm,缝内用沥青麻筋等弹性防水材料填塞,用水泥砂浆整体抹面,覆盖缝隙。

4) 所有工序均须待上一工序的支护结构达设计要求后方可进行下一工序的施工。

3.5计算结果

图10为根据边坡稳定分析程序计算出的滑动面,其中滑动面圆心为相对于坡脚的坐标。滑动圆弧半径为14 m,边坡整体稳定安全系数K=1.28,满足规范要求。从图中可知,由于全风化岩和强风化岩强度相对较弱,滑动圆弧主要处于全风化岩和强风化岩层内。边坡支护设计时需加强全风化和强风化岩层内支护措施。

图10 边坡滑动范围示意

3.5监测要求

监测工作在边坡施工过程中和施工完成后均具有重要意义。本工程边坡在施工中应进行地表裂缝监测、坡顶水平和垂直位移监测及锚杆拉力监测,并应包括边坡影响范围内的建(构)筑物、管线监测等。地表裂缝、水平位移、垂直位移监测频率每周1次,锚杆拉力监测频率每半月1次。竣工后的监测尚须确认各项变形已趋于收敛方可终止。边坡支护工程竣工后的监测时间不应少于2 a,频率可在每月1次。

4 结语

边坡支护方案的确定必须在全面分析工程地质条件、周边环境的基础上,从安全、造价、工期和施工工艺等方面综合考虑,从而确定科学合理的方案。本项目由于建筑方案的特殊性,无法采用普通的挡土墙方案。板肋式锚杆挡土墙由于施工占地少,可减小土方开挖量,加快施工速度,这种挡土墙对于岩石陡坡地区及挖方地区有利。与普通毛石挡土墙及钢筋混凝土挡土墙相比可节约大量混凝土量及用地面积。项目现已完工,产生了良好的社会效益。对以后类似情况的工程项目有一定的参考价值。

但是板肋式锚杆挡土墙也存在施工后坡面是混凝土,在美观方面有所欠缺等问题。设计时可结合市政及园林专业要求,采取合理的园林方案来美化坡面。

[1] 尉希成,周美玲. 支挡结构设计手册(第二版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[2] 周恒宇.锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究 [D]. 成都:西南交通大学,2010.

[3] 应志民.锚杆挡土墙力学作用的研究 [D]. 杭州:浙江大学,2006.

[4] 建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[5] 虢曙安.柱板式锚杆结构治理高速公路路堑边坡的理论与应用研究 [D]. 长沙:湖南大学,2005.

(本文责任编辑 马克俊)

Application of Post-Panel Bolts Retaining Wall to Slope Engineering

YU Weihua

(The Institute of Residential Architecture Design of Guangzhou，Guangzhou 510623，China)

Retaining wall is one of commonly used slope supporting structure in construction engineering. With the development of modern society, slope support engineering becomes widely-used. Post-panel bolts retaining wall are widely used, especially in mountain construction project. Combining with a practical project in Guangzhou area, design theory is discussed of anchored retaining wall. Design points of post-panel bolts retaining wall are listed, and that slope monitor is very important for slope is pointed out. It may provide certain basis to design and construction of the slope.

post-panel bolts retaining wall； slope engineering； application

2016-06-03;

2016-06-20

喻卫华(1984),男,硕士，工程师,主要从事岩土及结构方面的设计工作。

TU473