探讨岩质边坡与基坑板肋式锚杆挡墙与桩锚结构设计

2022-03-28王晨

建材与装饰 2022年9期

王晨

［重庆银桥工程设计（集团）有限公司，重庆 404000］

1 板肋式、排桩式锚杆挡墙的适用范围

在工程建设中，当现场条件为如下情况时，可考虑采用锚杆挡墙。①场地高差较大：超过8m以上，若继续采用衡重式重力挡墙会导致经济性较差，此时应优先考虑采用锚杆挡墙。②临近用地红线或建筑主体结构，不具备较高重力式挡墙的开挖条件或施工场地。③施工期稳定性较好的边坡，可采用板肋式（或格构式）锚杆挡墙。④当边坡变形控制要求严格和施工期稳定性差时，宜采用预应力锚杆。

而当工程情况符合具有下列特点时，应优先考虑采用排桩式锚杆挡墙。①岩层产状或裂隙外倾（倾角≤45°）起控制作用的岩质高边坡，本身极不稳定，切坡后可能沿外倾软弱结构面滑动。②当边坡位于滑坡区且每层锚杆设计竖向间距较大时，即便按逆作法施工，每段切坡高度也会相应较大，则切坡后可能引发局部滑坡。③若现场施工周期紧张，为抢赶进度和操作方便，并未严格遵循逆作法的工艺要求、采取大开挖后再由下至上施工挡墙的顺序，就易引发岩体垮塌，从而给现场施工带来安全隐患。④岩质类别为Ⅳ类，且边坡塌滑区内有重要建筑物基础。

2 边坡岩体分类及破坏形式

岩质边坡根据其岩体完整程度、结构面结合程度、结构面产状和直立边坡自稳能力等条件，从好到差可分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类。破坏形式可分为滑移型和崩塌型。其中以滑移型破坏形式为主的边坡，其岩体特征又分为外倾结构面控制的岩体与不受外倾结构面控制和无外倾结构面的岩体，具体类型可根据赤平投影图来判断。

3 岩石边坡推力计算

锚杆挡墙所受的侧向岩石压力，根据《建筑边坡工程技术规范》的规定，存在以下3种计算方法：①无外倾结构面时，以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算侧向岩压力。②当有外倾硬性结构面（如岩层产状），且其与边坡坡向的夹角小于30°时，以外倾硬性结构面的参数计算侧向岩压力。③当有外倾软弱结构面（如裂隙），且其与边坡坡向的夹角小于30°时，以外倾软弱结构面的参数计算侧向岩压力。结合地勘报告中的赤平投影图与稳定性评价，具体运用如下。

当赤平投影图显示边坡坡向与岩层产状或裂隙的夹角小于30°时，此时岩层产状或裂隙可能产生的岩石压力对边坡稳定起控制作用，其岩石压力应按方法②或方法③的计算方法按顺向坡进行计算。

当赤平投影图显示边坡坡向与岩层产状或裂隙的夹角大于30°而小于35°时，根据工程实践经验，考虑到地质勘察时的现场测量误差，一般也应按方法②或方法③的计算方法计算侧向岩石压力。

当赤平投影图显示边坡坡向与岩层产状或裂隙的夹角大于35°时，则可基本判定为切向坡或反向坡，按方法①计算外力。

4 板肋式锚杆挡墙设计

4.1 力学模型

锚杆挡墙由锚杆、立柱、挡板等部分组成。所受外力为挡板直接承受不（欠）稳定岩体的侧向岩石分布压力（图1），再以单向板的传力方式将分布压力传至立柱（类似于普通梁板体系）成为线荷载；立柱可按支承于刚性锚杆上的连续梁计算内力，根据立柱下端的嵌岩程度，可按铰接端或固定端考虑，顶端有一定长度的悬臂段以满足顶排锚杆的埋深要求；挡板根据与立柱连接构造的不同，可简化为支撑在立柱上的水平连续板、简支板或双铰拱板，设计荷载取所在高度的岩土压力值，对岩质边坡可根据工程经验考虑两立柱间岩土形成的卸荷拱效应[1]。

图1 侧向岩石分布压力

锚杆挡墙产生的抗力是由锚杆深入稳定岩体一定深度（由计算确定），通过锚固段锚固体与地层岩体间的粘结力和锚杆杆体（一般为锚筋）与锚固体间的粘结力将肋柱与挡板拉住，贴合于不（欠）稳定岩体的临空面，从而达到支护不（欠）稳定岩体的目的（图2）。

图2 锚杆挡墙剖面

对岩质边坡以及坚硬、硬塑状粘土和密实、中密砂土类边坡，当采用逆作法施工时的侧压力（ehk）分布图（括号内数值为土质边坡）对土质边坡（非新近填土）或不能采用逆作法时，应按主动土压力分布图计算锚杆受力。

4.2 设计内容

锚杆挡墙设计应包括以下内容：①侧向岩石压力计算；②挡墙结构内力计算；③立柱嵌入长度计算；④锚杆计算和构造计算；⑤挡板、立柱（肋柱或排桩）及其基础设计；⑥边坡变形控制设计；⑦整体稳定性分析；⑧施工方案建议和监测要求。

4.3 设计注意事项

根据设置位置的情况，选定挡墙倾角，在条件允许时挡墙倾角应小于90°并尽量放缓，以使立面效果从感官上较为理想；锚杆布置应尽量与边坡走向垂直，并应与结构面呈较大倾角相交。在平面布置上尤其应注意尽量避免出现临空面阳角转折，否则将导致两个方向的锚杆出现相交；若不可避免，则应将肋柱水平间距适当加大，或将两个方向的锚杆往背离交点的方向转动，尽量避免锚杆相交；永久性锚杆挡墙现浇混凝土构件的温度伸缩缝间距不宜大于20～25m。伸缩缝两侧挡板悬臂部分的长度L2不宜大于相邻内侧肋柱间距L1的2/5，以使悬臂部分挡板所受负弯矩与相邻内侧肋柱之间挡板所受正弯矩相当：L22/2≤L12/11，（L2/L1）2≤2/11，则L2/L1≤（2/11）1/2=0.426。由此简化挡板配筋设计并方便施工；立柱的横向间距宜采用2～8m；锚杆上下排的垂直间距宜不小于2.5m，水平间距宜不小于2m，以避免“群锚效应”；当锚杆间距小于上述规定或锚固段岩土层稳定性较差时，锚杆宜采用长短相间的方式布置；第一排锚杆锚固体上覆土层的厚度宜不小于4m，上覆岩层的厚度宜不小于2m。

第一锚点位置可设于坡顶下1.5～2m处，最下一排锚杆可设置于设计地面线以上0.5m处，中间各排锚杆的竖向间距原则上系由锚杆将中段高差均分所得；但为施工方便，各纵列锚杆在确定竖向间距时，应兼顾与相邻列锚杆竖向间距大概一致（最下一排锚杆位置与最下一段肋柱的支座计算假定有关：①当肋柱地基较好，埋置深度满足固端或铰接条件时，最下一排锚杆与设计地面线的距离可与各排锚杆一致，计算肋柱时，可将底部支座条件按固端或铰接设置。②当肋柱地基不理想，或现场施工无法保证能肋柱基础达到嵌固或铰接条件，那么可将最下一排锚杆与设计地面线的距离取为0.5m，这样最下一段肋柱即便按悬臂构件计算，所得弯矩也不会大于其余各跨弯矩，从而保证安全）；锚杆与水平线的倾角宜采用15°～35°，一般取15°。锚杆工程中，锚杆总长度和锚筋截面面积，对工程造价影响较大，应根据所需支挡边坡岩土体的有效内摩擦角折中确定，既要避免锚杆在伸入稳定岩层之前的自由段长度过长，也要避免由于倾角过大而使锚杆钢筋计算面积过大。

4.4 构造要求

锚杆锚固段长度在土层中应小小于4m，且宜不大于10m，岩石中应不小于3m，且宜不大于45D和6.5m，或55D和8m（对预应力锚索）；立柱、挡板和格构梁的混凝土强度等级不应低于C20；肋柱截面宽度宜不小于300mm，截面高度宜不小于400mm；钻孔桩直径宜不小于500mm，人工挖孔桩直径宜不小于800mm；立柱基础应置于稳定的地层内，可采用独立基础、条形基础或桩基础等形式；对永久性边坡，现浇挡板和拱板厚度宜不小于200mm。

锚杆挡墙立柱宜对称配筋；当第一锚点以上悬臂部分内力较大或柱顶设单锚时，可根据立柱内力包络图采用不对称配筋；锚杆挡墙立柱的顶部宜设置钢筋混凝土构造连梁；当锚杆挡墙的锚固区内有建（构）筑物基础传递的较大荷载时，除应验算挡墙的整体稳定性外，还应适当加长锚杆，并采用长短相间的设置方法。

4.5 施工要求

首先，锚杆工程的施工顺序为：钻孔→清孔→验孔→锚杆组装与安放→注浆→验收。肋柱与挡板工程的施工重点为逆作法，目前我们通常要求逆作法的每层高度不大于3.0m，当立柱间距大于2.5m时，每段长度应取不小于2倍立柱间距，当立柱间距大于2.5m时，每段长度可取不小于3倍立柱间距。施工过程中立柱和面板不得完全悬空，应将立柱嵌入下级稳定岩层不小于1m。其次，板肋式锚杆挡墙支挡的边坡（尤其是支挡岩体顺向坡的锚杆挡墙，以防施工中岩体发生突然滑塌）应采用至上而下、分层分段跳槽开挖和锚固的逆作法施工。最后，对存在局部填方的锚杆挡墙，在设计和施工时应采取有效措施防止新填方土体造成的锚杆附加拉应力过大[2]。

5 桩锚支挡结构体系（排桩式锚杆挡墙）设计

5.1 构件组成

桩锚结构体系是在岩石锚杆理论基础上发展起来的一种挡土结构，由竖桩（立柱）、岩石锚杆、挡板、压顶梁、连系梁等构件组成，竖桩（立柱）和岩石锚杆组成承载体系，挡板、压顶梁、连系梁等组成构造体系，二者共同组成桩锚支挡结构体系。挡板主要是围护承载体系间的土体，使其不致塌落，以保持墙面美观。压顶梁和连系梁主要是协调各榀承载体系间的受力条件和变形，同时加强桩锚结构体系的整体刚度。除挡板属于构造体系外，桩锚支挡结构体系的力学模型、设计内容、计算方法与锚杆挡墙基本相同，不再赘述。

5.2 施工顺序

为使边坡在挖掘过程中不会产生坍塌，应在边坡开挖前，于竖桩（立柱）设计所在部位，预先采用钻孔或挖孔灌注桩施工工艺施工竖桩（立柱），并浇筑压顶梁以加强竖桩的整体刚度。待边坡开挖至锚杆所在标高后，进行锚杆钻孔、清孔、投放锚筋、注浆、浇筑混凝土等工序，做好锚杆与竖桩间的连接，再施工连系梁，使桩锚形成能共同受力的桩锚结构体系[3]。挡板部分，可先在竖桩中预埋钢筋，待结构体系施工完毕后进行后期制作，也可采用在竖桩上植筋的方式完成。当开挖工作面到达第一排锚杆位置时，应及时施工，施工完毕后应验算该排锚杆的抗拔承载力，只有当抗拔承载力标准值大于开挖边坡时施加给锚杆的拔力，才能继续往下开挖。桩锚结构体系切坡施工顺序如图3所示。