【深基坑技术质量、安全培训】混合支挡结构在边坡支护工程中的应用_s

混合支挡及复杂边坡勘察设计,1引言,由于建筑功能及环境需求，在山地、丘陵工程建设中往往形成高切坡、深填方边坡。伴随着经济及技术的发展，边坡规模日趋高大，使得以往单一边坡支挡结构显然不适应发展潮流，混合支挡结构在经济技术发展中应运而生。纵观前人的研究成果、科技论文等，对山地、丘陵地区混合支挡结构涉及较少，本报告结合工程实例，分析了几种混合支挡结构受力特征，简要介绍其设计方法和原理，特别是设计中的关键问题。旨在抛砖引玉，触类旁通，对有关人员在今后工作中有所裨益。,2混合支挡结构的概念,所谓混合支挡结构定义为：在边坡横断面上，根据地质环境差异、建筑功能及环境要求、边坡的规模大小等特征，本着技术可行、经济上合理、安全可靠的原则，分别采用受力结构体系不同的支挡结构相互作用、相互协调共同承受边坡岩土体荷载的综合支挡体系。,根据设计实践，总结了常见的八种混合支挡结构有：,1、上部柱锚结构(由桩锚结构转化)+下部肋锚结构；2、上部肋锚结构+下部重力式挡墙；3、上部重力式或衡重式挡墙+下部肋锚式挡墙；4、上部加筋土挡墙+下部重力式或衡重式挡墙；5、上部重力式或衡重式挡墙+下部抗滑桩或桩锚挡墙；6、上部重力式或衡重式挡墙+中部承台梁(托梁)+下部抗滑桩或桩锚(直桩或斜桩)挡墙（简称桩基托梁重力式挡墙）；7、上部肋锚+下部桩锚挡墙；8、上部抗滑桩或桩锚挡墙+下部肋锚挡墙。,3、已有文献及规范研究成果,已有组合结构支挡分析研究主要用于软土地区的深基坑支护；采用的形式：上部土钉墙，下部排桩组合结构；,主要结论,北京建筑基坑支护技术规范,4、设计中所遇的几种有特色的混合支挡结构的力学特征、设计方法,4.1上部柱锚结构(由桩锚结构转化)+下部肋锚结构由于已有建筑物限制，无放坡空间，只能近于直立切坡。同时边坡上部人工填土层较厚，土体工程特性较差，如采用肋锚结构，既便是逆作法施工，陡坡土体亦易局部坍塌，使已施工结构处于“悬吊”状态，则支挡结构在锚杆轴力的竖向分力及肋柱自重作用下，极容易发生施工过程中下坠，使得善长于抗拉作用的锚杆承受不利的横向剪力作用，可能造成锚杆剪断而造成结构失效。,鉴于此，只能先设置抗滑桩，以下部稳定的基岩作为嵌固段，依靠稳定基岩提供的水平抗力来平衡土体的侧向土压力，然后在桩前开挖土体。为了提高施工进度及方便施工，往往将桩前土体一次清除，此时应按悬臂桩进行设计。但如土压力较大，则可分步开挖土层，逆作法施工锚杆(锚索)，按桩锚结构设计，并应进行施工过程中不同荷载步结构验算。,由于场坪需要，桩的锚固段基岩将被挖除，随着锚固段逐渐消失，抗滑桩或桩锚结构功能丧失，可使其转化为柱锚结构，按柱锚结构设计、验算。因此在锚固段基岩挖除前或过程中，应在抗滑桩上设置锚杆(锚索)，由柱锚结构来承担桩长范围的岩土侧向压力。下部岩质边坡则采用肋锚结构，来承担下部岩石侧压力。由于结构体系不一，各结构分别支挡上下岩土体，在下部肋锚结构设计中，应充分考虑上部岩土体及地面超载。如上部支挡结构的锚杆锚固段未位于下部边坡破裂面以下。还应考虑上部结构水平荷载对下部结构的影响。,上部柱锚结构下部肋锚结构三维模型示意图Uppercolumnanchorstructureandbottomribsanchorstructure3dmodelschemes,工程实例,某边坡坡顶为已建市政道路及人行过街地下通道，且坡顶管网密集，受建设场地限制，边坡只能直立切坡。该边坡坡高22.5m，边坡上部素填土层厚67m，下部为砂泥岩，强风化层较薄。上部采用柱锚结构，柱截面1.0m1.0m，间距3m，柱长12.50m，由于坡顶对变形要求较严，在柱中下部设四排锚索，间距2m，每孔锚索采用912束715.2钢绞线。边坡下部为肋锚挡墙，高10m，设四排锚杆，竖向间距2.5m，肋间距2m，每孔采用3根36HRB400钢筋。施工顺序如下：先进行桩施工，待桩施工完成后，清除桩前土体，同时施作上部锚索，此时桩起抗滑作用。接着开挖岩坡，逆作法施工下部锚索，桩锚式结构逐渐转化为柱锚结构，最后进行下部肋锚挡墙施工。该混合结构典型剖面见左图。,上部柱锚结构(由桩锚结构转化)+下部肋锚结构实景,设计计算要点：,A、上部结构先按悬臂抗滑桩计算，悬臂长度取土层及强风化厚度，嵌入中等风化一定的深度。B、按锚拉桩进行施工过程验算。C、最后按排桩式锚杆结构验算。设计取最大的内力及配筋。D、下部结构按一般的肋锚挡墙设计，考虑上部荷载。,如果将桩加长，边坡采用同一支护形式，如锚拉桩或排桩式锚杆挡墙，则这种支挡结构不属混合支挡结构范畴。采用此设计方案亦可行，但投资可能会增大。,4.2桩基托梁重力式挡墙,该结构可用于较高的土质边坡，坡底土层较厚，且地基承载力较低，必须采用桩基础，以承载力较高的岩层作持力层。桩上设置托梁(承台梁)，梁上设重力式或衡重式挡墙。承台可设置于坡底地面以下(低承台)，也可设置于边坡上(高承台)。该混合结构的受力特点为：上部重力式挡墙承受墙后土体压力，下部托梁和桩承受上部墙体传递过来的水平荷载及竖向偏心力产生的弯矩，其中竖向力包括上部墙体的自重、墙背与第二破裂面之间的有效荷载和墙背土压力竖向分力。,如果土体产生的侧向力较大，使桩顶产生过大的位移，桩截面及桩身配筋较大，嵌岩段较深，则可在桩顶附近设置锚索(新近填土中应对锚索预先进行保护，避免锚索承受竖向不利荷载)，使桩从不利的“悬臂”受力状态变为较为有利的“简支梁”或“连续梁”受力状态。也可采用前后双排桩与托梁构成门字形框架结构来控制桩顶位移，减少桩身内力。,近几年的工程设计实践中，下部桩基使用斜桩(倾斜度不超过15)技术，依靠桩顶竖向荷载对桩身截面负弯矩抵消部分桩顶向外水平力及向外偏心力矩对桩身截面产生的正弯矩，同时由于斜桩后为仰坡，侧向土压力比直桩要小，故此结构坡顶位移、桩身截面内力、配筋明显减少，据分析在相同嵌固深度情况下，一般可减少30%40%，经济效益显著。,直桩与斜桩内力对比图,该结构的桩基实为偏心受压构件，其受力状况比纯弯构件要好（配筋量一般少5-10%），但设计中应进行桩基竖向承载力及桩身正截面承载力计算。另外，重力式或衡重式挡墙与托梁连接部位的构造处理也很重要，墙底应设计成逆坡，墙底及托梁顶部设置防滑插筋。,桩基托梁重力式挡墙三维模型示意图Pilefoundationjoebeamgravityretainingwall3dmodelschemes,工程实例,某待填填土边坡高20.50m，由于场地环境限制，边坡治理工程只能近于直立，而且坡下填土层厚约6m多，强风化基岩厚约6m，强风化及土体工程特征较差。如此高的填方边坡且地基条件较差，采用桩基托梁+衡重式挡墙较合适。但如采用直桩，则桩项位移、桩身配筋都非常大。经经济技术比较，采用斜桩桩基托梁+衡重式挡墙。衡重式挡墙高10m，托梁高1.5m，宽3m，为高承台。斜桩桩长约24m，桩间距5m，桩截面1.5m2.0m，嵌入中风化基岩约3m，悬臂长约9m，斜桩倾角10。,某填方边坡高约17m，由于场地环境限制，边坡治理工程只能进于直立。虽坡下土层及强风化层厚较小，约2.5m，但挡墙前缘为斜坡，经方案比较，采用桩锚托梁+衡重式挡墙。衡重式墙高9m，托梁高1.2m，桩长约14m，悬臂长约6m，桩截面1.5m2.0m，桩间距5m，嵌入中等风化约4m。离桩顶2.5m处设一排锚索，每孔9束715.2钢绞线，锚入中等风化基岩6m。,设计计算要点,A、桩顶在竖向、水平荷载及力矩作用下内力计算：桩受外部荷载段按静力平衡法；桩的嵌固段按弹性地基梁法，将嵌固段顶部的剪力、弯矩等效处理来反求作用于受荷段的岩土压力，然后可按常用软件计算。B、杆件有限单元法：可考虑复杂的受力状态。C、桩可按偏压构件配筋，并应进行桩的竖向承载力验算。D、托梁受竖向、水平荷载作用计算,4.3上部桩锚结构+下部肋锚结构,该组合结构用于稳定性较差的岩土边坡，边坡高度及岩土侧压力或剩余下滑力较大，坡顶上已有建筑，对变形要求较高，且放坡空间有限。采取分阶治理，上部采用桩锚结构，下部采用仰斜式肋锚结构，由于场地的限制，上部位于坡上的半坡桩必须穿过下部岩坡的潜在滑移面，或桩的嵌固段离下部边坡潜在滑移面的水平距离小于35倍桩径。则下阶边坡的支挡结构受到岩体对桩的水平抗力反作用力及桩的竖向嵌固力引起的侧向压力作用，下阶边坡的肋锚结构上部岩土侧向压力显著增大，相应部位的锚杆钢筋截面及锚固长度应加强处理。上部桩锚结构可按“强锚弱桩”的原则设计，以减少桩对下部边坡的影响。,如果将桩加长，嵌固段下移，以满足嵌固段离坡面的边缘宽度要求，使上部与下部结构相互无影响，则这种支挡结构不属混合支挡结构范畴。采用此设计方案亦可行，但投资可能会增大。,上部桩锚结构下部肋锚结构三维模型示意图Upperpileanchorstructureandbottomribsanchorstructure3dmodelschemes,工程实例,某环境边坡高约43m，以岩坡为主，岩坡为顺向坡，稳定性受倾角67的岩层岩面控制。由于建筑场地限制，放坡空间有限，且边坡稳定性较差，如切坡坡角大于层面倾角，即便是采用逆作法施工的肋锚挡墙，也难以施工，几乎是随挖随塌。,鉴于此，经过经济技术比较，上部约20m的高边坡采用桩锚结构，桩长约30m，桩间距4m，桩截面1.5m2.5m，嵌固段长7m，桩上设6排锚索，排距为2.5m，每孔79束715.2钢绞线，中间设置坡率1：1.45，宽4m的马道，下部约20m高边坡采用1：0.44的顺层放坡后设置肋锚挡墙。,上部桩锚结构下部肋锚结构典型剖面图,由于桩嵌固段离下部坡顶较近，则在下部肋锚挡墙设计时，共设8排锚杆，其上部2排锚杆考虑了上部桩对下部岩坡的水平作用力，采用2根HRB400直径32mm的钢筋，锚固段长度6m，下部6排锚杆采用2根HRB400直径25mm的钢筋，锚固段长度3m，锚杆间距为2.5m2.0m。,上部桩锚结构下部肋锚结构实景,设计计算要点,4.4上部肋锚结构+下部桩锚结构,该结构可用于边坡稳定性受外倾结构面控制的高陡岩坡，边坡的岩土侧压力或剩余下滑力较大，如果采用单一的肋锚结构，几乎无法支挡。于是，可以在边坡上部采用肋锚结构，坡脚附近采用桩锚结构。该组合结构能承受较大的岩土体边坡荷载，同时充分运用“强顶固脚”设计理念，与支挡结构实际受力状态相吻合。,上部锚杆设计可按破裂面为上部边坡坡脚临空的浅层滑移面计算岩石侧压力或剩余下滑力及确定锚固段起始位置。但应充分考虑是否存在深层多级组合滑面，即应注意是否有越顶破坏的可能。如从下部边坡坡脚临空的深层滑移面与缓倾角层面组合，即可由两个结构面组成滑动面的滑体，这种破坏模式往往被工程技术人员忽视。,此时，上部边坡部分锚杆(索)可深入深层滑面，除可承担部分浅层滑动的剩余下滑力或岩石侧压力外，还可承担部分深层滑动的剩余下滑力或岩石侧压力，以减少下部桩锚结构的岩土荷载。,上部肋锚结构下部桩锚结构三维模型示意图Upperribsanchorstructureandbottompileanchorstructure3dmodelschemes,设计计算要点,A、按极限平衡法计算出总的下滑力B、计算上部锚杆（索）能抵挡的下滑力或先拟定部分下滑力，计算所需锚杆（索）量。C、由下部锚拉桩来承担剩下的下滑力。,工程实例,某岩质边坡高约32m，边坡后部为一斜坡，岩体中有一组外倾裂隙，倾角48，边坡稳定性主要受该外倾裂隙控制。此外，边坡上部还受该外倾裂隙与内倾层面组合控制。外倾裂隙有粘土充填，遇水易泥化，抗剪强度指标较低，裂隙结合很差或为泥化夹层，剩余下滑力达50006000kN/m。经方案比选，上部高22m的岩坡采用后仰式肋锚结构，坡比1:0.45，锚杆竖向间距2.5m，水平间距2.0m，每孔采用3根HRB400直径28mm的钢筋，上5排锚杆锚入浅层滑面，下4排锚入深层滑面。下部10m高岩坡采用桩锚结构，桩截面1.5m2.0m，桩长约15m，桩间距3m，嵌入中等风化5m，桩上设6排锚索，排距为1.5m，每孔17束715.2钢绞线，为避免群锚效应，锚固段错开布置。该混合结构典型剖面见左图,4.5上部支挡结构的水平荷载引起的侧向应力计算,或集中荷载作用在下部结构的顶部,如上部结构锚杆锚固段已深入边坡整体岩土体的破裂面以下，可不考虑上部结构的水平荷载对下部支挡结构的影响。,倒三角形法,5其它复杂边坡支护实例,谢谢！,顺层岩质滑坡实例,某岩质切坡高约1216米，坡度约70，边坡未进行支护处理。由于近期当地连续暴雨，该边坡于2012年5月22日下午13:30产生沿层面顺层滑坡。滑坡横宽约110m，纵长约42m，滑体厚度约522m，面积约3.28103m2，体积约3.6104m3。若滑坡进一步发展，将危及到坡顶四条220kV铁塔的安全,根据恢复坡体极限平衡状态的检算，对近期发生的滑坡，可将边坡轮廓恢复至开始滑动瞬间的形状，并认为它处于极限平衡状态，即稳定系数K=1。利用两条剖面（1-1、2-2）进行综合计算，抗剪强度指标反算值采用敏感性分析后确定，最终经反算并结合地区经验，软弱结构面c值取13kPa，取18，此时得到的抗剪强度指标介于峰值抗剪强度指标与残余抗剪强度指标之间。,对滑坡体变形已不再发展，裂缝不再增多、扩大，滑坡壁明显。此时滑坡体处于停滑阶段，滑面的抗剪强度指标在峰值抗剪强度指标与残余抗剪强度指标之间选取，建议c