铁路路基与支挡结构 第六节 锚杆挡土墙55p.pptx

铁路路基与支挡结构 支挡结构部分 第六节锚杆挡土墙 6 1概述 内容6 1 1结构的发展和适用条件6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点6 1 3理论现状和存在的问题 6 1 1结构的发展和适用条件 锚杆挡土墙是由钢筋混凝土墙面 肋柱 面板 和锚杆组成的支挡结构 它依靠锚固在稳定岩土层内锚杆的抗拔力平衡墙面处的土压力 锚杆技术的优点是对边坡的扰动较小 预应力锚杆可控制结构的变形 近年来 锚杆技术发展迅速 在边坡支护 围岩锚定 滑坡整治 洞室加固 高层建筑基础锚固等工程中广泛应用 具有实用 安全 经济的特点 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 锚杆挡土墙的结构形式有 柱板式 板肋式 板壁式 格构式和垂直预应力锚杆等 一 柱板式锚杆挡土墙柱板式锚杆挡土墙 如图6 1所示 由肋柱 挡土板和灌浆锚杆组成 可采用拼装式 也可以就地灌注 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 图6 1两级柱板式锚杆挡土墙示意图 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 1 板柱式锚杆挡土墙各构件的构造 1 灌浆锚杆灌浆锚杆俗称大锚杆 采用钻机钻孔 孔径为100 150mm 孔内安放钢筋或钢丝束 用灌注水泥砂浆的方法 使其锚固于稳定的地层内 2 肋柱肋柱的截面多为矩形 也可以设计为t型 为安放挡土板和设置锚杆孔 截面的宽度不宜小于30cm 现浇时截面高度不宜小于40cm 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 3 挡土板墙面板可采用钢筋混凝土槽型板 空心板和矩形板 矩形板厚度一般不得小于15cm 现浇时不宜小于20cm 挡土板两端与肋柱的搭接长度不得小于10cm 4 锚杆与肋柱的连接当采用拼装时 锚杆和肋柱之间可采用螺栓连接或焊接短钢筋连接 现浇可采用设置弯钩的连接方式 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 2 结构的特点能争取边坡高度 减小土石方开挖和占地 节省石料 预制肋柱式锚杆挡土墙因每一级墙需一次挖成 故适用于岩层比较完整 不易坍塌的地段 同时注意开挖后需及时施工 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 二 板肋式锚杆挡土墙现浇钢筋混凝土板肋式锚杆挡土墙 由带竖肋的板和灌浆锚杆组成 竖肋可向里 也可向外 如图6 2所式 板肋式锚杆挡土墙适用于挖方地段 当开挖后边坡稳定性较差时 可采用 逆作法 施工 即开挖到一定深度 施工锚杆 绑扎钢筋 墙面板灌注混凝土 待每一层结构达到一定强度后再开挖下一层 重复各步骤 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 图6 2板肋式锚杆挡土墙示意图 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 三 格构式锚杆挡土墙格构式锚杆挡土墙由现浇网状的钢筋混凝土格架梁和灌注锚杆组成 如图6 3所示 垂直型墙面可用于稳定性和整体性较好的岩石边坡 后仰型墙面可用于各类岩石边坡和稳定性较好的土质边坡 格架内墙面根据边坡岩土条件及整体稳定状态 可采用网喷混凝土封面或绿化处理 当开挖后边坡稳定性较差时可采用 逆作法 施工 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 图6 3格构式锚杆挡土墙示意图 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 四 垂直预应力锚杆挡土墙垂直预应力锚杆挡土墙由圬工墙身和预应力锚杆组成 如图6 4所示 它借助锚杆预应力对墙身施加的压力 代替墙身圬工的重量 从而减小墙身的断面尺寸 垂直预应力锚杆挡土墙具有节省圬工 造价低廉和施工简便等优点 适用于墙身所受推力较大的岩石地基和挡土墙变形需要严格控制的地段 6 1 2锚杆挡土墙的类型和特点 图6 4垂直预应力锚杆挡土墙示意图 6 2锚杆挡土墙设计荷载及内力计算 内容6 2 1锚杆挡土墙的布置原则6 2 2设计荷载及分布6 2 3肋柱的支点反力和内力计算6 2 4锚杆和挡土板的内力计算 6 2 1锚杆挡土墙的布置原则 一 锚杆挡土墙的布置1 锚杆挡土墙根据地形可采用单级或多级 在多级墙上 下两级墙之间可设置平台 2 肋柱式锚杆挡墙的肋柱间距一般为2 3m 板肋式锚杆挡墙肋柱的间距一般为3 8m 格构式锚杆挡土墙的间距一般为3 5m 3 每级肋柱上的锚杆层数 可设计为一层或多层 为了防止出现 群锚 现象 上下排间距不宜小于2 5m 水平间距不小于2m 6 2 1锚杆挡土墙的布置原则 每层锚杆宜向下倾斜 锚杆轴线与水平面夹角小于10 后 锚杆外端灌浆饱满度难以保证 因此夹角一般不宜小于10 由于锚杆水平抗拉力等于拉杆强度与锚杆倾角余弦值的乘积 锚杆倾角过大时 有效水平拉力下降过多 同时将对锚肋作用较大的垂直分力 该垂直分力在肋柱基础设计时不能忽略 同时对施工期锚杆挡土墙的竖向稳定不利 因此 锚杆与水平面的夹角不宜大于45 一般在10 35 之间 便于灌浆 6 2 1锚杆挡土墙的布置原则 二 锚杆挡土墙设计锚杆挡土墙设计的主要内容有 墙背土压力计算 肋柱 锚杆和挡土墙的内力计算和结构设计 肋柱底端支撑应力的验算等 6 2 2设计荷载及分布 一 根据库仑公式计算各级锚杆墙侧向土压力理论值作用于锚杆挡土墙的墙背土压力理论值 可按库仑主动土压力计算 多级锚杆挡土墙墙背的土压力当考虑上级墙对下级墙的影响时 各级墙应分别按库仑公式计算 多级锚杆挡土墙墙背对下级墙的影响 也可按延长墙背法进行简化计算 如图6 5所示 6 2 2设计荷载及分布 图6 5用库仑公式计算三级锚杆墙的图示 6 2 2设计荷载及分布 1 按库仑公式计算土压力2 按延长墙背法计算土压力 6 2 2设计荷载及分布 二 土压力的修正计算1 建筑边坡工程技术规范 gb50330 2002 中规定坡顶无建筑物且不需进行边坡变形控制的锚杆挡土墙 其侧向土压力可按下式计算 式中 土压力修正系数 应根据岩土类别和锚杆类型按表6 1采用 6 2 2设计荷载及分布 锚杆侧向土压力修正系数表6 1注 当锚杆变形计算值较小时取大值 反之取小值 6 2 2设计荷载及分布 2 铁路路基支挡结构设计规范 tb10025 2001 中的规定 肋柱设计时 土压力的增大系数 相当于以前的附加安全系数 为1 23 由于设计中一般并未考虑肋柱间的 拱效应 故计算挡土板的土压力时可不考虑增大系数 3 建筑地基基础设计规范 gb50007 2002 中对边坡支挡结构土压力计算的规定 主动土压力增大系数 当边坡高度小于5m时宜取1 0 高度为5 8m时取1 1 高度大于8m时取1 2 6 2 2设计荷载及分布 三 土压力的分布根据国内外工程实测资料 目前常按下列情况采用土压力分布图形 1 填方锚杆挡土墙和单排锚杆的土层锚杆挡土墙 或挡土墙高度较小 未采用逆作法施工 可近似按库仑理论取为三角形分布 2 对岩质边坡以及坚硬 硬塑状粘土和密实 中密砂土类边坡 采用逆作法施工 柔性结构的多层锚杆挡土墙 土的侧压力分布可按图6 7 图6 8确定 图中的ehk按下式计算 6 2 2设计荷载及分布 岩质边坡 土质边坡 6 2 2设计荷载及分布 图6 7岩质边坡土压力分布图 图6 8土质边坡土压力分布图 图6 9肋柱上土压力分布 单位 m 6 2 3锚杆和挡土板的内力计算 一 锚杆的内力计算锚杆按轴心受拉构件考虑 进行锚杆的内力计算 可截取肋柱的任一支点n 如图6 20所示 rn为肋柱的支点反力 如令锚杆的轴向力为nn 则 图6 20锚杆拉力与支点反力的关系 6 2 3锚杆和挡土板的内力计算 二 挡土板的内力计算1 板一般为支承于竖肋上的连续板 简支板或拱等构件 其设计荷载按板的位置及标高处的岩土压力确定 2 装配式墙面板一般可按下列规定设计计算 墙面板可按以肋柱为支点的简支板计算 其计算跨度为净跨加板的两端搭接长度 墙面板的计算荷载取为沿板的宽度采用与其相应土压力图示中的最大值 按均布荷载计算 3 现浇的无肋柱式锚杆挡土墙和板肋式锚杆挡土墙 其墙面板的内力计算 可分别沿竖直方向和水平方向取单位宽度按连续梁计算 6 3结构设计 内容6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 自学 6 3 2锚杆的结构设计 重点讲述 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 一 荷载组合及荷载分项系数的确定1 根据国家现行的相关规范 支挡结构的重要性系数的取值 安全等级为一级的边坡取1 1 二 三级边坡取1 0 设计中挡土板的安全系数可取1 0 2 进行支挡结构的稳定性计算时 荷载效应组合采用承载能力极限状态的基本组合 但其荷载分项系数均取1 o 组合系数应符合 建筑结构荷载规范 gb50009 2001 的规定 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 3 肋柱和挡土板的承载能力极限状态计算按荷载效应的基本组合 组合的形式及组合系数按 建筑结构荷载规范 gb50009 2001 中3 2 3条的规定 荷载分项系数一般由永久荷载效应控制 取1 35 当由可变荷载控制时 应取1 2 4 肋柱和挡土板正常使用极限状态的验算 裂缝宽度和挠度 荷载效应组合应采用正常使用极限状态的准永久组合 永久荷载产生的效应采用标准值 可变荷载产生的效应乘以准永久系数 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 二 正截面 斜截面设计1 正截面设计中弯矩的标准值应选择各支点弯矩和每跨的跨中最大弯矩 肋柱和格构为双面配筋 配筋不仅要满足正截面的承载力要求 还应满足最小配筋率的要求 图6 23 按受弯构件设计 根据正负弯矩的位置按单筋梁设计 立柱 肋柱和格构的截面形状通常为矩形 其正截面受弯承载力的计算公式如下 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 图6 23矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算 6 3 2肋柱和挡土板的结构设计 混凝土受压区高度按下式计算 混凝土受压区高度还应符合下列条件 纵向受拉钢筋屈服与受压区混凝土破坏同时发生时的相对受压区高度按下式计算 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 2 斜截面承载力设计时 应选择各支点处的剪力作为标准值 箍筋的配置除满足斜截面的承载力要求外 还应满足最小配筋率的要求和构造要求 箍筋的布置应按照 支点较密跨中较稀 的原则 支点受力较大时 可按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 7 5节中的相关条文配置弯起钢筋 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 三 裂缝最大宽度和挠度验算肋柱和板均应按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 7 4节进行裂缝最大宽度和挠度验算 1 荷载效应的准永久组合形式 组合中设计值仅仅适合于荷载与荷载效应为线性的情况 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 2 正常使用极限状态按下式验算 s c式中 c 结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值 在肋柱和板的设计中为变形 挠度 和裂缝宽度 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 3 裂缝最大宽度 1 肋柱和挡土板的最大裂缝宽度计算按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 第8 1 2条执行 按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋应力的等效应力公式如下 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 2 最大裂缝宽度应满足 3 当裂缝宽度不满足要求时 应减小钢筋直径或增大钢筋的配筋率 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 4 挠度验算 1 肋柱和挡土板的短期刚度bs按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 公式 8 2 3 1 计算 6 3 1肋柱和挡土板的结构设计 2 肋柱和挡土板的刚度b按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 第8 2 2条计算 3 根据肋柱和挡土板的刚度用结构力学的方法计算挠度 6 3 2锚杆的结构设计 灌浆锚杆设计包括锚杆截面 锚杆长度和锚杆头部连接设计三部分 一 锚杆的正截面承载力计算锚杆按轴心受拉构件考虑 锚杆的截面设计需要决定每层锚杆所用钢筋的根数和直径 并根据钢筋和灌浆管的尺寸决定钻孔的直径 正截面设计按极限状态法计算 计算的方法较多 以下介绍几种常用的方法 6 3 3锚杆的结构设计 1 按 铁路路基支挡结构设计规范 tb10025 2001 6 2 2条计算 2 按 建筑边坡工程技术规范 gb50330 2002 7 2节的有关公式计算 1 锚杆轴向拉力标准值与设计值可按下式计算 6 3 3锚杆的结构设计 2 锚杆的钢筋面积 应按下式计算 3 按 锚杆喷射混凝土支护技术规范 gb50086 2001 计算 预应力钢筋的截面尺寸应按下列公式确定 6 3 3锚杆的结构设计 二 锚杆的长度锚杆长度包括非锚固长度和有效锚固长度 非锚固长度应根据肋柱与主动破裂面或滑动面的实际距离确定 有效锚固段的长度计算 根据锚杆的拉力 可按极限状态法或容许应力法 根据锚杆的拉力 锚固体与锚孔壁之间的抗剪强度 锚杆与砂浆间的粘结力确定 有效锚固长度 在岩层中不宜小于4 0m 但也不宜大于10m 下面介绍两种计算方法 6 3 3锚杆的结构设计 1 按 铁路路基支挡结构设计规范 tb10025 2001 6 2 6条计算 1 按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度 2 验算锚杆与砂浆之间的容许粘结力在较完整的硬质岩层中 岩层强度一般大于砂浆的强度 岩层对砂浆的抗剪强度一般大于砂浆对钢拉杆的粘结力 因此 在完整硬质岩层中的锚杆极限抗拔力主要取决于砂浆对钢拉杆的粘结力 6 3 3锚杆的结构设计 2 按 建筑边坡工程技术规范 gb50330 2002 7 2 3条计算锚固段长度 1 固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度 2 锚杆钢筋与锚固砂浆间的粘结强度确定锚固段长度3 按 锚杆喷射混凝土支护技术规范 gb50086 2001 计算 6 3 3锚杆的结构设计 三 连接部分的结构设计1 杆与肋柱的连接采用螺栓连接时 应根据锚杆的设计拉力 选择螺杆直径和螺母尺寸 常用的标准螺杆直径与螺母尺寸可参见有关的机械零件手册 2 肋柱和锚杆的连接部分应按 混凝土结构设计规范 gb50010 2002 中第7 8 1条 7 8 2条的规定进行局部受压承载力计算 6 4构造特征 内容6 4 1构造要求6 4 2材料要求 6 4 1构造要求 一 灌浆锚杆1 锚杆的总长度应为锚固段 自由段和外锚段的长度之和 并应满足下列要求 1 锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑面的长度计算 预应力锚杆自由段长度不应小于3 5m 且宜超过潜在滑裂面不小于1 0m 2 锚固段计算长度一般在4 0 10 0m之间 2 锚杆隔离架 对中支架 应沿锚杆轴向方向每隔1 3m设置一个 对土层应取小值 岩层应取大值 6 4 1构造要求 3 当锚固段岩层破碎 渗水量大时 宜对岩体作固结灌浆处理 以达到封闭裂隙 封阻渗水 提高锚固性能的目的 4 锚杆的使用寿命应与被加固的构筑物和所服务的建筑的使用年限相同 其防腐等级也应达到相应的要求 5 锚杆防腐处理的可靠性及耐久性是影响锚杆使用寿命的重要因素 防腐处理应保证锚杆各段均不出现局部腐蚀的现象 6 4 1构造要求 6 永久性锚杆的防腐应符合下列规定 1 非预应力锚杆的自由段 应除锈 刷沥青船体漆 并用沥青玻璃纤布缠裹不少于两层 2 对采用精轧螺纹钢制作的预应力锚杆的自由段 可按上述方法进行处理后装入聚乙烯塑料套管中 套管两端100 200mm长度范围内用黄油充填 外绕扎工程胶布固定 也可采用除锈 刷沥青船底漆 涂钙基润滑脂后绕扎塑料布再涂润滑油 装入塑料套管 套管两端黄油充填 6 4 1构造要求 3 位于无腐蚀性岩土层内的锚固段应除锈 砂浆保护层厚度不应小于25mm 4 位于腐蚀性岩土层内的锚杆的锚固段和非锚固段 应采取特殊防腐处理 5 经过防腐处理后 非预应力锚杆的自由段外端应埋入钢筋混凝土构件内50mm以上 对预应力锚杆 其锚头的锚具经除锈 三度涂防腐漆后应采用钢筋网罩 现浇混凝土封闭 混凝土强度等级不应低于c30 厚度不应小于100mm 混凝土保护层厚度不应小于50mm 6 4 1构造要求 7 临时锚杆的防腐蚀可采取下列措施 1 非预应力锚杆的自由段 可采用除锈后刷沥青防锈漆处理 2 预应力锚杆的自由段 可采用除锈后刷沥青防锈漆或加套管处理 3 外锚头可采用外涂防腐材料或外包混凝土处理 6 4 1构造要求 二 肋柱和挡土板1 肋柱 1 锚杆挡土墙肋柱截面尺寸除应满足强度 刚度和抗裂要求外 还应满足挡土板的支座宽度锚杆钻孔和锚固等要求 2 装配式肋柱 应考虑肋柱在搬动 吊装过程以及施工中锚杆可能出现受力不均等不利因素 故在肋柱内外两侧不切断钢筋 应配置通长的受力钢筋 3 当肋柱的底端按自由端计算时 为防止底端出现负弯矩 在受压侧应适当配置纵向钢筋 6 4 1构造要求 2 挡土板 1 考虑到现场立模和浇注混凝土的条件较差 为保证混凝土的施工质量 现浇挡土板的厚度不宜小于200mm 2 在岩壁上一次浇注混凝土板的长度不宜过大 以避免当混凝土收缩时岩石的约束作用产生拉应力 导致挡土板开裂 此时应采取减短浇筑长度等措施 3 挡土板上应设置泄水孔 当挡土板为预制时 泄水孔和吊装孔可合并设置 6 4 1构造要求 三 其他方面1 永久性锚杆挡土墙现浇混凝土构件的温度伸缩缝间距不宜大于20 25m 2 锚杆挡墙的锚固区内有建 构 筑物基础传递的较大荷载时 除应验算挡土墙的整体稳定外 还应适当加长锚杆 并应采用长短相间的设置方法 6 4 2材料要求 一 灌浆锚杆1 由于锚杆每米直接费用中钻孔所占比例较大 因此 在设计中应适当减少钻孔量 采用承载力低而密的锚杆是不经济的 应选用承载力较高的锚杆 同时也可避免 群锚效应 不利影响 2 灌浆材料性能应符合