锚杆挡土墙的设计计算与施工

锚杆挡土墙的设计计算与施工随着社会的发展，锚杆挡土墙作为一种轻型的支挡结构，已广泛应用到土木工程的许多领域中，特别是公路铁路煤矿和水利等支挡工程。这里就将锚杆挡土墙的设计计算与施工简单介绍。锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。锚杆是一种新型的受拉杆件，它的一端与工程机构物联结，另一端通过钻孔插入锚杆灌浆养护等工序锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的稳定。在50年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时措施，例如临时的螺旋地锚以及采矿工程中的临时性木锚杆或刚锚杆等。50年代中期以后，西方国家在隧道工程中开始采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝土代替衬砌结构。60年代以后，锚杆技术迅速发展并广泛应用到土木工程的许多领域中。作为轻型的支挡结构，锚杆挡土墙取代笨重的重力式圬工挡土墙，可以节省大量圬工材料，现已广泛用与于公路铁路煤矿和水利等支挡工程中。锚杆挡土墙由于锚固地层施工方法受力状态以及结构形式等的不同，有各种各样的形式。按墙面的结构形式可分为柱板式锚杆挡土墙和壁板式锚杆挡土墙，柱板式锚杆挡土墙是由挡土板肋柱和锚杆组成。肋柱是挡土墙的支座，锚杆是肋柱的支座，墙后的侧向土压力作用于挡土板上，并通过挡土板传给肋柱，再由肋柱传给锚杆，由锚杆与周围地层之间的锚固力即锚杆抗拔力使之平衡，以维持墙身及墙后土体的稳定。壁板式锚杆挡土墙是由墙面板（壁面板）和锚杆组成，墙面板直接与锚杆连接，并以锚杆为支撑，土压力通过墙面板传给锚杆，后者则依靠锚杆与周围地层之间的锚固力（即抗拔力）抵抗土压力，以维持挡土墙的平衡与稳定。目前多用柱板式锚杆挡土墙。锚杆挡土墙可根据地形设计为单级或多级，每级墙的高度不宜大于8m，具体高度应视地质和施工条件而定。在多级墙的上下两级之间应设置平台，平台宽度一般不小于1.5m。平台应用厚度不小于0.15m的C15混凝土封闭，并设向墙外倾斜的横坡，坡度为2%。锚杆挡土墙的特点是：（1）结构质量轻，使挡土墙的结构轻型化，与重力式挡土墙相比，可以节省大量的圬工和节省工程投资；（2）利于挡土墙的机械化装配化施工，可以减轻笨重的体力劳动，提高劳动生产率；（3）不需要开挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困难，并利于施工安全。但是锚杆挡土墙也有一些不足之处，使设计和施工受到一定的限制，如施工工艺要求叫高，要有钻孔灌浆等配套的专用机械设备，而且要耗用一定的钢材。锚杆挡土墙一般适用于岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可使用，还可应用于陡坡路堤。另一类锚杆挡土墙为竖向锚杆锚固在岩层地基中，并施加预应力，以竖向预应力锚杆代替重力式挡土墙的部分圬工断面，减小挡土墙的圬工数量而且增加其稳定性。竖向预应力锚杆挡土墙的工作原理设计方法与普通锚杆挡土墙有很大的差异，有关竖向预应力锚杆挡土墙的设计下面介绍。在土层锚杆施工这个主题中，包括一般规定（共3条）钻孔（共4条）杆体（预应力筋）的组成与安放（共5条）注浆（共3条）张拉与锁定（共5条）等5个项目。在这5个项目中，如果不用预应力锚杆，则注浆是施工的关键环节；如果是预应力锚杆，则张拉与锁定是施工的关键环节。一般规定（1）锚杆挡土墙是由钢筋混凝土肋柱墙面板和锚杆所组成的支挡结构物。固在稳定地层内锚杆的抗拔力来平衡墙面处的土压力。锚杆挡土墙适用于一般地区教完整岩质地段的支挡工程，亦可作为地下工程的临时支护（3）锚杆挡土墙的结构形式有肋柱式和无柱式两种。应根据地质及工程具体情况选用。（4）设计肋柱式锚杆挡土墙时，根据地形可采用单级和多级。在多级墙上下两级墙之间宜设置平台，平台宽度不宜小于1.5m。每级墙的高度不宜小于8m，具体高度可视地质和施工条件而定。（TBJ25——90第4.1.3条）（5）肋柱和墙面板采用的混凝土标号不应小于200号。锚孔灌砂的沙浆标号不应小于300号（TBJ25——90第4.3.1条）（6）肋柱的基础应采用150号混凝土或75号水泥沙浆砌片石。各分级挡土墙之间的平台顶面，宜采用150号混凝土封闭，其厚度为0.15m，并以2%的横向坡度倾向外侧。（TBJ25——90第4.1.3条）（7）肋柱的间距，宜为2.0～2.5m。肋柱可采用预制单根整柱，也可采用分段拼整或就地灌注。每级肋柱上的锚杆层数，可设计为双层或多层锚杆。（TBJ25——90第4.3.4条）（8）锚杆的钢材可采用钢筋或钢丝索。钢筋锚杆宜用螺纹钢筋，其直径宜在18～32mm。每孔不宜多于3根。（TBJ25——90第4.3.3条）（9）锚杆未锚入地层部分，必须作好防锈处理。在除锈后，涂防锈油漆两遍，再用沥青玻璃纤维缠裹两层。（TBJ25——90第4.3.5条）（10）锚孔直径应根据锚杆的布置灌浆管的尺寸及钢筋支架的位置决定。（TBJ25——90第4.3.6条）2.设计计算（1）肋柱按下列规定设计计算：1）作用于肋柱的荷载，应按两肋柱见中到中的距离计算确定。2）肋柱截面可采用矩形、T形、正方形。截面的宽度不得小于30cm。肋柱的截面宽度，除应按计算确定外，尚需考虑墙面板在肋柱上最小搭接长度不小于10cm及肋柱欲留锚杆尺寸的构造要求。3）设计装配式肋柱时，应考虑肋柱在搬运、吊装及在施工过程中由于锚杆受力不均匀等非正常的荷载情况，并应在肋柱的内外两侧配置通长的受力钢筋。4）肋柱的锚杆拉力，肋柱的弯矩、剪力，应根据锚杆层数、柱底与基础的连接形式，按简支梁或连续梁计算决定。（TBJ25——90第4.2.3条）（2）装配式墙面板按下列规定设计计算：1）墙面板可采用钢筋混凝土槽形板、空心板、矩形板。2）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，搭接长度不得小于10cm。3）墙面板的规格不宜过多。每种墙面板的计算荷载：沿板的宽度采用与其相应土压力图示中的最大值。（TBJ25——90第4.2.4条）由于墙面板可所受的土压力沿墙高按三角形分布，因此每块板所受的土压力均不相同，若按次设计，墙面板类型较多，给施工增加困难，而且也无必要。在设计中是沿墙高将土压力分成2～3段，然后按每段的最大土压力计算。就地灌注的无肋柱式锚杆挡土墙，起墙面板的内力计算，可分别沿竖向取墙面板的土压应力，在水平方向取墙面板所在位置土压应力的平均值。（TBJ25——90第4.2.5条）锚杆的截面与长度，按下列规定设计计算：锚杆应按轴向受拉构件设计，其所需钢筋截面积，应按下式计算：Fa=P／［σg］（TBJ25——90式42.6-1）式中P——锚杆的设计拉力，MN；［σg］——钢筋的容许应力，MPa。选用的钢筋直径除按计算外，尚需增加2mm预防钢材锈蚀的安全储备量。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。有效锚固长度应根据锚杆的拉力，按下式计算，Le≥P／πD［τ］（TBJ25——90式4.2.6-2）式中Le——锚杆有效锚固长度，m；D——锚杆直径，m；［τ］——锚孔壁对砂浆的容许剪应力（MPa）；按下式计算：［τ］=τ／K其中τ——锚孔壁对砂浆的极限剪应力，MPa；K——安全系数，可采用2.5。Le=P／nπdβ［c］（TBJ25——90式4.2.6-4）式中n——锚杆根数；d——锚杆钢筋直径，m;［c］——砂浆与锚杆间的容许黏结力，MPa，其值可参照表1采用；β——考虑成束钢筋系数，对单根钢筋为1.0，两根一束为0.85，三根一束为0.7。（TBJ25——90第4.2.6条）光钢筋与混凝土之间的粘结力（MPa）表1混凝土标号500450400350300250200150容许粘结力1.251.161.080.980.880.790.670.54注：螺纹钢筋与混凝土之间的粘结力按表列数值的1.5倍采用。锚孔壁对砂浆的容许剪应力，应进行现场拉拔试验确定。若无试验资料是，可参照表2选用，但施工时应进行拉拔验证。（TBJ25——90第4.2.7条）锚孔壁对砂浆的极限剪应力（MPa）表2岩层类别别极限剪应力力τ风化砂页岩互层层、碳质页岩岩、泥质页岩岩0.15～0..25细纱及粉砂质泥泥岩0.20～0..40薄层灰岩夹页岩岩0.40～0..60薄层灰岩夹石灰灰质页岩、风化灰岩岩0.60～0..80在软岩或风化岩层中，锚孔壁对砂浆的抗剪强度一般低于砂浆对钢拉杆的粘结力。因此，软岩及风化岩层中的锚杆极限抗拔力受孔壁抗剪强度控制。而软岩及风化岩层的极限抗拔力数值差异很大，因此风化岩层作为锚固层时，要求施工前进行现场拉拔试验。在较完整的硬岩层中，岩层强度一般大于砂浆的强度，锚杆孔壁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。3.锚杆施工（1）一般规定1）\在进行锚杆施工前，应充分核对设计条件、土层条件和环境条件，在确保施工安全的前提下，编制施工组织设计。2）施工前，要认真检查原材料型号、品种、规格及锚杆各部件的质量，并检查原材料的主要技术性能是不是符合设计要求。3）工程锚杆施工前，宜取两根锚杆进行钻孔、注浆、张拉与锁定的试验性作业，考核施工工艺和施工设备的适应性。(CECS22：90第4.1.1条～第4.1.3条)（2）钻孔1）土层锚杆钻孔应遵守下列规定：A．钻孔前，根据设计要求和土层条件，定出孔位，作出标记。B．锚杆水平方向孔距误差不应小于50mm，垂直方向孔距误差不应小于100mm.C.钻孔底部的偏斜尺寸不应大于锚杆长度的3％，可用钻孔测斜仪控制钻孔方向。D．锚杆孔深不应小于设计长度，也不宜大于设计长度的1％。E．安放锚杆前，湿式钻孔应用水冲洗，直至孔口流出清水为止。2）钻孔机具：钻孔机具的选择必须满足土层锚杆钻孔的要求。坚硬粘性土和不易塌孔的土层宜选用地质钻机螺旋钻机或土锚专用钻机；饱和粘性土与易塌孔的土层宜选用带护壁套管的土锚专用钻机。3）二次高压注浆形成的连续球体型锚杆的钻孔还应遵守下列规定：A．钻孔宜采用套管护壁，一次将钻孔钻至设计长度。B．钻孔完成后，应立即拔出钻杆放入预应力筋，随后再拔出套管。4）扩大头型锚杆钻孔还应遵守下列规定：A．端部扩大头可采用机械或爆破扩孔法，爆破扩孔装药量应根据土层情况通过试验确定。B．安装锚杆前应测定扩大头的层次。(CECS22：90第4.2.1条～第4.2.4条)（3）杆体（预应力筋）的组装与安放1）采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋作锚杆杆体时，杆体的组装应遵守一下规定：A．组装前钢筋应平直、除油和除锈。B．Ⅱ、Ⅲ级钢筋的接头应采用焊接的搭接接头，焊接长度为30d、但不小于500mm,并排钢筋的连接也应采用焊接。C．沿杆体轴线方向每隔1.0～2.0应设置一个对中支架，排气管应与锚杆杆体帮扎牢固。D．杆体自由段应用塑料布或塑料管包裹，与锚固体联结处用铅丝绑牢。E．杆体应按防腐要求进行防腐处理。2）当采用钢铰线或高强钢丝作锚杆杆体时，杆体的组装玉女嘎遵守以下规定：A．钢铰线或高强钢丝应除油污、除锈、严格按设计尺寸下料，每股长度误差布小于50mm。B．钢铰线或高强钢丝应按一定规律平直排列，沿杆体轴线方向每隔1.0～1.5m设置一个隔离架，杆体的保护层布应小于2.0cm,预应力筋（包括排气管）应帮扎牢固，捆扎材料不宜用镀锌材料。C．杆体自由段应用塑料管包裹，与锚固段相交处的塑料管管口应密封并用铅丝绑紧。D．应按防腐要求进行防腐处理。3）组装扩大头型锚杆杆体时，处于扩大头处的杆体应局部加强。4）锚杆杆体的安放应遵守下列规定：A.杆件放入钻孔之前，应检查干体的质量，确保杆体组装满足设计要求。B．安放杆体时，应防止杆体扭压、弯曲，注浆管宜随锚杆一同放入钻孔，注浆管头部距孔底宜为50～100mm，杆体放入角度应与钻孔角度保持一致。C．杆体插入孔内深度布应小于锚杆长度的95％，杆体安放后不得随意敲击，不得悬挂重物。(CECS22：90第4.3.1条～第4.3.5条)（4）注浆1）锚杆注注浆应遵守守\下列规定定：A．注浆材材料应根据据设计要求求确定，一一般宜选用用灰砂比1：1～1：2，水灰比0.38～0.45的水泥砂砂浆或水灰灰比为0.40～0.45的纯水泥泥浆，必要要时可加入入一定量的的外加济或或掺和料。B．注浆浆液应搅搅拌均匀，随随搅随用，浆浆液应再初初凝前用完完，并严防防石块、杂杂物混入浆浆液。C．注浆作业开始始和中途停停止较长时时间，再作作业时宜用用水或水泥泥浆润滑注注浆泵及注注浆管路。D．注浆管的插至至深度见上上列（3）的（5）条B款。E．孔口溢出浆液液或排气管管停止排气气时，可停停止注浆。F．浆体硬化后不不能充满锚锚固体时，应应进行补浆浆。2）注浆体的设计计强度不应应小于20MPPa。3）二次高压注浆浆形成的连连续球体型型锚杆的注注浆还应遵遵守下列规规定：A．注浆材料宜选选用水灰比比0.45～0.50的纯水泥泥浆。B．一次常压注浆浆作业玉女女嘎从孔底底开始，直直至孔口溢溢出浆液。C．止浆密封装置置的注浆应应待孔口溢溢出浆液后后进行，注注浆压力不不宜低于2.5MMPa。D．一次常压注浆浆结束后，应应将注浆管管、注浆枪枪和注浆套套管清洗干干净。E．对锚固体的二二次高压注注浆应再一一次注浆形形成的水泥泥结石体强强度达到5.0MMPa时进行，注注浆压力和和注浆时间间可根据锚锚固体的体体积确定，并并分段依次次由下至上上进行。((CECSS22：90第4.4..1条～第4.4..3条)(5)张拉与锁锁定1）台座的承压面面应平整，并并与锚杆的的轴线方向向垂直。2）锚杆的张拉应应遵守下列列规定：A．锚杆张拉前，应应对张拉设设备进行标标定。B．锚固体与台座座混凝土强强度均大于于15.00MPa时，方可可进行张拉拉。C．锚杆张拉应按按一定程序序进行，锚锚杆张拉顺顺序，应考考虑邻近锚锚杆的相互互影响。D．锚杆正式张拉拉之前，应应取0.1～0.2设计计轴向拉力力值Nt，对锚杆杆预张拉1～2次，使其其各部位的的接触紧密密，杆体完完全平直。E．永久锚杆张拉拉控制应力力σcon不应超过0.600fptkk,临时锚杆杆张拉控制制应力σcon不应超过0.655fptkk。3）锚杆张拉至11.1～1.2NNt，土质为为砂质土时时保持10miin，为粘性性土时保持持15miin，然后卸卸荷至锁定定荷载进行行锁定作业业。锚杆张张拉荷载分分级及观测测时间应遵遵守下表的的规定。锚