擋土墻拉錨加固設(shè)計(jì)與施工

王增新

肋柱式錨桿聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)和錨桿格梁聯(lián)合支護(hù)是近年發(fā)展起來并日趨成熟的一種主要用于邊坡控制的輕型巖土支護(hù)結(jié)構(gòu)。該類錨拉結(jié)構(gòu)是巖土體中的錨桿與表面混凝土格梁組合成的一種支護(hù)形式,錨桿布置在混凝土格梁節(jié)點(diǎn)上組合成框架結(jié)構(gòu),起到整體加固效果。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,施工簡(jiǎn)便,外形美觀,造價(jià)較低,在邊坡工程中應(yīng)用廣泛。但其加固既有支擋建筑的介紹還較為少見。本文結(jié)合一工程實(shí)例,簡(jiǎn)要介紹了設(shè)計(jì)錨拉結(jié)構(gòu)加固既有重力擋土墻設(shè)計(jì)中涉及到的幾個(gè)關(guān)鍵性問題如錨固段長(zhǎng)度取值、錨固支擋穩(wěn)定性計(jì)算、框架梁設(shè)計(jì)方法以及施工工藝方面的內(nèi)容,以期能夠在類似加固工程中推廣應(yīng)用。

1 加固方案

早年修筑的既有重力式擋墻修建于丘崗開挖陡坡處,擋土墻坡角大于75°,墻高11 m～13m,長(zhǎng)100余米。擋墻上部為居民小區(qū),并沿?fù)鯄π拗G化帶、機(jī)車道。橫向距墻頂水平距離11 m～14 m處建有6層～7層居民樓。由于場(chǎng)地限制,加固又刻不容緩,經(jīng)過方案比較,決定采用錨拉加固方案進(jìn)行處置。采用在既有重力式擋墻上設(shè)置錨桿格梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì),設(shè)置3層錨桿,最下層錨桿距墻底4m,最上層錨桿距離墻頂1 m～3m。格梁?jiǎn)伍秶笮? m×6m,3 m×3 m單獨(dú)成格,橫截面尺寸為30cm×30cm,格梁采用C30強(qiáng)度混凝土。錨桿設(shè)置于縱橫格梁交匯點(diǎn),錨桿為 Φ 28的Ⅱ級(jí)鋼筋,錨固段 8 m～10m,自由段 4 m～6m,預(yù)留 1.0m張拉段,錨桿成孔角度15°。

2 錨固設(shè)計(jì)

2.1 錨桿截面設(shè)計(jì)

1)錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算:

其中,Nak為錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值,kN;THk為錨桿的水平拉力標(biāo)準(zhǔn)值,kN;Na為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值,kN;α為錨桿與水平面的夾角,(°);γQ為荷載分項(xiàng)系數(shù),一般可取1.3～2.0。

2)錨桿的鋼筋面積,應(yīng)按下式計(jì)算:

其中,As為鋼筋的截面面積,m2;γ0為建筑邊坡重要性系數(shù),一級(jí)邊坡取1.1,二級(jí)邊坡取1.0,三級(jí)邊坡取0.9;fy為鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,kPa;ξ為錨桿抗拉工作系數(shù),永久性錨桿取0.69,臨時(shí)性錨桿取0.92。其中式(2)反映了支擋工程的等級(jí)和錨桿的工作性質(zhì)。

2.2 錨固長(zhǎng)度的確定方法

按GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中7.2.3條計(jì)算錨固段長(zhǎng)度:

1)固體與孔壁的抗剪強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度:

其中,La為錨桿有效錨固長(zhǎng)度,m;D為錨固體(錨孔)直徑,m;frb為地層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值,kPa;ξ1為錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù),對(duì)永久性錨桿取1.00,對(duì)臨時(shí)性錨桿取1.33。

2)錨桿鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度:

其中,n為錨桿鋼筋根數(shù);d為錨桿鋼筋直徑,m;ξ為鋼筋與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度工作系數(shù),對(duì)永久性錨桿取0.60,對(duì)臨時(shí)性錨桿取0.72;fb為鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,kPa,宜由試驗(yàn)確定。分別計(jì)算和比較式(3)和式(4)的計(jì)算結(jié)果,選取較大值為設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度。

2.3 錨固角度的確定方法

錨索的造價(jià)與錨索長(zhǎng)度相關(guān),錨索長(zhǎng)度越長(zhǎng),造價(jià)越高。錨索由錨固段和自由張拉段組成,最經(jīng)濟(jì)錨固角是單位自由張拉段長(zhǎng)度的錨索提供的抗滑力最大時(shí)的安裝角度,根據(jù)最大抗失穩(wěn)力錨固角和最經(jīng)濟(jì)錨固角確定預(yù)應(yīng)力錨桿的最優(yōu)化錨固角 θ=45°+φ/2-α,其中,φ為失穩(wěn)體的內(nèi)摩擦角;α為失穩(wěn)面的傾角。

2.4 錨固穩(wěn)定性分析

本文中用傳統(tǒng)的極限平衡法,并考慮錨桿的加強(qiáng)作用,進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。受力分析如圖1所示。

考慮錨索加固將引起土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化,在既有擋墻墻面底部選取滑動(dòng)面,滑動(dòng)面按與水平方向成α角,按照直線破裂面法進(jìn)行計(jì)算。且穩(wěn)定性分析分別進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算。具體的計(jì)算公式參照GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范相關(guān)條文和文獻(xiàn)[楊光華(1998年),巖土工程手冊(cè)(1994年),楊志銀(1998年),Daloglu(2000年)]。

3 框架梁設(shè)計(jì)方法

錨桿格梁的內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮錨桿對(duì)格梁的影響。通常假設(shè)采用文克爾(Winkler)地基彈性梁模型,根據(jù)靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件建立聯(lián)立方程組,得到梁上的節(jié)點(diǎn)分配荷載。而且根據(jù)錨桿格梁上的錨桿在支護(hù)過程中可劃分為兩種工作狀態(tài):張拉狀態(tài)和工作狀態(tài)分別進(jìn)行格梁的內(nèi)力計(jì)算,如圖2所示。

格梁截面尺寸設(shè)計(jì)時(shí),格梁的正截面、斜截面承載力按GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。且其尚應(yīng)按GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中7.4節(jié)進(jìn)行裂縫最大寬度和撓度驗(yàn)算。

4 拉錨加固施工流程

錨桿框架施工流程如圖3所示。

1)錨桿施工前應(yīng)做好下列準(zhǔn)備:a.應(yīng)掌握錨桿施工區(qū)其他建筑物的地基和地下管線情況并應(yīng)判斷錨桿施工對(duì)臨近建筑物和地下管線的不良影響,并擬定相應(yīng)預(yù)防措施;b.應(yīng)檢驗(yàn)錨桿的制作工藝和張拉鎖定方法與設(shè)備;c.應(yīng)確定錨桿注漿工藝并標(biāo)定注漿設(shè)備;d.應(yīng)檢查原材料的品種、質(zhì)量和規(guī)格型號(hào),以及相應(yīng)的檢驗(yàn)報(bào)告。2)下列情況下錨桿應(yīng)進(jìn)行基本試驗(yàn):a.采用新工藝、新材料或新技術(shù)的錨桿;b.無錨固工程經(jīng)驗(yàn)的巖土層內(nèi)的錨桿;c.一級(jí)邊坡工程的錨桿。3)錨孔施工應(yīng)符合下列規(guī)定:a.錨孔定位偏差、錨孔偏斜度和鉆孔深度偏差,設(shè)計(jì)時(shí)按相關(guān)的規(guī)范執(zhí)行。b.錨孔應(yīng)用清水洗凈,嚴(yán)格執(zhí)行灌漿施工工藝要求,當(dāng)用水沖洗影響錨桿的抗拔強(qiáng)度時(shí),可用高壓風(fēng)吹凈。4)錨桿機(jī)械應(yīng)考慮鉆孔通過的巖土類型、成孔條件、錨固類型、錨桿長(zhǎng)度、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地形條件、經(jīng)濟(jì)性和施工速度等因素進(jìn)行選擇。5)錨桿、錨頭承壓板及其安裝應(yīng)符合下列要求:a.承壓板應(yīng)安裝平整、牢固,承壓面應(yīng)與錨孔軸線垂直;b.承壓板底部的混凝土應(yīng)填充密實(shí),并滿足局部抗壓要求。6)錨桿的灌漿應(yīng)符合下列要求:a.灌漿前應(yīng)清孔,排放孔內(nèi)積水;b.注漿管宜與錨桿同時(shí)放入孔內(nèi),注漿管端頭到孔底的距離宜為100mm;c.根據(jù)工程條件和設(shè)計(jì)要求確定灌漿壓力,確保漿體灌注密實(shí)。7)錨孔砂漿必須達(dá)到70%以上設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方可澆筑格梁。8)預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉與鎖定應(yīng)符合下列規(guī)定:a.錨桿張拉宜在錨固體強(qiáng)度大于20MPa并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后進(jìn)行;b.錨桿張拉順序應(yīng)避免鄰近錨桿相互影響;c.錨桿張拉控制應(yīng)力不宜超過0.65倍鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;d.宜進(jìn)行超過錨桿設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值1.05倍～1.10倍的超張拉,預(yù)應(yīng)力保留值應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。9)錨桿未錨入地層部分,必須做好防銹處理。

5 結(jié)語

錨拉加固既有擋土墻設(shè)計(jì)包括錨固段長(zhǎng)度、錨固角、錨桿間距、錨桿截面、錨桿頭部連接設(shè)計(jì)、格梁尺寸的確定以及錨拉穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算。既要充分利用錨桿—砂漿—巖土體—格梁形成的復(fù)合體對(duì)既有擋墻進(jìn)行加固,又要盡可能地降低加固支護(hù)的造價(jià),在加固效果和效益之間尋求最佳的切合點(diǎn)。本文采用的錨拉加固既有擋土墻設(shè)計(jì)和施工方法可以為類似加固工程提供有益的參考。

[1]GB 50330-2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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