格構(gòu)式錨桿(索)擋墻設(shè)計有關(guān)問題探討

龍福民

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

格構(gòu)式錨桿(索)擋墻設(shè)計有關(guān)問題探討

龍福民

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

分析了格構(gòu)式錨桿(索)擋墻的受力原理，計算力學(xué)模型以及受力特點(diǎn)和工程應(yīng)用，介紹了錨索預(yù)應(yīng)力損失的情況，并探討了預(yù)應(yīng)力損失對錨桿(索)擋墻的影響，提出了如何避免和減少預(yù)應(yīng)力損失的意義和方法。

格構(gòu)式錨桿(索)擋墻；受力原理；預(yù)應(yīng)力損失

錨桿格構(gòu)是利用現(xiàn)澆鋼筋砼框架梁柱或預(yù)應(yīng)力砼框架進(jìn)行邊坡坡面防護(hù)，并利用錨桿(索)或預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索加以固定的一種邊坡加固技術(shù)，格構(gòu)的主要作用是將邊坡坡體的剩余下滑力或巖石側(cè)壓力分配給格構(gòu)結(jié)點(diǎn)處的錨桿或錨索[1-6]。通過錨桿(索)傳遞到穩(wěn)定地層，從而使邊坡坡體在由錨桿或錨索提供的錨固力的作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)[7]。因它具有布置靈活，安全美觀、格構(gòu)形式多樣、截面調(diào)整方便與坡面密貼，相對與錨拉樁較經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，并隨坡面就勢布置等優(yōu)點(diǎn)。所以在建筑邊坡支護(hù)、滑坡治理和基坑邊坡防護(hù)工程中被廣泛應(yīng)用的支檔加固措施。

1 格構(gòu)式錨桿(索)擋墻分析

1.1 格構(gòu)式錨桿擋墻計算內(nèi)容

格構(gòu)式錨桿擋墻計算內(nèi)容包括：

(1)側(cè)向巖土壓力；(2)擋墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力[8-9]，包括支點(diǎn)反力計算，錨桿(索)計算，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)張拉力的確定，格構(gòu)柱(梁)、板內(nèi)力計算等；(3)格構(gòu)柱(梁)板截面設(shè)計，包括受彎正截面、斜截面計算、受壓正截面計算、格構(gòu)柱梁砼局部受壓驗(yàn)算、柱基礎(chǔ)計算、支點(diǎn)處邊坡土體承載力驗(yàn)算等；(4)邊坡變形控制設(shè)計；(5)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算；(6)施工方案建議和監(jiān)測監(jiān)控要求。

1.2 格構(gòu)式錨桿(索)擋墻的受力特點(diǎn)和計算力學(xué)模型

1、非預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式錨桿(索)擋墻的受力特點(diǎn)，可以采用如圖1的力學(xué)模型進(jìn)行計算：

圖1 非預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式錨桿(索)擋墻力學(xué)模型

1)單支點(diǎn)格構(gòu)式錨桿擋墻，假定邊坡的破壞模式為平面滑動，破裂角為θ，錨桿入射角為α，格構(gòu)柱基礎(chǔ)和錨桿的錨固段均位于穩(wěn)定的地層上，可假定基礎(chǔ)與錨固段之間形成一根剛桿；立柱為一根有足夠剛度的剛桿，錨桿是全粘結(jié)錨桿，可以按剛性拉桿考慮。在主動壓力作用下，錨桿具有足夠拉應(yīng)力的桿件，可視為一剛性桿件，因此可簡化成如下的受力結(jié)構(gòu)，很明顯，此結(jié)構(gòu)屬于靜定結(jié)構(gòu)。

2)如果為雙支點(diǎn)或多支點(diǎn)的格構(gòu)式錨桿擋墻，則該結(jié)構(gòu)應(yīng)為一次超靜定或n-1次超靜定結(jié)構(gòu)。因此，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，只要錨固段設(shè)置于穩(wěn)定的地層上，基礎(chǔ)也置于穩(wěn)定的地層上而且在豎向荷載作用下地基應(yīng)力小于該地基的承載力特征值，格構(gòu)柱有足夠的剛度和強(qiáng)度；錨桿(索)錨頭承壓板應(yīng)有足夠的平面尺寸和厚度，承壓板安裝時應(yīng)平整，牢固、承壓面應(yīng)與錨孔軸線垂直。如采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)時應(yīng)驗(yàn)算承壓板處的混凝土局部抗壓強(qiáng)度，錨桿(索)的鋼筋(鋼絞線)截面經(jīng)計算確定，該格構(gòu)式錨桿(索)擋墻一定是安全可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

圖2 單支點(diǎn)格構(gòu)式錨桿擋墻

1.3 預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式錨桿(索)擋墻的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力[10-12]格構(gòu)式錨桿(索)擋墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力錨桿(索)擋墻一樣，對于單支點(diǎn)是靜定結(jié)構(gòu)；如果為多支點(diǎn)，則為超靜定結(jié)構(gòu)。所不同的是：非預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式錨桿(索)擋墻，在主動土壓力作用下，邊坡水平變形較大，當(dāng)滑體范圍內(nèi)有建(構(gòu))筑物時，邊坡的變形影響坡頂建(構(gòu))筑物的安全使用，因此采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)擋墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)，就可以控制邊坡的變形，使坡頂建(構(gòu))筑物的變形在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)安全使用。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨桿(索)擋墻的受力模型

1.4 預(yù)應(yīng)力錨桿(索)擋墻的受力原理

由于非預(yù)應(yīng)力錨桿(索)擋墻在土壓力作用下變形較大，因此我們在逆作法施工過程中，利用張拉高強(qiáng)度的錨桿(索)鋼筋回彈擠壓土體，使滑體的巖土體受到預(yù)壓應(yīng)力，這時土體向外側(cè)變形，形成被動土壓力，被張拉的錨桿(索)存在預(yù)拉應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)稱為預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式錨桿(索)擋墻，也可以說預(yù)應(yīng)力是為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)工作性能而在使用前預(yù)先施加的永久性內(nèi)應(yīng)力。由于受壓應(yīng)力作用的巖土體多數(shù)為壓縮性土體，在較高壓力作用下都要產(chǎn)生壓縮變形，再加上錨具變形，預(yù)應(yīng)力錨索與套管之間的摩擦，錨索應(yīng)力松弛，錨頭格構(gòu)砼及錨固段砼收縮徐變及邊坡附近受到振動等因素使預(yù)應(yīng)力值從張拉控制應(yīng)力σcon減少到σcon-σL(σL—總預(yù)應(yīng)力損失值)，而且在施加預(yù)應(yīng)力時，巖土體處于被動土壓力狀態(tài)，它對于支檔結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)大于主動土壓力，但隨著時間的增長巖土體壓縮變形及預(yù)應(yīng)力損失增大，其對支擋結(jié)構(gòu)的作用將從被動土壓力狀態(tài)減少到主動土壓力狀態(tài)，因此預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的拉應(yīng)力總是會小于或等于張拉控制應(yīng)力σcon的。這點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)不同，預(yù)應(yīng)力砼受拉或受彎構(gòu)件在砼受拉區(qū)施加預(yù)壓應(yīng)力時，在施工階段預(yù)應(yīng)力筋(索)最大應(yīng)力為σcon-σL，但在工作階段，受拉區(qū)砼的應(yīng)力從受壓應(yīng)力變成0應(yīng)力，然后隨荷載的增大砼應(yīng)力從0增大到最大拉應(yīng)力值ft，砼開裂后退出工作，但預(yù)應(yīng)力鋼筋則從σcon-σL逐步增大到fpy的過程。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋(索)的拉應(yīng)力，始終小于fpy的，所以在預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的控制應(yīng)力σcon可以比預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的σcon取高一些，除非當(dāng)處于較高的新填方邊坡，由于新填方土體過大沉降造成錨桿(索)，拉應(yīng)力過大的情況發(fā)生，為安全起見，規(guī)范規(guī)定的張拉控制應(yīng)力不宜超過0.65fptk(fptk為鋼絞線極限拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值)。

1.5 錨索應(yīng)力損失

從國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力錨索的大量測試結(jié)果說明，預(yù)應(yīng)力隨時間有一個衰減過程，一般可以分為三個階段，第一階段為預(yù)應(yīng)力迅速降低階段，這個階段一般在張拉期間或張拉初期幾天內(nèi)完成；第二階段為緩慢降低階段，它發(fā)生在張拉鎖定后30天以內(nèi)；第三階段為穩(wěn)定階段，它是在張拉鎖定后30天以后發(fā)生。其中第一階段的預(yù)應(yīng)力損失最大，約占總損失量的80-90%，因此只要采取措施控制張拉初期的預(yù)應(yīng)力損失對減少總損失量是很重要的。

產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的因素很多，下面分項討論引起預(yù)應(yīng)力損失的原因，損失值的計算及減少預(yù)應(yīng)力損失的措施。

1)錨頭夾具變形產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失σL1，當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力達(dá)到控制應(yīng)力σcon時，由于錨具錨板與砼構(gòu)件之間的縫隙被壓緊及錨索在錨具中的滑動，造成錨索回縮而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，可用下式計算：

(1)

式中σL1—-張拉段錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失，

As—錨索截面面積(mm2)

a—錨具變形回縮值，根據(jù)模板廠家資料確定，各類錨具的回縮值均為6左右。

L—錨索自由段的長度(mm)

Es—鋼絞線的彈性模量(N/mm2)

錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失量約占總損失量的3～6%左右，只要在施工中采用超張拉5～10%及二次補(bǔ)張拉就可補(bǔ)救。

2)張拉系統(tǒng)因摩阻作用力引起的預(yù)應(yīng)力損失，可采用下式近似計算：

σL2=σcon(kx+μθ)

(2)

式中：σL2—摩阻作用引起的預(yù)應(yīng)力損失值。

k—引道局部偏差時摩擦的影響系數(shù)，當(dāng)采用塑料套管時，取k=0.0015。

x—自由段的長度(m)。

μ—摩擦系數(shù)，當(dāng)采用塑料套管時，對鋼絞線取0.25。

θ—錨頭端至計算截面孔道的切線的夾角取θ=0°。

摩阻作用的預(yù)應(yīng)力損失約占總損失的2%—4%。只要采用超張拉工藝，使預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力符合下列程序：0—1.1σcon持荷2分鐘下降到 0.85σcon再上升到σcon。這時摩阻作用引起的預(yù)應(yīng)力損失將大大降低。以忽約不計。

3)預(yù)應(yīng)力鋼筋(索)應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σL3，這種損失約占損失的3%。所謂應(yīng)力松弛是指鋼筋或鋼絞線在高應(yīng)力作用下，在長度不變的條件下，應(yīng)力隨時間的增長而降低的現(xiàn)象。鋼筋或鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失可用下式計算：

σL3=ψ((0.36σcon/fptk-0.18)σcon

(3)

式中：σL3—鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失(N/mm2)；

ψ—參數(shù)，一次張拉ψ=1.0，超張拉ψ=0.9；

fptk—鋼絞線極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)

由于應(yīng)力松弛有以下特點(diǎn)：1、應(yīng)力松弛在張拉后初始階段發(fā)展較快，張拉后第1小時內(nèi)可完成總松弛值的50%，經(jīng)過24小時可完成近80%左右，以后逐步趨于穩(wěn)定；2、張拉控制應(yīng)力越高，應(yīng)力損失越大，松弛速度也越快。根據(jù)上述特點(diǎn)，在施工中采取短時超張拉方法就可以減少由于鋼筋或鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失。

4)錨頭處的格構(gòu)梁、柱的砼在預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生收縮和徐變，預(yù)應(yīng)力鋼筋也隨著回縮，造成預(yù)應(yīng)力損失σL4，此項損失與錨頭處的砼構(gòu)件的厚度和砼的強(qiáng)度等有關(guān)，損失會緩慢減少，只要柱或梁的砼強(qiáng)度等級大于等于C25以上，三、四級張拉到位再持續(xù)2～4分鐘以上時間，此項預(yù)應(yīng)力損失可以不計算。

5)錨索自由段范圍的地層壓縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σL5，這項損失與該段地層性狀有關(guān)，松軟的高壓縮性土層損失最大，硬巖的損失最小。由于錨索的入射角一般為15°—35°，它穿過的巖土層的層數(shù)較多，各層土的性能變化都比較大，因此，目前國內(nèi)外還未見到相關(guān)的計算模式。只要采取如下的補(bǔ)救措施，即錨固段置于完整的巖層上，保持格構(gòu)柱板下方的巖土層密實(shí)，施工時采用超張拉及補(bǔ)償張拉措施，該項損失可以減少許多。

6)爆破、振動等因素引起的預(yù)應(yīng)力損失σL6，深基坑臨時邊坡施工完成后，由于主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)施工時采用爆破等工藝，永久性邊坡由于汽車荷載等的沖擊引起的預(yù)應(yīng)力損失，這項損失比長期靜荷載作用下的預(yù)應(yīng)力損失要大得多。研究表明，當(dāng)在距離錨索3m以內(nèi)進(jìn)行爆破時，預(yù)應(yīng)力損失量比錨索在相似時間受靜荷靜作用發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失量大36倍，當(dāng)距離為5m以外時，普通爆破的影響就不太明顯了，道路邊的永久性邊坡，在重型汽車的沖擊荷載作用時，錨索預(yù)應(yīng)力損失也會增大。因此在基坑土石方和基礎(chǔ)施工時距離基坑邊坡5m以內(nèi)禁止采用爆破施工工藝，同時預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)的柱下端應(yīng)采用鎖腳錨桿對格構(gòu)柱進(jìn)行保護(hù)。道路的永久性邊坡應(yīng)采用護(hù)腳擋墻，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。就可以避免由于爆破或沖擊引起的預(yù)應(yīng)力損失。

上述六種預(yù)應(yīng)力損失中，自由段范圍的地層引起的損失最難控制，尤其是高壓縮性土層，其損失量最大，持續(xù)時間也最長。當(dāng)環(huán)境條件變化，強(qiáng)降雨等不良影響下，土層的物理力學(xué)性能發(fā)生較大變化時，預(yù)應(yīng)力損失會有很大變化，因此，應(yīng)對此類情況下的邊坡加強(qiáng)管理，及時采取應(yīng)急措施，避免安全事故的發(fā)生。

1.6 預(yù)應(yīng)力損失對錨桿(索)擋墻的影響

預(yù)應(yīng)力錨固作為一種主動支護(hù)手段，在預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)和預(yù)應(yīng)力錨拉樁等支護(hù)體系中，錨桿(索)采用一定的預(yù)應(yīng)力主動制約土體變形和結(jié)構(gòu)破壞。錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的大小對錨桿(索)發(fā)揮主動制約作用和支護(hù)體系的穩(wěn)定性至關(guān)重要。但是，錨桿(索)在張拉過程中和鎖定后，其預(yù)應(yīng)力都有不同程度的損失；如果損失過大，將達(dá)不到設(shè)計要求的預(yù)應(yīng)力值。而且當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失較大時，受到預(yù)壓力作用的土體的壓力減少，主動支護(hù)作用逐步消失，導(dǎo)致土體可能變形、開裂，并引起邊坡頂部的建(構(gòu))物受到損害。

應(yīng)該注意的是，預(yù)應(yīng)力損失不會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨索拉應(yīng)力全部喪失，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失只能使張拉控制應(yīng)力減少，受壓的土體由被動土壓力減少到主動土壓力，在主動土壓力的作用下，錨索始終處于受拉狀態(tài)，因此錨索拉應(yīng)力不可能降為零。只能是該拉應(yīng)力總小于錨索拉應(yīng)力設(shè)計值fpy。同時，在錨桿(索)計算時的公式。

錨桿：As≥kbNak/fy；

錨索:As≥kbNak/fpy

(4)

式中Nak—標(biāo)準(zhǔn)組合時錨桿(索)軸向拉力值(kN)

kb—抗拉安全系數(shù)對于永久性邊坡一級2.2 ，二級2.0，三級1.8；fy、fpy—錨桿、錨索抗拉強(qiáng)度設(shè)計值(kPa)；As—錨桿(索)截面面積(m2)

由上式可知，當(dāng)在正常的主動土壓力作用下的錨桿(索)的應(yīng)力為σs=0.45fpy(當(dāng)為一級邊坡，kb=2.2)；，而且在計算主動巖土側(cè)壓力時，都采用最不利條件下求的最大巖土側(cè)壓力，也就是說，在正常使用條件下，巖土側(cè)壓力不會超過計算的數(shù)值。

由前式計算得As后，由下式計算錨桿(索)的根數(shù)，如選用直徑15.2的鋼絞線，面積140mm2根數(shù)n為：

n≥As/140張拉的鎖定值為:

n×140×0.65fptk×(1.05-1.10)；

(5)

fptk—為鋼絞線的極限抗拉力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

不考慮超張拉的錨索張拉鎖定值的錨索應(yīng)力為0.65fpty=0.65×1860=1209N/mm2，它相當(dāng)于鋼絞線抗拉強(qiáng)度設(shè)計值的0.92fpy遠(yuǎn)大于正常使用情況下巖土側(cè)壓力引起的鋼絞線應(yīng)力值(0.45fpy)。

2 避免和減少預(yù)應(yīng)力損失的意義和方法

(1)當(dāng)采用超張拉5%～10%；采用質(zhì)量好的錨桿(索)材料，支檔砼強(qiáng)度等級大于等于C25以上，避免爆破沖擊等影響因素，錨桿(索)張拉后30天左右，再施作補(bǔ)償張拉等措施，預(yù)應(yīng)力損失可減少到可控的狀態(tài)，對邊坡的穩(wěn)定性是可以得到保證的。

(2)預(yù)應(yīng)力損失不可能使錨桿(索)在工作期間的應(yīng)力變成0應(yīng)力。即使預(yù)應(yīng)力損失很大，但在主動土壓力作用下錨桿(索)始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，況且，張拉鎖定值使錨桿(索)的應(yīng)力達(dá)到0.92fpy。因此，在有拉應(yīng)力的錨桿(索)格構(gòu)，錨拉樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)都是靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，不會變成瞬變結(jié)構(gòu)。

(3)由于預(yù)應(yīng)力損失與張拉力成正比，設(shè)計時宜采用多支點(diǎn)，多孔位，小噸位的預(yù)應(yīng)力錨桿(索)格構(gòu)或錨拉樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免單支點(diǎn)，單孔位、大噸位的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(4)對于多支點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)條件允許時宜采用多個千斤頂同時同步整束張拉。如果沒有條件則必須進(jìn)行對稱循環(huán)補(bǔ)張拉，對減少預(yù)應(yīng)力損失，有很大作用。

(5)當(dāng)邊坡的變形有嚴(yán)格要求時，設(shè)計可采用強(qiáng)度和剛度較大的支持結(jié)構(gòu)和較多鋼絞線的支持結(jié)構(gòu)，采用超拉張可使樁(錨梁)后地層處于超壓密、超固結(jié)狀態(tài)，減少后期預(yù)應(yīng)力損失，保護(hù)邊坡及坡頂建(構(gòu))物的穩(wěn)定。

(6)對特殊重要建筑物的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力錨索時，最好在錨索上安裝測試設(shè)備并且不截斷張拉段的鋼絞線，定期檢測錨索應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失過大，及時進(jìn)行補(bǔ)張拉。

(7)對于高度較大的新填方邊坡，及過于松散破碎或含水量較大的滑坡體，不宜采用預(yù)應(yīng)力錨索體系。預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系并不是萬能的，它有一定的適用條件，在設(shè)計和施工中必須采取相應(yīng)的措施，才能保證它的安全可靠。

3 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力損失對支檔結(jié)構(gòu)后沿的地層土體變形增大，影響邊坡頂建構(gòu)物 的安全使用。因此應(yīng)采取適當(dāng)措施避免或減少預(yù)應(yīng)力損失。

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(責(zé)任編輯：王先桃)

Discussion on the Design of Lattice Anchor (Cable) Retaining Wall

LONG Fumin

(College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The lattice structure type anchor retaining wall by force principle, computational mechanics model and mechanical characteristics and engineering application were analyzed. Then the loss of pre- stressing force of anchor cable was introduced, and discussed the pre- stress loss of anchor retaining wall effect was discussed, and how to avoid and reduce the significance and methods of pre- stress loss was proposed.

lattice anchor (cable) retaining wall; stress principle; pre- stress loss

1000-5269(2016)06-0109-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.24

2016-09-10

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目(黔科合J字[2015]2037號)

龍福民，(1934—)，男，高級工程師，主要從事土木工程教學(xué)、科研及工程實(shí)踐工作.Email：1284966590@qq.com.

*通訊作者： 龍福民，Email：1284966590@qq.com.

TU413.62

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