CN103526773B - 悬臂式垂向锚杆复合挡土墙及其设计与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及边坡工程与滑坡地质灾害加固防治技术领域，具体涉及运用钢筋混凝土悬臂式挡土墙与锚杆联合加固边坡的复合挡墙治理方法。本发明的悬臂式垂向锚杆复合挡土墙，包括基岩层（5）、边坡坡面（2），边坡坡面（2）的末端设有挡墙（4），挡墙（4）、基岩层（5）沿同一竖直方向开有锚孔，锚孔内设有锚杆（1），锚杆（1）与锚孔之间填充水泥砂浆。综上所述，本发明的悬臂式垂向锚杆复合挡墙在下覆为坚硬基岩的道路、河流边坡中，因基岩过于坚硬而无法进行大量人工开挖设置挡墙的墙趾、墙踵，而用垂向加固锚杆取而代之，不仅节省了开挖所需的工作量，还大大提高了挡土墙的抗弯和整体性能。

Description

悬臂式垂向锚杆复合挡土墙及其设计与施工方法

技术领域

本发明涉及边坡工程与滑坡地质灾害加固防治技术领域，具体涉及运用钢筋混凝土悬臂式挡土墙与锚杆联合加固边坡的复合挡墙治理方法。

背景技术

我国幅员辽阔，地质环境分布差异十分复杂，是滑坡地质灾害发生频繁、灾害损失极为严重的国家。随着经济建设的飞速发展，在水利水电、铁路、公路、矿山建设等工程领域都会遇到大量的边坡工程加固治理问题，为避免滑坡危害的发生及其引起的生命财产损失，运用挡土墙加固治理边坡的稳定性是滑坡灾害防治领域非常有效的方法，而提高边坡稳定性及防止边坡失稳的关键在于减少滑体剩余下滑力和增加滑裂面的抗滑力。目前，常用的边坡抗滑支挡结构工程有普通抗滑挡墙、预应力锚索框架和抗滑桩等。

普通抗滑挡墙在边坡治理中主要是依靠墙体自身重量所产生的墙底摩阻力来抵抗滑坡的下滑力，利用墙体自身重量或结合部分土体重量来抵抗边坡倾覆，其截面往往较大，而且坡底需要大量的开挖，但这种开挖会对边坡坡脚进行额外削方，抬高边坡剪出口，往往增大边坡失稳发生塌滑的可能性。综其原因，普通抗滑挡墙有其圬工量大、施工周期长、施工空间要求较高、抗滑能力有限等缺点。

预应力锚索框架稳定加固边坡主要是利用其穿透边坡滑裂面而锚于深层稳定基岩中的锚索来提供抗滑力，框架起框箍作用，在工程加固过程中常根据边坡坡体、坡形条件采用边坡分层加固的方式。但在边坡加固工程中预应力锚索框架加固的前提条件是被加固滑坡坡体具有一定强度和足够长度锚固岩土体，而多数土层边坡和堆积层边坡的坡体没有具有一定强度和足够长度锚固岩土体，因而无法运用预应力锚索框架稳定加固该类边坡。此外，锚索还易受酸性腐蚀，且普遍存在应力松弛现象，以及土体蠕变对锚索的影响等不利因素，导致锚固于边坡的锚索锚固力大大降低，且减少工程加固的年限，另其工艺复杂，施工难度较大，不宜用于高陡边坡的治理和加固。

抗滑桩对滑坡体的加固作用主要是利用将抗滑桩打入滑裂面以下的稳定基岩中，以桩的抗力(锚固力)来平衡滑动体的下滑推力，以达到稳定边坡的目的。当滑坡体下滑时受到抗滑桩的阻抗，使桩前滑体达到稳定状态。抗滑桩埋入地层以下深度，按一般经验，软质岩层中锚固深度为设计桩长的三分之一；硬质岩中为设计桩长的四分之一；土质滑床中为设计桩长的二分之一；当滑体沿基岩面滑动时，抗滑桩的锚固深度宜采用桩径的2-5倍。但由于抗滑桩需要埋入地下一定深度，而对于下覆为坚硬基岩的边坡，或具有大尺度粒径和大厚度的河卵砾石的边坡其施工难度极大，甚至无法施工。而且在抗滑桩加固工程中，钻孔打桩时会对滑坡体扰动较大，尤其是正在活动的滑坡体，可能会加剧滑坡的发生。

传统悬臂式挡土墙采用钢筋混凝土竖墙与横向底板组成，底板包括墙趾和墙踵，底板产生的反向弯矩提供挡墙的抗滑和抗倾覆能力，但墙趾、墙踵的施工需要占用足够的空间，且墙趾、墙踵需开挖基岩，埋置在坡体下部，依靠底板上的填土重量维持挡土墙和边坡的稳定，显然，传统悬臂式挡土墙不适应施工空间条件不足，下覆基岩坚硬的地质环境与条件的滑坡防治。

综上所述，传统边坡抗滑支挡结构工程各有其特点，但也存在各自的不足和缺陷。但对下覆为坚硬基岩或大尺度粒径和大厚度的河卵砾石的(很难清理)的交通道路边坡或河流堆积层边坡工程，由于边坡坡角即为交通道路或河流边界且边坡下覆为坚硬基岩或大量砾卵石，放坡开挖施工空间极其有限，甚至根本没有放坡开挖施工空间，而且坡体内部不存在具有一定强度和足够长度锚固岩土体，所以运用传统的挡土墙或抗滑桩抗滑工程进行治理时必然存在开挖空间受限，且存在开挖难度大、开挖成本高等局限，使得传统的抗滑工程结构无法施工且不能满足其边坡的抗滑设计要求。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种悬臂式垂向锚杆复合挡土墙，其主要针对特殊地质和特殊施工条件的有效边坡抗滑挡土墙结构工程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括基岩层、边坡坡面，边坡坡面的末端设有挡墙，挡墙、基岩层沿同一竖直方向开有锚孔，锚孔内设有锚杆，锚杆与锚孔之间填充水泥砂浆。

锚孔沿公路方向间隔设置。水泥砂浆强度不小于M30。锚杆贯穿整个挡墙。

本发明的目的是针对下覆为坚硬基岩或大尺度粒径和大厚度的河卵砾石的交通道路或河流堆积层边坡，提供一种新型的抗滑支挡结构——悬臂式锚杆复合挡墙，解决下覆为坚硬基岩或大量卵砾石的交通道路或河流边坡工程的加固防治等稳定性问题。该悬臂式锚杆复合挡墙主要特点是运用钢筋混凝土悬臂式挡土墙尽量减少挡墙基础的宽度，创造挡墙基础的施工条件与施工空间；运用竖向锚杆的锚固力来代替和补偿传统悬臂式挡土墙的墙趾墙踵的作用力，不仅可减少开挖基岩、砾石的工程量，而且可达到增加复合悬臂式挡土墙的抗滑力和提高结构的整体刚度与稳定性。本发明通过在现有钢筋混凝土悬臂式挡土墙内设置竖向锚杆，用锚杆的锚固力来提供滑体的抗滑和抗倾覆能力，从而达到在场地和地质条件受限制的情况下稳定边坡的目的。此挡土墙采用钢筋混凝土墙体，大大提高了挡土墙的抗弯和整体性能，锚杆打入下伏基岩中相对简单方便，施工难度较小，费用低。

本发明的垂向悬臂式锚杆挡墙，在加固、治理边坡的过程中，主要依靠锚入稳定基岩的锚杆，结合悬臂式钢筋混凝土挡墙来达到治理的目的，锚杆的抗剪强度增大边坡抗滑力，而深埋入稳定基岩的锚杆因其锚固能力，在增加边坡抗滑力的同时增大复合挡墙的抗倾覆能力，此发明能够完全达到治理边坡的目的，而选择预应力锚杆的话，同等条件下，会加大治理的预应力锚杆的测试难度、施工难度与边坡治理周期。

本发明的复合挡墙，在设计发明过程中，充分考虑安全、经济、高效的治理原则，主要优化设计了治理中入岩锚杆的锚固深度，锚杆布设间距，在治理安全的前提下，降低治理成本。

本发明的另一个目的是提供一种所述的挡土墙的设计与施工方法，包括如下步骤：

步骤一，传统悬臂式挡土墙相关参数的确定：

根据传统悬臂式挡土墙设计规范和待治理边坡坡形、坡高、坡体厚度条件，确定传统悬臂式挡墙基础宽度D、高度H以及墙内配筋；

步骤二，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础宽度的确定：

以步骤一确定的传统悬臂式垂向挡土墙基础宽度D作为悬臂式锚杆复合挡土墙基础宽度，采用墙体沿高度等厚设计，并沿平行道路或河流方向，进行坡脚清理和开挖，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础基槽；

步骤三，复合挡土墙垂向锚杆有效临界锚固深度h的确定：

在治理现场进行一组原位锚杆抗拔试验，测得锚杆钢筋与周围灌浆料之间的粘结力R_b及砂浆与岩石间的粘结力R_g随深度变化的破坏拉力值及其相应锚固深度，描绘出极限拉力与锚固深度的变化曲线，从而可确定锚杆破坏拉断时临界拉力R所对应的深度，此深度即为锚杆的有效临界锚固深度；

步骤四，单位长度复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数n的确定：

1)根据传统悬臂式挡墙的设计原则与规范，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙应同时满足挡墙抗滑、抗倾覆的条件，滑坡的最大下滑推力P大小、方向与合力作用点及悬臂式挡土墙相关参数，确定单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

2)根据单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂确定单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n：

根据单位长度内锚杆所承受的剪力可得单位长度内锚杆的根数n₁：

$n_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}=\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}$

(A_s：单位长度内锚杆的总截面面积，A’_s：单根锚杆的截面面积)

根据单位长度内锚杆所承受的垂向拉力可得单位长度内锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2P\sin \mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；式中：P为滑坡的最大下滑推力，G为墙体自重，F为墙前基岩对墙体的反向推力，T₁为单位长度内锚杆所受的剪力，T₂为单位长度内锚杆所承受的垂向拉力，H为墙体高度，D为墙厚，Y_p为下滑力作用点到墙底的高度，α为滑坡下滑推力作用线与水平方线的夹角，h₀为墙体嵌入基岩的深度；

步骤四中基本受力条件与稳定性计算如下：

1)作用在挡墙上的水平推力为F₁：

F₁＝ΣE＝P cosα

式中，α为滑坡下滑推力作用线与水平线的夹角，∑E为作用在挡墙上的水平方向合力；

2)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗滑稳定性：

墙体底部锚嵌在基岩内的反向推力的大小取决于基岩剪切强度τ以及墙底抗滑摩阻力，当基岩发生剪切破坏的时候，即嵌入基岩内的墙体挤压岩石破坏时，作用在墙体上的反向推力F最大，此时边坡的下滑力主要由锚杆承担，反向推力F等效为：

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l$

其中l为挡墙的单位长度；

挡墙整体抗滑移稳定性计算：

$K_c=\frac{\mathrm{\Σ}N}{\mathrm{\Σ}T}=\frac{\mathrm{\μ}\[Psin\mathrm{\α}+G+T\]+F+T_1}{Pcos\mathrm{\α}}$

式中，K_c为挡土墙沿基底抗滑稳定系数，根据规定选取，

得出单位长度内锚杆所承受的剪力：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

根据单位长度内锚杆所承受的剪力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗剪强度设计值f_yv，确定单位长度内的锚杆的根数n₁：

$\begin{array}{c}{n}_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}\\ =\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}\end{array}$

3)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗倾覆稳定性：

挡墙的倾覆抵抗力主要由锚杆提供，当挡墙产生倾覆时，锚杆被拉伸产生拉力来抵抗倾覆，复合挡墙的整体抗倾覆稳定性计算为：

$K_o=\frac{Psin\mathrm{\α}\·D+G\·\frac{1}{2}D+T_2\·\frac{1}{2}D}{Pcos\mathrm{\α}\·Y_P}$

式中，K_o为挡土墙抗倾覆整体稳定系数，根据规定选取；

从上式可以看出锚杆拉伸产生的拉力增加了挡土墙的整体抗倾覆稳定性，得出：

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

根据锚杆所需承受的垂向拉力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗拉强度设计值f_y，确定单位长度内的锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·P\cos \mathrm{\α}\·Y_P-(2P\sin \mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；

步骤五，复合挡土墙垂向锚杆有效间距d₀的确定：

为避免锚杆孔过密引起岩层中应力重叠而造成应力集中，根据工程经验及现场抗拔试验，确定锚杆在抗拔试验破坏时所形成的漏斗直径，以此作为锚杆的有效间距d₀；

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足锚杆的有效间距d₀，即d≥d₀，则锚杆的间距d为：

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足不了锚杆有效间距d的要求，则应重新选择更高抗拉强度和抗剪强度的锚杆，并依据步骤三和步骤四确定其复合挡土墙垂向锚杆有效设计参数；

步骤六，锚杆钻孔、锚固与垂向锚杆复合挡土墙的浇筑：

在开挖好的基槽沿挡墙中间位置按上述挡墙单位长度内的锚杆根数进行钻孔，并按照步骤三所设计锚杆有效锚固深度，对锚固进行水泥砂浆灌浆锚固，水泥砂浆强度不得小于M30；当锚杆锚固段砂浆强度达到80％后，按悬臂式挡墙规范浇筑挡墙，所作锚杆的钢筋贯穿整个墙体，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙。

综上所述，本发明的悬臂式垂向锚杆复合挡墙在下覆为坚硬基岩的道路、河流边坡中，因基岩过于坚硬而无法进行大量人工开挖设置挡墙的墙趾、墙踵，而用垂向加固锚杆取而代之，不仅节省了开挖所需的工作量，还大大提高了挡土墙的抗弯和整体性能，并具有锚杆打入基岩中相对简单方便，施工难度较小，费用低等特点。

附图说明

图1为本发明复合挡墙的计算简图；

图2为本发明复合挡墙的结构示意简图；

图3为本发明复合挡墙的纵向断面示意图；

其中，P为滑坡的下滑推力；G为墙体自重；F为墙前基岩对墙体的反向推力；T₁为锚杆所受的剪力；T₂为锚杆受力时的拉力；H为墙体高度；D为墙厚；Y_p为下滑力作用点到墙底的高度；α为下滑力与水平方向上的夹角；h₀为墙体嵌入基岩的深度；1-为锚杆；2-为边坡坡面，3-为边坡滑裂面，4-为挡墙，5-为基岩层。

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明的悬臂式锚杆复合挡墙，包括基岩层5、边坡坡面2，边坡坡面2的末端设有挡墙4，挡墙4、基岩层5沿同一竖直方向开有锚孔，锚孔内设有锚杆1，锚杆1与锚孔之间填充水泥砂浆。锚孔沿公路方向间隔设置。水泥砂浆强度不小于M30。锚杆1贯穿整个挡墙4。

在边坡支挡工程中，特别针对下覆岩石为坚硬岩石的情况下，开挖施工困难，利用钻孔技术，将锚杆插入岩石中，灌浆锚固后，用锚杆的锚固能力来满足挡墙的抗滑和抗倾覆以及提高挡墙的整体稳定性，以达到加固治理边坡的目的，防止边坡坡面2沿边坡滑裂面3下滑，其施工工艺的具体步骤如下：1)、在边坡坡脚位置进行土石清除处理，治理处垂直开挖到稳定坚硬基岩面即边坡滑移面以下约50cm处；2)、在清理出来的施工面上，按照本发明步骤三中确定的复合挡墙单位长度内的锚杆根数，选择合适的锚杆间距，沿挡墙中间位置设置钻孔位置；3)、按照步骤四确定的锚杆有效锚固长度，在步骤2)所预留锚孔位置开挖一排竖向锚孔(包括钻孔及清孔)；4)、在锚孔内竖向垂直插入选好垂向锚杆，并浇筑微膨胀水泥砂浆进行锚固段灌浆；5)、当水泥砂浆强度达到设计要求强度值后，开始按悬臂式挡墙规范进行挡墙浇筑施工，施工时，锚杆垂直贯通整个墙体高度；6)、混凝土灌缝。在墙体浇筑过程中，基岩与嵌入基岩部分的墙体间缝隙应密实灌缝，使墙体与基岩一体。

其施工工艺过程可简化描述为：坡脚土石清理——→设置钻孔位置——→锚杆锚固深度的确定——→钻孔——→锚杆埋置——→锚固段砂浆浇筑——→挡墙浇筑——→密实灌缝。

本发明的实现主要包括的步骤是：坡脚开挖清理、钻孔施工(钻孔,清孔,锚固段灌浆)、插入锚杆(安装)、钢筋混凝土墙的施工等，基本发明步骤如下：

步骤一，传统悬臂式挡土墙相关参数的确定：

根据传统悬臂式挡土墙设计规范和待治理边坡坡形、坡高、坡体厚度条件，确定传统悬臂式挡墙基础宽度D、高度H以及墙内配筋；

步骤二，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础宽度的确定：

以步骤一确定的传统悬臂式垂向挡土墙基础宽度D作为悬臂式锚杆复合挡土墙基础宽度，采用墙体沿高度等厚设计，并沿平行道路或河流方向，进行坡脚清理和开挖，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础基槽；

步骤三，复合挡土墙垂向锚杆有效临界锚固深度h的确定：

在治理现场进行一组原位锚杆抗拔试验，测得锚杆钢筋与周围灌浆料之间的粘结力R_b及砂浆与岩石间的粘结力R_g随深度变化的破坏拉力值及其相应锚固深度，描绘出极限拉力与锚固深度的变化曲线，从而可确定锚杆破坏拉断时临界拉力R所对应的深度，此深度即为锚杆的有效临界锚固深度；

步骤四，单位长度复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数n的确定：

1)根据传统悬臂式挡墙的设计原则与规范，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙应同时满足挡墙抗滑、抗倾覆的条件，滑坡的最大下滑推力P大小、方向与合力作用点及悬臂式挡土墙相关参数，确定单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

2)根据单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂确定单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n：

根据单位长度内锚杆所承受的剪力可得单位长度内锚杆的根数n₁：

$n_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}=\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}$

(A_s：单位长度内锚杆的总截面面积，A’_s：单根锚杆的截面面积)

根据单位长度内锚杆所承受的垂向拉力可得单位长度内锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；式中：P为滑坡的最大下滑推力，G为墙体自重，F为墙前基岩对墙体的反向推力，T₁为单位长度内锚杆所受的剪力，T₂为单位长度内锚杆所承受的垂向拉力，H为墙体高度，D为墙厚，Y_p为下滑力作用点到墙底的高度，α为滑坡下滑推力作用线与水平方线的夹角，h₀为墙体嵌入基岩的深度；

步骤四中基本受力条件与稳定性计算如下：

1)作用在挡墙上的水平推力为F₁：

F₁＝∑E＝P cosα

式中，α为滑坡下滑推力作用线与水平线的夹角，∑E为作用在挡墙上的水平方向合力；

2)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗滑稳定性：

墙体底部锚嵌在基岩内的反向推力的大小取决于基岩剪切强度τ以及墙底抗滑摩阻力，当基岩发生剪切破坏的时候，即嵌入基岩内的墙体挤压岩石破坏时，作用在墙体上的反向推力F最大，此时边坡的下滑力主要由锚杆承担，反向推力F等效为：

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l$

其中l为挡墙的单位长度；

挡墙整体抗滑移稳定性计算：

$K_c=\frac{\mathrm{\Σ}N}{\mathrm{\Σ}T}=\frac{\mathrm{\μ}\[Psin\mathrm{\α}+G+T\]+F+T_1}{Pcos\mathrm{\α}}$

式中，K_c为挡土墙沿基底抗滑稳定系数，根据规定选取，

得出单位长度内锚杆所承受的剪力：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

根据单位长度内锚杆所承受的剪力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗剪强度设计值f_yv，确定单位长度内的锚杆的根数n₁：

$\begin{array}{c}{n}_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}\\ =\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}\end{array}$

3)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗倾覆稳定性：

挡墙的倾覆抵抗力主要由锚杆提供，当挡墙产生倾覆时，锚杆被拉伸产生拉力来抵抗倾覆，复合挡墙的整体抗倾覆稳定性计算为：

$K_o=\frac{Psin\mathrm{\α}\·D+G\·\frac{1}{2}D+T_2\·\frac{1}{2}D}{Pcos\mathrm{\α}\·Y_P}$

式中，K_o为挡土墙抗倾覆整体稳定系数，根据规定选取；

从上式可以看出锚杆拉伸产生的拉力增加了挡土墙的整体抗倾覆稳定性，得出：

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

根据锚杆所需承受的垂向拉力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗拉强度设计值f_y，确定单位长度内的锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·P\cos \mathrm{\α}\·Y_P-(2P\sin \mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；

步骤五，复合挡土墙垂向锚杆有效间距d₀的确定：

为避免锚杆孔过密引起岩层中应力重叠而造成应力集中，根据工程经验及现场抗拔试验，确定锚杆在抗拔试验破坏时所形成的漏斗直径，以此作为锚杆的有效间距d₀；

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足锚杆的有效间距d₀，即d≥d₀，则锚杆的间距d为：

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足不了锚杆有效间距d的要求，则应重新选择更高抗拉强度和抗剪强度的锚杆，并依据步骤三和步骤四确定其复合挡土墙垂向锚杆有效设计参数；

步骤六，锚杆钻孔、锚固与垂向锚杆复合挡土墙的浇筑：

在开挖好的基槽沿挡墙中间位置按上述挡墙单位长度内的锚杆根数进行钻孔，并按照步骤三所设计锚杆有效锚固深度，对锚固进行水泥砂浆灌浆锚固，水泥砂浆强度不得小于M30；当锚杆锚固段砂浆强度达到80％后，按悬臂式挡墙规范浇筑挡墙，所作锚杆的钢筋贯穿整个墙体，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙。

本发明实现的设计原理与依据如下：

钢筋混凝土复合挡墙在基岩内一定深度h₀，使得基岩与锚杆共同起到抗滑的作用，针对这种悬臂式垂向锚杆复合式挡墙，作用在单位长度挡墙上的有效荷载为：滑坡推力P、墙体自身重力G、基岩对墙体的反向推力F以及锚杆上所承受的剪力T₁(见图1)。本发明按照传统悬臂式挡墙设计规范确定其墙体厚度为D，考虑到悬臂式挡墙的墙厚有限，本发明特将锚杆设置在挡墙的中间。其基本受力条件与稳定性验算如下：

1)作用在挡墙上的水平推力为F₁：

F₁＝∑E＝P cosα (1)

式中，α为滑坡推力作用线与水平线的夹角，E为作用在挡墙上的水平方向合力。

2)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗滑稳定性

墙体底部锚嵌在基岩内的反向推力的大小取决于基岩剪切强度τ以及墙底抗滑摩阻力，当基岩发生剪切破坏的时候，即嵌入基岩内的墙体挤压岩石破坏时，作用在墙体上的反向推力F最大，此时边坡的下滑力主要由锚杆承担，反向推力F等效为：

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l---\left(2\right)$

其中l为挡墙的单位长度。

挡墙整体抗滑移稳定性计算：

$K_c=\frac{\mathrm{\Σ}N}{\mathrm{\Σ}T}=\frac{\mathrm{\μ}\[Psin\mathrm{\α}+G+T\]+F+V}{Pcos\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

式中，K_c为挡土墙沿基底抗滑稳定系数，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011规定选取，一般取1.3。

得出锚杆所承受的剪力：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T)---\left(4\right)$

根据锚杆所承受的剪力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗剪强度设计值f_yv，确定单位长度内的锚杆的根数n₁：

$\begin{array}{c}{n}_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}\\ =\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}\end{array}---\left(5\right)$

3)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗倾覆稳定性

挡墙的倾覆抵抗力主要由锚杆提供，当挡墙产生倾覆时，锚杆被拉伸产生拉力来抵抗倾覆，复合挡墙的整体抗倾覆稳定性计算为：

$K_o=\frac{Psin\mathrm{\α}\·D+G\·\frac{1}{2}D+T\·\frac{1}{2}D}{Pcos\mathrm{\α}\·Y_P}---\left(6\right)$

式中，K_o为挡土墙抗倾覆整体稳定系数，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011规定选取，一般取1.6，其他符号意义见图(1)。

从公式(6)中可以看出锚杆拉伸产生的拉力增加了挡土墙的整体抗倾覆稳定性。

得出：

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}---\left(7\right)$

根据锚杆所需承受的垂向拉力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗拉强度设计值f_y，确定单位长度内的锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·P\cos \mathrm{\α}\·Y_P-(2P\sin \mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}---\left(8\right)$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者。

Claims (1)

1.一种悬臂式垂向锚杆复合挡土墙的设计与施工方法，所述悬臂式垂向锚杆复合挡土墙为：包括基岩层(5)、边坡坡面(2)，边坡坡面(2)的末端设有挡墙(4)，其特征在于，挡墙(4)、基岩层(5)沿同一竖直方向开有锚孔，锚孔内设有锚杆(1)，锚杆(1)与锚孔之间填充水泥砂浆,锚孔沿公路方向间隔设置，水泥砂浆强度不小于M30，锚杆(1)贯穿整个挡墙(4)，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，传统悬臂式挡土墙相关参数的确定：

根据传统悬臂式挡土墙设计规范和待治理边坡坡形、坡高、坡体厚度条件，确定传统悬臂式挡墙基础宽度D、高度H以及墙内配筋；

步骤二，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础宽度的确定：

以步骤一确定的传统悬臂式垂向挡土墙基础宽度D作为悬臂式锚杆复合挡土墙基础宽度，采用墙体沿高度等厚设计，并沿平行道路或河流方向，进行坡脚清理和开挖，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙基础基槽；

步骤三，复合挡土墙垂向锚杆有效临界锚固深度h的确定：

在治理现场进行一组原位锚杆抗拔试验，测得锚杆钢筋与周围灌浆料之间的粘结力R_b及砂浆与岩石间的粘结力R_g随深度变化的破坏拉力值及其相应锚固深度，描绘出极限拉力与锚固深度的变化曲线，从而可确定锚杆破坏拉断时临界拉力R所对应的深度，此深度即为锚杆的有效临界锚固深度；

步骤四，单位长度复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数n的确定：

1)根据传统悬臂式挡墙的设计原则与规范，悬臂式垂向锚杆复合挡土墙应同时满足挡墙抗滑、抗倾覆的条件，滑坡的最大下滑推力P大小、方向与合力作用点及悬臂式挡土墙相关参数，确定单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

2)根据单位长度内锚杆所承受的剪力T₁，垂向拉力T₂确定单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n：

根据单位长度内锚杆所承受的剪力可得单位长度内锚杆的根数n₁：

$n_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}=\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(P\sin \mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}$

A_s：单位长度内所有锚杆的总截面面积，A’_s：单根锚杆的截面面积

根据单位长度内锚杆所承受的垂向拉力可得单位长度内锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2-Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；式中：P为滑坡的最大下滑推力，G为墙体自重，F为墙前基岩对墙体的反向推力，T₁为单位长度内锚杆所受的剪力，T₂为单位长度内锚杆所承受的垂向拉力，D为墙厚，Y_p为下滑力作用点到墙底的高度，α为滑坡下滑推力作用线与水平线的夹角，h₀为墙体嵌入基岩的深度；

步骤四中基本受力条件与稳定性计算如下：

1)作用在挡墙上的水平推力为F₁：

F₁＝∑E＝Pcosα

式中，α为滑坡下滑推力作用线与水平线的夹角，∑E为作用在挡墙上的水平方向合力；

2)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗滑稳定性：

墙体底部锚嵌在基岩内的反向推力的大小取决于基岩剪切强度τ以及墙底抗滑摩阻力，当基岩发生剪切破坏的时候，即嵌入基岩内的墙体挤压岩石破坏时，作用在墙体上的反向推力F最大，此时边坡的下滑力主要由锚杆承担，反向推力F等效为：

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l$

其中l为挡墙的单位长度；

挡墙整体抗滑移稳定性计算：

$K_c=\frac{\mathrm{\Σ}N}{\mathrm{\Σ}T}=\frac{\mathrm{\μ}\[Psin\mathrm{\α}+G+T\]+F+T_1}{Pcos\mathrm{\α}}$

式中，K_c为挡土墙沿基底抗滑稳定系数，根据规定选取，

得出单位长度内锚杆所承受的剪力：

$T_1=K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)$

根据单位长度内锚杆所承受的剪力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗剪强度设计值f_yv，确定单位长度内的锚杆的根数n₁：

$\begin{array}{c}{n}_1\≥\frac{A_s}{A_s^{,}}=\frac{T_1}{f_{yv}{A}_s^{,}}\\ =\frac{\[K_{c}P\·cos\mathrm{\α}-\frac{1}{2}{\mathrm{\τh}}_0\×l-\mathrm{\μ}(Psin\mathrm{\α}+G+T_2)\]}{f_{yv}{A}_s^{,}}\end{array}$

3)悬臂式垂向锚杆复合挡墙的抗倾覆稳定性：

挡墙的倾覆抵抗力主要由锚杆提供，当挡墙产生倾覆时，锚杆被拉伸产生拉力来抵抗倾覆，复合挡墙的整体抗倾覆稳定性计算为：

$K_o=\frac{Psin\mathrm{\α}\·D+G\·\frac{1}{2}D+T_2\·\frac{1}{2}D}{Pcos\mathrm{\α}\·Y_P}$

式中，K_o为挡土墙抗倾覆整体稳定系数，根据规定选取；

从上式可以看出锚杆拉伸产生的拉力增加了挡土墙的整体抗倾覆稳定性，得出：

$T_2=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{D}$

根据锚杆所需承受的垂向拉力和锚杆制作所用钢筋型号及钢筋的抗拉强度设计值f_y，确定单位长度内的锚杆的根数n₂：

$n_2\≥\frac{A_s}{{A_s}^{,}}=\frac{T_2}{f_y{A_s}^{,}}=\frac{2K_o\·Pcos\mathrm{\α}\·Y_P-(2Psin\mathrm{\α}+G)\·D}{{\mathrm{Df}}_y{A}_s^{,}}$

根据设计要求可知单位长度复合挡墙垂向锚杆有效设计根数n为n₁和n₂较大者；

步骤五，复合挡土墙垂向锚杆有效间距d₀的确定：

为避免锚杆孔过密引起岩层中应力重叠而造成应力集中，根据工程经验及现场抗拔试验，确定锚杆在抗拔试验破坏时所形成的漏斗直径，以此作为锚杆的有效间距d₀；

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足锚杆的有效间距d₀，即d≥d₀，则锚杆的间距d为：

如果复合挡土墙垂向锚杆有效设计根数满足不了锚杆有效间距d₀的要求，则应重新选择更高抗拉强度和抗剪强度的锚杆，并依据步骤三和步骤四确定其复合挡土墙垂向锚杆有效设计参数；

步骤六，锚杆钻孔、锚固与垂向锚杆复合挡土墙的浇筑：

在开挖好的基槽沿挡墙中间位置按上述挡墙单位长度内的锚杆根数进行钻孔，并按照步骤三所设计锚杆有效锚固深度，对锚固进行水泥砂浆灌浆锚固，水泥砂浆强度不得小于M30；当锚杆锚固段砂浆强度达到80％后，按悬臂式挡墙规范浇筑挡墙，所作锚杆的钢筋贯穿整个墙体，形成悬臂式垂向锚杆复合挡土墙。