CN107893428A - 一种竖直锚杆挡土墙设计方法 - Google Patents

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宋二祥
沈志平
徐�明
孔郁斐
付君宜
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Guizhou Zhengye Engineering & Investment Inc Ltd
Tsinghua University
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Tsinghua University
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00—Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/02—Retaining or protecting walls
    • E02D29/0225—Retaining or protecting walls comprising retention means in the backfill
    • E02D29/0233—Retaining or protecting walls comprising retention means in the backfill the retention means being anchors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/74—Means for anchoring structural elements or bulkheads
    • E02D5/76—Anchorings for bulkheads or sections thereof in as much as specially adapted therefor

Abstract

本发明公开了一种竖直锚杆挡土墙设计方法，首先计算填土体的主动土压力和作用点高度，然后确定挡土墙自重和挡土墙自重对墙趾的力矩，再确定单位长度挡土墙上竖直锚杆的抗拔承载力和抗剪承载力标准值，推导出竖直锚杆挡土墙的抗滑移和抗倾覆安全系数计算公式，最后通过计算公式进行竖直锚杆挡土墙的设计，解决了目前竖直锚杆挡土墙抗滑移和抗倾覆安全系数没有设计方法的问题。

Description

一种竖直锚杆挡土墙设计方法
技术领域
本发明属于岩土工程挡土墙设计领域，尤其涉及一种竖直锚杆挡土墙设计方 法。
背景技术
传统的锚杆加固挡土墙，将加固锚杆沿水平方向或斜向插入填土内，往往面 临成孔困难、注浆过程中易漏浆、锚固深度较深等问题。为规避传统锚杆挡土墙 的这一缺陷，采用将锚杆竖向插入下部稳定基岩的方式，锚杆在原地基土中成孔， 根据需要可以施加预应力，利用锚杆的拉力增加体系抗滑移和抗倾覆的能力。目 前尚无针对竖直锚杆挡土墙的设计方法。
经过理论推导，推导出了竖直锚杆挡土墙的抗滑移和抗倾覆安全系数计算公 式，用于指导工程设计。
发明内容
本发明要解决的问题是：提供一种竖直锚杆挡土墙设计方法，以解决这类加 固结构目前尚无相关设计方法的问题。
本发明采用的技术方案为：一种竖直锚杆挡土墙设计方法，其设计方法过程 如下：
步骤一：确定单位长度挡土墙后的主动土压力，一般可以采用库伦土压力理 论计算土体作用在挡土墙上的主动土压力合力Ea和作用点高度h；
步骤二：根据截面形式计算单位长度挡土墙自重G，并确定挡土墙自重对墙 趾的力矩xG；
步骤三：确定竖直锚杆的抗拔承载力，进行单根锚杆抗拔试验，确定设计施 工条件下地层与锚固体粘结强度标准值qsk，得到单位长度挡土墙上锚杆抗拔 承载力标准值Fuk的计算公式如下：
式中：λp：为地层的抗拔折减系数，砂土取0.5～0.7，粘性土、粉土取0.7～0.8；
qsk：地层与锚固体粘结强度标准值；
L：锚杆伸入挡土墙底部土中的长度；
D：锚杆锚固体直径；
d：锚杆间距；
步骤四：确定竖直锚杆抗剪承载力，单根锚杆抗剪承载力标准值Rhk由水平 静载试验确定，或按照桩的水平承载力计算的相关规定进行估算，得到单位 长度挡土墙上锚杆的抗剪承载力标准值Thk的计算公式：
步骤五：由单位长度竖直锚杆挡土墙的所有水平抗滑力与水平滑力的比值， 推导出竖直锚杆挡土墙抗滑移安全系数Fs的计算公式：
无预应力锚杆：
有预应力锚杆：
式中：Eav和Eah分别为主动土压力合力Ea的竖向分力和水平分力，即：
Eav＝Ea sinδ
Eah＝Ea cosδ
Fp：单位长度上张拉的预应力，不能超过单位长度挡土墙上锚杆抗拔承 载力标准值Fuk，一般可取Fp＝0.75Fuk；
μ：挡土墙底与地基岩土体的摩擦系数；
η：预应力损失率，一般取值为3％～10％；
δ：填土和挡土墙背的接触面摩擦角；
步骤六：由单位长度竖直锚杆挡土墙所有绕墙趾的抗倾覆力矩与倾覆力矩的 比值，推导出竖直锚杆挡土墙抗倾覆安全系数Ft的计算公式：
式中：xF：墙趾到竖直锚杆的力的作用线距离；B：挡土墙底部宽度；
根据步骤五和步骤六的抗滑移安全系数计算公式和抗倾覆安全系数计算公 式进行竖直锚杆挡土墙设计。
其中，步骤三中的地层与锚固体粘结强度标准值qsk，当试验资料不足时， 按照《建筑桩基技术规范JGJ 94-2008》表5.3.5-1取值、进行初步设计，并在施 工时通过试验检验进而确定单位长度挡土墙上锚杆抗拔承载力标准值Fuk。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、目前尚无用于竖直锚杆挡土墙的设计方法，本发明研究的竖直锚杆挡土 墙抗滑移与抗倾覆安全系数计算方法可以直接用于指导工程设计；
2、本发明安全系数的计算方法可以适用于各种截面形式的挡土墙，应用范 围广泛；
3、本发明考虑了有预应力锚杆和无预应力锚杆两种情况，使得设计更加灵 活。
附图说明
图1为本方法的步骤流程图；
图2为本方法竖直锚杆挡土墙计算参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明：
竖直锚杆挡土墙如图2所示，挡土墙截面为直角梯形，高H＝3.0m，底部宽 度B＝1.2m，顶部宽度b＝0.6m。材料特性，填土体：γfill＝20kPa/m3，β＝0°。 挡土墙材料γwall＝25kPa/m3，挡土墙-填土体界面δ＝10.9°，挡土墙-原地基界面 μ＝0.25。锚杆安放位置xF＝0.8m，入岩锚固长度L＝2m，原地基为风化石灰石基 岩，每个锚杆使用一根直径32mm的螺纹钢筋锚固段直径D＝0.1m。原地基基岩 与锚杆接触面qsk＝100kPa，λp＝0.7，单根锚杆抗剪承载力标准值Rhk＝50kN，现对 锚杆间距进行设计。
由步骤一采用库伦土压力理论计算出单位长度挡土墙上的主动土压力合力： Ea＝22.3kN，土压力作用点高度h＝1m。由步骤二挡土墙为梯形时，计算得到单位 长度挡土墙自重G＝67.5kN，计算得到挡土墙自重到墙趾A点的力矩 G·xG＝49.5kN·m。
首先假设竖直锚杆间距d＝5m且无预应力，由步骤三公式计 算出单位长度挡土墙上竖直锚杆提供的抗拔承载力标准值Fuk＝8.79kN，由步骤四 公式计算出单位长度挡土墙上锚杆的抗剪承载力标准值Thk＝10kN，由 步骤五公式Eav＝Ea sinδ和Eah＝Eacosδ计算得Eav＝4.21kN，Eah＝21.90kN，由公式和步骤六公式分别计 算出抗滑移安全系数Fs＝1.275<1.3，抗倾覆安全系数Ft＝2.926>1.6，抗滑移安全 系数无法满足要求。
当施加锚杆预应力时，取Fp＝0.75Fuk＝6.59kN，取η＝10％，此时由步骤五公 式计算出抗滑移安全系数Fs＝1.343>1.3，满 足抗滑移安全系数要求，即最终设计结果为竖直锚杆间距d＝5m且单位长度施加 预应力Fp＝6.59kN。

Claims (2)

1.一种竖直锚杆挡土墙设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定单位长度挡土墙的土压力，采用库伦土压力理论计算土体作用在挡土墙上的主动土压力合力Ea和作用点高度h；
步骤二：根据截面形式计算单位长度挡土墙自重G，并确定挡土墙自重对墙趾的力矩xG；
步骤三：确定竖直锚杆的抗拔承载力，进行单根锚杆抗拔试验，确定设计施工条件下地层与锚固体粘结强度标准值qsk，得到单位长度挡土墙上锚杆抗拔承载力标准值Fuk的计算公式如下：
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>q</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>D</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>
式中：
λp：地层的抗拔折减系数，砂土取0.5～0.7，粘性土、粉土取0.7～0.8；
qsk：地层与锚固体粘结强度标准值；
L：锚杆伸入挡土墙底部土中的长度；
D：锚杆锚固体直径；
d：锚杆间距；
步骤四：确定竖直锚杆抗剪承载力，单根锚杆抗剪承载力标准值Rhk由水平静载试验确定，或按照桩的水平承载力计算规定进行估算，得到单位长度挡土墙上锚杆的抗剪承载力标准值Thk的计算公式：
<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>
步骤五：由单位长度竖直锚杆挡土墙的所有水平抗滑力与水平滑力的比值，推导出竖直锚杆挡土墙抗滑移安全系数Fs的计算公式：
无预应力锚杆：
有预应力锚杆：
式中：Eav和Eah分别为主动土压力合力Ea的竖向分力和水平分力，即：
Eav＝Easinδ
Eah＝Eacosδ
式中：Fp为单位长度上张拉的预应力，不超过单位长度挡土墙上锚杆抗拔承载力标准值Fuk，取Fp＝0.75Fuk；
μ为挡土墙底与地基岩土体的摩擦系数；
η为预应力损失率；
δ为填土和挡土墙背的接触面摩擦角；
步骤六：由单位长度竖直锚杆挡土墙所有绕墙趾的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值，推导出竖直锚杆挡土墙抗倾覆安全系数Ft的计算公式：
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Gx</mi> <mi>G</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mi>F</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> </mrow> </msub> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mi>h</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>1.6</mn> </mrow>
式中：xF为墙趾到竖直锚杆的力的作用线距离，B为挡土墙底部宽度；
根据步骤五和步骤六的抗滑移安全系数计算公式和抗倾覆安全系数计算公式进行竖直锚杆挡土墙稳定性设计。
2.根据权利要求1所述的一种竖直锚杆挡土墙设计方法，其特征在于：步骤三中的地层与锚固体粘结强度标准值qsk，当试验资料不足时，按照《建筑桩基技术规范JGJ 94-2008》表5.3.5-1取值、进行初步设计，并在施工时通过试验检验进而确定单位长度挡土墙上锚杆抗拔承载力标准值Fuk。
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