CN111119221B - 浅埋式锚碇基础基底抗滑装置、尺寸确定方法和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置、尺寸确定方法和施工方法，该浅埋式锚碇基础基底抗滑装置通过在浅埋式锚碇基础底部设置三道钢筋混凝土抗滑根键，可显著提升锚碇基础底部抗滑移能力和锚碇基础稳定性。该抗滑装置造尺寸确定方法能够有效避免抗滑根键被动土压力作用范围内出现遮挡，并且避免抗滑根键被动土压力对既有结构受力构件产生影响，该方法原理清晰、计算过程简单，便于技术人员应用。所提供的施工方法的实用性强、施工便利和经济性强。本发明为浅埋式锚碇基础的安全应用提供了一种有效的保障措施，对浅埋式锚碇基础在我国桥梁工程中进一步的推广和应用具有重要作用。

Description

浅埋式锚碇基础基底抗滑装置、尺寸确定方法和施工方法

技术领域

本发明涉及一种悬索桥锚碇基础，具体涉及一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置以及该抗滑装置的尺寸确定方法和施工方法。

背景技术

重力式锚碇基础作为悬索桥主要的锚碇基础形式之一，锚碇在巨大的主缆拉力作用下的变位将对桥梁的整个受力情况产生巨大影响。锚碇基础主要依靠自重抵抗主缆拉力竖向分量荷载，依靠基底与地基的摩阻力抵抗主缆拉力水平分量荷载。为严格控制重力式锚碇基础的变位，通常会选用深埋式锚碇基础，使锚碇基础底部坐落在坚硬岩层上以满足地基强度、刚度和稳定性的要求。然而，深埋式重力锚碇基础埋深通常超过35m以上，无论是放坡大开挖还是地连墙直立支护，都存在开挖难度大、施工工期长、工程造价高、弃渣方量大，环境破坏严重等问题，因此浅埋式锚碇基础形式逐渐得到工程应用。浅埋式锚碇基础埋深通常在15m～20m，因此相比于深埋式锚碇基础，浅埋式锚碇基础的抗滑移稳定性降低，目前工程中尚未采取有效的构造措施以有效地提高浅埋式锚碇基础的抗滑移稳定性。

我国桥梁建设的成就举世瞩目。随着一批重点标志性工程的建造，已经初步实现了从建桥大国向建桥强国的跨越式发展。悬索桥被公认为是跨越能力最强的桥型，是当前世界超大跨度桥梁发展的主流方向。然而，随着跨径的不断增加，锚碇基础承担的荷载亦越来越大，通常“粗放型”的设计方法将锚碇基础朝更深、更大的方向发展，这不但导致建造成本及施工周期的增加，还将给施工带来不必要的难度，对环境也造成较大的破坏。如能提出一种锚碇基础抗滑移措施，显著提升锚碇基础的稳定性，对浅埋式锚碇基础在我国桥梁工程中进一步的推广和应用具有重要的科学意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，该装置可显著提升浅埋式锚碇基础的抗滑移能力。

本发明的另一目的是提供一种上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的尺寸确定方法。

本发明的第三个目的是提供一种上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的施工方法。

技术方案：本发明所述的一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，包括嵌入设置在锚碇基础底板内的三个抗滑根键；所述三个抗滑根键分别为位于锚碇基础底板正中间的中心抗滑根键、以及分别对称设置在中心抗滑根键两侧的前趾抗滑根键和后趾抗滑根键；三个抗滑根键等分所述锚碇基础底板在缆索拉力的水平分力方向上的直径。

其中，所述三个抗滑根键均为截面呈矩形的长条状钢筋混凝土构件，三个抗滑根键的长度方向均垂直于缆索拉力方向水平延伸。

所述三个抗滑根键的顶端均与锚碇基础底板的顶面齐平，三个抗滑根键的下部均自锚碇基础底板的底面向下凸伸出并嵌入土内。

所述三个抗滑根键向下凸伸出并嵌入土内的高度均为1.5～2m。

还包括钢筋锚固部分，所述钢筋锚固部分的下部连接在所述抗滑根键的钢筋笼上，钢筋锚固部分的上部浇筑于锚碇基础压重配载体内。

具体的，所述钢筋锚固部分包括分别连接在底板两侧的弯折钢筋，所述弯折钢筋的下部焊接在所述抗滑根键的钢筋笼上，弯折钢筋的上部自抗滑根键的顶端向上延伸并向各自所在抗滑根键的一侧弯折。

对应于上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，本发明提供的尺寸确定方法所采用的技术方案是，首先确定抗滑根键被动土压力影响范围，避免抗滑根键被动土压力作用范围内出现遮挡，并且避免抗滑根键被动土压力对既有结构受力构件产生影响；

设抗滑根键嵌入土内的高度为h，基底持力层土体的内摩擦角为

则抗滑根键被动土压力作用范围的水平最大距离s_p为：

设抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，为确保结构受力构件不受被动区影响，需满足以下关系：

S_min≥α×s_p (2)

式中：α为安全度系数；

然后，包括确定前趾抗滑根键的长度的步骤：

由于前趾抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，即前趾抗滑根键与锚碇基础底板边缘在压力方向上的最小距离为S_min，根据几何关系得：

由于前趾抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇基础底板边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

根据两种边界控制条件，联合公式(3)和公式(4)，可得：

式中，L₍₁₎为前趾抗滑根键长度，R为锚碇基础底板的半径；

还包括确定中心抗滑根键的长度的步骤：

由于中心抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，即中心抗滑根键与锚碇基础底板边缘在压力方向上的最小距离为S_min，根据几何关系得：

由于中心抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

L₍₂₎＝2(R-S_min) (7)

根据两种边界控制条件，联合公式(6)和公式(7)，可得：

式中，L₍₂₎为前趾抗滑根键长度；

还包括确定后趾抗滑根键的长度的步骤：

后趾抗滑根键与前趾抗滑根键关于中心抗滑根键对称，因此后趾抗滑根键的长度与前趾抗滑根键一致，为：

式中，L₍₃₎为后趾抗滑根键长度。

进一步，还包括确定抗滑根键截面宽度的步骤：

抗滑根键作用的被动土压力区域内的基底压应力为：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键；j＝2表示中心抗滑根键；j＝3表示后趾抗滑根键；p_max和p_min分别为锚碇基础底板最大压应力和最小压应力；

则抗滑根键在单位长度方向的平均被动土压力E_p(j)为：

式中：

为基底土体被动土压力系数；γ为锚碇基础底板处土体自重；

在被动土压力作用下，抗滑根键与锚碇基础底板连接处截面的剪应力和正应力最大，为最不利截面，抗滑根键的截面宽度由该截面的抗剪承载力和抗弯承载力确定；

按抗剪承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：[σ_t]为截面钢筋混凝土容许剪应力值；

按抗弯承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：h_eq(j)＝(3p_(j)min+2γh)h/(6p_(j)max+3γh)为抗滑根键被动土压力合力作用点至最不利截面的距离；

为同时满足抗滑根键抗剪和抗弯承载力要求，抗滑根键的宽度最小取公式(12)和(13)中的较大值：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键；j＝2表示中心抗滑根键；j＝3表示后趾抗滑根键。

进一步，还包括确定抗滑根键截面高度的步骤，抗滑根键的截面高度为锚碇基础底板厚度和抗滑根键嵌入土内的高度之和，其中抗滑根键嵌入土内的高度取1.5～2m。

对应于上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，本发明提供的施工方法所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一：确定抗滑根键的平面位置；

步骤二：确定抗滑根键的长、高、宽尺寸；

步骤三：浅埋式锚碇基础底板混凝土浇筑施工时，在底板处预留三道沟槽，沟槽的平面位置根据步骤一确定；每道沟槽的宽度按步骤二计算的抗滑根键宽度确定；沟槽高度与锚碇基础底板厚度一致；

步骤四：锚碇基础底板混凝土强度满足要求后，对沟槽下部土体进行开挖作业，土体开挖宽度与沟槽等宽，土体开挖深度为步骤二所确定的抗滑根键入土嵌固深度；

步骤五：按照步骤二确定的抗滑根键的尺寸制作钢筋笼，并在钢筋笼顶部焊接弯折钢筋，随后将钢筋笼下放至沟槽内，并浇筑混凝土；

步骤六：浇筑锚碇基础压重配载体，进而与步骤五所述的弯折钢筋形成整体，进一步达到嵌固抗滑根键的作用。

有益效果：与现有技术相比，本发明的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置通过在浅埋式锚碇基础底部设置三道钢筋混凝土抗滑根键，可显著提升锚碇基础底部抗滑移能力和锚碇基础稳定性。该抗滑装置造尺寸确定方法能够有效避免抗滑根键被动土压力作用范围内出现遮挡，并且避免抗滑根键被动土压力对既有结构受力构件产生影响，该方法原理清晰、计算过程简单，便于技术人员应用。所提供的施工方法的实用性强、施工便利和经济性强。本发明为浅埋式锚碇基础的安全应用提供了一种有效的保障措施，对浅埋式锚碇基础在我国桥梁工程中进一步的推广和应用具有重要作用。

附图说明

图1是本发明浅埋式锚碇基础基底抗滑装置剖面示意图；

图2是本发明浅埋式锚碇基础基底抗滑装置平面布置示意图；

图3是本发明抗滑根键构造钢筋笼及弯折钢筋示意图。

图4是本发明浅埋式锚碇基础基底抗滑根键作用影响范围示意图；

图5是本发明前趾抗滑根键按压力方向影响范围控制的长度设计示意图；

图6是本发明前趾抗滑根键按长度方向影响范围控制的长度设计示意图；

图7是本发明中心抗滑根键按压力方向影响范围控制的长度设计示意图；

图8是本发明中心抗滑根键按长度方向影响范围控制的长度设计示意图；

图9是浅埋式锚碇基础基底压应力分布示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，包括嵌入设置在锚碇基础底板10内的三个抗滑根键，这三个抗滑根键均为截面呈矩形的长条状钢筋混凝土构件，三个抗滑根键的长度方向均垂直于缆索12拉力方向水平延伸。

具体的，三个抗滑根键分别为位于锚碇基础底板10正中间的中心抗滑根键2、以及分别对称且平行的设置在中心抗滑根键2两侧的前趾抗滑根键1和后趾抗滑根键3。三个抗滑根键等分锚碇基础底板10在缆索12拉力的水平分力方向上的直径，也就是说，前趾抗滑根键1、中心抗滑根键2和后趾抗滑根键3分别设置在经过该水平分力方向的直径的三个等分点上，三个抗滑跟键的中心点间距为锚碇基础底板的1/2半径。

三个抗滑根键的顶端均与锚碇基础底板10的顶面齐平，三个抗滑根键的下部均自锚碇基础底板10的底面向下凸伸出并嵌入土内形成入土嵌固。亦即，这三个抗滑根键的上端锚固高度与锚碇基础底板的厚度h_anch一致，入土嵌固的高度h一般固定取值1.5～2m。

为进一步提高这三个抗滑根键的锚固程度，该抗滑装置还包括钢筋锚固部分，钢筋锚固部分的下部连接在抗滑根键的钢筋笼上，钢筋锚固部分的上部浇筑于锚碇基础压重配载体11内，请参阅图3，前趾抗滑根键1的钢筋锚固部分7下部焊接在其钢筋笼4上，中心抗滑根键2的钢筋锚固部分8下部焊接在其钢筋笼5上，后趾抗滑根键3的钢筋锚固部分9下部焊接在其钢筋笼6上，而三者的上部均浇筑于锚碇基础压重配载体11内。具体的，钢筋锚固部分包括分别连接在底板两侧的弯折钢筋，弯折钢筋的下部与抗滑根键的钢筋笼焊接成一体，弯折钢筋的上部自抗滑根键的顶端向上延伸并向各自所在抗滑根键的一侧呈60°左右弯折。锚碇基础压重配载体11混凝土浇筑完成后与弯折钢筋形成整体，进一步加强抗滑根键的嵌固作用。

本实施例还公开了上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的尺寸确定方法，具体包括：

(a)确定抗滑根键被动土压力影响范围；

如图4所示，为确保抗滑根键发挥最大作用，需严格控制抗滑根键被动土压力作用范围内避免出现遮挡等情况；同时也应避免抗滑根键被动土压力对既有结构受力构件产生影响。抗滑根键被动土压力影响范围按下述方式确定：

设抗滑根键嵌入土内的高度为h，h取1.5～2m，基底持力层土体的内摩擦角为

则根据图4可知抗滑根键被动土压力作用范围的水平最大距离s_p为：

设抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，为确保结构受力构件不受被动区影响，需满足以下关系：

S_min≥α×s_p (2)

式中：α为安全度系数，建议取为2。

(b)确定前趾抗滑根键1的长度

如图5所示，前趾抗滑根键1垂直于锚碇水平中心轴线，并交于右半幅的中点位置处。由图5可知：l_OC＝R，l_AB＝R/2，l_BC＝S_min，则l_AO为：

由上式可知，前趾抗滑根键1的长度L₍₁₎为：

如图6所示，由于前趾抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇基础底板边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

根据图5和图6两种边界控制条件，联合公式(3)和公式(4)，可得：

式中，L₍₁₎为前趾抗滑根键长度，R为锚碇基础底板的半径。

(c)确定中心抗滑根键2的长度：

如图7所示，中心抗滑根键2与锚碇竖向中心轴线重叠。由图7可知：l_OB＝R，l_BC＝S_min，中心抗滑根键2长度L₍₂₎为：

如图8所示，由于中心抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

L₍₂₎＝2(R-S_min) (7)

根据图7和图8两种边界控制条件，联合公式(6)和公式(7)，可得：

式中，L₍₂₎为前趾抗滑根键长度。

(d)确定后趾抗滑根键3的长度：

由于后趾抗滑根键3与前趾抗滑根键1关于中心抗滑根键2对称，因此后趾抗滑根键3的长度与前趾抗滑根键1一致，为：

式中，L₍₃₎为后趾抗滑根键3长度。

(e)确定抗滑根键截面宽度的步骤：

如图9所示，抗滑根键作用的被动土压力区域内的基底压应力为：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键1；j＝2表示中心抗滑根键2；j＝3表示后趾抗滑根键3；p_max和p_min分别为锚碇基础底板10最大压应力和最小压应力；

则抗滑根键在单位长度方向(图9中纵向)的平均被动土压力E_p(j)为：

式中：

为基底土体被动土压力系数；γ为锚碇基础底板处土体自重；

在被动土压力作用下，抗滑根键与锚碇基础底板连接处截面的剪应力和正应力最大，为最不利截面，抗滑根键的截面宽度由该截面的抗剪承载力和抗弯承载力确定；

按抗剪承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：[σ_t]为截面钢筋混凝土容许剪应力值；

按抗弯承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：h_eq(j)＝(3p_(j)min+2γh)h/(6p_(j)max+3γh)为抗滑根键被动土压力合力作用点至最不利截面的距离；

为同时满足抗滑根键抗剪和抗弯承载力要求，抗滑根键的宽度最小取公式(12)和(13)中的较大值：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键1；j＝2表示中心抗滑根键2；j＝3表示后趾抗滑根键3。

确定抗滑根键截面高度，抗滑根键的截面高度为锚碇基础底板厚度和抗滑根键嵌入土内的高度之和，即h+h_anch，其中，抗滑根键嵌入土内的高度h取1.5～2m。

上述浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的施工方法，包括如下步骤：

步骤一：确定抗滑根键的平面位置；

步骤二：确定抗滑根键的长、高、宽尺寸；

步骤三：浅埋式锚碇基础底板混凝土浇筑施工时，在底板处预留三道沟槽，沟槽的平面位置根据步骤一确定；每道沟槽的宽度按步骤二计算的抗滑根键宽度确定；沟槽高度与锚碇基础底板厚度一致；

步骤四：锚碇基础底板混凝土强度满足要求后，对沟槽下部土体进行开挖作业，土体开挖宽度与沟槽等宽，土体开挖深度为步骤二所确定的抗滑根键入土嵌固深度；

步骤五：按照步骤二确定的抗滑根键的尺寸制作钢筋笼，并在钢筋笼顶部焊接弯折钢筋，随后将钢筋笼下放至沟槽内，并浇筑混凝土；

步骤六：浇筑锚碇基础压重配载体，进而与步骤五所述的弯折钢筋形成整体，进一步达到嵌固抗滑根键的作用。

Claims (7)

1.一种浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，包括嵌入设置在锚碇基础底板(10)内的三个抗滑根键；所述三个抗滑根键分别为位于锚碇基础底板(10)正中间的中心抗滑根键(2)、以及分别对称设置在中心抗滑根键(2)两侧的前趾抗滑根键(1)和后趾抗滑根键(3)；三个抗滑根键等分所述锚碇基础底板(10)在缆索(12)拉力的水平分力方向上的直径；

所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的尺寸确定方法，首先确定抗滑根键被动土压力影响范围，避免抗滑根键被动土压力作用范围内出现遮挡，并且避免抗滑根键被动土压力对既有结构受力构件产生影响；

设抗滑根键嵌入土内的高度为h，基底持力层土体的内摩擦角为

则抗滑根键被动土压力作用范围的水平最大距离s_p为：

设抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，为确保结构受力构件不受被动区影响，需满足以下关系：

S_min≥α×s_p (2)

式中：α为安全度系数；

然后，包括确定前趾抗滑根键的长度的步骤：

由于前趾抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，即前趾抗滑根键与锚碇基础底板边缘在压力方向上的最小距离为S_min，根据几何关系得：

由于前趾抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇基础底板边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

根据两种边界控制条件，联合公式(3)和公式(4)，可得：

式中，L₍₁₎为前趾抗滑根键长度，R为锚碇基础底板的半径；

还包括确定中心抗滑根键的长度的步骤：

由于中心抗滑根键与压力方向上位于前端的相邻结构构件的最小距离为S_min，即中心抗滑根键与锚碇基础底板边缘在压力方向上的最小距离为S_min，根据几何关系得：

由于中心抗滑根键的上、下端部在其长度方向上与锚碇边缘的距离也不得超过S_min，根据几何关系得：

L₍₂₎＝2(R-S_min) (7)

根据两种边界控制条件，联合公式(6)和公式(7)，可得：

式中，L₍₂₎为前趾抗滑根键长度；

还包括确定后趾抗滑根键的长度的步骤：

后趾抗滑根键与前趾抗滑根键关于中心抗滑根键对称，因此后趾抗滑根键的长度与前趾抗滑根键一致，为：

式中，L₍₃₎为后趾抗滑根键长度；

还包括确定抗滑根键截面宽度的步骤：

抗滑根键作用的被动土压力区域内的基底压应力为：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键；j＝2表示中心抗滑根键；j＝3表示后趾抗滑根键；p_max和p_min分别为锚碇基础底板最大压应力和最小压应力；

则抗滑根键在单位长度方向的平均被动土压力E_p(j)为：

式中：

为基底土体被动土压力系数；γ为锚碇基础底板处土体自重；

在被动土压力作用下，抗滑根键与锚碇基础底板连接处截面的剪应力和正应力最大，为最不利截面，抗滑根键的截面宽度由该截面的抗剪承载力和抗弯承载力确定；

按抗剪承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：[σ_t]为截面钢筋混凝土容许剪应力值；

按抗弯承载力求解抗滑根键的宽度为：

式中：h_eq(j)＝(3p_(j)min+2γh)h/(6p_(j)max+3γh)为抗滑根键被动土压力合力作用点至最不利截面的距离；f_t为截面钢筋混凝土抗拉强度设计值；

为同时满足抗滑根键抗剪和抗弯承载力要求，抗滑根键的宽度最小取公式(12)和(13)中的较大值：

式中：j＝1表示前趾抗滑根键；j＝2表示中心抗滑根键；j＝3表示后趾抗滑根键；

还包括确定抗滑根键截面高度的步骤，抗滑根键的截面高度为锚碇基础底板厚度和抗滑根键嵌入土内的高度之和，其中抗滑根键嵌入土内的高度取1.5～2m。

2.根据权利要求1所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，所述三个抗滑根键均为截面呈矩形的长条状钢筋混凝土构件，三个抗滑根键的长度方向均垂直于缆索(12)拉力方向水平延伸。

3.根据权利要求2所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，所述三个抗滑根键的顶端均与锚碇基础底板(10)的顶面齐平，三个抗滑根键的下部均自锚碇基础底板(10)的底面向下凸伸出并嵌入土内。

4.根据权利要求3所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，所述三个抗滑根键向下凸伸出并嵌入土内的高度均为1.5～2m。

5.根据权利要求2所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，还包括钢筋锚固部分，所述钢筋锚固部分的下部连接在所述抗滑根键的钢筋笼上，钢筋锚固部分的上部浇筑于锚碇基础压重配载体(11)内。

6.根据权利要求5所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置，其特征在于，所述钢筋锚固部分包括分别连接在底板两侧的弯折钢筋，所述弯折钢筋的下部焊接在所述抗滑根键的钢筋笼上，弯折钢筋的上部自抗滑根键的顶端向上延伸并向各自所在抗滑根键的一侧弯折。

7.一种根据权利要求1～6任一项所述的浅埋式锚碇基础基底抗滑装置的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定抗滑根键的平面位置；

步骤二：确定抗滑根键的长、高、宽尺寸；

步骤三：浅埋式锚碇基础底板混凝土浇筑施工时，在底板处预留三道沟槽，沟槽的平面位置根据步骤一确定；每道沟槽的宽度按步骤二计算的抗滑根键宽度确定；沟槽高度与锚碇基础底板厚度一致；

步骤四：锚碇基础底板混凝土强度满足要求后，对沟槽下部土体进行开挖作业，土体开挖宽度与沟槽等宽，土体开挖深度为步骤二所确定的抗滑根键入土嵌固深度；

步骤五：按照步骤二确定的抗滑根键的尺寸制作钢筋笼，并在钢筋笼顶部焊接弯折钢筋，随后将钢筋笼下放至沟槽内，并浇筑混凝土；

步骤六：浇筑锚碇基础压重配载体，进而与步骤五所述的弯折钢筋形成整体，进一步达到嵌固抗滑根键的作用。

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