淺談錨桿式擋土墻的設(shè)計方法

概述
　　面板式擋土墻主要包括板樁墻和錨定墻兩大類，板樁墻是指面板要打入基坑底面以下較深的情況，如鋼板樁墻，木板樁墻等，他們的主要構(gòu)件是立板，附屬構(gòu)件有支撐，拉桿等；錨釘墻是指面板僅進入基坑底面以下較淺的情況，如錨樁墻、錨板墻、錨桿墻等，他們的主要構(gòu)件是立板，附屬構(gòu)件有立柱、拉桿、錨桿、錨定構(gòu)件等。
　　在錨釘墻中錨桿擋土墻應(yīng)用較為廣泛，錨桿擋土墻是利用錨桿技術(shù)形成的一種擋土結(jié)構(gòu)物，錨桿的一端與工程結(jié)構(gòu)物聯(lián)結(jié)，另一端通過鉆孔、插入錨桿、灌漿、養(yǎng)護等工序錨固在穩(wěn)定的地層中，以承受土壓力對結(jié)構(gòu)物所施加的推力，從而利用錨桿與地層之間的錨固力來維持結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。作為輕型的支擋結(jié)構(gòu)，錨桿擋土墻與普通圬工擋土墻相比，可以節(jié)省大量圬工材料，現(xiàn)已被廣泛用于公路、鐵路、煤礦和水利等支擋工程中。
　　錨桿擋土墻因錨固地層、施工方法、受力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)型式的不同，有多種形式；按墻面的結(jié)構(gòu)型式可分為柱板式和壁板式錨桿擋土墻，柱板式錨桿擋土墻有擋土板、肋柱和錨桿組成，壁板式錨桿擋土墻是由墻面板和錨桿組成。錨桿擋土墻一般適用于巖質(zhì)路塹地段，但其他具有錨固條件的路塹墻也可以使用，還可應(yīng)用于陡坡路堤。若支護高度小于6m時，可在墻頂布置一排錨桿；若支護高度在6～8m時，可設(shè)兩排錨桿；若支護高度大于8m時，需設(shè)2～4排錨桿。錨桿水平間距1～4m，上下排距2～5m。
　　2土壓力計算
　　土壓力是直接作用于擋墻上的外荷載。由于墻后土層中錨桿的存在，使受力狀態(tài)較為復雜，目前設(shè)計中大多仍采用庫倫主動土壓力理論進行近似計算。
　　——砂漿（細石砼）與錨桿的粘著力，。試驗資料表明約等于砂漿（細石砼）標準抗壓強度的10％～20％，鋼筋與砼之間的粘著力約為：光面鋼筋1.5～3.5，螺紋鋼筋為2.5～6.0。取值可參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2004）、《邊坡工程處治技術(shù)》（趙明階主編）等文獻。
　　（3）孔壁與介質(zhì)之間的抗剪力
　　這里以砂漿和細石砼為介質(zhì)，列出其與孔壁之間抗剪力的計算公式：
　　
　　式中：——錨桿孔壁（土體）與介質(zhì)（砂漿、細石砼）之間的抗剪力，；
　　——錨桿孔徑，；
　　——錨桿有效錨固長度，；
　　——錨固段周邊土層抗剪強度，也成為孔壁與砂漿或砼的抗拉設(shè)計強度，。取值可參考《地基與基礎(chǔ)》及《建筑施工手冊》、《地基處理手冊》等文獻。
　　4錨桿設(shè)計抗力及孔深
　　（1）錨桿抗力設(shè)計值
　　錨桿抗力計算值除以安全系數(shù)為錨桿抗力設(shè)計值，即
　　
　　式中：——要求錨桿抵抗的外荷載，；
　　——錨桿抗力設(shè)計值，；
　　——錨桿抗力計算值，，即前文中的、和；
　　——錨桿安全系數(shù)；取值可參考《建筑施工手冊》、《地基處理手冊》及《公路路基設(shè)計規(guī)范》等文獻。
　　（2）錨桿有效錨固長度
　　聯(lián)立上述幾個公式即可求出有效錨固長度，即。
　　根據(jù)經(jīng)驗，實際工程中通常采用的有效錨固長度為：鋼筋錨桿5～25m、鋼管錨桿10～30m、工字鋼錨桿20～40m、鋼索30～50m。
　　（3）錨桿孔深
　　孔深計算公式：錨桿孔深=有效錨固孔長＋自由段孔長＋孔口處理長度，具體的錨桿孔深應(yīng)依工程實際情況確定。
　　（4）錨桿布置
　　錨桿布置依土層情況、受力情況而定，水平及豎向間距一般為1.5～4m，錨桿傾角一般為15°～20°，一般不得大于35°，特殊情況下也可布置成水平的。錨桿總長度=有效錨固長度＋自由段孔長＋端部外露長度。
　　5構(gòu)件設(shè)計
　　錨桿擋土墻構(gòu)件包括擋土板、肋柱和錨桿或墻面板和錨桿。
　　（1）面板設(shè)計
　　鋼筋砼面板是支撐在立柱上的受彎構(gòu)件，直接承受土壓力，并將土壓力傳給立柱。對面板進行水平條分計算，每一面板條上作用均布荷載，最大彎矩發(fā)生在板底部。當面板為整澆時，計算圖式是以立柱為支撐的單跨簡支梁，彎矩和支座剪力按簡支梁考慮。根據(jù)計算的最大彎矩進行配筋，為節(jié)省鋼筋可從上至下分段減少鋼筋量。
　　（2）肋柱設(shè)計
　　肋柱是以拉桿為支撐的受彎構(gòu)件，承受面板傳來的土壓力，根據(jù)拉桿數(shù)量，可為多跨連續(xù)梁或單跨簡支梁。肋柱上作用三角形荷載或梯形荷載。根據(jù)所計算最大彎矩進行配筋，為保持肋柱的整體性和方便施工，全柱宜等量配筋。
　　（3）錨桿設(shè)計
　　錨桿承受肋柱傳力，完全處于受拉狀態(tài)。在肋柱計算彎矩時，同時求出各錨桿的拉力，根據(jù)拉力計算值，選配鋼筋或鋼管錨桿。錨桿直徑一般在22～32mm之間選取，多為單桿。
　　以鋼材為例，選擇錨桿截面按如下公式：
　　
　　式中：——錨桿截面積；
　　——錨桿計算拉力，；
　　——直立擋墻支點的水平支撐力計算值；
　　——錨桿與水平線的夾角，度；
　　——錨桿安全系數(shù)，一般取1.5；
　　——錨桿設(shè)計強度，。
　　（4）壁板式錨桿擋土墻
　　壁板式錨桿擋土墻根據(jù)施工方法不同，可分為現(xiàn)澆和預制拼裝兩種類型。現(xiàn)澆的壁板式錨桿擋土墻，其錨桿端頭直接插入砼面板中，與壁面板一起澆筑，不存在錨頭單獨施工問題。而預制拼裝式在預制砼壁面板時，應(yīng)留有錨頭或預留孔道。此類擋土墻多用楔縫式錨桿，適用于巖質(zhì)邊坡防護。
　　結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計分析
　　錨桿有多種破壞形式，對于設(shè)置錨桿體系的擋土墻，除保證每根錨桿有足夠的承載能力外，還應(yīng)確保擋土板、錨桿和地基在內(nèi)的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。一般認為錨固段所需長度是由于承載力的需要，而錨桿所需總長度是由整體穩(wěn)定性決定的。
　　在進行錨桿體系的整體穩(wěn)定計算時，如設(shè)置多層錨桿，則需分別驗算每層錨桿體系的整體穩(wěn)定。錨桿擋土墻的整體穩(wěn)定計算通常采用分析圖解驗算方法，由于整體穩(wěn)定分析方法相對比較復雜，作用力較多，為此工程中多采用克朗茲的簡化方法理論，來進行單層錨桿、多層錨桿、粘土性錨桿和分層土錨桿等多種情況下的整體穩(wěn)定性分析，限于篇幅，克朗茲簡化方法請讀者從參閱相關(guān)文獻。