轻型锚杆锚定板挡土墙构造设计区分知识点大全.docx
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轻型锚杆锚定板挡土墙构造设计区分知识点大全
6.6轻型挡土墙
一、悬臂式挡土墙
(一)悬臂式档土墙的构造及适用条件
钢筋混凝土悬臂式挡土墙是由立壁和底板组成,具有三个悬臂,即立壁、趾板和踵板,同时固定在中间夹块上,如图6—47所示。
墙的稳定性依靠墙身自重和踵板上的填土重量来保证,而趾板的设置又显著地增加了抗倾覆力矩的力臂,因此结构形式比较经济.
悬臂式挡土墙构造简单,施工方便,能适应较松软的地基,墙高一般在6—9m之间。
当墙高较大时,立壁下部的弯矩大,钢筋与混凝土用量剧增,影响这种结构型式的经济效果,此时可采用扶壁式挡土墙。
(二)悬臂式挡土墙设计
1.土压力计算
对于悬臂式挡土墙,通常采用朗金理论来计算通过墙踵的竖直面上的土压力Ea,然后结合位于该竖直面与墙背间的土重,得到作用于墙上的总压力。
悬臂式挡土墙土压力分布,如图6-47。
其总土压力为
式中:
K——朗金土压力系数,可由有关手册查得
当地面为水平时,β=0
土压力的方向平行于地面。
在墙身结构验算中,将总土压力Ea分为EH1和EB3,分别作用于立壁及踵板上。
总土压的分布图为△ab′c′,其中△abc部分作用在立壁上,合力为EH1梯形bb′c′c部分作用于踵扳上,合力为EB3,bc线平行于地面,通过立壁与踵板的拐角点α.踵板还承受填土G1+G2的垂直压力。
悬臂式挡土墙的土压力,也可以采用库伦方法计算,计算时应验算是否出现第二破裂面。
若条件成立,计算时假定踵板上所受的垂直力为第二破裂面以上的土重力与主动土压力垂直分力之和,立壁则承受主动土压力的全部水平分力。
2.底板宽度计算
1)夹块宽度
同立壁底部厚度B2,计算方法后面介绍。
2)踵板宽度
踵板宽度受滑动稳定控制,要求[Kc]Ex=f∑N(6—81)
式中:
[Kc]——滑动稳定系数。
对加设凸的挡土墙,在未设凸挥前,要求满足Kc≥1.0;
∑N——底板上所承受的垂直荷载,等于∑G+Ey;
∑G——底板上填土及圬工重量,在墙身尺寸未定前,暂行估算.
(1)路肩墙,当胸坡垂直,顶面有均布荷载h0时(图6—48)
当用朗金方法计算土压力时,活载均按路基面全宽换算分布宽度,以简化计算。
∑G按下式估算
式中:
r——填料容重,kN/m3;
μ——容重修正系数,由于计算∑G中未计入趾板及其上部土重,故须近似地将其容重加以修正,μ值见表6-18
(2)路堑墙或路堤墙,当墙顶地面坡角为β,胸坡垂直时
(3)当墙胸具有1:
m的倾斜度时.上面两个计算式应加上胸坡修正宽度△B3
△B3=mH1/2(6—85)
3)趾板宽度
趾板宽度B1除高墙受倾覆稳定系数K0控制外,一般都由地基应力或偏心距e来决定,要求墙踵不出现拉应力,如图6-48所示,即
3.底板厚度计算
主要取决于结构要求和截面强度要求。
结构要求:
趾板与踵板同厚(指与中间夹块连接处,趾板端部不宜小于30cm,踵板顶面要求水平)。
强度计算:
主要根据配筋率及构件裂缝宽度控制板的厚度。
1)趾板的弯矩和剪力(图6-49)
趾前埋深为h,取计算截面A—A。
式中:
σ1,σ2——墙趾和墙踵处的地基应力;
hpj——趾板平均厚度,hpj=(h1+h2)/2;
rh——钢筋混凝土容重;
r——填土容重。
2)踵板的弯矩和剪力(图6—50)
式中:
B3——踵板计算长度;
EB3——作用于踵板上的主动土压力;
ZEB3——作用于踵板上的主动土压力的垂直分力对计算截面的力臂;
h3——踵板厚度.
3)趾板和踵板的厚度计算,用下达两式计算,取其大者.
(1)根据配筋率确定截面厚度
一般常用的配筋率为0.3%—0.8%.截面厚度由下式确定
式中:
K——设计安全系数,K=1.5;
A0——计算系数,由选定的配筋率μ算出计算系数ξ,A0=ξ(1-0.5ξ);
ξ——计算系数,ξ=μR0/Rw;
b——计算截面宽度,取100cm;
RW——混凝土弯曲抗压设计强度;
R0——钢筋抗拉设计强度。
(2)为防止斜裂缝开展过大和端部斜压破坏,截面厚度可由下式确定
式中:
K——安全系数,K=1.5;
Ra——混凝土轴心受压设计强度。
由于踵板显著地长于趾板,底板厚度由踵板厚度h3控制。
4.立壁厚度计算
立壁厚度(即中央块的宽度)取决于结构要求和强度要求。
1)结构要求
立壁顶部最小厚度采用15~25cm,路肩墙不宜小于20cm。
胸墙一般不做垂直坡面,以免因挡墙变形、地基不均匀沉陷及施工误差等因素的影响,造成立壁前倾。
通常采用的坡率是1:
0.02~1:
0.05。
2)立壁弯矩及剪力计算(图6—51)
式中:
EH1,ExH1——墙高为H1时的主动土压力及其水平分力;
QH1——主动土压力对计算截面的剪力;
MH1——主动土压力对计算截面中心的弯矩。
3)厚度计算
厚度计算与底板厚度计算相同,按下列两式计算,取其大者.
(1)根据配筋率确定截面厚度(见式6-94)
(2)以斜裂缝开展控制(见式6-95)
5.墙身稳定及基底应力验算
具体验算方法同前述。
二、锚杆挡土墙
(一)锚杆挡土墙的构造与布置
锚杆挡土墙是由钢筋混凝土墙面和钢锚杆组成,靠锚固在稳定地层内的锚杆对墙面的水平拉力以保持墙身的稳定。
墙面一般是由预制的立柱和挡土板组成,称为板柱式墙,也可以就地浇筑成整体的板壁式墙。
使用的锚杆主要有楔缝式锚杆和灌浆锚杆两种。
楔缝式锚杆俗称小锚杆,是对锚杆施加一定压力后,使杆端楔缝的楔子张开,从而将锚杆卡紧在岩石中。
锚孔一般直径38~50mm,深度3~5m,用普通风钻即可施工。
孔内压注水泥砂浆.用来防锈和提高锚杆抗拔力。
楔缝式锚杆多用于岩石边坡防护及加固工程。
灌浆锚杆又称大锚杆,要用钻机钻孔,锚孔直径一般100~150mm,锚杆插入锚孔后再灌注水泥砂浆。
当用于土层时.由于土层与锚杆间的锚固能力较差,尚需采用加压灌浆或内部扩孔的方法来提高其抗拔力,称为颈压锚杆或扩孔锚杆。
灌浆锚杆一般多用于路堑挡土墙。
当挡土墙较高时,应布置两级或两级以上,两级之间设1~2m宽的平台。
每级挡土墙不宜过高,一般为5~6m。
为便于立柱及挡土板的安装,以坚直墙背为多。
决定立柱的间距应考虑工地的起吊能力和锚杆的抗拔能力.—般可选用2.5~3.5m。
每根立柱视其高度可布置2~3根或更多的锚杆,锚杆的位置应尽可能使立柱的弯矩均匀分布.方便钢筋布置。
挡土板一般设计成矩形或槽形,长度比立柱间距短10cm左右,以便留出锚杆位置。
墙后应回填砂卵石等透水材料,由下部泄水孔将水排入边沟内.
(二)锚杆挡土墙设计
锚杆挡土墙在国内外已被广泛应用.但其设计理论正在试验研究阶段,有待于进一步完善。
1.主动土压力计算
把挡土板作为一般挡土墙的墙背,按同一边界条件的库伦主动土压力计算公式.求出土压力Ex,绘制应力分布图。
当采用多级挡土墙时,下墙土压力按延长墙背法计算.
2.挡土板内力计算*
挡土板是以立柱为支座的简支梁,其计算跨度1为二立柱间挡土板支承中心的距离。
其荷载q取挡土板所在位置土压应力的平均值
式中σ′σ′′为挡上板高h上下两边缘的单位土压力(垂直于挡土板的方向)。
如图6—52所示,跨中最大弯矩Mmax=ql2/8,支座处的剪力Q=ql/2。
为了设计与施工的方便,将挡土板沿墙高归并为2—3种类型。
3.立柱的内力计算
假定立柱与锚杆连接处为一铰支座,把立柱视为承受土压力的简支梁或连续梁,上端自由,下端视埋置深度、基础强度、嵌固情况,分别视为自由端、铰端或固定端.
挡土板所承受的侧压力是按跨传至立柱,因此,每根立柱在不同高度上所受的土压应力Pi应为该高度的单位土压力σi乘以立柱间距l,即Pi=σil。
1)当上墙立柱仅有两根锚杆且底端为自由端时,可假定两端为悬壁的简支梁(图6—53)。
2)当下墙立柱仅有两根锚杆,且底端视为铰端时,按连续梁计算(图6—54)。
3)当立柱有两根以上的锚杆且底端为固定时,按一端固定的连续梁计算(图6—55)。
在求连续梁的支点弯矩时,当计算跨数不超过三跨,可利用三弯矩方程求解;如超过三跨,则用弯矩分配法较为方便。
立柱与挡土板的配筋设计,可采用极限状态法进行计算。
4.锚杆设计
锚杆为轴心受拉构件,按容许应力法设计截面。
按单锚理论来设计锚杆长度,即不考虑锚杆与锚固层岩体的整体稳定性问题。
1)锚杆截面设计(图6—56)
取立柱上某一支点n,已由立柱的计算中求得其反力为Rn,则锚杆的轴向应力Nn为
式中:
α——立柱对竖直方向的倾角;
β——锚杆对水平方向的倾角。
锚杆所需的钢筋面积Ag(cm2)为
式中:
K——考虑超载和工作条件的系数,—般采用1.7;
Rg——钢筋设计抗拉强度;
Nn——钢筋轴向力.
锚杆周围用30号水泥砂浆填孔,锚杆受力后砂浆发生的裂缝应不得超过允许值0.2mm,以防钢筋锈蚀.
2)锚杆长度设计(图6—57)
锚杆长度包括两部分:
(1)非锚固段长度,又叫结构长度,按墙面与稳定地层之间的实际距离而定.
(2)锚固段长度,即锚杆在稳定地层中的长度Le,根据地层情况和锚杆的抗拔力决定.
对于岩质边坡,岩层与砂浆间的粘结强度大,锚固长度取决于砂浆对钢筋的锚固力。
为了提高锚固力,水泥砂浆不得低于30号。
要求锚固力大于钢筋的抗拉强度,即
式中:
Le——最小锚固长度;
σg——钢筋极限抗拉强度
μ——钢筋与砂浆间的粘结力;
K——安全系数,取2~3;
d——钢筋直径。
如为半岩质或土质边坡.锚固长度取决于砂浆与围岩接触面上的抗剪强度,即
式中:
K——安全系数,取2~3
Nn——锚杆承受的拉力;
D——锚孔直径;
τk——锚固段砂浆与围岩接触面间的抗剪强度,或孔壁地层内的抗剪强度,取其中较小值,一般通过抗拔试验确定。
为了保证安全,锚杆的有效锚固长度,除应满足上述要求外,在岩石层中一般不应小于4m,在半岩质和土质地层中一般不应小于5m。
3)锚杆与立柱的连接(图6—58)
主要有三种形式:
(1)焊短钢筋锚固;
(2)弯钩锚固;(3)螺母锚固.弯钩锚固适用于就地浇筑,其余两种适用于预制构件。
三、锚定板挡土墙
( 一)锚定板挡土墙的构造
锚定板挡土墙是由钢筋混凝土墙面、钢拉杆、锚定板以及其间的填土共同形成的一种组合挡土结构,它借助于埋在填土内的锚定板的抗拔力,平衡挡土墙墙背水平土压力,从而改变挡土墙的受力状态,达到轻型的目的。
它具有省料省工、能适应承载力较低地区的特点,在我国铁路与公路工程中,已开始应用于路肩或路堤挡土墙和桥台。
锚定板挡土塌的结构形式和受力状态与锚杆挡土塌基本相同,都是依靠钢拉杆的抗拔力来保持墙身的稳定。
它们的主要区别是:
锚杆挡土墙的锚杆系插入稳定地层的钻孔中,抗拔力来源于灌浆锚杆与孔壁地层之间的粘结强度,而锚定板挡土墙的钢拉杆及其端部的铺定板都埋设在人工填土当中,抗拔力主要来源于锚定板前的填土的被动抗力。
锚定板挡土墙的墙面是由挡土板和立柱组成.挡土板通常为钢筋混凝土矩形板或槽形板,有时也可为混凝土拱板。
立柱为钢筋混凝土矩形截面柱;当墙面采用拱板时,立柱应具有六边形截面。
立柱长度可依据施工吊装能力决定.在墙高范围内,方柱可设一级或多级。
当采用多级立柱时,相邻立柱间可以顺接,也可以错台。
立柱间距多采用1—2m。
根据立柱的长度和土压力的大小,每根立柱上可布置单根、双根或多根拉杆,为了施工安装的方便,锚定板挡土墙一般采用竖直墙面。
钢拉杆采用普通圆钢,外设防锈保护层.每根拉杆端部的锚定板通常为单独的钢筋混凝土方形板。
(二)锚定板档土墙设计
1.锚定板设计
确定锚定板尺寸,首先要确定铺定板的容许抗拔力,即对于一定大小的拉杆拉力要用多大面积的锚定板去支撑。
要解决这一问题,较好的办法是在现场作锚定板抗拔试验,根据实测的拉力与位移关系曲线,确定锚定板的极限抗拔力。
试验证明,极限抗拔力随着锚定板面积的加大而增大,两者近似地成比例关系。
极限抗拔力除以一定的安全系数,便是所采用的容许抗拔力.也就是锚定板所能承受的拉杆拉力。
实测的极限抗拔力只是单块锚定板在短时间所能承受的极限值。
考虑到在实际建筑物中多块锚定板的相互作用以及在长期荷载作用下多种因素的影响,有必要采用不小于2.5~3安全系数.
单块锚定板的抗拔力与锚定板的埋设位置(它取决于拉杆长度和埋置深度)、板的尺寸和填料的物理力学性质有关。
铁道科学研究院等单位根据现场抗拔试验的结果,提出容许抗拔力的建议值如下:
对于埋置深度为3—5m的锚定板,其容许抗拔力为100—120kPa;埋置深度为6—10m的锚定板,其容许抗拔力为门130—150kPa。
锚定板尺寸由拉杆拉力及容许抗拔力计算确定。
2.铺定板挡土墙的整体稳定性
锚定板挡土墙的整体稳定性与拉杆的长度有关,拉杆愈长,其稳定性愈大。
要根据整体稳定性的要求来确定各层拉朴的长度,使选用的拉杆较短面又能确保安全。
锚定板挡土墙的整体稳定性主要由抗滑稳定性控制。
对于锚定板结构丧失整体稳定性时滑动面的形式,科研工作者分别作了不同的假定,下面介绍两种设想,即土墙假定和折线滑面假定.
1)群锚理论——土墙假定
西南交通大学等单位提出:
当锚定板的布设达到足够的密度时,墙面与各锚定板以及其中的填料形成一个整体墙(有的叫土墙),用这个整体柔性结构来共同支承侧压力,保证路基的稳定.这就形成了群描作用。
群锚形成后,上体破裂面的位置后移,它的起始点由墙面底部移至最下层锚定板的下缘B’(图6—59),其形状近似于平面,其破裂角θ接近于用库伦公式计算的破裂角。
破裂棱体的另一侧,不是沿墙面破裂,而是沿各锚定板中心连续A’B’破裂,也就是锚定板中心的连线形成假想墙背,墙面和锚定板及其中间的填料形成整体墙ABB’A’。
这时,可利用库伦公式计算该假想墙背的主动土压力,和验算重力式挡土墙的方法一样,来验算土墙的抗滑和抗倾覆稳定性。
2)双拉杆设计理论——折线滑面假定
铁道科学研究院通过对双拉杆锚定板结构的模型试验,提出了一种折线滑动的假定,并分为两种边界条件进行分析研究:
(1)垂直边界条件锚定板结构的稳定分析
这种锚定板结构上部拉杆的长度小于下拉杆(图6—60).在此情况下,锚定板C1和C2的稳定分析应分别考虑AB1ClDl和AB2C2D2所受的外力及其稳定。
0B2为介于上下拉杆与立柱相交处的中点。
现以上体AB1ClDl的稳定分析为例:
它所受到的推力为主动土压力Ea,作用于这个土体的垂直边界ClDl上。
在它的下部边界B1C面上,有一个抵滑动的力R,其水平分力为Rh.由此可推导求得以下的稳定分析公式
式中:
Fs1——垂直边界条件下抗滑安全系数
φ——填土内摩擦角;
L——下拉杆长度。
(2)俯斜边界描定板结构的稳定分析。
这种结构使上锚定板与下锚定板的联线C’E形成一倾角45°+φ/2的俯斜边界,如图6-61所示。
在此情况下,土体最危险滑动面将是BCG,造成滑动的主要作用力是沿GC面的下滑力T1。
这个下滑力传到CB面上转化为T1’.并被BC面上的摩阻力R所抵抗。
由此推导求得以下的稳定分析公式
式中:
Fs2——俯斜边界条件下的抗滑安全系数;
f——摩擦系数,f=tgφ,φ为填土的内摩擦角,°;
L——下拉杆长度。
当计算Fs2时,应假设一系列不同的α1值,并计算与之相应的Fs2,由此求得Fs2的最小值,即为最危险的条件。
经验证明,最危险滑动面的α1值大约在40°~45°。
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