探討巖質(zhì)邊坡與基坑板肋式錨桿擋墻與樁錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王晨

［重慶銀橋工程設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，重慶 404000］

1 板肋式、排樁式錨桿擋墻的適用范圍

在工程建設(shè)中，當(dāng)現(xiàn)場條件為如下情況時，可考慮采用錨桿擋墻。①場地高差較大：超過8m以上，若繼續(xù)采用衡重式重力擋墻會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差，此時應(yīng)優(yōu)先考慮采用錨桿擋墻。②臨近用地紅線或建筑主體結(jié)構(gòu)，不具備較高重力式擋墻的開挖條件或施工場地。③施工期穩(wěn)定性較好的邊坡，可采用板肋式（或格構(gòu)式）錨桿擋墻。④當(dāng)邊坡變形控制要求嚴(yán)格和施工期穩(wěn)定性差時，宜采用預(yù)應(yīng)力錨桿。

而當(dāng)工程情況符合具有下列特點(diǎn)時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用排樁式錨桿擋墻。①巖層產(chǎn)狀或裂隙外傾（傾角≤45°）起控制作用的巖質(zhì)高邊坡，本身極不穩(wěn)定，切坡后可能沿外傾軟弱結(jié)構(gòu)面滑動。②當(dāng)邊坡位于滑坡區(qū)且每層錨桿設(shè)計(jì)豎向間距較大時，即便按逆作法施工，每段切坡高度也會相應(yīng)較大，則切坡后可能引發(fā)局部滑坡。③若現(xiàn)場施工周期緊張，為搶趕進(jìn)度和操作方便，并未嚴(yán)格遵循逆作法的工藝要求、采取大開挖后再由下至上施工擋墻的順序，就易引發(fā)巖體垮塌，從而給現(xiàn)場施工帶來安全隱患。④巖質(zhì)類別為Ⅳ類，且邊坡塌滑區(qū)內(nèi)有重要建筑物基礎(chǔ)。

2 邊坡巖體分類及破壞形式

巖質(zhì)邊坡根據(jù)其巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和直立邊坡自穩(wěn)能力等條件，從好到差可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。破壞形式可分為滑移型和崩塌型。其中以滑移型破壞形式為主的邊坡，其巖體特征又分為外傾結(jié)構(gòu)面控制的巖體與不受外傾結(jié)構(gòu)面控制和無外傾結(jié)構(gòu)面的巖體，具體類型可根據(jù)赤平投影圖來判斷。

3 巖石邊坡推力計(jì)算

錨桿擋墻所受的側(cè)向巖石壓力，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，存在以下3種計(jì)算方法：①無外傾結(jié)構(gòu)面時，以巖體等效內(nèi)摩擦角按側(cè)向土壓力方法計(jì)算側(cè)向巖壓力。②當(dāng)有外傾硬性結(jié)構(gòu)面（如巖層產(chǎn)狀），且其與邊坡坡向的夾角小于30°時，以外傾硬性結(jié)構(gòu)面的參數(shù)計(jì)算側(cè)向巖壓力。③當(dāng)有外傾軟弱結(jié)構(gòu)面（如裂隙），且其與邊坡坡向的夾角小于30°時，以外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的參數(shù)計(jì)算側(cè)向巖壓力。結(jié)合地勘報(bào)告中的赤平投影圖與穩(wěn)定性評價(jià)，具體運(yùn)用如下。

當(dāng)赤平投影圖顯示邊坡坡向與巖層產(chǎn)狀或裂隙的夾角小于30°時，此時巖層產(chǎn)狀或裂隙可能產(chǎn)生的巖石壓力對邊坡穩(wěn)定起控制作用，其巖石壓力應(yīng)按方法②或方法③的計(jì)算方法按順向坡進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)赤平投影圖顯示邊坡坡向與巖層產(chǎn)狀或裂隙的夾角大于30°而小于35°時，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到地質(zhì)勘察時的現(xiàn)場測量誤差，一般也應(yīng)按方法②或方法③的計(jì)算方法計(jì)算側(cè)向巖石壓力。

當(dāng)赤平投影圖顯示邊坡坡向與巖層產(chǎn)狀或裂隙的夾角大于35°時，則可基本判定為切向坡或反向坡，按方法①計(jì)算外力。

4 板肋式錨桿擋墻設(shè)計(jì)

4.1 力學(xué)模型

錨桿擋墻由錨桿、立柱、擋板等部分組成。所受外力為擋板直接承受不（欠）穩(wěn)定巖體的側(cè)向巖石分布壓力（圖1），再以單向板的傳力方式將分布壓力傳至立柱（類似于普通梁板體系）成為線荷載；立柱可按支承于剛性錨桿上的連續(xù)梁計(jì)算內(nèi)力，根據(jù)立柱下端的嵌巖程度，可按鉸接端或固定端考慮，頂端有一定長度的懸臂段以滿足頂排錨桿的埋深要求；擋板根據(jù)與立柱連接構(gòu)造的不同，可簡化為支撐在立柱上的水平連續(xù)板、簡支板或雙鉸拱板，設(shè)計(jì)荷載取所在高度的巖土壓力值，對巖質(zhì)邊坡可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)考慮兩立柱間巖土形成的卸荷拱效應(yīng)[1]。

圖1 側(cè)向巖石分布壓力

錨桿擋墻產(chǎn)生的抗力是由錨桿深入穩(wěn)定巖體一定深度（由計(jì)算確定），通過錨固段錨固體與地層巖體間的粘結(jié)力和錨桿桿體（一般為錨筋）與錨固體間的粘結(jié)力將肋柱與擋板拉住，貼合于不（欠）穩(wěn)定巖體的臨空面，從而達(dá)到支護(hù)不（欠）穩(wěn)定巖體的目的（圖2）。

圖2 錨桿擋墻剖面

對巖質(zhì)邊坡以及堅(jiān)硬、硬塑狀粘土和密實(shí)、中密砂土類邊坡，當(dāng)采用逆作法施工時的側(cè)壓力（ehk）分布圖（括號內(nèi)數(shù)值為土質(zhì)邊坡）對土質(zhì)邊坡（非新近填土）或不能采用逆作法時，應(yīng)按主動土壓力分布圖計(jì)算錨桿受力。

4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

錨桿擋墻設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容：①側(cè)向巖石壓力計(jì)算；②擋墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算；③立柱嵌入長度計(jì)算；④錨桿計(jì)算和構(gòu)造計(jì)算；⑤擋板、立柱（肋柱或排樁）及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；⑥邊坡變形控制設(shè)計(jì)；⑦整體穩(wěn)定性分析；⑧施工方案建議和監(jiān)測要求。

4.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)設(shè)置位置的情況，選定擋墻傾角，在條件允許時擋墻傾角應(yīng)小于90°并盡量放緩，以使立面效果從感官上較為理想；錨桿布置應(yīng)盡量與邊坡走向垂直，并應(yīng)與結(jié)構(gòu)面呈較大傾角相交。在平面布置上尤其應(yīng)注意盡量避免出現(xiàn)臨空面陽角轉(zhuǎn)折，否則將導(dǎo)致兩個方向的錨桿出現(xiàn)相交；若不可避免，則應(yīng)將肋柱水平間距適當(dāng)加大，或?qū)蓚€方向的錨桿往背離交點(diǎn)的方向轉(zhuǎn)動，盡量避免錨桿相交；永久性錨桿擋墻現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件的溫度伸縮縫間距不宜大于20～25m。伸縮縫兩側(cè)擋板懸臂部分的長度L2不宜大于相鄰內(nèi)側(cè)肋柱間距L1的2/5，以使懸臂部分擋板所受負(fù)彎矩與相鄰內(nèi)側(cè)肋柱之間擋板所受正彎矩相當(dāng)：L22/2≤L12/11，（L2/L1）2≤2/11，則L2/L1≤（2/11）1/2=0.426。由此簡化擋板配筋設(shè)計(jì)并方便施工；立柱的橫向間距宜采用2～8m；錨桿上下排的垂直間距宜不小于2.5m，水平間距宜不小于2m，以避免“群錨效應(yīng)”；當(dāng)錨桿間距小于上述規(guī)定或錨固段巖土層穩(wěn)定性較差時，錨桿宜采用長短相間的方式布置；第一排錨桿錨固體上覆土層的厚度宜不小于4m，上覆巖層的厚度宜不小于2m。

第一錨點(diǎn)位置可設(shè)于坡頂下1.5～2m處，最下一排錨桿可設(shè)置于設(shè)計(jì)地面線以上0.5m處，中間各排錨桿的豎向間距原則上系由錨桿將中段高差均分所得；但為施工方便，各縱列錨桿在確定豎向間距時，應(yīng)兼顧與相鄰列錨桿豎向間距大概一致（最下一排錨桿位置與最下一段肋柱的支座計(jì)算假定有關(guān)：①當(dāng)肋柱地基較好，埋置深度滿足固端或鉸接條件時，最下一排錨桿與設(shè)計(jì)地面線的距離可與各排錨桿一致，計(jì)算肋柱時，可將底部支座條件按固端或鉸接設(shè)置。②當(dāng)肋柱地基不理想，或現(xiàn)場施工無法保證能肋柱基礎(chǔ)達(dá)到嵌固或鉸接條件，那么可將最下一排錨桿與設(shè)計(jì)地面線的距離取為0.5m，這樣最下一段肋柱即便按懸臂構(gòu)件計(jì)算，所得彎矩也不會大于其余各跨彎矩，從而保證安全）；錨桿與水平線的傾角宜采用15°～35°，一般取15°。錨桿工程中，錨桿總長度和錨筋截面面積，對工程造價(jià)影響較大，應(yīng)根據(jù)所需支擋邊坡巖土體的有效內(nèi)摩擦角折中確定，既要避免錨桿在伸入穩(wěn)定巖層之前的自由段長度過長，也要避免由于傾角過大而使錨桿鋼筋計(jì)算面積過大。

4.4 構(gòu)造要求

錨桿錨固段長度在土層中應(yīng)小小于4m，且宜不大于10m，巖石中應(yīng)不小于3m，且宜不大于45D和6.5m，或55D和8m（對預(yù)應(yīng)力錨索）；立柱、擋板和格構(gòu)梁的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20；肋柱截面寬度宜不小于300mm，截面高度宜不小于400mm；鉆孔樁直徑宜不小于500mm，人工挖孔樁直徑宜不小于800mm；立柱基礎(chǔ)應(yīng)置于穩(wěn)定的地層內(nèi)，可采用獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)等形式；對永久性邊坡，現(xiàn)澆擋板和拱板厚度宜不小于200mm。

錨桿擋墻立柱宜對稱配筋；當(dāng)?shù)谝诲^點(diǎn)以上懸臂部分內(nèi)力較大或柱頂設(shè)單錨時，可根據(jù)立柱內(nèi)力包絡(luò)圖采用不對稱配筋；錨桿擋墻立柱的頂部宜設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造連梁；當(dāng)錨桿擋墻的錨固區(qū)內(nèi)有建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)傳遞的較大荷載時，除應(yīng)驗(yàn)算擋墻的整體穩(wěn)定性外，還應(yīng)適當(dāng)加長錨桿，并采用長短相間的設(shè)置方法。

4.5 施工要求

首先，錨桿工程的施工順序?yàn)椋恒@孔→清孔→驗(yàn)孔→錨桿組裝與安放→注漿→驗(yàn)收。肋柱與擋板工程的施工重點(diǎn)為逆作法，目前我們通常要求逆作法的每層高度不大于3.0m，當(dāng)立柱間距大于2.5m時，每段長度應(yīng)取不小于2倍立柱間距，當(dāng)立柱間距大于2.5m時，每段長度可取不小于3倍立柱間距。施工過程中立柱和面板不得完全懸空，應(yīng)將立柱嵌入下級穩(wěn)定巖層不小于1m。其次，板肋式錨桿擋墻支擋的邊坡（尤其是支擋巖體順向坡的錨桿擋墻，以防施工中巖體發(fā)生突然滑塌）應(yīng)采用至上而下、分層分段跳槽開挖和錨固的逆作法施工。最后，對存在局部填方的錨桿擋墻，在設(shè)計(jì)和施工時應(yīng)采取有效措施防止新填方土體造成的錨桿附加拉應(yīng)力過大[2]。

5 樁錨支擋結(jié)構(gòu)體系（排樁式錨桿擋墻）設(shè)計(jì)

5.1 構(gòu)件組成

樁錨結(jié)構(gòu)體系是在巖石錨桿理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種擋土結(jié)構(gòu)，由豎樁（立柱）、巖石錨桿、擋板、壓頂梁、連系梁等構(gòu)件組成，豎樁（立柱）和巖石錨桿組成承載體系，擋板、壓頂梁、連系梁等組成構(gòu)造體系，二者共同組成樁錨支擋結(jié)構(gòu)體系。擋板主要是圍護(hù)承載體系間的土體，使其不致塌落，以保持墻面美觀。壓頂梁和連系梁主要是協(xié)調(diào)各榀承載體系間的受力條件和變形，同時加強(qiáng)樁錨結(jié)構(gòu)體系的整體剛度。除擋板屬于構(gòu)造體系外，樁錨支擋結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)模型、設(shè)計(jì)內(nèi)容、計(jì)算方法與錨桿擋墻基本相同，不再贅述。

5.2 施工順序

為使邊坡在挖掘過程中不會產(chǎn)生坍塌，應(yīng)在邊坡開挖前，于豎樁（立柱）設(shè)計(jì)所在部位，預(yù)先采用鉆孔或挖孔灌注樁施工工藝施工豎樁（立柱），并澆筑壓頂梁以加強(qiáng)豎樁的整體剛度。待邊坡開挖至錨桿所在標(biāo)高后，進(jìn)行錨桿鉆孔、清孔、投放錨筋、注漿、澆筑混凝土等工序，做好錨桿與豎樁間的連接，再施工連系梁，使樁錨形成能共同受力的樁錨結(jié)構(gòu)體系[3]。擋板部分，可先在豎樁中預(yù)埋鋼筋，待結(jié)構(gòu)體系施工完畢后進(jìn)行后期制作，也可采用在豎樁上植筋的方式完成。當(dāng)開挖工作面到達(dá)第一排錨桿位置時，應(yīng)及時施工，施工完畢后應(yīng)驗(yàn)算該排錨桿的抗拔承載力，只有當(dāng)抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于開挖邊坡時施加給錨桿的拔力，才能繼續(xù)往下開挖。樁錨結(jié)構(gòu)體系切坡施工順序如圖3所示。

圖3 樁錨結(jié)構(gòu)體系切坡施工順序

6 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多，板肋式錨桿擋土墻作為一種新型輕型支擋結(jié)構(gòu)，以其占地面積小，施工方便，變形小，安全度較高的優(yōu)點(diǎn)在土木工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。因此，我們要充分考慮具體的地質(zhì)情況，對不同區(qū)域的項(xiàng)目采取不同的設(shè)計(jì)方案，確保工程的順利推進(jìn)。