垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻支護(hù)受力分析計(jì)算

史志遠(yuǎn)

1 概述

隨著地下空間的開發(fā)和建(構(gòu))筑物密度的增加，在基坑開挖時(shí)不僅要確保自身穩(wěn)定，還要確保周圍建筑物、地下管線、道路的安全。而施工空間越來越緊湊，基坑支護(hù)可利用的施工場地也越來越小。我國沿海一帶發(fā)達(dá)城市大部分為軟土地質(zhì)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅上海和天津市每年需要開挖的基坑工程就有1 000多個(gè)，其中大部分開挖深度為4.0 m～7.0 m，在這一深度范圍內(nèi)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式一般有復(fù)合土釘墻、水泥土墻、SMW工法、混凝土灌注樁等。但是復(fù)合土釘墻、水泥土圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能較低、占用場地較大，而SMW工法施工造價(jià)較高。在這種情況下，采用垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻的復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅比土釘墻、水泥土墻減少施工場地、加大安全性，而且相對于SMW工法、混凝土灌注樁節(jié)約成本。

2 工藝原理與構(gòu)造

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻支護(hù)體是由水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力錨桿和混凝土承壓板等幾個(gè)主要部分組成，其主體部分為水泥土攪拌樁墻體。垂直預(yù)應(yīng)力錨桿位于攪拌樁墻體靠近基坑外側(cè)的部位，通過它對水泥土墻施加偏心預(yù)應(yīng)力。

以水泥土墻體作為擋土和擋水的主體，通過垂直預(yù)應(yīng)力錨桿為水泥土墻附加一個(gè)向下的偏心垂直預(yù)應(yīng)力，從而增加水泥土墻抗傾覆和抗滑移的性能。預(yù)應(yīng)力錨桿由錨頭、鋼絞線、混凝土錨固體等幾個(gè)部分組成，錨桿通過錨頭作用于壓頂混凝土板梁結(jié)構(gòu)上，最終作用于水泥土墻體上，由此形成垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻。

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻構(gòu)造如圖1所示。

3 計(jì)算模型的建立

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻屬于一種復(fù)合式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，本技術(shù)的核心是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)由于受環(huán)境因素的制約，現(xiàn)場無法滿足正常水泥土重力壩的設(shè)計(jì)寬度的前提下，通過豎向的土層錨桿對傳統(tǒng)的重力式水泥土擋土墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉區(qū)施工垂直預(yù)應(yīng)力，用于抵消及承受由于正常重力壩設(shè)計(jì)寬度的變窄及減少所帶來的抵抗彎矩值的減少，可有效增大水泥土墻的抗傾覆力矩和抗滑移力，從而增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

因此，垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻的計(jì)算模型，可在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的水泥土墻計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，增加垂直預(yù)應(yīng)力錨桿所起的作用即可，可按如圖2所示計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

4 受力分析

按照建立的計(jì)算模型，垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算，只需在規(guī)范規(guī)定的水泥土墻受力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，增加錨桿預(yù)應(yīng)力對水泥土墻抗傾覆、抗滑移的作用即可。由于垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻在受拉區(qū)施加了偏心預(yù)應(yīng)力，相比普通水泥土墻的寬度可減小較多，還需進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算。另外，還需對錨桿的錨固承載力和混凝土承壓板的承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)主要考慮垂直預(yù)應(yīng)力錨桿所提供的抗傾覆彎矩，抗傾覆安全系數(shù)可按下式計(jì)算:

其中，Kq1為水泥土墻產(chǎn)生的抗傾覆安全系數(shù);Kq2為垂直錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的附加抗傾覆安全系數(shù);G為水泥土墻自重;Ep為基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力;T為錨桿施加的垂直預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值;Ea1為基坑外側(cè)由土的自重產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力;Ea2為基坑外側(cè)地面超載產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力。

4.2 抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿對水泥土墻的抗滑移作用明顯。一方面，錨桿預(yù)應(yīng)力增加水泥土墻底部的正壓力，提高墻體底部與土體的摩擦力;另一方面，錨桿錨固段入土很深，對水泥土墻水平滑移有約束作用，其作用相當(dāng)于一水平抗滑樁。但在實(shí)際計(jì)算中，預(yù)應(yīng)力錨桿對水泥土墻水平滑移的約束作用不予考慮，只作為安全儲(chǔ)備。

因此垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻的抗滑移安全系數(shù)可按下式計(jì)算，相關(guān)土體力學(xué)參數(shù)取值應(yīng)區(qū)分為主動(dòng)區(qū)及被動(dòng)區(qū)是否進(jìn)行加固處理，如進(jìn)行加固后應(yīng)重新進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，如c，φ等應(yīng)按試驗(yàn)數(shù)據(jù)取值:

其中，Kh1為水泥土墻產(chǎn)生的抗滑移安全系數(shù);Kh2為垂直錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的附加抗滑移安全系數(shù);φ為水泥土墻底土體的內(nèi)摩擦角;c為水泥土墻底土體的粘聚力。

4.3 水泥土墻正截面承載力驗(yàn)算

由于對水泥土墻通過垂直錨桿施加了反向的垂直預(yù)應(yīng)力，使水泥土墻的正截面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力有所減小，但由于垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土擋墻的水泥土墻設(shè)計(jì)寬度有所減小，應(yīng)分別對正截面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻的壓應(yīng)力可按下式驗(yàn)算:

其中，γ0為基坑側(cè)壁重要性系數(shù)，取值按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》;γcs為水泥土墻的平均重度;z為由墻頂至計(jì)算截面的深度;M為由土壓力產(chǎn)生的單位長度水泥土墻截面彎矩設(shè)計(jì)值;W為水泥土墻截面模量;fcs為水泥土開挖齡期軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻的拉應(yīng)力可按下式驗(yàn)算:

4.4 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻的嵌固深度設(shè)計(jì)值hd和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》附錄A圓弧滑動(dòng)簡單條分法的規(guī)定執(zhí)行，預(yù)應(yīng)力錨桿對水泥土墻整體穩(wěn)定性的約束作用在計(jì)算時(shí)不予考慮，只作為安全儲(chǔ)備。

4.5 垂直預(yù)應(yīng)力錨桿承載力驗(yàn)算

1)錨桿錨固段承載力驗(yàn)算。

對錨桿施加的垂直預(yù)應(yīng)力最終由錨固段錨固體與土體之間的摩擦力承受，為防止錨固段承載力不足，施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值而致使圍護(hù)體出現(xiàn)險(xiǎn)情，應(yīng)根據(jù)錨桿施加預(yù)應(yīng)力的大小對錨桿錨固段承載力進(jìn)行驗(yàn)算，錨桿承載力的計(jì)算可參照J(rèn)GJ 120建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程的要求執(zhí)行。對錨桿施加的垂直預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于錨桿錨固段承載力。

2)錨桿拉筋體承載力驗(yàn)算。

錨桿拉筋體一般采用普通鋼筋或鋼絞線，應(yīng)根據(jù)錨桿施加預(yù)應(yīng)力的大小對拉筋體承載力進(jìn)行驗(yàn)算，錨桿施加的垂直預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于拉筋體抗拉承載力。

4.6 承壓板受力計(jì)算

垂直錨桿預(yù)應(yīng)力直接作用在鋼筋混凝土的承壓板上，為防止承壓板在預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，需對承壓板的厚度和配筋進(jìn)行計(jì)算?？砂凑铡痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對承壓板的厚度和配筋進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語

垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻是近年來開發(fā)的一種基坑圍護(hù)形式，它具有良好的變形控制能力，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)可利用場地狹小、臨近用地紅線等環(huán)境有很好的適用性，目前在上海10余項(xiàng)工程中獲得了成功運(yùn)用。但由于其計(jì)算無相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范可以直接套用，限制了該技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本文通過對該技術(shù)工藝原理的分析，建立了計(jì)算模型，確定了安全性驗(yàn)算的公式，可作為垂直預(yù)應(yīng)力錨桿式水泥土墻設(shè)計(jì)施工的參考。

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