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【关键词】锚索;锚固段;钢绞线;锚固体;设计值
1 前言
随着我国经济建设的发展,边坡工程在实际工程中应用越来越多。各种工艺的锚索也得到越来越广泛的应用,如压力型锚索、压力分散型锚索[1]等。可见,锚索的设计在边坡工程中显的非常重要。目前,边坡工程的设计主要参考并按《建筑边坡工程技术规范》[2]来执行。但是规范在锚索的设计计算过程中设置了过多的系数参数,使得求解变得相对复杂。本文通过对规范研究分析,在保持规范设计计算方法的大原则下,对锚索的求解方法进行了简化。
2 规范求解方法
边坡规范[2]对锚索的设计计算方法主要是先确定岩石侧向压力水平分力标准值:
式中:为岩石侧向压力合力水平分力标准值;为边坡高度。
然后由此根据锚索水平间距和垂直间距确定锚杆所受水平拉力标准值:
式中:和分别为锚索的水平间距和垂直间距。
再根据锚索的倾角计算锚索轴向拉力标准值及锚索的轴向拉力设计值:
式中:为荷载分项系数,可取1.30,当可变荷载较大时应按相应荷载规范确定。
钢绞线材料应满足下式要求:
式中:为钢绞线截面面积;为锚索抗拉工作条件系数,永久性锚索取0.69;临时性锚索取0.92;为边坡工程重要性系数,一级边坡取1.1,二级和三级边坡取1.0;钢绞线抗拉强度设计值。
锚索锚固体与地层的锚固长度应满足下式要求:
式中:为锚固段长度;为锚固体直径;为地层与锚固体粘结强度特征值;为锚固体与地层粘结工作条件系数,对永久性锚索取1.00,对临时性锚索取1.33。
由式(1)至(6)可以看出,锚索材料的设计和锚固段长度的计算,关键是确定锚索的轴向拉力设计值,当锚索的轴向拉力设计值确定后,可由式(5)和式(6)分别来计算锚索材料的设计和锚固段长度。但是,公式(5)和公式(6)中涉及的诸多系数,使得求解变得相对复杂,虽然式中系数所表述的意义比较明确,但是公式本身不够直接。
3 简化分析
规范计算锚索材料和锚固段长度时,考虑了诸多系数,为简化计算,可以讲这些系数全部迭代到钢绞线抗拉强度值和地层与锚固体的粘结强度值中,这样,使得锚索材料和锚固段长度的计算变得更加直观,物理意义更加明确。
钢绞线材料的计算公式(5)可变形为:
式中:,可定义为钢绞线修正抗拉强度设计值,按表1取值。
锚索锚固体与地层的锚固长度计算公式(6)可变形为:
(8)
式中:,可定义为地层与锚固体粘结强度设计值,按表2取值。
根据式(7)和式(8)可以直接设计锚索材料和进行锚固段长度计算。
注:表中数据以锚索抗拉强度标准值为1860MPa为例。
注:括号中粘结强度设计值用于临时性边坡工程。岩石类别参见《建筑边坡工程技术规范》规定。
4 算例
以某一级边坡工程中某锚索的轴向拉力设计值为例,岩石按软岩(偏较软岩)分析。对永久性边坡工程而言,规范法计算为:钢绞线截面面积为,需要钢绞线;锚固段长度为;按本文简化计算为,锚固段长度为。
对临时性边坡工程而言,按规范法得钢绞线截面面积为,需要钢绞线;锚固段长度为;按本文简化计算为,锚固段长度。可见本文简化设计方法比规范要简洁,且计算也完全吻合。
6 结论
本文对《建筑边坡工程技术规范》中的锚索设计方法进行了研究,在保持规范设计原则的前提下,对锚索材料的设计和锚固段的计算进行了简化,并给出了供简化设计选用的钢绞线修正抗拉强度设计值和岩石与锚固体粘结强度设计值。本文给出的简化计算方法,概念明确,计算简便,且与规范完全吻合,值得推广应用。
参考文献
【关键词】:山区边坡、锚杆框架、土地资源。
中图分类号:U213.1+3 文献标识码: A
1、工程概况
黄山区汤口镇地处亚热带 属亚热带湿润季风气候,四季分明,气候多变,特别是夏季,受暖空气控制,气温高、湿度大、降水多,常有强降雨等灾害性天气发生。区内年平均气温15.1℃,极端高温39.0℃,极端低温-16.0℃;年平均降水量2340mm,年平均蒸发量约1300mm。该地区降水集中,最强降雨量看可达65mm/h左右,最易引发滑坡等地质灾害。本次整治场地及周边黄海高程约400~600m之间,山体切割强烈。山体呈尖棱状~钝棱状,原始地形坡度20°~40°,局部达50°以上。该场地边坡坡脚海拔420.5m,坡顶海拔454.4m,最大高差为33.9m,坡度一般32~43°,坡向108°。由于边坡已开挖,后缘开挖面最高达15.5m,坡度50~67°。
2、边坡岩土特征稳定性状态分析
边坡岩土体类型共有以下3类:粉土混角砾:分部于边坡后缘以上的坡体表层。灰黄色,稍密,湿,顶部0.50m夹植物根须。角砾含量约占15%~20%,粒径在1~5cm之间,棱角状,物质成分为粉砂岩、石英等;粉土可塑状态,塑性中等,干强度及韧性中等。该层透水性中等。强风化断层角砾岩:为硅化破碎带,灰黄色,成分为粉砂岩夹砾,砾为硅质,风化强烈呈土状,岩性软。中风化断层角砾岩:可以分为硅化破碎带和断层泥,硅化破碎带为灰色,成份为砂岩夹砾,砾为硅质,岩性软;断层泥为灰色,呈土状。
边坡在未破坏前具有不同的破坏模式,若从滑动面的形状来分,可大致分为单一平面形破坏、折线形破坏和圆弧形破坏,对于岩体边坡来说还可能存在受两组组合结构面控制的楔形破坏。不同的破坏模式计算方法是不同的,边坡产生破坏的破坏模式要结合场地工程地质条件确定和分析。
组成本边坡的岩土主要是强、中风化断层角砾岩,上部覆盖0.5~0.1m厚的粉土混角砾,强风化断层角砾岩体由于风化较强,强度较低,更重要的是其风化及构造裂隙发育,呈碎裂结构,为IV类岩体,它们位于边坡的坡肩部分,也是重力势最大的部位,在重力、风化、地下水的作用下,变形破坏的可能性较大;在其下部是一层未揭穿的中风化断层角砾岩,裂隙发育,呈碎裂状镶嵌结构或块石状镶嵌结构。边坡易产生圆弧形滑动。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002),圆弧形滑移破坏的稳定形评价。采用园弧滑动法,边坡稳定性系数
Ks=ΣRi/ΣTi
Ni=(Gi+Gbi)cosθi+Pwisin(αi-θi)
Ti=(Gi+Gbi)simθi+Pwicos(αi-θi)
Ri=Nitgφi+cili
根据对A、B两个断面的滑动模式进行滑动面稳定性计算,结果为A断面稳定性数Ks=1.00,B断面的稳定性系数Ks=1.20。说明当前该边坡处于临界或暂时稳定状态,依据《建筑边边工程技术规范》(GB50330-2002)确定该边坡安全等级为二级,边坡稳定性系数Ks=1.25,因此需要采取措施对该边坡进行治理,才能满足规范要求,才能利用该场地。
3、边坡治理措施
根据边坡工程地质条件和稳定性分析,结合现场实际情况和工程实施的实际可行性,经与业主、监理和勘察部门共同研究确定本边坡治理以“支挡、坡面防护为主,排水和植被恢复为辅”的原则,并在该原则指导下采取经济有效的方法——锚杆框架支护体系。
在坡脚处设置一道C25毛石混凝土挡墙支护,外表按块石勾凸缝处理,挡墙高度为4.5m,挡墙顶部以上采用锚杆框架加固,坡高9.5m,坡率为1:0.75,框架由间隔3.0m竖肋和底梁与顶梁间设3道中间横梁组成,在框架节点处设置锚杆,锚杆与倾角15°,锚杆按AS≥γ0Na/ξ2fy计算确定由直径28钢筋制成,锚杆锚固体与地层的锚杆长度按《建筑边边工程技术规范》(GB50330-2002)第7.2.3条确,锚杆钢筋于锚固砂浆间的锚固长度按《建筑边边工程技术规范》(GB50330-2002)第7.2.4条确定,最终确定锚杆长度分别为9.5m、12.0m不等;框架竖肋截面尺寸为0.4×0.3m,框架横梁截面尺寸为0.4×0.3m,框架采用C30砼现浇,配筋按计算确定。经锚杆框架加固后边坡稳定性系数Ks>1.25满足规范要求。
框架施工尽量一次性浇筑而成不留施工缝。框架内挂网喷播植草,护坡顶上方采用喷植草防护宽约2.5m。在坡脚毛石混凝土挡墙墙脚设置排水沟,排除地面水;在护坡顶设置截水沟,排除隙边坡上方地表水。
4、施工要求
为保证护坡的稳定及施工安全,应避免在雨季施工,施工时应做好坡体上部截水沟及坡面雨水引排工作,防止坡面积水。严禁开挖后长时间暴露、日晒雨淋,使岩体风化松弛,工程地质性质恶化。施工中应加强施工监测和工地巡视,备有应急措施,确保施工人员安全。
挡墙每隔15m设置一道伸缝缝,墙身设置泄水孔。锚杆框架施工工序为:测放孔位铅孔锚杆制安注浆挖槽支模绑扎钢筋浇筑框架养护框架格内植生袋喷播植草。锚杆采用全长锚固式水泥砂浆锚杆,锚杆钢筋直径Ф=28mm,锚杆孔径110mm,锚杆孔位偏差不得超过±30mm,考虑沉渣的影响,为确保锚杆长度,实际钻孔深度大于设计长度0.4m,成孔后用高压空气(0.4MPa)清孔。成孔时禁止带水钻进,以确保钻孔施工不致恶化边坡条件,钻进过程中,应对每孔地层变化(岩粉情况)、进尺速度(钻速、钻压等)及一些特殊情况做现场记录,苦遇塌孔,应立即停钻,进行固壁灌浆处理后重新钻进。锚杆孔内灌注M30水泥砂浆,水灰比0.35~0.45,灰砂比1:1,砂浆体强度不低于30Mpa,采用从孔底到孔口返浆式注浆,注浆压力不低于0.25Mpa。
5、结束语
山区边坡采取支挡加固和截排水措施,在保证技术可靠的前下,采用锚杆框架结构支护,可以做到加固的直接、高效、简单和经济,同时对周边的环境美化和治理也具有积极的意义。施工要和设计紧密结合,采取“动态信息化施工法”施工,设计要随地质和变化进一步细化,必要时对原设计进行调整和补充,做到因地制宜,因时制宜,及时跟进和改进。施工阶段的监测工作和工程结束后的变形监测也十分必要,应充分重视,发现问题及时处理,确保安全。
参考文献
[1]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)
[2]《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)
[3]《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)
关键词: 高切坡;稳定性分析;喷锚支护;推力传递系数法
Abstract: A high cut slope excavation of high slope formed by the Department of architecture. Cut slope length of about 150m, area 2484.1m2. Since the formation of the cut slope since 2009, a few blocks away and small collapse failure phenomenon, the main harm housing and a transition pipe and the road, water supply and drainage facilities and other infrastructure. Cut slope with complex geological conditions, harm objects, local block sliding and soil slip easily occur in storm conditions, causing huge losses to the people's life and property.
Keywords: high cut slope; stability analysis; shotcrete; thrust transfer coefficient method
中图分类号:U416.1+4
本文在勘察的基础上选取典型剖面,建立计算模型,采用折线滑动法对该高切坡进行稳定性计算。结果表明:天然工况下,切坡稳定性系数均大于1.3;天然+暴雨工况下,稳定性系数均有所降低,稳定性系数小于1.35,安全储备小,可能出现局部块体滑移和土体滑移,需进行整体加固。
在稳定性评价的基础上,对该高切坡采取抗滑锚杆+锚喷+护面墙+排水工程的综合治理措施。
高切坡区工程地质条件
地层岩性
切坡处出露地层为三叠系下统嘉陵江组、中统巴东组第一段和第四系松散堆积层,地层由老到新介绍如下:
2.2.1嘉陵江组(T1j)
为灰白色、灰色中厚层-厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩夹溶崩角砾岩和泥质灰岩、泥灰岩,是构成高切坡的主要岩层。按岩性可分为三层:
1、灰白色、灰色中厚层-厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩;
2、灰黄色中薄层泥灰岩,厚度约1m左右;
3、灰白色、灰色中厚层-厚层局部中薄层微晶灰岩、白云岩夹溶崩角砾岩。
2.2.2巴东组一段(T2b1)
为黄灰、黄绿色薄层泥灰岩夹钙质页岩。厚度较小。
2.2.3第四系
第四系按成因分为残坡积和崩坡积和人工堆积。
1、残坡积(Qel+dlQ) 主要分布于切坡顶部和底部自然斜坡上,岩性以碎石土、碎块石土和含泥碎石土为主。据现场试验,Qel+dlQ碎石土的容重为19.1kN/m3。
2、崩坡积(Qcol+dlQ) 主要见于切坡下部,为切坡形成后变形破坏的产物,规模不大,岩性以碎块石土为主。
3、人工堆积(QmlQ) 主要见于切坡下方公路外侧填方处,呈条带状分布,岩性为碎石土或碎块石土。
地质结构
高切坡岩层总体向西北、北倾斜,倾向一般310~360°左右,整体呈单斜构造,同时在断层等作用下岩层产状局部变化较大。并形成翘曲或牵引褶曲现象。由于岩层产状与边坡产状关系复杂,各切坡坡体结构类型各异,即:
高切坡:桩号0+0~0+55m为岩质顺向坡,坡面倾向与岩层倾向夹角为5~15°,坡面产状340°∠65°,岩层产状335~355°∠20~43°;桩号0+55~0+75m为岩质横向坡,坡面产状240°∠80°,岩层产状350°∠33°;桩号0+75~0+120m为岩土质顺向坡,坡面倾向与岩层倾向夹角14°,坡面产状354°∠70°,岩层产状340°∠39°;桩号0+120~0+135m为岩质斜交坡,坡面倾向与岩层倾向夹角60°,坡面产状60°∠88°,岩层产状0°∠12°;桩号0+135~0+150m为岩质顺向坡,坡面倾向与岩层倾向夹角22°,坡面产状338°∠88°,岩层产状0°∠12°。
高切坡灰岩中发育有三组节理,其产状为:
①走向10~20°左右,倾向280~290°,倾角35~55°;
②走向330~350°,倾向240~260°,倾角50~70°;
③走向60~85°,倾向150~175°,倾角70°左右。
通过统计分析,高切坡灰岩中发育的三组节理中,以前两组较发育,长度多在6m以上,个别达15m~20m。除节理裂隙外,层面裂隙也很发育。
据野外调查及前人资料,切坡区灰岩风化较弱,以卸荷松动与溶蚀为主。本次物探与钻探表明,高切坡区强风化带厚度一般2~5m,局部受断层等影响可大于5m,中风化带较厚,一般3~15m。
水文地质条件
高切坡区位于长江南岸,总体地势为南高北低,地形坡度一般在30~55°左右。大气降水多沿坡面直接向坡脚处排泄,部分渗入岩体内部转化为地下水。
高边坡区地下水主要有第四系孔隙水及基岩岩溶裂隙水。其中孔隙水主要赋存于第四系堆积物中,埋深浅,无承压,受大气降水补给,无统一地下水位,季节变化明显。基岩裂隙水主要赋存于灰岩、泥灰岩等基岩岩溶裂隙中。
岩土体物理力学性质
2.5.1岩体物理力学性质
高切坡区出露的岩石类型主要有灰岩、泥灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩等,其物理力学性质差别较大。
1、岩块物理力学性质
据岩石饱和单轴抗压强度试验成果,可知:
(1) 泥灰岩饱和单轴抗压强度为4.7~18.5MPa,为软岩和较软岩。
(2) 粉砂岩饱和单轴抗压强度为25.5~28MPa,灰岩较坚硬,饱和单轴抗压强度38.03~98.9MPa,为硬岩和较硬岩。
(3) 不同的岩性,其力学性质差别较大,而同一岩性,由于风化程度、微结构面发育等因素的影响,力学性质也有较大的差别。
2、结构面力学性质
结构面剪切试验结果表明,结构面的力学性质主要受结构面粗糙起伏程度、岩性及充填情况控制。层面Cj变化在0.012~0.599MPa,φj变化在21.8~39.5之间。节理面Cj变化在0.025~ 0.498MPa,φj变化在24.3~49.5之间。
2.5.2土体工程性质
高切坡区第四系土体成因类型以残坡积物、冲洪积物、滑坡堆积物和崩坡积物为主,局部分布有人工堆积物和冲积黄土。其特点是结构松散,成分混杂,颗径大小不一,大者可达1m以上,颗粒间多为粘性土所充填,形成年代差别较大。
土的物质成分及基本物理性质:
根据现场大型土体容重试验和部分土样室内试验成果,土的物质成分及物理力学性质有如下特征:
(1) 表层土体以含碎石粘性土为主,粒径大于2mm的含量17.4%,较干燥,疏松,低塑性,土的天然含水率为18.9% ~ 23.5%,孔隙比0.51 ~ 0.67,天然容重为19.1~20.3kN/m3。
(2) 含粘性土碎石土,粘粒含量在6.7%~11%之间。角砾、碎石成分主要与母岩基本一致,粒径大小不等。
(3) 土体主要为碎石类土和含粘性土砂土,颗粒混杂,土质不均。
人类工程活动
切坡区人类工程活动频繁,主要表现在以下几方面:
(1) 修建房屋,挖坡填方,平整地基
由于受地形限制,高切坡区移民新建房屋多为挖坡填方,在公路两侧兴建。这不仅可能导致原有斜坡产生变形破坏,直接危害建筑物和人身财产安全,而且还可能产生泥石流等危害。
(2) 兴建道路
在山区修建公路,遇到的工程地质问题主要是边坡稳定性问题。工作区内多数高切坡为兴建道路所形成,坡度多在50°以上,在重分布应力及环境因素影响下,存在局部或整体变形破坏的可能。
(3) 开荒种地,破坏植被
开荒种地破坏了原有植被,导致岩石风化加剧,改善了地表水的入渗条件,岩土体强度降低,将产生水土流失和斜坡变形等问题。
高切坡稳定性评价
高切坡变形破坏现状
本次勘察中未发现坡顶地面及建筑物裂缝,坡脚挡墙及地面也未见开裂或变形破坏现象。但由于爆破施工及卸荷作用,坡面长期暴露,致使坡面岩体裂隙张开,局部破坏现象时有发生。其破坏形式有以下两种:
(1) 块体塌落主要出现在切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+159m处,这些部位以岩质斜交坡为主,岩体节理裂隙发育,岩体被切割成不同形态大小的块体,在重力、雨水冲刷等作用下容易塌落,块体体积不大,一般约0.001~0.01m3不等,对紧靠切坡的房屋及行人、车辆有一定的影响和危害。
(2) 小型崩滑主要出现在切坡桩号0+75~0+120m处,该处切坡为顺向坡,岩体沿层面下滑,崩塌物质堆积在坡下形成崩滑堆积体。
高切坡可能破坏模式
根据野外调查与类比可知,本高切坡整体处于稳定或基本稳定状态,其破坏模式主要取决于边坡岩体结构面组合及其与边坡面的关系,以浅表层岩土体滑移或节理切割的块体崩滑和风化剥落与掉块为主,具体各段可能破坏模式如下:
切坡桩号0+55~0+75m、0+120~0+135m段为斜交坡及横向坡,以节理切割的块体崩落、滑移和风化剥落形式为主。
切坡桩号0+0~0+55m、0+75~0+120m和0+135~0+150m段为顺向坡,以顺层面或层面与节理裂隙的组合面滑移为主,部分为节理切割的块体崩落及风化剥落形式。
高切坡稳定性计算与评价
根据现场调查高切坡自形成以来未发现明显的整体变形破坏迹象,整体上处于基本稳定状态。根据所取剖面,在工程地质分析基础上,取典型剖面采用折线滑动法计算其切坡稳定性系数,并评价其稳定性。
3.3.1计算模型的建立与参数选取
1、可能滑动面的确定与计算模型
对于岩质边坡而言,结构面组合对边坡变形和破坏起着十分重要的作用,结构面包括岩层面、节理面及其他地质界面。通过对结构面的分析和判断,可以初步确定边坡最可能的滑动面。
根据现场调查与分析,构成本高切坡潜在滑动面的结构面有灰岩层面、节理面、中强风化界面和第四系覆盖层与基岩界面等。据此分析可得如下三类潜在滑动面:
①层面与节理面组合面,本高切坡岩体中层面、节理面发育,主要有三组节理,它们的组合面是构成本高切坡最主要的潜在滑动面;
②第四系覆盖层与基岩界面,本高切坡第四系覆盖层厚度一般1~3m,是构成本高切坡潜在局部滑移的滑动面;
根据以上原则建立本高切坡计算模型(见下图)。图中Pm1为第四系覆盖层与基岩界面构成的潜在滑动面;Pm2为层面与节理面组合面构成的潜在滑动面。
高切坡剖面计算模型
每一滑面的形态都是根据立面素描时结构面的具置和平均迹长划上的,它反应各剖面所代表的切坡的滑动模式和边界条件。
2、计算工况
考虑高切坡区域可能遇到的各类情况,特别是最危险的情况,由于区内基本地震烈度为Ⅵ度,可不考虑地震的影响,故综合确定以下两种计算工况:
工况一:天然状况(坡体自重)
工况二:天然状况+暴雨(坡体自重+暴雨)
3、安全系数
高切坡的安全等级为二级,可能滑动面以折线和平面滑动面为主,安全系数定为1.35。
4、计算参数选取
根据本次勘察试验成果,区内灰岩层面的粘聚力C=296kPa,摩擦角φ=29.9°;节理面的粘聚力C=210~286kPa,内摩擦角φ=42.7~44.5°。另据前人资料和经验类比综合得区内灰岩各类结构面的粘聚力C=30~50kPa,摩擦角φ=22~28°;岩体天然容重γ=25kN/m3,饱和容重γsat=25.5kN/m3 ;土体天然容重γ=19.1kN/m3 ,饱和容重γsat=20.0kN/m3。除此之外,本次工作还采用了参数反演分析法求得了灰岩层面、节理面及与基岩界面等结构面强度参数。
根据以上试验数据、经验类比数据等结果,综合求得本高切坡各类结构面和岩土体计算参数如下表。
高切坡岩土物理力学计算参数表
另根据以前的工程实例,暴雨时土体与岩体的抗剪强度均有所降低,其变化如下表:
高切坡岩土物理力学计算参数表(暴雨)
3.3.2计算方法原理
折线滑动法
对可能产生折线滑动的高切坡采用推力传递系数法(见图3—4)进行计算,其稳定性系数计算公式为:
图3—4传递系数法图示
(3-1)
(3-2)
求解安全系数K的条件是Pn=0。
3.3.3计算结果与稳定性评价
利用前述确定的高切坡计算模型、计算参数和计算工况,采用折线滑动法计算得剖面的稳定性系数如下表。据野外工程地质调查及以上计算结果,对高切坡的稳定性评价如下:
1、本高切坡自形成以来,除浅表层岩土体曾产生小型滑移和风化剥落与掉块等破坏外,整体处于稳定或基本稳定状态,不存在大规模崩塌、滑移问题。
2、切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+150m处整体处于稳定状态,破坏模式主要表现为节理切割的块体崩落及风化剥落形式。
高切坡稳定性系数计算成果表
3、天然工况下,高切坡整体处于稳定或基本稳定状态,稳定性系数均大于1.3。但据工程地质调研表明,高切坡多处曾经出现过局部块体滑移。
4、天然+暴雨工况下,高切坡稳定性有所降低,代表切坡的Pm2稳定性系数均小于1.35,安全储备小,预测可能出现局部块体滑移和土体滑移。
高切坡治理
高切坡防治目标、原则
高边坡防治的目标是采用防治工程辅以安全监测,确保高边坡在结构设计基准期50年内不发生失稳。防治工程设计应遵循以下原则:
①以边坡稳定性计算结果为依据,确保高切坡的稳定;
②高切坡防护方案选择应遵循技术可行、安全可靠、经济合理的原则;
③设计方案易于实施,施工简便易行;
④防护工程应进行方案比选;
⑤高边坡防护措施可采用排水、锚喷支护、结构支挡等一种或多种工程措施;
⑥防护工程应与监测工程相结合。
高切坡抗滑锚杆及锚喷设计
4.2.1抗滑锚杆设计
根据稳定性计算,高切坡在暴雨工况下稳定性系数小于安全系数1.35,安全储备不足,需做整体加固。
根据公式:
(4-1)
(4-2)
求解剩余下滑力。选取典型剖面作为设计剖面。
1、抗滑锚杆布置
按《建筑边坡工程技术规范》规定,砂浆锚杆间距一般取1.25~3m。结合实际情况,将本段切坡范围内锚杆纵、横间距取为3m×2m。
2、单根锚杆所应承受剩余下滑力计算
采用传递系数法,取安全系数为1.35,最危险工况下的稳定性系数为1.244。得单宽滑体的剩余下滑力为315.86kN。
因锚杆横向间距为2m,单列锚杆所承受的总下滑力为:
(4-3)
代入已知数据解得=631.72kN。高切坡剖面计算模型的切坡垂距为18m,按纵向间距3m计算,适合布置5排锚杆,所以单根锚杆所应承受的剩余下滑力为:
(4-4)
代入已知数据解得=126.344 kN。
3、锚杆轴向拉力设计值计算
根据《建筑边坡工程技术规范》,轴向拉力标准值按下式计算:
(4-5)
式中:
——单根锚杆所承受的剩余下滑力;
——锚杆倾角,按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定,锚杆与水平面夹角以10~20º为宜,此次设计取=20°;
——底滑面倾角,量取=35.86°。
代入已知数据解得:=108.96kN
据《建筑边坡工程技术规范》,按下式计算锚杆轴向拉力设计值:
(4-6)
式中:
—轴向拉力设计值;
—荷载分项系数,取为1.30;
—轴向拉力标准值。
代入已知数据解得:=141.65kN
4、锚杆钢筋横截面积计算
根据《建筑边坡工程技术规范》,锚杆钢筋横截面积需满足以下条件:
(4-7)
式中:
——边坡工程重要性系数,按《建筑边坡工程技术规范》取=1.0;
——锚筋或预应力钢绞线抗拉强度设计值,按《混凝土结构设计规范》,HRB335级螺纹钢取300Mpa;
——钢筋抗拉工作条件系数,按《建筑边坡工程技术规范》],永久性锚杆取=0.69。
代入已知数据解得锚杆钢筋最小横截面积=684.27mm2,反算解得所需最小钢筋直径=29.52mm,故选取公称直径为32mm的HRB335级螺纹钢。
5、锚孔孔径及砂浆强度
按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,水泥砂浆锚杆孔径宜大于杆体直径15mm,设计孔径采用76mm。按《建筑边坡工程技术规范》和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,设计砂浆强度M30。
6、锚杆长度计算
(1)考虑锚杆与砂浆的结合破坏:
(4-8)
式中:
——锚固段长度;
——边坡工程重要性系数,按《建筑边坡工程技术规范》取1.0;
——锚杆轴向拉力设计值;
——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数,按《建筑边坡工程技术规范》,对永久性锚杆取0.60;
——钢筋(钢绞线)根数(根),此处=1;
——锚杆钢筋直径,此处为32mm;
——钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值,如钢筋为螺纹筋,砂浆强度等级取M30,按《建筑边坡工程技术规范》,此处取为2.40Mpa。
代入已知数据解得:=0.978m
(2)考虑砂浆与孔壁的结合破坏:
(4-9)
式中:
——锚固段长度;
——锚杆轴向拉力标准值;
——锚固体与地层粘结工作条件系数,按《建筑边坡工程技术规范》,取为1.00;
——锚固体(钻孔)直径,此处=76mm;
——地层与锚固体粘结强度特征值,按《建筑边坡工程技术规范》,取为300kPa;
代入已知数据解得:=1.521m
根据《建筑边坡工程技术规范》,锚杆最小锚固段长度应取以下两式计算结果的大值,故取=1.521m
根据《建筑边坡工程技术规范》,岩质边坡中锚固段长度一般不小于3m,故将锚杆锚固段长度取为3m。
根据潜在滑动面地埋深及锚杆安设角,在设计剖面上量取最大自由段长度为6.436m,考虑锚头锁固长度0.5m,则锚杆总长度L=3m+6.436m+0.5m=9.936m,取锚杆设计长度=10.0m。
4.2.2挂网喷射混凝土设计
一、喷砼参数
1、喷砼厚度:
《混凝土结构设计规范》,最小喷砼厚度不小于50mm,最大喷砼厚度不大于200mm,设计喷砼取150mm。
2、喷砼强度:
据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,确定喷射混凝土强度等级为C20。
二、钢筋网参数
据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》,挂网锚杆采用φ28的HRB335钢筋,锚杆长度2.0m,间排距为2m×2m。钢筋网制作选用φ8mmHPB235级螺纹钢,网格间距为20×20cm。
三、伸缩缝
为了防止坡面混凝土的变形破坏,沿坡面横向每间隔15m设置一纵向伸缩缝,缝宽2cm,以沥青填充。
高切坡护面墙设计
为了防止坡脚不受冲刷和破坏,按《砌体结构设计规范》在切坡坡脚处布置3m高的仰斜式浆砌块石护面墙。护面墙总长165m,采用浆砌块石,块径不小于30cm,浆砌砂浆为M7.5,墙顶采用M10水泥砂抹面,墙面勾缝,墙面坡率比墙背坡率缓0.1,护面墙墙底设计成向内倾斜的反坡,坡率为0.17:1。沿墙长每15m设置一宽20mm~30mm的纵向伸缩缝,缝间以沥青填充,深入20cm。沿护面墙纵向每隔3m设置φ100mm、坡降4%的排水孔一个,高出地面30cm,在泄水孔后采用碎石和砂作为反滤层。
高切坡排水工程设计
4.4.1截排水沟设计原则
高切坡防治工程中的截排水沟属地表排水体系,设置截排水沟的目的是迅速引走地表雨水或泉水,减小地表水入渗对切坡稳定性的影响。截排水沟设计时,首先应对排水系统各主、支沟段控制的汇流面积进行分割计算,并根据设计降雨强度分别计算各主、支沟段汇流量和输水量,在此基础上确定排水沟断面和过流能力。
4.4.2截排水沟断面尺寸设计
一、汇水区相关参数确定
1、汇流面积
取平面图上的量测面积。经量测切坡汇流面积为15000m2。
2、坡面长度和坡度
在典型剖面图上量测坡面斜长L1和斜坡坡角。经量测斜坡长度为199m,斜坡坡角为64°。
3、确定地表径流系数ψ
按《混凝土结构设计规范》确定地表径流系数。对秭归郭家坝4号高切坡,ψ=0.4。
二、计算设计降雨强度q
高切坡所处地区设计降雨强度=192L/s.ha。
三、计算设计汇流量
据《混凝土结构设计规范》,设计汇流量计算公式为:
(4-10)
上式中,为设计汇流量(L/s);为设计降雨强度(L/s.ha);ψ为地表径流系数;为汇水面积(ha)。
代入相关数据计算得=115.2L/s。
四、计算过流断面面积W
考虑1.5的堵塞系数,确定设计过流断面面积计算公式如下:
(4-11)
式中,为设计汇流量(m3/s); 为水力半径(m),按表1计算;为排水沟壁的粗糙系数,对浆砌片石明沟,取0.025;为水力坡降,取排水沟底的斜率,计算时取0.01。
代入相关数据,计算得=0.18m2。
拟定断面面积为0.4×0.6=0.24m2>。所以拟定断面尺寸满足截排水要求。
4.4.3截排水沟结构及布置
截水沟采用下底宽为0.4m,高为0.6m,迎水面一侧坡度为1:0.75的断面形式,沿纵向每隔3m在迎水面沟壁设置一个φ100mm、坡降5%的泄水孔,泄水孔高出沟底20cm,在泄水孔后采用碎石和砂作为反滤层。截水沟布置在高切坡开口线后缘3~5m处。
排水沟采用宽为0.4m,高为0.6m的矩形断面形式,排水沟布置在高切坡两侧边缘及坡脚,坡面上的排水沟设置成跌水。
4.4.4排水孔的设计
排水孔以4m×4m均匀的布置在坡面,孔深120cm,孔段插100cm长φ40mm聚乙烯管,外斜4%。
结论
本文在对高切坡进行稳定性计算与评价的基础上,初步得出如下结论:
1、本高切坡自形成以来,除浅表层岩土体曾产生小型滑移和风化剥落与掉块等破坏外,整体处于稳定或基本稳定状态,不存在大规模崩塌、滑移问题;
2、天然工况下,高切坡整体处于稳定或基本稳定状态,稳定性系数均大于1.3。但据工程地质调研表明,高切坡多处曾经出现过局部块体滑移;
3、天然+暴雨工况下,高切坡稳定性有所降低,剖面代表切坡的Pm2稳定性系数均小于1.35,安全储备小,预测可能出现局部块体滑移和土体滑移,需进行整体加固;
4、切坡桩号0+0~0+75m、0+120~0+150m整体处于稳定状态,破坏模式主要表现为节理切割的块体崩落及风化剥落形式;
5、在稳定性评价的基础上,对该高切坡采取抗滑锚杆+锚喷+护面墙+排水工程的综合治理措施;
6、边坡治理施工严禁大开挖、大爆破作业;
7、建议加强边坡施工期间与运营期间的监测工作。
参考文献
[1] 莫素华,边坡稳定性研究方法,中国水运,2007.2,第二期
[2] 方云、林彤,土力学,中国地质大学出版社,2003.3,第一版
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[4] Hoek.E.Bray.J.w.、卢世宗等译,岩石边坡工程,冶金工业出版社,1983
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[14] 《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)
[15] 锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)
[16] 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)
[17] 李智毅、唐辉明主编,岩土工程勘察,中国地质大学出版社, 2000
【关键词】地下车库基坑 土钉墙支护 施工方案
一、案例简述
某地下车库,地下一层,框架结构,独立基础,墙下条基+防水板,基底埋深-5.8米,地面标高31.2米。
二、基坑支护设计
本文针对某地下车库进行基坑支护施工设计,基坑支护设计时重点考虑对基坑侧壁采取相关的措施,保持其稳定性,防止在外部荷载的影响下产生较大的变形或坍塌。根据《建筑基坑支护技术规程》相关规定,本工程基坑侧壁安全等级为二级。
根据拟建场地特点及周围建筑物情况,本着安全、经济的原则,拟采用土钉墙方式进行支护。土钉墙设计相关参数如下:
2.1 土钉墙设计参数
放坡坡度: 1:0.3
入射角度: 15°
成孔直径: 100mm
长 度: 4m~6m
间 距: 1.5m×1.5m(水平×垂直)
布置形式: 梅花形
土钉钢筋: Ф16 Ⅱ级钢筋
浆 液: PSB水泥浆
水灰比: 0.5
注浆压力: 0.3~0.4Mpa
2.2 砼面层
厚 度: 80mm
钢筋网: 200×200mmФ6.5钢筋网
水平压筋: Ф16 Ⅱ级钢筋
强 度: C15(水泥:砂:石屑=1:2:2)
面层材料: PSB水泥 中砂 3~5mm碎石屑
三、施工方案
3.1 施工准备工作
(1) 开工前施工现场要达到“三通一平”;
(2) 根据施工方案检查各种施工设备是否完好,做好开工前的准备工作;
(3 ) 根据现场条件合理布置施工设备及各种材料的堆放场地;
(4 ) 对所有施工人员进行安全教育和施工技术交底;
(5 ) 办理各种施工手续,保证工程顺利进行。
3.2 土钉墙支护施工方案
土钉支护的工艺流程为:
土方开挖 人工修边坡 作土钉 挂钢筋网 喷射混凝土。
3.2.1、土方开挖与人工修坡的施工方法及技术措施
在土钉墙施工完成后,开始进行土方开挖。利用土钉技术进行边坡支护,基坑土方开挖必须与土钉支护互相配合。对开挖后的边坡段,需用人工及时修整,削平削直,且削到位。其主要技术措施如下:
①土钉支护应按设计规定的分层开挖深度按作业顺序施工,在完成上层作业面的土钉与喷混凝土以前,不得进行下一层深度的开挖。
②当用机械进行土方作业时,严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。基坑的边壁宜采用小机具或铲锹进行切削清坡,以保证边坡平整并符合设计规定的坡度。
③支护分层开挖和施工的作业顺序应保证修整后的边坡能在规定的时间内保持自立并在限定的时间内完成支护,即及时设置土钉或喷射混凝土。基坑在水平方向的开挖也应分段进行。
3.2.2土钉制作的施工方法及技术措施
土钉制作首先要成孔,根据地层条件,采用洛阳铲人工成孔或机械成孔,成孔后放入钢筋,并将注浆管插入孔底。其次是注浆,用灌浆泵注入水泥浆水灰比0.5,灌至浆液从孔口返回即可。其主要技术措施如下:
①成孔过程中应做好成孔记录,按土钉编号逐一记录取出的土体特征、成孔质量、事故处理等。应将取出的土体与初步设计时所认定的加以对比,有偏差时应及时修改土钉的设计参数。
②钻孔后应进行清孔检查,对孔中出现的局部渗水塌孔或掉落松土应立即处理。成孔后应及时安设土钉钢筋并注浆。
③钢筋置入孔中前,应先设置定位支架,保证钢筋处于钻孔的中心部位。
④注浆导管底端应先插入孔底,采用底部注浆方式注浆,在初凝前需补浆1~2次,保证孔内充满浆体。向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1。
3.2.3 挂网的施工方法及技术措施
在已整平的坡面上挂钢筋网,土钉端部用ф16水平压筋将土钉与钢筋网相互压紧焊牢。其主要技术措施如下:
①土钉钢筋端部与面层内的加强筋及钢筋网的连接要可靠焊牢。
②在喷射混凝土前,面层内的加强筋网片应牢固固定在边壁上,并符合规定的保护层厚度要求。
③钢筋网可绑扎而成,并满足搭接允许偏差。
3.2.4 喷射混凝土的施工方法及技术措施
喷射混凝土配比为:水:水泥:砂:石子=0.5:1:2:2(重量比),水泥采用PSB水泥,砂为中细砂,石子(碎石)最大粒径不超过10mm。工作压力为0.3~0.4MPa,混凝土厚度8cm。
喷射混凝土的喷射顺序应自下而上,喷头与受喷面距离宜控制在0.8~1.5m范围内,喷射方向垂直指向喷射面,但在钢筋部位,应先喷填钢筋后方,然后再喷填钢筋前方,防止在钢筋背面出现空隙。
3.3、土钉墙施工中的注意事项
土钉墙开挖过程中与土方施工队协调密切配合,土方开挖严格按设计控制坡度,交替进行,及时修坡,保证坡面平整度,坡面不平整度不大于±20mm。
为了保证安全,土方开挖必须与土钉墙施工密切配合、协同施工,土钉墙施工时必须分段分层进行土方开挖,每段长度15~20m,每层挖土深度与土钉垂直间距相匹配,保证每层土方开挖的超挖量不超过500mm,一则便于土钉施工,二则避免超挖造成边坡塌方。
坡面经检查合格,确定土钉孔位后成孔,孔位误差不大于100mm,如遇特殊情况需要移孔位,应由现场技术负责人审定;检查孔深、孔径、锚筋长度合格后,及时插入锚筋和注浆管,注浆管距孔底250~500mm;注水泥浆不饱满应二次补浆。
钻孔直径、深度、角度、注浆均要满足设计要求,做到各环节施工完后有人验收。孔深允许偏差为+200mm~-50mm,孔径允许偏差+20mm~-5mm,钻孔倾角误差不大于3°。
挂网时,钢筋网片与坡面之间保证3.5cm的距离,加强筋压在钢筋网上,与土钉钢筋焊接牢固,并加焊“L”型挡头。
砼喷射时要严格按施工配比进行配料,面层砼厚度要满足设计要求,坡面不许有钢筋外露现象。
每进行下一层土方开挖,必须在本层坡面土钉墙护坡施工结束后并达到设计强度的70%后进行,并在下层土方开挖时注意对上层护坡面面层及土钉的保护,避免碰触已施工完的护坡面砼面层及土钉。遇到坡面有渗水现象时,面层上要安装导流管。
由于地质条件的复杂性,如施工现场实际情况与方案不统一、土层情况与勘察报告不符、成孔遇地下障碍物时,边坡土钉的实际排数、长度和间距可根据实际情况由设计人员现场进行相应调整。
局部土钉成孔困难,达不到设计要求时,应采用上部增加短土钉,下一道土钉长度要适当加长的方法,并在地面加设拉锚,拉锚位置距槽边距离不小于6m。
土钉成孔的过程中,若遇到坚硬的障碍物,不要强行施工,以防破坏地下管线和构筑物,要适当调整土钉参数。
本工程采用土钉墙边坡支护方式,不仅能够节约成本、而且还缩短了工期,同时满足了安全性和经济性目标,体现了土钉墙边坡支护的优点。
参考文献
[1]《建筑基坑支护技术规程》(DB11/489-2007)
[2]《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99);
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[4] 《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002);
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[6] 《岩土工程勘察报告》;
北海银滩开投资产管理有限公司,拟在北海市广东路与江苏路交汇处东北侧兴建北海市2012GC04005地块房地产开发项目,总用地面积为130312.87m2,总建筑面积569668.70m2,建筑占地面积为28695.25m2。工程涉及众多技术要素,岩土工程分析和评价,已经成为重中之重的勘察任务,需要高质量完成。
2场地稳定性和适宜性评价
2.1地震效应分析
2.1.1场地地震及基本烈度
据相关资料记载,自从公元220年起,除了1934年4月1日在灵山县平山圩发生6.75级地震以外,整个北海市范围内从未发生过超过6级的地震。直到1994年,在北部湾坳陷区内的涠洲大断裂带(即涠洲岛)附近海域发生过6.4级地震。而北海市区历史上未曾发生过6级以上的地震。乾坤国际城工程抗震设防类别为重点设防类(乙类)。据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)附录A:北海市抗震设防烈度为6度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.05g。
2.1.2场地类别和场地土类型
根据场地剪切波波速测试结果(测试结果附后,带*为经验值),按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)4.1.3条的划分原则,拟建场地勘探深度内各土层的剪切波波速及土层类型。根据现场波速测试结果,按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第4.1.5条,土层的等效剪切波波速计算深度取d0=20m进行计算,分别计算得各测试孔处等效剪切波波速值如表1所示。等效波速Vse范围:259.9~281.5m/s,场地覆盖层厚度大于50m,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)表4.1.6,综合确定该建筑场地类别为Ⅱ类。根据场地类别和设计地震分组,场地设计特征周期为0.35s。
2.1.3地震效应分析与评价
拟建场地无浅埋的全新活动断裂,地形较开阔,地基土一般为中软土~中硬土,覆盖层分布比较均匀,属抗震一般地段。场地地基土主要为第四系中更新统北海组(Q2b)和下更新统湛江组(Q1z)地层,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第4.3节有关条文,可不考虑饱和砂土的液化影响。
3地基基础方案分析与评价
3.1地基承载力评价
验算结果表明,拟建3~10#住宅楼基础持力层的地基承载力满足建筑物荷载要求,可采用筏基;1~2#、11~20#住宅楼基础持力层的地基承载力不能满足建筑物荷载要求,不宜采用天然地基方案,可采用复合地基、桩基或桩筏基础方案。
3.1.1桩基类型的选择
依据场地的地质情况,结合北海地区的类似工程经验并考虑到桩的发挥程度等因素,如采用桩基础,主要可考虑的桩型有混凝土预制桩(预应力管桩)及钻孔灌注桩。混凝土预制桩(预应力管桩):单桩承载力较高,桩的质量易以控制和保证,施工无噪音、无污染,施工速度较快,工期短。缺点是在厚度较大硬塑状的黏土及较密实的粗(砾)砂层中压入有一定困难,有时须作引孔处理后才能达到设计深度。群桩施工时,因挤土效应易造成地面隆起,对周边环境造成不利影响。钻孔灌注桩:可根据上部荷载、结构要求而选择不同的桩径和桩端持力层,较易达到设计深度,单桩承载力高,若辅以后压浆技术可较大幅度提高单桩承载力。缺点是工期长,成本较96高,成桩质量不易保证,成桩过程中可能出现缩径、断桩等质量问题,孔底的沉渣厚度直接影响桩的承载力,排污问题突出,施工现场文明程度差。
3.1.2单桩竖向承载力估算
根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)5.3.5式:Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp及Quk=Qsk+Qpk=u∑ψsiqsik-li+ψpqpkAp进行估算。1)静压预制桩:取管桩桩径?=500mm,以粗砂⑨作为桩端持力层,以53号孔进行估算,有效桩长暂按20.0m,计算得Quk=3961kN。2)钻孔灌注桩:取桩径?=800mm,以粗砂⑨作为桩端持力层,以1号孔进行估算,有效桩长暂按20.0m,计算得Quk=4730kN。单桩竖向承载力须通过现场载荷试验确定。
3.1.3成桩可行性分析
根据目前的施工设备能力和工程经验,混凝土预制桩(预应力管桩)施工应不存在太大难度。拟建场地地层对于钻孔灌注桩的施工也不存在难度,施工中主要应注意各施工环节之间的衔接及施工过程中对周边环境产生的影响。
3.2地下室抗浮评价
根据上述分析,拟建建筑物的基底位于地下水位以下,必须进行地下室的防水及抗浮设计。设计时应注意地下水对筏基底板产生浮托力的不利影响,地下室在稳定地下水位作用下所受的浮力可按静水压力计算。对拟建高层建筑以外、独立结构的地下室(纯地下室),若地下室自重小于地下水浮力时,应设置抗浮锚杆或抗浮桩。地下室抗浮桩型建议采用预制桩,桩径可采用Φ350~600mm,桩长由抗浮桩所承担的浮力予以控制。抗浮桩的抗拔系数建议按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)表5.4.6-2取值。根据场地具体情况,结合本区已有水文地质资料,拟建场地的抗浮设防水位建议采用标高8.0m。
4基坑开挖稳定性评价
4.1基坑开挖边坡高度及岩土组合
根据基础设计情况,拟建1#、2#住宅楼处基坑开挖边坡高度为现状地面以下高约8.7~9.8m。拟建3#~20#住宅楼处基坑开挖边坡高度为现状地面以下高约3.4~8.1m。基坑开挖时构成边坡体的土层主要有素填土、杂填土、表土、含砂黏性土、含黏性土砾砂、砾砂、黏土和粗砂。
4.2基坑边坡稳定性分析
根据基础设计情况,西部基坑开挖边坡高度为现状地面以下高约8.7~9.8m。除西部基坑外,基坑开挖边坡高度为现状地面以下高约3.4~8.1m。根据场地地基土的基坑支护设计岩土参数指标建议值,当基坑开挖不放坡或陡坡(坡比<0.5)时,经按理正深基坑设计软件估算,各类基坑边坡的整体稳定安全系数Ks<1,处于不稳定状态,均需采取适宜基坑支护结构措施以确保基坑边坡的稳定性。
5结语