道路基坑邊坡預應力錨桿防護設計

　　我國是一個迅速發(fā)展的國家,基礎建設緊隨國家經(jīng)濟發(fā)展而快速建設，改建道路與高等級現(xiàn)有道路交叉基本采用分離式交叉，其中改建道路選擇下穿高等級道路的方式較為常見，由于改建道路等級的提高，原凈高不能滿足規(guī)范和實際需要，因此改建道路進行設計時，應降低設計高程，設計高程降低后，可能影響上跨道路的路基穩(wěn)定，施工時對應盡量降低對上跨橋梁和道路路基的影響。
　　本次設計為江蘇336省道下穿廣靖高速時橋臺處道路基坑防護設計，通過對各個工況的計算，對土釘墻、預應力錨桿防護進行驗證，并針對各個工況提出施工要求。
　　1 基坑邊坡分析
　　計算模型：O＃橋臺施工開挖過程，錨桿作為支撐，計算支撐反力，依據(jù)支撐反力確定錨桿的張拉力。
　　高速路面標高9.0m,蓋梁底高程6.9m，橋臺前原地面高程為4.4m，開挖從蓋梁底至U型槽底，槽底高程0.5m，橋臺錐坡完全挖除，U型槽外側與橋臺樁柱齊平。
　　工程中邊坡支護屬于臨時支護，按施工階段驗算即可。
　　開挖時同時施工土釘墻，土釘墻為預應力施加前臨時防護及擋土構造。
　　橋臺樁柱抵抗土壓力土條寬度為1.95m，計算中。
　　第一層土，土層標高9.0m（樁頂）～4.4m（路面）， ；
　　第二層土，土層標高4.4m～0.5m, 該層土中已經(jīng)打粉噴樁， 。第一、二層土均為砂性土，土層重度均為18kN/m3，地下水位為高程1.8m。施工時采取適當?shù)慕邓胧?
　　
　　2 根據(jù)工況進行分析和計算
　　2.1施工至高程4.3m時
　　開挖過程為由上至下2.5m+1.2m+1.0m,高速公路路面至蓋梁底高度為2.1m,因此第一次開挖為2.5m-2.1m＝0.4m，即蓋梁下起開挖0.4m，然后按1.2m、1m開挖至高程4.3m。橋臺前原地面標高為4.4m，橋臺前現(xiàn)有漿砌塊石擋土施工至高程4.3m時，錨桿張拉沒有進行前，墻面后土主動土壓力由土釘和樁基共同抵抗，墻。邊開挖（拆擋土墻）邊施工錨釘、墻面、鋼筋混凝土板帶、并實施預應力錨桿張拉。
　　施工至高程4.3m時，錨桿張拉沒有進行前，墻面后土主動土壓力由土釘和樁基共同抵抗，經(jīng)計算，土釘抗拔、抗拉滿足要求即可。
　?。?）依據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2004)，車輛荷載作用在擋土墻墻背填土上所引起的附加土體側壓力，可按式（5.4.2―3）換算成等代均布土層厚度計算：
　?。?.4.2―3）
　　式中：――換算土層厚度(m)； ――車輛荷載附加荷載強度，墻高小于2 m，取20kN/m2，墻高大于10 m，取10kN/m2，墻高在2m～10m之內(nèi)時，附加荷載強度用直線內(nèi)插法計算； ――墻背填土的重度（kN/m3）。
　　 墻高H=9-4.3＝4.7m
　　車輛加載強度 q=20-(4.7-2)×(20-10)/(10-2)=16.63kN
　　 等代均布土層厚度 h0=16.63/18=0.92m。
　　（2）根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-99），土壓力計算公式為：
　　
　　式中-水平荷載標準值； -作用于 深度處的豎向應力標準值； -主動土壓力系數(shù)； -粘聚力標準值,砂性土,取值為0。
　　主動土壓力系數(shù) Kai=tan2(45°-32/2)=0.31；
　　被動土壓力系數(shù) Kai=tan2(45°+32/2)=3.25。
　　計算墻后主動土壓力：
　　以橋臺單根樁柱計算，土條寬度為4.3m，寬度4.3m內(nèi)有錨桿2根。
　　q1=18×0.92×0.31×4.3＝22.2kN/m
　　q2=18×（4.7+0.92）×0.31×4.3＝134.9kN/m
　　依據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-99），地下主動土壓力強度與被動土壓力強度平衡點，也是地下支護結構彎矩為0位置。
　　土壓力強度平衡點：qp=q2/4. 3=hc1×18×3.25
　　hc1=q2/4. 3/18/3.25=0.54m（標高3.76m）
　　采用橋梁博士軟件計算，計算模型如圖1模型一：
　　
　　圖1 模型一
　　模型中彈簧支撐為土的側向剛度Ks(KN/m)計算公式:
　　Ksi=mzbhi
　　Ks-土的側向剛度Ks(KN/m)；m-非巖石地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（kN/m4）；b-橋臺土壓力計算寬度，依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)；hi-橋梁博士軟件計算中第i-1單元和i單元的平均高度；橋臺土壓力計算寬度b為： 。計算結果填入軟件計算模型，以下各個工況分別依據(jù)本公式進行計算并填入軟件計算模型。
　　計算得此時第一排錨桿支撐處反力為492KN，
　　錨桿預應力設計值為F1=492/2/cos(30°)/cos(10°) =288kN
　　2.2施工至高程2.3m時
　　開挖過程為1.0m+1.0m，邊開挖邊施工錨釘、墻面、鋼筋混凝土板帶、并實施預應力錨桿張拉。
　?。?）墻高H=9-2.3=6.7m
　　車輛加載強度 q=20-(6.7-2)×(20-10)/(10-2)=14.13kN
　　 等代均布土層厚度 h0=q/18=0.78m。
　?。?）計算墻后主動土壓力：
　　q1=18×0.78×0.31×4.3＝18.8kN/m
　　q2=18×（6.7+0.78）×0.31×4.3＝179.6kN/m
　　地下主動土壓力強度與被動土壓力強度平衡點，也是地下支護結構彎矩為0位置。
　　土壓力強度平衡點：qp=q2/4. 3=hc1×18×3.25
　　hc1=q2/4. 3/18/3.25=0.71m（標高1.59m）
　?。?）第二排錨桿未實施前，采用橋梁博士軟件計算，計算模型如圖2模型二：
　　
　　圖2模型二
　　計算得此時第一排錨桿支撐處反力為707KN，
　　錨桿預應力設計值為F1=707/2/cos(30°)/cos(10°) =414kN
　?。?）第二排錨桿實施后，采用橋梁博士軟件計算，計算模型如圖3模型三：
　　
　　圖3模型三
　　計算得此時第一排錨桿支撐處反力為707KN，第二排錨桿支撐處反力為0KN。
　　錨桿預應力設計值：F1=707/2/cos(30°)/cos(10°) =414kN
　　F2=0 kN
　　
　　2.3施工至高程0.5m時
　　開挖過程為1.0m+0.8m，邊開挖邊施工錨釘、墻面。
　　（1）墻高H=9-0.5＝8.5m
　　車輛加載強度 q=20-(8.5-2)×(20-10)/(10-2)=11.88kN
　　 等代均布土層厚度 h0=q/18=0.66m。
　?。?）計算墻后主動土壓力：
　　q1=18×0.66×0.31×4.3＝15.8kN/m
　　q2=18×（8.5+0.66）×0.31×4.3＝219.8kN/m
　　地下主動土壓力強度與被動土壓力強度平衡點，也是地下支護結構彎矩為0位置。
　　土壓力強度平衡點：qp=q2/4.3=hc1×18×3.25
　　hc1=q2/4.3/18/3.25=0.87m（標高-0.37m）
　　采用橋梁博士軟件計算，計算模型如圖4模型四：
　　
　　圖4模型四
　　計算得此時第一排錨桿支撐處反力為445KN，第二排錨桿支撐處反力為566KN。
　　錨桿預應力設計值為：F1=445/2/cos(30°)/cos(10°) =261kN
　　F2=566/2/cos(30°)/cos(10°) =332kN
　　2.4錨桿預應力要求
　　以上各個工況時，錨桿張拉力應根據(jù)工況需要的力進行張拉、多次張拉等。
　　第一排錨桿最大可張拉預應力F1=420kN；第二排錨桿最大可張拉預應力F2=350 kN。
　　3 錨桿計算
　　3.1錨桿鋼絞線計算
　　錨桿桿體截面面積：依據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2004)5.5.4
　　A= KNt
　　 fptk
　　A-桿體截面積（m2）
　　K-抗拉安全系數(shù)，依據(jù)《路基規(guī)范》取1.9。
　　Nt-抗拔力設計值（KN）
　　fptk-鋼絞線的抗拉強度標準值（KPa），取1860000 KPa。
　　根據(jù)設計圖計算第一道錨桿及第二道錨桿桿體截面面積A1 、A2
　　A1=1.9×420/1860000＝0.000428m2＝428mm2
　　A2=1.9×350/1860000＝0.000357m2＝357mm2
　　第一道錨桿采用 鋼絞線，第二道錨桿采用 鋼絞線，A1 =A2=544 mm2,滿足規(guī)范要求。
　　3.2 擴大頭長度計算
　　依據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2004)5.5.4，注漿體與錨桿長度計算
　　Lg= KNt
　　 nπdsξfb
　　 -錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)，取1.9；Nt -錨桿抗拔力設計值（kN)；fb-擴大頭注漿體與桿體間的粘結強度標準，取2950KPa；ds-鋼絞線的直徑（m）； -粘結強度降低系數(shù),取0.72； -鋼絞線的根數(shù)。
　　Lg1=1.9×420/（3×π×0.0152×0.72×2950）＝2.62m
　　Lg1=1.9×350/（3×π×0.0152×0.72×2950）＝2.19m
　　第一排和第二排錨桿擴大頭長度為3m，滿足規(guī)范要求。
　　3.3 錨桿抗拔計算
　　依據(jù)深圳鋸聯(lián)錨桿技術公司編制《高壓噴射擴大頭錨桿技術規(guī)程》計算。
　　
　　Tuk―錨桿極限抗拔力標準值（kN）； D1―錨桿非擴大頭段直徑（m）；L1―錨桿非擴大頭段長度（m）；f1―非擴大頭段注漿體與所在土層間的粘結強度標準值（kPa）；D2―錨桿擴大頭段直徑（m）； L2―錨桿擴大頭段長度（m）；f2―擴大頭段注漿體與所在土層間的粘結強度標準值（kPa）；
　　 PD―土體作用于擴大頭端面上的抗力強度值（kPa），對預應力錨桿可按下式計算，
　　
　　式中 γ―擴大頭上覆土體的加權平均重度（kPa）；h―擴大頭上覆土體厚度（m）；KO―擴大頭前端土體的靜止土壓力系數(shù)； Kp―擴大頭前端土體的被動土壓力系數(shù)；c―擴大頭前端土體的粘聚力標準值（kPa）；ξ―擴大頭向前位移時反映擠脹效應的側壓力系數(shù)，可按下式計算： ，式中系數(shù)與擴大頭前端土體的堅實程度有關，對強度較好的土可取0.9，對軟土應取0.5；Ka為擴大頭前端土體的主動土壓力系數(shù)。
　　抗拔力設計值：
　　
　　式中K?―錨桿抗拔安全系數(shù)，取1.9。
　　（1）第一道錨桿計算
　　1）、設計指標
　　非擴大頭錨固段：直徑0.15m，長度13.0m，與所在土層粘結強度標準值35kPa；
　　擴大頭錨固段：直徑0.80m，長度3.0m，與所在土層粘結強度標準值35 kPa；
　　擴頭段上覆土層：厚度16.5m，平均重度18.0 kPa；
　　擴頭段所在土層：c=10.3，φ=22.7o。
　　2）、抗拔力計算
　　 0.614
　　
　　
　　ξ＝0.5Ka=0.222
　　 693.0kN
　　則抗拔力極限值：
　　
　　=814.0kN
　　T1=814.0/1.9=428.4kN
　　根據(jù)錨桿預應力設計值計算結果F1=420kN,T1>F1，第一排錨桿滿足抗拔要求。
　?。?）第二道錨桿計算
　　1）、設計指標
　　非擴大頭錨固段：直徑0.15m，長度10.0m，與所在土層粘結強度標準值35kPa；
　　擴大頭錨固段：直徑0.80m，長度3.0m，與所在土層粘結強度標準值35kPa；
　　擴頭段上覆土層：厚度18.5m，平均重度18.0 kPa；
　　擴頭段所在土層：c=10.3，φ=22.7o。
　　2）、抗拔力計算
　　 0.614
　　
　　
　　ξ＝0.5Ka=0.222
　　 712.4kN
　　則抗拔力極限值：
　　
　　=773.9kN
　　T2=773.9/1.9=407.3kN
　　根據(jù)錨桿預應力設計值計算結果F2=350Kn,T2>F2，第二排錨桿滿足抗拔要求。
　　結語
　　施工前應根據(jù)設計擬定施工計劃，按照施工步驟循序漸進地施工，開挖、布置面板、澆筑橫梁、放置錨桿、分次張拉等都應該有計劃的進行，貫徹執(zhí)行設計內(nèi)容，設計也應跟蹤施工進度，調查施工情況，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況變化進行動態(tài)設計，確保工程安全、快速的進行。
　　本基坑邊坡防護為臨時防護，在工程其他部位完成后，臨時預應力錨桿可進行放錨處理，也可以維持現(xiàn)狀，使其成為主體U形槽共同受力結構。