锚索桩板墙受力计算的简化方法

锚索桩板墙受力计算的简化方法

1锚杆索挡墙施工技术锚杆（索）墙是近年来道路道路上应用广泛的一种新支撑结构。根据不同的规范和分类，索赔墙可分为不同类型。按照结构形式来分,可以分为板肋式、格构式和排桩式锚杆(索)挡墙。板肋式锚杆(索)挡墙一般适用于挖方地段,采用现浇方式和逆作法施工。格构式锚杆(索)挡墙即常用的锚杆(索)框格梁,一般适用于挖方地段,也采用现浇方式和逆作法施工。排桩式锚杆(索)挡墙即常用的锚索桩板墙,不仅适用于稳定性较差的挖方边坡,也适用于填方边坡,因而适用性更广;就施工方法而言,桩可采用挖孔桩方式,挡土板可采用预制或者现浇,挖方地段可采用逆作法施工,填方段可采用填土-锚索张拉-填土的循环施工方式,施工方法多样。因此,锚杆(索)桩板墙在实际中应用较广,可普遍用于滑坡处治、路基填方或挖方支挡。本文的讨论主要针对锚索桩板墙。在一定条件下,锚索桩板墙经济效益十分显著,特别是在地形陡峻、半填半挖路段,以及桩底岩土特性较好、桩出土高不大于20m的路肩挡墙段落等情况下优势明显。但就受力状态而言,由于其受力状态与桩体尺寸、刚度、桩顶位移、板的形式、岩土压力、锚索数量及布置、施工方法等诸多因素均有关系,导致桩-锚索体系的应力状态十分复杂,给设计施工造成一定的不确定性,有必要进行探索和总结。本文先对影响该结构受力特性的各因素进行分析,在此基础上提出合理的计算方法和计算要点,最后对该体系的内力变化规律做出分析总结。2桩锚固段施工要点锚索桩板墙的复杂性在于很多方面,土体-挡土板-桩-锚索是一个相互制约的体系,岩土体压力及分布与桩的位移、墙高等因素都有关系;桩的内力与锚索的变形有关,锚索、桩及土体之间存在变形协调关系,挡土板后土压力的分布也与桩的位移有关。下面针对各因素对锚索桩板墙体系受力的影响进行定性分析。(1)桩出土高度(墙高)。墙高是考虑锚索桩板墙受力的首要要素,由于土压力是与墙高的平方成正比,墙高的增加会使土压力增幅加快,特别是路堤墙的墙顶填土会使土压力大幅增加,所以,墙高较高的路肩墙和路堤墙土压力很大,需要谨慎设置或验算。实际中路肩墙一般为墙高10~20m;墙高大于20m后,土压力很大,导致桩尺寸较大且锚索处于高应力状态,不安全也不经济。(2)桩截面尺寸及桩间距。桩截面尺寸的增加将增大桩的刚度,减小锚索的受力,但在同样的桩顶位移下,桩身最大弯矩会增加。桩截面尺寸与桩间距之间存在一个平衡,实际中采用较多的桩截面尺寸为1.5m×1.75m或1.5m×2.5m,桩间距为5~6m。(3)桩顶位移。桩顶位移一般应向外侧不小于10cm,这样土压力按主动土压力计算。桩顶位移不宜太大,否则将使桩身内力和锚索拉力增加,同时影响正常使用;应控制桩顶不出现向内侧位移,否则将使挡墙受到被动土压力,增大挡墙荷载,同时增加了锚索预应力。(4)锚索排数及预应力。多排锚索及施加预应力将使桩内侧岩土受到主动约束,改善无锚索时悬臂桩的受力状况;同时将使土压力向锚固点传递,使土压力的分布接近于梯形分布。(5)桩内侧岩土的坚硬、密实程度。该因素主要影响土压力的大小和分布。较完整的岩层、坚硬的黏土和密实的砂土,内摩擦角大,特别是岩层和硬土的竖向拱效应,使得土压力减小,同时使土压力接近于梯形分布;反之,松散的黏土或堆积体,由于抗剪指标较差,岩土压力会增加,类似于滑坡体,土压力接近于三角形分布。(6)施工方案及工序。挖方段的锚索桩板墙一般采用逆作法施工。填方段采用循环施工的施工工序:填土至下排锚索上面2m→张拉下排锚索→填土至上一排锚索上2m→张拉上一排锚索→下排锚索调整预应力,依次进行。这两种施工方式都能有效施加约束,使土压力分布接近矩形。(7)桩锚固深度及岩土特性。桩锚固深度是对锚索桩板墙稳定性有重要影响的因素。由于桩的位移,桩锚固段对内外侧岩土产生较大的侧向压力,如锚固段岩土为松散覆盖层或风化程度高,桩外侧岩土可能会被挤走或变形过大,从而造成整体结构的失稳。因此,桩锚固段应尽量选择中风化以上基岩,尽量避免松散体和坡脚陡峭地段,如位于表层松散碎石土上,桩易外倾;地形横坡陡峭地段,应从3~5D(D为桩截面高度)安全距离外计算锚固段。按经验,对于土层和软岩,桩锚固段深度应占桩全长1/3~1/2,中等风化岩层可按1/3桩长考虑。3简化计算方法基于锚索桩板墙的复杂性,精确的计算要进行体系的弹塑性有限元分析,同时结合土压力、预应力、位移量测进行调整,比较复杂,不能满足常规设计计算的需要。公路行业规范中没有提出有效的计算方法,有的规范提出了一些方法,但计算方法和计算过程不甚完整,需要系统整理。下面列出主要的简化计算方法。首先,基本的假定是把每两根桩之间的墙体作为一个墙段来计算,将桩前后的荷载、约束简化为平面问题来考虑,一般情况下,可只考虑水平方向的受力。常见的简化计算方法如下。(1)静力平衡法、等值梁法,见图1。这两种方法基本假定相同,都假定施工过程中锚索内力不变且锚点处为不动点,都通过静力平衡方法求解结构内力和桩的埋深;区别在于,视桩埋深段岩土软硬,桩底分别假定为自由端和固定端。优点在于计算简单,缺点在于假定难以满足,桩-锚体系均有位移,且锚索内力在施工过程中都在变化,计算结果准确性不高。(2)连续梁法,见图2。把桩-锚索体系简化为有支点的连续梁是一种较方便的计算方法,优点是受力较明确,但缺点也是显而易见的。连续梁(刚性支座)法和静力平衡法一样,不能考虑桩和锚索的位移协调,而且在支点处和桩底(固定支座假定时)往往应力集中;连续梁(弹性支座)法把锚索假定为弹性支点是一大进步,但两种方法将锚固段荷载假定为被动土压力不尽合理,因为土压力的类型和桩的位移是密切相关的。(3)弹性支点法。连续梁(弹性支座)法对模型的简化已有改进,如果把桩锚固段前后的土压力简化为具有一定刚度的土弹簧,就简化成了弹性支点法。图3中,弹性支点法将锚索简化为弹性支承,桩锚固段土压力简化为土弹簧。该模型优点在于通过有限元进行计算,可以考虑桩-锚体系的变形协调,可以控制预应力添加,可以较准确算出锚索拉力、桩的内力和桩锚固段的侧压力。下面对该方法的计算要点进行阐述。4锚索张拉张拉和填土的施工方法计算可按最不利工况计算(一般是最终工况)或根据施工过程的分步工况计算,无论是逆作法(挖方),或填土-锚索张拉-填土的施工方法,分步工况的计算过程更明确,锚索内力变化更准确,可以更好指导施工。两种情况的主要计算内容和要点相同,可以分成桩-锚索体系计算和挡土板计算。4.1采用桩锚索系统计算4.1.1模型的构建按图3所示建立计算模型。选定桩的截面尺寸,确定墙高,有限元软件还需要沿高度方向进行离散化,划分单元和节点。4.1.2桩身土弹簧刚度计算(1)锚索弹簧刚度计算。锚索模拟为单向的弹性支承。由于一般采用无黏结的高强钢绞线,预应力损失很小。在不计很小的锚固段蠕变情况下,锚索的水平刚度Kh可按下式估算:式中:lf为锚索自由段长度;Es为锚索体弹性模量;A为钢绞线截面积;θ为锚索倾角。(2)桩锚固段土弹簧刚度计算。锚固段桩身周围土模拟为两个水平方向的弹性支承,因按平面问题简化,可只考虑桩受水平外力作用时桩周土的弹簧刚度。土弹簧刚度为:式中:mi为水平地基系数的比例系数,根据地质条件而定;Hi为桩各计算节点距土表面的距离;Si为桩节点划分间距;b1为桩计算宽度,b1=kkf(d+1);d为垂直于水平外力作用方向桩的截面宽度;k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数,取1.0;kf为桩形换算系数,方桩取1.0。(3)桩底约束条件假定。桩底的支承条件应根据嵌入段地质情况选择自由、铰支或者固定状态。如嵌入段为基岩,可假定为固定端,此时桩侧向应不设土弹簧;如嵌入段非基岩或地质情况不好,可假定为自由端,此时桩侧向应设土弹簧,由计算确定桩底水平向的反力和位移。4.1.3土压力分析(1)土压力大小。桩后岩土与桩也存在位移协调,而位移对土压力大小也有影响,但在简化计算中无法考虑。一般的计算是视岩土体的潜在破坏方式,采用不同的岩土压力计算方式。岩体主要考虑沿结构面滑动,土体的破坏模式主要为两种:(1)填土内的弧形或直线形滑动;(2)沿填挖交界面的滑动。很多计算和实测结果表明,对于高大的挡土结构而言,土压力介于主动土压力与被动土压力之间,经典土压力计算的结果偏小。结合对锚索桩板墙受力特性的分析,土压力计算采用库仑主动土压力乘以一个增大系数β来简化。β的取值跟是否施加预应力、土层或岩层有关,取值区间为1.0~1.3。(2)土压力分布。结合以上对锚索桩板墙受力特性的分析,土压力分布与墙高、墙顶位移、锚索排数及弹性大小、施工方法、内侧岩土坚硬密实程度有关。对于一般的填方锚索桩板墙,属于高大挡土墙,桩顶位移较小,设置多排锚索,路基填土的压实度较高,分级加载施工;这些因素决定了采用土压力梯形分布是较合理的。如缺乏地区经验图形,可采用规范规定的分布,如图4所示。但对于挖方锚索桩板墙,如用于滑坡治理的锚索桩板墙,滑坡体较松散,岩土压力应按下滑力计算,分布应根据实际情况采用三角形、矩形或梯形。具体的计算中,可先按主动土压力计算后,按照等效的原则换算成假定的土压力分布。4.1.4承载能力极限状态锚索施加的预应力应按锚索倾角换算为水平力。由于是进行承载能力极限状态计算,锚索预应力应取分项系数1.0,土压力应取分项系数1.40。4.1.5锚索排数对抗弯能力的影响在进行有限元计算后,可以得到桩的内力分布和变形,分别进行抗弯、抗剪和变形验算。如桩的抗弯能力不足,在锚索排数合适情况下,应主要考虑加大桩截面尺寸、提高抗弯刚度;如变形过大,首先通过增加锚索排数或增大预应力限制桩位移,其次考虑增大截面尺寸、提高桩刚度。但应注意的是,桩截面尺寸的增加往往会增大桩身最大弯矩,所以,增加截面尺寸应在确有必要时才考虑。4.1.6适当的锚索预应力锚索工作锚固力应为先期预应力和变形后所受到反力之和。工作锚固力的取值跟安全系数有关。安全系数根据危害程度和服务年限取值,对于锚索桩板墙,笔者认为应取2.0~2.2。安全系数小于2,锚索长期处于高应力状态,不仅钢绞线安全性降低,而且使锚索体锚固困难。根据工作锚固力计算确定后,即可进行锚索设计。通过计算发现,最下排锚索与地面线的距离不宜大于8m,否则将会造成桩外侧弯矩的大幅增加;在外侧配筋不足时,桩外侧易出现裂缝。适当的锚索预应力能使桩-锚索体系主动受力,限制体系的过大位移;但预应力不宜过大,否则将可能使锚索超载,或者桩出现向内侧位移导致体系受到被动土压力。合适的锚索预应力宜为锚索工作锚固力的1/3~1/2,墙高越高,预应力亦应随之适当加大。4.1.7锚索和桩刚度随压力的变化从计算结果可以看出,桩锚固段上部外侧受压,下部内侧受压,最大压力出现位置随着锚索增加或桩刚度增大而下移,因此桩脚更不容易失稳,安全度增加。但需验算桩脚外侧岩土体侧向承载力是否大于桩对土体的最大侧压力。4.2支撑墙计算挡土板的计算较为简单,可按高度范围分成几种类型板,以每种类型板底部的水平土压力,作为该类型板上的荷载,然后按两端简支板计算。5桩顶锚索支护某公路工程路堤右侧设置锚索桩板路肩墙,从地面线算起桩最大出土高约23m,埋深13m,桩中心间距6m,桩截面尺寸为2m×3m;桩顶以下4、5、8、11、14、17m处设6排锚索,均为双锚,锚索拉力为300~500kN。限于篇幅,仅列出计算结果如图5、图6、图7、图8所示。由计算结果可知,桩顶位移为5.0cm(向外),桩抗弯、抗剪计算满足要求,但截面尺寸略偏大;单根锚索工作锚固力从上到下为918、910、900、863、875、803kN,满足规范要求,但拉力略偏大。6桩锚支护结构桩锚受力监测一般处理为通过以上计算分析,可得出以下结论。(1)弹性支点法作为一种简化计算方法,结合锚索桩板墙的特点做了一些合理假定,不失为一种简化计算的合理方法。(2)锚索桩板墙的设计应综合考虑土压力、体系的位移协调、各构件内力均衡等因素,多做试算,使体系位移、桩锚内力处于比较均衡的状态。(3)对