预应力锚索桩板墙在高等级公路中的应用(1)

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预应力锚索桩板墙在高等级公路中的应用(1)
发表时间：2012年4月6日10:24:40
2012年公路监理师工程考试于10月中旬开考，报名尚未开始，为帮助学员更好的参加考试，特摘公路监理工程师章节考试重点供大家参考，本节主要阐述公路监理师综合考试知识点：预应力锚索桩板墙在高等级公路中的应用 希望对您有所帮助！
摘要：个旧～冷墩二级公路K22+336～K22+520段预应力锚索桩板墙工程位于个旧市保和乡政府驻地以北沟谷地带。该路段地形横坡陡峻，坡脚局部形成陡壁。情况组织有关的专家和工程技术人员对该段工程进行了多次现场勘察，先后提出了调整平面线形、采用桥梁跨越等多种方案比选，但均因地形、地质及工程造价高、施工工期长等因素，无法实施。最后在详细研究工程地质状况和认真分析勘察资料的基础上，本着“技术可行、经济合理”和“一次处治、不留后患”的原则，提出了预应力锚索桩板墙支挡、锚杆框格梁防护等综合处治措施。
关键词：预应力 道路桥梁
1工程概况
个旧～冷墩二级公路K22+336～K22+520段预应力锚索桩板墙工程位于个旧市保和乡政府驻地以北沟谷地带。该路段地形横坡陡峻，坡脚局部形成陡壁。情况组织有关的专家和工程技术人员对该段工程进行了多次现场勘察，先后提出了调整平面线形、采用桥梁跨越等多种方案比选，但均因地形、地质及工程造价高、施工工期长等因素，无法实施。最后在详细研究工程地质状况和认真分析勘察资料的基础上，本着“技术可行、经济合理”和“一次处治、不留后患”的原则，提出了预应力锚索桩板墙支挡、锚杆框格梁防护等综合处治措施。
2工程地质水文条件
2.1地形、地貌
K22+336～K22+520段位于深切河谷谷坡坡脚地带，与河床高差20～55米，路线纵向与斜坡走向一致。该段地形横坡十分陡峻，K22+336～K22+375段地形横坡50～55度，路中线右侧10～25米为70～80度陡坎，陡坎高度15～20米。坡脚处于河流凹岸侧向冲刷地段。K22+375～K22+430段地形横坡60～70度，路中线右侧3～8米为60～80度陡坡，因坡脚处于河流凹岸侧向冲刷而形成2～6米高的陡壁。K22+430～K22+520段地形横坡45～55度，右侧坡脚局部形成陡壁。
2.2地层岩性
K22+336～K22+520段处于河谷谷坡坡脚地带，根据钻孔揭露，该段覆盖层主要为坡洪积碎石土、亚粘土(粉质粘土)及下伏板岩、灰岩等，表层为0～2.5米最近堆积的碎石土和粘土。
2.3水文地质
该段路线位于普洒河下游区，主要穿越中三迭统法郎组泥灰岩、页岩、板岩，分布区节理裂隙发育，此类地层降水入渗系数较高，地表迳流系数一般可达0.3～0.5以内。具有纵坡比降大，水流速度快携砂能力强，对岸坡冲刷剧烈等特点。
2.4地震烈度
该段路线所经区域的地震烈度从国家地震局和建设部1992年颁布实施的《中国地震烈度区划图》中查得，该地区地震烈度为Ⅶ度区。
3边坡稳定性分析
3.1设计原则
由于该段路基地面横坡陡峻，常规的挡墙和边坡设计无法解决，若采用桥梁通过，工程造价高，施工工期长。本着节约工程投资，缩短施工工期，减少工程隐患，增加工程安全性等方面因素，设计中采用预应力锚索桩板墙的设计形式：墙后的侧向土压力作用于挡土板，并通过挡土板传递给肋柱，再由肋柱传递给预应力锚索，由预应力锚索与周围地层的锚固力形成平衡。
3.2理论分析
依据土体极限平衡原理，采用单元分析法，考察此单元体在其自身条件下保持稳定所需的条件。具体做法是在该坡体上任意取一长、宽、高均为1米的土块，假定取消周围约束。根据土体物理性能指标取值为：C=10Kpa，Φ=30.5°，r=17KN/m3。地质模型如右：
由极限平衡理论：m=抗滑力/下滑力=(CL+Wcosθtgφ)/Wsinθ
令m=1 → θ=60.8°
因此，从理论上讲，当坡角为60.8°时，土体处于临界平衡状态，坡角大于60.8°时，土体处于不稳定状态。根据地质资料，除上坡体K22+484.05段坡角为80.5°，下坡体K22+394.95段坡角为68°，其余断面坡角均小于60.8°，即上、下坡体从理论上说是基本稳定的。
3.3综合处治方案
3.3.1 肋柱
⑴ 布置原则
根据实际地形和地质水文状况揭示，地层经受了强烈的挤压，岩体产状变化大，层理、节理发育，岩体间粘结力低，为防止岩体产生层间滑动，对此坡体采用预应力锚索加承载墩先对不稳坡体进行防护，再用预应力筋对填土及动载引起的土体侧压力进行肋柱的加固。该段路基采用上、下两排肋柱错开布置的形式进行设计，上、下排肋柱之间采用30厘米的浆砌片石进行封闭。上排肋柱共计42根，总长1087.20米，其中第14号肋柱高度为23.08米，埋深14.59米;下排肋柱共计43根，总长1264.92米，其中第16号肋柱高度为21.05米，埋深19.10米。上、下排肋柱根据高度和地质状况分别采用1.0×1.5米、1.5×2.0米矩形断面并带企口，以便安装预制挡土板，肋柱间距为4米，根据高度不同分为六种形式(见下表所示)，其埋深则按地质资料具体确定。
肋柱尺寸表
编号 肋柱形式 截面尺寸 肋柱高度 锚点个数
1 A型肋柱 1.0×1.5米 H≥4米
2 B型肋柱 1.0×1.5米 4
3 C型肋柱 1.0×1.5米 8
4 D型肋柱 1.5×2.0米 12
5 E型肋柱 1.5×2.0米 16
6 F型肋柱 1.5×2.0米 20
⑵ 计算分析
墙背土压力按库仑土压力计算，结构计算根据肋柱的埋深和工程地质水文状况，肋柱按一端固结或铰支，另一端自由的超静定连续梁进行计算，根据计算确定的内力，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)对肋柱和挡土板进行配筋，确定预应力锚索钢绞线的根数和预应力张拉吨位。现将F型肋柱的计算如下：
①. 将车辆荷载置换为等代土柱高，按库仑土压力计算墙背土压力;
②. 用力矩分配法，解得个点弯矩和剪力;
③. 根据计算得到的内力，对肋柱进行配筋;
④. 根据计算得到的内力，确定预应力锚索钢绞线的根数和预应力张拉吨位。
3.3.2挡土板
⑴ 布置原则
挡土板根据实际地形分别采用尺寸为0.5×0.3×2.3米挡土板和0.5×0.25×2.8米挡土板两种类型。
⑵ 计算分析
挡土板按以肋柱为支座的简支梁进行验算，其计算跨径lp为挡土板两支座中心的距离，荷载取挡土板所在位置土压力的平均值，即q=(σ′+σ″)*h/2。
得挡土板跨中最大弯矩Mmax=qlp2/8;支座处剪力Q= qlp/2
根据挡土板的内力进行配筋计算。
3.3.3预应力锚索
⑴ 布置原则
锚索按压力分散型锚索进行设计，每根锚索均向下与水平夹角为15°，锚索间距为4米，按肋柱高度，分别确定锚索钢绞线的根数和预应力张拉力。预应力钢绞线采用一端张拉的方式进行张拉。锚索钢绞线材料应选用高强度、低松弛环氧喷涂无粘结预应力钢绞线，(ASTM A416-88a标准270级，Rby=1860Kpa，松弛率为3.5%，Φj=15.24mm)，共计设置锚索231根，其中上排桩设置101根;下排桩设置130根。
⑵ 计算分析
① 计算假定：假定锚固段传递给岩体的应力沿锚固段全长均匀分布;假定钻孔直径和锚固段注浆体直径相同(即注浆时地层无被压缩现象);假定岩石与注浆体界面产生剪切破坏。
② 计算锚固段长度：锚索的锚固段长度按公式：
L=(SfNt)/(πDqr) 和 L=(SfNt)/(nπdξqr)
分别计算，取最大值。
⑶ 抗拉拔试验
为取得现场资料与数据，确定土体的极限承载力，以及为设计提供合理的参数，在2001年7月至9月在工地现场进行肋锚索抗拉拔试验。试验锚索共6束。分别为750KN、1200KN、1600KN级锚索各2束。试验结果见下表
编号 地层情况 钻孔直径 锚固长度 设计应力 试验荷载 最大检验荷载钢绞线理论伸长值最大检验荷载钢绞线实际伸长值
mm m KN KN mm mm
1 前12.2米为碎石土，后为板岩 前12.2米为168,后为150 24 1600 2288 60 65
2 前13.3米为碎石土，后为板岩 152 18 1200 1664 71 72.5
3 前10.7米为碎石土，后为板岩 前8.4米为168,后为150 12 750 1040 71 69
4 碎石土 153 24 1600 2288 60 64
5 前13米为碎石土，后为板岩 151 12 750 1040 71 73
6 前16米为碎石土，后为板岩 152 18 1200 1920 71 70
注：①试验中6号锚索超规范拉至0.923Afptk，未见破坏，其余锚索都按规范拉至0.8Afptk，未见破坏;②表中钢绞线伸长量系指基准钢绞线长度反映到大千斤顶上的值。
3.3.4 其他处治措施
⑴ 由于场区分布的碎石土、亚粘土(粉质粘土)抗剪性能较差，加之位于高角度边坡之上，边坡稳定性差，对段落进行削坡和在河岸边设置挡墙，挡墙高度均大于最大洪峰线位。
⑵ 根据自然坡体的特点，上坡体采用锚杆框格梁进行防护，地梁之间暴露部分为防止坡面风化、剥蚀，采用种草进行处理。
⑶ 为排除地下水，提高岩土的抗剪强度，对于富水的高边坡，在坡脚及回填土处，设置仰斜排水孔，孔间距5～7m，孔径Φ100，仰斜5～10°，并采用特殊的透水型排水软管。
⑷ 对于工程地质条件较差，有倾向于临空面的不利结构面的高边坡，其坡脚应力集中，有滑塌可能，根据推力计算，在各级设置支挡工程，工程措施既要满足坡体的整体稳定，又要满足局部稳定的要求，同时要保证施工过程中的临时稳定。
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