锚杆式挡土墙在基坑支护中的应用

陆 雯，张 旭，吴舒海

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000)

锚杆式挡土墙在基坑支护中的应用

陆 雯1，张 旭2，吴舒海1

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000)

锚杆挡土墙是一种轻型的支护结构。本文以淮涟闸除险加固工程基坑支护的锚杆挡土墙为研究对象，分析了锚杆挡土墙的不同的计算方法及施工要求。研究表明：工程施工后对淮涟闸东侧附近的民房基本无影响，减少了周边房屋的拆迁量；锚杆挡土墙具有占用场地少、施工方便、工期短等特点，能够有效地确保工程的安全性。

锚杆挡土墙；基坑支护；土压力；挡土结构

1 工程概况

淮涟闸位于淮安市淮阴区杨庄，中运河与淮沭新河交汇处，与淮阴闸相距200 m，是分淮入沂综合利用工程之一，为淮涟灌区和徐溜灌区引水渠首工程。根据淮涟闸安全鉴定结论，对该闸进行原址拆除重建。根据工程总体规划，淮涟闸设计流量为110 m3/s。现状老闸共6孔，单孔净宽4 m，总净宽24 m。除险加固工程拟于原址上拆除新建，按照原有规模进行设计，单孔净宽8 m，共3孔，设计流量仍为110 m3/s，采用整体式平底板胸墙式水闸结构[1]。淮涟闸东侧民房较为密集，上、下游第一节挡墙基础边线距最近的民房仅约10 m。经方案比选，为减少工程征占地及对周边房屋的影响，在老闸拆除之前先于闸东侧采用预应力锚杆挡土墙作为临时基坑支护。

根据地质勘探报告，闸东侧地质按其成因类型及土的性状自上而下可分为如下各层：

(2)①层(Q4al)：黄灰夹灰色粉质黏土，局部为黏土，高程6.40～4.90 m，直接快剪凝聚力cq为21.2 kPa，内摩擦角φq为9.3°。

(3)②层(Q3al)：灰绿渐变为灰黄、棕黄色粉质黏土，含铁锰质斑，高程4.90～1.80 m，直接快剪凝聚力cq为40.7 kPa，内摩擦角φq为13.2°。

(4)③1层(Q3al)：灰黄色粉砂、细砂，含云母片，高程1.80～-3.90 m，直接快剪凝聚力cq为4.4 kPa，内摩擦角φq为27.4°。

(5)③2层(Q3al+pl)：灰黄色含少量砾的细砂，含云母片，高程-3.90～-7.00 m，直接快剪凝聚力cq为4.9 kPa，内摩擦角φq为30.4°。

(6)⑤层(Q3al)：棕黄夹灰白色含少量砾的粉质黏土，含少量砂礓和铁锰质结核，高程-7.00～-17.40 m，直接快剪凝聚力cq为62.4 kPa，内摩擦角φq为12.3°。

2 锚杆挡土墙受力分析及计算方法

2.1 锚杆挡土墙的布置

本工程锚杆挡土墙立板采用混凝土地连墙结构，地连墙厚度为60 cm，墙顶高程为13.00 m，墙底高程为-1.00 m，根据地质条件、挡土高度要求，墙后采用1排锚杆拉结。地连墙施工前先将闸身闸侧土方开挖至标高13.00 m，地连墙施工完毕后，进行第一次墙前土方开挖，开挖至标高10.00 m，然后进行墙后锚杆施工，最后墙前土方开挖至设计标高5.80 m。锚杆钻孔直径为200 mm，锚杆采用4根1×7标准型公称直径12.7 mm-1860无粘结钢绞线，倾角15°，锚杆自由段长6 m，锚固段长14.0 m，水平间距1.5 m，锚固段灌M30水泥砂浆。锚杆挡土墙布置详见图1。

图1 锚杆挡土墙布置图

2.2 锚杆挡土墙计算方法

基坑支护结构计算主要有经典法和弹性法。由于经典法计算土体的被动土压力无法计算土体的变形，而且在一些不可能或不允许产生土体极限平衡状态的情况下，经典法无法计算其相应的土压力，因此，弹性法在理论上较经典法更为成熟[2]。本文计算采用杆系有限元法，它是基于弹性理论较常采用的一种用于基坑支护工程的设计计算方法。沿纵向方向取地连墙单位宽度，将其视为一个竖放的弹性地基梁，对锚杆挡土墙结构进行离散化，地层抗力作用采用一系列弹簧来模拟，弹簧布置在节点上。在两个阶段的基坑开挖面(高程10.00 m、5.80 m)处及锚杆支撑处(高程11.00 m)各布置1个节点，共3个，沿高程5.80～-1.00 m地连墙竖向方向间距0.60～1.40 m布置6个结点，即截取9个单元，17个杆件(弹簧支座均模拟成杆)，18个节点，杆系划分详见图2杆系有限元法计算简图。

图2 杆系有限元法计算简图

地连墙墙后主动土压力计算仍采用经典土压力理论——朗肯理论计算。对于粉土及黏性土，作用在支护结构上的主动土压力(即水平荷载标准值)为[3]：

(1)

式中:eajk为主动土压力，kN;Ka i为第i层土的主动土压力系数；σajk为作用于深度zj处的竖向土应力,kN；ci k三轴实验确定的第i层土固结不排水(快)剪黏聚力,kN；当按式(1)计算eajk小于零时，应取零。

图3 主动土压力分布图

各单位宽度的地层抗力弹簧刚度取该弹簧附近的地层弹性抗力系数乘以相邻两弹簧之间距离的平均值，其计算式为：

(2)

锚杆处水平刚度系数KT：

(3)

(4)

式中：Lf为锚杆自由段长度，取6 m；La为锚杆锚固段的长度，取14 m；Es为杆体的弹性模量，无粘结钢绞线取1.95E+5；A为杆体截面积，4根1×7标准型公称直径12.7 mm-1860无粘结钢绞线公称截面积共394.8 mm2；AC为锚固体的截面积，78.54 cm2；EC为锚固体组合弹性模量，算得30 696.3 N/mm2；Em为注浆体弹性模量，M30水泥砂浆取22 000 N/mm2。θ为锚杆水平倾角15°。将各参数代入式(3)、式(4),求得锚杆处水平刚度系数KT为10 640.81 kN/m。

2.3 锚杆挡土墙内力计算分析

根据锚杆挡土墙设计荷载及相关计算参数，运用矩阵位移法基本平衡方程进行计算：

[K]·{δ}={R}

(5)

式中:[K]为整个支护结构的总体刚度矩阵；{δ}为位移矩阵；{R}为总的荷载矩阵。

采用电算程序，求得各跨最大弯矩M、各支座剪力V、轴力N后绘出弯矩图、剪力图。根据计算成果，杆件⑩(即锚杆支撑处)弯矩M为0，剪力V为0，轴力N为173.45 kN。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)中公式，算得锚杆轴向拉力设计值N=337 kN，取340 kN，因此选取4根1×7标准型公称直径12.7 mm-1860无粘结钢绞线符合规范要求；节点1(即地连墙墙顶处)位移δ为1.5 cm小于规范允许值，符合规范要求；弯矩M最大值在杆件③处，Mmax为276 kN·m，根据规范，每米地连墙配置522 mm受力钢筋。

2.4 施工要求

该工程的施工工序为：平整场地→测量放线→开挖一段地连墙基槽→现浇相应段钢筋混凝土地连墙→重复前2项施工工艺，直至地连墙浇筑完成→开挖一段墙前土方至第一次开挖高程10.0 m→相应段锚杆制作、钻孔→清孔→注浆→养护→相应段锚杆第一次预紧锁定→重复前6项施工工艺，直至锚杆全部预紧锁定→开挖墙前土方至设计高程5.8 m→统一微调锚杆张力至轴向拉力设计值340 kN。

施工中应注意以下事项：(1)应严格控制地连墙嵌入地面深度，以保证其稳定性；(2)锚杆张拉应有序进行，张拉顺序应考虑邻近锚杆的相互影响；锚杆正式张拉前，应取0.1～0.2的锚杆轴向拉力设计值N(340 kN)，对锚杆预张拉1～2次，使杆体完全平直，各部位接触紧密；(3)宜采用顺作法施工；(4)各项工序应该紧密衔接，加强监测，做到施工信息动态化。

3 结 语

淮涟闸除险加固工程在老闸拆除之前于闸身东侧采用锚杆挡土墙作为临时基坑支护，工程施工后地连墙实际位移仅有1.5 cm左右，对该闸东侧附近的民房基本无影响，减少了周边房屋的拆迁量，保障了施工工期。本工程锚杆挡土墙施工实施效果表明，锚杆挡土墙具有占用场地少、施工方便、工期短等特点，能够有效地确保工程的安全性，为类似工程的施工设计提供了很好的基坑支护经验。

[1] 李辉, 张晓松, 李兴兵,等. 地下连续墙与压力分散型锚杆组合式挡土结构研究与工程应用[J]. 江苏水利, 2012(9):51.

[2] 任泽垠, 陈维康. 锚杆边墙在重阳水库溢洪道中的应用[J]. 水利规划与设计, 2010(3):71-73.

[3] 朱思军, 陈小丹, 杨光华,等. 某水闸左岸挡土墙开裂原因分析及处理措施[J]. 广东水利水电, 2016(9):11-15.

Application of anchor retaining wall in foundation pit support

LU Wen1，ZHANG Xu2，WU Shuhai1

(1.JiangsuWaterConservancySurveyDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Yangzhou225127,China;2.TaihuWaterConservancyPlanningandDesignInstituteofJiangsuProvince,Ltd.,Suzhou215000,China)

The anchor retaining wall is a kind of light retaining structure,the Huailian Sluice reinforcement project used the anchor retaining wall as the foundation pit supporting measures. the paper taked anchor retaining wall as the research object,and analysed the different calculation methods of anchor retaining wall and construction requirement.The results showe that,the construction of anchor retaining wall has no effect on the house which near the east gate Huai Lian,anchor retaining wall has the characteristics of less occupied site, convenient construction and short period of work,and can effectively ensure the safety of the project.

anchor retaining wall;foundation pit support;earth pressure;retaining structure

U417.1+16;TU476+.4

A

2096-0506(2017)11-0040-04

陆 雯(1985-)，女 ，江苏兴化人，研究方向：水利建设与管理。E-mail：kikiki158@163.com。