压力分散型挡土墙支护高填土路基施工过程的受力特征 6页

第30卷第4期2013年4月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVoL30No．4Apr．2013doi：10．3969／j．issn．1002—0268．2013．04．003压力分散型挡土墙支护高填土路基施工过程的受力特征薛志超1，宋修广2，陈宝强3，牟旺4(1．山东省交通运输厅公路局，山东济南250002；2．山东大学土建与水利学院，山东济南250061；3．潍坊市公路勘察设计院，山东潍坊261061；4．潍坊市公路管理局，山东潍坊261061)摘要：新研发的压力分散型悬锚式挡墙通过安装多个锚定板及对锚索施加预应力，减少了挡墙的被动变形量，提高了锚定板极限锚固力，应用效果良好，但挡墙土压力分布规律也因此发生了显著改变，对结构受力将产生显著影响。为了揭示压力分散型悬锚式挡墙土压力分布规律，结合在建工程进行了现场试验，现场埋设土压力盒、锚索测力计等监测仪器，研究分析了填土过程中压力分散性挡土墙基底压力、侧向土压力、锚定板处压力及锚索拉力的变化规律。监测结果表明：随着填土增高及锚索预应力的施加，该类型挡土墙基底压力出现外侧压力与内侧压力峰值的交替变化，即挡墙表现为先向外倾后向内倾的变形趋势；挡土墙侧向土压力在施加锚索预应力前，表现为主动土压力分布模式，而施加预应力后，则表现为应力突变现象，侧向土压力明显增大，呈抛物线分布趋势；张拉顺序会影响锚索拉力值，使得锚索越靠近张拉端拉力值越大，锚定板受力越大。关键词：道路工程；受力特征；现场试验；压力分散性挡土墙；土压力中图分类号：U417．1+1文献标识码：A文章编号：1002—0268(2013)04—0011—06StressCharacteristicsofPressureDispersiveRetainingWalIforSupportingHigh-fillingEmbankmentduringConstructionXUEZhicha01，SONGXiuguan92，CHENBaoqian93，MUWan94(1．HighwayBureauofShandongProvincialDepartmentofCommunications，JinanShandong250002，China；2．SchoolofCivilEngineering，ShandongUniversity，JinanShandong250061，China；3．WeifangHighwaySurveyandDesignInstitute，WeifangShandong261061，China；4．WeifangHighwayAdministrationBureau，WeifangShandong261061，China)Abstract：Thenewdevelopedpressuredispersiveretainingwall，whichincludesseveralanchorplatesandprestressedcables，isabletoincreasetheanchorageforceandreducethepassivedeformationofretainingwall，andapplicationeffectisgood．However，thedistributionpatternofitslateralsoilpressureischangedsignificantly，andthestructurestressisalsoinfluencedsignificantly．Inordertorevealthesoilpressuredistributionpatternofpressuredispersiveretainingwall，fieldtestisconductedbasedontheprojectunderconstruction．Withtheembeddedmonitoringinstrumentssuchasearthpressurecellsandanchorforcemeteronsite，thevariationofbasalpressure，lateralearthpressure，pressureattheanchoringplateandanchorcabletensionofthedispersivepressureretainingwallduringfiHingprocessareanalyzed．Themonitoringresultsshowthat(1)thepeakbasalpressuresintheinsideandoutsideofthisretainingwallchangealternativelyasthefillingheightrisingandcableprestressapplying，theretainingwallhasadeformation收稿13期：2012—08—23基金项目：国家自然科学基金项目(51208284)作者简介：薛志超(1974一)，男，黑龙江明水人，高级工程师，博士研究生．(qlxmbxzc@163．eom)n12公路交通科技第30卷trendofoutwardtendencyfirstlyandinwardtendencysecondly；(2)thelateralearthpressureshowsactiveearthpressuredistributionbeforeanchorcableprestressed，whilestresschangeddramaticallyafterprestressinganchorcable，thelateralearthpressureincreasesevidentlyandshowsparaboladistributiontrend；(3)thetensionsequencecanaffecttensionpressureofanchorcable，thestressofanchorplateincreasesastheanchorcableclosetostressingpoint．Keywords：roadengineering；stresscharacteristic；fieldtest；pressuredispersiveretainingwall；soilpressure0引言以期提高锚定板锚固力，减小挡墙侧向变形。由于传统挡土墙如重力式、半重力式、悬臂式、扶壁式挡土墙等在使用时常受到客观条件的限制，从而促进锚杆式、加筋土、柱板式等轻型支挡结构的发展。轻型支挡工程施工简便且造价经济，突破了一些传统挡土墙的应用限制⋯。传统锚定板挡土墙是由墙面、拉杆、锚定板以及填土所共同组成的一个整体，依靠填土与锚定板接触面上的侧向承载力来维持结构的平衡。但由于1个拉杆只连接1个锚定板，锚固力受限，不适用于高填土地区；且其多为拼装式结构，抗震性能不足；另外锚定板与拉杆连接，只有挡墙达到一定变形的情况下，锚定板才能提供抗力。针对这些问题，通过分析大量挡墙结构形式心。8J，提出设置多个锚定板，通过锚索分别锚固到挡墙上，锚索可以主动施加预应力，从而给锚定板施加压力，这样可以有效地控制挡墙侧向变形，改善结构受力归j。并且提出的压力分散型挡土墙建立在悬臂式挡土墙的基础上，利用锚定板提高结构在土体中的抗拔力，利用锚索施加预应力可对土体提供前期的锚固力，结合了3者的优点形成1个整体，抗震性能好，适于用来支护高填土路基。大量的理论和试验研究表明¨0。14J，挡土墙压力的大小与岩土力学性质、墙高、支护结构形式及位移方向和大小等因素有关。由于压力分散性挡土墙构造特殊，土压力的影响因素更为复杂，锚垫板的浇注、锚索的张拉都会使挡墙土压力重新分布，从而使得这种结构的土压力分布有很大的不确定性。鉴于此，本文利用现场监测数据并结合理论分析，系统地研究了压力分散型挡土墙支护高填土路基施工过程受力特征。1挡土墙形式简介1．1挡土墙结构形式简介如图1所示，压力分散型挡土墙主要由锚索、锚定板和悬臂挡墙3部分组成，其中，每个锚定板连接1根7th5锚索，并按照设计荷载施加预应力，图1压力分散型悬锚式挡土墙通用构造图rig．1Generalstructureofpressuredispersivesuspended-anchorl陀taigingwall1．2挡土墙施工关键步骤挡土墙施工关键步骤是锚固系统的施工。锚固系统施工要进行反开挖，当路基填土超过锚索布置高度30am时，根据锚索位置及开挖尺寸要求进行反开挖。反开挖尺寸如图2(a)所示。(a)锚杆安装图(b)锚具安装图图2锚固系统施工Fig．2Constructionofanchorsystemn第4期薛志超，等：压力分散型挡土墙支护高填土路基施工过程的受力特征13反开挖后浇注锚定板，锚定板浇注完成后必须养护7d以上。按要求安装好锚索及其外部套管后，将锚索拉直，在返开挖槽内部浇注水泥砂浆，填平开挖槽。当填土达到挡墙顶部时，要进行锚索张拉，张拉荷载锁定值不低于设计荷载80kN。然后采用全长注浆，注浆由最远端锚定板开始，至悬臂挡墙处锚垫板冒浆时停止。注浆完成后，用水泥浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，并按设计要求用C25混凝土封闭锚头，以防止锈蚀和兼顾美观。外锚头混凝土浇注时要注意锚墩下部的振捣，防止出现蜂窝麻面，表面应平整、光滑。锚头防腐如图2(b)所示。1．3挡土墙监测方案为了分析新型挡土墙力学机理，选取2个典型断面，在基底、挡墙墙背、锚定板前埋设土压力盒用于监测填土过程中土压力的变化规律，同时安装了锚索测力计用于监测锚杆的拉力变化。如图3所示，每个断面的基底压力盒4个，侧向压力盒5个，锚定板压力盒4个，锚索测力计1个。(a)K8+639断面(b)K8+649断面图3监测仪器安装位置Fig．3Positionsofmonitoringequipment2填土过程中挡土墙土压力及锚定板压力分布规律2．1基底压力增量一填土高度关系如图4所示，通过2个断面对比可知，随着填土高度的增加，基底压力变化主要分3个阶段。(1)填土高度在2．5ITI以内时，内侧基底压力稍大于外侧且变化比较平缓。随着填土高度的增加，内侧基底压力逐渐增大，外侧基底压力逐渐减小。这说明填土高度在2．5m以内时，挡墙稍有向内转动的趋势。(2)填土高度在2．5～5m范围内时，随填土高度的增加，外侧基底压力快速增加，并超过内侧基底压力，内侧基底压力变化平稳，这表明挡墙侧向压力逐渐增大，挡墙开始出现绕立壁与墙底接触区域向外转动的趋势。4030￡20芒R10董o-10．20填土高度^Il(a)K8+639断面；三--◆-4—1．彩、。∥守f一“Nnn口目々”¨、。∞__划主㈣K8+649断面图4基底压力增量一填土高度关系图Fig．4Relationbetweenbasalpressureincrementandembankment6llj哗height填土高度4ITI时，基底压力理论计算值如图5(a)所示，基底外侧压力值为23．55kPa，内侧压力为1．45kPa；实测数据K8+639断面基底外侧压力值为18．72kPa，内侧压力为4．81kPa，与理论值相符程度不高，说明这组数据精度不高；且28。土压力盒数据基本没有变化，此处数据不可用。而K8+649断面实测数据基底外侧压力值为21．88kPa，内侧压力为2．88kPa，实测值与理论值基本相符，如图5(b)所示。这说明在填土过程中，K8+649断面基底土压力监测数据比较精确。(3)填土高度到5m时进行反开挖浇注锚定板，如图4(b)所示，基底内侧压力迅速增加，外侧压力n14公路交通科技第30卷Omax=23．55(a)理论计算值25嚣蓄lo世5醐0基底外侧基底内侧(b)理论值与实测值图5填土高度4m时的基底压力(单位：kPa)№5Basalpressureat4mrlmngheight(unit：kPa)迅速降低。这是由于反开挖卸荷严重，且土体密实度降低，土体给挡墙的侧向力减小，挡墙绕立壁与墙底接触区域向内运动。内侧39。土压力盒上升幅度较大，是由于挡墙内倾使内侧墙踵区域产生挠度变形，压力分布如图6所示，这样使得394土压力值大于29’。0日5星10趔15奋202530图6墙踵基底压力分布图Fig6Basalpressuredistributionatwallheelofretainingwall(4)锚定板浇注完成后，再进行填土，随着填土高度的增加，基底内侧压力逐渐增大，外侧压力逐渐减小，这说明挡墙继续向内运动的趋势。由于回填土密实度不够，接触不紧密，因此土压力内侧增幅和外侧降幅都比之前小。填土到7．2m时进行预应力锚索张拉，从图4可以看出，张拉后基底内侧压力增大，外侧压力减小，发生应力突变。2．2挡土墙侧向土压力变化规律研究(1)侧向土压力增量随填土高度变化规律分析图7中2个断面侧向土压力变化规律并对比图8理论计算值，可得如下分析结果：在反开挖之前，随填土高度增加，挡墙侧向压力值随之增加。分析2个断面，处于同一位置的23。、25。土压力变化规律基本一致。以K8+639断面23’土压力盒监测数据为例，图7为23。土压力盒处理论值与实测值对比图，符合度较好。这说明监测数据的可靠性。最下端218、27。的侧向土压力均偏小，分析原因，该层位于最下排泄水孔的石灰土中，石灰土固7060日50a_芒40奋302010O65。0酸翮O．10填土高度，m(a)K8+639断面填土高度／m佃1K8+649断面图7侧向土压力增量一填土高度关系图Fig．7Relationbetweenlateralsoilpressureincrementandfillheight注：填土高度达到5m时，进行反开挖安装锚固系统；填土高度7．2m时进行了预应力锚索张拉。图8土压力盒处理论值与实测值对比图(以23’为例)Fig．8Comparisonbetweentheoreticalvalueandmeasuredvalueoflateralsoilpressureatpositionofearthpressurecell(inthecaseofcellNo．23)化后强度较高，导致侧向压力不能有效传递，土压力偏小。填土高度到5m时进行反开挖，反开挖之后挡墙侧向土压力有1个回落，之后随着填土高度增加，侧向土压力增大，但增幅小于开挖之前。这是由于反开挖使土体密实度降低造成的。填土高度到7．2m时预应力锚索张拉，张拉之后侧向土压力增大且增幅明显。这是由于预应力的张拉作用在挡墙上，使侧向力增大。(2)侧向土压力增量随挡墙高度的变化规律如图9所示，2段面监测得到的数据规律基本一致，呈抛物线形式分布。在距离墙底2m处侧向土邪∞弘如巧∞：2m，o日置＼R出n第4期薛志超，等：压力分散型挡土墙支护高填土路基施工过程的受力特征15压力值偏大，距离墙底3．5m处侧向土压力值偏小。。器熟镪10060￡50董40盲30“2010021。107)23=(2O)19”135)6；(5O)新22(60)土压力盒安装高度，m(a)K8+639断面K649断面214(O．7J252(20)9。(35)6。(5O)新3。(6．0)土压力盒安装高度／m(b)K8+649断面注：图中横坐标为土压力盒编号，括号内为对应的距离基底的高度。图9侧向土压力增量一路堤高度关系图Fig,9Relationbetweenlateralearthpressureincrementandembankmentheight通过与理论值对比发现，挡墙侧向土压力在锚固装置的下方土压力大幅度增加，这是由于锚索安装并注浆保护后将起到横系梁的作用，造成锚索周围局部应力值突增，侧向压力增大。挡墙侧向土压力在锚固装置的上方土压力大幅度减小，这是由于锚定板的浇注，承担了大部分的侧向土压力，使得与锚定板处于同一水平面及其周围部分承担了较小的侧向力，挡墙侧向土压力值较小。2．3锚定板处压力盒数据变化(1)分析图10，2个断面在张拉之前所有压力值随着施工填土、压实的进程变化很小，而张拉之后测得的锚索拉力值都快度增大。(2)表1为2断面张拉前后变化值。表l张拉前后锚定板压力变化值Tab．1Pressurevariationvaluesofanchorplatebeforeandaftertensioning断面锚定板编号及其对应压力值／kPa2个断面压力变化规律基本一致，以K8+649断5000005000500140120100806040200—20．40K8+639截面锚定板压力图}】期(b)K8+649断面图10锚定板处压力变化规律Fig,10Pressurevariationregularityofanchorplate面为例，锚定板距张拉挡墙由近及远为新4。、88、11”、旧3。。张拉后压力值分布由大到小为8。>114>4’>旧3。。出现这种情况的原因主要有2个：张拉顺序：施工中采用的张拉顺序为由远及近张拉。张拉顺序会引起卸载，使得锚索越靠近张拉端拉力值越大，从而使得锚定板压力值8’>114>旧38。在张拉过程中，随着张拉的进行，素混凝土完成了弹性变形，摩阻损失增大，使得新4”测得的压力值与另外2个所呈现的规律不一致。3结论(1)随着填土高度的增加，压力分散型挡土墙基底压力逐渐增大，并且挡墙逐渐有绕立壁与墙底接触区域向外运动的趋势；反开挖后j挡墙绕立壁与墙底接触区域向内运动，使基底内侧压力迅速增加，外侧压力迅速降低；张拉后，基底内侧压力增大，外侧压力减小，分别产生应力突变。(2)挡土墙侧向土压力在反开挖之前，随着填土高度增加，挡墙侧向压力值随之增加，且与理论计算值比较相符。预应力锚索张拉后，侧向土压力增大。(3)分析挡墙侧向土压力随挡墙高度的变化规律时，出现了在锚固装置的下方土压力大幅度增加，上方土压力值大幅度减小的情况，侧向土压力呈抛物线分布。(4)张拉顺序会影响锚索拉力值，使得锚索越靠近张拉端拉力值越大，从而使锚定板压力值越大。张拉过程中素混凝土的变形也会影响锚定板压力值。景系n公路交通科技第30卷参考文献：References：[1]周恒宇．锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究[D]．成都：西南交通大学，2010．ZHOUHengyu．ResearchonMechanicalMechanismofSlopeProtectiononAnchoredwau[D]．Chengdu：SouthwestJiaotongUniversity，2010．[2]郭景堂．预应力锚索桩板墙在软基陡坡高填路堤支挡中的应用[J]．林业建设，2010(4)：10—13．GUOJingtang．ApplieafionofSheetPileWaⅡwithPrestressedAnchorinSuppoaforHigh-steepEmbankmentwithSoftSoilFoundation[J]．ForestryConstruction，2010(4)：10—13．[3]夏长华，田学明．压力分散型预应力锚索在高边坡加固中的应用[J]．探矿工程(岩土钻掘工程)，2006，33(4)：35—37．XIAChanghHa，TIANXueming．ApplicationofCompressionDecentralizedPre—stressedCablesinSlopReinforcement[J]．ExplorationEngineering(Rock＆SoilDrillingandTunneling)，2006，33(4)：35—37．[4]汤勇．加锚悬臂式挡墙理论分析与工程应用研究[D]．长沙：中南大学，2010．TANGYong．TheoreticalAnalysisandPracticalApplicationofAnchor·cantileverRetainingWall[D]．Changsha：CentralSouthUniversity，2010．[5]龙丽芳．预应力压力分散型锚索桩板式挡土墙设计与施工的研究[D]．南宁：广西大学，2009．LONGLifang．ResearchonDesignandConstructionofPrestessedAnchorCablePileWallwithDistributedPressure[D]．Nanning：GuangxiUniversity，2009．[6]聂勇，付江山，吴肖俊．锚杆对悬壁式挡墙抗滑稳定性的影响[J]．西部交通科技，2010(1)：29—32．37．NIEYong．FUJiangshan，WUXiaojun．TheInfluenceofSlidingResistanceonCantileverAnchorWall[J]．WesternChinaCommunicationsScience＆Technology．2010(1)：29—32，37．[7]杨顺臻．压力分散型预应力锚索桩板墙结构体系及应用研究[D]．重庆：重庆交通大学，2008．YANGShunzhen．InvestigationandApplicationonStructureofPressureDistributionTypePrestressingAnchorRopePile—PlateRetainingwall[D]．Chongqing：ChongqingJiaotongUniversity，2008．[8]廖福星，陈永垄，尹基德．压力分散型预应力锚索施工技术[J]。路基工程，2006(1)：85—87，LIAOFuxing，CHENYongkun，YINJide．ConstructionTechniqueforDispersiveStressTypePrestressedAnchoredCables[J]．SubgradeEngineering，2006，(1)：85—87．[9]朱彦鹏，罗晓辉，周勇．支挡结构设计[M]．北京：高等教育出版社，2008．ZHUYanpeng，LUOXiaohui，ZHOUYong．DesignofRetainingStructures[M]．Bering：HigherEducationPress，2008．[10]徐日庆．考虑位移和时间的土压力计算方法[J]．浙江大学学报：工学版，2000，34(4)：370—375．XURiqing．MethodsofEarthPressureCalculationforExcavation[J]．JournalofZhejiangUniversity：EngineeringScienceEdition，2000，34(4)：370—375．[11]梅国雄，宰金珉．考虑位移影响的土压力近似计算方法[J]．岩土力学，2001，22(1)：83—85．MEIGuoxiong，ZAIJinmin．EarthPressureCalculatingMethodConsideringDisplacement[J]．RockandSoilMechanics，2001，22(1)：83—85．[12]蒋波，应宏伟，谢康和．挡土墙后土体拱效应分析[J]．浙江大学学报：工学版，2005，39(1)：131—136．JIANGBo，YINGHongwei，XIEKanghe．AnalysisonSoilArchingbehindRetainingWall[J]．JournalofZhejiangUniversity：EngineeringScienceEdition，2005，39(1)：131—136．[13]刘世安，张永兴，陈建功．悬臂式挡墙系统模态试验研究[J]．公路交通科技，2009，26(7)：49—53．63．LIUShran，ZHANGYongxing，CHENJiangong．ExperimentalStudyonModalAnalysisofCantileverRetainingWallSystem[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2009，26(7)：49—53，63．[14]应宏伟，蒋波，谢康和．考虑土拱效应的挡土墙主动土压力分布[J]．岩土工程学报，2007，29(5)：717—722．YINGHongwei，JIANGBo，XIEKanghe．DistributionofActiveEarthPressureAgainstRetainingWailsConsideringArchingEffects[J]．ChineseJournalofGeoteehnicalEngineering，2007，29(5)：717—722．