岩土支挡与锚固工程.docx

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岩土支挡与锚固工程

前言（1h）

、课程性质

岩土工程主要问题

（1）地基稳定问题一一沉降与变形一一《基础工程与地基处理》（《地基处理技术》等）

（2）斜坡稳定问题一一破坏模式与防护技术一一《支挡结构设计与施工》、《地质灾害治理工程设计》、《岩土支挡与锚固工程》等

（3）围岩（硐室）稳定问题变形破坏与防治《隧道工程》、《巷道支护技术》、《岩土锚固工程》等

（4）涉水的岩土问题：

水库、堤岸、港口、码头、海岸等《抛石基础？

》、《坝体设计与施工？

》

研究人类工程活动与地质环境（工程地质条件）之间的相互作用，以便正确评价、合理利用、有效改造和完善保护地质环境。

二、支挡结构设计的基本方法

研究对象：

工程地质问题L：

斜坡稳定稳定（部分围岩稳定）改造与加固为目的。

变形程度时间效应

研究内容：

应用工程地质分析的原理和方法，获取岩土体及其变形破坏特点和变形破坏机理的地质信息；以岩土支挡与锚固为主要手段，依据结构构造物与岩土体的作用特点，应用岩土力学、结构力学等的理论与方法，解决不同性状的岩土体的稳定性问题。

研究方法：

地质分析、原理分析、力学分析

第1章岩土支挡设计的基本原理（3h）

概述

需支挡或加固的岩土体：

各类滑坡、潜在不稳定斜坡、人工开挖边坡（含深基坑）、隧道及地下硐室、港口码头等

1.1.1岩土体失稳破坏模式取决于岩土体所处的地质环境、物理力学性质、内外动力作用（制约与影响因素）等自然斜坡：

崩（塌）、滑（坡）、泥（石流）人工边坡：

水利水电工程高边坡、路堤路堑边坡、露天矿边坡、深基坑等硐室围岩：

《工程地质分析原理》

1.1.2岩土体失稳破坏机理岩土介质：

岩质边坡（硐室围岩）、土质边坡、成因条件（堆积、坡积、风积等）受力条件：

应力状态、应力历史、堆（载）卸（荷）条件影响因素：

降雨、台风、人类活动

比如岩质边坡的破坏模型有：

（1）滑移-压致拉裂、

（2）滑移-拉裂、（3）滑移-弯曲、（4）弯曲-拉裂、（5）拉裂-剪出、及其组合模型等；

土质边坡的破坏模型有：

（1）均质土坡的圆弧滑动、

（2）顺层土体沿软弱面蠕变、（3）沿基岩面滑动、（4）裂隙土体的崩落破坏等。

1.1.3支挡与锚固的一般原理

1.1.4岩土支挡与锚固工程的主要结构类型

解决岩土体稳定性的基本途径：

提供支撑力、设置阻滑体、锚固不稳定体（、改良岩土体）支挡结构：

使岩土体保持稳定、控制位移（或变形）而建造的结构物（体）常见支挡结构类型有：

（1）挡土墙：

重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土；

（2）挡土桩：

悬臂桩、拉锚桩等；

（3）

抗滑桩：

（4）

地下连续墙：

常见锚固工程类型有：

（1）

系统锚杆

（2）

全长粘结型锚杆

（3）

端头锚固型锚杆

（4）

摩擦型锚杆

（5）

管式锚杆和自钻式锚杆

（6）

预应力锚杆（锚索

支挡和锚固共同作用类型有：

（1）

锚拉桩、锚定板式挡土墙

（2）

预应力格构锚

（3）

土钉墙

（4）

喷锚支护

（5）

柔性防护网支护

支挡与锚固设计原则

1.2.1设计方法

工程设计：

诸多不确定前提下，按照已知有限条件（工期、费用、安全性等），确定当时

认为最为合理的方法（措施）。

要求设计人员：

对影响结构因素的认识、岩土内在规律的把握、对涉及结果可靠性的分析设计方法发展概况：

安全系数法=:

概率极限状态设计法（可靠度设计）

目前岩土设计方法：

工程类比法、安全系数法、概率极限状态设计法（可靠度设计）

（1）工程类比法

即经验设计法，包括直接类比法和间接类比法，辅之以量测法和理论验算法

工程实践中采用较为广泛的设计方法，各类规范明确！

（2）安全系数法

安全系数的认识一一概念

安全系数不是定量表示安全性的尺度！

（3）概率极限状态设计法

概念：

以可靠度为设计目标、以概率论为基础、以设计目标（结构或构件）达到某种功能（如抗剪性、抗弯性等）要求的极限状态为依据、结构设计计算方法。

以后岩土工程设计的主流方向！

小计：

岩土体及其防治工程结构稳定性分析多采用——安全系数法；支挡工程结构设计采用——概率极限状态设计法喷锚支护目前一般采用——工程类比法

1.2.2设计阶段与设计等级

（1）设计阶段：

取决于工程任务（目标）与工作程度，不同行业又有不同建筑工程领域（港口工程）：

可行性方案设计、初步设计、施工图设计公路工程领域：

可行性设计（又分预可和工可）、初步设计、施工图设计水利水电工程（铁路工程）：

预可行性规划设计、可行性方案设计、初步设计（初测）、施工图设计（定测）四个阶段

地质灾害领域：

可行性方案设计、初步设计、施工图设计

（2）不同设计阶段的设计目标项目决策后，岩土工程设计一般进行初步设计和施工图设计了。

大型和重要工程，初步设计前，应进行设计方案的优选！

可研阶段设计：

必要性论证、可行性分析、方案对比、经济技术分析等初设阶段设计：

对可研推荐方案进行论证、对工程方案进行分解、提出具体工程实现步骤、提出相关工程参数、进行结构设计计算、编制报告与图件，进行工程概算。

初设文件的深度要求：

①应符合已审定的设计方案；②能据以确定土地征用范围；③能据以准备主要设备及材料；

4应提供工程设计概算，作为审批确定项目投资的依据；

5能据以进行施工图设计

6能据以进行施工准备。

施工图设计：

细化施工图、提出施工技术、施工组织和安全措施的要求、满足工程施工和工程招标要求，编制以结构为主体的细部图图件及说明，进行工程预算。

施工图设计文件的深度要求：

1能据以进行施工与安装；

2能据以安排材料、设备订货和非标制作；

3能据以编制施工图预算；

4能据以进行工程验收。

（3）设计等级（安全等级）务必熟记的几类岩土设计系数：

滑坡防治工程：

安全系数有抗滑、抗倾覆、抗剪断

公路路堑边坡工程设计：

建筑边坡工程设计：

水利水电工程边坡：

1.2.3极限状态设计原则基本要求：

安全性、适用性、耐久性一般原则：

与工程结构的设计原则一致，《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）

1.2.4荷载及其作用效应组合

（1）荷载的种类

A、岩土体自重：

天然重度、浮重、饱和重度等

B、土压力：

主动土压力、被动土压力、静止土压力

C、水压力：

静水压力和动水压力（渗透水压力）

D地震作用力：

地震系数（地震加速度除以重力加速度）乘以岩土体重力

E、其他作用力：

风载、雪载、车辆荷载、波浪压力、临时施工荷载、温度影响等

（2）荷载作用效应组合

第2章土压力与滑坡推力（6h）

概述

岩土体作用力（变形破坏）规律的认识——变形机理、受力特征、结构形式等

正确、合理确定岩土压力或者说岩土体作用在支挡结构上的力的大小、方向、分布、变化

规律等，是我们做岩土支挡与锚固结构设计的第一步，也是最为关键的一步！

土压力计算

（1）静止土压力

（2）主动土压力

（3）被动土压力

2.2.1静止土压力计算

2.2.2朗肯土压力计算

朗肯（英国），1857年提出。

基本假定：

1挡土墙墙背竖直、光滑；

2墙后土体表面水平并无限延长。

土体内任意水平面与墙背均为主平面（即该平面上无剪应力作用），作用于两平面的正应力均为主应力

图2-5朗肯土压力计算图式

2.2.3库伦土压力计算

库伦（法国）1773年提出，基本假定：

1挡土墙墙后为砂土（c=0）；

2挡土墙墙后土体产生主动或被动土压力时，土体形成滑动楔体，其滑裂面为通过墙踵的平面。

库伦土压力理论根据滑动楔体处于极限平衡状态时，应用静力平衡条件求解得主动土压力与被动土压力。

2.2.4第二破裂面计算法

产生条件：

1墙背倾角必须大于第二破裂面的倾角；

2投影在墙背上的力所产生的下滑力必须小于墙背处的抗滑力。

土压力计算小结

2.3.1库伦理论与朗肯理论的适用条件

P37

实践中，用库伦公式计算主动土压力，用朗肯公式计算被动土压力

2.3.2规范推荐的土压力计算方法

特殊条件下的土压力计算

2.4.1超载作用下的土压力计算

2.4.2墙后土体分层时的土压力计算

2.4.3有地下水作用下的土压力计算

2.4.4折线型墙背土压力计算

2.4.5有限范围内土体的土压力计算

2.4.6土体表面不规则时的土压力计算土压力图解法

Poncelet法、Culmann法

2.5.1基本原理

2.5.2图解步骤

不同结构物作用时土压力的分布与计算

土压力计算中的参数取值

2.7.1有效应力法与总应力法

2.7.2用等效内摩擦角计算主动土压力

滑坡推力计算

第3章挡土墙计算与设计（4h）

挡土墙的基本类型

重力式挡土墙设计

3.2.1概述

重力式挡土墙是以挡土墙的自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，课用石砌或混凝土建成。

课根据其墙背的坡度分为仰视、垂直、俯视三种类型。

①按土压力理论，仰斜背墙的主动土压力最小，而俯斜墙背的主动土压力最大，垂直墙背承受的土压力介于两者之间。

②若挡土墙修建时需要开挖，因仰斜墙背可与开挖的临时边坡相结合，而俯斜墙背后需要回填土，对于支挡挖方工程的边坡，以仰斜墙背为好，反之，如果是填方工程，应采用俯斜墙背或垂直墙背，以便填土夯实。

个别情况下，为减小土压力，采用仰斜墙也是可行的，但应该注意墙背附近的回填土质量。

3当墙前原有地形较平坦，用仰斜墙背比较合理，若原有地形较陡，用仰斜墙背会使墙身增高很多，此时应当采用垂直或俯斜墙。

综上所述，边坡需要开挖时，仰斜墙施工方便，土压力小墙身截面经济，设计时应优先选用仰斜墙。

而填方路堤或边坡，则宜优先选用直墙或俯斜墙。

3.2.2重力式挡土墙设计

1）抗滑移稳定性验算

2）抗倾覆稳定性验算

3）地基承载力验算（基地压力及偏心验算）

4）墙身强度验算

（5）其他需要验算的项

软弱下卧层验算

整体稳定性验算

3.2.3重力式挡土墙构造

3.2.4挡土墙填料选择

由土压力计算理论可知，填料的内摩擦角越大，主动土压力就越小；而填料的重度越大，主动土压力就越大。

因此应选择内摩擦角大、重度小的填料，应优先采用砂类土、碎（砾）石土填筑。

具有透水性好，抗剪强度大且稳定、易排水，能显著减少主动土压力。

一般不采用粘性土，对于重要的、高度较大的挡土墙，不应用粘土做填料。

3.2.5挡土墙的排水措施

（1）墙身排水措施

墙身排水主要是为了排除墙后积水。

在挡土墙背侧应设置200-400伽的反滤层，孔洞附近1m范围内应加厚至400-600伽，通常在墙身适当高度处设置一排或数排泄水孔。

如图3-9

（2）地表排水措施凡挡土墙后有较大的面积或山坡，则应在填土顶面、离挡土墙适当的距离设截水沟，把坡上、外部径流截断排除。

重力式挡土墙施工

施工时应注意以下事项

悬臂式与扶壁式挡土墙设计

3.3.1悬臂式挡土墙构造

3.3.2悬臂式挡土墙设计

悬臂式挡土墙设计，分为墙身截面尺寸拟定以及混凝土结构设计两部分。

确定墙身的断面尺寸，是通过试算法来进行的，其做法是先拟定截面的试算尺寸，计算作用其上的土压力，通过稳定验算来确定墙踵板和墙趾板的长度。

钢筋混凝土结构设计，则是对已经确定的墙身截面尺寸进行内力计算和钢筋设计。

在配筋设计时，可能会调整截面尺寸，特别是墙身的厚度。

悬臂式挡土墙，一般也以墙长方向取1延米计算。

3.3.2.1墙身截面尺寸的拟定：

（2）墙趾板长度墙趾板的长度，根据全墙抗倾覆稳定系数、基底合力偏心距e限制和基底地基承载力等要求来确定。

3.2.2.2土压力计算

3.3.2.3墙身内力计算

（1）立板的内力

2）墙踵板的内力

3）墙趾板的内力

3.3.2.4墙身钢筋混凝土配筋设计

斜截面

悬臂式挡土墙的立板和底板，按受弯构件设计。

除构件正截面受弯承载力、受剪承载力外，还要进行裂缝宽度验算。

2）底板钢筋设计

3.3.3扶壁式挡土墙构造

3.3.4扶壁式挡土墙设计

（1）立板的内力计算

2）墙踵板的内力计算

（3）扶壁的内力计算

加筋土挡土墙设计

加筋土挡土墙由墙面板、基础、拉筋（筋带）和填料等部分组成。

工作原理是依靠填料与拉筋之间的摩擦力，来平衡墙面所承受的水平土压力（即加筋土挡土墙的内部稳定），并以拉筋、填料的复合结构抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力（即加筋土挡土墙的外部稳定），从而保证了挡土墙的稳定。

3.4.1加筋土挡土墙构造

3.4.1.1面板

面板的主要作用是防止拉筋间填土从侧向挤出，保证拉筋、填料、墙面板构成一个具有一定形状的整体。

应具有足够的强度，保证拉筋端部土体的稳定。

3.4.1.2拉筋拉筋对于加筋土挡土墙至关重要，应具备较高抗拉强度，延伸率小，蠕变变形小，有较好的柔性，与填土间有较大的摩阻力，抗腐蚀，便于制作，价格低廉的特性。

3.4.1.3拉筋与面板的连接面板与拉筋之前除了有必须的坚固可靠连接，还应有与拉筋相同的耐腐蚀性。

3.4.1.4填料填料为加筋土挡土墙的主体材料，必须易于填注和压实，与拉筋之间有可靠的摩擦阻力，不应对拉筋有腐蚀性。

3.4.1.5墙面板下基础基础采用混凝土灌注或浆砌片石砌筑。

一般为矩形，高，宽。

顶面可做凹槽，以利于安装层面板。

3.4.1.6沉降缝与伸缩缝

通常每隔10-20m设置沉降缝，在地基情况变化处以及墙高变化处也应设沉降缝。

伸缩缝与沉降缝通常设置在一起。

3.4.1.7帽石与栏杆

用是约束墙面板，为保证人身安全应设置栏杆，高。

3.4.1.8排水设计

3.4.1.9断面设置

加筋土挡土墙较高时，将挡土墙分级。

两级之间设不小于1m的错台。

应保证上级墙

的基础承载力要求，必要时在基础板下设石灰土人工地基。

3.4.2加筋土加固机理

当前分析加筋土的强度有两种观点：

1把加筋土看成组合材料，认为加筋土是复合体结构（亦称锚定式结构），用摩擦原理来解释分析。

2把加筋土视为均质的各向异性材料，即认为加筋土是复合材料结构，用莫尔-库伦理论来解释分析，称为准粘聚力原理。

3.4.2.1摩擦原理解释

3.4.2.2莫尔-库伦理论解释

3.4.3加筋土挡土墙设计

一．破裂面的确定本节主要考虑把筋、土分开考虑的设计计算方法，加筋土挡土墙面板后填料中的破裂面（简称破裂面或滑面）的形状和位置是确定筋条截面和长度的重要依据。

．拉筋的受力

三．基本假定

1墙面板承受填料产生的主动土压力，每块面板承受其相应范围的主动土压力，将由墙面板上拉筋有效摩擦阻力即抗拔力来平衡。

2挡土墙内部加筋体分为滑动区和稳定区，这两区分界面为土体的破裂面，破裂面可按折线法来确定。

3拉筋与填料之间的摩擦系数在拉筋全长范围内相同。

4压在拉筋有效长度上的填料自重及荷载对拉筋均产生有效的摩擦阻力。

四．土压力的确定

A．墙后填料产生的主动土压力p1i

B.墙顶面上荷载产生的水平土压力强度p2i

五．作用在拉筋上的竖向压应力

六．墙面板设计

七．拉筋设计

（3）拉筋截面设计

②钢筋混凝土拉筋

八．拉筋抗拔稳定性计算九．全墙整体稳定验算

3.4.4加筋土挡土墙施工

（1）基坑施工

（2）面板制作及安装

（3）填土工程

（4）拉筋铺设

第4章基坑支护结构计算与设计（6h）

概述

基坑支护的体系的要求包括

1保证基坑四周边坡的稳定性，满足基础施工有足够空间的要求，

2保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在施工期间不收损害

3保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。

4.1.1支护结构类型有：

重力式挡土结构

悬臂式支护结构

单（多）支点混合支护结构

土钉墙支护结构

其他形式支护结构

4.1.2支护结构的破坏形式

4.1.3基坑侧壁安全等级及其重要性系数

4.1.4支护结构的选用原则

4.1.5基坑支护结构内力计算特点及现状

4.1.6水、土压力的计算

（1）水平荷载标准值

③当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时应取零

2）水平抗力标准值

悬臂式支护结构设计计算

常用于钢筋混凝土排桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等。

4.2.1计算原理

4.2.2嵌固深度的计算

（2）布鲁姆法求嵌固深度

4.2.3截面承载力计算

4.2.4稳定性验算

（1）整体抗滑稳定性验算

（3）基坑渗流稳定性验算当上部为不透水层，基坑下部某深度处有承压水时，基坑底抗渗流稳定性验算

单支撑撞墙设计计算

4.3.1单支撑撞墙支护体系的构成

4.3.1.1支护体系各组成部分

4.3.1.2支撑材料、形式的选择和布置

（1）支撑材料对撑和角撑都成为支撑，支撑按材料种类可分为现浇钢筋混凝土支撑体系，钢支撑体系两种。

（2）支撑形式

（3）单层支撑的合理位置

4.3.2单支撑（锚拉）支护结构的嵌固类型

根据不同的变形情况，将桩墙的下端视为自由支撑和固定支撑两种情况

4.3.3单支撑（锚拉）支护结构的内力计算

（1）古典钢板桩计算理论

（2）弹性支点法

（3）共同变形理论

4.3.3.2等值梁法

4.3.3.3弹性支撑法

多层支撑桩墙设计计算

441

支撑的布置

（1）等弯矩布置

（2）等反力布置

442

等值梁法

4.4.3

支撑荷载的-分担法

2

4.4.4

考虑开挖过程的计算方法

F面为《建筑基坑支护技术规程》建议的弹性支点，其为考虑开挖过程的弹性支点法:

地下连续墙

4.5.2地下连续墙施工

（1）单元槽段的划分

（2）导墙

4.5.3地下连续墙深基坑施工监测

内容包括：

（1）地下连续墙监测

（2）支撑系统监测

（3）土工监测

（4）水工监测

（5）环境监测

（6）温度监测

4.5.4多支撑地连墙实测土压力分布模式

基坑开挖过程中土压力延深度变化形式从概念上归为几种模式：

4.5.5土压力实际分布形式对结构安全的影响分析

（1）计算假定以及计算模型简化

（2）计算结果

土钉墙的计算与设计

4.6.1概述

4.6.2土钉墙的分析方法

（1）极限平衡法

（2）有限元法

3）工程简化分析法

4.6.3土钉墙的设计

4.6.3.1土钉墙的设计内容与步骤

设计步骤：

（1）初拟土钉墙参数

（2）土钉墙内部稳定性分析

（3）土钉墙整体稳定性分析

（4）构造及排水系统设计

（5）现场检测和质量控制设计

4.6.3.2土钉墙设计一般原则

4.6.3.3王步云法土钉几何尺寸设计

4.6.3.3《铁路路基支挡结构设计规范》方法

4.6.4现场监测与信息施工

第5章抗滑桩计算与设计（6h）

概述

作用在抗滑桩上的力

5.2.1滑坡推力

5.2.2桩前土抗力

设置抗滑桩后，当抗滑桩受到滑坡推力的作用产生变形时，桩会挤压其前的岩土体，这部分岩土体必然给桩一个抗力。

桩前滑体的抗力与滑坡的性质和桩前滑体的稳定性等因素有关，试验表明，桩前滑体的体积越大，抗剪强度越高，滑动面越平缓，粗糙，桩前滑体抗力越大；反之，越小。

另外，还与是否存在多层滑面有关。

5.2.3锚固段岩土的抗力

抗滑桩由于变形，挤压锚固段桩侧的岩土体，同样桩侧岩土体会有反力，抗滑桩主要是通过锚固段岩土体提供的抗力来平衡滑坡推力，保持稳定。

锚固段抗力通常按弹性地基系数法计算。

抗滑桩的设置原则

（1）桩的剖面布置

（2）桩的平面布置

（3）桩的截面形状

（4）其他布置

抗滑桩的内力计算

5.4.1基本原理

5.4.1.1地基系数

5.4.1.2抗滑桩的计算宽度

5.4.1.3抗滑桩的刚度

按“K”法计算时

5.4.2抗滑桩的设计步骤

5.4.3弹性桩的内力计算

5.4.3.1弹性桩桩轴绕曲微分方程

543.2地基系数为常数K时，弹性桩的初参数解

543.3地基系数随深度按比例增加时（m法）,弹性桩的初参数解

543.4弹性桩的内力计算

5.4.4刚性桩的内力计算

锚固段地基系数随深度变化情况常考虑以下三种

1.地基系数随深度成比例增加

2.地基系数随深度为一常数

3.滑面处弹性抗力系数K=A滑面以下地基系数随深度成比例增加

5.4.5抗滑桩受荷段的内力计算

地基强度校核

1.锚固段为土层

2.锚固段为岩层

抗滑桩结构设计

5.6.1结构设计计算

1.桩身截面受弯承载力计算一一配置纵向受力钢筋

1按混凝土结构正截面受弯承载力计算模式计算

2按基础梁简化计算公式估算

2.桩身截面受剪承载力计算一一配置箍筋

562构造要求

抗滑桩施工要求及注意事项

（1）施工准备

（2）桩孔开挖

（3）钢筋笼制作

（4）桩芯混凝土灌注

（5）施工安全注意事项

第6章锚固结构设计（6h）

概述

岩土锚固的特点

1与岩土体共同工作

2自重小

3深层加固

4主动加固

5随机补强，应用范围广

6超前预支护

7施工快捷灵活

8可与其他结构组合使用

9经济性好

锚固的作用原理

621悬吊作用理论

622组合梁作用原理

623挤压加固作用原理

灌浆锚杆设计

631加固力计算

631.1平面形单滑面加固力计算

631.2折线形滑面加固力计算

6.3.2拉杆设计

（1）锚固拉杆的材料选取

6.3.3锚固体长度设计

6.3.3.1圆柱形锚杆锚固体长度计算

6.3.3.2端部扩大型形锚杆力与锚固体长度计算

6.3.4锚杆布设

6.3.5

拉杆对中器设计

6.3.6

锚头设计

6.3.7

锁定荷载

6.3.8

锚杆的防腐设计

6．4

锚杆施工

6.4.1

钻孔

6.4.2

锚杆杆体的组装与安放

6.4.2.1

锚杆（索）的制作

6.4.2.2

锚杆（索）的安放

6.4.3

注浆

6.4.4

拉张与锁定

6．5

现场测试与监测

6.5.1

锚固工程试验

6.5.2锚杆预应力的长期监测