复合挡土结构的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合挡土结构的设计方法，包括以下步骤：获取待支护土坡的各力学参数，并确定复合挡土结构；建立复合挡土结构的单桩结构力学模型；基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单桩结构力学模型的解析解，并确定复合挡土结构的锚杆力的计算方程；得出作用在单桩上的滑坡推力，得出作用在单桩上的反力，得出复合挡土结构的锚杆力；计算单桩上内力；对复合挡土结构进行结构配筋。本发明提供的复合挡土结构的设计方法，严谨、合理、高效，可有效解决土坡支护问题，能有效的反映结构与土体共同作用，以及结构和土体变形之间相互影响关系，从而准确地对结构参数进行确定并能有效地对复合挡土结构的作用效果进行评估。
【专利说明】
复合挡土结构的设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种复合挡土结构，特别是涉及一种复合挡土结构的设计方法，属于 土坡稳定加固与支护工程技术领域。
【背景技术】
[0002] 在岩土工程技术领域中，对于可能发生滑坡的天然或人工开挖后的边坡、基坑开 挖、洞室开挖等工程，都需要采取一定的挡土措施，这种结构称为挡土结构，也称为支护结 构。对于不同的工程，采取的支护结构又有所不同：对于基坑开挖，一般采用的支护结构包 括高压旋喷粧支护结构、槽钢钢板粧支护结构、钻孔灌注粧支护结构等;对于洞室开挖，一 般采用的支护结构包括喷锚支护结构、钢架支护结构、超前支护结构等;在边坡稳定性控制 中，一般采用的支护结构包括挡土墙、抗滑粧、锚杆挡墙等支护结构。
[0003] 对于常见的挡土墙、抗滑粧、锚杆挡墙等坡体支护结构来说，虽已广泛的运用于边 坡的稳定性控制工程中，且取得了一定的成效，但这些常用的方法均存在相当的不足之处： (1)抗滑粧利用粧周土体对粧的嵌制作用稳定土体，所以不适用于土体塑性较大的滑坡，需 求钢材较多，造价较高，粧径加大，施工难度大且有较大的安全风险；（2)锚杆对于单纯土层 的抗滑效果较好，不适用于复杂的地层结构；（3)刚性挡土墙挖方量较大，占地较大，造价较 高，且对坡体结构扰动明显易造成进一步的滑坡破坏。故有必要寻求一种在功能上能替代 上述各支护结构且能克服上述支护结构不足之处的新型支护结构。
[0004] 国内外虽有采用树根粧进行侧向支护，边坡稳定的工程实例，但对其竖向布置以 承受水平荷载的研究资料尚未见报道;拉锚式挡土结构在深基坑支护中应用较为广泛，但 其中作为围护结构部分多为钢板粧、地下连续墙等，利用传统方法在进行结构设计时，大多 不能综合考虑结构和土体共同作用，故有必要寻求一种能较好反映结构和土体变形之间相 互影响的结构分析设计方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种复合挡土结构的设计 方法，可有效解决土坡支护问题，解决传统支护结构存在的施工复杂、占地面积较大、对土 坡原有结构扰动较大、成本较高、效率较低等问题，能有效的反映结构与土体共同作用，以 及结构和土体变形之间相互影响关系，从而准确地对结构参数进行确定并能有效地对复合 挡土结构的作用效果进行评估。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种复合挡土结构的设计方法，包括以下步骤：
[0008] 1)获取待支护土坡的各力学参数，并确定复合挡土结构；
[0009] 所述复合挡土结构包括双排平行设置的树根粧和侧向倾斜分布的锚杆，所述树根 粧作为竖向挡土结构，所述锚杆作为外拉系统，树根粧和锚杆均通过位于粧顶的横梁连接 并沿待支护土坡的土体通长布置;所述树根粧与横梁相铰接，所述锚杆的一端与横梁刚性 连接、另一端为设于稳定土层中的锚固体；
[0010] 2)建立复合挡土结构的单粧结构力学模型；
[0011] 考虑树根粧和锚杆的协同作用，将树根粧简化为竖向分布的框架柱、框架柱的下 端弹性固定在滑动面以下的稳定土层中，将锚杆简化为水平分布的连杆，将横梁简化为水 平分布的支撑杆，以此建立复合挡土结构的单粧结构力学模型；
[0012] 3)基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单粧结构力学模型的解析解， 并确定复合挡土结构的锚杆力的计算方程；
[0013] 其中，单粧结构力学模型的解析解简化为下端在稳定土层中弹性的框架柱的受力 计算，复合挡土结构的锚杆力等于每根粧产生的内力总和；
[0014] 3-1)得出作用在单粧上的滑坡推力E;
[0015] 3-2)得出作用在单粧上的反力A;
[0016] 设单粧结构力学模型中框架柱的中心轴线为粧轴线，粧轴线的粧顶点为b点，粧轴 线与滑动面的相交点为0点；
[0017] 根据单粧结构力学模型，已知作用在单粧上的反力A不妨碍粧顶点b点的转动，而 只限制粧顶点的水平位移，得出粧顶点b点的水平位移y 2的计算表达式为式(1)，
[0018] >>3 = - yt ( 1 )
[0019] 式（1)中，『为滑坡推力E使粧顶点b点产生的水平位移，g为反力A使粧顶点b点 产生的水平位移；
[0020] 其中，和:^的计算表达式分别为式(2)和式(3)，
[0023] 式(2)和式(3)中，义和和卩/f分别为反力A和滑坡推力E在粧轴线0点产生 的相应水平位移和转角，1〇为土压力作用点和粧轴线与滑动面的相交点0点的距离，EcJ c为 粧截面的刚度，为滑坡推力E在粧轴线上某一点处产生的转角，h为粧顶和粧轴线与滑动 面的相交点〇点的距离；
[0024] 计算在水平力和弯矩作用下粧轴线0点的变形，计算表达式为式(4)，
[0025] Ηο = Ε_Α 及 Mo = El〇-Ah (4)
[0026] 式(4)中，Ho为粧轴线0点处水平力，Mo为粧轴线0点处弯矩；
[0027] 当粧顶点b点仅受单位水平力Ho=l的作用，在粧轴线0点所产生的水平位移和转 角相应地用δΗΗ和δ ΜΗ来表示；当粧顶点b点仅受单位弯矩Mo= 1的作用，在粧轴线0点所产生的 水平位移和转角相应地用δΗΜ和δΜΜ来表不；
[0028] 则将式(2)和式(3)表示为式(5)和式(6)，
[0031]将式(5)和式(6)代入式(1)，得到反力A的计算表达式为式(7)，
[0033] 3-3)得出复合挡土结构的锚杆力T;
[0034]根据得出的作用在单粧上的反力A以及几何关系，得出复合挡土结构的锚杆力的 计算表达式为式(8)，
[0036]式(8)中，Θ为锚杆和水平方向所成的夹角；
[0037] 4)计算单粧上内力；
[0038]根据单粧结构力学模型，考虑单粧是弯拉构件而忽略剪力设计，以及考虑沿粧体 通长配筋情况，计算单粧上内力的计算表达式为式(9)，
[0039] Mmax=A(h-l〇；^Hmax=E-A (9)
[0040] 式(9)中，Mmax为单粧上最大弯矩，Hmax为单粧上最大水平力；
[0041] 5)对复合挡土结构进行结构配筋；
[0042]根据复合挡土结构和待支护土坡的各力学参数，计算得出锚杆力和单粧上内力的 大小，进而得出锚杆长度，然后进行结构配筋。
[0043] 本发明进一步设置为:所述步骤3-1)得出作用在单粧上的滑坡推力E，具体为，采 用推力传递法和主动土压力法计算，分别计算出滑坡推力两个结果数值，并取两个结果数 值中较大值作为作用在单粧上的滑坡推力E。
[0044] 本发明进一步设置为:所述锚杆采用预应力锚杆。
[0045] 本发明进一步设置为:所述横梁采用砼盖板。
[0046] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
[0047] 本发明提供严谨、合理、高效的复合挡土结构的设计方法，不仅可有效解决土坡支 护问题，解决传统支护结构存在的施工复杂、占地面积较大、对土坡原有结构扰动较大、成 本较高、效率较低等问题，能有效的反映结构与土体共同作用，以及结构和土体变形之间相 互影响关系，从而准确地对结构参数进行确定并能有效地对复合挡土结构的作用效果进行 评估。而且，所确定的复合挡土结构横向刚度大、侧向变形小、支护深度深，机械化程度高， 施工方便，工期短，削方量小，造价低;在作用于滑坡防治时，其施工机动灵活，对土体扰动 小;并可加固滑动土体，防止土体中渗流裂隙的发展。
[0048] 上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下 面结合附图对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明的复合挡土结构的结构示意图；
[0050]图2为本发明的复合挡土结构的单粧结构力学模型；
[0051]图3为本发明的复合挡土结构的计算模型；
[0052]图4为本发明的复合挡土结构的配筋示意图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0054]本发明提供一种复合挡土结构的设计方法，包括以下步骤：
[0055] 1)获取待支护土坡的各力学参数，并确定复合挡土结构；
[0056] 工程概况:某渠道底宽7.0m，渠底高程40.7m左右，最大切深约12m，设计水深3.5m， 边坡1:2.5，渠底纵比1:10000，滑坡段东西方向长85m，滑动土体沿主滑断面长35m~38m;滑 动土体最大厚度5.9m，滑舌向渠道方向推移最大距离达5m;滑坡周界清晰，后壁较陡，约40° ~50°，滑坡后壁最大高度2.5m;下滑土体伸进渠道，已影响渠道的输水能力。滑坡段地层为 以下三层:第一层为人工堆积的粘土，厚〇~4m，一般分布在51m~53m高程以上，颜色黄一棕 黄，湿一很湿，土质较为松散;第二层为滑坡滑体土层，其主要成分为粘土，黄色，含铁锰结 核，局部富集，土体内具有细小裂隙，裂隙面夹有灰白色粘土矿物，滑体浅部地层呈稍湿一 湿，滑动面附近土体含水量较大，呈湿一很湿状态;第三层为滑床部分土体结构致密，土层 强度高，土质坚硬，颜色棕黄，成分为粘土，中等压缩性。
[0057] 待支护土坡的土体各力学参数如下：土体湿容重γ =18.60kN/m3,土体饱和容重 γ sat = 18 · 93kN/m3，土体浮容重 γ ' = 9 · 13kN/m3;滑动土体c = 8 · 22kPa，沪=丨 9. Γ;滑床土体c = 37.5kPa，P = 12 ;滑动面强度c = 4.8kPa，Φ =9.4° ;地及承载力为 180kPa。
[0058] 如图1所示为本发明所采用的复合挡土结构，包括双排平行设置的树根粧1和侧向 倾斜分布的锚杆2,所述树根粧1作为竖向挡土结构，所述锚杆2作为外拉系统，树根粧1和锚 杆2均通过位于粧顶的横梁3连接并沿待支护土坡5的土体通长布置;所述树根粧1与横梁3 相铰接，所述锚杆2的一端与横梁3刚性连接、另一端为设于稳定土层4中的锚固体。
[0059] 从原渠底边线(40.7m高程）以1:2.5向上至44.7m高程留平台2m，再以1:3边坡向上 至47.7m高程留平台2m，最后以1:3向上与自然边坡相交。复合挡土结构中的两排树根粧纵 向排列间距为lm，树根粧孔径为20cm，横梁宽170m，树根粧的顶部高程为44.7m。此外，44.7m 高程以下用干砌块石护坡，47.7m高程处及滑坡体边缘外3m处设地面排水沟6; 44.7m高程以 上边坡和堆土区均种植防护树木和草皮。
[0060] 对于该待支护土坡的工程，可设计树根粧160根，粧长10m，孔径200mm，成两排平行 布置;前后树根粧粧距1.40m，纵向粧中心距1.0m;锚杆80根;粧顶用砼盖板之类的横梁将树 根粧和锚杆连为一体;砼盖板厚250mm，长80m，宽1.7m;肋梁膏550m，宽250mm;盖板高程以下 边坡做干砌护坡，块石厚300mm，碎石垫层厚100mm，勒脚为500 X 700mm衆砌毛石;排水沟6呈 "V" 形，底宽 300mm，厚 80mm，沟高300mm，全长253m〇
[0061] 2)建立复合挡土结构的单粧结构力学模型；
[0062] 如图2所示，考虑树根粧和锚杆的协同作用，将树根粧1简化为竖向分布的框架柱、 框架柱的下端弹性固定在滑动面以下的稳定土层4中，将锚杆2简化为水平分布的连杆，将 横梁3简化为水平分布的支撑杆，以此建立复合挡土结构的单粧结构力学模型;其中的锚杆 2通过锚杆变形元件7作用于土中形成锚固体8。
[0063] 3)基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单粧结构力学模型的解析解， 并确定复合挡土结构的锚杆力的计算方程；
[0064]其中，单粧结构力学模型的解析解归结为下端在稳定土层中弹性的框架柱的受力 计算，复合挡土结构的锚杆力等于每根粧产生的内力总和。
[0065] 3-1)得出作用在单粧上的滑坡推力E;
[0066]采用推力传递法和主动土压力法计算，分别计算出滑坡推力两个结果数值，并取 两个结果数值中较大值作为作用在单粧上的滑坡推力E;经计算，作用在设置挡土结构位置 处的滑坡推力值为22 · 9t/m。
[0067] 3-2)得出作用在单粧上的反力A;
[0068] 设单粧结构力学模型中框架柱的中心轴线为粧轴线，粧轴线的粧顶点为b点，粧轴 线与滑动面的相交点为0点，如图3所示；
[0069]根据单粧结构力学模型，已知作用在单粧上的反力A不妨碍粧顶点b点的转动，而 只限制粧顶点的水平位移，得出粧顶点b点的水平位移y2的计算表达式为式(1)，
[0070] =yf ~y( (1)
[0071 ]式（1)中，.yf为滑坡推力E使粧顶点b点产生的水平位移，W为反力A使粧顶点b点 产生的水平位移；
[0072]其中，和g的计算表达式分别为式(2)和式(3)，
[0075] 式(2)和式(3)中，乂和、>?￡和^<分别为反力A和滑坡推力E在粧轴线0点产生 的相应水平位移和转角，1〇为为土压力作用点和粧轴线与滑动面的相交点0点的距离，Ed。 为粧截面的刚度，为滑坡推力E在粧轴线上某一点处产生的转角，h为粧顶和粧轴线与滑 动面的相交点0点的距离；
[0076] 计算在水平力和弯矩作用下粧轴线0点的变形，计算表达式为式(4)，
[0077] Ηο = Ε_Α 及 Mo = El〇-Ah (4)
[0078] 式(4)中，Ho为粧轴线与滑动面的相交点0点处水平力，Mo为粧轴线与滑动面的相交 点0点处弯矩；
[0079] 当粧顶点b点仅受单位水平力Ho=l的作用，在粧轴线0点所产生的水平位移和转 角相应地用δΗΗ和δ ΜΗ来表示；当粧顶点b点仅受单位弯矩Mo= 1的作用，在粧轴线0点所产生的 水平位移和转角相应地用δΗΜ和δΜΜ来表不；
[0080] 则将式(2)和式(3)表示为式(5)和式(6)，
[0083]将式(5)和式(6)代入式(1)，得到反力A的计算表达式为式(7)，
[0085]由式(7)可知，给定的72值越小，则作用于锚杆的力越大，也就是说锚杆的作用发 挥的越明显，锚杆树根粧复合挡土结构的整体受力越好，结构越合理。为了得到有效的锚固 结构，减少锚杆在使用过程中的变形，使用预应力锚杆能取得更好效果。在实际工程中，应 使由锚杆伸长所造成的复合结构的位移不超过3~4cm，在这种条件下保证粧与承台为铰 接，贝在计算中应用y2 = 0不会有太大误差。
[0086]已知，树根粧粧径d = 0.2m，埋入并支承在滑体粘土中l = 5m，当取滑坡推力为矩形 分布，采用C3Q混凝土，并取y2 = 0时，根据横向受荷粧的有关公式、对结构简化后所建立的计 算模型以及锚杆力计算公式得出，
[0087]粧宽bP = 0.9((1+1) =0.9X (0.2+1) = 1.08m;
[0090] 则al = l .339X5 = 6.7m〉2.5m;所以，按弹性长粧计算，求出5[^，5麗，5丽，5^^;将相关 参数代入式(7)得到，
[0092] 3-3)得出复合挡土结构的锚杆力T;
[0093]根据得出的作用在单粧上的反力A以及几何关系，得出复合挡土结构的锚杆力的 计算表达式为式(8)，
[0095]式(8)中，Θ为锚杆和水平方向所成的夹角；
[0097] 4)计算单粧上内力；
[0098]根据单粧结构力学模型，考虑单粧是弯拉构件而忽略剪力设计，以及考虑沿粧体 通长配筋情况，计算单粧上内力的计算表达式为式(9)，
[0099] Mmax=A(h-l())&Hmax=E-A (9)
[0100] 式(9)中，Mmax为单粧上最大弯矩，Hmax*单粧上最大水平力；
[0101]按图3所示的计算模型，粧上最大弯矩在粧顶以下2.5m处，则 [0102] Mmax=A(h-l〇)=4.87X2.5 = 12.17t · m
[0104] 5)对复合挡土结构进行结构配筋；
[0105]根据复合挡土结构和待支护土坡的各力学参数，以及计算得出锚杆力和单粧上内 力的大小，进而得出锚杆长度，然后根据有关的粧及锚杆现有设计规范进行结构配筋，如图 4所示。
[0106] 设计结果是:树根粧灌浆体(无砂砼)设计强度为C30,钢筋笼通长配置;后排粧钢 筋笼主筋为3Φ16,箍筋为Φ80100,笼的外径140mm;前排粧主筋为4Φ12,箍筋Φ80100,笼 的外径140mm;锚杆主筋为Φ 25;盖板主筋为4 Φ 16及14 Φ 100200，箍筋Φ 100200;单个肋梁 主筋3 Φ 16,拉筋3 Φ 10,箍筋Φ 60200。树根粧主筋在盖板中锚固长度为30d，锚杆每根长 17m，孔径110mm，锚杆主筋在砼盖板中锚固长度为40d。砼盖板设计强度为C25,保护层厚度 30mm，截排水沟为150号石全。
[0107] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。
【主权项】
1. 一种复合挡±结构的设计方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 获取待支护±坡的各力学参数，并确定复合挡±结构； 所述复合挡±结构包括双排平行设置的树根粧和侧向倾斜分布的错杆，所述树根粧作 为竖向挡±结构，所述错杆作为外拉系统，树根粧和错杆均通过位于粧顶的横梁连接并沿 待支护±坡的±体通长布置;所述树根粧与横梁相较接，所述错杆的一端与横梁刚性连接、 另一端为设于稳定±层中的错固体； 2) 建立复合挡±结构的单粧结构力学模型； 考虑树根粧和错杆的协同作用，将树根粧简化为竖向分布的框架柱、框架柱的下端弹 性固定在滑动面W下的稳定±层中，将错杆简化为水平分布的连杆，将横梁简化为水平分 布的支撑杆，W此建立复合挡±结构的单粧结构力学模型； 3) 基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单粧结构力学模型的解析解，并确 定复合挡±结构的错杆力的计算方程； 其中，单粧结构力学模型的解析解归结为下端在稳定±层中弹性的框架柱的受力计 算，复合挡±结构的错杆力等于每根粧产生的内力总和； 3-1)得出作用在单粧上的滑坡推力E; 3-2)得出作用在单粧上的反力A; 设单粧结构力学模型中框架柱的中屯、轴线为粧轴线，粧轴线的粧顶点为b点，粧轴线与 滑动面的相交点为0点； 根据单粧结构力学模型，已知作用在单粧上的反力A不妨碍粧顶点b点的转动，而只限 制粧顶点的水平位移，得出粧顶点b点的水平位移y2的计算表达式为式(1)，(1) 式(1)中，3，f为滑坡推力E使粧顶点b点产生的水平位移，3^*为反力A使粧顶点b点产生的 水平位移； 其中，yf和巧j的计算表达式分别为式(2)和式(3)，式(2)和式(3)中，抑4和如、.if和於分别为反力A和滑坡推力E在粧轴线0点产生的相应 水平位移和转角，1〇为±压力作用点和粧轴线与滑动面的相交点0点的距离，EJ。为粧截面 的刚度，rf为滑坡推力E在粧轴线上某一点处产生的转角，h为粧顶和粧轴线与滑动面的相 交点0点的距离； 计算在水平力和弯矩作用下粧轴线0点的变形，计算表达式为式(4)， Ho = E-A 及 M〇 = El〇-Ah (4) 式(4)中，曲为粧轴线0点处水平力，Mo为粧轴线0点处弯矩； 当粧顶点b点仅受单位水平力化=1的作用，在粧轴线0点所产生的水平位移和转角相应 地用δκΗ和δΜΗ来表示；当粧顶点b点仅受单位弯矩M〇=l的作用，在粧轴线0点所产生的水平位 移和转角相应地用δπΜ和δΜΜ来表示； 则将式(2)和式(3)表示为式巧)和式(6)，3-3)得出复合挡±结构的错杆力Τ; 根据得出的作用在单粧上的反力AW及几何关系，得出复合挡±结构的错杆力的计算 表达式为式(8)，(8) 式(8)中，Θ为错杆和水平方向所成的夹角； 4) 计算单粧上内力； 根据单粧结构力学模型，考虑单粧是弯拉构件而忽略剪力设计，W及考虑沿粧体通长 配筋情况，计算单粧上内力的计算表达式为式(9)， Mmax = A 化-Ιο)及 Hmax = E-A (9) 式(9)中，Mmax为单粧上最大弯矩，Hmax为单粧上最大水平力； 5) 对复合挡±结构进行结构配筋； 根据复合挡±结构和待支护±坡的各力学参数，计算得出错杆力和单粧上内力的大 小，进而得出错杆长度，然后进行结构配筋。2. 根据权利要求1所述的复合挡±结构的设计方法，其特征在于:所述步骤3-1)得出作 用在单粧上的滑坡推力E，具体为， 采用推力传递法和主动±压力法计算，分别计算出滑坡推力两个结果数值，并取两个 结果数值中较大值作为作用在单粧上的滑坡推力E。3. 根据权利要求1所述的复合挡±结构的设计方法，其特征在于:所述错杆采用预应力 错杆。4. 根据权利要求1所述的复合挡±结构的设计方法，其特征在于：所述横梁采用抢盖 板。
【文档编号】E02D17/20GK106088118SQ201610694549
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月19日 公开号201610694549.4, CN 106088118 A, CN 106088118A, CN 201610694549, CN-A-106088118, CN106088118 A, CN106088118A, CN201610694549, CN201610694549.4
【发明人】张坤勇, 李威, 杜伟, 李广山, 陈恕
【申请人】河海大学