框架预应力锚杆支挡结构的分析与设计研究
|
摘要
支挡结构的形式很多，传统的支护方法如重力式挡土墙、衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等不仅造价比较高，占用耕地多，而且当挡墙比较高时技术上不可行。随着我国基础建设速度的加快，迫切要求我们对支挡结构理论进行系统的研究，以期获得经济适用的支挡结构形式，这不仅具有重要的理论意义，而且具有重大的现实意义。
框架预应力锚杆支挡结构是近几年新出现的一种轻型支挡结构。本文针对西北地区黄土的特点，对框架预应力锚杆支挡结构进行了理论分析研究。
在以前的挡土墙土压力计算中，设计人员通常采用库仑土压力或朗金土压力理论。这经实践证明并不十分妥当，文中选用目前《建筑边坡工程技术规范》所建议的锚杆支挡结构的土压力计算模型，即认为土压力的分布形状为梯形。
另外，本文提出了框架的立柱、横粱和挡土板的计算单元和计算模型的确定方法，给出了锚杆的支点反力的计算方法。此外，推导了结构稳定性分析和基础埋深设计的表达式，并采用MATLAB语言编制了框架预应力锚杆支挡结构的设计计算程序。如果已知相关设计参数和土体参数，利用该程序可以直接得到设计所需的框架的截面尺寸和配筋、锚杆的直径和长度以及基础的埋置深度。为了方便使用，也可根据此程序编制在各种不同情况下的多工况组合的框架预应力锚杆支挡结构的设计计算表格，供设计时直接查用。
为验证程序的合理性和正确性，文中引入一个工程实例，经程序设计结果和工程实际设计结果的对比表明本文所提出的计算模型合理，计算方法简明实用，所编制的程序是切实可行的，对今后的工程实践能够起到一定的指导作用。本文的分析、计算和研究思路同样可以推广应用于其他土质地区和支挡结构形式。
There are many kinds of forms of supporting structure, the costs of traditional supporting methods such as gravity retaining wall, counterweight retaining wall, cantilever retaining wall, buttressed retaining wall and lump stone are relatively high and the area of plough occupied is large, and the technology is infeasible when the retaining wall is high. With the increase of speed of fundamental construction of our country, it is necessary for us to study the theory of supporting structure in detail in order to obtain rational forms of that, which is not only of important theoretical meaning, but also of great reality meaning.
Frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is a kind of light supporting structure emerging in recent years. Based on the characteristics of collapsible loess in northwest region, the frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is analyzed in this paper.
In the previous calculation of soil pressure of earth-retaining structure, the Coulomb's or Rankine's theory of soil pressure is often adopted, which is demonstrated unadvisable by many engineering projects. The calculating model of soil pressure of anchor bar supporting structure commended by the code named "technical code for building slope engineering" is reasonably chosen.
In addition, the calculating elements and the calculating model of vertical column, horizontal beam and retaining plate of frame are proposed in this paper, the solving method of anchor supporting reaction is given out, at the same time, the expressions of analysis of structural stability and embedment depth design of foundation are deduced, and the program of the design and calculation of frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is written with the language MATLAB too. If we know the relevant design parameters and soil parameters, using this program can obtain the sectional dimensions and reinforcement of frame, the diameters and lengths of anchors, and the embedded depth of foundation directly. To use it conveniently, we can formulate the design and calculation tables considering many combinations of work conditions under different situations for the frame supporting structure with pre-stressed anchor bar, which are very convenient to engineering designers.
To check the rationality and correctness of the above program, a project example is introduced. The comparison between the results of program design and those of practical design indicates that the calculating model is rational, the design methods are simple and utility, and the program is feasible, which can play a certain role for the later practices. The analysis calculation and research thoughtfulness used in this paper can be extended and applied to other regions with different soil features and other forms of supporting structure.
框架预应力锚杆支挡结构是近几年新出现的一种轻型支挡结构。本文针对西北地区黄土的特点，对框架预应力锚杆支挡结构进行了理论分析研究。
在以前的挡土墙土压力计算中，设计人员通常采用库仑土压力或朗金土压力理论。这经实践证明并不十分妥当，文中选用目前《建筑边坡工程技术规范》所建议的锚杆支挡结构的土压力计算模型，即认为土压力的分布形状为梯形。
另外，本文提出了框架的立柱、横粱和挡土板的计算单元和计算模型的确定方法，给出了锚杆的支点反力的计算方法。此外，推导了结构稳定性分析和基础埋深设计的表达式，并采用MATLAB语言编制了框架预应力锚杆支挡结构的设计计算程序。如果已知相关设计参数和土体参数，利用该程序可以直接得到设计所需的框架的截面尺寸和配筋、锚杆的直径和长度以及基础的埋置深度。为了方便使用，也可根据此程序编制在各种不同情况下的多工况组合的框架预应力锚杆支挡结构的设计计算表格，供设计时直接查用。
为验证程序的合理性和正确性，文中引入一个工程实例，经程序设计结果和工程实际设计结果的对比表明本文所提出的计算模型合理，计算方法简明实用，所编制的程序是切实可行的，对今后的工程实践能够起到一定的指导作用。本文的分析、计算和研究思路同样可以推广应用于其他土质地区和支挡结构形式。
There are many kinds of forms of supporting structure, the costs of traditional supporting methods such as gravity retaining wall, counterweight retaining wall, cantilever retaining wall, buttressed retaining wall and lump stone are relatively high and the area of plough occupied is large, and the technology is infeasible when the retaining wall is high. With the increase of speed of fundamental construction of our country, it is necessary for us to study the theory of supporting structure in detail in order to obtain rational forms of that, which is not only of important theoretical meaning, but also of great reality meaning.
Frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is a kind of light supporting structure emerging in recent years. Based on the characteristics of collapsible loess in northwest region, the frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is analyzed in this paper.
In the previous calculation of soil pressure of earth-retaining structure, the Coulomb's or Rankine's theory of soil pressure is often adopted, which is demonstrated unadvisable by many engineering projects. The calculating model of soil pressure of anchor bar supporting structure commended by the code named "technical code for building slope engineering" is reasonably chosen.
In addition, the calculating elements and the calculating model of vertical column, horizontal beam and retaining plate of frame are proposed in this paper, the solving method of anchor supporting reaction is given out, at the same time, the expressions of analysis of structural stability and embedment depth design of foundation are deduced, and the program of the design and calculation of frame supporting structure with pre-stressed anchor bar is written with the language MATLAB too. If we know the relevant design parameters and soil parameters, using this program can obtain the sectional dimensions and reinforcement of frame, the diameters and lengths of anchors, and the embedded depth of foundation directly. To use it conveniently, we can formulate the design and calculation tables considering many combinations of work conditions under different situations for the frame supporting structure with pre-stressed anchor bar, which are very convenient to engineering designers.
To check the rationality and correctness of the above program, a project example is introduced. The comparison between the results of program design and those of practical design indicates that the calculating model is rational, the design methods are simple and utility, and the program is feasible, which can play a certain role for the later practices. The analysis calculation and research thoughtfulness used in this paper can be extended and applied to other regions with different soil features and other forms of supporting structure.
引文
[1] 国家标准．《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
[2] 国家标准．《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—99)．北京：中国建筑工业出版社，1999
[3] 国家标准．《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
[4] 交通部行业标准．公路路基设计规范(JTJD30—200X)．北京：人民出版社，200X
[5] 程良奎，范景伦，韩军，许建平著．岩土锚固．北京：中国建筑工业出版社，2003
[6] 程良奎．岩土锚固的现状与发展．土木工程学报，Vol．34，No．3，Jun．2001
[7] 陈正发，刘桂凤，刘传兴，李岩．锚杆支护在工程中的应用．淄博学院学报(自然科学与工程版)，No．3，Sep．2001
[8] 陈广峰．湿陷性黄土地区深基坑及边坡锚杆支护受力性能应用研究．甘肃工业大学硕士学位论文．2001，6
[9] 崔江余，梁仁旺．建筑基坑工程设计计算与施工．北京：中国建材工业出版社，1999
[10] 陈忠达编著．公路挡土墙设计．北京：人民交通出版社，2001
[11] 候兆霞，王锡朝，李铁翔．锚杆挡土墙计算机辅助设计．石家庄铁道学院学报，Vol．13，No．2，Jun．2000
[12] 王闯，梁晓丹，宋宏伟．锚杆支护在土木工程中应用的现状与发展．安徽建筑，2001
[13] 康红普．高强度锚杆支护技术的发展与应用．煤炭科学与技术，Feb．2002
[14] 吴之乃，王有为，吴慧娟．建筑业10项新技术及其应用．北京：中国建筑工业出版社，2001
[15] 陈忠汉，程丽萍编著．深基坑工程．北京：机械工业出版社，1999
[16] 黄强编著．深基坑支护工程设计技术．北京：中国建材工业出版社，2001
[17] 王元站，黄长虹．关于挡土墙主动土压力计算问题．港工技术，No．2，Jun．2003
[18] Joseph E.Bowles. Foundation Analysis and Design(3rd.ed.). McGraw-Hill Book Company, New York, 1982
[19] 刘建航，侯学渊主编．基坑工程手册．中国建筑工业出版社，1997
[20] 孟秋英．对基坑结构土压力的探讨．建筑结构学报．Vol．19，No．5，1998，10
[21] 于劲．深基坑支护结构的理论分析与试验研究．甘肃工业大学硕士学位论文．1999，6
[22] 王志豪．深基坑单支点锚杆支护桩的理论分析研究．甘肃工业大学硕士学位论文．2001，5
[23] 马成军，赵根根．框架式挡土墙设计．宁夏工学院学报(自然科学版)，Vol．9，No．4，1997
[24] 朱海松，鲁书浓．锚杆墙设施工中的质量控制．上海铁道大学学报，Vol．19，No．4，Apr，1997
[25] 葛立东．朱鸿冰．锚杆式挡强的应用．北京水利，1999年第1期
[26] 龙驭球，包世华主编．结构力学教程(Ⅰ、Ⅱ)．北京：高等教育出版社，2001
[27] 杨茀康，李家宝主编．结构力学(上册)．北京：高等教育出版社，1998
[28] 甘肃省高等教育自学考试委员会编．钢筋混凝土与砌体结构．兰州，甘肃科学技术出版社，2000，12
[29] 铁道部第十三工程局．框架式锚杆挡墙施工方法(YJGF06—98)．施工技术，Vol．30，No．5，May．2001
[30] 何卫忠．土木工程中锚杆加固的影响因素分析．淮阴工学院学报，Vol．9，No．2，Jun．2000
[31] 蒋克锋，赵燕明．单锚预应力支挡结构锚杆设置的相互作用分析．地下空间，Vol．21，No．5，2001
[32] 朱彦鹏编．特种结构．武汉：武汉工业大学出版社，2000
[33] Yanpeng Zhu, Xili Wang. Anti-slide design of foundations for buildings on loess slope. Advances in mechanics of structures and materials(Australia, 2002, 6)
[34] 邵龙潭，唐洪祥，韩国成．有限元边坡稳定分析方法及其应用．计算力学学报，Vol．18，No．1，Feb．2001
[35] 赵尚毅，时卫民，郑颖人．边坡稳定性分析的有限元法．地下空间，Vol．1，No．5，Dec．2001
[36] 清源计算机工作室编著．MATLAB基础及其应用．北京：机械工业出版社，2000
[37] 王沫然编著．MATLAB6.0与科学计算．北京：电子工业出版社，2001
[38] 云舟工作室．MATLAB数学建模基础教程．北京：人民邮电出版社，2001
[39] 孙德志，张庆贺．考虑土与结构共同作用的挡土结构内力和变形．河南大学学报(自然科学版)，Vol．33，No．3，Sep．2003
[40] H. H. Vaziri. Theory and application of an efficient computer program for analysis of flexible earth-retaining structures. Computers & structures Vol.56, No.1, pp.177-187, 1995
[41] B. Ceranic, C. Fryer, R. W. Baines. An application of simulated annealing to the optimum design of reinforced concrete retaining structures. Computers & structures79(2001)1569-1581, Feb.2001
[42] 尚子真．深基坑支护结构优化选型的探讨．基建优化，Vol．21，No．4，Aug．2000
[43] Take, W.A. Lateral earth pressure behind rigid fascia retaining walls, M.Sc.Eng thesis. University of new Burnswick, Fredericton.N.B, 1998
[44] Zhang, J.-M, Shamoton, Y and Tokimastu, K. Evaluation of earth pressure under any lateral deformation. Soils and Foundations, 38(1): 15～33, 1998
[45] Take, A J Valsangkar. Earth pressures on unyielding retaining walls of narrow backfill width. Canadian Geotechnical Journal; Dec 2001; 38, 6; ProQuest Science Journals pg. 1220
[46] 朱彦鹏，王秀丽，张贵文等．兰州中广大厦超长深基坑支挡的设计、施工与实验监测．工程力学，2002(增)
[47] 朱彦鹏，周勇．黄土边坡框架预应力锚杆支挡结构的设计计算．第十三届全国结构工程学术会议论文集，2004
[48] 蒋洪胜，曹怀武，张建国．各种支护结构形式在深基坑工程中的应用．施工技术，Vol．32，No．8，Aug．2003
[49] 朱焕春．某边坡锚杆应力状态测试与分析．岩土工程学报，Vol．22，No．4，Jul．2000
[50] 郑文鑫．深基坑支挡结构设计的若干问题．黎明职业大学学报，Serial No．39，No．2，Jun．2003
[51] 孔宪宾，余跃心，李炜，汪洪武．土—锚杆相互作用的机理研究．工程力学，Vol．17，No．3，Jun．2000
[52] 孔宪宾．土—锚杆界面模型的试验研究．河海大学学报，Vol．29，No．5，Sep．2001
[53] 周力军．考虑接触非线性的锚杆—土体非连续问题有限元分析．水运工程，Total．333，No．10，Oct．2001
[54] 高永涛，吴顺川，孙金海．预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用．北京科技大学学报，Vol．24，No．4，Aug．2002
[55] 段绍伟，沈蒲生．基于工程可靠度、工程造价、工期的深基坑支护结构选型研究．湘潭矿业学院学报，Vol．17，No．2，Jun．2002
[2] 国家标准．《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—99)．北京：中国建筑工业出版社，1999
[3] 国家标准．《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002
[4] 交通部行业标准．公路路基设计规范(JTJD30—200X)．北京：人民出版社，200X
[5] 程良奎，范景伦，韩军，许建平著．岩土锚固．北京：中国建筑工业出版社，2003
[6] 程良奎．岩土锚固的现状与发展．土木工程学报，Vol．34，No．3，Jun．2001
[7] 陈正发，刘桂凤，刘传兴，李岩．锚杆支护在工程中的应用．淄博学院学报(自然科学与工程版)，No．3，Sep．2001
[8] 陈广峰．湿陷性黄土地区深基坑及边坡锚杆支护受力性能应用研究．甘肃工业大学硕士学位论文．2001，6
[9] 崔江余，梁仁旺．建筑基坑工程设计计算与施工．北京：中国建材工业出版社，1999
[10] 陈忠达编著．公路挡土墙设计．北京：人民交通出版社，2001
[11] 候兆霞，王锡朝，李铁翔．锚杆挡土墙计算机辅助设计．石家庄铁道学院学报，Vol．13，No．2，Jun．2000
[12] 王闯，梁晓丹，宋宏伟．锚杆支护在土木工程中应用的现状与发展．安徽建筑，2001
[13] 康红普．高强度锚杆支护技术的发展与应用．煤炭科学与技术，Feb．2002
[14] 吴之乃，王有为，吴慧娟．建筑业10项新技术及其应用．北京：中国建筑工业出版社，2001
[15] 陈忠汉，程丽萍编著．深基坑工程．北京：机械工业出版社，1999
[16] 黄强编著．深基坑支护工程设计技术．北京：中国建材工业出版社，2001
[17] 王元站，黄长虹．关于挡土墙主动土压力计算问题．港工技术，No．2，Jun．2003
[18] Joseph E.Bowles. Foundation Analysis and Design(3rd.ed.). McGraw-Hill Book Company, New York, 1982
[19] 刘建航，侯学渊主编．基坑工程手册．中国建筑工业出版社，1997
[20] 孟秋英．对基坑结构土压力的探讨．建筑结构学报．Vol．19，No．5，1998，10
[21] 于劲．深基坑支护结构的理论分析与试验研究．甘肃工业大学硕士学位论文．1999，6
[22] 王志豪．深基坑单支点锚杆支护桩的理论分析研究．甘肃工业大学硕士学位论文．2001，5
[23] 马成军，赵根根．框架式挡土墙设计．宁夏工学院学报(自然科学版)，Vol．9，No．4，1997
[24] 朱海松，鲁书浓．锚杆墙设施工中的质量控制．上海铁道大学学报，Vol．19，No．4，Apr，1997
[25] 葛立东．朱鸿冰．锚杆式挡强的应用．北京水利，1999年第1期
[26] 龙驭球，包世华主编．结构力学教程(Ⅰ、Ⅱ)．北京：高等教育出版社，2001
[27] 杨茀康，李家宝主编．结构力学(上册)．北京：高等教育出版社，1998
[28] 甘肃省高等教育自学考试委员会编．钢筋混凝土与砌体结构．兰州，甘肃科学技术出版社，2000，12
[29] 铁道部第十三工程局．框架式锚杆挡墙施工方法(YJGF06—98)．施工技术，Vol．30，No．5，May．2001
[30] 何卫忠．土木工程中锚杆加固的影响因素分析．淮阴工学院学报，Vol．9，No．2，Jun．2000
[31] 蒋克锋，赵燕明．单锚预应力支挡结构锚杆设置的相互作用分析．地下空间，Vol．21，No．5，2001
[32] 朱彦鹏编．特种结构．武汉：武汉工业大学出版社，2000
[33] Yanpeng Zhu, Xili Wang. Anti-slide design of foundations for buildings on loess slope. Advances in mechanics of structures and materials(Australia, 2002, 6)
[34] 邵龙潭，唐洪祥，韩国成．有限元边坡稳定分析方法及其应用．计算力学学报，Vol．18，No．1，Feb．2001
[35] 赵尚毅，时卫民，郑颖人．边坡稳定性分析的有限元法．地下空间，Vol．1，No．5，Dec．2001
[36] 清源计算机工作室编著．MATLAB基础及其应用．北京：机械工业出版社，2000
[37] 王沫然编著．MATLAB6.0与科学计算．北京：电子工业出版社，2001
[38] 云舟工作室．MATLAB数学建模基础教程．北京：人民邮电出版社，2001
[39] 孙德志，张庆贺．考虑土与结构共同作用的挡土结构内力和变形．河南大学学报(自然科学版)，Vol．33，No．3，Sep．2003
[40] H. H. Vaziri. Theory and application of an efficient computer program for analysis of flexible earth-retaining structures. Computers & structures Vol.56, No.1, pp.177-187, 1995
[41] B. Ceranic, C. Fryer, R. W. Baines. An application of simulated annealing to the optimum design of reinforced concrete retaining structures. Computers & structures79(2001)1569-1581, Feb.2001
[42] 尚子真．深基坑支护结构优化选型的探讨．基建优化，Vol．21，No．4，Aug．2000
[43] Take, W.A. Lateral earth pressure behind rigid fascia retaining walls, M.Sc.Eng thesis. University of new Burnswick, Fredericton.N.B, 1998
[44] Zhang, J.-M, Shamoton, Y and Tokimastu, K. Evaluation of earth pressure under any lateral deformation. Soils and Foundations, 38(1): 15～33, 1998
[45] Take, A J Valsangkar. Earth pressures on unyielding retaining walls of narrow backfill width. Canadian Geotechnical Journal; Dec 2001; 38, 6; ProQuest Science Journals pg. 1220
[46] 朱彦鹏，王秀丽，张贵文等．兰州中广大厦超长深基坑支挡的设计、施工与实验监测．工程力学，2002(增)
[47] 朱彦鹏，周勇．黄土边坡框架预应力锚杆支挡结构的设计计算．第十三届全国结构工程学术会议论文集，2004
[48] 蒋洪胜，曹怀武，张建国．各种支护结构形式在深基坑工程中的应用．施工技术，Vol．32，No．8，Aug．2003
[49] 朱焕春．某边坡锚杆应力状态测试与分析．岩土工程学报，Vol．22，No．4，Jul．2000
[50] 郑文鑫．深基坑支挡结构设计的若干问题．黎明职业大学学报，Serial No．39，No．2，Jun．2003
[51] 孔宪宾，余跃心，李炜，汪洪武．土—锚杆相互作用的机理研究．工程力学，Vol．17，No．3，Jun．2000
[52] 孔宪宾．土—锚杆界面模型的试验研究．河海大学学报，Vol．29，No．5，Sep．2001
[53] 周力军．考虑接触非线性的锚杆—土体非连续问题有限元分析．水运工程，Total．333，No．10，Oct．2001
[54] 高永涛，吴顺川，孙金海．预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用．北京科技大学学报，Vol．24，No．4，Aug．2002
[55] 段绍伟，沈蒲生．基于工程可靠度、工程造价、工期的深基坑支护结构选型研究．湘潭矿业学院学报，Vol．17，No．2，Jun．2002