岩土结构分析与设计：地下水位以下开挖及锚固技术

# 岩土结构分析与设计：地下水位以下开挖及锚固技术 ## 1. 地下水位以下开挖的水流与压力分析 在地下水位以下进行挖掘作业时，水流和水压力的分布是需要重点考虑的因素。假设挖掘工作已经完成，并且由于持续抽水，水位与挖掘基底平齐。通过流网和简化准则可以计算墙体两侧的水压力分布。 从计算结果来看，两种方法得出的结果在受支撑侧存在较大差异，简化准则得出的水压力低于流网计算的结果。这是因为简化准则高估了受支撑侧的水头损失。特别是当挖掘外部水位明显高于基底时，使用该准则需要格外谨慎。在渗透性差异较大的分层地面中，沿上下游边界均匀水头损失的假设就更不合理了。 了解水压力后，就可以计算墙体附近的有效垂直应力，并通过应用主动和被动推力系数，得到主动和被动应力分布。与静水条件相比，在水流条件下，墙体后面的主动应力增加，而前面的被动压力减小，这可以解释为渗流力作用的结果。渗流力在墙体后面向下，增加了有效垂直应力；在墙体前面向上，减小了有效垂直应力。 ### 1.1 水压力计算方法对比 |计算方法|适用情况|结果差异| | ---- | ---- | ---- | |流网计算|更精确反映实际水流情况|结果相对准确，但计算复杂| |简化准则|计算简便|可能高估受支撑侧水头损失，结果偏低| ### 1.2 渗流力对墙体应力的影响 - **墙体后面**：渗流力向下，增加有效垂直应力，导致主动应力增加。 - **墙体前面**：渗流力向上，减小有效垂直应力，导致被动压力减小。 ### 1.3 水压力计算及应力分析流程 ```mermaid graph LR A[确定水位与挖掘基底情况] --> B[选择计算方法（流网或简化准则）] B --> C[计算墙体两侧水压力分布] C --> D[计算墙体附近有效垂直应力] D --> E[应用主动和被动推力系数] E --> F[得到主动和被动应力分布] ``` ## 2. 悬臂墙与单支撑墙的施工顺序组合 悬臂墙和单支撑墙的尺寸设计在不同的挖掘深度和净空要求下有不同的应用。在道路工程中，通常最小净空高度为5.0米。在挖掘深度达到略高于该值之前，使用悬臂墙解决方案较为方便。但需要注意的是，为了考虑路面结构的施工，施工阶段的挖掘深度需要比永久阶段更大，悬臂墙可能需要达到接近6.0米的深度，比永久阶段高出约20%。 然而，悬臂墙的嵌入式高度和最大弯矩（以及位移）会随着深度的增加而急剧增加，结构效率相对较低。相比之下，单支撑墙在d/h和Mmax/γh3比值方面有明显的降低，结构效率更高。 一种特别方便的解决方案是结合两种结构类型的施工阶段划分。这种方法具有以下优点： 1. 允许减少挖掘深度，在此深度内墙体作为悬臂墙工作。 2. 实现更有利的墙体行为，因为墙体前面的被动推力可以由刚性路面或改良土层提供。 3. 施工阶段划分在墙体中引入了一种应力状态（与正弯矩相关），在永久阶段将调动负弯矩的部分，即施工阶段划分和临时支撑为墙体相对于永久阶段提供了预应力。 ### 2.1 悬臂墙与单支撑墙结构效率对比 |结构类型|d/h比值降低倍数|Mmax/γh3比值降低倍数| | ---- | ---- | ---- | |悬臂墙到单支撑墙|约2.5倍|3 - 4倍| ### 2.2 组合施工顺序的优点 - **减少挖掘深度**：墙体在一定深度内作为悬臂墙工作，降低施工难度。 - **改善墙体行为**：利用刚性路面或改良土层提供被动推力。 - **提供预应力**：施工阶段划分和临时支撑为墙体提供预应力。 ### 2.3 组合施工顺序流程 ```mermaid graph LR A[安装墙体] --> B[第一阶段挖掘] B --> C[安装临时支撑] C --> D[移除支撑] D --> E[铺设路面] E --> F[完成挖掘] ``` ## 3. 锚固技术 ### 3.1 锚固的定义与执行 在岩土工程中，锚固可以定义为任何能够将施加的拉力传递到承载地层的结构元件。这里主要考虑的是用水泥浆在土壤或岩石中密封的高强度钢锚杆（粘结锚杆）。 锚固的主要执行阶段包括： 1. 钻孔（如有必要），并进行内部衬砌。 2. 引入钢索，并使用间隔器将其定位在钻孔轴上。 3. 通过压力灌浆，将钢索与地面沿粘结长度连接起来。 4. 对钢索进行预应力处理，并在锚头处固定。 钻