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1、第5章抗滑桩的设计与施工 本章重点抗滑桩类型 特点及适用条件抗滑桩设计要求和设计内容抗滑桩设计荷载的确定抗滑桩的计算方法抗滑桩的设计抗滑桩的施工 5 1概述桩是深入土层或岩层的柱形构件 边坡处治工程中的抗滑桩是通过桩身将上部承受的坡体推力传给桩下部的侧向土体或岩体 依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力 而使边坡保持平衡或稳定 见图5 1 抗滑桩与一般桩基类似 但主要是承担水平荷载 抗滑桩也是边坡处治工程中常见常用的处治方案之一 从早期的木桩 到近代的钢桩和目前在边坡工程中常用的钢筋混凝土桩 断面型式有圆形和矩形 施工方法有打入 机械成孔和人工成孔等方法 结构型式有单桩 排桩 群桩 有锚桩和预
2、应力锚索桩等 5 1 1抗滑桩类型 特点及适用条件 1 抗滑桩的类型抗滑桩按材质分类有木桩 钢桩 钢筋混凝土桩和组合桩 抗滑桩按成桩方法分类 有打入桩 静压桩 就地灌注桩 就地灌柱桩又分为沉管灌注桩 钻孔灌注桩两大类 在常用的钻孔灌注桩中 又分机械钻孔和人工挖孔桩 抗滑桩按结构型式分类 有单桩 排桩 群桩和有锚桩 排桩型式常见的有椅式桩墙 门式刚架桩墙 排架抗滑桩墙 见图5 2 有锚桩常见的有锚杆和锚索 锚杆有单锚和多锚 锚索抗滑桩多用单锚 见图5 3 抗滑桩按桩身断面形式分类 有圆形桩 方形桩和矩形桩 工 字形桩等 2 各类桩型的特点及适用条件木桩是最早采用的桩 其特点是就地取材 方便 易于
3、施工 但桩长有限 桩身强度不高 一般用于浅层滑坡的治理 临时工程或抢险工程 钢桩的强度高 施打容易 快速 接长方便 但受桩身断面尺寸限制 横向刚度较小 造价偏高 钢筋混凝土桩是边坡处治工程广泛采用的桩材 桩断面刚度大 抗弯能力高 施工方式多样 可打入 静压 机械钻孔就地灌注和人工成孔就地灌注 其缺点是混凝土抗拉能力有限 抗滑桩的施工采用打入时 应充分考虑施工振动对边坡稳定的影响 一般是全埋式抗滑桩或填方边坡可采用 同时下卧地层应有可打性 抗滑桩施工常用的是就地灌注桩 机械钻孔速度快 桩径可大可小 适用于各种地质条件 但对地形较陡的边坡工程 机械进入和架设困难较大 另外 钻孔时的水对边坡的稳定也
4、有影响 人工成孔的特点是方便 简单 经济 但速度较慢 劳动强度高 遇不良地层 如流沙 时处理相当困难 另外 桩径较小时人工作业困难 桩径一般应在1000mm以上才适宜人工成孔 单桩是抗滑桩的基本型式 也是常用的结构型式 其特点是简单 受力和作用明确 当边坡的推力较大 用单桩不足以承担其推力或使用单桩不经济时 可采用排桩 排架桩的特点是转动惯量大 抗弯能力强 桩壁阻力较小 桩身应力较小 在软弱地层有较明显的优越性 有锚桩的锚可用钢筋锚杆或预应力锚索 锚杆 索 和桩共同工作 改变桩的悬臂受力状况和桩完全靠侧向地基反力抵抗滑坡推力的机理 使桩身的应力状态和桩顶变位大大改善 是一种较为合理 经济的抗滑
5、结构 但锚杆或锚索的锚固端需要有较好的地层或岩层 对锚索而言 更需要有较好的岩层以提供可靠的锚固力 抗滑桩群一般指在横向2排以上 在纵向2列以上的组合抗滑结构 类似于墩台或承台结构 它能承担更大的滑坡推力 可用于特殊的滑坡治理工程或特殊用途的边坡工程 5 1 2抗滑桩设计要求和设计内容抗滑桩设计一般应满足以下要求 1 抗滑桩提供的阻滑力要使整个滑坡体具有足够的稳定性 即滑坡体的稳定安全系数满足相应规范规定的安全系数或可靠指标 同时保证坡体不从桩顶滑出 不从桩间挤出 2 抗滑桩桩身要有足够的强度和稳定性 即桩的断面要有足够的刚度 桩的应力和变形满足规定要求 3 桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范
6、围内 4 抗滑桩的埋深及锚固深度 桩问距 桩结构尺度和桩断面尺寸都比较适当 安全可靠 施工可行 方便 造价较经济 根据上述设计要求 抗滑桩的设计内容一般为 1 进行桩群的平面布置 确定桩位 桩间距等平面尺度 2 拟定桩型 桩埋深 桩长 桩断面尺寸 3 根据拟定的结构确定作用于抗滑桩上的力系 4 确定桩的计算宽度 选定地基反力系数 进行桩的受力和变形计算 5 进行桩截面的配筋计算和一般的构造设计 6 提出施工技术要求 拟定施工方案 计算工程量 编制概 预 算等 5 1 3抗滑桩的设计计算程序根据上述设计要求和设计内容 抗滑桩的设计计算程序如图5 4所示 5 2抗滑桩设计荷载的确定作用于抗滑桩上的
7、力系主要有两大部分 作用于桩上部的滑坡推力和桩周地层对桩的反力 对有锚桩 还有锚杆或锚索系统对桩上部的横向拉力和压力 5 2 1滑坡推力的确定滑坡推力作用于滑面以上部分的桩背上 其方向假定与桩穿过滑面点处的切线方向平行 滑坡推力的计算见第2章或第4章相关内容 即采用不平衡推力传递系数法计算所得的桩所在坡体坡足处的不平衡推力 通常假定每根桩所承担的滑坡推力等于两桩中心间距宽度范围内的滑坡推力 即将前述方法计算所得的滑坡推力值乘以桩间距 滑坡推力在桩背上的分布和作用点位置 与滑坡的类型 部位 地层性质 变形情况及地基反力系数等因素有关 根据文献 2 3 的经验 对于液性指数小 刚度较大和较密实的滑
8、坡体 从顶层至底层的滑动速度常大体一致 假定滑面上桩背的滑坡推力分布图形呈矩形 对于液性指数较大 刚度较小和密实度不均匀的塑性滑体 其靠近滑面的滑动速度较大 而滑体表层的速度则较小 假定滑面以上桩背的滑坡推力图形呈三角形分布 介于上述两者之间的情况可假定桩背推力分布呈梯形 5 2 2地基反力的确定 1 地基反力当桩前土体不能保持稳定可能滑走时 不考虑桩前土体对桩的反力 仅考虑滑面以下地基土对桩的反力 抗滑桩嵌固于滑面以下的地基中 相当于悬臂桩 当桩前土体能保持稳定 此时抗滑桩按所谓的 全埋式桩 考虑 可将桩前土体 亦为滑体 的抗力作为已知的外力考虑 仍可将桩看成悬臂桩考虑 桩将滑坡推力传递给滑
9、面以下的桩周土 岩 时 桩的锚固段前后岩 土 体受力后发生变形 并由此产生岩 土 体的反力 反力的大小与岩 土 体的变形状态有关 处于弹性阶段时 可按弹性抗力计算 处于塑性阶段变形时 情况则比较复杂 但地基反力应不超过锚固段地基土的侧向容许承载能力 另外 桩与地基土间的摩阻力 粘着力 桩变形引起的竖向压力一般来说对桩的安全有利 通常略去不计 为简化计算 桩的自重和桩底应力等也略去不计 2 地基反力系数桩侧岩土体的弹性抗力系数简称为地基反力系数 是地基承受的侧压力与桩在该位置处产生的侧向位移的比值 也即单位土体或岩体在弹性限度内产生单位压缩变形时所需施加于其单位面积上的力 目前常采用的有三种假设
10、 假设地基系数不随深度而变化 即地基系数为常数的K法 假定地基系数随深度而呈直线变化的m法 地基反力系数沿深度按凸抛物线增大的C法 地基反力系数K m应通过试验确定 一般情况下 试验资料不易获得 文献 1 2 列出了较完整岩层的地基系数K值 见表5 1 非岩石地基的m值 见表5 2 可供设计时参考 注 一般情况 KH 0 6 0 8 Kv 岩层为厚层或块状整体时 KH Kv 当地基土为多层土时 采用按层厚以等面积加权求平均的方法求算地基反力系数 当地基土为2层时 有 5 1 当地基土为3层时 有 5 2 式中 ml m2 m3 分别为第l层 第2层 第3层地基土的m值 ll l2 l3 分别为
11、第l层 第2层 第3层地基土的厚度 其他多层土可仿此进行计算 当采用C法时 地基反力系数式为 C为地基反力系数的比例系数 x为深度 研究表明 当x达到一定深度时 地基反力系数渐趋于常数 比例系数c值参见表5 3 注 y0 为桩在地面处的水平位移允许值 3 P Y曲线法上述的K法 m法和C法能根据弹性地基上梁的挠曲线微分方程用无量纲系数求解抗滑桩的承载力 内力和变位 但当桩发展到较大的位移 土的非线性特性将变得非常突出 P Y曲线法则考虑了土的非线性特点 它既可用于小位移 也可用于较大位移的求解 P Y曲线法是根据地基土的实验数据来绘制 目前一般采用Matlock建议的软粘土P Y曲线绘制方法
12、1 和Resse建议的硬粘土和砂性土的P Y曲线绘制方法 4 在滨河 滨海的软土地基中 P Y曲线已得到较多的应用 5 3抗滑桩的计算方法抗滑桩为承受水平荷载的桩 计算水平受荷桩的方法均可采用 5 3 1刚性桩与弹性桩的区分抗滑桩受到滑坡推力后 将产生一定的变形 根据桩和桩周土的性质和桩的几何性质 其变形有两种情形 一是桩的位置发生了偏离 但桩轴线仍保持原有线型 变形是由于桩周土的变形所致 另一种是桩的位置和桩轴线同时发生改变 即桩轴线和桩周土同时发生变形 前一种情况桩尤如刚体一样 仅发生了转动 故称其为刚性桩 后者就称为弹性桩 试验研究表明 当抗滑桩埋入稳定地层内的计算深度为某一临界值时 可
13、视桩的刚度为无穷大 桩的侧向极限承载力仅取决于桩周土的弹性抗力大小 工程中就把这个临界值作为判断是刚性桩或弹性桩的标准 临界值规定如下 按K法计算 1 0时 抗滑桩属刚性桩 1 0时 抗滑桩属弹性桩 按m法计算 2 5时 抗滑桩属刚性桩 2 5时 抗滑桩属弹性桩 式中 均定义为桩的变形系数 单位为 分别按下式计算 5 3 5 4 式中 KH K法的侧向地基系数 kN m3 BP 桩的正面计算宽度 m mH m法的地基系数的比例系数 kN m4 E I 桩的弹性模量 kPa 桩的截面惯性矩 m4 5 3 2刚性桩的计算把滑面以上抗滑桩受荷载段上所有的力均当作外力 桩前的滑体抗力按其大小从外荷载中
14、减去 对滑面以下的桩段取脱离体 滑面以上的外荷载对滑面处桩截面产生弯矩和剪力 滑面下桩周土的侧向应力和土的抗力可由脱离体的平衡而求得 并进而计算桩的内力 1 地基土为单一土层时如图5 5所示 滑面以下为同一m值 桩底自由 滑面处的弹性抗力系数分别为Al A2 H为滑坡推力与剩余抗滑力之差 x0为下部桩段转动轴心距滑面的距离 为旋转角 Z0为滑坡推力至滑面的距离 当0 x x0时桩身变位 Y x0 x 桩侧应力 桩身剪力 桩身弯矩 当x0 X l2时桩身变位 桩侧应力 桩身剪力 桩身弯矩 根据静力平衡条件 H 0和 M 0可解得 令 则有 5 5 5 6 解方程式 5 5 可找出x0 将其代入式
15、 5 6 则可算出 2 地基土为两种地层时桩身置于两种不同的地层 桩底按自由端考虑 桩变位时 旋转中心将随地质情况变化而变化 仍采用单一土层时求静力平衡方程 H 0和 M 0的条件求解 先求解出x0 再计算 5 3 3弹性桩的计算抗滑桩滑面以上部分所受荷载 见图5 6a 可以将其对滑面以下桩段进行简化 简化后桩的计算图式见图5 6b 此时 可根据桩周土体的性质确定弹性抗力系数 建立挠曲微分方程式 通过数学求解可得滑面以下桩段任一截面的变位和内力计算的一般表达式 最后根据桩底边界条件计算出滑面处的位移和转角 再计算出桩身任一深度处的变位和内力 1 m法桩顶受水平荷载的挠曲微分方程为 5 7 式中
16、 EI 桩的抗弯刚度 BP 桩的计算宽度 其余符号意义见图5 6b或同前 式 5 7 为四阶线性变系数齐次微分方程 采用幂级数的解法 整理后有 5 8 式中 Yx Mx Qx 分别为锚固段桩身任意截面的位移 m 转角 rad 弯矩 kN m 和剪力 kN Y0 M0 Q0 分别为滑面处桩的位移 m 转角 rad 弯矩 kN m 和剪力 kN Ai Bi Ci Di 随桩的换算深度而变化的m法的影响函数值 见表5 4 x 滑面处以下锚固段计算断面的深度 m 其余符号意义同前 按式 5 4 计算 式 5 8 为m法计算桩的一般表达式 计算时必须先求得滑动面处的Y0和 才能求出桩身任一截面处的位移 转角 弯矩和剪力 地基土对该截面的侧向应力 一般应根据桩底的边界条件来确定 当桩底为固定端时 有yB 0 0 MB 0 QB 0 将边界条件代入式 5 8 中的第1式和第2式 联立求解得 5 9 当桩底为铰接端时 yB 0 MB 0 0 QB 0 将边界条件代入式 5 8 中第l 第3式 联立求解得 5 10 当桩底为自由端时 MB 0 QB 0 0 yB 0 将边界条件代入式 5 8 中第3 第
