一种边坡微型抗滑群桩布桩方法及其抗滑稳定性评价与流程

文档序号:11155892阅读:451来源:国知局
一种边坡微型抗滑群桩布桩方法及其抗滑稳定性评价与制造工艺

本发明属于滑坡防治技术领域,具体涉及一种边坡微型抗滑群桩布桩方法及其相应的等效刚度内力确定方法和抗滑稳定性评价。



背景技术:

随着经济建设的快速发展以及社会生活需求的日益增长,越来越多的水利工程、市政工程、道路、桥梁等大型设施需要兴建,大量的边坡工程稳定性防治问题已成为工程建设领域关注的焦点。相应地,滑坡治理技术措施也得到了飞快发展,更多的治理技术与措施已在滑坡治理领域发挥了重要的作用。其中,抗滑桩作为重要的滑坡治理技术措施之一,也广泛地应用于滑坡治理工程实践之中。

抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱,用以抵抗滑体下滑动力的边坡加固、支挡结构,起稳定边坡的作用,是一种抗滑处理的主要措施。从受力形式来看,抗滑桩由抗滑段、嵌固段两部分组成,抗滑段通过桩-土相互作用承受不稳定滑体的滑坡推力,将荷载传递给下部嵌固段,并扩散到稳定的滑床中,以达到稳定和治理滑坡的目的。然而,在滑坡工程治理实践中,抗滑桩存在很大的局限性:

①在施工环境和条件复杂,施工作业区狭窄滑坡治理区,大型施工机械难以作业,由此极大影响与限制了抗滑桩的施工;

②为保证抗滑桩具有足够的强度、刚度和稳定性以满足承载要求,桩身断面尺寸往往较大,导致治理工程成本过高、不经济,由此常常使滑坡治理工程难以实施;

③在现有的施工工艺下,无论是挖孔灌注还是预制沉桩都会对土体产生强烈的扰动,甚至会诱发坡体失稳,加速滑坡灾害的发生。

我国的微型桩承载性能研究始于20世纪80年代,研究人员发现微型桩不仅具有良好的轴向承载力,而且还能很好地承受侧向荷载,适用于滑坡防治领域。微型桩一般是指桩径为70~400mm的小直径桩,其长径比较大,克服了传统抗滑桩因截面尺寸大而产生的诸多局限性。微型群桩环境适应能力强、见效快、单桩耗用材料少、施工费用较低,并且密集布桩可以充分发挥群桩效应,提高土体自身的抗剪性能。但由于微型桩在边坡抗滑实践中的应用时间较短,在实际工程中存在诸多问题:如微型抗滑桩的作用机理尚不明确,没有形成一种较为成熟的设计计算理论。这些问题在一定程度上制约了这种抗滑结构的进一步发展。



技术实现要素:

鉴于上述传统抗滑桩与单根微型桩在边坡支护与加固方面的局限与不足,本发明旨在寻求一种突破现有传统的新方法,提出一种新型微型抗滑群桩布桩设计法,并配合该布桩设计方法提出一种新的群桩等效刚度确定方法,以达到对滑坡进行科学、有效的治理目标。

一种边坡微型抗滑群桩布桩方法,具体为,在同一桩位将三根或三根以上的微型桩依次打入土体,后打入的微型桩与先打入的微型桩侧面相切,最后打入的微型桩还与最先打入的微型桩侧面相切;设置冠梁将所有打入的微型桩套箍成一个整体;所述微型桩是指桩径为70~400mm的桩柱。

进一步地,冠梁的形状纵向可以依坡面的弧度为折线形状,横向应保持水平。微型桩顶宜伸出冠梁板,使微型桩与冠梁形成一个整体。

上述方法通过桩间的挤土作用与圈梁的套箍作用,使桩与桩间土形成一个整体,共同发挥作用。该布桩方法可由轻小施工机械完成,适用于以下三种情况:①施工环境和条件复杂,施工作业区狭窄,大型施工机械难以作业,而微型桩的施工设备较小,机动且灵活,在一定程度上可以摆脱各种苛刻施工环境和条件的限制;②大型边坡下滑力大,设置大截面抗滑桩仍不能满足工程需要,为了提高效率且降低成本,可设置微型抗滑群桩;③边坡土质松软,灵敏度高,采用其它的支护形式会对滑坡土产生较大的扰动,甚至会诱发坡体失稳,加速滑坡的形成,而小断面微型桩群在很大程度上减小了坡体失稳的概率。

上述边坡微型抗滑群桩抗滑稳定性的评价方法,包括如下步骤:

步骤一:边坡土层物理力学参数的确定

由《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)及《土工试验规程》(SL237—1999)对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘,运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定边坡坡体土层的物理力学参数(黏聚力c、内摩擦角天然重度γ);并根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定地基比例系数m。

步骤二:抗滑桩设计参数的确定及受力分析

1)抗滑桩设计参数的确定

为了使桩间滑体具有足够的稳定性,在下滑力作用下不致从桩间挤出,并且桩间土体与两桩侧面所产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力,桩的平面布置应满足合适的间距;合适的锚固深度及桩长可以保证抗滑桩传递到滑动面以下地层的侧壁应力不大于地层的侧向容许抗压强度。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006),结合工程地质资料和设计要求,确定桩的受荷段长度h1,锚固段长度h2,桩位间距s取3~5m。

2)抗滑桩所受总推力的确定

抗滑桩的设计荷载(受力示意图见图2)主要如下:①单桩承受的滑坡推力,作用于滑面以上部分的桩背上,可假定与滑面平行。②桩前被动土压力。一般假定每根桩所承受的滑坡推力与被动土压力之差等于桩中心距范围之内的滑坡推力:

P=(PT-Ep)·s (1)

式中,P-抗滑桩所受总推力,即抗滑桩总抗滑力(kN);PT-单桩承受的桩前滑坡推力(kN),应按不同的滑动面类型选择相应的计算公式,具体见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“附录A”;Ep-桩前被动土压力(kN);s-桩位间距(m)。

步骤三:微型抗滑群桩布桩方式的确定

选定同一桩位中微型桩的根数n,n为≥3的整数。根据同一桩位微型桩根数的不同,有不同的排列组合,如图3所示,原则为:同一水平面上不同微型桩的轴心依次相连形成的多边形为正多边形。

对于同一桩位,微型桩应对称依次打设至设计标高,最终形成束状,以保证各微型桩能够充分挤土,由于桩的挤土作用,可以使桩—桩间土形成一个整体,充分利用桩间土的抗剪强度,使桩—桩间土能够共同作用。

微型抗滑群桩在沉桩完毕后应加设冠梁,一方面将桩身的水平位移限制在规定的范围内,另一方面进一步增强挤土作用,使桩—桩间土能够更好地共同承载。冠梁的形状纵向可以依坡面的弧度为折线形状,横向应保持水平。微型桩顶宜伸出冠梁板,使微型桩与冠梁形成一个整体,见图4。

步骤四:微型抗滑群桩等效模量的确定

对于该布桩方法,由于桩—土作用机理和受力模式不同于传统的抗滑桩,故传统的抗滑桩内力和位移的计算方法不能直接应用,因此本发明提出并采用等效模量换算法,即在计算时将微型桩与其所包围的土体等效为一个共同承担荷载的桩土结构,并以此确定共同桩土结构的等效模量。为消除桩与土由于在力学性质、结构与构造上的差异而导致的计算偏差,二者弹性模量需要进行等效转换计算,见式(2)

式中,E-微型抗滑群桩等效弹性模量(kPa);Ei-第i根微型桩的弹性模量(i=0,1,2,3,……n,取整数),i=0表示桩间土的压缩模量,根据工程地质手册取值;Wi-第i根微型桩的面积比例系数,Ai-第i根微型桩的横截面面积(m2),i=0表示桩间土的横截面面积。

步骤五:微型抗滑群桩等效刚度的确定

等效刚度换算法,即在计算时将微型桩与其所包围的土体等效为一个共同承担荷载的桩土结构,采用桩—桩间土结构的等效模量及其横截面惯性矩得到的刚度。根据式(3)(4)(5)(6)分别计算含不同数量微型桩的微型抗滑群桩布桩方式其桩土结构的刚度(具体推导见本发明基本原理1)。

三微型抗滑群桩:

四微型抗滑群桩:

五微型抗滑群桩:K=E·(0.371πD4+0.106D4)。 (5)

对于含n根微型桩的微型抗滑群桩,其等效刚度应按式(6)计算

式中,K-桩土结构等效刚度(kN·m2);D-微型桩单桩直径(m);ai-第i个桩型心轴至桩土结构横截面型心轴的距离(m);In-微型桩轴心连线形成的正n边形的截面惯性矩(m4)。

步骤六:微型抗滑群桩内力临界设计参数的确定

以滑面为x轴,并以桩纵轴线为y轴如图2建系。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)中关于地基比例系数m的取值要求,本发明采用“m”法进行内力计算。在该微型抗滑群桩布桩方法下,由于桩—桩间土结构的刚度较小,在工程实践中变形较大,故采用弹性桩内力计算方法并依据式(7)(8)确定微型抗滑群桩内力临界设计参数

式中:α-桩的变形系数,(m、D、K分别代表地基比例系数、微型桩单桩直径、桩土结构等效刚度),xy、My、Qy-锚固段桩身任一截面的位移(m)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);Ai、Bi、Ci、Di-随桩的换算深度而异的“m”法的影响函数值(查表求得,表见《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8);xA、φA、MA、QA-滑动面处桩的位移(m)、转角(rad)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);σy—纵向侧压力(kPa)。当桩底为自由端时,MA、QA、xA、φA由式(8)求得

步骤七:微型抗滑群桩桩体抗滑稳定性的评价

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006),确定群桩桩体土层允许侧压力σmax。由此可对微型抗滑群桩桩体抗滑稳定性做出如下评价:

1)如果σy≤σmax,则表明微型抗滑群桩内力强度参数满足其桩体抗滑稳定性要求;

2)如果σy>σmax,则表明微型抗滑群桩内力强度参数不能满足其桩体抗滑稳定性要求。此时可采取扩大微型桩截面、适当减小桩间距、增加微型桩数以改变布桩方法等方式按照前述步骤进行二次计算,直到桩侧承载能力满足要求,即可根据式(7)第3、4式进行下一步结构计算。

具体推导见本发明基本原理2部分。

相比传统抗滑桩与微型桩支护在加固方面的局限与不足,本发明提出的微型抗滑群桩加固方法具有以下优势:①施工难度小,施工机械要求低,机动且灵活;②通过桩的挤土效应和圈梁的套箍作用将桩间土挤密,充分地利用了土本身的抗剪强度,而使桩—桩间土成为一个整体共同作用;③桩—桩间土整体的横截面不同于传统抗滑桩的圆形或矩形,而成“锯齿状”,在滑坡推力的作用下,可以将超过桩径很大一部分的桩周土的抗力充分调动起来,这种桩—土共同作用效应是其他支挡结构所不及的;④对于土质松软,灵敏度高的边坡,小断面微型桩群在很大程度上可以减小对坡体的扰动与边坡失稳的概率。

本发明方法的理论基础如下:

原理1组合截面微型桩惯性矩的计算

(1)三微型抗滑群桩布桩等刚度换算方法

对于该种方法布桩,三根圆形截面微型桩两两相切,三桩与桩间土一起,由于桩间挤土效应而形成一个大抗滑桩,大抗滑桩的横截面见图3.a,该截面亦可视为由3个扇形(Ⅰ—Ⅲ)与内部1个三角形组合而成,由此可求组合截面的惯性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅲ的截面惯性矩

对于扇形Ⅰ—Ⅱ,由材料力学可知其对自身型心轴x1轴的惯性矩可由下式求得

对于扇形Ⅲ,由材料力学可知其对自身型心轴x2轴的惯性矩为

根据平行移轴公式可得扇形Ⅰ—Ⅲ对组合截面型心轴x轴的惯性矩为

式中,a1-扇形Ⅰ、Ⅱ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知a2-扇形Ⅲ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知A-扇形面积,

②三角形的截面惯性矩

三角形的截面惯性矩可由下式计算

③组合截面惯性矩即为

(2)四微型抗滑群桩布桩等刚度换算方法

对于该种方法布桩,四根圆形截面微型桩两两相切,四桩与桩间土一起,由于桩间挤土效应而形成一个大抗滑桩,大抗滑桩的横截面见图3.b,该截面亦可视为由4个扇形(Ⅰ—Ⅳ)与内部1个正四边形组合而成,由此可求组合截面的惯性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅳ的截面惯性矩

对于扇形Ⅰ、Ⅱ,由材料力学可知其对自身型心轴x1轴的惯性矩可由下式求得

对于扇形Ⅲ、Ⅳ,由材料力学可知其对自身型心轴x2轴的惯性矩为

根据平行移轴公式可得扇形Ⅰ—Ⅳ对组合截面型心轴x轴的惯性矩为

式中,a1-扇形Ⅰ—Ⅱ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知a2-扇形Ⅲ—Ⅳ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知A-扇形面积,

②正四边形的截面惯性矩

正四边形的截面惯性矩为:

③组合截面惯性矩即为

(3)五微型抗滑群桩布桩等刚度换算方法

对于该种方法布桩,五根圆形截面微型桩两两相切,五桩与桩间土一起,由于桩间挤土效应而形成一个大抗滑桩,大抗滑桩的横截面见图3.c,该截面亦可视为由5个扇形(Ⅰ—Ⅴ)与内部1个正五边形组合而成,由此可求组合截面的惯性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅴ的截面惯性矩

对于扇形Ⅰ、Ⅱ,由材料力学可知其对自身型心轴x1轴的惯性矩可由下式求得

对于扇形Ⅲ、Ⅴ,由材料力学可知其对自身型心轴x2轴的惯性矩为

对于扇形Ⅳ,由材料力学可知其对自身型心轴x3轴的惯性矩为

根据平行移轴公式可得扇形Ⅰ—Ⅴ对组合截面型心轴x轴的惯性矩为

式中,a1-扇形Ⅰ、Ⅱ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知a1=0.69D;a2-扇形Ⅲ、Ⅴ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知a2=0.26D;a3-扇形Ⅳ型心轴至组合截面型心轴距离,由几何关系可知a3=0.85D;A-扇形面积,

②正五边形的截面惯性矩

正五边形的截面惯性矩可由下式计算

I5x=0.106D4 (21)

③组合截面惯性矩即为

I=IⅠx+IⅡx+IⅢx+IⅥx+IⅤx+I5x=0.371πD4+0.106D4 (22)

(4)n微型抗滑群桩布桩等刚度换算方法

对于该种方法布桩,n根圆形截面微型桩两两相切,n根桩与桩间土一起,由于桩间挤土效应而形成一个大抗滑桩,大抗滑桩的横截面,该截面亦可视为由n个扇形(Ⅰ—N)与内部1个正n边形组合而成,由此可求组合截面的惯性矩。

n个扇形(Ⅰ—N)的总截面惯性矩

组合截面惯性矩即为

式中,D-微型桩单桩直径(m);ai-第i个桩型心轴至桩土结构横截面型心轴的距离(m);Inx-微型桩轴心连线形成的正n边形的截面惯性矩(m4)。

原理2“m”法计算抗滑桩内力

由于微型抗滑群桩的刚度较小,故在计算时均视为弹性桩,锚固段受水平荷载的挠曲微分方程为

式中,myDx-地基作用于桩上的水平抗力,对于“m”法,上述挠曲微分方程对锚固段成立的条件是滑面处的地基系数为零。

此为四阶线性变系数齐次微分方程,用幂级数展开后进行近似求解,换算整理后得

式中:xy、My、Qy-锚固段桩身任一截面的位移(m)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);xA、φA、MA、QA-滑动面处桩的位移(m)、转角(rad)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);Ai、Bi、Ci、Di-随桩的换算深度而异的“m”法的影响函数值(查《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8)。

上式为“m”法的一般公式,计算时必须先求得滑面处的xA和φA,才能求桩身任一截面的位移、转角、弯矩、剪力和地基土对该截面的侧向应力。为此,需要根据柱底简化为自由端、铰支端和固定端三种边界条件确定,现以柱底自由端为例说明。

当桩底为自由端时,MB=0、QB=0、φB≠0、xB≠0,将MB=0、QB=0代入式(26)的第2、3式,联解得

将上述各种边界条件下相应的xA和φA代入式(26),即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。

附图说明

图1本发明方法流程图;

图2抗滑桩受力示意图;

图3微型桩布桩、计算示意图,其中(a)、(b)和(c)分别表示3、4和5根微型桩布桩法;

图4冠梁—桩连接示意图(以4根微型桩组合为例),其中(a)、(b)和(c)分别表示俯视图、1—1剖面图和2—2剖面图。

具体实施方式

某工程位于某路K9+590~K10+010段路面右侧边坡。经工程地质勘察,该区域为崎岖、狭窄的山地,施工环境恶劣,大型机械台班进出难度大,且地层土质疏松,灵敏度高。经过综合测评,该处适宜采用本发明所提出的微型抗滑群桩布桩法。下面结合该工程来加以详细论述其可行性,以说明其实际意义和价值。具体实施步骤如下:

步骤一:滑坡土层物理力学参数的确定

由《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)及《土工试验规程》(SL237—1999)对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘,运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定边坡坡体土层的物理力学参数(黏聚力c、内摩擦角天然重度γ)。并根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定地基比例系数m。详见表1。

表1坡体设计参数

步骤二:抗滑桩设计参数的确定及受力分析

1)抗滑桩设计参数的确定

为了使桩间滑体具有足够的稳定性,在下滑力作用下不致从桩间挤出,并且桩间土体与两桩侧面所产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力,桩的平面布置应满足合适的间距;合适的锚固深度及桩长可以保证抗滑桩传递到滑动面以下地层的侧壁应力不大于地层的侧向容许抗压强度。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006),结合工程地质资料和设计要求,确定桩的受荷段长度h1,锚固段长度h2,桩位间距s。具体见表2。

表2桩的设计参数

2)抗滑桩所受总推力的确定(受力示意图见图2)

①单桩承受的滑坡推力,作用于滑面以上部分的桩背上,可假定与滑面平行。一般假定每根桩所承受的滑坡推力等于桩中心距范围之内的滑坡推力。滑坡推力应按不同的滑动面类型选择相应的计算公式,具体见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“附录A”。

②桩前被动土压力。抗滑桩桩前应进行土压力的计算,见式(31),若被动土压力小于滑坡剩余抗滑力时,桩的阻滑力按照被动土压力考虑以式(31)计算结果偏于安全,故抗滑桩所受总推力见式(32)

P=(PT-Ep)·s=(4000-3889.23)·3=332.31kN (32)

式中:P-抗滑桩所受总推力(kN);PT-滑坡推力(kN),计算参见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“附录A”,此处计算省略;Ep-桩前被动土压力(kN);s-桩位间距(m)。

下面两方面的作用力,一般不考虑。桩周摩阻力,属于有利荷载,计算复杂,忽略时计算偏于安全;基底应力,实测资料显示,其值很小,忽略可简化计算。

步骤三:微型抗滑群桩布桩方法

根据同一桩位微型桩根数的不同,有不同的排列组合,本工程拟选用四根微型单桩布桩,如图3.b。

对于同一桩位,微型桩应对称依次打设至设计标高,最终形成束状,以保证各微型桩能够充分挤土,由于桩的挤土作用,可以使桩—桩间土形成一个整体,充分利用桩间土的抗剪强度,使桩—桩间土能够共同作用。

微型抗滑群桩在沉桩完毕后应加设冠梁,一方面将桩身的水平位移限制在规定的范围内,另一方面进一步增强挤土作用,使桩—桩间土能够更好地共同承载。冠梁的形状纵向可以依坡面的弧度为折线形状,横向应保持水平。微型桩顶宜伸出冠梁板,使微型桩与冠梁形成一个整体,见图4。

步骤四:微型抗滑群桩等效模量的确定

对于该布桩方法,由于桩—土作用机理和受力模式不同于传统的抗滑桩,故传统的抗滑桩内力和位移的计算方法不能直接应用,因此本发明提出并采用等效模量换算法,即在计算时将微型桩与其所包围的土体等效为一个共同承担荷载的桩土结构,并以此确定共同桩土结构的等效模量。为消除桩与土由于在力学性质、结构与构造上的差异而导致的计算偏差,二者弹性模量需要进行等效转换计算,见式(33)

式中,E-微型抗滑群桩等效弹性模量(kPa);Ei-第i根微型桩的弹性模量,i=0表示桩间土的弹性模量;Wi-第i根微型桩的面积比例系数,Ai-第i根微型桩的横截面面积(m2),i=0表示桩间土的横截面面积。

步骤五:微型抗滑群桩等刚度换算方法

针对该布桩方法,传统的抗滑桩内力和位移的计算方法不能直接应用,而采用等效刚度换算法,即在计算时将微型桩与其所包围的土体等效为一个共同承担荷载的桩土结构,计算该桩土结构的刚度。本工程选用四根微型单桩布桩,则桩土结构等效刚度为

步骤六:微型抗滑群桩的内力计算

以滑面为x轴,并以桩纵轴线为y轴如图2建系。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)中关于系数m的取值要求,本发明采用“m”法进行内力计算。在该微型抗滑群桩布桩方法下,由于桩—桩间土结构的刚度较小,在工程实践中变形较大,故采用弹性桩内力计算方法并依据式(35)、(36)确定微型抗滑群桩内力临界设计参数

式中:α-桩的变形系数,xy、My、Qy-锚固段桩身任一截面的位移(m)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);Ai、Bi、Ci、Di-随桩的换算深度而异的“m”法的影响函数值(查表求得,表见《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8);xA、φA、MA、QA-滑动面处桩的位移(m)、转角(rad)、弯矩(kN·m)、剪力(kN);σy—纵向侧压力。当桩底为自由端时,MA、QA、xA、φA由式(37)求得,计算结果见表3:

表3锚固段内力计算结果

步骤七:微型抗滑群桩桩体抗滑稳定性的评价

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006),确定群桩桩体土层允许侧压力σmax。由此可对微型抗滑群桩桩体抗滑稳定性做出如下评价:

从表3的计算结果来看,y=y6.0为危险截面,根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“7.2.8”一节,对桩侧承载能力进行校核。

式中,σmax-嵌固段土层最大侧向压力值(kPa);ρ2-折减系数,取决于土体结构特征和力学强度参数的精度,宜取值为0.5~1.0;σp6.0-桩前岩土体作用于桩身危险截面处的被动土压应力(kPa);σa6.0-桩后岩土体作用于桩身危险截面处的主动土压应力(kPa)。

故四根微型桩布桩满足承载力要求,可进行下一步结构计算。

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