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滑坡治理中的抗滑桩设计


滑坡治理中的抗滑桩设计
佴磊 1,马丽英 2,冷曦晨 3,于清杨 1
(1.吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026;2.大连铁道学院,辽宁大连 116000;3.吉林省交通厅,吉林长春 130021)

摘要:抗滑桂因其具有抗滑能力强,适用务件广泛,对滑坡的根治性能好等突出优点而被广 摘要 泛地应用于滑坡治理中。但由于以隹“表格”计算

方式的限制,在其设计应用中存在一些不 尽如人煮的地方。对滑坡治理中抗滑桩的应用、桩身形变、内力、钢筋混凝土桩的结构设计 进行分析, 给出了不同地基系数务件下的桩内力表达式、 不同位移及转角迫界条件下桩身变 形,以及钢筋混凝土桩的结构形式。墙制了从滑坡推力计算至桩结构设计的垒套应用程序, 从而使抗滑桩的分析快捷、准确、实用性更强. 关键词:抗滑柱;滑坡;内力与变形 关键词 中田分类号: 文献标识码: 中田分类号:P642.2 文献标识码:A 长期以来,抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理中。 在国内外自 20 世纪 60 年代中较成功地开始使用抗滑桩以来,至今已有 30 余年的历史。在 60 年代中至 70 年代末近 10 年的时间里,国内抗滑桩较多她应用于铁路部门的滑坡治理中, 并取得了良好的结果[1,2]。早期的抗滑桩的设计主要参照桩基的设计推导演变而来,70 年代 末以来国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、 方法和参数进行了广泛的研究, 并结合实际 [2,3] 。但由于 70 年 工程进行了现场测试,使得抗滑桩设计理论自 80 年代初以来已较为完善 代末及 80 年代初计算工具的局限性,抗滑桩设计的过程手段主要采用了查表法确定计算中 的一系列系数,并进而计算桩内力的方法。随着计算机技术的发展,这种分析方法已不能很 好地适应现代高速发展的国民经济建设的需要, 因而利用计算机技术实现抗滑桩设计中滑坡 评价、参数调整、推力计算、抗滑桩内力分析、抗滑桩结构设计、施工图绘制等系统工程已 成为迫切需要。结合这一需要,本文进行了抗滑桩分析中这一系列评价的“自动化”实现, 为抗滑桩的设计提供了一种准确、快速、简便、可动态调整的分析方法及评价软件。 l 抗滑桩的类型 抗滑桩按施工方法可分为:打人桩、钻孔桩和挖孔桩;按材料可分为:木桩、钢桩和钢 筋混凝土桩;按桩的截面形状可分为圆形桩,管形桩和矩形桩等;按桩与周围岩土的相对刚 度分为刚性桩和弹性桩;按结构型式可分为排式单桩、承台式桩和排架桩。抗滑桩的抗滑作 用主要是利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力。与其它抗滑工程如抗滑挡 墙、锚杆等相比,其具有抗滑能力强、适用条件广泛、不易恶化滑坡状态、施工安全简便, 并能进一步核实地质条件等突出优点。由于抗滑桩在治理滑坡及维护边坡稳定上的突出优 点,使抗滑桩广泛应用于矿山边坡、铁路、公路滑坡、工业与民用建筑基坑支护、港口等边 坡工程中。且抗滑桩的单桩截面已达 3.5 * 7.0 m,单桩的长度已超过 50 m。在滑坡治理及 边坡工程中, 针对不同工程地质条件. 采用不同类型的抗滑桩进行边坡加固与滑坡治理取得 了大量成功的经验,随着国民经济建设速度的加快.其应用前景将更加广阔。 2 抗滑桩变形及内力分析 2.1 滑动面以上抗滑桩的位移及内力分析 滑动面以上抗滑桩的位移及内力分析 对于滑动面以上抗滑桩的位移及内力分析主要作为悬臂梁求解。 当其分别受均布荷载及 线性荷载时,由变形微分方程式

d 2 x M ( y) = , dy 2 EI
并考虑在滑动面处其转角及位移边界条件分别为 ?A 及 xA。可求得均布荷载下抗滑桩滑面以

上部分的位移及转角方程为

dx q ? 3 3 ?? = dy = 6 EI ( y ? l ) ? ? A , ? ? ? x = q ( y 4 ? 4l 3 y + 3l 4 ) + ? (l ? y ) + x A A ? 24 EI ?
线性分布荷载下抗滑桩滑面以上部分的转角及位移为

γ ? 4 4 ?? = 24 EI ( y ? l ) + ? A , ? ? ? x = γ ( y 5 ? 5l 4 y + 4l 5 ) + ? (l ? y ) + x A A ? 120 EI ?
2.2 滑动面以下抗滑桩的内力及变形分析 抗滑桩位于滑动面以下部分主要为地基梁, 采用地基梁理论确定其变形及内力。 当受均 布荷载及线性荷载时分别讨论如下: (1)当受均布荷载作用时(k 法),桩顶受水平荷载时抗滑桩挠曲微分方程为[3]

d 4x EI 4 + xKB p = 0 dy
其 中 : xKBp 为 地 基 作 用于 桩 上 的 水 平 抗 力 , t / m 。 引 入 变 形 系 数 β = 4
2

KB p ,即 4EI

KB p = 4 EIβ 4 ,上式可写为

dx 4 + 4βx = 0 dy 4

解上述微分方程,得到滑动面以下桩身任一截面的变位和内力的计算公式:

x y = x A?1 +

?A M Q ? 2 + 2 A ?3 + 3 A ? 4 , β β EI β EI ?A M Q ?1 + 2 A ?2 ) + 3 A ?3 , β β EI β EI

? y = β (?4 x A? A +

MA ? M Q = ?4 x A?3 ? A 4?1 + 2 A ?1 + 3 A ? 2 , 2 β EI β β EI β EI Qy M Q ? = ?4 x A? 2 ? A 4?3 ? 2 A 4? A + 3 A ?1 , 3 β β EI β EI β EI

σ y = Kx y 。

其中:

?1 = cos βychβy, ? 2 = 1 (sin βychβy + cos βyshβy ), 2 ?3 = 1 sin βyshβy, 2 ? 4 = 1 (sin βychβy ? cos βyshβy ) 2

当桩底为自由端时,Mb=0,Qb=0,可得

xA =

2 M A 4? 4 + ?1?3 Q ? 2?3 ? ?1?4 + 3A , 2 2 β EI 4?3 ? 4? 2? 4 β EI 4?32 ? 4? 2? 4 2 M A 4?3? 4 + ?1? 2 Q ? 2 ? ?1?3 ? 2A βEI 4?32 ? 4?2? 4 β EI 4?32 ? 4? 2?4

?A = ?

(2)当受线性分布荷载作用时(m 法),桩的挠曲微分方程为 EI 结合边界条件解该方程可得

d 4x = ? myxBp 。 dy 4

?A M Q ? B1 + 2 A C1 + 3 A D1 , ? α α EI α EI ? MA QA ?A ? B + C + D ), ? y = α ( x A A2 + ? α 2 α 2 EI 2 α 3 EI 2 ? M Q ? ? ?? M y = α 2 EI ? x A A3 + A B 3 + 2 A C 3 + 3 A D 3 ? ? α α EI α EI ? ?? ? ?A MA QA 2 Q y = α EI ( x A A A + BA + 2 C4 + 3 D4 ) ? α α EI α EI ? σ y = myx ?
x y = x A A1 + ? ?
式中: y 、 y 、 y 、 y x ? M Q

分别为锚固段桩身任一截面位移(m), 转角(弧度). 弯矩(MN· 剪 m).

力(MN); x y 、? y 、 M y 、 Qy 分别为滑动面处桩的位移,转角,弯矩(MN·m),剪力(MN); Aj、Bj、Cj、Dj 分别为随桩的换算深度 α y 而异的“m”法影响函数值;E 为混凝土的弹性模 量,MPa;I 为桩的截面惯性矩.m4; α = (
n

mB p EI

1

) 3 为桩的变形系数,m-1。

Ai = ∑
n =0

m

(αy )

( 5× n ? i +1)

(?1)

n

∏ [5 × ( j ? 1) + 1]
j =0
n

(5 × n ? i + 1)!

,当 j=0 时,取 5 × ( j ? 1) + 1 = 1;

Bi = ∑

m

(α y ) ( 5× n ? i + 2 ) ( ?1) n ∏ [5 × ( j ? 1) + 2 ]
j=0

n=0

(5 × n ? i + 2)!

,当 j=0 时,取 5 × ( j ? 1) + 2 = 1;

Ci = ∑
n =0

m

(α y ) ( 5× n ? i + 3) ( ?1) n ∏ [5 × ( j ? 1) + 3]
j=0

n

(5 × n ? i + 3)!
n

,当 j=0 时,取 5 × ( j ? 1) + 3 = 1;

Di = ∑
n =0

m

(α y ) ( 5× n ? i + 4 ) ( ?1) n ∏ [5 × ( j ? 1) + 4 ]
j =0

(5 × n ? i + 4)!

,当 j=0 时,取 5 × ( j ? 1) + 4 = 1;

上述公式中规定:若 K 为正整数,则(-K) ? ∞ 。为保证计算精度,各式中应取 m 为≥4 != 的的正整数。 当桩底为自由端时,有

xA =

M A B 3 C4 ? C3 B4 Q B D ? B4 D3 + 3A 3 4 , 2 α EI A3 B4 ? B3 A4 α EI A3 B3 ? B3 A4 M A C 3 A4 ? A3C4 Q B D ? B4 D3 ? + 2A 3 4 . αEI A3 B4 ? B3 A4 α EI A3 B3 ? B3 A4

?A =

3 抗滑桩设计实例
利用所编制的抗滑桩内力、 变形分析与制图程序, 对延吉至图们高速公路中里滑坡抗滑桩进 行了设计。确定了该抗滑桩的变形、弯矩、剪力及桩与周围岩土体间的压力,如图 1 所示[2]。

同时对该抗滑桩底部边界条件变化时及不同地基弹性抗力系数时内力的变化进行了对比研 究,其结果如表 1 所示。 表 1 不同地基弹性抗力系数及桩底约束条件时桩内力的变化情况

可以看出,当地基抗力系数及端部约束在所给范围内变化时,其内力变化较小。底部为 固定端时剪力变化较大。底部为固定端约束的情况应予以避免。

4 抗滑桩结构设计及桩侧应力复核
由计算所得内力对抗滑桩结构按混凝土结构设计规范(GBJ 一 89)进行结构设计。 对于桩 对周围岩土体的作用进行桩侧应力复核。按地层情况分以下两种情况进行: (1)土、松散地层桩侧应力复核 桩身对土及松散地层的侧壁压应力 σ max 应符合 σ max ≤ (2)较完整岩质、半岩质地层 根据岩 对于中里滑坡桩身对岩体的侧壁压应力应符合 σ max ≤ Kc[σ c ] 其中 c 为折减系数。 体的风化程度、裂隙发育程度及软化程度,通常取 0.3~0.5,对滑坡凝灰质砂岩取 0.3。K 为岩层构造在水 f 方向换算系数,通常取 l~0.5,对中里滑坡凝灰质砂岩取 [σ c ] 为凝灰质砂 岩的抗压强度。 对抗滑桩的以上评价及滑坡推力等桩没计前期分析编制了设计程序(APD),使抗滑桩的 设汁简捷、准确,具有广泛的应用前景。 参考文献 [1]沈珠江.桩的抗滑阻力和抗滑桩的极限设汁[J].工程学报,1992,14(1):51—55 [2]林宗元. 岩土工程勘察设计手册[M].沈阳;辽宁科学技术出版社,1996.1719~1740. [3]DAY R Net pressure analysis of cantilever sheer pile walls[J] . Geotechnique , 1999.49(2).231 -245

4 (γytg? + c) cos ?


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