边坡工程处治技术05 抗滑桩的设计与施工

第五章抗滑桩的设计与施工§5.1概述§5.2抗滑桩设计荷载的确定§5.3抗滑桩的计算方法§5.4抗滑桩的设计§5.5抗滑桩的施工§5.1概述抗滑桩工作原理示意图滑坡推力侧向阻力滑动面抗滑桩桩是深入土层或岩层的构件。抗滑桩与一般桩基类似，主要承担水平荷载。边坡处治工程中的抗滑桩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。§5.1.1抗滑桩的类型、特点及适用条件1.抗滑桩的类型（1）按材质分类木桩、钢桩、钢筋混凝土桩、组合桩。（2）按成桩方法分类打入桩、静压桩、就地灌注桩（沉管灌注桩和钻孔灌注桩）。（3）按结构型式分类单桩、排桩（椅式桩墙、门式刚架桩墙、排架抗滑桩墙）、群桩、有锚桩（锚杆和锚索）。（4）按桩身断面形式分类圆形桩、方形桩、矩形桩、“工”字形桩等。a）b）c）抗滑排桩型式a）椅式；b）门式；c）排架式2.各类桩型的特点及适用条件桩型特点适用条件优点缺点按材质分类木桩就地取材、方便、易于施工桩长有限、桩身强度不高用于浅层滑坡的治理、临时工程、或抢险工程钢桩强度高、施打容易、快速、接长方便受桩身断面尺寸限制，横向刚度小，造价偏高钢筋混凝土桩桩断面刚度大，抗弯能力高，施工方式多样混凝土抗拉能力有限按成桩方法分类打入式施工简单、工期短施工振动对边坡影响全埋式抗滑桩或填方边坡，同时下卧地层应有可打性机械钻孔速度快，桩径可大可小对较陡边坡机械架设困难，钻孔时水对边坡也有影响适用于各种地质条件人工挖孔方便、简单、经济速度慢、劳动强度高，遇不良地层处理困难对地质条件要求较高，桩径应在1000mm以上按结构型式分类单桩简单、受力和作用明确。承载力较小排架桩转动惯量大，抗弯能力强，桩臂阻力小，桩身应变小。在软弱地层有明显的优越性有锚桩改变桩的受力状况，桩身应力状态和桩顶位移得到改善。锚杆（索）的锚固端需要较好的地层或岩层边坡的推力较大，对边坡的变形有要求§5.1.2抗滑桩设计要求和设计内容1.抗滑桩设计要求（1）抗滑桩提供的阻滑力要使整个滑坡具有足够的稳定性，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，桩的应力和应变满足规定要求；（3）桩周地基抗力和滑体的变形在容许范围内；（4）抗滑桩的埋深及锚固深度、桩间距、桩结构尺寸和桩断面尺寸应比较适当，安全可靠，施工可行、方便，造价较经济。2.抗滑桩的设计内容（1）进行桩群平面布置，拟定桩间距等平面尺寸；（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抗滑桩设计计算程序收集滑坡资料、分析原因、确定滑坡性质、范围等计算滑坡推力进行桩群的平面布置、拟定桩间距、桩位选择桩型，拟定桩长、锚固深度、截面尺寸等确定桩的计算深度，选定地基系数计算桩的变形系数和计算深度，判断桩的计算性质（刚性或弹性桩）采用相应的方法计算桩的内力和变位、地基反力等，确定桩身的最大弯矩和剪力及位置校核地基强度是否接近绘制桩身弯矩、剪力图、变形曲线是对钢筋混凝土桩进行配筋设计绘制施工图，提出施工技术要求等否§5.2抗滑桩设计荷载的确定作用于抗滑桩上的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。§5.2.1滑坡推力的确定1.滑坡推力坡体产生的作用于抗滑桩桩背上的力，其作用方向假定与桩穿过滑面点处的切线方向平行。2.滑坡推力计算方法滑坡推力的计算方法有瑞典条分法，Bishop条分法，Janbu条分法，不平衡推力传递系数法，有限单元法等。在实际工程中一般采用不平衡推力传递系数法（剩余推力法）。设计滑坡推力按如下方法确定：（1）首先得到稳定系数为1的滑坡推力曲线与设计工况下的推力曲线；（2）设桩处的设计滑坡推力值为设计工况推力曲线与稳定系数为1的滑坡推力曲线之差值；（3）该差值在水平方向的分量即为设计滑坡推力值。对于稳定系数小于1的滑坡，利用《规范》法进行设计偏于危险；而对于稳定系数大于1的滑坡，利用《规范》法进行设计偏于保守。基准工况：该工况不一定是自然工况，而是在考虑安全系数的情况下，进行设计工况与校核工况所对应的荷载组合的推力计算，取其中剩余下滑力较小的一条曲线所对应的荷载组合作为基准工况。控制设计工况：在考虑安全系数的情况下，进行设计工况与校核工况所对应的荷载组合的推力计算，取其中剩余下滑力较大的一条曲线所对应的荷载组合为控制设计工况。对于水库滑坡或削方边坡而言，基准工况时滑坡的稳定系数可能小于1，如果仍利用《规范》法确定滑坡的设计推力，会使结果偏小，从而使设计偏于危险。因为按照《规范》所确定的设计滑坡推力E设小于根据基准工况所确定的设计滑坡推力值E设’（桩前有抗力存在），若桩前不存在抗力时，桩位于抗滑段时的设计滑坡推力不能用差值，需要通过控制设计工况剩余下滑力曲线E设L来确定。3.滑坡推力分布形式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。（1）对于液性指数小，刚度较大和较密实的滑坡体，从顶层到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。（2）对于液性指数较大，刚度较小和密实度不均匀的塑性滑体，假定滑面以上桩背的滑坡推力图形呈三角形分布。（3）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.地基反力桩将滑坡推力传递给滑面以下的桩周土（岩）时，桩的锚固段前后岩（土）体受力后发生变形，并由此产生的岩（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，按弹性抗力计算，处于塑性阶段时，情况比较复杂，但地基反力应不超过锚固段地基土的侧向容许承载力。2.地基反力系数（1）地基反力系数：桩侧岩土体的弹性抗力系数，是地基承受的侧压力与桩在该位置出产生的侧向位移的比值。也即单位岩土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。（2）地基反力系数的三种假设方法：①K法地基系数不随深度而变化，即地基系数为常数K；②m法地基系数随深度呈直线变化；③C法地基反力系数沿深度按凸抛物线增大。（3）地基反力系数K，应通过实验确定。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。地基土为2层时，有2212212211)()2(lllllmlmm（4.1）地基土为3层时，有2321332132212211)()22()2(lllllllmlllmlmm（4.2）m式中：、、——分别为第1，2，3层地基土的值；、、——分别为第1，2，3层地基土的厚度。1m2m3mm1l2l3l§5.3抗滑桩的计算方法§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，其变形有两种情况：1.刚性桩：桩的位置发生了偏离，但桩轴线仍保持原有的线形，变形由于桩周土的变形所致。2.弹性桩：桩的位置和轴线同时发生改变，即桩轴线和桩周土同时发生变形。3.区分方法试验研究表明，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的大小。工程中把这个临界值作为判断是刚性桩或弹性桩的标准。临界值的规定如下：（1）按K法计算时，抗滑桩属刚性桩；时，抗滑桩属弹性桩。（2）按m法计算时，抗滑桩属刚性桩；时，抗滑桩属弹性桩。0.12l0.12l5.22l5.22l式中，β、α均定义为桩的变形系数，单位为，分别按下式计算：1m414EIBKpH（4.3）51EIBmpH（4.4）式中：——K法的侧向地基系数，；——桩的正面计算宽度，m；——m法地基系数的比例系数，；E，I——桩的弹性模量，KPa，桩的截面惯性矩，。HK3mKN4mKNpBpm4m§5.3.2刚性桩的计算把滑面以上抗滑桩受荷载段上的所有的力均当作外力，对滑面以下桩截面进行受力分析，从而计算桩的内力。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A1、A2，H为滑坡推力与剩余抗滑力之差，x为下部桩段转动轴心距滑面的距离，j为旋转角，l0为滑坡推力至滑面的距离。Hyxmmj1A2Ayx0l2l0x单一土层桩的受力分析桩身剪力：桩身弯矩：)23()2(02610121xxxmBxxxABHQppxjj)2()3()(03121021610xxxmBxxxABxlHMppxjj当时桩身变位：桩侧应力：桩身剪力：桩身弯矩：j)(0xxy02xxlj))((02xxmxAx20221026120121)()23(xxABxxxmBxABHQpppxjjj)2()()3()(03121302610201610xxxmBxxABxxxABxlHMpppxjjj当时00xx桩身变位：j)(0xxy桩侧应力：j))((01xxmxAx根据静力平衡条件H=0和M=0可解得：0)23()34(5.0)]2(3)23([)(3)(20222203220222022202103021llAlllmlllAlllmlxAAlxAA令)(21AAA)(3210AAlB)2(3)23(20222022llAlllmlC)23()34(5.0202222032llAlllmlD则有02030DCBxAx)32()2(3)(3[6222222022120AmllAmlxlAAxBHpj（4.5）（4.6）解方程式（4.5），找出代入（4.6）可算出，则可计算出桩的内力。0xj§5.3.3弹性桩的计算AEpE2lB锚固段a）b）弹性桩计算图式jy0y0Q0M2lx滑面抗滑桩滑面以上部分所受荷载对滑面以下桩段的作用可进行简化（如右图），然后可根据桩周土体的性质确定弹性抗力系数，建立挠动微分方程，通过数学求解可得滑面以下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044xymBEIhpdxyd（4.7）xymDCBAyEIQDCBAyEIMDCBAyDCBAyyhxEIQEIMxEIQEIMxEIQEIMxEIQEIMxjjjjj444403333302222201111030200302003020030200（4.8）采用幂级数的解法，整理后有：式中：，，，——随桩的换算深度而变化的m法的影响函数值。iAiBiCiDxl式（4.8）为m法计算桩的一般表达式。一般应根据桩底的边界条件求得滑动面出的位移和转角，才可求出桩身任一截面出的位移、转角、弯矩和剪力，地基土对该截面的侧向应力。①当桩底为固定端时，有，，，。将边界条件代入（4.8）中的第1式和第2式，联立求解得：0By0Bj0BM0BQ②当桩底为铰接端时，有，，，。将边界条件带入（4.8）中的第1式和第3式，联立求解得：0By0BQ0Bj0BM00121212120231212121200121212120212121212MQBCCBBDDByEIABBAEIABBAMQCAACDAADEIABBAEIABBAj01313013130231313131301313013130213131313MCBBCQDBBDyEIBAABEIBAABMACCAQADDAEIBAABEIBAABj③当桩底为自由端时，有，，，