抗滑桩设计与计算

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。1.抗滑桩的类型（5）按桩的埋置深度和受力状态全埋式桩：桩前、后均受外力作用的桩；悬臂桩：桩前滑动面以上部分岩土对桩不产生作用力。锚固段受荷段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；（2）拟定桩间距、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三部分：作用于桩上部的滑坡推力和桩前土抗力，锚固段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传递系数法。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；根据试验、调查资料，拟定各条块滑动面的φ、c值，按传递系数法依次计算各条块的剩余下滑力，并要求滑坡前缘出口的剩余下滑力等于或趋近于0，如果不为0.则调整φ、c值，重复计算，直至等于或趋于0为止，得到图中①曲线。①②（2）选定一安全系数K，将极限状态时的抗剪指标（tanφ、c）值除以K，再重新计算各条块的剩余下滑力，得到②曲线。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。该差值在水平方向的分量即为设计滑坡推力值。最后，根据选定的桩位、桩间距，计算作用在每根桩上的滑坡推力。①②3.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。一般来说，滑体的变形是均匀往下蠕动，当滑体是一种粘聚力较大的底层（如粘土、土夹石等），其推力分布可近似按矩形考虑。（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。当滑坡为堆积层、破碎岩层时，下滑力按三角形分布。（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岩（土）体时，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处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。地基系数形状①K法n=0时，C=K地基系数不随深度而变化；适用于较完整的硬质岩层、未扰动的硬粘土和性质相近的半岩质地层。②m法n=1，y0=0，C=my，地基系数随深度呈直线变化；适用于一般硬塑至半坚硬的砂粘土、碎石类土或风化破碎呈土状的软质页岩以及密度随深度增加的地层。③C法地基反力系数沿深度按凸抛物线增大。适用于超固结土C=m(y+y0)n（2）地基反力系数的三种假设方法：（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。1m2m3mm1l2l3l1、桩前土抗力设置抗滑桩后，在滑坡推力作用下抗滑桩产生变形的同时会挤压桩前的岩土体，桩前岩土体必然会给桩一个抗力。试验表明，桩前滑体的体积越大，强度参数越高，滑动面越平缓，桩前滑体抗力越大。2、桩前土抗力的计算min{剩余下滑力，被动土压力}§5.2.3桩前土抗力的确定§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414EICBp51EIBmpH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弹性桩的计算AEpE2lB锚固段a）b）弹性桩计算图式y0y0Q0M2lx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（见P183），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444403333302222201111030200302003020030200（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处的位移、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B0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B0BM00121212120231212121200121212120212121212MQBCCBBDDByEIABBAEIABBAMQCAACDAADEIABBAEIABBA01313013130231313131301313013130213131313MCBBCQDBBDyEIBAABEIBAABMACCAQADDAEIBAABEIBAAB③当桩底为自由端时，有，，，。将边界条件代入（4.8）中的第3式和第4式，联立求解得：0B0BQ0BM0By将上述各种边界条件下相应的y0、φ0带入（4.8），即可求得滑动面以下桩身任一截面的位移、转角、弯矩和剪力。2.K法依假定，桩锚固段的挠曲微分方程为：由式（4.3），有上式可写为：03434034430233434343403434034340234343434MBCCBQBDBDyEIABBAEIABBAMCAACQDAADEIABBAEIABBA440hpdyEIKBydx44hpKBEI44440dyydx求解常系数微分方程，整理代换后有：其中(4.14)1234cos1(sincos)21sins21(sincos)4xchxxchxxshxxhxxchxxshx00001234230000412323200003412233000023412344444xxxxxHxMQyyEIEIMQyEIEIMQMEIyEIEIMQQEIyEIEIKy①当桩底为固定端时，有，.代入式（4.14）中的第1式和第2式，联立求解得：0By0B③当桩底为自由端时，有，。将边界条件代入（4.14）中的