6.5抗滑桩设计与计算

抗滑桩是防止滑坡的一种工程结构，设于滑坡的适当部位，一般完全埋置于地下(有时也露出地面)，桩的下段须埋置在滑动面以下稳定地层的一定深度。6.5.1概述6.5抗滑桩设计与计算抗滑桩的分类施工方式打入桩钻孔桩挖孔桩材料木桩钢桩钢筋混凝土桩截面形态圆形桩管形桩矩形桩刚度刚性桩弹性桩结构形式排式单桩承台式桩排架桩……(1)圆桩(2)方桩(3)挡土墙排式单桩品字形排桩承台式桩承台式桩6.5.2抗滑桩的设计与计算6.5.2.1抗滑桩设计的要求和步骤6.5.2.1.1抗滑桩设计应满足的要求(1)．坡体稳定：整个滑坡体具有足够的稳定性，即抗滑稳定安全系数满足设计要求值，保证滑体不从桩顶滑出，不从桩间挤出。(2)．桩身稳定：桩身要有足够的强度和稳定性。桩的断面和配筋合理，能满足桩内应力和桩身变形的要求，保证不被剪断，不产生过大变形。(3)．桩基和桩侧稳定：桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内。(4)．抗滑桩的间距、尺寸、埋深等都较适当，保证安全，方便施工，并使工程量最省。(5).注意与环境的协调性。抗滑桩的设计任务就是根据以上要求，确定抗滑桩的桩位，间距、尺寸、埋深、配筋、材料和施工要求等。这是一个很复杂的问题，常常要经分析研究才能得出合理的方案。6.5.2.1.2抗滑桩设计计算步骤(1)首先查明滑坡的原因、性质、范围、厚度等基本条件，分析滑坡的稳定状态、发展趋势。(2)根据滑坡地质剖面及滑动面处岩（土）的抗剪强度指标，计算滑坡推力。(3)根据地形、地质及施工条件等确定设桩的位置及范围。(4)根据滑坡推力大小、地形及地层性质，拟定桩长、锚固深度、桩截面尺寸及桩间距等桩参数。(5)确定桩的计算宽度，并根据滑体的地层性质，选定地基系数。(6)根据选定的地基系数及桩的截面形式、尺寸，计算桩的变形系数（或）及其计算深度（h或h），据此判断是按刚性桩还是按弹性桩来设计。(7)根据桩底的边界条件采用相应的公式计算桩身各截面的位移(变形)、内力及侧壁应力等，并计算确定最大剪力、弯矩及其部位。(8)校核地基强度:若桩身作用于地基的弹性应力超过地层容许值或者小于其容许值过多时，则应调整桩的埋深或桩的截面尺寸，或桩的间距，重新计算，直至符合要求为止。(9)根据计算的结果，绘制桩身的剪力图和弯矩图。(10)对于钢筋混凝土桩，还需进行配筋设计。6.5.2.2抗滑桩的计算方法理论基础：将地基土视为弹性介质，应用弹性地基梁的计算原理，以捷克学者温克勒提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论基础。计算方法悬臂桩法地基系数法有限元法(矩阵分析法)m法K法m-k法地面地面滑面滑面MQ悬臂桩法受荷段锚固段m1m2地面地面滑面滑面地基系数法地面地面m1m26.5.2.3抗滑桩设计的基本假定6.5.2.3.1作用于抗滑桩上的力系作用于抗滑桩的外力包括：滑坡推力、受荷段地层（滑体）抗力、锚固段地层抗力、桩侧摩阻力和粘着力以及桩底应力等。这些力均为分布力。(1)滑坡推力：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距（中至中）范围之内的滑坡推力。SSS一般情况下，所算得的滑坡推力f为单位宽度滑体的推力，最用在桩(单排桩)上的推力应为fS。(2)根据设桩的位置及桩前滑坡体的稳定情况，抗滑桩可分为悬臂式和全埋式两种。当桩前滑坡体不能保持稳定可能滑走的情况下，抗滑桩应按悬臂式桩考虑；而当桩前滑坡体能保持稳定，抗滑桩将按全埋式桩考虑。不能提供抗力可提供抗力(3)岩土抗力：埋于滑床中的桩将滑坡推力传递给桩周的岩（土），桩的锚固段前、后岩（土）受力后发生变形，从而产生由此引起的岩（土）抗力作用。(4)桩周摩阻力：抗滑桩截面大，桩周面积大，桩与地层间的摩阻力、粘着力必然也较大，由此产生的平衡弯矩对桩有利。但其计算复杂，一般不予考虑。(5)基底应力：抗滑桩的基底应力，主要是由自重引起的。而桩侧摩阻力、粘着力又抵消了大部分自重。实测资料表明，桩底应力一般相当小，为简化计算，桩底应力可忽略不计。6.5.2.3.2抗滑桩的计算宽度抗滑桩受滑坡推力的作用产生位移，则桩侧岩土体对桩将产生抗力。当岩（土）变形处于弹性变形阶段时，桩受到岩（土）的弹性抗力作用。岩（土）对桩的弹性抗力及其分布与桩的作用范围有关。为了将空间的受力简化为平面受力，并考虑桩截面形状的影响，将桩的设计宽度（或直径）换算成相当于实际工作条件下的矩形桩宽BP，此BP称为桩的计算宽度。1．试验表明，对不同尺寸的圆形桩和矩形桩施加水平荷载时，直径为d的圆形桩与正面边长为0.9d的矩形桩，在其两侧土体开始被挤出的极限状态下，其临界水平荷载值相等。所以，矩形桩的形状换算系数为Kf=1，而圆形桩的形状换算系数为Kf=0.9。2．同时，由于将空间受力状态简化成为平面受力状态，在决定桩的计算宽度时，应将实际宽度乘以受力换算系数KB。由试验资料可知，对于正面边长b大于或等于1m的矩形桩受力换算系数KB为(1+1/b)，对于直径d大于或等于1m的圆形桩受力换算系数KB为(1+1/d)。故桩的计算宽度应为：矩形桩：圆形桩：1110.1bbbbKKBBfp)1(9.0119.0ddddKKBBfPKfKBKfKB附注：只有在计算桩侧弹性抗力时，采用桩的正面计算宽度。计算桩底反力时，仍用桩的实际宽度。BpdbBp3．桩的截面形状应从经济合理及施工方便考虑。目前多用矩形桩，边长2~3m，以1.5m2.0m及2.0m3.0m两种尺寸的截面为常见。6.5.2.3.3桩侧岩（土）的地基系数桩侧岩（土）的弹性抗力系数简称地基系数，是地基承受的侧压力与桩在该处产生的侧向位移的比值。虎克定律：f=kx弹性抗力：作用于桩侧任一点y处的弹性抗力fy和桩侧应力分别为:xy:地层y处的水平位移，K：地基系数，Bp:桩的计算宽度。ypyxKBfyyKx(1)认为地基系数是常数，不随深度而变化，以“K”表示之，相应的计算方法称为“K”法，可用于地基较为完整硬质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。(2)认为地基系数随深度按直线比例变化，即在地基内深度为y处的水平地基系数为K=m·y或K=K0+my，相应这一假定的计算方法称为“m”法，可用于硬塑~半坚硬的砂粘土、碎石土或风化破碎成土状的软质岩层以及重度随深度增加的地层。(3)地基系数K及比例系数m应通过试验确定；当无试验资料时，可采用工程地质类比方法确定。KKKKyK法m法C法n=0n=10n1n1nyymK)(06.5.2.3.4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。根据桩和桩周岩（土）的性质和桩的几何性质，其变形可有两种情况。(1)桩的位置虽发生了偏离，但是桩轴仍保持原有的线型；它之所以变形是由于桩周的岩（土）变形所致——刚性桩。(2)桩的位置和桩轴线型同时发生改变，即桩轴和桩周岩（土）同时发生变形——弹性桩。ff刚性桩弹性桩试验研究表明，当桩埋入稳定地层(即滑动面以下)内的计算深度（桩的锚固深度h2与桩的变形系数α或β的乘积，即αh2或βh2）为某一临界值时，不管按刚性桩或按弹性桩计算，其水平承载力及传递到地层的压力图形均比较接近。因此，可将这个临界值作为判别刚性桩和弹性桩的标准。(1)按K法计算当h2β≤1.0时，抗滑桩属刚性桩当h2β1.0时，抗滑桩属弹性桩其中：为桩的变形系数，以m-1计，可按下式计算：414EIBKpK——地基系数（kN/m3）；BP——桩的正面计算宽度（m）；E——桩的弹性模量（kPa）；I——桩的截面惯性矩（m4）。123baIba(2)按m法计算当h2≤2.5时，抗滑桩属刚性桩;当h22.5时，抗滑桩属弹性桩。其中：为桩的变形系数，以m-1计，可按下式计算：51EImBpm——水平方向地基系数随深度变化的比例系数（kN/m4），简称地基比例系数。6.5.2.3.5桩后推力与桩前抗力滑坡推力曲线T—桩上滑坡推力（KN/m）P—桩前滑坡推力（KN/m）式中：——地层岩（土）的容重，（kN/m3）；——地层岩（土）的内摩擦角，（）；c——地层岩（土）的粘聚力（kPa）；h——地面至计算点的深度，（m）。6.5.2.3桩侧支承条件(1)土层及严重风化破碎岩层当桩周土体均匀且地面横坡坡度i=0或较小时，桩身对地层的侧压应力（kPa）应符合下列条件：max)(cos4chtg一般检算桩身侧压应力最大处，若不符合上式的要求，则调整桩的锚固深度或桩的截面尺寸、间距，直至满足为止。式中：——滑动面以下土体的内摩擦角(度)；——滑动面上、下土体的重度，(kN/m3)；c——地层岩（土）的粘聚力（kPa）；H1——设桩处滑体地面至滑动面的距离(m)y——滑动面至计算点的深度,(m)当桩周滑面上下土体差别较大且地面横坡坡度i=0或较小时，地基y点的横向容许承载力按下式计算：])[(cos4211ctgyH21式中：——滑动面以下土体的综合内摩擦角(度)；——滑动面上、下土体的重度，(kN/m3)；H1——设桩处滑体地面至滑动面的距离,(m)y——滑动面至计算点的深度,(m)当桩周滑面上下土体差别较大且地面横坡坡度较大且时，地基y点的横向容许承载力按下式计算：020222211coscoscoscos)(4iiyH2100i(2)比较完整的岩质、半岩质地层桩身对围岩的侧向压应力应符合下列条件：RCKmax式中：K——换算系数，根据岩层在水平方向的容许承载力大小取值，一般取0.5~1.0；C——折减系数，根据岩层的裂隙、风化和软化程度，取0.3~0.5；R——岩石单轴挤压极限强度(kPa)。计算结果若不符合上式，则调整桩的锚固深度或截面尺寸、间距，直至满足为止。对于圆形截面桩，因桩周最大压应力为平均应力的1.27倍，上式应改写为：KCR27.11max上述公式只能作为决定桩的锚固深度及校核地基强度的参考。常用的锚固深度，对于土层或软质岩层约为1/3~1/2桩长，对于完整、较坚硬的岩层可采用1/4桩长。三峡规范的建议值为1/3~2/5。6.5.2.4桩底支承条件抗滑桩的顶端，一般为自由支承；而底端，由于锚固程度不同，可以分为自由支承、铰支承、固定支承三种，通常采用前两种。（1）自由支承当锚固段地层为土体、松软破碎岩时，现场试验表明，在滑坡推力作用下，桩底有明显的位移和转动。桩底可按自由支承处理，即令QB=0、MB=0。（2）铰支承当桩底岩层完整，并较AB段地层坚硬，但桩嵌入此层不深时，桩底可按铰支承处理，即令xB=0，MB=0。（3）固定支承当桩底岩层完整、极坚硬，桩嵌入此层较深时，桩身B点处可按固定端处理，即令xB=0、B=0。但抗滑桩出现此种支承情况是不经济的，故应少采用。6.5.3刚性桩的计算刚性桩的计算方法较多，目前常用是悬臂桩法：(1)滑面以上抗滑桩受荷段上所有的力均当做外荷载看等，桩前的滑体抗力按其大小从外荷载中予以折减，将滑坡推力和桩前滑面以上的抗力折算成在滑面上作用的弯矩和剪力并作为外荷载。(2)抗滑桩的锚固段，则把桩周岩土视为弹性体计算侧向应力和土的抗力，从而计算桩的内力。滑面MQm1m2假定桩身置于均质岩土层中，桩身范围内土体为同一m值，桩底自由，滑面处的弹性抗力系数A1及A2。H为滑坡推力与剩余抗滑力之差；h0为H作用点距滑面的垂直距离。（1）当0≤y≤y0时变位:桩侧应力:剪力:弯矩:)()(00yytgyyx))((01yymyAyypydyByymyAHQ001))(()23(61)2(210201yyymByyyABHPpyyydyQHhM00)2(121)3(61)(030210yyymByyyAByhHPP(以桩与滑面交点为计算点)（2）当y0≤y≤h2时变位桩侧应力剪力)()(00yyt