《抗滑桩设计设计与计算》.ppt

1,第4章 抗滑桩的设计计算,4.1 基本概念 4.2 抗滑桩的要素设计 4.3 抗滑桩的内力计算 4.4 抗滑桩的结构设计 4.5 预应力锚索抗滑桩的设计,2,抗滑桩设计与计算，铁道部第二勘测设计院编，中国铁道出版社，1983年，北京 李海光，新型支档结构设计与工程实例，人民交通出版社，2003，北京 郑颖人等，边坡与滑坡工程治理，人民交通出版社，2007 铁路路基支挡结构设计规范，中华人民共和国行业标准，TB10025-2006，中华人民共和国铁道部发布 公路设计手册路基，人民交通出版社，1997,教学参考书,第4章 抗滑桩的设计计算,3,4.1 基本概念,一、抗滑桩的类型及特点,抗滑桩是防止地表岩土体发生滑动破坏(滑坡)的一种地下结构。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。 在滑坡推力作用下，桩依靠埋入滑面以下部分的锚固作用，以及桩前滑面以上滑体的被动抗力来维持稳定。它是一种侧向受荷桩。,4,排式单桩,桩板墙,承台式抗滑桩,桩拱墙,排架式抗滑桩,椅式抗滑桩,式抗滑桩,h式抗滑桩,锚拉式抗滑桩,5,桩板墙,桩拱墙,6,承台式抗滑桩,排架式抗滑桩,椅式抗滑桩,7,抗滑桩的其它分类,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,4.1 基本概念,8,抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况下，能够克服抗滑挡土墙难以克服的困难。(当单排桩所承受的滑坡推力超过200吨, 桩长超过35m时需作可行性论证)。 桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也可与其他构筑物配合使用。 配筋合理，可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋(优于管形状、打入桩)。 (4)施工方便，设备简单。采用混凝土或少筋混凝土护壁，安全、可靠。 (5)间隔开挖桩孔，不易恶化滑坡状态，有利于抢修工程。 (6)通过开挖桩孔，可校核地质情况，修正原设计方案。 (7)施工影响范围小，对外界干扰小。,抗滑桩的优点,9,二、抗滑桩的受力及破坏形式 以排式单桩为例,滑坡推力T(KN/m),10,设：单宽推力T (KN/m),(计算单元),单桩所受滑坡推力：TL,11,当作一维杆件(计算桩内力)时，推力分布,空间模型,12,受荷段地层抗力,锚固段地层抗力,桩侧壁摩阻力,桩底反力(桩底应力),桩身自重,除滑坡推力以外，桩身所受荷载：,13,抗滑桩破坏的基本形式,断桩,桩周土破坏,桩间土挤出,“坐船”,越顶,14,三、桩周土地层(岩土)抗力,1.地基系数k,物理意义：使得单位面积的岩土体，发生一个单位的压缩变形所需的外力，或者岩土体产生的抗力。,单位：KN/m3,(弹簧彼此独立),A-承载板面积(m2),15,地基系数k ，一般认为k 随深度y 按幂函数变化。,n=0时，k=常数。通常按这种规律考虑抗力的计算方法，称为K法；,0n1时，k随深度呈凸抛物线变化。通常按这种规律考虑抗力的计算方法，称为C法；,n=1时，k=my0+my=A+my 若y0=0，即k=my，通常按这种规律考虑抗力的计算方法，称为m法；,n1时，k随深度呈凹抛物线变化。,16,地基系数k=常数 的假定 适合于较完整硬质岩层、未扰动硬粘土或半岩质地层； 地基系数k=my 的假定 适合于一般硬质半坚硬砂粘土、碎石土、或风化破碎成土状的软质岩层，密实度随深度增加的地层。 地基系数k=A+my 的假定适合于超固结粘土层、地面有超载的地层或某些半硬质地层。,通常以滑动面为界，将桩分成两段分别选取地基系数。,17,2.弹性抗力,设某一深度y处桩侧位移为xy(全部为土体的压缩量)，则该深度处弹性抗力为：,Bp桩的抗力计算宽度,y=,k Xy,Bp,18,3.受荷段地层抗力,4.锚固段地层抗力,当桩的受荷段产生较小的位移时，岩土体处于弹性状态，此时的地层抗力，属于弹性抗力。 当位移继续增大时，桩前滑体将沿滑动面产生滑动或者达到被动极限状态。桩前抗力受限于桩前剩余抗滑力或被动土压力。,当桩的锚固段产生较小的位移时，岩土体处于弹性状态，此时的地层抗力，属于弹性抗力。当桩周土进入塑性状态时，抗力增加不多(略有增加)；当桩周土进入破坏状态时，抗力不再增加(甚至降低)。 锚固段地层抗力受限于地层的侧向容许应力,19,四、刚性桩与弹性桩,刚性桩：仅桩的位置发生变化，桩轴线仍保持原来的线型（尤如刚体一样）。,弹性桩：桩的位置与桩轴同时发生改变。,试验研究表明： 当侧向受荷桩埋入稳定地层的计算深度，低于某一临界值时，可视桩的刚度为无穷大；在侧向荷载作用下，桩的极限承载力仅取决于桩周土弹性抗力的大小； 计算深度为此临界值时，按刚性桩或弹性桩计算，其水平承载力及传递到地层的压力图形比较接近。,20,桩的计算深度桩的埋置深度桩的变形系数,E桩的弹性模量（kN/m2）；取 I桩的截面惯性矩（m4）； Bp抗力计算宽度（m）； 、桩的变形系数（m-1）； k地基系数 （kN/m3）； m地基系数随深度变化的比例系数 （kN/m4）。,21,悬臂桩法出现较早、计算简单、在实际中应用较多。铁路路基支挡结构设计规范(TB10025-2006)推荐的即是该法。本课程介绍的即是该方法,对于悬臂式抗滑桩、桩前滑体可能滑走的全埋式抗滑桩，通常采用悬臂桩法； 对于一般的全埋式抗滑桩，上述两种方法均可采用,地基系数法，由于没有考虑滑面的存在及其影响(即假设桩前滑体也产生弹性抗力)，这样做只有当求出的桩前滑体弹性抗力桩前滑体实际具有的抗力时，才可以。否则不合理,22,平面上常为一排。对于大型、复杂的滑坡，纵向较长、下滑力较大，也可布置两排、三排。布置方向应与滑动方向垂直或接近垂直； 当滑坡下滑力特别大时，平面上可把桩布置成“品”字型或“梅花”型。还可结合滑坡特征和施工条件，采用其它形式的抗滑桩。,4.2 抗滑桩的要素设计,一、抗滑桩的平面位置、桩间距,滑坡下部，滑面较缓、下滑力较小或系阻滑段，常能提供一定的桩前抗力，是设桩的较好位置。,抗滑桩的平面位置和间距，一般应根据滑坡推力大小、地层性质、滑面形态和坡度、滑体厚度和施工条件等因素综合而定。,23,24,4.2 抗滑桩的要素设计,第9次课,实际工作中，一般是以“桩间土体与侧壁产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力”为控制进行估算。有条件时，可通过模拟试验，考虑土拱效应，并结合实践经验确定桩间距,一般情况下，当滑体完整、密实或滑坡推力较小，桩距可取得大些；反之，应取得小些。滑坡主轴附近桩距取得小些，两侧桩距取得大些,桩间距：合适的桩间距应该使得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。,根据工程经验，桩距一般为610m,25,二、抗滑桩的截面形式与尺寸,目前采用矩形（方形）、圆形。但考虑桩的受力条件和施工方便，抗滑桩以采用正面一边较短，侧面一边较长的矩形截面为好。 桩的截面尺寸，根据下滑力大小、桩距、锚固段的侧向容许应力等因素综合考虑。 采用人工挖孔施工时，桩的最小宽度一般不宜小于1.25 m。 桩的工程常采用的截面尺寸有：2m3m，2.5m3.5m， 3m4m 等。以2m3m最为常见。,26,三、抗滑桩的锚固深度与桩长,抗滑桩锚固深度，与锚固段地层强度、滑坡推力、桩刚度、桩截面、桩距，是否和如何考虑桩前滑体抗力等有关。,目前一般从控制锚固段桩周地层的强度来考虑，即要求锚固段桩侧应力不大于地层的侧向容许应力。,当地层为岩层时，桩的最大侧向压应力不大于地层的侧向容许承载力 ：,27,桩身侧向压应力被动土压力主动土压力,通常仅验算滑面以下2/3h2和h2处。,工程经验 对于土层或软弱岩层，锚固长度约为1/21/3桩长； 对于较完整、坚硬岩层，锚固长度可采用1/4桩长。,当地层为土层或风化成土、砂砾状岩层时，桩身发生转动变位，当达到极限状态时，桩前土体产生被动土压力，桩后产生主动土压力,28,按固定端支撑设计抗滑桩是不经济的，应少用。,MB=0,B0 QB=0, xB0,MB=0, B0 QB0, xB=0,MB0,B=0 QB0 ,xB=0,四、桩底支撑条件,锚固段地层为土层或软弱破碎岩体时，可视为自由端； 桩底完整、嵌入较浅，可视为铰支端； 桩底岩层完整、嵌入较深，可视为固定端,完整基岩,B,B,B,MB弯矩；B转角; QB剪力； xB位移,29,悬臂桩法：,地基系数法：,首先，将受荷段桩身所受的滑坡推力、桩前剩余抗滑力或被动土压力作为已知力，计算受荷段桩身内力；,仅将滑坡推力作为已知力，根据滑面上、下地基系数，把整根桩作为弹性地基梁计算。,然后，将滑面处的弯矩剪力作为已知力，根据锚固段地基系数，计算锚固段桩身内力、桩身变位。,4.3 抗滑桩桩身内力计算,30,31,一、刚性桩的内力计算 （一）计算简图 （二）内力、变位表达式推导 （三）y0、的确定 二、弹性桩的内力计算 （一）弹性桩的挠曲微分方程 （二）m法(k=my ) （三）K法(k=K ) （四）换算桩法(k=A+my )*(不讲),（本节采用板书讲授）,32,4.4 抗滑桩的结构设计,“承载能力极限状态”验算,正截面受弯承载力验算,斜截面受剪承载力验算,抗滑桩属于大断面的地下结构，一般允许有较大的变形。桩身裂缝超过允许值，钢筋的局部锈蚀对桩的强度不会有很大的影响，因此，无特殊要求时，可不做“正常使用极限状态验算”，而只作“承载能力极限状态”验算。,33,一、正截面受弯承载力验算,xxb时， c cu ，y s，适筋梁,基本公式,限制条件,(防治超筋破坏）,(防治少筋破坏）,x砼受压区高度； xb砼界限受压区高度（砼、钢筋同时屈服）； b矩形截面宽度； h0截面有效高度 h0=ha y钢筋的极限拉应变 cu非均匀受压时砼极限压应变;,xxb时， c cu ，y s，超筋梁,34,fc砼轴心抗压强度设计值； ft砼轴心抗拉强度设计值； fcu,k砼立方体抗压强度设计值; fy钢筋抗拉强度设计值； Es钢筋弹性模量；,式中,35,二、斜截面受剪承载力验算,基本公式,(矩形、T形、I形截面一般受弯构件，仅配箍筋时),斜截面上砼、钢筋的受剪承载力设计值； 砼轴心抗拉强度设计值； 箍筋抗拉强度设计值； 配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面积； 箍筋的配筋率；,36,限制条件,矩形、T形、I形截面一般受弯构件，满足：,均不进行斜截面的受剪承载力验算，仅需按构造要求配制箍筋。,(防治因超筋引起的斜压破坏）,(防治因少筋引起的斜拉破坏）,37,三、抗滑桩的配筋,无特殊要求，一般可不做变形、抗裂、挠度等验算； 桩身砼等级不低于C30；护壁和锁口砼等级不低于C15； 纵向受力筋：,直径16mm； 净距120mm（困难时80mm） 保护层70mm,抗滑桩内不宜设置设置斜筋（弯起钢筋），可采用调整箍筋直径、间距和截面尺寸等措施满足斜截面抗剪强度。 箍筋：宜采用封闭式，肢数不多于4肢，直径14mm；间距400mm 抗滑桩两侧及受压边，应适当布置纵向构造筋：直径12mm；间距300mm ；受压边两侧应布置架立钢筋：直径16mm；,38,39,40,一、预应力锚索抗滑桩的形式和特点 二、锚拉桩锚索受力及桩身内力计算 三、锚拉桩配筋的注意事项,4.5 预应力锚索抗滑桩的设计计算,41,一、预应力锚索抗滑桩的形式和特点,20世纪80年代开始研究在普通抗滑桩的桩顶或桩身安设预应力锚索(锚杆),并应用于工程，这就是预应力锚索抗滑桩(锚拉桩),(普通)抗滑桩在滑坡治理中得到普遍应用。但在治理大型、特大型滑坡时，因滑体厚度大、滑坡推力大，常常使得桩身截面很大、桩长很长、施工困难、造价高。 例如：有的桩截面3.57m，桩长5060m,42,预应力锚索(锚杆),L小,L大,改善了普通桩的受力特点，减小了桩身弯矩、剪力，因而减小了桩截面和埋深，节省材料和造价；,锚拉桩的特点：,普通桩,锚拉桩,锚索控制了桩头位移量，变普通桩的被动受力为主动受力，减小了滑体位移量，减弱了滑带强度损失；,能较快速地稳定滑坡。,43,二、锚拉桩锚索受力及桩身内力计算,布置有n排锚索的锚拉桩，是一个n次超静定结构,1.锚拉桩所受荷载： 滑坡推力q(已知力) 锚索拉力R (未知力) 锚固段桩周岩土抗力(未知力) 不计桩身自重、桩底反力、桩侧摩阻力,(一)计算假定与