陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术

陡坡高桥墩桩基

稳定性分析及施工关键技术

杨果林张红日罗吉智

著

申权林宇亮江翮

中国铁道出版社有限公司

北京

2022·

内容简介

本书系统分析了陡坡高桥墩桩基的稳定性探索了陡坡上高桥墩桩基工程建造新技术主

,。

要内容包括陡坡路基上高桥墩桩基内力变形及稳定性国内外研究现状分析依托工程的陡坡路

;

基土体物理力学及改良试验研究极限上限法分析高陡填方边坡稳定性极限上限法分析高陡挖

;;

方边坡稳定性考虑锚索杆框架梁加固路堑陡坡稳定性研究考虑坡顶超载的填方陡坡稳定性

;();

分析及锚杆拉力计算考虑深挖路堑土体分层的陡坡稳定性分析及锚杆拉力计算陡坡桩基承载

;;

机理基于向量式有限元法的陡坡桩柱式双桩基础的内力变形分析陡坡桩基内力变形及屈曲稳

;;

定数值模拟研究陡坡上高桥墩桩基施工关键技术

;。

本书融理论试验工程实践于一体可操作性强可供岩土工程道路与铁道工程水利工

、、,,、、

程建筑工程等专业的科研教学及勘察设计人员参考

、、。

图书在版编目CIP数据

()

陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术杨果林

/

等著北京中国铁道出版社有限公司

.—:,2022.3

ISBN978-7-113-28617-0

陡杨高桥墩斜坡公路桥

……

桥梁Ⅰ.桩①基桩基础Ⅱ.稳①定性分析Ⅲ.①高桥墩-斜坡-公路桥-

桥梁桩基-桩基础-桥梁施-工②---

--Ⅳ.①U448.14

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2021)247839

书名:陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术

作者:杨果林张红日罗吉智申权林宇亮江翮

策划:王健

责任编辑:王健编辑部电话:

(010)51873065

封面设计:尚明龙

责任校对:孙玫

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

印刷:北京富资园科技发展有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202231202231

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1612.5312

书号:

ISBN978-7-113-28617-0

定价:元

65.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社读者服务部联系调换电话

,,。:(010)51873174

打击盗版举报电话

:(010)63549461

作者简介

杨果林,工学博士、博士后,中南大学(土木工程学院)二级教授,

博士生导师。至年底,主持并完成国家、省(部)级科研项目多

202050

项;获得国家、省(部)级三大科技奖项;获得并转让专利余项;出

1520

版专著部、教材部;在国内外权威刊物上发表学术论文多篇,

122200

其中余篇被、等收录;已指导毕业博士生、硕士生多名。

100SCIEI70

主要研究领域为岩土工程、道路与铁道工程、结构工程。

张红日,就职于广西交科集团有限公司,任规划与地质研究院院

长兼支部书记。土木工程(岩土)工学博士、博士后,高级工程师,国家

注册土木(岩土)工程师,广西优秀青年设计师,广西自然资源厅国土

空间规划首批专家,广西交通厅岩土类专家,桂林理工大学、河海大学

等多所高校导师。主要从事岩土工程的勘察、设计、科研,以及交通规

划、国土空间规划等工作。主持或参与课题近项,主持或参与标准

10

编制项,发明专利项,发表论文余篇,其中获“南宁市自然科学

31520

优秀论文奖”项;主持或参与规划、勘察设计项目数百项,其中获“广

1

西优秀工程咨询成果”一等奖项,“交通部交通优秀勘察设计奖”项,“广西优秀工程勘察设

11

计成果奖”一等奖项、二等奖项、三等奖项;连续多年获得广西交科集团“优秀员工”“杰

154

出员工”及“突出贡献奖(个人)”,获广西新发展交通集团有限公司“优秀共产党员”、广西北部

湾投资集团“优秀员工”、广西工程勘察行业“先进个人”。

罗吉智,教授级高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家。就

职于广西交科集团有限公司,任总工程师。广西交通基础设施建设领

域技术及学术带头人,先后作为广西领先的交通设计企业和交通科研

企业的技术负责人、总工程师,分管技术质量和科研,引领企业技术发

展,把握行业发展趋势,助力广西在该领域整体的勘察设计技术及科

技研发水平达到全国先进水平。从业至今共获得国家级勘察设计咨

询二等奖(银质奖)项、三等奖项;省部级勘察设计奖项,其中一

4323

等奖项、二等奖项、三等奖项;省部级优秀工程咨询成果奖项,其中一等奖项、二等

977239

奖项、三等奖项;主持及参与多项国家级、省部级科研项目,加快推进新产品新技术推广及

77

应用,近两年荣获省部级科学技术奖二等奖项、三等奖项;先后获得中国公路学会第四届

34

中国公路百名优秀工程师和中国公路勘察设计协会年度优秀勘察设计师光荣称号。

2017

申权,博士,湖南工业大学土木工程学院讲师。主持完成中央高

校基本科研业务费专项资金项目项,参与国家自然科学基金项目等

1

项,参与省部级科技攻关项目项;获年度“博士研究生国家奖

312015

学金”,发表科研论文余篇,其中被、等收录篇,获发明专

10SCIEI10

利项。主要从事岩土工程教学工作,主要研究方向为土体阻尼性能

1

测试、膨胀土及边坡支挡结构等。

林宇亮,博士、博士后,中南大学教授、博士生导师。主持和承担

国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中

国博士后科学基金等纵向项目项;发表学术论文余篇,检索

1580SCI

篇,检索余篇;授权专利项,软件著作权项;出版专著

26EI401633

部,主编教材部。主要研究方向为边坡与支挡结构、岩土工程抗震、

1

特殊土处治等。

江翮,路桥工程师。参与国内多条高速公路项目施工技术研究和

工程项目管理;参建的内蒙古绥满国道主干线博牙高速公路为中国通

往东北亚地区的重要国际通道;参建的陕西延志吴高速公路志丹东隧

道是当时国内最长的纯湿陷性黄土隧道;参建的广东大潮高速公路塘

尾互通被称为“山顶上的互通”;获得专利项,在国内权威刊物上发

8

表论文多篇。

10

前言

我国幅员辽阔,地形地貌复杂多变,山地面积约占国土总面积的。在山

69%

区修筑高速公路不可避免地需要进行高填深挖,由此形成高填方构筑而成的高路

堤边坡和深挖方构筑而成的高路堑边坡。在山区修筑高速公路往往采用桥梁等

结构穿越深山峡谷或河流,导致一些桥梁桩基位于陡峭边坡上,形成由桥梁高墩

柱、基桩以及陡边坡构成的相对复杂的结构体系。桥墩达到一定高度后,高桥墩、

基桩的屈曲稳定性问题凸显。广东某高速公路标段所在地为南岭山区,地形起

4

伏大,沿线存在大量的高填深挖路基、高墩柱陡坡基桩。在独特的地质水文条件、

地形地貌等众多因素影响下,如何确保陡坡路基上高墩桥梁与基础的安全稳定,

成为山区高速公路建设过程中面临的一个亟需解决的重大问题。

本书结合广东某高速公路标段的实际情况,主要通过相关资料调研与工程

4

调研相结合、室内模拟试验与室内土工试验相结合、理论分析与计算机仿真模拟

相结合、工程试验与工程应用及跟踪观测相结合等技术手段,系统、深入地研究山

区高速公路高填深挖路基及陡坡桩基与高桥墩稳定性关键技术。

基于极限分析上限理论,分析不同服役环境下陡坡的稳定性,确定各种服役

条件下陡坡桩基抗力。

引入向量式有限元法,并详细介绍了陡坡双桩柱式基础分析模型的建立,运

用面向对象的编程语言编制了带有交互界面的基于向量式有限元的陡坡

Python

双桩柱式基础内力变形计算程序,通过已有文献的数据进行算例验证,表明该计

算程序结果合理可靠。再依托实际工程的资料,利用向量式有限元计算程序及陡

坡坡度、表层土体抗力系数、桩直径、桩身弹性模量、横系梁弹性模量个参数对

5

陡坡双桩柱式基础的内力和位移分布进行了单因素影响分析。在单因素影响性

分析的基础上,设计了正交试验,对陡坡双桩柱式基础的柱顶位移、剪力极值和弯

矩极值进行了多因素影响性分析。

运用大型有限元分析软件建立了考虑上部荷载及边坡位移的高陡

ABAQUS

横坡段桩柱式桥梁单桩基础三维有限元计算模型,模拟桩基在复杂荷载及边坡变

形条件下桩基内力、位移及桩侧土压力分布情况,并对边坡岩土体参数及桩基设

计参数进行重点分析,研究不同坡度及墩柱高度下桩基础破坏模式及内力与位移

2陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术

··

ठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठ

发展规律。深入探讨轴向荷载作用下桥梁高墩桩基的工作性状及破坏机理,在此

基础上考虑桥墩可能出现的边界条件,建立高桥墩桩基屈曲计算的简化新模型,

推导并得到高桥墩桩基础屈曲荷载的能量法解答,并对相关影响因素进行分析。

针对高桥墩桩基的特点,利用有限元分析软件设计并完成高桥墩桩基屈曲数值模

拟,获得不同桩基埋深、墩桩刚度比、墩顶约束等条件下的高桥墩桩基的屈曲破坏

荷载。建立考虑桩后坡体下滑力的三维有限元分析模型,并与基于向量式有限元法

程序的计算结果对比,以验证数值模型是否准确反映了实际结构的力学行为。重点

分析陡坡桥梁列式和排式高桥墩桩基内力与位移受到边坡坡度、桩径、土体模量等

参数变化影响下的分布规律,总结列式和排式高桥墩桩基在复杂荷载条件下的内力

与位移分布特点。

以上研究成果成功解决了某山区高速公路陡坡路基施工技术难题,确保了施

工安全,大幅加快了施工进度。在保证山区高速公路建设工程快速施工的前提

下,降低了工程投资,取得了良好的社会、经济效益,具有重要的工程应用价值。

本书由中交一公局桥隧工程有限公司与中南大学合作完成的两个课题成果,

以及杨果林指导的博士生申权的博士学位论文,张华强、庞圣涛硕士学位论文共

同组成。本书的撰写得到了中交一公局桥隧工程有限公司、广西交科集团、中南

大学、湖南工业大学等主管部门、主持和合作单位的悉心指导与大力支持,以及大

潮高速公路标等项目公司及施工单位的积极配合,特别是乔瑞军、高鹏飞、

TJ4

褚春成等提供了诸多帮助,在此一并表示感谢!

随着高速公路建设的发展,陡坡路基上高桥墩桩基的稳定性研究日新月异,

该问题涉及面广、内容丰富、技术深奥、发展迅速,加之作者水平有限,书中难免有

不当之处,热忱期待各界同仁批评指正。

作者

年月

20219

目录

第1章绪论…………………

1

研究背景和意义…………

1.11

边坡稳定性分析研究现状………………

1.22

陡坡高桥墩桩基内力变形及稳定性计算方法国内外研究现状………

1.35

主要研究内容及技术路线………………

1.49

第2章陡坡路基土体物理力学试验研究……………………

11

工程概况…………………

2.111

陡坡段路基土工试验研究………………

2.213

本章小结…………………

2.329

第3章山区高速公路陡坡路基稳定性研究…………………

30

极限上限法分析高陡填方边坡稳定性…………………

3.130

极限上限法分析六级高陡挖方边坡稳定性……………

3.243

考虑锚索杆框架梁加固路堑陡坡稳定性研究………

3.3()52

考虑坡顶超载的填方陡坡稳定性分析及锚杆拉力计算………………

3.464

考虑深挖路堑土体分层的陡坡稳定性分析及锚杆拉力计算…………

3.567

本章小结…………………

3.673

第4章陡坡桩基承载机理……………………

75

陡坡高桥墩桩基的受力特点……………

4.175

陡坡桩基的承载机理……………………

4.276

高陡坡上高桥墩桩基抗力计算…………

4.386

本章小结…………………

4.494

第5章基于向量式有限元法的陡坡桩柱式双桩基础内力变形理论分析…

96

向量式有限元的概念……………………

5.196

向量式有限元分析步骤…………………

5.297

计算程序的编制分析…………………

5.3107

算例验证………………

5.4110

2陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术

··

ठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठ

陡坡双桩柱式基础内力变形影响因素分析…………

5.5114

本章小结………………

5.6137

第6章陡坡桩基内力变形及屈曲稳定数值模拟研究………

138

概述………………

6.1138

数值分析…………………

6.2ABAQUS138

陡坡单桩力学特性研究………………

6.3140

陡坡双柱式桩基内力变形特性分析…………………

6.4146

陡坡双柱式高桥墩临界屈曲荷载影响因素分析……

6.5160

本章小结………………

6.6163

第7章陡坡上高桥墩桩基施工关键技术……………………

165

概述………………

7.1165

施工特点………………

7.2165

人工挖孔桩施工………………………

7.3165

空心薄壁墩爬模施工…………………

7.4168

方柱墩悬臂模板施工…………………

7.5171

塔吊施工………………

7.6174

盖梁施工………………

7.7175

挡块施工………………

7.8177

支座垫石施工…………

7.9177

接缝处理………………

7.10178

测量监控措施…………

7.11178

边坡挂网锚喷施工……………………

7.12178

质量控制措施…………

7.13181

安全控制措施…………

7.14182

环境保护及文明施工控制措施………

7.15183

参考文献…………………………

185

第1章绪论

研究背景和意义

1.1

1.1.1研究背景

广东某高速公路标段所在地为南岭山区地形起伏大沿线存在大量的高填深挖路基

4,,、

高墩柱陡坡基桩项目起点位于阴那山东南铜鼓嶂以东沿韩江往东南方向延伸穿过凤凰

。、,,

山脉绕过汤溪水库西南角至潮州市饶平县韩江平原以北项目区大部分为低山丘陵地貌

,,。、,

受北西向及北东向断裂构造带的联合影响形成典型的构造剥蚀地貌局部位于潮汕平原范

,、,

围内整体地势起伏大该项目路基总长度且大部分为高填深挖路基最大填方边

,。1.63km,,

坡高达最大挖方边坡深达分级标段内主要桥梁有上湾大桥赤山溪大桥

33.3m,43m,6。、、

水口大桥各桥所用桩基总数达根其中以上的桩基分别有根根最

,483,30m、40m209、60,

高桥墩高达高液限土分布区域有处分布长度共在独特的地质水文条

97m。21,1890m。

件地形地貌等众多因素影响下如何确保高填深挖路基及高墩桥梁与基础安全稳定成为山

、,,

区高速公路建设过程中面临的一个亟需解决的重大问题

。

1.1.2研究意义

陡坡桩基是平地桩基应用范围的进一步拓展难以在目前的基桩类型中找到其归属因

,。

此陡坡桩基的分析研究尚属于全新的研究领域目前工程上桩的理论分析很难满足桩基兼起

,,

阻滑作用的设计需要为确保高陡边坡桩基及上部构筑物的安全研究和探讨边坡上基桩的

。,

承载机理与分析计算方法已成为山区高速公路建设桩基础领域中一项势在必行的工作

,。

此外在山区高速公路中为降低线路的起伏和避免开挖隧道常常采取高桥墩的形式跨

,,,

越山岭沟壑与常规分析的高桥墩桩基工程相比高桥墩桩基工程具有许多独有的特点尤其

。,,

是屈曲稳定性问题日益凸显与理想轴压杆压弯杆相比桩基的屈曲稳定受承台桩周土及

。、,、

桩土本身材料性质等诸多不确定性因素的影响非常复杂包括考虑桩周土体的抗力与摩阻力

,,

对桩身稳定性的有利影响施工造成的桩身初始缺陷等对桩身稳定的不利影响而以往对高

、。

桥墩桩基稳定性的研究基本上都是把墩身和桩基础的稳定性分别进行考虑但仅考虑桥墩或

,,

桩基础部分的稳定性这样的分析难以全面反映体系的真实情况同时随着桥墩高度的增加

,。,

在竖向和横向荷载共同作用下墩的力学行为逐渐由低高度墩的线性行为转变为较大高度墩

,

的柔性杆纵向挠曲非线性行为对于这类非线性行为已不能再沿用以往对于一般桥墩的稳

。,

定性概念及计算理论必须运用新的计算理论进行结构分析因此进一步研究高桥墩桩基的

,。,

整体屈曲稳定问题无疑具有重要的理论与工程实际意义

。

同时在工程的建设过程中存在对大自然不同程度的破坏工程开挖形成的大量边坡不

,。

2陡坡高桥墩桩基稳定性分析及施工关键技术

ठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठ

仅破坏了自然生态环境产生的次生裸地往往还会造成水土流失生态失衡甚至会带来山体

,、,

滑坡以及泥石流等严重地质灾害边坡生态防护研究已成为工程中亟待解决的问题传统的

,。

稳定边坡绿化方法是在坡脚栽植攀援植被待其生长后覆盖整个边坡以达到绿化目的相对

,。

于一般土质边坡而言高陡边坡生态防护有其自身的特点坡度陡峻施工难储水难缺少植

,:,,;

被住所播种难生长难生态材料难以利用挂网难这些治理困难使高陡边坡的生态恢复难

,,;,。

以达到期望值通过调研边坡生态支护结构的理论研究及近年来相对成熟的工艺或工法发

。,

展一种创新型复合生态护坡技术符合当今提倡绿色生态的工程理念

,。

边坡稳定性分析研究现状

1.2

公路路基边坡稳定性分析研究的形成过程和发展历程与相应学科的快速发展及人们日常

活动的迫切需求是紧密相连的大概经历了以下几个阶段[1-8]

,:

年公路路基边坡稳定性的评价基本上都属于土力学的研究范畴稳定性

(1)1900—1960,,

计算是建立在刚体极限平衡的基础之上但主要还是运用工程类比法来确定边坡坡角进行边

,

坡设计这个阶段可以称为定性边坡稳定性研究阶段

,。

年这段时期公路路基边坡稳定性的研究理论和研究方法都有了很大的

(2)1960—1980,

发展人们逐渐开始意识到路基边坡失稳的破坏过程是累进性变形的破坏过程这个过程有

。,

着很显著的时间效应路基边坡稳定性的研究进入到内部作用和力学机制阶段边坡稳定性

,。

的分析计算一般沿两种方式进行其一以刚体极限平衡理论为基础利用数学或图解法分

,:,,

析最终得到安全系数或与安全系数类似的一个概念来进行定量评价其二采用离散元法边

,;,、

界元法或有限元法来计算分析边坡内部的应力状态和变形特征从而得到比较直观形象的评

,、

价结果

。

年以来路基边坡稳定性分析研究的相关理论和计算方法变得更加成熟随着科

(3)1980,,

技的迅猛发展路基边坡逐步开挖至完全破坏的全过程目前都可以运用计算机模拟进行定量

,

或半定量的分析计算世纪年代后期蒙特卡罗模拟技术应用于边坡稳定性评价出现

。2070,,

了边坡稳定破坏概率分析方法由于路基边坡稳定问题中存在着很多不确定的因素近年来

。,

在国内外都出现了许多研究不确定性问题的分析方法以及信息论系统论等新理论新方法并

、、

运用于边坡防护工程如非线性动力学模型方法灰色模型预测法神经网络方法可靠度分

,、、、

析模糊判别法等而且取得了很多应用性成果公路路基边坡稳定性的研究已经进入到系统

、,,

工程的分析和研究阶段

。

1.2.1极限平衡法

极限平衡方法分析边坡稳定性历史悠久最早在年采用条分法分析边坡稳定性

。1927,,

先后有[9][10][11][12]对该理论的发展完善做出

JANBU、BISHOP、SPENCER、MORGENSTER

贡献我国陈祖煜院士及其团队[13-15]在边坡稳定性分析理论程序开发等方面研究成果颇

。、

丰做出了杰出贡献周资斌[16]基于极限平衡理论在事先假定滑面上应力分布形式的基础

,。,

上推导了毕肖普法的显式解简化了毕肖普法边坡稳定分析过程曾亚武田伟明[17]将边坡

,,。、

稳定性分析的有限元法和极限平衡法相结合创建了一种既能反映边坡的稳定和变形之间的

,

关系又能用工程界所熟悉的安全系数来评价边坡稳定性的方法邹广电等[18]将条间力关系

,。

第章绪论3

1

ठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठठ

与安全系数的定义紧密结合构筑适用于任意滑裂面的数学模型和有效的数值模拟过程从而

,,

给出普遍极限平衡法数值解的更为严格的数值方法朱大勇等[19]利用数值分析得到的应力

。

场计算潜在滑动面上正应力分布再按滑面正应力修正的方法求解出满足所有平衡条件的安

,,

全系数这种基于数值应力场的极限平衡方法充分利用数值方法与极限平衡法的优点得到

。,

理论上更合理的安全系数于斯滢等[20]采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法

。

对尾矿坝坝体的稳定性进行研究杨辉[21]将极限平衡分析和有限元应力场加以结合计算边

。,

坡的安全系数卢坤林等[22]将离散后的条柱间作用力等效成滑面正应力依据整个滑体的平

。,

衡条件提出一种适用于一般空间形态滑面的边坡三维极限平衡法巩留杰[23]基于有限

,。

元根据等效塑性应变确定边坡最危险滑面的位置并计算滑面上分布的正应力与切应力

,,,

沿用传统极限平衡法中安全系数的定义计算边坡的安全系数等[24]采用变分方法确定

。BAKER

边坡安全系数该方法不需要假设土体内力的分布[25][26][27]

,。APUANIT、LIUSY、LUKL、

等[28]采用强化极限平衡法和强度折减法分析边坡

SHIVAMANTHA(ELSM)(SRM)

稳定性众多学者把极限平衡理论应用于三维边坡的稳定性分析当中

。,ZHOUXP,

[29,30]结合极限平衡法和拟静力法分析三维边坡在地震条件下的稳定性

CHENGH。

等[31,32]结合极限平衡方法与强度折减法对二维三维边坡进行稳定

WEIWB、CHENGYM、

性分析[33]采用三维极限平衡方法分析露天矿边坡稳定性有利于滑裂面的确定和滑坡机

。JIAL,

理的研究等[34]将刚体极限平衡法和强度折减法相结合考虑地震影响对三维边坡

。LIUYR,,

进行稳定性分析基于非线性破坏准则[35]邓东平[36]采用极限平衡法分析边坡的稳定

。,LINH、

性赵虎[37]基于强度折减法和极限平衡法对二维边坡稳定性问题进行了系统性研究

。。

1.2.2数值分析强度折减法

()

边坡稳定分析的强度折减法通过不断降低边坡岩土体抗剪切强度参数使其达到极限破坏

状态程序自动根据弹塑性有限元计算结果得到破坏滑动面同时得到边坡的强度储备安全系

,,

数使边坡稳定分析进入了一个新的时代等[38]采用有限元强度折减法与传统

,。GRIFFITH,

方法得到的稳定安全系数比较接近再次引起了国内外学者广泛关注表明采用此法分析边坡

,,

稳定性是可行的郑颖人院士领衔的团队[39-46]在强度折减法研究领域取得丰硕成果并为该

。,

理