CN103225310B - 一种微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法，包括以下步骤：S1：现场地质调查，通过试验确定边坡岩土体的力学性质；S2：评价边坡稳定性，计算边坡剩余下滑推力；S3：考虑下滑力在微型抗滑组合桩各桩间的调整和分配，确定各桩下滑力的分配比；S4：计算得到各桩承受的剩余下滑推力；S5：计算各桩受荷段的弯矩、剪力、转角、位移；S6：根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计；S7：根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核。本设计方法确定了微型抗滑组合桩的各桩的边坡剩余下滑推力分担情况，明确了多桩构成的组合桩中每个桩体的加固作用，得到了抗滑效应在各桩上的分布，考虑微型抗滑组合桩的结构效应和桩-土作用效应，保证了内力计算的结果更准确、科学，从而保证了微型抗滑组合桩的抗弯、抗剪强度和安全性。

Description

一种微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法

技术领域

本发明涉及土建工程领域，特别涉及一种应用于滑坡或边坡治理中的微型抗滑桩的设计方法。

背景技术

微型抗滑桩是指桩径在90mm至300mm的机械钻孔灌注桩，桩体嵌入边坡稳定岩体，提供抗滑力支挡上部滑体，从而对边坡进行加固。其主要优点有：采用机械成孔，施工安全性高；施工机具小，对场地适应性强；对土层适应性强；施工振动小，对边坡土体扰动小；施工噪音小，适用环境公害受到严格控制区域；施工速度快，适合抢险工程。

微型抗滑桩由于桩径小，抗滑刚度低，所以是实际工程中多以微型抗滑组合桩出现，即由两根以上微型桩，桩顶连接成整体，形成一个空间结构。目前，已有的微型组合桩大多桩径在100-150mm，由于桩径限制，配筋只能采用钢管或者钢筋束，对微型桩抗弯性能提高不大，因此，在微型抗滑桩设计时多只以抗剪能力为标准设计，实际抗弯能力很难满足。

这种空间结构的微型抗滑组合桩既要考虑桩土相互作用也要考虑组合结构效应，在边坡剩余下滑推力在桩间的分配，内力在结构中的调整等方面比单根抗滑桩复杂很多，如何在考虑边坡剩余下滑推力在桩间的分配、桩土相互作用和空间结构效应等因素下，同时满足抗弯和抗剪要求对微型抗滑组合桩进行结构设计显得尤为重要。而目前尚无科学、合理的微型抗滑组合桩受荷段的桩身结构设计方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种因素考虑全面的科学、合理的微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法。

本发明微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法包括以下步骤：S1：现场地质调查，通过试验确定边坡岩土体的力学性质；S2：评价边坡稳定性，计算边坡剩余下滑推力；S3：考虑边坡剩余下滑推力在微型抗滑组合桩各桩间的调整和分配，确定各桩边坡剩余下滑推力的不均匀分配系数；S4：计算得到各桩承受的剩余下滑推力；S5：计算各桩受荷段的弯矩、剪力、转角、位移；S6：根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计；S7：根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核。本发明中，微型抗滑组合桩桩径在250-500mm；采用两根以上微型桩沿滑坡方向布置，前后桩最优间距为600-1200mm，桩顶横梁刚性连接，形成微型抗滑组合桩空间结构。

S3步骤中，通过物理模型试验确定边坡剩余下滑推力在各桩间的分配比例，得出各个桩承受的边坡剩余下滑推力不均匀分配系数η。其中双排桩前桩与后桩之间分担边坡剩余下滑推力比例为（36~40）%：（74~60）%。

所述步骤S4计算各桩承受的剩余下滑推力公式为：

                      （1）

式中：F _ni 为第i排桩的实际受力；η为边坡剩余下滑推力的不均匀分配系数；F _n 为边坡剩余下滑推力。

其中，步骤S5所述各桩受荷段的剪力、弯矩、转角、位移的计算，具体包括以下步骤：S51：将微型抗滑组合桩的计算，简化为各桩桩身受荷桩顶固定的微型抗滑组合桩与各桩桩身不受荷桩顶承受集中荷载的微型抗滑组合桩叠加；S52：进一步，简化为单桩桩身受荷两端固定微型抗滑桩模型与单桩桩顶承受集中荷载桩底固定桩顶滑动的微型抗滑桩模型的叠加；S53：分别计算各排桩在上述两种模型下的剪力、弯矩、转角、位移；S54：将两种模型得到的剪力、弯矩、转角、位移的结果叠加，得到各桩受荷段的剪力、弯矩、转角、位移。

进一步，所述S6步骤根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计，其中采用钢筋笼结构配筋，主筋应大于4根，宜采用6根以上，沿桩周布置，配筋设计公式为：

   

 式中：A为圆形截面面积； A _s 为全部纵向普通钢筋的截面面积；r为圆形截面的半径；r _s 为纵向普通钢筋重心所在圆周的半径；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad )与2π的比值；α _t 为纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值，α _t =1.25-2α，当α大于0. 625时，取α _t =0。

进一步，所述S7步骤根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核，公式为：

式中：K _s 为钢筋截面设计安全系数，对于临时工程，K _s  =1.60；对于永久工程，K _s =1.80；T_{n_}为钢筋允许抗剪强度； f _s 为钢筋的抗剪强度设计值。

用本发明设计得到的的微型抗滑桩，能较大提高其抗弯刚度，且充分发挥钢筋作用。具体来说，本发明微型抗滑组合桩设计方法的优点在于：

（1） 本发明采用较大孔径的微型桩，大大提高桩身抗弯刚度；桩身采用钢筋笼配筋，充分发挥钢筋作用，从而达到减少抗滑桩数量，节约成本的目的。

（2） 确定了微型抗滑组合桩的各桩的边坡剩余下滑推力分担情况；使得桩体受力更接近实际受力情况。明确了多桩构成的组合桩中每个桩体的加固作用，得到了抗滑效应在各桩上的分布。

（4） 对连梁产生的微型抗滑组合桩结构效应进行了考虑，通过结构力学原理对确定计算模型；对桩体按柔性桩弹性地基梁法计算，考虑了周围岩土体的作用效应，得到桩-土共同作用下的桩体内力分布。同时考虑微型抗滑组合桩的结构效应和桩-土作用效应，保证了内力计算的结果更准确、科学。

（5） 根据内力计算结果，采用抗弯能力为标准对微型抗滑组合桩结构进行配筋设计，并用抗剪能力去验算，该设计方法，同时保证了微型抗滑组合桩的抗弯和抗剪强度，保证结构的安全性。

附图说明

图1为微型抗滑组合桩加固剖面图；

图2为微型抗滑组合桩加固平面图；

图3为微型抗滑组合桩钢筋布置图；

图4为微型抗滑组合桩的计算模型；

图5为微型抗滑组合桩顶端固定模式的计算模型；

图6为微型抗滑组合桩顶端滑动模式的计算模型；

图7为微型抗滑单桩两端固定模式的计算模型；

图8为微型抗滑单桩一端固定一端滑动模式的计算模型；

图9为微型桩组合结构弯矩分布图。

具体实施方法

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。优选实施例仅应当理解为了说明本发明，而不应理解为对本发明的保护范围的限制。

实施例1：根据附图1和附图2所示的边坡，根据边坡岩土的滑体3和滑面4，设计微型抗滑组合桩1，包括顶梁2和微型桩5，微型桩5设置有主筋6和箍筋7。经过现场地质调查，通过试验确定边坡岩土体的力学性质；评价边坡稳定性，计算边坡剩余下滑推力Q。

考虑边坡剩余下滑推力在各桩间的调整和分配，确定各桩边坡剩余下滑推力的分配比；根据本发明如附图4所示的微型抗滑组合桩计算模型图，计算出作用在后、中、前桩上的下滑推力分别为q ₁ 、q ₂ 、q ₃ 。

将附图4 的计算模型简化为附图5和附图6两个简化计算模型的叠加，进一步将附图5和附图6所示的两个计算模型分别简化为附图7和 附图8所示的计算模型，得到各排桩的计算结果由范区附图7和附图8两个计算模型计算结果叠加。

附图7和附图8所示的计算模型，根据弹性地基梁法，地基土的基床系数为k，则弹性地基系数为K=kb，桩的刚度为EI，计算宽度为b，则弹性特征系数。

得到基本方程为：

基本方程的解为：       

其中：

由于承受均布荷载，对挠度进行修正，修正项为；。由附图7计算模型得，两端固定，得到两端边界条件为：，，，。将边界条件带入基本方程，得到该模式下微型桩的位移x _y 、截面转角θ _y 、弯矩M _y 、和截面剪力Q _y 分别为：

            （3-12）

其中，

由附图8得，一端固定一端滑动，两端边界条件为：，。将边界条件带入基本方程，得到该模式模式下微型桩的位移x _y ^‘ 、截面转角θ _y ^‘ 、弯矩M _y ^‘ 、和截面剪力Q _y ^‘ 分别为：

           （3-13）

将两种计算模型得到的结果叠加得到各排在不同位置的位移、截面转角、弯矩和截面剪力。

进一步，所述根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计。

进一步，所述根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

实施例2：通平高速公路K38+560~K38+680边坡全长120m。该边坡工程地层从上往下依次为15-30m强风化砂质板岩、4.0m强风化炭质页岩、14.4~14.8m中风化砂质板岩。炭质页岩在1，2级边坡出露。边坡岩土物理参数如表1所示。该边坡初始设计最大开挖高度为34.8m，边坡开挖至一级平台时，经强降雨后发生滑坡。滑坡后对边坡进行了削坡，削坡后最大开挖高度为53.8m。

                表1   边坡岩土体物理力学参数

用本发明的方法设计微型抗滑组织桩，如附图9所示，包括前桩8和后桩9。计算边坡最大剩余边坡剩余下滑推力为242.30 kN/m，取242 kN/m。初步设计采用直径D=300mm的双排“门”型微型抗滑桩组合体系结构设计，边坡剩余下滑推力Q取242 kN/m。滑面以上长度为6m，q为40.3 kN/m²。前后桩排间净距为0.8m，桩间距为2m。

1、内力计算

同排桩间距L₀为2m条件下，同一桩位处双排“门”型微型抗滑桩组合体系所承受的边坡剩余下滑推力为：

抗滑桩受荷段长度6m，按均布荷载分布，前后桩受力分配比为0.6:1。得到

前桩荷载q前：484÷6×0.6÷（1+0.6）=30.25 kN/m

后桩荷载q后：484÷6×1÷（1+0.6）=50.42 kN/m

2 结构设计

（1）按弯矩配筋

由《混凝土结构设计规范》中关于圆形截面正截面受弯计算公式：

后桩设计弯矩96.7 kN﹒m，选用HRB400螺纹钢作为桩体配筋，单根屈服抗剪强度设计值，通过上式计算得。则通过查询钢筋计算截面面积表可知选用528螺纹钢筋作为桩体配筋，实际配筋面积。

前桩设计弯矩58.3 kN﹒m，同样选用HRB400螺纹钢作为桩体配筋，通过上式计算得。则通过查询钢筋计算截面面积表可知选用520螺纹钢筋作为桩体配筋，实际配筋面积。

（2）抗剪能力验算

为了防止微型抗滑桩被剪断，所以对微型抗滑桩所配钢筋提供的抗剪能力进行验算。计算公式如下：

                     

该边坡为永久工程，K _s 取1.8。边坡为岩质边坡，f _s 取钢筋的剪应力强度设计值，为钢筋抗拉强度的0.577，根据上节设计，微型桩配筋总面积为4649mm²，经计算提供抗剪力965.7kN，大于边坡剩余下滑推力242×2×1.8=871.2，满足要求。

Claims (5)

1.一种微型抗滑组合桩受荷段的结构设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：现场地质调查，通过试验确定边坡岩土体的力学性质；S2：评价边坡稳定性，计算边坡剩余下滑推力；S3：考虑边坡剩余下滑推力在微型抗滑组合桩各桩间的调整和分配，确定各桩边坡剩余下滑推力的不均匀分配系数；S4：计算得到各桩承受的剩余下滑推力；S5：计算各桩受荷段的弯矩、剪力、转角、位移；S6：根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计；S7：根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核；所述微型抗滑组合桩桩径为250-500mm，采用两根或两根以上微型桩沿滑坡方向布置，前后桩间距为600-1200mm，桩顶横梁刚性连接，形成微型抗滑组合桩空间结构；所述步骤S5各桩受荷段的剪力、弯矩、转角、位移的计算，具体包括以下步骤：S51：将微型抗滑组合桩的计算，简化为各桩桩身受荷桩顶固定的微型抗滑组合桩与各桩桩身不受荷桩顶承受集中荷载的微型抗滑组合桩叠加；S52：进一步，简化为单桩桩身受荷两端固定微型抗滑桩模型与单桩桩顶承受集中荷载桩底固定桩顶滑动的微型抗滑桩模型的叠加；S53：分别计算各排桩在上述两种模型下的剪力、弯矩、转角、位移；S54：将两种模型得到的剪力、弯矩、转角、位移的结果叠加，得到各桩受荷段的剪力、弯矩、转角、位移；所述S3步骤中，通过物理模型试验确定边坡剩余下滑推力在各桩间的分配比例，从而得出各个桩承受的边坡剩余下滑推力不均匀分配系数η；所述步骤S4计算各桩承受的剩余下滑推力公式为：

F_ni＝ηF_n

式中：F_ni为第i排桩的实际受力；η为边坡剩余下滑推力的不均匀分配系数；F_n为边坡剩余下滑推力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微型抗滑组合桩为双排桩，通过物理模型试验确定边坡剩余下滑推力在前桩与后桩之间分配比例为(36～40)％﹕(64～60)％。

3.如权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于：所述S6步骤根据计算得到的弯矩值对微型抗滑桩进行配筋设计，其中采用钢筋笼结构配筋，主筋采用6根以上，沿桩周布置，配筋设计公式为：

$M\≤\frac{2}{3}{\mathrm{\α}}_1{f}_c\mathrm{Ar}\frac{{\sin }^3\mathrm{\π\α}}{\mathrm{\π}}+f_y{A}_s{r}_s\frac{\sin \mathrm{\π\α}+\sin \mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_t}{\mathrm{\π}}$

式中：A为圆形截面面积；A_s为全部纵向普通钢筋的截面面积；r为圆形截面的半径；r_s为纵向普通钢筋重心所在圆周的半径；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值；α_t为纵向受拉普通钢筋截面面积与全部纵向普通钢筋截面面积的比值，α_t＝1.25-2α，当α大于0.625时，取α_t＝0。

4.如权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于：所述S7步骤根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核，公式为：

A_sf_s≥K_sT_n

式中：K_s为钢筋截面设计安全系数，对于临时工程，K_s＝1.60；对于永久工程，K_s＝1.80；T_n为钢筋允许抗剪强度；f_s为钢筋的抗剪强度设计值。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述S7步骤根据计算得到的剪力值对设计的配筋进行复核，公式为：

A_sf_s≥K_sT_n

式中：K_s为钢筋截面设计安全系数，对于临时工程，K_s＝1.60；对于永久工程，K_s＝1.80；T_n为钢筋允许抗剪强度；f_s为钢筋的抗剪强度设计值。