CN108755745A - 一种新型型钢悬臂支护结构及其设计计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型型钢悬臂支护结构及其设计计算方法，即提出一种等截面条件下以增强不同部位刚度为主的型钢悬臂结构和针对该结构的设计计算方法。本发明与现有常用支护结构相比，有效减小结构几何尺寸、减少钢筋用量、高效传递滑坡推力、确保结构自身安全。型钢悬臂支护结构采用技术方案：根据治理对象现场条件计算得到桩身截面尺寸与钢筋用量。根据计算结果设计桩身悬臂段与嵌固段中加入型钢的几何尺寸与长度。通过对型钢悬臂支护结构计算，得到型钢悬臂支护结构最优几何尺寸与结构配筋。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域。
背景技术
斜边坡防滑坡有着非常重要的意义，目前实现斜边坡防滑坡的方式有多种，其各有有缺陷。
1、抗滑桩支护技术(钻孔灌注桩型)
在目前边坡、基坑支护中，抗滑桩支护应用比较广泛。它是由钻孔灌注桩直线排列，并由联系梁连接，共同抵抗侧向土压力或滑坡推力的结构形式。
抗滑桩是应用广泛成熟的成桩技术。但钻孔灌注排桩抗侧向荷载的能力低等缺点阻碍了它的更广泛的使用。它的缺点主要有：
从力学性能角度，圆形桩用于抵抗侧向荷载，在满足抗剪条件下，抵抗弯矩的能力低，主要原因是，圆形截面不是抗弯的有利构件截面，一般采用矩形、“工”形等；因此，对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡根本无法满足工程治理要求。
从经济角度，由于抗弯性能差，需要配置大量钢筋抗弯，材料利用不充分，不经济；
从安全性角度，挠度大，由于桩径不大，桩长细比大，悬臂式的桩挠度大，桩受拉面容易开裂，影响桩寿命，耐久性差，从而降低了安全性。
由于以上缺点，使钻孔灌注排桩只能应用于边坡高度、基坑深度不大或滑坡推力不大的情况，限制了它的使用范围。
2、抗滑桩支护技术(矩形抗滑桩结构)
现今的滑坡、边坡工程治理的支挡结构，应用广泛、典型的是人工挖孔的矩形抗滑桩。对滑坡推力或下滑力大的治理工程，往往首选大桩径的抗滑桩。但这一抗滑结构，存在如下问题：
从力学性能角度，矩形桩虽然在抵抗侧向荷载上优于圆形桩用于，但其抵抗弯矩的能力仍然较低，主要原因是，桩悬臂段是以桩身自身强度来抵抗滑坡推力的作用，其抵抗作用非常有限，桩顶位移大，将导致边坡坡顶存在的既有建(构)筑物发生变形；因此，对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡根本无法满足工程治理要求。
施工安全性差；
大矩形截面抗滑桩，当桩深度很大，达30～40m时，采用的仍旧是人工挖孔工艺，要求桩孔满足人工挖孔要求，加上护壁宽，桩截面较大，这样的孔坑需采取特别的桩孔支护护壁手段，如处理不当就可能酿成重大安全事故。
施工期长，受季节影响；
大矩形截面抗滑桩施工，由于采用人工挖孔，人工挖方量大，效率低，施工严重受到挖土方工期的影响，所需施工期长；逢雨季，往往不能施工，受季节影响大。对工期要求严格的治理项目产生极大影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型型钢悬臂支护结构，其特征在于:包括若干位于斜坡一侧的桩体；
所述桩体从上到下依次是普通钢筋混凝土桩悬臂段、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段、加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段和普通钢筋混凝土桩嵌固段。
所述斜边坡包括一个滑床以及一个位于该滑床上的滑坡体。所述普通钢筋混凝土桩悬臂段、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段和加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段的一侧为临空面、另一侧与滑坡体接触。
所述加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段和普通钢筋混凝土桩嵌固段位于滑床内。
所述桩体由筋笼和混凝土浇筑而成。所述筋笼由若干纵筋和若干箍筋编织而成。所述筋笼内部具有一段型钢。所述型钢的长度方向与桩体的长度方向相同。所述型钢中间的一段为加强段。
所述型钢贯穿于型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段。所述型钢的加强段位于加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段。
进一步，所述桩体的横截面为圆形。所述的若干纵筋呈辐射状地分布在桩体的轴心的周围。
进一步，所述桩体的横截面为矩形。所述的若干纵筋分布在桩体的周围，其中，有纵筋分布的一侧面向临空面、有纵筋分布的另一侧面向滑坡体。
进一步，所述型钢为工字钢。所述工字钢包括中间的腹板和两侧的翼缘。工字钢的两个翼缘分别面向临空面和滑坡体。
所述型钢的加强段中，腹板的两侧分别有一块加强钢板。所述加强钢板的两侧焊接在翼缘的侧壁上。
本发明还公开基于上述支护结构的设计计算方法，其特征在于：针对桩体的分段结构，建立连续结构的挠曲微分方程计算模型进行求解。
桩身悬臂段各个分段采用挠曲微分方程进行求解，嵌固段采用弹性地基梁法进行求解(如嵌固段为土层采用m法，岩层采用k法，混合岩土层采用m-k法)。连续结构算法将悬臂段与嵌固段中各个变刚度段采用连续结构挠曲微分方程进行统一并求解。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，该新型斜边坡支护装置用于大型、巨型岩石质斜边坡、高切坡于深基坑边坡，尤其是用于边坡破定存在重要建(构)筑物与坡顶位移需要严格控制的岩石质斜边坡、高切坡与深基坑边坡，以实现防滑坡。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1的B-B剖视图。
图4为图1的C-C剖视图。
图5为图1的D-D剖视图。
图中：普通钢筋混凝土桩悬臂段1、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3、加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5和普通钢筋混凝土桩嵌固段6、型钢7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例针对具有大于1500kN/m的巨大下滑推力的斜边坡不能够现有常用支护结构的问题，公开一种新型型钢悬臂支护结构。
参见图1:包括若干位于斜坡一侧的桩体。所述桩体包括若干位于斜边坡一侧的桩体。
所述桩体从上到下依次是普通钢筋混凝土桩悬臂段1、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3、加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5和普通钢筋混凝土桩嵌固段6。
所述斜边坡包括一个滑床以及一个位于该滑床上的滑坡体。所述普通钢筋混凝土桩悬臂段1、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2和加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3的一侧为临空面、另一侧与滑坡体接触。
所述加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5和普通钢筋混凝土桩嵌固段6位于滑床内。
所述桩体由筋笼和混凝土浇筑而成。所述筋笼由若干纵筋和若干箍筋编织而成。所述筋笼内部具有一段型钢7。所述型钢7的长度方向与桩体的长度方向相同。所述型钢7中间的一段为加强段。实施例中，所述型钢7为工字钢。所述工字钢包括中间的腹板和两侧的翼缘。工字钢的两个翼缘分别面向临空面和滑坡体。
所述型钢7的加强段中，腹板的两侧分别有一块加强钢板。所述加强钢板的两侧焊接在翼缘的侧壁上。
所述型钢7贯穿于型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5。所述型钢7的加强段位于加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4。
参见图2，所述桩体的横截面为圆形。所述的若干纵筋呈辐射状地分布在桩体的轴心的周围。
参见图3，所述桩体的横截面为矩形。所述的若干纵筋分布在桩体的周围，其中，有纵筋分布的一侧面向临空面、有纵筋分布的另一侧面向滑坡体。
普通钢筋混凝土桩悬臂段1内部没有型钢，通过计算得到普通钢筋混凝土桩悬臂段1的位移与内力分布，普通钢筋混凝土桩悬臂段1承受部分滑坡推力并将普通钢筋混凝土桩悬臂段1产生的位移与内力传递至型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2和加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3。参见图3或4所述型钢7为工字钢。工字钢的两个翼缘分别面向临空面和滑坡体。型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2和加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3位于滑床上方，通过型钢7的加入，减小普通钢筋混凝土桩悬臂段1传递至型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2与加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3的位移与内力对型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2与加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3的影响。加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4与型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5位于滑坡体内部，通过型钢7的加入，减小型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段2与加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段3传递至加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4与型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5的位移与内力加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4与型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5的影响，并将部分剩余下滑力传递至桩前岩土体。普通钢筋混凝土桩嵌固段6内部没有型钢，将从加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段4与型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段5传递至普通钢筋混凝土桩嵌固段6的内力传递至普通钢筋混凝土桩嵌固段周边嵌固岩土体。
本实施例中，新型型钢悬臂支护结构转变现有支护结构等截面与等刚度的支护结构模式，提出一种等截面条件下以增强不同部位刚度为主的型钢悬臂结构。该支护方案有效减小了支护结构的截面面积和材料。型钢悬臂支护结构与现有常用支护结构相比，有效减小结构几何尺寸、减少钢筋用量、高效传递滑坡推力、确保结构自身安全。
实施例2：
本实施例公开基于实施例1所述支护结构的设计计算方法，即针对桩体的分段结构，建立连续结构的挠曲微分方程计算模型进行求解。
桩身悬臂段各个分段采用挠曲微分方程进行求解，嵌固段采用弹性地基梁法进行求解(如嵌固段为土层采用m法，岩层采用k法，混合岩土层采用m-k法)。连续结构算法将悬臂段与嵌固段中各个变刚度段采用连续结构挠曲微分方程进行统一并求解。
悬臂段各分段挠曲微分方程：
EIn:悬臂段分段抗弯刚度，n代表分段号；
b：桩宽度；
qn：分段底部荷载；
qn-1：分段顶部荷载；
hn：分段桩长；
y：桩身计算截面高度；
x：桩身计算截面水平位移
嵌固段m法弹性地基梁法挠曲微分方程：
mn是嵌固段中各段土层侧向地基系数比例系数；
Bp是桩的计算宽度；
式中：A1表示系数矩阵位移求解系数；
A2表示系数矩阵挠度求解系数；
A3表示系数矩阵弯矩求解系数；
A4表示系数矩阵剪力求解系数；
xA表示嵌固段顶点处的桩身位移；
φA表示嵌固段顶点处的桩身挠度；
My表示嵌固段顶点处的桩身弯矩；
Qy表示嵌固段高度y处的桩身剪力；
xy表示嵌固段高度y处的桩身位移；
φy表示嵌固段高度y处的桩身挠度；
My表示嵌固段高度y处的桩身弯矩；
Qy表示嵌固段高度y处的桩身剪力；
α为强度影响系数；
嵌固段K法弹性地基梁法挠曲微分方程：
Kn是嵌固段中各段岩体水平抗力系数；
K法滑动面以下桩身任一截面的变位和内力的计算公式：
式中：φ1表示系数矩阵位移求解系数；
φ2表示系数矩阵挠度求解系数；
φ3表示系数矩阵弯矩求解系数；
φ4表示系数矩阵剪力求解系数；
β为强度影响系数；
上式中
均为“K”的影响系数；将上述各式按矩阵形式给出：
2〕测量：
hn：桩身各个不同刚度段的长度；
qn：桩身各个不同刚度段的所对应的顶部与底部荷载(qn底部荷载，qn-1顶部荷载)；
EIn：桩身各个不同刚度段的抗弯刚度(根据截面中不同材料的弹性模量E与惯性矩I得到)；
Bp：桩身各个不同刚度段的桩有效宽度(根据截面的宽度换算得到)；
3〕将步骤1〕的模型以张量形式给出Ax＝b，桩身各个分段方程的解为：
x＝A-1b (7)。
其中：
求解出各段顶点与底部位移、转角、弯矩、剪力后对方程按边界条件进行求解：
1.当桩底为固定端时：
2.当桩底为铰支端时:
3.当桩底为自由时：
将上述各种边界条件下相应的和代入式1～8，即可求得变刚度各段桩身任一截面的变位和内力。
Claims (5)
1.一种新型型钢悬臂支护结构，其特征在于:包括若干位于斜边坡一侧的所述桩体；
所述桩体从上到下依次是普通钢筋混凝土桩悬臂段(1)、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(2)、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(3)、加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(4)、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(5)和普通钢筋混凝土桩嵌固段(6)。
所述斜边坡包括一个滑床以及一个位于该滑床上的滑坡体；所述普通钢筋混凝土桩悬臂段(1)、型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(2)和加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(3)的一侧为临空面、另一侧与滑坡体接触；
所述加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(4)、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(5)和普通钢筋混凝土桩嵌固段(6)位于滑床内；
所述桩体由筋笼和混凝土浇筑而成；所述筋笼由若干纵筋和若干箍筋编织而成；所述筋笼内部具有一段型钢(7)；所述型钢(7)的长度方向与桩体的长度方向相同；所述型钢(7)中间的一段为加强段；
所述型钢(7)贯穿于型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(2)、加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(3)和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(4)、型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(5)；所述型钢(7)的加强段位于加强型钢加固钢筋混凝土桩悬臂段(3)和加强型钢加固钢筋混凝土桩嵌固段(4)。
2.根据权利要求1所述的一种新型型钢悬臂支护结构，其特征在于：所述桩体的横截面为圆形；所述的若干纵筋呈辐射状地分布在桩体的轴心的周围。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型型钢悬臂支护结构，其特征在于：所述桩体的横截面为矩形；所述的若干纵筋分布在桩体的周围，其中，有纵筋分布的一侧面向临空面、有纵筋分布的另一侧面向滑坡体。
4.根据权利要求1或3所述的一种新型型钢悬臂支护结构，其特征在于：所述型钢(7)为工字钢；所述工字钢包括中间的腹板和两侧的翼缘；工字钢的两个翼缘分别面向临空面和滑坡体；
所述型钢(7)的加强段中，腹板的两侧分别有一块加强钢板；所述加强钢板的两侧焊接在翼缘的侧壁上。
5.基于1～4任意一项权利要求1所述支护结构的设计计算方法，其特征在于，针对桩体的分段结构，建立连续结构的挠曲微分方程计算模型进行求解：
桩身悬臂段各个分段采用挠曲微分方程进行求解，嵌固段采用弹性地基梁法进行求解。
连续结构算法将悬臂段与嵌固段中各个变刚度段采用连续结构挠曲微分方程进行统一并求解。
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