CN110851898A - 一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，以克服传统传递系数法和有限元强度折减法的不足，有效解决滑坡(岩堆)上桥墩基础变形控制设计难题。包括以下步骤：①建立滑坡三维数值模型；②在滑坡三维数值模型中建立桥墩基础；③确定桥墩基础的变形容许值[Δ]，综合确定稳定安全系数K；④折减滑带或滑面的强度参数，取综合折减系数F＝K，求解桥墩基础变形Δ；⑤判别桥墩基础变形是否满足Δ≤[Δ]；⑥在滑坡三维数值模型中建立抗滑桩，抗滑桩采用桩单元模拟，按步骤④求解桥墩基础变形Δ；⑦判别桥墩基础的变形是否满足Δ≤[Δ]；⑧输出抗滑桩的剪力和弯矩分布图，进行结构配筋，绘制设计图纸。
Description
技术领域
本发明涉及滑坡(岩堆)治理和桥梁墩台加固，尤其涉及一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡(岩堆)抗滑桩设计方法。
背景技术
复杂艰险山区地形陡峻、山高谷深，线路多次跨越河流沟谷或沿沟谷行进，受地形地质及综合选线影响，无法避免一定数量的桥墩位于滑坡(岩堆)上。滑坡、岩堆稳定性差，桥梁基坑开挖易引起边坡局部坍塌或整体失稳。桥墩基础常会受到偏压，特别是在暴雨、地震等恶劣条件下可能产生侧向变形，影响结构正常使用与安全。桥梁墩台水平变形敏感，滑坡、岩堆加固设计除了考虑整体稳定性外，还需对桥梁墩台的水平变形进行严格控制。
抗滑桩是穿过滑坡(岩堆)深入滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，在铁路、公路、厂矿等滑坡治理中应用广泛，是一种加固滑坡的主要措施。
传统的滑坡加固一般采用极限平衡法(如：传递系数法)计算，是将土体假定为刚性条块，并对条间作用力进行简化，不能考虑岩土体的弹塑性及岩土体和结构物的耦合作用，不能解决滑坡上桥墩基础变形控制设计难题。
传统的有限元强度折减法可考虑岩土体的弹塑性应力-应变关系以及桩-土的相互作用。在公告号CN108717503A的中国发明专利中公开了一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，其特征是将滑体和滑带的抗剪切强度参数同时按设计安全系数进行折减，然后进行塑性计算，计算完毕后提取桩单元滑面位置处的最大剪力，此剪力值就是滑坡在设计工况下埋入式抗滑桩应承担的滑坡推力设计值。但该方法对滑体和滑带强度参数同时进行折减，显著放大了滑坡推力，无法准确计算桥墩基础及抗滑桩的真实受力和变形。
采用抗滑桩对滑坡(岩堆)上桥梁基础进行加固的工程实例比比皆是，亟需提出一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，以克服传统传递系数法和有限元强度折减法的不足，有效解决滑坡(岩堆)上桥墩基础变形控制设计难题。
本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，包括以下步骤：
①建立滑坡三维数值模型，生成滑坡的初始应力场并对初始位移进行清零；
②在滑坡三维数值模型中建立桥墩基础；
③根据桥梁特征确定桥墩基础的变形容许值[Δ]，根据滑坡性质和规模、滑动后果和整治难易因素，综合确定稳定安全系数K；
④折减滑带或滑面的强度参数，取综合折减系数F＝K，求解桥墩基础变形Δ；
⑤判别桥墩基础变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，则无需对桥墩基础进行加固；若不满足要求，初步按照滑坡整体稳定控制要求，确定抗滑桩的几何尺寸、桩间距参数，优先在桥墩上侧边坡设置后排抗滑桩，当滑坡前部滑面较陡对桥墩存在牵引作用时，还需在桥墩下侧边坡设置前排抗滑桩；
⑥在滑坡三维数值模型中建立抗滑桩，抗滑桩采用桩单元模拟，按步骤④求解桥墩基础变形Δ；
⑦判别桥墩基础的变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，优化确定抗滑桩的相关设计参数；若不满足要求，则调整抗滑桩设计参数，按步骤⑥求解桥墩基础变形Δ直至满足要求。
⑧输出抗滑桩的剪力和弯矩分布图，进行结构配筋，绘制设计图纸。
本发明的有益效果是，针对山区滑坡(岩堆)滑带或滑面(岩土交界面)的强度指标相对于滑体容易降低的实际情况，提出了基于滑动面强度折减的数值模拟方法，通过引入一个综合折减系数F，对滑带或滑面的强度参数进行折减，计算设计安全系数工况下桥墩基础变形，并确定抗滑桩加固方案；能考虑土体的弹塑性并计算支挡结构和桥墩基础的受力和变形，克服传统传递系数法和有限元强度折减法的不足，有效解决滑坡(岩堆)上桥墩基础变形控制设计难题，具有普遍的适用性。
附图说明
本说明书包括如下九幅附图：
图1为本发明一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法的流程示意图；
图2为实施例滑坡工点的剖面图；
图3为滑坡的三维数值模型；
图4为包含桥墩承台桩基的滑坡三维数值模型；
图5为包含桥墩承台桩基和抗滑桩的滑坡三维数值模型；
图6为后排抗滑桩位置与桥墩承台水平变形的关系曲线；
图7为抗滑桩设计方案断面图；
图8为抗滑桩桩身剪力分布图；
图9为抗滑桩桩身弯矩分布图。
图中：滑体 1，滑面 2，滑床 3，桥梁基桩 4，桥墩基础承台 5，抗滑桩 6。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
参照图1，本发明一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，包括以下步骤：
①建立滑坡三维数值模型，生成滑坡的初始应力场并对初始位移进行清零；
②在滑坡三维数值模型中建立桥墩基础；
③根据桥梁特征确定桥墩基础的变形容许值[Δ]，根据滑坡性质和规模、滑动后果和整治难易因素，综合确定稳定安全系数K；
④折减滑带或滑面的强度参数，取综合折减系数F＝K，求解桥墩基础变形Δ；
⑤判别桥墩基础变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，则无需对桥墩基础进行加固；若不满足要求，初步按照滑坡整体稳定控制要求，确定抗滑桩的几何尺寸、桩间距参数，优先在桥墩上侧边坡设置后排抗滑桩，当滑坡前部滑面较陡对桥墩存在牵引作用时，还需在桥墩下侧边坡设置前排抗滑桩；
⑥在滑坡三维数值模型中建立抗滑桩，抗滑桩采用桩单元模拟，按步骤④求解桥墩基础变形Δ；
⑦判别桥墩基础的变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，优化确定抗滑桩的相关设计参数；若不满足要求，则调整抗滑桩设计参数，按步骤⑥求解桥墩基础变形Δ直至满足要求。
⑧输出抗滑桩的剪力和弯矩分布图，进行结构配筋，绘制设计图纸。
所述步骤①中，滑坡三维数值模型包括滑体和滑床，以及介于二者之间的滑带或滑面，滑带或滑面用一薄层实体单元模拟，岩土体采用摩尔—库伦本构模型。
所述步骤②中，桥墩基础由桥墩基础承台和桥梁基桩组成，桥墩基础承台采用实体单元模拟，采用各向同性弹性本构模型，桥梁基桩采用桩单元模拟，桥墩基础承台与周围岩土体之间设置接触面，接触面的法向刚度按下式确定：
式中，kn为接触面的法向刚度；ks为接触面的切向刚度；K为接触面体积模量；G为接触面剪切模量；Δzmin为接触面法向连接区域最小尺寸。
所述步骤③中，桥墩基础的变形容许值[Δ]是指承台水平位移或转角的容许值，稳定安全系数K取1.05～1.25。
所述步骤④中，通过引入综合折减系数F对薄层实体单元的强度参数进行折减，用来模拟降雨等不利因素引起的滑带或滑面强度指标降低，用公式表达如下：
式中，
c′分别为折减后的内摩擦角和粘聚力；
c为初始的内摩擦角和粘聚力；F为综合折减系数。
所述步骤②、⑥中，基桩、抗滑桩用桩单元模拟，且穿过不同岩土体，则设置不同的接触参数，桩单元的接触参数按下式进行确定：
式中，α无量纲参数，取α＝20。
所述步骤⑤中，前抗滑桩、后排抗滑桩均可设计成单排或多排。
所述步骤⑦中，若同时存在前排抗滑桩和后排抗滑桩，分别调整前排抗滑桩、后排抗滑桩的设计参数。
实施例：
某滑坡桥基工点，滑坡长100m，宽50m，厚度3～15m。滑体为碎石土，滑床为基岩，滑面内摩擦角为27°。桥梁基础为3×3群桩基础，承台尺寸为10.1m×10.1m×2m，基桩直径1.25m、桩长30.5m，桩间距(中–中)3.9m，如图2所示。滑坡岩土体参数如表1所示。
表1
下面采用本发明方法确定滑坡上桥梁墩台的抗滑桩加固方案，具体步骤如下：
①如图3所示，建立滑坡三维数值模型，生成滑坡的初始应力场并对初始位移进行清零。滑坡三维数值模型包括滑体和滑床，以及介于二者之间的滑带或滑面，滑带或滑面用一薄层实体单元模拟，岩土体采用摩尔—库伦本构模型。
②如图4所示，在滑坡三维数值模型中建立桥墩基础，在滑坡数值模型中建立桥梁基础，桥墩基础由桥墩基础承台和桥梁基桩组成，桥墩基础承台采用实体单元模拟，采用各向同性弹性本构模型，桥梁基桩采用桩单元模拟。
桥墩基础承台与周围岩土体之间设置接触面，接触面的法向刚度按下式确定：
式中，kn为接触面的法向刚度；ks为接触面的切向刚度；K为接触面体积模量；G为接触面剪切模量；Δzmin为接触面法向连接区域最小尺寸。
桥墩承台与滑体之间接触面的接触参数如表2所示：
表2
桥梁基桩桩单元的接触参数如表3所示：
表3
③根据桥梁特征确定桥墩基础的变形容许值[Δ]＝6mm，根据滑坡性质和规模、滑动后果和整治难易因素，综合确定稳定安全系数K＝1.25。
④折减滑带或滑面的强度参数，取综合折减系数F＝K，求解桥墩基础变形Δ。通过引入综合折减系数F对薄层实体单元的强度参数进行折减，用来模拟降雨等不利因素引起的滑带或滑面强度指标降低，用公式表达如下：
式中，
c′分别为折减后的内摩擦角和粘聚力；c为初始的内摩擦角和粘聚力；F为综合折减系数。
滑面内摩擦角为27°，滑面的强度折减系数F＝1.25，折减后的内摩擦角为22.18°。折减滑面的强度参数，计算得到桥墩基础的水平变形Δ＝224mm。
⑤判别桥墩基础变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，则无需对桥墩基础进行加固；若不满足要求，初步按照滑坡整体稳定控制要求，确定抗滑桩的几何尺寸、桩间距参数，优先在桥墩上侧边坡设置后排抗滑桩，当滑坡前部滑面较陡对桥墩存在牵引作用时，还需在桥墩下侧边坡设置前排抗滑桩。
因为Δ＝224mm远大于桥梁墩台的水平变形容许值[Δ]＝6mm，按照滑坡整体稳定控制要求，初步确定抗滑桩的位置、截面尺寸、桩长、桩间距等参数。由于滑坡前缘滑面倾角较缓，非牵引式滑坡，仅需设置后排抗滑桩对桥墩进行加固。采用传递系数法(隐式解法)计算的滑坡出口推力为1005kN/m，初步确定后排抗滑桩截面尺寸2.25m×3.25m，桩间距6m，桩长25m，桩边缘距桥梁承台边缘净距2m。
⑥如图5所示，在体三维数值模型中建立抗滑桩，抗滑桩采用桩单元模拟，按步骤④求解桥墩基础变形Δ。折减滑面的强度参数，得到桥梁墩台的水平变形Δ＝7.99mm。
抗滑桩桩单元的接触参数如表4所示：
表4
因为Δ＝7.99mm＞[Δ]＝6mm，不满足变形要求。调整抗滑桩截面尺寸和桩长，暂不改变桩间距和埋设位置，桩截面调整为3m×4m，桩长调整为27.5m。在滑坡数值模型中建立抗滑桩模型，采用桩单元模拟。按步骤S4进行桥梁墩台变形的求解。折减滑面的强度参数，得到桥梁墩台的水平变形Δ＝3.66mm。
⑦判别桥墩基础的变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，优化确定抗滑桩的相关设计参数；若不满足要求，则调整抗滑桩设计参数，按步骤⑥求解桥墩基础变形Δ直至满足要求。
因为Δ＝3.66mm<[Δ]＝6mm，故后排抗滑桩截面3m×4m，桩间距6m，桩长27.5m，桩边缘距桥梁承台边缘净距2m时，可满足桥墩变形要求。
调整抗滑桩位置，对抗滑桩位置进行优化，以桥梁承台的水平变形为控制指标，确定抗滑桩的最佳位置。求解不同抗滑桩位置时桥墩基础的变形，得到桥梁承台的水平变形与抗滑桩位置关系曲线，如图6所示，当抗滑桩与桥梁承台边缘净距4m时，桥梁承台的水平变形量最小，为3.49mm。最终采取的抗滑桩设计方案为：设置后排抗滑桩，抗滑桩边缘与桥梁承台边缘净距4m，桩截面3m×4m，桩间距6m，桩长27.5m，如图7所示。
⑧输出抗滑桩的剪力和弯矩分布图，进行结构配筋，绘制设计图纸。
Claims (8)
1.一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，包括以下步骤：
①建立滑坡三维数值模型，生成滑坡的初始应力场并对初始位移进行清零；
②在滑坡三维数值模型中建立桥墩基础；
③根据桥梁特征确定桥墩基础的变形容许值[Δ]，根据滑坡性质和规模、滑动后果和整治难易因素，综合确定稳定安全系数K；
④折减滑带或滑面的强度参数，取综合折减系数F＝K，求解桥墩基础变形Δ；
⑤判别桥墩基础变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，则无需对桥墩基础进行加固；若不满足要求，初步按照滑坡整体稳定控制要求，确定抗滑桩的几何尺寸、桩间距参数，优先在桥墩上侧边坡设置后排抗滑桩，当滑坡前部滑面较陡对桥墩存在牵引作用时，还需在桥墩下侧边坡设置前排抗滑桩；
⑥在滑坡三维数值模型中建立抗滑桩，抗滑桩采用桩单元模拟，按步骤④求解桥墩基础变形Δ；
⑦判别桥墩基础的变形是否满足Δ≤[Δ]，若满足要求，优化确定抗滑桩的相关设计参数；若不满足要求，则调整抗滑桩设计参数，按步骤⑥求解桥墩基础变形Δ直至满足要求；
⑧输出抗滑桩的剪力和弯矩分布图，进行结构配筋，绘制设计图纸。
2.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤①中，滑坡三维数值模型包括滑体和滑床，以及介于二者之间的滑带或滑面，滑带或滑面用一薄层实体单元模拟，岩土体采用摩尔—库伦本构模型。
3.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤②中，桥墩基础由桥墩基础承台和桥梁基桩组成，桥墩基础承台采用实体单元模拟，采用各向同性弹性本构模型，桥梁基桩采用桩单元模拟，桥墩基础承台与周围岩土体之间设置接触面，接触面的法向刚度按下式确定：
式中，kn为接触面的法向刚度；ks为接触面的切向刚度；K为接触面体积模量；G为接触面剪切模量；Δzmin为接触面法向连接区域最小尺寸。
4.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤③中，桥墩基础的变形容许值[Δ]是指承台水平位移或转角的容许值，稳定安全系数K取1.05～1.25。
5.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤④中，通过引入综合折减系数F对薄层实体单元的强度参数进行折减，用来模拟降雨等不利因素引起的滑带或滑面强度指标降低，用公式表达如下：
式中，
c′分别为折减后的内摩擦角和粘聚力；
c为初始的内摩擦角和粘聚力；F为综合折减系数。
6.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤②、⑥中，基桩、抗滑桩用桩单元模拟，且穿过不同岩土体，则设置不同的接触参数，桩单元的接触参数按下式进行确定：
式中，α无量纲参数，取α＝20。
7.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤⑤中，前抗滑桩、后排抗滑桩均可设计成单排或多排。
8.如权利要求1所述的一种基于桥梁墩台变形控制的滑坡抗滑桩设计方法，其特征在于：所述步骤⑦中，若同时存在前排抗滑桩和后排抗滑桩，分别调整前排抗滑桩、后排抗滑桩的设计参数。
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