CN111321743A - 抗滑桩的钢结构护壁的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于以下步骤：计算每节护壁的计算深度范围内土压力强度，并取其最大值作为对应护壁的钢板单位面积内的均布横向荷载；根据抗滑桩的尺寸确定钢板的长边和短边长度；根据每节护壁的钢板的单位面积内的均布横向荷载及其最大扰度限制计算每节护壁的钢板的厚度；对相邻钢板之间的焊缝进行强度验算。本发明提供一种地基土横向抗力系数的比例系数的设计方法，可适用于不同的土质条件和开挖深度，可以节省约87.5％的工期。

Description

抗滑桩的钢结构护壁的设计方法

技术领域

本发明涉及抗滑桩施工技术领域，具体涉及一种抗滑桩的 钢结构护壁的设计方法。

背景技术

抗滑桩作为一种钢筋混凝土支挡结构，由于其可承受土压 力大、结构稳定性强、占地面积小，在边坡、滑坡支护中应用 广泛。但抗滑桩施工需护壁配合，传统护壁为现浇钢筋混凝土 结构，采用逆作法施工，要求开挖一节支护一节(每节一般深 度为1m)。护壁需先绑扎钢筋，立模支护，然后浇筑、振捣混 凝土。本节护壁模板及支撑需在护壁混凝土强度能够支撑护壁 结构不变形后方可拆除，而下节护壁需在本节护壁强度达到设 计要求后，方可进行。每节护壁平均耗时约七天，导致抗滑桩 施工耗时很长，严重影响工期。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种抗滑桩 的钢结构护壁的设计方法，可适用于不同的土质条件和开挖深 度，可以节省约87.5％的工期。

本发明提供了一种抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特 征在于：

抗滑桩的钢结构护壁包括若干节护壁，所述护壁是由四块 钢结构首尾固定连接形成的上下开口的壳体结构，若干节护壁 由下至上同轴套接于待支护的抗滑桩外侧，所述护壁内壁与抗 滑桩的外壁紧密贴合用于支护抗滑桩；所述护壁外壁与抗滑桩 周围的土体紧密贴合；相邻的护壁之间固定连接；所述钢结构 为钢板；

抗滑桩的钢结构护壁的设计方法包括以下步骤：

计算每节护壁的计算深度范围内土压力强度，并取其最大 值作为对应护壁的钢板单位面积内的均布横向荷载；根据抗滑 桩的尺寸确定钢板的长边和短边长度，以及相对的两个钢板之 间的间距；根据每节护壁的钢板的单位面积内的均布横向荷载 及其最大扰度限制计算每节护壁的钢板的厚度。

上述技术方案中，根据公式(1)计算土强度压力：

q＝γztg²(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)+q₁tg²(45°-φ/2) (1)

其中

q—土压力强度(Kpa)；γ—土的容重(KN/m³)；z—计 算深度(m)；φ—土的内摩擦角(°)；c—土的粘聚力(Kpa)； q₁—附加荷载(Kpa)；

其中，γ、φ、c为土的特性参数，由项目的地勘报告提供； z根据选取的实际计算深度确定；q₁视现场实际情况选取。

上述技术方案中，采用公式(2)至(5)计算钢板的最大 允许挠度值：

其中，q₀为护壁单位面积内的均布横向荷载(Kpa)；E为 所选用的钢板的材料弹性模量(Gpa)，；a,b分别为钢板长边和 短边长度(m)；m为任意正数；μ为所选用的钢板的泊松比；

D为所选用的钢板的弯曲刚度；h为钢板的高度；w_max为 钢板的最大挠度，w_max＜1mm。

上述技术方案中，护壁的底部外表面设置有向下延伸的定 位钢筋；护壁的顶部设置有定位钢筋槽；相邻的两个护壁之间， 位于上侧的护壁的定位钢筋卡设于位于下侧的护壁的定位钢 筋槽内。

上述技术方案中，护壁包括两个相对设置的第一钢板(护 壁的长边)和两个相对设置的第二钢板(护壁的短边)，两个 第二钢板设置于两个第一钢板之间，第一钢板的端部均设置于 第二钢板的外侧，第一钢板的长度为对应的抗滑桩的长边长度 与两个第二钢板厚度和两个20mm焊缝之和。

上述技术方案中，最上节的护壁顶端高出平台面不小于 20cm。

上述技术方案中，两个第一钢板内壁之间相对距离和两个 第二钢板内壁之间的相对距离分别为其对应的抗滑桩桩身尺 寸与2倍的钢板最大挠度之和。

上述技术方案中，第一钢板和第二钢板以及相邻的两节护 壁之间通过焊接固定，焊接接缝不低于二级标准，采用T型连 接的普通型直角焊缝；在第一钢板和第二钢板连接处外侧预留 20mm焊缝位置。

上述技术方案中，定位钢筋采用φ30的HPB300钢筋， 焊接于第二钢板外侧且与第一钢板之间距离为10cm，定位钢 筋槽可采用圆管加工，圆管内径为32mm。

上述技术方案中，还包括对第一钢板和第二钢板的焊缝进 行强度验算。

本发明较之传统的混凝土支护结构设计方法，在施工之前 即可确定护壁形状和尺寸，无需耗费工时等待支护结构成型， 可有效节约抗滑桩的施工时间。同时本发明适用于不同的土质 条件和开挖深度，根据不同的需求计算生成不同的护壁结构。 本发明根据相关规范要求，提出了钢结构护壁的挠度控制标 准；并根据不同护壁的结构特点，从弹性力学理论和材料力学 理论出发给出了相关设计方法，有效保证护壁结构的支护强 度。采用本发明设计生成的护壁结构可预制，不必等现场开挖 完成后再施工，在施工现场直接吊装即可，从而有效节约施工 时间。

附图说明

图1是为本发明Ⅰ型钢结构护壁1-1俯视图

图2是为图1A处大样图

图3是本发明钢结构护壁剖面图

图4是平板结构示意图

图5是两对边简支的矩形薄板示意图

图6是护壁挠度图

其中，1-护壁，2-抗滑桩，3-定位钢筋，4-定位钢筋槽， 11-第一钢结构，12-第二钢结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说 明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种抗滑桩的钢结构护壁的设 计方法，其特征在于：

抗滑桩2钢结构护壁1结构包括若干节护壁1，所述护壁 1是由四块钢结构首尾固定连接形成的上下开口的壳体结构， 若干节护壁1由下至上同轴套接于待支护的抗滑桩2外侧，所 述护壁1内壁与抗滑桩2的外壁紧密贴合用于支护抗滑桩2； 所述护壁1外壁与抗滑桩2周围的土体紧密贴合；相邻的护壁 1之间固定连接；所述钢结构为钢板；

抗滑桩2钢结构护壁1结构的设计方法包括以下步骤：

计算每节护壁1的计算深度范围内土压力强度，并取其最 大值作为对应护壁1的钢板单位面积内的均布横向荷载；根据 抗滑桩2的尺寸确定钢板的长边和短边长度；根据每节护壁1 的钢板的单位面积内的均布横向荷载及其最大扰度限制计算 每节护壁1的钢板的厚度。

上述技术方案中，护壁1的底部外表面设置有向下延伸的 定位钢筋3；护壁1的顶部设置有定位钢筋槽4；相邻的两个 护壁1之间，位于上侧的护壁1的定位钢筋3卡设于位于下侧 的护壁1的定位钢筋槽4内。施工过程中，相邻的护壁1可通 过定位钢筋3和定位钢筋槽4的配置实现有效定位，保证安装 的稳定和快捷。

上述技术方案中，护壁1包括两个相对设置的第一钢结构 11和两个相对设置的第二钢结构12，两个第二钢结构12设置 于两个第一钢结构11之间，第一钢结构11的端部均设置于第 二钢结构12的外侧。

如图1所示，本发明的护壁1采用Q235钢板材质，整个 结构由四片钢板焊接而成，为提高焊接部位承受侧向压力的能 力。其中L1、L2为抗滑桩2桩身尺寸+2倍护壁1最大挠度， h为钢板厚度。每节护壁1高度1m，上下节护壁1外侧采用 定位钢筋3和定位钢筋槽4连接，定位钢筋3连接好后对钢板 进行焊接。钢板连接采用焊接工艺，接缝不低于二级标准，采 用T型连接的普通型直角焊缝。在外侧焊接位置预留20mm焊 缝位置，如图2所示。定位钢筋3采用φ30的HPB300钢筋， 焊接于护壁1短边外侧，边距为10cm，如图3所示。定位钢 筋槽4可采用圆管加工，圆管内径为32mm。需要特别说明的 是，定位钢筋3仅起定位及连接作用，不参与侧向抗力等计算。

上述技术方案中，最上节的护壁1顶端高出平台面不小于 20cm，起到防止地表水和颗粒物进入孔口影响施工安全。

本发明的抗滑桩2钢结构护壁1结构的施工方法，包括以 下步骤：

a.严格按照设计要求的钢板厚度、间距，焊缝尺寸，细部 结构图等要求完成护壁1的钢结构制作；

b.在抗滑桩2桩位开挖前完成单节护壁1的组装；焊缝采 用焊缝T型连接的普通型直角焊缝，不低于二级标准，在外侧 焊接位置预留20mm焊缝位置；

c.待抗滑桩2桩位开挖完成一节护壁1的深度，即可用机 械将定位并焊接好的，1#节护壁1压入至开挖深度；

d.待抗滑桩2桩位继续开挖并完成下一节护壁1的深度， 在地面孔口处完成已埋入土体的护壁1和下一节护壁1(2#护 壁1)的连接后，即可用机械将定位并焊接好的位于平台表面 的护壁1(2#护壁1)压入；

e.重复步骤d直至抗滑桩2桩位完成施工。

本发明采用的钢板表面相对光滑，且抗滑桩2护壁1施工 属于先开挖土体后施工钢结构护壁1，因此在计算中暂不考虑 墙背与填土之间的摩擦作用，采用朗肯土压力方法进行主动土 压力强度计算。

q＝γztg²(45⁰-φ/2)-2ctg(45⁰-φ/2)+q₁tg²(45⁰-φ/2) (1)

其中

q——土压力强度(Kpa)；

γ——土的容重(KN/m³)；

z——计算深度(m)；

φ——土的内摩擦角(°)；

c——土的粘聚力(Kpa)；

q₁——附加荷载(Kpa)；

γ、φ、c为土的特性参数，由项目的地勘报告提供；z根 据选取的实际计算深度确定；q₁视现场实际情况选取。

由于钢结构在力的作用下会产生挠度变形，过大的变形会 影响桩体尺寸，侵占桩体钢筋的保护层厚度。因此，钢结构护 壁1在使用前需进行严格的挠度计算。根据《公路路基施工技 术规范》(JTGF10-2006)对抗滑桩2断面和孔径的质量标准为 毫米级，因此钢结构护壁1计算及结构尺寸控制标准如下：

(1)Ⅰ型、Ⅱ型钢结构护壁1的计算挠度最大值w＜1mm；

(2)Ⅰ型、Ⅱ型钢结构护壁1内壁的净距L1、L2值需 包含抗滑桩2设计尺寸及2倍的计算挠度最大值。

在弹性力学中，由两个平行面和垂直这两个面的柱面构成 的物体称为平板，如图4所示。其中，两个平行面称为板面， 柱面称为侧面。两个板面间的距离h称为板厚，而平分厚度h 的平面称为中面。如果板厚h远小于中面的最小尺寸b(小于 b/8～b/5)，这个板面就称为薄板。

本发明的钢板的厚度h远小于钢板中面的最小尺寸b，约 为b/50(根据所采用的板厚和抗滑桩2尺寸不同而有所差别)。 根据弹性力学理论，钢板挠度应按照薄板结构进行计算。因此 钢板护壁1的挠度计算属于薄板的小挠度弯曲问题。根据设计 图纸，护壁1钢板的上下两边仅起到连接作用，并不能为钢板 变形提供足够的支撑；而钢板的左右两边与另外两侧钢板连 接，所以将一侧钢板挠度的计算模型建立为两对边简支的矩形 薄板，进而采用弹性力学理论进行计算，如图5所示。

矩形薄板最大挠度变形的相关计算公式如下：

其中

q₀——钢板单位面积内的均布横向荷载(Kpa)；

E——所选钢板的材料弹性模量(Gpa)；

a,b——分别为钢板长边和短边长度(m)；

m——任意正数；

μ——所选钢板的泊松比；

D——薄板的弯曲刚度；

需要特别说明的是：根据土力学原理，每节护壁1的横向 荷载q₀在土层深度范围内按照三角形或梯形分布，在岩层内可 认为其按照矩形分布，根据最不利设计原则，可取q₀在每节护 壁1计算深度范围内土压力强度最大值进行计算。取w_max小 于1mm，并由上述公式计算出钢板的厚度h。

具体实施例1的应用场景如下：

某市政道路在K0+283～K0+430段大桩号方向左侧有2～3 层民房建筑。道路红线与民房水平距离约为3.2m～5.1m(至房 屋基础)，道路设计高程与民房地坪高程的高差为4～7m(民房 高)，抗滑桩设计桩长为8～15m。

线路区地势稍有起伏，区内以农田、旱地为主，局部为居 民区、堰塘、丘坡；桩长范围内分布粉质黏土，呈黄褐色、棕 红色、浅黄色，硬塑，稍湿，土质均匀，黏粒为主，刀切面光滑，局部铁锰质结核富集,底部14～16.5m夹少量粉土团块及 薄层状细砂，未见地下水。

表1工程算例地质参数表

表2护壁参数表

对各桩长范围内护壁挠度进行了计算，选取两种有代表性 计算结果生成图表如图6所示：如计算结果所示，护壁结构在 10m深度范围内，挠度接近0.9mm，尚在规范控制精度以下， 满足设计要求。

常用钢筋砼护壁需等待上节护壁的强度达到能稳定土体 的作用后，方可开挖施工下一节，一般混凝土达到设计强度的 60％～80％需7d的养护。假设单桩桩长10m，则钢筋砼护壁所 需总工期约为70天。而钢结构护壁材料来源广泛、焊接方便 快捷，施工进度仅受控于桩孔的土方开挖，根据现场经验：技 术熟练工人每延米桩孔所需平均开挖时间为1天。假设单桩桩 长为10m，则钢结构护壁所需总工期约10天。相对钢筋砼护 壁节约了85.7％的工期，对工期影响巨大。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员 公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于：

抗滑桩的钢结构护壁包括若干节护壁，所述护壁是由四块钢结构首尾固定连接形成的上下开口的壳体结构，若干节护壁由下至上同轴套接于待支护的抗滑桩外侧，所述护壁内壁与抗滑桩的外壁紧密贴合用于支护抗滑桩；所述护壁外壁与抗滑桩周围的土体紧密贴合；相邻的护壁之间固定连接；所述钢结构为钢板；

抗滑桩的钢结构护壁的设计方法包括以下步骤：

计算每节护壁的计算深度范围内土压力强度，并取其最大值作为对应护壁的钢板单位面积内的均布横向荷载；根据抗滑桩的尺寸确定护壁的长边和短边长度以及相对的两个钢板之间的间距；根据每节护壁的钢板的单位面积内的均布横向荷载及其最大扰度限制计算每节护壁的钢板的厚度；对相邻钢板之间的焊缝进行强度验算。

2.根据权利要求1所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于根据公式(1)计算土强度压力：

q＝γztg²(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)+q₁tg²(45°-φ/2) (1)

其中

q—土压力强度(Kpa)；γ—土的容重(KN/m³)；z—计算深度(m)；φ—土的内摩擦角(°)；c—土的粘聚力(Kpa)；q₁—附加荷载(Kpa)；

其中，γ、φ、c为土的特性参数，由项目的地勘报告提供；z根据选取的实际计算深度确定；q₁视现场实际情况选取。

3.根据权利要求2所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于采用公式(2)至(5)计算钢板的厚度：

其中，q₀为护壁单位面积内的均布横向荷载(Kpa)；E为所选用的钢板的材料弹性模量(Gpa)，；a,b分别为钢板长边和短边长度(m)；m为任意正数；μ为所选用的钢板的泊松比；

D为所选用的钢板的弯曲刚度；h为钢板的高度；w_max为钢板的最大挠度，w_max＜1mm。

4.根据权利要求1所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于护壁的底部外表面设置有向下延伸的定位钢筋；护壁的顶部设置有定位钢筋槽；相邻的两个护壁之间，位于上侧的护壁的定位钢筋卡设于位于下侧的护壁的定位钢筋槽内。

5.根据权利要求3所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于护壁包括两个相对设置的第一钢板和两个相对设置的第二钢板，两个第二钢板设置于两个第一钢板之间，第一钢板的端部均设置于第二钢板的外侧，第一钢板的长度为对应的抗滑桩的长边长度与两个第二钢板厚度和两个20mm焊缝之和。

6.根据权利要求1所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于最上节的护壁顶端高出平台面不小于20cm。

7.根据权利要求5所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于两个第一钢板内壁之间相对距离和两个第二钢板内壁之间的相对距离分别为其对应的抗滑桩桩身尺寸与2倍的钢板最大挠度之和。

8.根据权利要求5所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于第一钢板和第二钢板以及相邻的两节护壁之间通过焊接固定，焊接接缝不低于二级标准，采用T型连接的普通型直角焊缝；在第一钢板和第二钢板连接处外侧预留20mm焊缝位置。

9.根据权利要求8所述的抗滑桩的钢结构护壁的设计方法，其特征在于定位钢筋采用φ30的HPB300钢筋，焊接于第二钢板外侧且与第一钢板之间距离为10cm，定位钢筋槽可采用圆管加工，圆管内径为32mm。

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