CN111400810B - 一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，包括以下步骤：S1：计算不稳定斜坡的既有安全系数；S2：明确相应构筑物需要达到的安全系数，微型桩用于将既有安全系数提升至相应构筑物需要达到的安全系数；S3：根据需要达到的安全系数反算微型桩需要提供的推力；S4：计算微型桩的根数,确定微型桩排距；S5：完成微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计。通过对不稳定斜坡工程安全度的分析判定是否采用微型桩进行加固，并结合不稳定斜坡的反算推力确定微型桩的根数及布置形式，这种方法能在尽量减小对运营线路不稳定斜坡影响的前提下，合理设计微型桩的根数、布置形式以及间距，能合理采用微型桩加固不稳定斜坡，也为工程修建提供了便利。

Description

一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法

技术领域

本发明涉及边坡工程领域，特别是一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法。

背景技术

随着我国经济技术的全面发展，尤其是山区铁路、公路、航道、水电工程的大量兴建，大、中、小型边坡工程在我国比比皆是，边坡安全度是影响既有建筑物安全营运的重要因素。一些诸如成昆铁路、三峡工程、京昆高速等百年工程，随着时间的推移，边坡岩体在日晒雨淋下风化、植物根劈等作用下，边坡的安全系数逐年降低，形成暂时稳定，但安全系数却达不到相应工程标准的不稳定斜坡，一旦遭遇极端恶劣天气或地震活动等，边坡易失稳造成严重的后果。

目前国内整治不稳定斜坡常见的措施为边坡坡脚采用抗滑桩加固，施工工艺多为人工挖孔桩或旋挖钻成孔桩，均会对原边坡产生进一步的破坏，且施工机械大，施工周期长，对既有营运构筑物有较大的干扰，并形成安全隐患。采用对边坡破坏小、对营运构筑物扰动小的微型桩对边坡进行安全度的提高具有诸多优势，但单根微型桩因其直径小，抗剪、抗弯能力有限，因此设计合理的微型桩根数、布置形式及微型桩间距是决定不稳定斜坡整治成败的关键。

目前在现有技术中，针对既有营线路的不稳定斜坡采用微型桩加固的方案暂无指导设计方法，因此合理采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡是一件十分困难的事情。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的合理采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡十分困难的问题，提供一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法，包括以下步骤：

S1：计算不稳定斜坡的既有安全系数；

S2：明确相应构筑物需要达到的安全系数，微型桩用于将既有安全系数提升至相应构筑物需要达到的安全系数；

S3：根据需要达到的安全系数反算微型桩需要提供的推力；

S4：计算微型桩的根数,并确定微型桩排距；

S5：计算微型桩单桩设计方案，完成微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计。

通过上述方法，先计算不稳定斜坡的既有安全系数，再明确相应构筑物需要达到的安全系数，既有安全系数与需要达到的安全系数之间的差值即需要通过微型桩加固的力，再根据需要达到的安全系数来反算微型桩需要提供的推力，从而合理的确定微型桩的根数及布置形式，这种设计方法能够在尽量减小对运营线路不稳定斜坡影响的前提下，合理设计微型桩的根数、布置形式以及微型桩间距，同时能够通过上述设计方法合理的采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡，为合理的采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡找到了解决办法，同时也为工程修建提供了便利，采用微型桩能够在施工时减小对不稳定斜坡的破坏，对营运构筑物的扰动小，能够提高不稳定斜坡的安全度。

作为本发明的优选方案，在步骤S1中，根据不稳定斜坡体的岩层产状、风化程度、地层岩性、物理力学指标预测不稳定斜坡潜在破裂面，分析不稳定斜坡体积，计算不稳定斜坡的既有安全系数。

作为本发明的优选方案，通过地层岩性测量边坡岩体的剖面产状，测量边坡岩体的坡面产状、岩层产状及节理面产状，将所有结构面产状通过玫瑰花节理图进行分析，得出最不利结构面的组合。

作为本发明的优选方案，通过现场地质钻探及取样室内试验情况，确定地层的物理力学指标，根据风化程度对边坡岩块内摩擦角折算出岩体综合内摩擦角。

作为本发明的优选方案，不稳定斜坡体积G确定公式为：

G＝r×S

式中r是不稳定斜坡体重度；S是不稳定斜坡体延米面积；

不稳定斜坡的既有安全系数Fs确定公式为：

Fx＝G×sinθ

Fy＝G×cosθ×tanφ

Fs＝Fy/Fx

式中θ是不稳定斜坡坡度；φ是不稳定斜坡潜在破裂面的内摩擦角；Fy是不稳定斜坡下滑力；Fx是不稳定斜坡抗滑力。

作为本发明的优选方案，步骤S2中，根据国家标准明确相应构筑物需要达到的安全系数。

作为本发明的优选方案，反算推力公式为：

T＝Fs’Fx-Fy

式中Fs’是相应构筑物需要达到的安全系数。

作为本发明的优选方案，微型桩下端插入土体中，各个微型桩的上端通过冠梁相连，形成柔性复合体或柔性挡土墙；

步骤S4中，将潜在推力矢量化成水平和垂直两个方向，根据拟定矢量化推力计算微型桩的根数，根据柔性复合体或柔性挡土墙的受力计算确定微型桩排距。

作为本发明的优选方案，步骤S5中，根据单桩分配的下滑力进行微型桩单桩的抗剪切、抗弯计算及配筋，形成微型桩单桩设计方案。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

先计算不稳定斜坡的既有安全系数，再明确相应构筑物需要达到的安全系数，既有安全系数与需要达到的安全系数之间的差值即需要通过微型桩加固的力，再根据需要达到的安全系数来反算微型桩需要提供的推力，从而合理的确定微型桩的根数及布置形式，这种设计方法能够在尽量减小对运营线路不稳定斜坡影响的前提下，合理设计微型桩的根数、布置形式以及微型桩间距，同时能够通过上述设计方法合理的采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡，为合理的采用微型桩加固运营线路的不稳定斜坡找到了解决办法，同时也为工程修建提供了便利，采用微型桩能够在施工时减小对不稳定斜坡的破坏，对营运构筑物的扰动小，能够提高不稳定斜坡的安全度。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的不稳定斜坡潜在滑动面推力示意图。

图3是本发明的微型桩的结构示意图。

图标：1-既有边坡；2-微型桩施工平台；3-潜在水平推力；4-潜在竖向推力；5-潜在推力；6-不稳定斜坡潜在破裂面；7-微型桩加固边坡；9-微型桩；10-推力方向；11-冠梁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供了一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法，包括以下步骤：

S1：根据不稳定斜坡体的岩层产状、风化程度、地层岩性、物理力学指标科学的预测不稳定斜坡潜在破裂面6并判定不稳定斜坡的内摩擦角，分析不稳定斜坡体积，计算不稳定斜坡的既有安全系数；

具体的，将不稳定斜坡包括运营线平面关系进行测量，绘制1:200地形图及垂直于坡面走向的剖面线，建立计算模型；采用地质调绘，通过地层岩性测量边坡岩体的剖面产状，测量边坡岩体的坡面产状、岩层产状及节理面产状，现场地质钻探及室内土工试验明确不稳定斜坡体的相关指标；

将边坡分为岩质边坡和土质边坡进行分析，岩质边坡可分析岩土体的风化程度，根据最新测量的岩体裂隙产状，根据玫瑰花节理图推测不稳定滑动面的位置，明确不稳定滑动面是否存在软弱夹层等；土质边坡进一步地分为粘性土边坡和砂性土边坡，粘性土边坡可通过瑞典圆弧法进行稳定性分析计算，无粘性土边坡可根据土体内摩擦角确定安全系数；对坡面地下水进行调查，分析地下水对坡面的影响；

对不稳定性斜坡体进行加固时，应结合既有线的重要性、营运状况，施工机械对既有构筑物的影响，施工成本等综合判识不稳定斜坡整治是否采取微型桩9进行加固；

具体的，不稳定斜坡体积G确定公式为：

G＝r×S

式中r是不稳定斜坡体重度；S是不稳定斜坡体延米面积；

不稳定斜坡的既有安全系数Fs确定公式为：

Fx＝G×sinθ

Fy＝G×cosθ×tanφ

Fs＝Fy/Fx

式中θ是不稳定斜坡坡度；φ是不稳定斜坡潜在破裂面的内摩擦角；Fy是不稳定斜坡下滑力；Fx是不稳定斜坡抗滑力；

S2：根据国家标准明确相应构筑物需要达到的安全系数；

具体的，不同的既有构筑物均要求不同的边坡安全系数，但是随着时间的推移，大量的边坡岩土体随着风吹日晒、植物根劈作用，原状土性质已经与原设计发生较大变化，边坡的安全系数正在逐年降低，或者不满足现行规范要求，故亟需对大量既有边坡1进行安全梳理，采取工程措施，提供边坡安全系数以达现行规范要求；

S3：根据需要达到的安全系数，反算微型桩9需要提供的推力；

具体的，反算推力公式为：

T＝Fs’Fx-Fy

式中Fs’是相应构筑物需要达到的安全系数；

具体的，对不稳定斜坡体进行推力分析，优先采用隐式解进行结算，在进行推力计算时，应考虑地震、地下水等不利工况进行分析，选取正常工况下与不利工况下潜在推力的最大值作为设计依据；

S4：将潜在推力矢量化成水平和垂直两个方向，根据拟定矢量化推力计算微型桩9的根数,桩、土及冠梁11形成矩形结构的柔性复合体或柔性挡土墙，并根据桩、土及冠梁11形成柔性复合体或柔性挡土墙受力计算确定微型桩9排距；

具体的，不稳定斜坡存在潜在推力5合力，推力方向10为斜向下，为简化计算模型，可将下滑力分解为潜在水平推力3及潜在竖向推力4，根据潜在水平推力3的线性分布确定合力作用点和下滑弯矩；

根据单根微型桩9抗剪能力及潜在水平推力3的合力确定微型桩9根数N1,根据单根微型桩9抗弯能力及下滑弯矩确定微型桩9的根数N2,取N＝max(N1、N2)；

考虑不稳定斜坡受力分布的不均匀性，建议安全系数不得低于1.5，同时考虑微型桩9之间相互的干扰和尽量是微型桩9能与周围土体形成整体，桩间距L设计时宜为2-4倍桩间距；

为保证微型桩9变形协调性，充分发挥所有微型桩9抗滑作用，桩体顶部采用冠梁11联结，考虑多排桩及冠梁11作用，桩土形成柔性挡土墙，根据墙身稳定性计算确定桩排数；

S5：根据单桩分配的下滑力进行微型桩9单桩的抗剪切、抗弯计算及配筋，计算微型桩9单桩设计方案，完成微型桩9加固运营线路不稳定斜坡的设计；

具体的，根据计算所得锚固点位置确定微型桩9桩长，桩长锚固段范围应大于0.5倍桩长L；

采用灌注圆形桩，根据抗剪、抗弯计算结果，确定微型桩9直径和配筋率，直径宜为0.2-0.25m，采用一次性灌；

在完成步骤S5之后，根据以上计算结果，提供设计说明书，明确微型桩9的施工技术要求及与既有线相关的施工注意事项；

具体的，尽量利用不稳定斜坡自然平台，采用小型施工机械在微型桩施工平台2施工形成微型桩加固边坡7，同时确保机械能穿越地层中硬度高的障碍物；

评估小型机械倒杆影响，采用相应的防倒杆措施，避免对既有运营线造成安全隐患；

评估施工对环境因素的影响，避免对地下水、周围植被等造成破坏。

先计算不稳定斜坡的既有安全系数，再明确相应构筑物需要达到的安全系数，既有安全系数与需要达到的安全系数之间的差值即需要通过微型桩9加固的力，再根据需要达到的安全系数来反算微型桩9需要提供的推力，从而合理的确定微型桩9的根数及布置形式，这种设计方法能够在尽量减小对运营线路不稳定斜坡影响的前提下，合理设计微型桩9的根数、布置形式以及微型桩9间距，同时能够通过上述设计方法合理的采用微型桩9加固运营线路的不稳定斜坡，为合理的采用微型桩9加固运营线路的不稳定斜坡找到了解决办法，同时也为工程修建提供了便利，采用微型桩9能够在施工时减小对不稳定斜坡的破坏，对营运构筑物的扰动小，能够提高不稳定斜坡的安全度。

实施例2

如图2、图3所示，本实施例具体展示了一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡设计方法，具体设计过程：

某高速公路一岩质边坡工程，走向为南北向，边坡坡率1:0.75，边坡高25m。地层岩性为侏罗系红层砂岩，该地层具有较好的自立性，但抗风化能力较弱，经日晒雨淋后，边坡岩体崩解卸荷，形成一条顺高速公路走向的优势节理裂隙。

S1：通过绘制玫瑰花节理图分析，得边坡的潜在滑动面为顺边坡的优势节理裂隙，经地质钻孔，未见地下水，节理裂隙充填，无明显的破坏特征，经计算该不稳定斜坡体的体积G为172.5m³/m，重度r为20.5kn/m³，潜在破裂面综合内摩擦角φ为45°，不稳定斜坡坡面倾角θ为38°，不稳定斜坡体重3536.25KN/m。经分析，该不稳定斜坡体若采用常规的旋挖钻孔桩加固，机械较大，且存在倒杆可能，若采用人工挖孔桩，则对不稳定斜坡体进一步破坏，存在较大的施工风险，经综合比较，该高速公路不稳定斜坡体采用机械小、灵活、安全的微型9进行加固；

G＝r×S；

Fx＝G×sinθ；

Fy＝G×cosθ×tanφ；

Fs＝Fy/Fx；

式中S是不稳定斜坡体延米面积；Fx是下滑力；Fy是抗滑力；

S2：根据所提供的力学参数计算既有边坡1安全系数为Fs＝Fy/Fx＝1.07，属于暂时稳定状态。该边坡岩体属于IV类，边坡高度15＜h≤30m，破坏后后果严重，其安全等级为二级，根据《建筑边坡技术规范》(GB50330-2013)，边坡安全系数须达到Fs’＝1.30，故该边坡存在相应的安全风险，如属于地震区还应考虑地震工况。

S3：根据边坡体能提供的抗力，需要将上述不稳定斜坡体安全系数提升至1.30，采用隐式解反算微型桩9需要提供的推力，根据计算所得微型桩9需要提供的抗滑力为T＝Fs’Fx-Fy＝492KN/m；

S4：将微型桩9受力分界为水平力和竖向力两部分，其中水平推力为387.7KN/m，弯矩为2326KN·m/m，因该边坡与既有营运线路距离较近，结合推力大小，初选桩型为直径0.25的微型桩9在进行加固，根据经验直径0.25微型桩9，单桩提供抗力约为90KN，单位延米内布置桩根数为5根。为将桩体与桩周围土体能保证紧密结合，形成柔性挡墙，同时尽量减少对土体的扰动，选择桩位布置为：顺线路方向间距0.8m，垂直于线路方向间距0.5m，桩顶部纵横向采用尺寸为0.3*0.3的冠梁11联结，以保证微型桩9整体性，受力均衡；

S5：根据单桩承受的推力及弯矩按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)相关规范要求完成配筋图；

S6：完成设计说明，建议冲击成孔施工工艺，采用冲击钻，因其机械矮小、灵活，有利于在高速公路边坡上安全的搬家，同时能减少对既有边坡1的扰动。采用棚架等防护措施，防止机械器、岩芯碎片等掉落至高速公路上。采用水钻时，应考虑施工用水的重复利用，以减少对环境的污染。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算不稳定斜坡的既有安全系数；根据不稳定斜坡体的岩层产状、风化程度、地层岩性、物理力学指标预测不稳定斜坡潜在破裂面（6），分析不稳定斜坡体积，计算所述不稳定斜坡的既有安全系数；

S2：明确相应构筑物需要达到的安全系数，微型桩（9）用于将既有安全系数提升至相应构筑物需要达到的安全系数，微型桩（9）下端插入土体中，各个所述微型桩（9）的上端通过冠梁（11）相连，形成柔性复合体或柔性挡土墙；

S3：根据需要达到的安全系数反算微型桩（9）需要提供的推力；

S4：计算微型桩(9)的根数，并确定微型桩（9）排距，将潜在推力矢量化成水平和垂直两个方向，根据拟定矢量化推力计算所述微型桩（9）的根数，根据所述柔性复合体或所述柔性挡土墙的受力计算确定所述微型桩（9）排距；

在计算微型桩（9）的根数时，不稳定斜坡存在潜在推力合力，推力方向为斜向下，将下滑力分解为潜在水平推力及潜在竖向推力，根据潜在水平推力的线性分布确定合力作用点和下滑弯矩；根据单根微型桩（9）抗剪能力及潜在水平推力的合力确定微型桩（9）的根数N1，根据单根微型桩（9）抗弯能力及下滑弯矩确定微型桩（9）的根数N2，取N＝max(N1、N2)；

S5：根据单桩分配的下滑力进行所述微型桩（9）单桩的抗剪切、抗弯计算及配筋，形成所述微型桩（9）单桩设计方案，完成微型桩（9）加固运营线路不稳定斜坡的设计。

2.根据权利要求1所述的一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，通过所述地层岩性测量边坡岩体的剖面产状、边坡岩体的坡面产状、岩层产状及节理面产状，将所有结构面产状通过玫瑰花节理图进行分析，得出最不利结构面的组合。

3.根据权利要求1所述的一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，通过现场地质钻探及取样室内试验情况，确定地层的所述物理力学指标，根据所述风化程度对边坡岩块内摩擦角折算出岩体综合内摩擦角。

4.根据权利要求1所述的一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，所述不稳定斜坡体积G确定公式为：

G＝r×S

式中r是不稳定斜坡体重度；S是不稳定斜坡体延米面积；

所述不稳定斜坡的既有安全系数Fs确定公式为：

Fx＝G×sinθ

Fy＝G×cosθ×tanφ

Fs＝Fy/Fx

式中θ是所述不稳定斜坡坡度；φ是所述不稳定斜坡潜在破裂面（6）的内摩擦角；Fy是所述不稳定斜坡下滑力；Fx是所述不稳定斜坡抗滑力。

5.根据权利要求4所述的一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据国家标准明确所述相应构筑物需要达到的安全系数。

6.根据权利要求5所述的一种微型桩加固运营线路不稳定斜坡的设计方法，其特征在于，反算所述推力的公式为：

T＝Fs’Fx-Fy

式中Fs’是所述相应构筑物需要达到的安全系数。

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