CN111636255B - 一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，设计的加固结构包括加固件、路堤工程和桩板墙结构；桩板墙结构包括至少两个加固桩，至少两个加固桩沿线路纵向间隔设置在地基中，加固件埋设在加固桩一侧的地基中，路堤工程分层填筑在加固桩另一侧的地基上。在加固桩桩前设置加固件从而增加加固桩桩前的地基土水平抗力，可以有效控制加固桩的水平变形、减小加固桩的设置深度，施工简单安全且经济性好，确定复合桩基设置的平面位置和深度范围，可以有效提高复合桩基的利用效率，复合桩基的设置深度为复合桩基加固前的变形影响区深度，能确保加固桩的抗变形能力具有足够的安全储备，具有施工简单、安全、经济性好的特点。

Description

一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法
技术领域
本发明涉及桩板墙工程领域，特别是一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法。
背景技术
路肩桩板墙具有很好的路堤收坡效果和良好的抗震性能，在路基工程中应用十分广泛。《铁路路基支挡结构设计规范》对加固桩的变形作出了限制要求：桩顶变形控制要求不大于10cm(高速铁路6cm)、锚固点的变形不大于1cm。
土质地基设置路肩桩板墙结构，为有效控制加固桩的变形，可采用减小加固桩设置间距、增大加固桩长、加大加固桩的截面尺寸等措施，但这些措施使得加固桩的工程投资较大，并且当加固桩的桩长较深时施工困难、安全风险大。为有效控制土质地基路肩桩板墙的变形、并具有良好的经济性和施工安全性，提出一种土质地基路肩桩板墙加固结构及其设计方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种土质地基路肩桩板墙加固结构，包括加固件、路堤工程和桩板墙结构；
桩板墙结构包括至少两个加固桩，至少两个加固桩沿线路纵向间隔设置在地基中，加固件埋设在加固桩一侧的地基中；
路堤工程分层填筑在加固桩另一侧的地基上。
通过上述结构，桩板墙结构包括加固桩，在加固桩桩前设置加固件从而增加加固桩桩前的地基土水平抗力，可以有效控制加固桩的水平变形、减小加固桩的设置深度，施工简单、安全、经济性好。
作为本发明的优选方案，加固桩的顶部伸出地基，加固件埋设在加固桩截面宽度范围内的地基中。
作为本发明的优选方案，加固件的数量为至少两个，至少两个加固件沿水平方向成排间隔埋设。
作为本发明的优选方案，桩板墙结构还包括挡土板，挡土板位于加固桩桩后的地基上，挡土板的数量为至少两个，至少两个挡土板沿竖直方向设置在加固桩桩后的地基上，挡土板的两端分别与相邻加固桩相连。
作为本发明的优选方案，加固件包括复合桩基，复合桩基采用水泥土搅拌桩或CFG桩。
一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，包括以下步骤：
S1：计算路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力；
S2：拟定桩板墙结构中加固桩的桩长和桩截面；
S3：计算加固桩桩前土质地基变形影响区的长度和最大深度；
S4：在加固桩桩前土质地基变形影响区施工复合桩基，计算复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度；
S5：根据复合桩基加固后的桩前土质地基的复合水平抗力强度，不改变加固桩的桩宽截面尺寸，重复步骤S1和步骤S2，根据应力判定标准计算加固桩的最终锚固段长度；
S6：根据加固桩的受力进行结构配筋设计。
通过上述方法，确定复合桩基设置的平面位置和深度范围，可以有效提高复合桩基的利用效率，复合桩基的设置深度为复合桩基加固前的变形影响区深度，能确保加固桩的抗变形能力具有足够的安全储备，设置复合桩基用于减小加固桩的设置深度，具有施工简单、安全、经济性好的特点，该设计方法充分考虑了复合桩基与土质地基之间的变形不协调影响，该设计方法能够满足不同变形控制标准的无砟轨道高速铁路、有砟轨道高速铁路和有砟轨道普速铁路的判定标准。
作为本发明的优选方案，步骤S1中，路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力的计算公式为：
Figure GDA0003100048910000031
式中：式中Pa为主动土压力，γ为土容重，H填方高度，Ka为主动土压力系数。
作为本发明的优选方案，步骤S3中，根据路堤填筑土的主动土压力、地基地质条件、加固桩悬臂高度和加固桩尺寸，计算加固桩桩前土质地基变形影响区的长度和最大深度；
变形影响区的判定标准为：
σi≤σs
式中：σi为加固桩锚固段1/4长度处的计算水平应力，σs为土质地基的水平抗力强度；
加固桩桩前土质地基变形影响区的最大深度的计算公式为：
dh＝L/4
式中：dh为土质地基变形影响最大深度，L为加固桩的锚固段长度；
加固桩桩前土质地基变形影响区的长度的计算公式为：
Figure GDA0003100048910000032
式中：S为桩前土质地基变形影响区长度，
Figure GDA0003100048910000041
为桩前地基土内摩擦角。
作为本发明的优选方案，步骤S4中，复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度的计算公式为：
σF＝[mσp+(1-m)σs].ξ
式中：σF为复合桩基加固后桩前土质地基水平抗力强度，σp为复合桩基的水平抗力强度，m为复合桩基的面积置换率，ξ为复合桩基与土质地基变形不协调影响系数，一般取0.5-0.8，天然土体强度大取大值、强度小取小值；
步骤S5中，无砟轨道高速铁路应力判定标准：
σi≤0.3σF
有砟轨道高速铁路应力判定标准：
σi≤(0.3-0.5)σF
有砟轨道普速铁路应力判定标准：
σi≤(0.5-0.7)σF
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、桩板墙结构包括加固桩，在加固桩桩前设置加固件从而增加加固桩桩前的地基土水平抗力，可以有效控制加固桩的水平变形、减小加固桩的设置深度，施工简单安全且经济性好。
2、确定复合桩基设置的平面位置和深度范围，可以有效提高复合桩基的利用效率，复合桩基的设置深度为复合桩基加固前的变形影响区深度，能确保加固桩的抗变形能力具有足够的安全储备，设置复合桩基用于减小加固桩的设置深度，具有施工简单、安全、经济性好的特点，该设计方法充分考虑了复合桩基与土质地基之间的变形不协调影响，该设计方法能够满足不同变形控制标准的无砟轨道高速铁路、有砟轨道高速铁路和有砟轨道普速铁路的判定标准。
附图说明
图1是本发明所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的结构示意图。
图2是本发明所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的俯视图。
图标：1-加固桩；2-挡土板；3-路堤工程；4-加固件。
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1-2所示，本实施例提供了一种土质地基路肩桩板墙加固结构，包括桩板墙结构、加固件4和路堤工程3；
桩板墙结构包括加固桩1和挡土板2，加固桩1沿线路纵向间隔设置在地基中，加固桩1的顶部伸出地基，挡土板2位于加固桩1一侧的地基上，挡土板2的数量为至少两个，至少两个挡土板2沿竖直方向设置在加固桩1一侧的地基上，挡土板2的两端分别与相邻所述加固桩1相连，具体的，加固桩1的纵向间距一般为5-6m。
加固件4的数量为至少两个，至少两个加固件4沿水平方向成排间隔埋设在加固桩1另一侧的地基中；具体的，加固件4为复合桩基，复合桩基可采用直径为0.5m的水泥土搅拌桩或CFG桩，复合桩基设置在加固桩1截面宽度范围的地基中，设置深度及长度大于加固桩1另一侧土质地基的变形影响区，一般在加固桩1桩宽度范围设置2-4排，纵横向间距一般为1-1.5m。
路堤工程3分层填筑在挡土板2内侧的土质地基上。
本实施例还提供了一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，包括以下步骤：
S1：计算路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力；
具体的，路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力的计算公式为：
Figure GDA0003100048910000061
式中：式中Pa为主动土压力，γ为土容重，H填方高度，Ka为主动土压力系数；
S2：拟定桩板墙结构中加固桩1的桩长和桩截面；
S3：根据路堤填筑土的主动土压力、地基地质条件、加固桩1悬臂高度和加固桩1尺寸，计算加固桩1桩前土质地基变形影响区的长度和最大深度；
具体的，变形影响区的判定标准为：
σi≤σs
式中：σi为加固桩1锚固段1/4长度处的计算水平应力，σs为土质地基的水平抗力强度；
加固桩1桩前土质地基变形影响区的最大深度的计算公式为：
dh＝L/4
式中：dh为土质地基变形影响最大深度，L为加固桩1的锚固段长度；
加固桩1桩前土质地基变形影响区的长度的计算公式为：
Figure GDA0003100048910000062
式中：S为桩前土质地基变形影响区长度，
Figure GDA0003100048910000063
为桩前地基土内摩擦角；
S4：在加固桩1桩前土质地基变形影响区施工复合桩基，计算复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度；
具体的，复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度的计算公式为：
σF＝[mσp+(1-m)σs].ξ
式中：σF为复合桩基加固后桩前土质地基水平抗力强度，σp为复合桩基的水平抗力强度，m为复合桩基的面积置换率，ξ为复合桩基与土质地基变形不协调影响系数，一般取0.5-0.8，天然土体强度大取大值、强度小取小值；
S5：根据复合桩基加固后的桩前土质地基的复合水平抗力强度，不改变加固桩1的桩宽截面尺寸，重复步骤S1和步骤S2，根据应力判定标准计算加固桩1的最终锚固段长度；
具体的，无砟轨道高速铁路应力判定标准：
σi≤0.3σF
有砟轨道高速铁路应力判定标准：
σi≤(0.3-0.5)σF
有砟轨道普速铁路应力判定标准：
σi≤(0.5-0.7)σF；
S6：根据加固桩1的受力进行结构配筋设计。
本实施例提供的一种土质地基路肩桩板墙加固结构即设计方法的有益效果在于：
复合桩基能够增强加固桩1桩前的地基土水平抗力，可以有效控制加固桩1的水平变形、减小加固桩1的设置深度，施工简单安全且经济性好；
确定复合桩基设置的平面位置和深度范围，可以有效提高复合桩基的利用效率，复合桩基的设置深度为复合桩基加固前的变形影响区深度，能确保加固桩1的抗变形能力具有足够的安全储备，设置复合桩基用于减小加固桩1的设置深度，具有施工简单、安全、经济性好的特点，该设计方法充分考虑了复合桩基与土质地基之间的变形不协调影响，该设计方法能够满足不同变形控制标准的无砟轨道高速铁路、有砟轨道高速铁路和有砟轨道普速铁路的判定标准。
实施例2
如图1-2所示，本实施例具体展示施工中用于路堤工程3的设计方法，具体设计过程：
某土质地基无砟轨道高速铁路路堤工程3，地基条件为硬塑状粉质粘土(容重19kN/m，粘聚力18kPa，内摩擦角20°)，填方高度10m(A、B组填料，容重20kN/m，综合内摩擦角35°)。
S1：计算路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力；
Figure GDA0003100048910000081
安全系数取1.2，则设计主动土压力取值为405kN/m
S2：拟定桩板墙结构中加固桩1的桩长和桩截面；
拟定桩板墙加固桩1的截面尺寸为2m(宽)×3m(厚)，计算加固桩1长度为28.5m(悬臂段长10m，锚固段长18.5m)。
S3：根据路堤填筑土的主动土压力、地基地质条件、加固桩1悬臂高度和加固桩1尺寸，计算加固桩1桩前土质地基变形影响区的长度和最大深度；
dh＝L/4≈4.6m 取5m
S＝dh.tan(45°+φ/2)≈6.6m 取7m
S4：在加固桩1桩前土质地基变形影响区施工复合桩基，计算复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度；
加固桩1桩前桩宽2m范围设置3根、加固桩1外侧长度S范围设置9排直径0.5m的CFG桩，CFG桩桩长从加固桩1向外按6m、5m、4m设置。
CFG桩按C15混凝土进行强度取值，σP＝15MPa
试验确定粉质粘土水平抗力强度σs≈145kPa
CFG桩的面积置换率m≈0.378
复合桩基与土质地基变形不协调影响系数ξ取0.6
σF＝[mσp+(1-m)σs].ξ≈3456kPa
S5：根据复合桩基加固后的桩前土质地基的复合水平抗力强度，不改变加固桩1的桩宽截面的尺寸，重复步骤S1和步骤S2，根据应力判定标准计算加固桩1的最终锚固段长度；
按σi≤0.3σF重复步骤S1和步骤S2计算加固桩1的长度为约19.5m。
S6：根据加固桩1的受力进行结构配筋设计。
本实施例提供的具体设计过程的有益效果在于：
原设计方法：
加固桩1桩身及锁口护壁钢筋混凝土用量：205.2m3
工程投资：1500元/m3×205.2m3≈30.78万元
新方案：
加固桩1桩身及锁口护壁钢筋混凝土用量：140.4m3
CFG桩桩长：135m
工程投资：1500元/m3×140.4m3+120元/m×135m≈22.68万元
新方案较传统方案可节约工程投资约26％，节省加固桩1施工工期约32％，并有效减小了施工安全风险。
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 (8)

1.一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：计算路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力；
S2：拟定桩板墙结构中加固桩(1)的桩长和桩截面；
S3：根据路堤填筑土的主动土压力、地基地质条件、加固桩(1)悬臂高度和加固桩(1)尺寸，计算加固桩(1)桩前土质地基变形影响区的长度和最大深度；
所述变形影响区的判定标准为：
σi≤σs
式中：σi为加固桩(1)锚固段1/4长度处的计算水平应力，σs为土质地基的水平抗力强度；
所述加固桩(1)桩前土质地基变形影响区的最大深度的计算公式为：
dh＝L/4
式中：dh为土质地基变形影响最大深度，L为加固桩(1)的锚固段长度；
所述加固桩(1)桩前土质地基变形影响区的长度的计算公式为：
Figure FDA0003100048900000011
式中：S为桩前土质地基变形影响区长度，
Figure FDA0003100048900000012
为桩前地基土内摩擦角；
S4：在加固桩(1)桩前土质地基变形影响区施工复合桩基，计算复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度；
S5：根据复合桩基加固后的桩前土质地基的复合水平抗力强度，不改变加固桩(1)的桩宽截面尺寸，重复步骤S1和步骤S2，根据应力判定标准计算加固桩(1)的最终锚固段长度；
S6：根据加固桩(1)的受力进行结构配筋设计。
2.根据权利要求1所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述路肩桩板墙墙后路堤填筑土的主动土压力的计算公式为：
Figure FDA0003100048900000021
式中：式中Pa为主动土压力，γ为土容重，H填方高度，Ka为主动土压力系数。
3.根据权利要求1所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述复合桩基加固后土质地基的复合水平抗力强度的计算公式为：
σF＝[mσp+(1-m)σs].ξ
式中：σF为复合桩基加固后桩前土质地基水平抗力强度，σp为复合桩基的水平抗力强度，m为复合桩基的面积置换率，ξ为复合桩基与土质地基变形不协调影响系数，取0.5-0.8。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述桩板墙结构包括至少两个所述加固桩(1)，至少两个所述加固桩(1)沿线路纵向间隔设置在地基中，加固件(4)埋设在所述加固桩(1)一侧的地基中；
路堤工程(3)分层填筑在所述加固桩(1)另一侧的地基上。
5.根据权利要求4所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述加固桩(1)的顶部伸出所述地基，所述加固件(4)埋设在所述加固桩(1)截面宽度范围内的地基中。
6.根据权利要求5所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述加固件(4)的数量为至少两个，至少两个所述加固件(4)沿水平方向成排间隔埋设。
7.根据权利要求6所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述桩板墙结构还包括挡土板(2)，所述挡土板(2)位于所述加固桩(1)桩后的地基上，所述挡土板(2)的数量为至少两个，至少两个所述挡土板(2)沿竖直方向设置在所述加固桩(1)桩后的地基上，所述挡土板(2)的两端分别与相邻所述加固桩(1)相连。
8.根据权利要求4所述的一种土质地基路肩桩板墙加固结构的设计方法，其特征在于，所述加固件(4)包括复合桩基，所述复合桩基采用水泥土搅拌桩或CFG桩。
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