CN113158285B - 一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，以为嵌固基础的设计提供更为科学的设计依据，大幅提高嵌固基础的工程经济性。包括如下步骤：①初拟嵌固基础设计参数；②根据锚固点应力计算锚固面以下抗剪最不利高度侧向压力P₁；③计算锚固面以下最不利高度范围岩体抗剪能力T；④判断锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T是否大于锚固面以下最不利高度侧向压力P₁；⑤根据步骤④确定的嵌固基础度H计算嵌固基础的竖向容许承载力[P]；⑥按下式检算基础的竖向容许承载力[P]是否满足设计要求:[P]≥P+W；如不满足上式要求，则进一步加深嵌固基础长度H，重复步骤④和步骤⑤，直至满足设计要求为止。

Description

一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程，特别涉及一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法。

背景技术

嵌固式基础为嵌固于岩石地基中的独立基础，在地质条件较好的情况下具有施工方便，开挖方量少，对环境影响小等特点。参照图1和图2，与桩基础和明挖基础相比，开挖面积远小于承台或明挖基础面积，对山体破坏较小，与自然环境协调好。尤其是岩石较好的高陡边坡上，不适宜采用明挖基础，而桩基础承台要埋入地面以下就要对靠山侧土体放坡开挖，造成大面积山体破坏。

嵌固基础在电力行业应用较多，在桥梁工程上应用较少，电力塔架嵌固基础尺寸一般较小。嵌固基础在西部山区部分桥梁工程中得到应用，如渝怀铁路黄草乌江特大桥2号主墩、重庆东环线明月峡长江大桥1号墩基础等。这些工程地形相对平坦，嵌固基础的设计多采用常规桩基础设计方法。但对于陡峭边坡上的嵌固基础则不适用，主要难点是如何界定有效锚固点的位置，如何确定桩基的安全襟边宽度，有效锚固点以上部分的受力模式等。

现行《铁路桥梁钻(挖)孔桩基础设计一般规定》中规定“一般情况下，锚固点最外侧距稳定岩面的最小水平距离按以下规定确定：(1)弱风化的硬质岩取1.5～2倍桩身直径且不小于3m；(2)强风化的硬质岩和弱风化的软质岩取2.5倍桩身直径且不小于4m。”如按照上述规定，对于15m左右直径的嵌岩基础，其锚固点距边坡边缘的距离要30m以上，就过于保守，且不够科学，导致工程经济性较差，应该与岩石的力学特性及桩基的受力情况相匹配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，以为嵌固基础的设计提供更为科学的设计依据，大幅提高嵌固基础的工程经济性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，包括如下步骤：

①初拟嵌固基础设计参数，嵌固基础最小长度H₀＝H₁+H₂+h，按下式确定最小嵌固深度h：

M＝M₀+F(H₁+H₂)-τ×H₂×d₁×H₂/2

式中，M为基础下端锚固点处的弯矩；b为垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长，d₁为嵌固基础宽度；H₁为自由段长度；H₂为侧壁摩阻段长度；τ为嵌固基础混凝土与岩石的容许摩阻力；K为根据岩层构造在水平方向的岩石容许压力换算系数，取0.5～1.0；R为岩石饱和单轴抗压强度；F为基础顶面水平力；M₀为基础顶面的弯矩；

②根据锚固点应力计算锚固面以下抗剪最不利高度侧向压力P₁：

P₁＝σ×d₁×h₃

式中，σ为锚固点应力；h₃为最不利抗剪区高度，按最小嵌固深度h的1/4取值；

③计算锚固面以下最不利高度范围岩体抗剪能力T：

T＝S×C

式中，S为岩石抗剪区域面积，根据垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长b、临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂、最不利抗剪区高度h₃和摩擦角

确定；C为岩石设计抗剪强度；

④判断锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T是否大于锚固面以下最不利高度侧向压力P₁：

S401.如T≥P₁，则确定嵌固基础长度H＝H₀；

S402.如T＜P₁，则增加嵌固基础长度H为H₀+0.5m，假设锚固面下移0.5m，重复步骤①，修正嵌固点弯矩值M、最小嵌固深度h，根据最小嵌固深度h确定新的锚固面位置；根据新的锚固面位置，确定临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂；重复步骤②计算锚固面以下最不利高度侧向压力P₁；重复步骤③计算锚固面以下最不利高度范围岩体抗剪能力T；如T≥P₁，则确定嵌固基础长度H＝H₀+0.5m；如T＜P₁，则持续增加嵌固基础长度H，直至随着临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂的增加，其锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T≥T≥P₁为止；

⑤根据步骤④确定的嵌固基础度H计算嵌固基础的竖向容许承载力[P]：

[P]＝R(C₁A+C₂Uh)

式中，R为岩石饱和抗压强度；C₁为基底岩石破碎程度系数；A为基础底面积；C₂为侧壁岩石破碎程度系数；U为嵌固基础边长；

⑥按下式检算基础的竖向容许承载力[P]是否满足设计要求:

[P]≥P+W

式中，P为嵌固基础基顶竖向力，W为嵌固基础重量；

如不满足上式要求，则进一步加深嵌固基础长度H，重复步骤④和步骤⑤，直至满足设计要求为止。

本发明的有益效果主要体现在如下方面：

一、填补了高陡边坡嵌固基础承载力计算方法的空白，目前尚无类似的可以解决此种类型基础的计算方法；

二、相比把大直径嵌固基础当做普通嵌岩桩的设计方法，明确了陡坡锚固面距岩石边缘安全距离的设计方法，突破了小直径桩基2～2.5倍桩基直径的规定限制，大幅提高了工程经济性；

三、计入了桩基侧壁摩阻对弯矩的抵抗作用，更符合嵌固桩的受力实际，减小了锚固面处的弯矩，进一步提高嵌固基础的经济性；

本发明的设计方法可以大大促进嵌固基础在山区陡坡地区的使用，缩小基础平面尺寸，减少山体开挖和工程风险，缩减边坡防护工程，具有巨大的经济价值和环保效益。

附图说明

本说明书包括如下五幅附图：

图1是嵌固基础的构造示意图；

图2是桩基础的构造示意图；

图3是本发明一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法中受力区域、地质区域划分示意图；

图4是本发明一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法中受力分析和嵌固基础尺寸示意图；

图5是本发明一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法中嵌固基础的横断面图。

图中示出标记及含义：地面线1、开挖线2、嵌固分界面3、覆盖层4、基岩B、土体及岩体剪切破坏区B1、嵌固区B2、嵌固基础D、桩基础D₀、自由段D1、侧壁约束段D2、嵌固段D3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明根据嵌固基础的受力模式和山体破坏形态，对陡坡嵌固基础D的受力区域及地质区域进行划分。将嵌固基础D受力区域划分为自由段D1、侧壁约束段D2和嵌固段D3，将地质区域划分为土体及岩体剪切破坏区B1和嵌固区B2。

参照图3，自由段D1为土体或岩石施工中易于扰动破坏、岩质较差、部分悬空的区域，对嵌固基础提供的约束较小，在设计中一般不考虑其受力。

侧壁约束段D2为前端土体在基础外力作用下有剪切破坏的可能性，造成段落前端约束较小，但侧面仍提供摩擦力和侧向约束力。

嵌固段D3为嵌固基础D的锚固受力区域，四周岩石完整，嵌固基础D靠固端约束作用抵抗外部弯矩，嵌固段的长度决定了其抵抗弯矩的能力以及其对岩体侧壁压力的大小。

土体及岩体剪切破坏区B1指的是受嵌固基础D的侧向挤压作用而剪切破坏的区域，岩石具有抗压能力强、抗剪能力弱的特性，在嵌固基础D水平力和弯矩作用下，嵌固基础D挤压前端岩体，三角区域岩体通过其抗剪能力维持其稳定性，当其抗剪能力不足以抵抗水平挤压力时，将发生破坏。

嵌固区B2为完整的基岩地质区域，在受力过程中始终保持其完整性。

参照图4,土体及岩体剪切破坏区B1的高度根据受力平衡原则迭代确定，基础前端岩石破坏从上向下逐步破坏，随着破坏深度加深，岩体的抗剪切能力逐步增强，逐步达到稳定平衡状态。

嵌固基础长度的控制因素主要有如下三个:

1、嵌固基础竖向承载力。

嵌固基础竖向承载力P＝A2区摩阻力+A3区摩阻力+底部端阻力<基顶轴力+基础自重。

2、嵌固基础锚固区抗弯能力及锚固点压应力。

基础锚固区抗弯能力及锚固点压应力，最小嵌固深度h满足以下公式(1)的要求。

3、锚固点前端岩石的抗剪能力，最不利高度范围岩石抗剪能力T≥锚固面以下最不利高度侧向压力P₁，P₁＝锚固点应力σ×基础宽度d₂×h₃，h₃为最不利抗剪区高度，可按最小嵌固深度h的1/4取值。

参照图4和图5，本发明的一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，包括如下步骤：

①初拟嵌固基础D设计参数，嵌固基础最小长度H₀＝H₁+H₂+h，按下式确定最小嵌固深度h：

M＝M₀+F(H₁+H₂)-τ×H₂×d₁×H₂/2 (2)

式中，M为基础下端锚固点处的弯矩；b为垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长，d₁为嵌固基础宽度；H₁为自由段长度；H₂为侧壁摩阻段长度；τ为嵌固基础混凝土与岩石的容许摩阻力；K为根据岩层构造在水平方向的岩石容许压力换算系数，取0.5～1.0；R为岩石饱和单轴抗压强度；F为基础顶面水平力；M₀为基础顶面的弯矩；

②根据锚固点应力计算锚固面以下抗剪最不利高度侧向压力P₁：

P₁＝σ×d₁×h₃ (3)

式中，σ为锚固点应力；h₃为最不利抗剪区高度，按最小嵌固深度h的1/4取值；

③计算锚固面最不利高度岩体抗剪能力T：

T＝S×C (5)

式中，S为岩石抗剪区域面积，根据垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长b、临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a_2、最不利抗剪区高度h₃和摩擦角

确定；C为岩石设计抗剪强度；

④判断锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T是否大于锚固面以下最不利高度侧向压力P₁：

S401.如T≥P₁，则确定基础长度H＝H₀；

S402.如T＜P₁，则增加基础长度H为H₀+0.5m，假设锚固面下移0.5m，重复步骤①，修正嵌固点弯矩值M、最小嵌固深度h，根据最小嵌固深度h确定新的锚固面位置；根据新的锚固面位置，确定临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂；重复步骤②计算锚固面以下最不利高度侧向压力P₁；重复步骤③计算锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T；如T≥P₁，则确定基础长度H＝H₀+0.5m；如T＜P₁，则持续增加基础长度H，直至随着临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂的增加，其锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T≥T≥P₁为止；

⑤根据步骤④确定的基础长度H计算嵌固基础的竖向容许承载力[P]：

[P]＝R(C₁A+C₂Uh) (6)

式中，R为岩石饱和抗压强度；C₁为岩石破碎程度系数；A为基础底面积；C₂为岩石破碎程度系数；U为嵌固基础边长；

⑥按下式检算基础的竖向容许承载力[P]是否满足设计要求:

[P]≥P+W (7)

式中，P为嵌固基础基顶竖向力，W为嵌固基础重量；

如不满足上式要求，则进一步加深基础长度H，重复步骤④和步骤⑤，直至满足设计要求为止。

在所述步骤①中，自由段长度H₁根据覆盖层4的厚度确定，在完整基岩以上区域可当做自由段D1处理。为保证前端岩体的完整性及可靠性，并考虑施工扰动等因素，剪切破坏面在嵌固分界面内的长度a₁≥4m和0.5b，并依此初步确定侧壁摩阻段长度H₂。嵌固基础D的锚固深度应大于式(1)的要求

在所述步骤②中，锚固点应力σ不大于0.5KR及混凝土容许压应力。

综上，本发明根据嵌固基础的受力模式和山体破坏形态，划分了嵌固基础的不同受力区域，不同区域承担不同的功能，各个区域协同受力，从而确定嵌固基础的合理长度，填补了陡坡嵌固基础承载力计算方法的空白。可以大大促进嵌固基础在山区陡坡地区的使用，缩小基础平面尺寸，减少山体开挖和工程风险，缩减边坡防护工程，具有巨大的经济价值和环保效益。

Claims (3)

1.一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，包括如下步骤：

①初拟嵌固基础设计参数，嵌固基础最小长度H₀＝H₁+H₂+h，按下式确定最小嵌固深度h：

M＝M₀+F(H₁+H₂)-τ×H₂×d₁×H₂/2

式中，M为基础下端锚固点处的弯矩；b为垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长，d₁为嵌固基础宽度；H₁为自由段长度；H₂为侧壁摩阻段长度；τ为嵌固基础混凝土与岩石的容许摩阻力；K为根据岩层构造在水平方向的岩石容许压力换算系数，取0.5～1.0；R为岩石饱和单轴抗压强度；F为基础顶面水平力；M₀为基础顶面的弯矩；

②根据锚固点应力计算锚固面以下抗剪最不利高度侧向压力P₁：

P₁＝σ×d₁×h₃

式中，σ为锚固点应力；h₃为最不利抗剪区高度，按最小嵌固深度h的1/4取值；

③计算锚固面最不利高度岩体抗剪能力T：

T＝S×C (5)

式中，S为岩石抗剪区域面积，根据垂直于弯矩作用平面的嵌固基础边长b、临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂、最不利抗剪区高度h₃和摩擦角

确定；C为岩石设计抗剪强度；

④判断锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T是否大于锚固面以下最不利高度侧向压力P₁：

S401.如T≥P₁，则确定嵌固基础长度H＝H₀；

S402.如T＜P₁，则增加嵌固基础长度H为H₀+0.5m，假设锚固面下移0.5m，重复步骤①，修正嵌固点弯矩值M、最小嵌固深度h，根据最小嵌固深度h确定新的锚固面位置；根据新的锚固面位置，确定临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂；重复步骤②计算锚固面以下最不利高度侧向压力P₁；重复步骤③计算锚固面以下最不利高度范围岩体抗剪能力T；如T≥P₁，则确定嵌固基础长度H＝H₀+0.5m；如T＜P₁，则持续增加嵌固基础长度H，直至随着临空面岩石襟边宽度a₁、临空面覆盖层襟边宽度a₂和侧壁约束段长度H₂的增加，其锚固面以下最不利高度岩体抗剪能力T≥T≥P₁为止；

⑤根据步骤④确定的嵌固基础长度H计算嵌固基础的竖向容许承载力[P]：

[P]＝R(C₁A+C₂Uh)

式中，R为岩石饱和抗压强度；C₁为岩石破碎程度系数；A为基础底面积；C₂为岩石破碎程度系数；U为嵌固基础边长；

⑥按下式检算基础的竖向容许承载力[P]是否满足设计要求:

[P]≥P+W

式中，P为嵌固基础基顶竖向力，W为嵌固基础重量；

如不满足上式要求，则进一步加深嵌固基础长度H，重复步骤④和步骤⑤，直至满足设计要求为止。

2.如权利要求1所述的一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，其特征是：所述步骤①中，自由段长度H₁根据覆盖层的厚度确定，在完整基岩以上区域当做自由段处理，临空面岩石襟边宽度a₁≥4m和0.5b，并依此初步确定侧壁摩阻段长度H₂。

3.如权利要求1所述的一种高陡边坡桥梁嵌固基础的设计方法，其特征是：所述步骤②中，锚固点应力σ不大于0.5KR及混凝土容许压应力。

Images