CN116861520A - 抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法及装置，通过在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧通过固定铰支座方式布置斜撑钢管桩，并利用公式验算得出抗滑桩最小嵌固段长度以及所能承受的最大弯矩，进而完成抗滑桩与斜撑钢管桩铰接边坡支挡结构的整体设计。其结构设计实现了对土质边坡或岩体破碎岩质边坡的有效支挡，稳定性好、可靠性高，简化了设计过程，降低了设计成本，设计过程更加便捷，后期施工质量和使用质量得到准确、有效保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过抗滑桩与斜撑钢管桩铰接方式实现边坡支挡的结构设计方法及装置，属于岩土设计领域。
背景技术
土质边坡和岩体破碎岩质边坡支护加固是工程建设中不可避免的岩土工程技术难题，该类边坡具有坡体松散、成孔困难，边坡自稳能力差、容易塌孔等问题。常用的加固支护措施有土钉挡土墙、抗滑桩、锚杆活锚索框架梁等。当边坡滑动面较深时，以上加固支护措施的施工工期和造价急剧增加，加固效果的可靠性则迅速降低，因此，构建一种优化的支挡结构设计方法及装置，指导支护结构体系的设计验算过程，快速明确相关设计参数，就成为本发明想要解决的主要问题。
发明内容
鉴于上述现有情况，本发明旨在提供一种利用抗滑桩与斜撑钢管桩铰接方式实现边坡支挡的结构设计方法及装置，利用构建的支挡方式，通过受力分析，形成抗滑桩埋设深度以及所能承受最大弯矩的计算公式，方便施工设计过程，提高施工安全性和可靠性，进而形成以较小的斜撑钢管桩桩径、较浅的抗滑桩截面尺寸及埋深、较低的成本对土质边坡或岩体破碎岩质边坡的有效支护。
具体设计思路包括：针对土质边坡或岩体破碎岩质边坡，于坡脚处设置抗滑桩，于抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩采用固定铰支座连接方式组成整体支挡结构体系。其中，斜撑钢管桩需进行受力分析，确保其只承受轴向压力，根据压杆稳定临界荷载进行计算，得出斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力并反作用于抗滑桩；根据静力平衡条件，对抗滑桩进行受力分析，建立抗滑桩水平方向合力为零方程，再由桩底与地层铰接约束边界条件，建立弯矩平衡方程，最终得出抗滑桩最小嵌固深度及所能承受最大弯矩的计算公式，进而完成抗滑桩与斜撑钢管桩铰接边坡支挡结构的整体设计。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，具体步骤包括：
步骤1、在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接。
步骤2、对斜撑钢管桩进行受力分析，确定斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力。
步骤3、对抗滑桩进行受力分析，计算出抗滑桩最小嵌固段长度以及抗滑桩所能承受的最大弯矩，边坡支挡结构设计完成。
所述步骤2具体包括：
斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力，即临界压力值Fcr如下式所示：
其中，C0为已知计算常数，当斜撑钢管桩两端采用固定铰支座约束时，C0＝1；E为斜撑钢管桩弹性模量，d1为斜撑钢管桩外径，d2为斜撑钢管桩内径，s为斜撑钢管桩长度。
对斜撑钢管桩建立轴向力F和F'的平衡方程：
将代入上式，整理得：
其中，l1为抗滑桩悬臂段长度，θ为斜撑钢管桩与水平面的夹角。
所述步骤3中抗滑桩最小嵌固段长度计算包括：
步骤301、根据静力平衡条件，建立抗滑桩水平方向合力为零方程为：
Eas+Eaq-Fcosθ-Ep＝0
Eas为抗滑桩悬臂段迎土一侧承受的主动土压力，
Eaq为抗滑桩锚固段桩前一侧承受的主动土压力，
Ep为抗滑桩锚固段桩后一侧承受的被动土压力，
其中，σa为主动土压力强度，σp为被动土压力强度，l3为嵌固表面至土压力为零点的嵌固长度，l4为土压力为零点至桩底的嵌固长度。
根据公式：
σa＝γHaKa；
σp＝γHpKp；
其中，γ为已知岩土体重度；Ha为边坡高度，Ha＝l1；Ka为主动土压力系数；Hp为被动土压力分布高度，Hp＝l4；Kp为被动土压力系数。
将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩水平方向合力为零方程，整理得：
步骤302、根据抗滑桩桩底与地层铰接约束边界条件，建立抗滑桩桩底点合力矩为零方程为：
其中，l2为抗滑桩嵌固段长度。
将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩桩底点合力矩为零方程，整理得：
步骤303、根据抗滑桩嵌固段长度l2为：
l2＝l3+l4 (3)
联立求解式(1)、(2)及(3)，整理得：
通过牛顿迭代确定公式(5)正实数解l4的最小值，然后代入公式(4)得到l3的最小值，最后代入公式(3)得到抗滑桩嵌固段长度l2的最小值。
所述步骤3中抗滑桩所能承受的最大弯矩计算包括：
根据静力平衡条件，建立抗滑桩嵌固段土压力为零处的弯矩平衡方程：
将Eas、Eaq和Ep以及l3的最小值和l4的最小值分别代入式(6)，整理得：
抗滑桩承受的最大弯矩计算完成。
一种数据处理装置，在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接，构成边坡支挡结构体系，装置具体包括：
第一单元，对斜撑钢管桩进行受力分析，确定斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力；
第二单元，对抗滑桩进行受力分析，计算出抗滑桩最小嵌固段长度以及抗滑桩所能承受的最大弯矩，完成边坡支挡结构体系计算。
一种用于数据处理的装置，包括有存储器和一个以上程序，一个以上程序存储于存储器中，且经配置由一个以上处理器执行所述一个以上程序。一个以上程序包含用于进行上述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法的指令。
一种可读存储介质，其上存储有指令，当所述指令由装置的一个或多个处理器执行时，使得装置执行上述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法。
本发明所述抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法及装置，通过对边坡支挡结构进行改进和设计，确保了对土质边坡或岩体破碎岩质边坡的有效支挡，可靠性好，防护性和稳定性明显提高，同时，通过力学分析和公式设计进行结构验算，明确了抗滑桩的最小嵌固段长度以及所能承受的最大弯矩，简化了设计过程，降低了设计成本，设计过程更加便捷，后期施工质量和使用质量也得到有效保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明所述抗滑桩与斜撑钢管桩铰接支挡使用状态的结构示意图；
图2为本发明所述斜撑钢管桩的约束形式及受力分析图；
图3为本发明所述抗滑桩在组合荷载作用下的受力分析图。
具体实施方式
下列所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，如有术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图1至图3对本发明做进一步的详细描述：
本发明所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，具体步骤包括：
步骤1、根据原始坡面情况，在滑体的坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接。
步骤2、确保斜撑钢管桩两端只承受轴向压力条件下，根据材料力学相关知识，两端铰接的受压杆件所能承受的最大轴向压力，即临界压力值Fcr可由杆件自身物理力学参数表达，如下式所示：
其中，C0为已知计算常数，当斜撑钢管桩两端采用固定铰支座约束时，C0＝1；E为斜撑钢管桩弹性模量，d1为斜撑钢管桩外径，d2为斜撑钢管桩内径，s为斜撑钢管桩长度。
步骤3、对斜撑钢管桩进行力学分析，建立轴向力F和F'的平衡方程：
将代入上式，其中，l1为抗滑桩悬臂段长度，θ为斜撑钢管桩与水平面的夹角，整理得：
步骤4、对抗滑桩进行受力分析，计算抗滑桩最小嵌固段长度。
受力分析包括：抗滑桩悬臂段迎土一侧AB间承受主动土压力Eas，其为三角形均匀分布；抗滑桩悬臂段背土一侧A点承受斜撑钢管桩斜支撑的集中力F；抗滑桩嵌固段桩前一侧BC间承受主动土压力Eaq，其为三角形均匀分布；抗滑桩嵌固段桩后一侧CD间承受被动土压力Ep，其为三角形均匀分布。
抗滑桩最小嵌固段长度计算具体包括：
步骤401、根据静力平衡条件，建立抗滑桩水平方向合力为零方程为：
Eas+Eaq-Fcosθ-Ep＝0
Eas为抗滑桩悬臂段迎土一侧AB间承受的主动土压力，σa为主动土压力强度，l1为抗滑桩悬臂段长度。
Eaq为抗滑桩锚固段桩前一侧BC间承受的主动土压力，σa为主动土压力强度，l3为嵌固点B点至土压力为零点C点的嵌固长度。
Ep为抗滑桩锚固段桩后一侧CD间承受的被动土压力，σp为被动土压力强度，l4为土压力为零点C点至桩底D点嵌固长度。
F为抗滑桩悬臂段背土一侧A点承受斜撑钢管桩斜支撑的集中力。
步骤402、根据公式：
(a)将σa＝γHaKa分别代入到Eas和Eaq的公式中。
(b)将σp＝γHpKp代入Ep的公式中。
其中，γ为已知岩土体重度；Ha为边坡高度，Ha＝l1；Ka为主动土压力系数；Hp为被动土压力分布高度，Hp＝l4；Kp为被动土压力系数。
步骤403、再将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩水平方向合力为零方程，整理得：
步骤404、根据抗滑桩桩底与地层铰接约束边界条件，建立抗滑桩桩底点D点合力矩为零方程为：
其中，l2为抗滑桩嵌固段长度。
将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩桩底点合力矩为零方程，整理得：
步骤405、根据抗滑桩嵌固段长度l2为：
l2＝l3+l4 (3)
联立求解式(1)、(2)及(3)，整理得：
公式(5)为l4的四元一次方程组，通过牛顿迭代可以确定公式(5)的正的实数解l4的最小值，然后代入公式(4)得到l3的最小值，最后代入公式(3)得到抗滑桩嵌固段长度l2的最小值，完成抗滑桩最小嵌固段长度计算。
步骤5、根据静力平衡条件，确定出C点为抗滑桩嵌固段土压力为零处，即最大弯矩产生处，建立抗滑桩嵌固段土压力为零处的弯矩平衡方程：
将Eas、Eaq和Ep以及l3的最小值和l4的最小值分别代入式(6)，整理得：
计算得出抗滑桩所能承受的最大弯矩，至此，整个边坡支挡结构设计完成。
本发明所述一种数据处理装置，在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接，构成边坡支挡结构体系，装置具体包括：
第一单元，对斜撑钢管桩进行受力分析，确定斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力。
第二单元，对抗滑桩进行受力分析，计算出抗滑桩最小嵌固段长度以及抗滑桩所能承受的最大弯矩，完成边坡支挡结构体系计算。
关于上述实施例中的装置，其中各个单元执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本发明所述的一种用于数据处理的装置，包括有存储器和一个以上程序，一个以上程序存储于存储器中，且经配置由一个以上处理器执行所述一个以上程序。一个以上程序包含用于进行上述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法的指令。
本发明所述一种可读存储介质，其上存储有指令，当所述指令由装置的一个或多个处理器执行时，使得装置执行上述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法。当然，可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1、在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接；
步骤2、对斜撑钢管桩进行受力分析，确定斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力；
步骤3、对抗滑桩进行受力分析，计算出抗滑桩最小嵌固段长度以及抗滑桩所能承受的最大弯矩，边坡支挡结构设计完成。
2.根据权利要求1所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：
斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力，即临界压力值Fcr如下式所示：
其中，C0为已知计算常数，当斜撑钢管桩两端采用固定铰支座约束时，C0＝1；E为斜撑钢管桩弹性模量，d1为斜撑钢管桩外径，d2为斜撑钢管桩内径，s为斜撑钢管桩长度。
3.根据权利要求2所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
对斜撑钢管桩建立轴向力F和F'的平衡方程：
将代入上式，整理得：
其中，l1为抗滑桩悬臂段长度，θ为斜撑钢管桩与水平面的夹角。
4.根据权利要求1所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，其特征在于，所述步骤3中抗滑桩最小嵌固段长度计算包括：
步骤301、根据静力平衡条件，建立抗滑桩水平方向合力为零方程为：
Eas+Eaq-F cosθ-Ep＝0
Eas为抗滑桩悬臂段迎土一侧承受的主动土压力，
Eaq为抗滑桩锚固段桩前一侧承受的主动土压力，
Ep为抗滑桩锚固段桩后一侧承受的被动土压力，
其中，σa为主动土压力强度，σp为被动土压力强度，l3为嵌固表面至土压力为零点的嵌固长度，l4为土压力为零点至桩底的嵌固长度；
根据公式：
σa＝γHaKa；
σp＝γHpKp；
其中，γ为已知岩土体重度；Ha为边坡高度，Ha＝l1；Ka为主动土压力系数；Hp为被动土压力分布高度，Hp＝l4；Kp为被动土压力系数；
将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩水平方向合力为零方程，整理得：
步骤302、根据抗滑桩桩底与地层铰接约束边界条件，建立抗滑桩桩底点合力矩为零方程为：
其中，l2为抗滑桩嵌固段长度；
将Eas、Eaq、Ep代入抗滑桩桩底点合力矩为零方程，整理得：
步骤303、根据抗滑桩嵌固段长度l2为：
l2＝l3+l4 (3)
联立求解式(1)、(2)及(3)，整理得：
通过牛顿迭代确定公式(5)正实数解l4的最小值，然后代入公式(4)得到l3的最小值，最后代入公式(3)得到抗滑桩嵌固段长度l2的最小值。
5.根据权利要求4所述的抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法，其特征在于，所述步骤3中抗滑桩所能承受的最大弯矩计算包括：
根据静力平衡条件，建立抗滑桩嵌固段土压力为零处的弯矩平衡方程：
将Eas、Eaq和Ep以及l3的最小值和l4的最小值分别代入式(6)，整理得：
抗滑桩承受的最大弯矩计算完成。
6.一种数据处理装置，其特征在于，在坡脚处设置抗滑桩，在抗滑桩桩顶背土一侧布置斜撑钢管桩，斜撑钢管桩与抗滑桩之间以及斜撑钢管桩与地面之间分别采用固定铰支座方式连接，构成边坡支挡结构体系，装置具体包括：
第一单元，对斜撑钢管桩进行受力分析，确定斜撑钢管桩所能承受的最大轴向压力；
第二单元，对抗滑桩进行受力分析，计算出抗滑桩最小嵌固段长度以及抗滑桩所能承受的最大弯矩，完成边坡支挡结构体系计算。
7.一种用于数据处理的装置，其特征在于，包括有存储器和一个以上程序，所述一个以上程序存储于存储器中，且经配置由一个以上处理器执行所述一个以上程序；所述一个以上程序包含用于进行如权利要求1至5中任一所述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法的指令。
8.一种可读存储介质，其特征在于，其上存储有指令，当所述指令由装置的一个或多个处理器执行时，使得装置执行如权利要求1至5中任一所述一种抗滑桩与斜撑钢管桩铰接的边坡支挡结构设计方法。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117669006A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 贵州正业工程技术投资有限公司 | 岩溶山区土岩边坡倾斜钢管桩支护结构、设计方法及系统 |
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| CN117669006A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 贵州正业工程技术投资有限公司 | 岩溶山区土岩边坡倾斜钢管桩支护结构、设计方法及系统 |
| CN117669006B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-16 | 贵州正业工程技术投资有限公司 | 岩溶山区土岩边坡倾斜钢管桩支护结构、设计方法及系统 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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