（岩土工程专业论文）微型桩组合结构模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 微型桩是直径在1 0 0 - - - 3 0 0 m m 之间的桩。开始人们认为微型桩只能构造成树根桩来 承受竖向荷载，最近2 0 年里，微型桩技术的发展改变了人们以往对微型桩的片面认识。 人们逐渐认识到微型单桩也能承受较大的竖向荷载和横向荷载。微型桩帮助工程师解 决了许多困难的支护问题，特别是在施工条件受到严格限制的情况下。现在学者又开 始重新关注微型桩，开始把微型桩应用到基坑支护、边( 滑) 坡防治、震后重建工程 中。但微型桩应用于边( 滑) 坡治理的计算理论相对滞后，因此研究微型桩组合结构 的在滑坡治理中的作用机理及计算方法是一项非常紧迫的任务。本文的主要工作和结 论如下： ( 1 ) 对目前已有的微型桩结构在工程中的应用进行分类，从而突出了本论文要讨 论的抗滑微型桩组合结构。 ( 2 ) 分别对独立布置微型桩体系和平面刚架微型桩体系建立计算模型，分析体系 中单桩的桩顶位移和内力。通过比较可知平面刚架微型桩体系对减小坡体位移更加有 利，更能控制桩间岩体裂隙的产生、发展，对边坡稳定性有更加积极的作用。针对工 程中常用的微型桩群桩组合结构，以22 、33 微型桩群桩为例，建立计算模型分析结 构的内力和稳定性。另外，在w i n k l e r 弹性地基理论的基础上建立桩与土体的相互作用 模型。 ( 3 ) 为了掌握组合结构的抗滑机理、变形趋势以及作用在组合结构上荷载的分布 形式，对抗滑微型桩组合结构进行了模型试验研究，根据所测的数据计算模型试验中 微型桩上的内力，画出微型桩的弯矩图，从而分析微型桩在滑坡治理中的抗滑机理、 荷载的分布形式。 ( 4 ) 使用m i d a s 数值分析软件对微型桩的模型试验结构进行了数值模拟，并用数 值模拟的结果与试验结果和理论计算结果进行对比，得出了较为合理的结果，从而进 一步验证理论方法的合理性。 关键词：微型桩；微型桩组合结构；桩土相互作用；w i n k l e r $ + 算模型；模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m i c r o - p i l ei sat y p eo f s m a l ld i a m e t e rb o r e dp i l eo fw h i c ht h ed i a m e t e ri sb e t w e e n10 0a n d 3 0 0 m m a tf i r s t ，m i c r o p i l e si sc o n s i d e r e da saw h o l es t r u c t u r et ob e a rv e r t i c a ll o a d s h o w e v e r , i nr e c e n t2 0y e a r s ，d u et ot h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - p i l et e c h n o l o g y , t h ev i e w so nb e a r i n g c a p a c i t yo f m i c r o - p i l eh a v e b e e nc h a n g e d i ti sg r a d u a l l yr e a l i z e dt h a ts i n g l em i c r o - p i l ei sa l s o a b l et or e s i s tl a t e r a ll o a d s i ti sh e t p f u lf o re n g i n e e r st oa p p l ym i c r o - p i l ei ns u p p o r t i n gp r o j e c t s ， e s p e c i a l l yi nw h i c ht h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o ni sc o n s t r i c t e d a sar e s u l to ft h ea d v a n t a g e so f a p p l y i n gm i c r o - p i l e ，a t t e n t i o n sa r ep a i dt om i c r o p i l e m i c r o - p i l e sa r eu s e di nf o u n d a t i o np i t s u p p o r t i n g ，s l o p ec o n t r o l l i n ga n dr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t sa f t e re a r t h q u a k e h o w e v e r , t h e t h e o r yo i lm i c r o - p i l ea p p l i e di ns l o p ee n g i n e e r i n gf a l l sf a rb e h i n dp r a c t i c e i nv i e wo ft h e r e s e a r c hs i t u a t i o n ，i ti sa nu r g e n tt a s kt os t a r tr e s e a r c h e so na n t i s l i d i n gm e c h a n i s mo f m i c r o p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r e t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) c o l l e c t i n gd a t ao na p p l i c a t i o na n dt h e o r yc a l c u l a t i o no f m i c r o - p i l ea th o m ea n da b r o a d a n dc l a s s i f y i n gi ti n t od i f f e r e n tt y p e s ，t h ea n t i - s l i d et ob ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rm i c r o - p i l e c o m p o s i t es t r u c t u r e ( 2 ) d i s p l a c e m e n ta n a l y s i sm o d e li sb u i l tt oa n a l y z et h ed i s p l a c e m e n to fp i l et o pf o r i n d e p e n d e n t l yd i s t r i b u t e dm i c r o - p i l es y s t e ma n dp l a n ef r a m em i c r o p i l es t r u c t u r er e s p e c t i v e l y i tc a l lb ed e d u c e dt h a tp l a n ef r a m em i c r o p i l es t r u c t u r ei sb e t t e rf o rd e c r e a s i n gs l o p e d i s p l a c e m e n t ，c o n t r o l l i n gg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff r a c t u r ei nr o c k m a s sb e t w e e nt w o p i l e s ，a n dh a sm o r ep o s i t i v ee f f e c to ns l o p es t a b i l i t y f o c u s i n go nm i c r o - p i l ec o m p o s i t e s t r u c t u r ec o m m o n l yu s e di np r a c t i c ea n dt a k i n g2x2a n d3x3p i l eg r o u pa sa l le x a m p l e ， c a l c u l a t i o nm o d e l sa r eb u i l tt oa n a l y z et h ei n t e r n a lf o r c ea n ds t a b i l i t yo f t w ok i n d so f s t r u c t u r e ： m i c r o - p i l eg r o u pw i t h o u tb o l ta n dm i c r o - p i l eg r o u p 丽t hb o l t i na d d i t i o n ，p i l e s o i li n t e r a c t i o n m o d e li se s t a b l i s h e d0 1 1t h eb a s i so fw i n k l e re l a s t i cf o u n d a t i o nt h e o r y ( 3 ) m o d e l t e s ti sd o n et o s t u d yt h ea n t i s l i d i n gm e c h a n i s m ，d e f o r m a t i o nt r e n d ， d i s t r i b u t i o nf o r mo fl o a d s a c t e do nm i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r e t h em o m e n to f m i c r o - p i l em o d e li sc a l c u l a t e db yt h ed a t ao b t a i n e df r o mm o d e lt e s t ，t h u sa n a l y z i n gt h e a n t i - s l i d i n gm e c h a n i s mo fm i c r o - p i l ea n dl o a dd i s t r i b u t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 ( 4 ) u s i n gm i d a s ，an u m e r i c a la r m l y s i ss o f t w a r e ，b yu s eo ft h es t r o n gs y m b o l i co p e r a t i o n f u n c t i o no fm i d a s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h em i c r o p i l em o d e lt e s ts t r u c t u r e a n du s e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r ew i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ， t h e nw ec o m et oar e a s o n a b l er e s u l t a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r e v e r i f i e db yc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：m i c r o - p i l e ；m i c r o p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r e ；p i l e s o i li n t e r a c t i o n ；e l a s t i c c a l c u l a t i o nm o d e l ；m o d e lt e s t 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 7 ( 1 ) 分别对独立布置微型桩体系和平面刚架微型桩体系建立计算模型，分析体系 中单桩的桩顶位移和内力。通过比较可知平面刚架微型桩体系对减小坡体位移更加有 利，更能控制桩间岩体裂隙的产生、发展，对边坡稳定性有更加积极的作用。针对工 程中常用的微型桩群桩组合结构，以2 2 、3 3 微型桩群桩为例，建立计算模型分析 结构的内力和稳定性。 ( 2 ) 为了掌握组合结构的抗滑机理、变形趋势以及作用在组合结构上荷载的分布 形式，对抗滑微型桩组合结构进行了模型试验研究，根据所测的数据计算模型试验中 微型桩上的内力，画出微型桩的弯矩图，从而分析微型桩在滑坡治理中的抗滑机理、 荷载的分布形式。 ( 3 ) 使用m i d a s 数值分析软件对微型桩的模型试验结构进行了数值模拟，并用数 值模拟的结果与试验结果和理论计算结果进行对比，得出了较为合理的结果，从而进 一步验证理论方法的合理性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：群飞 日期：咖么刃 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：群飞 日期：纠z 铌粥 指剥币躲同徘 日期：础f o 、牛观 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 选题背景与依据 边坡工程是一类重要的岩土工程，在人类经济活动的许多行业都存在着，如公路， 铁道，水利，矿山等等。边坡工程的好坏，对于主体工程的正常运行有着非常重要的 作用。有关边坡与滑坡的防治工程一直为世人所关注。在过去数十年中治住了数以干 计的滑坡，但同时也花费了巨资。长期以来，重力式挡土墙在支挡结构中一直占有主 导地位，但由于其截面大、圬工数量多、施工进度缓慢，在地形困难、石料缺乏地区 应用不便，其使用上的缺点非常明显，后来发展的桩锚结构等重型支挡结构也有施工 进度缓慢，造价高等缺点。这些重型支挡结构比较适合大型滑坡，对于中小型滑坡， 采用重型支挡结构就很不合理。我国每年施工的抗滑桩超过上万根，投资达数亿元。 可见滑坡防治通常是一项大型工程，单个抗滑桩的造价就达数万元至数十万元，整个 工程动辄数百万。因此，设计和研究在滑坡治理方面更有效在经济方面更合理的支挡 结构一直是岩土工程研究的重要方向之一。 微型桩的应用最早始于2 0 世纪5 0 年代的意大利，国内到8 0 年代中期才从国外引进 微型桩这一结构。但是到目前为止，国内外关于微型桩的应用主要集中在地基加固、 基础纠偏等领域。微型桩作为桩基的一种，能够承受侧向荷载的性能并没有在工程实 践中得到发挥。美国联邦公路管理局( f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 在2 0 0 0 年出版 了m i c r o p i l ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ng u i d e l i n e s ) ) 应用手册，书中对微型桩在基础加 固纠偏应用中的设计方法做了详细的介绍，但是对于微型桩应用于边坡稳定性的理论 却是一片空白。国内对于微型桩在边坡工程中的应用研究甚少，虽然在实际应用中已 经有不少工程实例，而且取得了很好的效果和经济效益，但是理论研究十分匮乏。虽 然微型桩技术在我国迅速推广，微型桩在我国的应用已经非常广泛，但是同时微型桩 的设计理论在我国也是非常滞后，这也是限制微型桩应用的一个主要因素。鉴于这种 国内外的研究现状，因此着手研究微型桩在侧向荷载作用下的设计理论十分必要，是 一项十分前沿、紧迫的任务。本论文结合新型支挡结构微型桩组合结构桩土相 互作用机理模型试验研究来研究抗滑微型桩组合结构。 1 2 微型桩的国内外研究现状及历史 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 微型桩( m i c r o p i l e ) ，即小直径钻孔灌注桩，又称树根桩( r o o t p i l e ) ，一般指桩径在 7 0 3 0 0r a i n 之间，长细比较大( 一般大于3 0 ) ，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工 的小直径桩。由于其孔径较小，钢筋较多，施工工艺和锚杆类似，因此在工程上也常 被称为大锚杆。其主要特点有：施工机具小，适用于狭窄的施工作业区；对土层适应 性强；施工振动、噪音小，在环境公害受到严格控制的市区作业尤其适用；桩位布置 形式灵活，可以布置成垂直或斜桩；采用二次注浆，与同体积灌注桩相比，承载力较 古【1 1 。 微型桩的应用历史已经超过5 0 年。作为一项新工程技术，微型桩在战后重建中发 挥过重要作用。开始人们认为微型桩只能构造成树根桩来承受竖向荷载，最近2 0 年里， 微型桩技术的发展改变了人们以往对微型桩的片面认识。人们逐渐认识到微型单桩也 能承受较大的竖向荷载和横向荷载。微型桩帮助工程师解决了许多困难的支护问题， 特别是在施工条件受到严格限制的情况下。现在学者又开始重新关注微型桩，开始把 微型桩应用到基坑支护、边( 滑) 坡防治、震后重建工程中【2 】。 1 2 1 微型桩在国外的发展 微型桩最初由意大利人f e m a n d ol i z z i 于上个世纪五十年代提出来。l i z z i e 最初是想 发明一种新技术来巩固一些历史建筑基础，以及在二战战火中被破坏的建筑物基础。 意大利著名的建筑承包商f o n d e d i l e ，在其技术顾问f e m a n d ol i z z i 的指导下，提出了这 种微型桩技术。鉴于当时微型桩的布置型式，人们把微型桩叫做树根桩( r o o tp i l e s ) 。、 f o n d e d i l e 公司于1 9 6 2 开始将树根桩技术引入英联邦国家，主要用于加固历史建筑基础， 到了1 9 6 5 年，这项技术被引进德国，开始应用在城市地下交通工程中，尔后“树根桩” 这个术语逐渐被“微型桩”取代。 1 9 7 8 年l i z z i 报道了设在粗砂中的小型群桩在不同排列下承载性能的研究结果，认为网 状布置的群桩较竖直平行布置的群桩承载力为高。同年k o r e c k 也对小直径钻孔灌浆桩的应 用情况作了介绍。在瑞典，鉴于普通小桩不能满足重荷载基础的修复与扩建的需要，在1 9 8 3 年成功研制了- j i e l , 扩底小桩，解决了这类重荷载基础的地基处理i 口j 题，随后，这8 t , 4 , 桩又 大量应用于桩基托换、锚钉工程中。马来西亚于1 9 8 7 年推出了造价低、施工快、沉桩简易 的预制静压小桩，解决了钻孔灌浆小桩成本高昂的问题，为小桩的应用和推广揭开了新的 一页。在西班牙，小桩被用于水蚀性石灰溶岩地区作为建筑物基础。在南非的湿陷性土层 中，1 9 8 5 年成功地用小桩处理了一幢房屋的基础托换工程【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 9 7 3 年，f o n d e d i l e 公司又将这项技术引入北美，但直到8 0 年代中期，美国人才开 始重视这项技术。1 9 9 2 年，p e a r l m a n 等人提供了一种考虑微型桩用于边坡加固时的抗弯 能力，同时也讨论了倾斜微型桩( 微型桩与滑面不垂直) 的轴向承载能力。他们认为， 使微型桩向边坡滑动的方向倾斜布置，可以积极调动微型桩的微型桩的轴向承载力来 抵挡坡体的滑动【4 1 。 1 9 9 3 年，法国政府资助了一个名为f o n d m i o nr e n f o r c e se r t i c a l e m e n t ( f o i 迮v e r ) 的微型桩研究项目，业主、承建商、技术顾问、科研几个和大学都参与了这个研究项 目，美国联邦公路局( f h w a ) 也是这个项目的重要合作伙伴。此后，对微型桩的研 究逐渐转向了微型单桩的力学行为和微型桩的设计理论。1 9 9 7 年，在美国联邦公路局 的资助下，t o ma r m o u r 等人出版了微型桩设计与施工指南1 5 】，这是迄今为止最为 完整地介绍微型桩的著作。t o m a r m o u r 等人把微型桩按照设计方法和施工工艺进行分 类，较为详细的介绍微型桩的施工工艺和桩身材料，同时也讨论了微型桩的应用范围 以及应用局限。此专著最大的成果是详细的讨论了微型桩用于基础作用机理，也给出 了较为完善的理论设计方法，但是并没有给出微型桩应用于边坡工程的设计理论，因 为作者认为在这个问题上工程师们的意见并不统一【5 】。 几乎与此同时，日本高承载微型桩( h i g hc a p a c i t ym i c r o p i l e s ) 协会( j a m p ) 也 展开了对为型桩的研究，并于2 0 0 2 年出版了高承载微型桩震后修复既有桩基的设计 及施工手册。在这分文献中，作者着重研究了应用于震后重建的微型桩的力学行为和 设计方法，同时也研究了倾斜微型群桩( g r o u p so f b a t t e r e dm i r c o - - p i l e s ) 的工作性能， 文献的主要贡献在于为两种不同的地震类型提供了不同的设计方法【6 l 。 近年来，许多研究者和研究机构逐渐把研究重心转向承受侧向荷载、循环荷载和 地震荷载的微型桩。2 0 0 0 年，a o m a r b e n s l i m a n e 研究了微型单桩、群桩和网状微型桩 在轴向和侧向受荷作用下的地震响应l7 1 。2 0 0 4 年，s u n gj u n el e e 研究了砂土中循环轴 向荷载作用下微型单桩的力学行为，他着重研究了微型桩桩侧摩阻力与传统c i p 桩的 区别例。 1 2 2 微型桩在国内的应用及发展 我国于2 0 世纪8 0 年代开始树根桩的试验研究和工程应用。最早是由同济大学叶 书麟教授推荐，于1 9 8 0 年在室内作了1 5 0 m m 1 5 0 m m 4 0 0 0 m m 的树根桩成桩试验研 究，得出了树根桩成桩的有益成果：1 9 8 5 年在上海东湖宾馆加层中，同济大学又与上 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 海市基础工程公司合作在国内工程中第一次正式使用树根桩并取得了成功，取得了树 根桩宝贵的实际工程资料，对树根桩的研究起了极大的促进作用。1 9 8 7 年初，上海市 隧道设计院对延安东路越江隧道的盾构穿越黄浦后到达浦西，向市中心推进时，沿线 的外滩原天文台、纺织品仓库和针织品仓库等建筑先后采用了树根桩托换加固，取得 了有益的实践经验和良好的经济效益【9 】。这些是我国最早使用微型桩的一些工程实践。 自此之后微型桩技术在我国迅速推广，现有文献【1 0 i 1 【1 5 1 表明，微型桩在我国的应用已经 非常广泛，但是这些文献也同时，微型桩的设计理论在我国也是非常滞后，这也是限 制微型桩应用的一个主要因素。 2 0 0 1 年，丁文光【1 6 】【1 7 】总结国外文献的基础上，根据微型桩的加固机理，针对网状 布置的微型桩，将其作用分为两种：一是边坡加固的概念，相当于一个挡土结构和一 个土壁或岩壁的土钉系统，用桩包围滑面以上的土并“钉”住滑面增大抗剪阻力，基本 方法是计算桩基对自然土阻力的作用；二是重力式挡土墙的概念，桩不受拉力，只承 受压力和剪力，取决于实际现场微型桩与土相互关系，仍以经验和直观判断为主。 对于网状微型桩体系，基于整个结构共同作用的假设，考虑以下破坏机理： ( 1 ) 相邻微型桩之间土体的塑性变形； ( 2 ) 滑面以上被加固土体的滑动； ( 3 ) 复合截面上结构的破坏。 从而给出了微型桩的设计步骤： ( 1 ) 计算滑坡推力； ( 2 ) 计算相邻桩问土体塑性变形的稳定性，确定微型桩横向间距，计算微型桩之 间土体塑性变形的稳定是通过比较水平推力和极限抗力而得到，另外还考虑桩后拱圈 土体的平衡条件，其中抗力是由两根相邻微型桩的锚固效应提供的； ( 3 ) 计算结构的抗滑稳定性，确定微型桩的总数，结构的稳定性是对结构上的水 平推力和结构体抗滑力的水平分量进行比较； ( 4 ) 复合截面的结构分析，确定微型桩的排距； ( 5 ) 计算微型桩锚固长度和钢筋与锁口梁的粘结长度，确定微型桩桩长。 2 0 0 5 年，史佩栋、何开胜讨论了网状微型桩承受横向荷载是的设计方法，把网状 微型桩与土的复合结构当作“有筋土墙”，给出完全不考虑桩土粘结和考虑桩土完全粘 结的理论计算公式，也给出了考虑桩土部分粘结的经验计算公式。在完全不考虑桩土 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 粘结的情况下，将总荷载平均分配给单桩；在桩土完全粘结的情况下，利用钢筋混凝 土梁的计算方法计算“有筋土墙”，梁中的“钢筋”就是桩，“混凝土”就是地基土，并认为 地基土的抗拉强度为零。但是常规计算钢筋混凝土矩形断面梁的“一法 在这里并不 实用，因为桩土模量相差太大，所以有提出了一种经验的方法f 3 】。 2 0 0 6 年，冯君等人利用空间桁架微型桩体系加固顺层岩质边坡，认为可将微型桩 的力学边界条件和位移边界条件等效为以下形式：即滑面以上桩与桩之间用弹簧相连， 用于模拟桩一岩土一桩之间的相互作用，根据桩间岩土体的力学性质按“r 法或“m ”法计 算出地基弹性抗力系数k ，滑面以下为稳定基岩，因此滑面以下各桩分别施加弹性支 承，模拟滑床对桩- 岩土体复合型结构的弹性支承作用，地基弹性抗力系数根据滑床岩 体的力学性质按“r ，法或“聊，法计算【1 8 1 1 2 1 l 。 1 3 微型桩的定义及特点 1 3 1 微型桩的定义 微型桩的横截面为圆形，目前实际工程中尚未出现方形的微型桩，这是由微型桩 的钻孔设备所决定的。学者们对微型桩的定义并不一致，矛盾主要集中在微型桩的直 径上。一般认为，微型桩的直径为1 0 0 - - 3 0 0 m m ，当微型桩直径逐渐增大时，其工作性 能以及应用条件逐渐接近传统桩。文酬5 】认为微型桩是直径小于3 0 0 m m 的钻孔加筋灌 注桩。微型桩的直径大于3 0 0 m m 时，微型桩的工作性能已与传统桩无明显区别，更重 要的是，直径过大的微型桩在经济并不合理。但也有文献认为微型桩的直径可以达到 4 0 0 m m 3 。微型桩的直径过小时，微型桩就无法发挥其工作性能，起不到预先期望的效 果，但也有文献认为微型桩的直径可以小至7 5 m m 。另外，现在应用于工程的微型桩绝 大多数为钻孔加筋灌注桩，同时也出现了钻孔钢管灌注桩，文献1 5j 提供了钢管微型群桩 进行基坑支护的工程实例。鉴于上述认识，本文给微型桩一个相当中庸的定义：微型 桩是直径为1 0 0 - 3 0 0 m m 的桩。 1 3 2 微型桩的特点 微型桩有时用来替代传统桩来承受荷载，有时能完成传统桩不可能完成的任务， 这都由微型桩的特点所决定。总的说来，微型桩有以下一些特点： ( 1 ) 施工迅速安全，施工机具小，用普通的地质钻机甚至是手摇钻就能成孔。在 施工条件受到限制，以至于传统桩的施工设备无法展开的情况下( 例如桥面下净空面 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 积很小时，或者施工场地在偏远地区时) ，微型桩施工非常方便。施工时对构造物的正 常使用影响较小。施工噪音小，非常适合在城市居民集中的地带施工。 ( 2 ) 桩孔孔径小，因而对基础和地基土产生的附加应力甚微，施工时对原有基础 影响小，不干扰构造物的正常使用；而且施工噪音小，非常适合在城市居民集中的地 带施工。 ( 3 ) 微型桩可以在地质条件非常复杂的环境下施工，譬如在卵石和漂石地基上； 软粘土地基、流沙地基以及地下水位相对较高的地基上都不利于传统桩的施工，微型 桩在这种地质条件较差的地基上施工有不可替代的优势。此外，由于传统桩中的注浆 混合物要采用承受荷载，混凝土是不二选择，而在微型桩中，荷载几乎全部由钢筋承 受，所以注浆混合物的设计灵活，因此在地质条件非常恶劣的情况下，可以设计出能 够抵抗地下水或基础土壤侵蚀的注浆混合物来保护钢筋。 ( 4 ) 微型桩的布置型式灵活，可根据需要或垂直或斜布，也可成排布置或交叉成 网状布置。网状布置的微型桩群桩体系具有较好的承载能力，群桩中的单桩可以承受 拉应力、压应力、剪力和弯曲应力。 ( 5 ) 抗震能力较强。 1 4 微型桩在工程中的应用 微型单桩承载力较小，一般不会应用于工程。应用于工程的“微型群桩 都有混 凝土桩帽或连续梁将每根微型单桩在顶部联结起来，根据微型桩在空间的不同布置型 式，这个“微型群桩”可以被叫做树根桩( r o o tp i l e s ) 、网状微型桩结构( r e t i c u l a t e d s t r u c t u r e ) 或空间桁架微型桩体系( s p a t i a lt r u s ss y s t e mo f m i c r o p i l e ) 等。为了方便后 文叙述，我们将这些不同结构型式的微型桩统称为微型桩结构。微型桩组合结构在过 程中的应用可以分为结构承载型( s 觚c t 鹏s u p p o r t ) 和原位加固型 ( i n - s i t u r e i n f o r c e m e n t ) 2 2 1 。 1 4 1 结构承载型的应用 结构承载型微型桩，顾名思义，这种组合结构直接承受来自上部结构的荷载，它 主要有以下几个方面的应用。 ( 1 ) 用作新基础 如果用微型桩代替传统桩，不仅可以相对增加桩身表面积，而且可以充分调动桩 间土体的抗压能力；工程实践证明，这种微型桩结构也具有很好的承受横向荷载的能 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 力。由于微型桩的桩端面积很小，一般不考虑其桩端摩阻力。这种结构经常用来做桥 墩基础。 ( 2 ) 加固旧有结构基础 微型桩最初的应用就是加固旧有结构基础，微型桩加固旧有结构基础的作用主要 表现再以下几个方面：阻止现有基础的下沉；提高现有基础的承载能力；修复或者取 代已经损坏的基础；可以抬高已经发生下陷的基础：传递上部荷载。微型桩与现有基 础有很好的联结效果，可以将上部结构的荷载直接传递至持力层而无须新的桩帽( 图 1 1 ) 。1 9 9 0 年，b r u c e 2 3 l 等人成功地利用微型桩加固了美国m a r y l a n d 州的一座有7 5 年 历史的桥( 图1 2 、图1 3 ) 。该桥原有的木桩由于河流的冲刷作用出现严重破坏。 pp 型桩 图1 1 微型桩用作新基础图1 2 树根桩加固旧有基础 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 - 3 微型桩加固旧有基础 ( 3 ) 震后修复 日本将微型桩广泛应用于震后重建工作中，这是因为微型桩在震后重建工作中有 以下不可替代的优势：微型桩施工设备能在较为狭窄的场地施工，例如，当桥梁桩基 因地震发生破坏是时，桥面结构的存在使得施工空间非常狭窄，传统桩的施工设备很 难正常施工，但是微型桩施工设备却可以在此自由施工；微型桩有较强的抗拉能力， 微型桩相对传统桩，钢筋配置的比例要高得多，在地震荷载作用下，桩的受力非常复 杂【3 0 1 【3 3 】。微型桩能保证基础有更高的承受拉压荷载的能力。 1 4 2 原位加固型的应用 如果微型桩布置的间距在一定的范围内，微型桩会与所包围的土体组成桩土复合 结构，共同抵抗作用在复合结构上的荷载。桩与土的粘结主要靠桩土之间的摩擦力来 提供。单桩间距超过这个范围，我们依然把桩间土体作为荷载作用在微型桩上，或者 认为土体仅限于传递荷载。原位加固型的微型桩主要用于中小型边滑坡治理工程中， 有时也应用于校正已经倾斜的建筑物或者加固地基基础。 ( 1 ) 治理滑坡或加固边坡 微型桩治理边滑坡的布置型非常灵活。目前出现在既有工程中的主要有如图l - 4 所 示的四种形式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 口) ( c ) - 争 ( y ， 一 = p ( y ，x ) 一v - 一 一 砦谪 图2 - 2 d y 段受力分析 取如图2 2 所示微分段为研究对象，建立桩体在荷载9 作用下桩轴的挠曲线方程， 由，= o 得 ( q + d q ) 一q + p ( y ，x ) d y - q ( y ) d y - e0 ( 2 - 1 ) 所以 d ，o + 尸( j ，z ) = g ( y ) ( 2 2 )十f iy 工j = u iy - 二， 咖 7 一 因剪力q 与弯矩m 间的关系为q ：掣，所以 口1 ， 搴：辔州小附，x ) ( 2 3 )二= t = 口f1 ，l p f1 ，r 、lz j ， 咖方2 ”7 从材料力学研究粱的纯弯曲问题知： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 日氅：m ( 2 4 ) , y 2 其中，x 是任意深度y 处桩的挠度，e 为桩的弹性模量( 1 ( p a ) ，为桩的截面惯性 矩( 肌3 ) ，e 1 是桩的抗弯刚度。这里需要说明的是，式( 2 3 ) 是研究梁的纯弯曲问题而得 到的，对于一般梁来说，在外荷载作用下剪力和弯矩是同对存在的，根据弹性力学的 计算结果，剪力对梁的变形影响是很微小的。因此对于微型桩问题，引用( 2 - 3 ) 来求解， 能够满足实际需要，从而： e 1a 咖 _ _ x 。_ x = 删一地x )( 2 5 ) 任意深度桩侧土反力与该点的水平位移成正比，表示为： e ( y ，x ) = 七( y ) 弛 ( 2 - 6 ) 其中后( j ，) 是地基土水平抗力系数，它随深度的增加而假定有不同的变化图式。m 法 假定k ( y ) 随深度线性增加，即k ( y ) = m y ，则桩侧土反力为： p ( y ，x ) = m y x b o 将式( 2 7 ) 代人( 2 - 5 ) 得： 日窘+ 蚴- g ( 力 协辱则式( 2 - 8 ) 姚 等= 等 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 式中： m 地基土水平抗力系数随深度变化的比例系数： 6 0 桩的计算宽度，按规范取值，当桩截面为矩形时= 1 5 b + 0 5 ，当桩 截面为圆形时b o = o 9 ( 1 5 d + 0 5 ) 。 口桩的水平变形系数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 日桩的抗弯刚度。 式( 2 9 ) 即为m 法的基本微分方程。 2 2 2 求解微分方程 式( 2 9 ) 是一个四阶变系数微分方程，直接求解此方程没有解析解。为了求解，国 内外有关专家种提出的解法主要有差分解、有限元解及初值法的数值解，但这些解法 只能就某一具体问题给出一个解答，无法得到通解。规范中推荐用历法，但也没有 比较简便的解答。本章则将在微型桩桩身分别承受均布荷载和三角形荷载两种情况对 朋法的方程用幂级数法来求解，得到了满足精度要求的解答。 按照力的叠加原理可得出微型桩的受力和计算模型，如图2 3 所示。图2 - 3 a 是微 型桩桩项承受水平集中荷载幽的情况，图2 3 b 是微型桩桩顶承受集中弯矩的情况， 图2 3 c 是微型桩承受分布荷载的g ( y ) 情况。此时图2 1 中微型桩的内力是图2 - 3 a 、2 - 3 b 和2 3 c 的迭加。 乩 。， 八 。 q 。 y j， yjyj abc 图2 - 3 单根微型桩的计算模型 1 桩顶受集中荷载作用的幂级数解法 假设地基土的基床系数为m o ，桩的刚度为e ，计算宽度为b o ，则弹性地基系数为 m = 6 0 ，弹性特征值口= 昙a 由于在2 3 a 和2 - 3 b 的受力情况下肌法的基本微分 方程均为：i d 4 x 丁+ 口5 = 。，所以我们将其归为一类即微型桩受桩顶集中荷载作用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 情况来进行统一求解。 幂级数法求解步骤如下： 假定式( 2 9 ) 的解为一幂级数： x = a o + 口l y + a 2 y 2 + = a y “ 一= 0 对式( 2 1 0 ) 求导可得： x = a i + 2 a 2 y + 3 a 3 y 2 + = n a , , y ”1 n = l x ”= 甩( 疗一1 ) a n y 肛2 一、 n = 2 x 。= 甩( 甩一1 ) o 一2 ) a y 肛3j 、 、 n = 3 x 4 ) n ( n - 1 ) ( n - 2 ) ( n - 3 ) a y 舻4 n = 4 将式( 2 1 3 ) 代人( 2 9 ) 得： n ( n - 1 ) ( n - 2 ) ( n - 3 ) a 。y 卜4 = - - o r 5 y e y ” ”= 4n = o ( 2 。1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 根据式( 2 1 5 ) 即可确定待定系数a o 、a l 、吼，将各系数表达式代入式( 2 1 0 ) ， 整理得： s - a 0 + 口l y + a 2 y 2 + a a y 3 + 口5 七一l y 驰- 1 + k = l a 5 。y 5 + 口5 y 弛“+ 呜m y 5 “2 + + ，y 鲐+ 3 = i= lk z lk z l 其中：k - - 1 ，2 ，3 ， 、 引入记号： c = ( m k 一刀) 【肌( 七一1 ) 一以】【m ( 七一2 ) 一甩】 m k - ( k - 1 ) - n ) ( ，z 玎) 令： ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 f o ( 力- l + 荟( - 1 ) 葫广 爪力叫+ 丢( _ 1 ) 赢吉) 5 “1 f 2 c y 一2 + 静广高专( 矿2 胁一3 + 如k = 1 ) 2 惫专( 矿3 将式( 2 1 7 ) 代人( 2 1 6 ) ，则简化得： x = a n ( y ) + 口l ，= ( 1 ，) + a ，( y ) + a ，：f y ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 上式即为微分方程幂级数通解的表达式，式中的常数系数a o 、a 。、0 2 、a 3 ，可由 边界条件确定。 位移x ( y ) 求出后，梁任意截面的转角缈，弯矩膨，剪力q 可由材料力学中的微分 关系求得： d x t p = 砂 m ：e 1 生：日一d 2 x 蛳电1 q ：掣：彤罂 曲如s 所以，将式( 2 1 8 ) 代人式( 2 1 9 ) 即得： x = a o f o ( y ) + a l 石( y ) + 口2 五( y ) + a a f 3 ( y ) 伊= a o f o ( y ) + 口1 石( y ) + a 2 f 2 ( j ，) + 口3 六( y ) m = 【a o f o ( y ) + 口i f i ( 少) + a 2 厂”2 ( y ) + a 3 f ”3 ( y ) l e i q = 【口0 矗3 ( 少) + 口i z 3 ( j ，) + 口2 乃3 ( j ，) + 口3 露3 ( y ) 】e ， 2 桩身受分布荷载作用的幂级数解法 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 根据图2 - 3 c 所示的计算模型并结合式( 2 9 ) 的微型桩单桩微分方程可得在微型桩 桩身承受分布荷载作用下的基本微分方程为：等“= 警。其中口= 浯，桩 的刚度为以由于微型桩桩身所受的分布荷载由滑坡推力产生，且滑坡推力一般可转 化为均布荷载、三角形荷载和梯形荷载作用在桩身上，并且梯形荷载可以分解成相应 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 的均布荷载和三角形荷载的叠加形式，所以我们只需要讨论微型桩受均布荷载和三角 形荷载的情况即可。 ( 1 ) 微型桩桩身受均布荷载幂级数法求解步骤如下： 在均布荷载作用下微型桩基本微分方程为： 窘“= 茜 ( 2 - 2 1 ) 其中g = 乏，r 为滑坡推力，上为桩长。 由式( 2 1 0 1 4 ) 可知基本微分方程可转化为： 薹行( 刀一1 ) ( 刀一2 ) ( 珂一3 ) y n - 4 = 刖- o t s y 薹, a y ” ( 2 2 2 ) 由于等式( 2 2 2 ) 两边j ，的相同幂次数的系数应该相等，故可以将式( 2 2 2 ) 展开， 并改写为： 1 0 2 0 3 e 4 * a 4 + 2 e 3 e 4 * 5 * a s y + ( 刀+ 1 ) ( 力+ 2 ) ( 刀+ 3 ) ( 刀+ 4 ) 吼+ 4 y ”+ = 旦e 1 一口5 ( a o y +