（岩土工程专业论文）微型桩结构体系抗滑机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 微型桩一般是指桩径在7 0 - - 3 0 0 m m 之间，长细比较大，采用钻孔、强配筋 和压力注浆工艺施工的小直径桩。近年来微型桩作为一种新型边坡支挡结构， 在工程实践中得到越来越广泛的应用，而且取得了很好的工程效果和经济效益。 尽管如此，关于微型桩结构体系抗滑机理的理论研究成果少之又少。鉴于这种 国内外的研究现状，因此着手微型桩抗滑机理的理论研究十分必要，也是一项 十分前沿、紧迫的任务。 本文汇总目前在国内工程实际中所采用的微型桩结构形式，将微型桩结构 形式分为独立布置微型桩结构、平面刚架微型桩体系、空间刚架微型桩体系和 微型群桩组合结构体系，主要对微型桩结构的抗滑机理和相关设计计算理论进 行研究。首先研究独立布置微型桩体系、平面刚架微型桩体系在加固顺层岩质 边坡中的抗滑机理，然后对微型桩群桩组合结构的抗滑机理和设计理论进行分 析研究，最后结合工程实例对理论计算进行验证。通过本文研究，主要取得以 下结论和成果： ( 1 ) 从微型桩单桩的抗剪能力入手，首先介绍了计算微型桩抗剪能力的两 种计算方法：仅考虑微型桩中钢筋的抗剪能力和考虑微型桩与结构面相互作用 的抗剪能力，并建立了力学模型对考虑桩与结构面相互作用的微型桩抗剪能力 进行分析。其次分析了顺层潜在滑动范围的确定及滑坡推力的计算，然后在此 基础上对微型桩加固后的边坡稳定性进行了分析。最后给出了独立布置微型桩 加固顺层边坡的设计流程图。 ( 2 ) 建立力学模型对平面刚架微型桩体系加固顺层边坡的抗滑机理进行研 究。研究结果表明平面刚架微型桩体系可以增加局部不稳定岩体的抗滑力，但 对于其加固范围内的所有岩体来讲，其所能提供的总抗滑力不会增加。 ( 3 ) 分别对独立布置微型桩体系和平面刚架微型桩体系建立位移模型，分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 析体系中单桩的桩项位移。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。 ( 4 ) 针对工程中常用的微型桩群桩组合结构，以3 3 微型桩群桩为例， 分加锚杆和不加锚杆两种情形，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。 ( 5 ) 结合某高速公路典型工点，依据理论分析对微型桩群桩组合结构进行 了设计计算，并将计算所得弯矩与室内模型试验测得结果进行对比分析。 关键词微型桩；独立布置微型桩体系；平面刚架微型桩体系；抗剪能力：位 移模型；微型桩群桩组合结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s tr a c t m i c r o - p i l ei s a t y p e o fs m a l ld i a m e t e rb o r e dp i l ec o n s t r u c t e db ys t r o n g r e i n f o r c e m e n ta n dp r e s s u r eg r o u t i n g ，o fw h i c ht h ed i a m e t e ri sb e t w e e n7 0a n d 3 0 0 m m ，s l e n d e r n e s sr a t i oi sl a r g e rt h a n3 0 i nr e c e n ty e a r s ，a san e wt y p eo fs l o p e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，m i c r o p i l eh a sam o r ea n dm o r ew i d ea p p l i c a t i o ni ns l o p e r e i n f o r c i n ge n g i n e e r i n g f u r t h e r m o r e ，g o o de n g i n e e r i n ga n de c o n o m i ce f f e c t sh a v e b e e np r o d u c e db yu s i n gm i c r o p i l es t r u c t u r e s h o w e v e r , l i t t l et h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v e b e e nd o n eo nt h ea 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 eu n d e rl a t e r a ll o a d s i nv i e wo f t h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，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 n d e s i g nt h e o r yo fm i c r o - p i l e i nt h i sp a p e r , b a s e do na l lk i n d so fm i c r o p i l es t r u c t u r ea p p l i e di nd o m e s t i c p r o j e c t s ，m i c r o - p i l e s t r u c t u r e sc a nb ec l a s s i f i e di n t of o u rt y p e s ：i n d e p e n d e n t l y d i s t r i b u t e dm i c r o - p i l e s ，p l a n ef r a m em i c r o - p i l es t r u c t u r e ，s p a c ef r a m em i c r o p i l e s t r u c t u r ea n dm 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 nc o n t e n t so ft h i st h e s i sf o c u s o ns t u d i e so fd e s i g na n dc a l c u l a t i o nt h e o r i e so fm i c r o p i l es t r u c t u r e s f i r s to fa l l ， a n t i - s l i d i n gm e c h a n i s mo fi 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 e f r a m em i c r o - p i l es t r u c t u r ef o rr e i n f o r c i n gb e d r o c ks l o p ei ss t u d i e d t h e nt h ed e s i g n t h e o r ya n da 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 ec o m p o s i t es t r u c t u r ea r ea n a l y z e d f i n a l l y , ap r o j e c tc a s ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h e o r i e sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b y d e e ps t u d i e si nt h i st h e s i s ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r e d r a w n ： ( 1 ) b e g i n n i n gw i t ha n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fs h e a ra b i l i t y , t w o m e t h o d sa r ep r e s e n t e d ，b yo n eo fw h i c ho n l ys t e e ls h e a ra b i l i t yi st a k e ni n t oa c c o u n t a n db yt h eo t h e ro fw h i c ht h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n dj o i n ts u r f a c ei st a k e ni n t o a c c o u n t m e c h a n i c a lm o d e li sb u i l tt oa n a l y z et h es h e a ra b i l i t yb yt a k i n gi n t oa c c o u n t i n t e r a c t i o no fp i l ea n dj o i n ts u r f a c e m e t h o di si n t r o d u c e dt od e t e r m i n et h ep o t e n t i a l s l i d i n gr a n g e o fb e d r o c ks l o p ea n dc a l c u l a t el a n d s l i d et h r u s t s l o p e s t a b i l i t y c o e f f i c i e n ta f t e rr e i n f o r c e db ym i c r o p i l e si s a n a l y z e da n dd e s i g nf l o wc h a r t o f 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 e ss y s t e mi sp r o v i d e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 ( 2 ) c a l c u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt os t u d yt h ea n t i s l i d i n gm e c h a n i s mo f p l a n ef r a m em i c r o p i l es t r u c t u r e s ，t h er e s u l to fw h i c hs h o w st h a tt h ep l a n ef r a m e m i c r o p i l es t r u c t u r ec a ni n c r e a s et h ea n t i s l i d i n gf o r c eo fp a r t i a lu n s t a b l er o c k m a s s ， b u tt h et o t a la n i s l i d i n gf o r c ew o n ti n c r e a s e ( 3 ) 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 e t o pf o ri 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 e s t r u c t u r er e s p e c t i v e l y i tc a nb 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 s b e t t e rf o rd e c r e a s i n gs l o p ed 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 d d e v e l o p m e n to f f r a c t u r ei nr o c k m a s sb e t w e e nt w op 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 e s t a b i l i t y ( 4 ) f o c u s i n g o nm i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r ec o m m o n l yu s e di n p r a c t i c e a n dt a k i n g3 3p i l eg r o u pa sa ne 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 e i n t e r n a lf o r c ea n ds t a b i l i t yo ft w ok i n d so fs 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 t a n dm i c r o - p i l eg r o u pw i 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 nm o d e li se s t a b l i s h e d o nt 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 n t h e o r y ( 5 ) c o m b i n e dw i t ht h et y p i c a l s l o p ei n ah i g h w a y , m i c r o - p i l ec o m p o s i t e s t r u c t u r ei s d e s i g n e do nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h ei n t e r n a lf o r c e d e d u c e db yt h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e s g i v e ni nt h i sp a p e ri sc o m p a r e dw i t ht h e m o n i t o r i n gr e s u l t so ft h es m a l ls c a l em o d e lt e s t k e y w o r d m i c r o - p i l e ；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 e ss y s t e m ：p l a n ef r a m e m i c r o p i l e ss y s t e m ；s h e a ra b i l i t y ；d i s p l a c e m e n tm o d e l ；m i c r o - p i l ec o m p o s i t e s t r u c t u r e 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 不保密么使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名身雒氐 日期函。8 年j 月五如 指导棚签名：罔砝 口期：2 口嘭昏r 月z 5 口 ， ， 西南交通大学 学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签功维民 日期0 年月乒如 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 选题的背景 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。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。 近年来随着我国铁路和高等级公路建设的快速发展，尤其是山区铁路和高 等级公路建设的不断推进，产生了大量的路堑边坡加固防护工程，这为微型桩 在边坡加固工程中的应用和理论研究提供了宝贵机会。本文就是依托青海省交 通科技项目，结合实际工点，对微型桩结构在边坡工程中的抗滑作用机理和设 计方法进行研究。 1 2 微型桩的应用发展历程 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 0m m 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，承载力较高【l 】。 微型桩是在上个世纪5 0 年代由意大利的l i z z i 提出，由f o u d e d i l e 公司首先 开发利用，最初的目的是为了加固在二战中受到破坏的历史性建筑物和纪念碑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第一个工程应用实例是l i z z i 采用桩径1 0 0 m m ，桩长1 3 m 的微型桩对那不勒斯 a a n g i i u l l i 学校建筑进行加固。之后微型桩在火山灰和砂土中进行了第一次试 桩试验，随后又在多种土质中进行了现场试验，在现场试验中微型桩表现出了 优异的承载能力。随着微型桩技术得到接受，它逐渐被推广到整个欧洲，2 0 年 之后传入美国和其他国家。例如1 9 6 2 年f o n d e d i l e 公司把微型桩技术介绍到英 国，将其用于历史性建筑物的加固。1 9 6 5 年德国采用了类似的技术用于地下交 通建设。同一时期，微型桩还被应用于米兰地铁的部分建设。1 9 8 3 年德国还为 微型桩制订了独立的技术规范( d i n 4 1 2 8 ) 。1 9 9 3 年法国土木工程应用研究和试验 所( 也x ) 在国家土木工程学院的f r a n c o i ss c h l o s s e r 教授和岩土力学教育研究中 心的r o g e rf r a n k 博士的技术指导下，开展了一项由国家公共劳动联盟( f n t p ) 支持的名为“f o r e v e r 的五年国家计划研究。这项针对微型桩的研究包括理 论研究、数值模拟、室内试验( 离心机试验) 、现场试验等，主要目的是促进微型 桩在建( 构) 筑物深基础、边坡稳定、堤岸加固、现有构筑物的加固、挡土墙以及 浅基础中的应用。1 9 9 3 年开始，b m c e 【2 】等人在美国联邦高速公路管理委员会 ( f h w a ) 的资助下在西北大学国家岩土试验基地( n g e s ) 用不同的注浆压力施工 了1 1 根桩长1 3 到1 6 英尺不等的微型桩单桩，对其中的7 根单桩进行了抗压载 荷试验，3 根单桩进行了抗拔载荷试验，研究了单桩的承载力，与传统的计算理 论进行了比较，并进一步提出了微型桩设计的群桩效应问题( b r u c e 等，1 9 9 5 a ， 1 9 9 5 b ，2 0 0 1 ；b e n s l i m a n e 等，1 9 9 7 ；r i c h a r d 等，2 0 0 0 ) 【j 咱j 。h o ( 1 9 9 7 ) 等人 对不同倾角和不同排数的微型桩加强砂性土质边坡稳定性的问题进行了模型试 验，认为当小桩垂直于滑移剪切面时能提供边坡最大的稳定性。t h o m p s o n j ( 2 0 0 1 ) 等人对压力注浆下三根不同桩长的微型桩单桩进行了现场抗压和抗拔 载荷试验，对微型桩承载力特性进行了研究。 1 9 8 2 年法国索勒唐舍( s o l e t a n c h e ) 公司来华进行技术交流，介绍微型桩技 术在法国的应用情况，引起了国内学术界的广泛重视，并由上海市基础工程公 司和同济大学为苏州虎丘塔地基加固而开发研究。此后微型桩在工程实践中逐 步得到了应用，例如上海龙华污水处理厂二次沉淀池基础工程、上海东湖宾馆 加层地基加固工程、上海新华铸钢厂造型车间行车柱地基加固工程、上海延安 东路外滩天文台地基加固工程( 杨永浩 1 l 】，1 9 8 8 ) 。王建平 1 2 】( 1 9 9 7 ) 对杂填土、 黄土和软土地基中的微型桩单桩进行了载荷试验研究，提出对于杂填土取桩顶 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 沉降在o 0 1 倍桩径时对应的桩项荷载作为微型桩的极限荷载，对于黄土和软土 取桩顶沉降在0 0 3 倍桩径时对应的桩顶荷载作为微型桩的极限荷载。从 1 9 8 4 1 9 8 8 年国内采用微型桩技术作业6 9 项工程，施工总进尺7 5 7 3 0 延米，共 创产值5 0 0 万元。 近年来，随着微型桩技术在国内的迅速发展，其应用不再局限于传统的基 础加固和地基处理工程中，还作为抗滑支挡结构被应用到边坡整治和边坡加固 工程中，由于微型桩具有占地小、施工方便的特点，更具其独特的优势。 1 3 微型桩在边坡工程中的应用 桩基按功能分为：承受轴向荷载的抗压桩；承受轴向荷载的抗拔桩；承受 侧向荷载的抗弯桩及承受上述两种荷载叠加作用的组合桩。微型桩应用于不同 的工程中具有不同的承载力性能。在加固边坡时，微型桩主要承受侧向荷载的 作用。当桩与桩之间的间隔较大时，微型桩的作用相当于常规抗滑桩。 1 3 1 微型桩加固边坡的机理分析 在边坡加固工程中布置的微型桩体系是由分布在岩( 土) 体中长度不一的钢 筋混凝土桩群组成，依靠桩群和岩土体的共同作用抵抗滑坡下滑力，形成抗滑 力，维持边坡的稳定。 微型桩加固边坡起到了以下几个方面的作用： 1 抗剪作用 微型桩穿过软弱岩土层，利用桩内钢筋的抗剪能力，阻止岩体沿滑面滑移， 使岩土体形成一个整体。在灌注桩体的同时，挤压周围的破碎岩体，把松散破 碎的岩土层胶结起来，改善岩土层性能，提高岩土层的强度和承载能力，降低 岩士层的渗透性，减少岩土层的变形，使周围形成一个以桩体为中心，周围岩 土层得到了加强的大岩土混合柱体，有效地起到支撑边坡土压力，防止下滑的 作用，提高了边坡的整体稳定性。 2 抗弯作用 微型桩深入岩( 土) 层滑面以下，相当于悬臂抗滑桩，利用桩的一定抗弯 性能抵抗滑坡推力，防止边坡下滑。同时由于桩群均匀分布，使整个破碎边坡 串联成一个有机的整体结构，并且植入基岩，使整个边坡在开挖阶段达到力学 平衡，稳定岩土边坡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 桩岩( 土) 复合体 微型桩通过改良岩土体的地质力学性能，由于微型桩本身具有一定的刚度 和强度，以及它在岩土体内的空间组成复合体的骨架，使岩土体构成一个有机 整体，骨架有约束土体变形的作用。这个复合体的力学性能不是岩土与桩力学 性能的简单迭加，而是共同构成一个“实体”来抵抗边坡的下滑力。桩岩( 土) 复合体对边坡稳定性的作用，在于桩的存在改变了桩间岩( 土) 体的力学性能， 改变了边坡塑性圈的范围，从而加强岩( 土) 体的白稳性能，与桩共同承担岩坡 下滑力。 在桩岩土体复合型结构中，微型桩在岩土体内的空间组合形成了复合型结 构的骨架，该骨架具有较大的刚度和强度，对桩间岩土体的变形起到了约束作 用，使微型桩和桩间岩土体形成一个整体来共同承担外荷载，其中微型桩起着 分担荷载、应力传递和扩散作用。桩体通过其应力传递作用，将不稳定性岩体 内部分应力传递到稳定岩土体中，并分散在较大范围的岩土体内，降低应力集 中程度，从而起到稳定边坡的作用。 1 3 2 微型桩加固边坡的布置形式 微型桩在工程中一般是成群布置的，可以是垂直或倾斜、成排或交叉网状 布置。在边坡加固工程中，微型桩通常是成排布置。根据边坡的结构特点和边 坡滑体变形特征，微型桩在坡面的结构布置形式可以归纳为以下三类： ( 1 ) 独立布置微型桩体系 面 图i - i独立布置微型桩体系 如图1 1 所示，独立微型桩体系就是在边坡的开挖坡面或自然坡面上按照 一定的排间距在一定范围内布置多根微型桩，各根桩相互独立，当微型桩工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 时，桩与桩的相互作用仅通过桩间岩体进行传递。该种结构形式比较适合于滑 体完整性较好且强度较高的顺层岩质边坡，例如硬质岩顺层岩质边坡。在这种 布置形式中，微型桩桩顶处的位移最大，由于锚固在强度较高的硬质岩中，滑 面处的位移极小，几乎可以忽略不计。因此滑面以上桩体可以视为悬臂桩。 ( 2 ) 平面刚架微型桩体系 将坡面上布置的多排微型桩通过使用连系梁将其顶端横向连接在一起而形 成的结构体系称为平面刚架微型桩体系( 图1 2 ) 。该种结构形式适合于坡体发 育有两组结构面( 除层面外，还发育一组平行于边坡走向的陡倾结构面) 、完整 性较差的顺层岩质边坡。在这种结构布置形式中，由于连系梁的作用，可以有 效地控制桩顶的位移，防止微型桩由于位移过大而失效，从而达到对边坡的加 固作用。 图1 2 平面刚架微型桩体系 ( 3 ) 空间刚架微型桩体系 争 n ：滑旺l f 图1 - 3空间刚架微型桩体系 空间刚架微型桩体系是在平面刚架型微型桩体系的基础上，用连系梁将沿 着边坡走向分布的多排微型桩连接在一起而形成的结构体系( 图1 3 ) 。对于坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 体发育有两组以上结构面，岩体软弱破碎、完整性很差的顺层岩质边坡则可采 用该种结构形式。 以上介绍的是微型桩加固边坡时在坡面的布置形式。关于这些微型桩体系 在边坡工程中的理论研究，前人已经作了一些工作，简要介绍如下。 丁光文【1 6 , 1 7 】提出了微型桩在整治滑坡工程过程中的两种作用：边坡加固作 用和重力式挡墙作用。又基于整个微型桩结构共同作用的假设提出了微型桩的 设计步骤，并将其应用于鹰厦铁路k 11 3 + 3 4 4 k 11 3 + 4 4 0 段路堑边坡的治理工 程，取得较好效果。该方法根据相邻微型桩之间土体的塑性变形进行微型桩的 横向布置，再根据被加固土体的滑动和微型桩复合截面上的破坏确定微型桩的 总数和排距。但是，该方法在实际应用过程中还是先根据经验估计一个桩间距， 然后根据微型桩间土体塑性变形的稳定性分析来验算间距是否符合要求，若符 合要求则进行结构分析。实际上该方法仍没有跳出经验试算法的范畴。 冯君【1 8 , 1 9 1 针对微型桩加固顺层岩质边坡，提出了微型桩单桩抗剪强度公式， 同时也将微型桩体系分为三种布置形式：微型桩独立体系、平面刚架体系和空 间刚架体系，建立了相应的计算模型，如图1 4 和1 5 所示，并利用有限元方法 进行结构内力的计算。 桩问滑体剩余 桩前 体抗 图1 4 独立布置微型桩体系的有限元计算模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桩前 体抗 桩问滑体剩余 图1 - 5平面刚架微型桩体系的有限元计算模型 孙书伟【2 0 1 按弹性桩计算了微型桩单桩的内力和位移，从结构力学的角度利 用力法、位移法对微型桩平面刚架体系“n 型单元进行内力计算，并对空间 刚架结构进行了力学分析。但是，在对平面刚架进行内力分析时没有考虑作用 在微型桩刚架体系上的岩土荷载，仅是纯粹结构力学结构的分析，所计算的内 力公式不能应用于实际工程计算中。 另外，在目前的工程实践中除了在坡面布置微型桩支挡结构体系外，还有 类似群桩的组合结构布置。由于这种布置形式的群桩中桩与桩之间的间距较小， 工程中处理方法是将组合结构整体看成大截面抗滑桩，荷载由桩土复合结构承 担，地基土相当于桩中的混凝土，而微型桩相当于钢筋。由于桩与土体作为整 体共同作用，作用在结构上的应力分布在地基和桩基两部分，而不像常规桩基 设计时所考虑的那样，仅将应力分布在桩基部分，为此存在一个“连接效应 ， 即作用在桩上的应力传递给相邻的桩是由于桩基与地基之间相互作用所致。在 特殊情况下还会在组合结构中加设锚索或锚杆，形成类似锚索抗滑桩的结构， 使结构的承载力和稳定性得到提升，但是目前对于这样的结构体系，怎样分析 其桩土相互作用、内部应力及桩土荷载承担比是关键问题，也是一个难题。 在国外，各个国家对微型桩加固边坡的作用有不同的看法。意大利把微型 桩的作用视为加强土体的抗剪性能，日本称其为r r p 工法( r e t i c u l a t e dr o o t s p i l e ) ，将微型桩按布置方式分为受压或受拉两类加固方法。 尽管微型桩在国内有二十年多年的应用历史，但是只有在近年来才单独作 为支挡体系应用于边坡加固，其设计理论还处于经验阶段，目前的设计方法完 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 全照搬桩基的设计理论。但是微型桩是小直径桩，其受力、承载力有别于一般 大直径桩基，有其自身的规律，因此有必要对微型桩的规律进行深入研究。 1 4 本文的研究思路及主要内容 鉴于微型桩用于边坡支挡工程中系统的计算理论比较少，本文主要对微型 桩结构加固边坡工程的计算理论进行研究。首先对微型桩结构在顺层岩质边坡 中的两种布置形式进行研究计算，然后对加固散体材质边坡的微型桩组合结构 进行分析，并结合模型试验的结果，与本文提出的微型桩组合结构内力计算方 法进行比较。根据以上研究思路，本论文的主要内容包括： ( 1 ) 独立布置微型桩体系加固顺层岩质边坡的研究分析 在微型桩加固顺层岩质边坡中，微型桩的抗剪能力起到绝对作用，首先介 绍了两种计算微型桩抗剪能力的计算方法，其次分析了顺层岩质边坡潜在滑动 范围的确定方法，然后对微型桩加固后的边坡稳定性进行研究，得出边坡稳定 性安全系数的计算公式，最后建立模型对独立布置微型桩体系中单桩桩顶位移 进行了理论分析。 ( 2 ) 平面刚架微型桩体系加固顺层岩质边坡的研究分析 在比较平面刚架微型桩体系与独立布置微型桩体系特点的基础上对平面刚 架微型桩体系的抗滑机理进行分析，建立计算模型分析平面刚架微型桩体系的 加固机理，并从结构力学角度对平面刚架本身的结构特点进行了深入分析。最 后对微型桩刚架体系的桩项位移进行了分析。 ( 3 ) 微型桩群桩组合结构的力学计算分析 本节主要对3 x 3 的微型桩群桩结构进行分析，其中又包括两种情况：一是 不加设锚杆的情况；二是加设锚杆的情况。针对两种不同的情况，对各自的结 构受力和整体稳定性进行分析研究。最后建立位移法模型对微型桩群桩组合结 构桩土相互作用进行简单分析。 ( 4 ) 微型桩组合结构工程实例分析 选取某高速公路典型工点，采用微型桩群桩组合结构进行加固。依据理论 分析结果，对微型桩群桩组合结构进行设计计算。同时对微型桩组合结构的单 桩抗拉、锚固段深度及加固后的边坡稳定性等进行验算分析。最后将计算所得 的结构内力结果与室内模型试验监测结果进行对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章独立布置微型桩的抗滑机理分析 2 1概述 岩质边坡的失稳，通常是边坡中含有的软弱结构面降低了岩体强度，在一 定条件如地下水、暴雨、开挖施工等因素的影响下，沿软弱结构面产生剪切或 岩层弯曲、折断。对于顺层岩质边坡而言，当开挖坡角大于岩层倾角时，边坡 岩体可能会沿某一软弱结构面发生顺层滑移，从而引起顺层滑坡。因此，软弱 结构面是顺层岩质边坡加固的重点，而顺层岩质边坡的稳定与否，基本上是由 软弱结构面的抗剪能力决定。工程实践表明采用独立布置的微型桩可显著提高 顺层岩质边坡软弱结构面的抗剪强度，但是其作用机理和抗剪能力的计算方法 仍在研究中。为此，本章从分析微型桩单桩的抗剪能力入手，研究独立布置微 型桩体系在顺层岩质边坡中的加固机理，探讨微型桩抗剪能力的计算方法。在 此基础上，研究独立布置的微型桩体系加固后的边坡稳定性分析方法，为设计 和施工提供理论支持。 2 2 微型桩单桩的抗剪能力分析 在顺层岩质边坡中，开挖之后潜在滑动范围内的滑体主要沿层间软弱结构 面整体向下滑移，此时微型桩桩体的抗剪能力是滑坡稳定的决定因素。而考虑 微型桩加固软弱结构面抗剪能力的分析方法可以分为两种：一是只考虑钢筋的 抗剪能力，按钢筋的抗剪屈服强度计算桩所能提供的抗剪能力；二是考虑微型 桩与结构面相互作用。前一种方法计算简单明了，后一种方法综合考虑全面， 与微型桩的实际工作情况相符，下面将对此分别加以讨论。 2 2 1只考虑钢筋作用的抗剪能力计算方法 工程实际中应用的微型桩通常是由钢筋和高强度砂浆组成，钢筋一般是采 用3 由3 2 的钢筋束。在考虑微型桩的抗剪能力时，为了简化计算，一般不考虑 砂浆的抗剪作用，只考虑微型桩中钢筋的作用。若假设钢筋的抗剪屈服强度为 m ，则微型桩所能提供的抗剪能力为： c = 4 r l ( 2 1 ) 其中：彳。钢筋横截面积。 式( 2 1 ) 适用于微型桩与滑移面垂直的情况。当微型桩布置与滑移面斜交 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时，设夹角为0 ( 如图2 1 所示) ，则微型桩所提供的抗剪能力为： 图2 1微型桩与滑移面斜交 c = 南 f 】 ( 2 - 2 ) 2 2 2 考虑桩与结构面相互作用的抗剪能力计算方法 在文献 1 9 】中讨论了考虑微型桩与结构面的相互作用，微型桩所能提供的最 大抗剪能力计算方法。该方法针对坚硬程度不同的岩石，分析了微型桩在结构 面处的破坏形式，综合考虑了结构面力学性质、岩体强度、微型桩中钢材的强 度及微型桩布置倾角对抗剪能力的影响。由于该方法所建立的模型对于本章要 研究的顺层岩质边坡也适用，为本文研究内容的完善性，下面引用该文献的方 法分析桩与结构面相互作用的抗剪能力。 微型桩与结构面相互作用的计算模型如图2 2 所示，模型为由一条平面结 构面切割形成的两个岩块和一根穿过该结构面的微型桩所组成的简单结构，上 部岩块表示不稳定岩体，下部岩块代表稳定基岩。在模型中各符号所代表的意 义如下：秒为微型桩与结构面法线的夹角，万为微型桩桩体位移与结构面的夹 角，u 为微型桩在结构面处的位移。 在微型桩与结构面交界处，由位移引起的微型桩桩体内的反力为r ( 如图 2 - 2 b ) ，反力r 与桩体之间的夹角为善，反力尺的分量为法向力尺和剪切力j r r 。 r ，= r c o s ( 2 3 ) r r = r s i n # ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( b ) 图2 2 微型桩加固结构面的计算模型 微型桩的加固作用可分为两个方面： ( 1 ) 桩体受拉产生的轴向荷载尺，如式( 2 3 ) ； ( 2 ) 可被称为“销钉效应”的剪切力r r ，如式( 2 4 ) 。 当万大于结构面的剪胀角时，结构面开裂，微型桩对结构面的抗剪力为： c = r s i n ( 0 + 孝) ( 2 5 ) 当万等于结构面的剪胀角时，沿结构面产生剪切位移，微型桩对结构面的 抗剪力为： c = r s i n ( o + 孝) + r c o s ( 0 + 孝) t a n 缈 ( 2 6 ) 由于桩体与两个岩块的相互作用，两个参数尺和 无法直接确定。 由于微型桩桩径较小，而且配筋较多，其加固结构面的破坏机理类似锚杆， 主要包括两种： 奠7 7 ( a )( b ) 图2 3 结构面附近微型桩破坏形式 ( 1 ) 在坚硬岩体中( 单轴抗压强度r 大于1 0 0 m p a ) ，在与结构面相交处 因剪切和受拉而破坏( 图2 - 3 a ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 2 ) 在较软的岩体中( 单轴抗压强度尺。小于1 0 0 m p a ) ，微型桩与结构面 相交处产生两个塑性铰，两个塑性铰中间的微型桩倾角增大且桩体破坏主要是 由于拉应力作用( 图2 - 3 b ) 。 图2 - 4 给出了微型桩破坏时倾角变化量a 0 与单轴抗压强度的关系，并应 满足下列条件： 图2 _ 4 微型桩破坏时倾角的变化 p + a 0 7 0 。 ( 2 7 ) 因此，根据前面论述的微型桩的作用，在微型桩达到极限平衡状态时，微 型桩与结构面法线的夹角秒必须由秒，替代： 够= 秒+ a 0 ( 2 8 ) 微型桩破坏时的倾角已经给出，这就可以利用最大塑性功原理来确定尺和 孝。 假定钢材的屈服极限判据由下式表示： 防r u + 2 + 盖小。 协9 ， 式中：0 一桩体的抗拉屈服极限轴力； 鹏一桩体的抗剪屈服极限剪力； m 一微型桩与结构面交界处的弯矩； m 。一极限弯矩。 由于对称的关系，假定微型桩与结构面交界处的弯矩等于零。那么该段桩 体内的极限荷载尺，便处于( n ，t ) 平面内一椭圆上，如图2 4 所示。 对于任一位移u ，最大塑性功原理叙述为：对于任一适宜外载尺，材料极限 荷载必须满足下列条件( 图2 5 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 n 一刀 分一 v ? ? 西 弘n o 灿鼬 图2 5 微型桩临界荷载吼的确定 ( 心一r ) u 0 ( 2 1 0 ) 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 9 ) 中，同时引入式( 2 1 0 ) ，由此可得到： 掣意 l ，2 1 1 ， o 【- 1 + ( t a n 2 孝) 2 j ( 2 一) t a l l 孝= 2 d 窖( p r + 万)i 由式( 2 1 1 ) 可以看出，评估微型桩加固力的重要参数有： ( 1 ) 微型桩中钢筋的横截面积；( 2 ) 钢材的屈服极限；( 3 ) 微型桩的倾角： ( 4 ) 结构面的摩擦角；( 5 ) 结构面的剪胀角；( 6 ) 岩体强度。 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 6 ) 中，可得单根微型桩提供的抗剪能力为： c = ( 口+ b t a n 伊) n o ( 2 1 2 ) 式中： 口= t 器 2 s i n c 够+ 孝， 。2 。3 ， 舻l 而前j8 1 n 【 纠i，、 6 - 嵩锛 l 2 c 似刊 表2 1 给出了当万= 0 、= 0 5 时参数a 、b 的值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 - 1 8 = 0 、= 0 5 时参数a ，b 的值 r 。( m p a ) 2 5 5 07 51 0 0 目= 0 。 口0 6 2 0 5 6 0 5 lo 5 0 b0 5 00 3 8o 1 70 目= 1 5 。 口o 7 70 6 80 6 00 6 2 b0 4 90 5 0o 4 4o 3 9 0 = 3 0 。 口o 8 80 8 3o 7 30 6 6 b0 - 3 90 4 20 5 00 4 9 0 = 4 5 。 口o 9 6o 9 60 8 50 7 9 b0 2 60 2 60 4 30 4 7 0 = 6 0 。 口0 9 6o 9 60 9 40 9 0 b 0 2 60 2 60 2 80 3 6 2 2 3 算例分析 下面通过一个算例，讨论比较这两种微型桩抗剪能力计算方法的结果。 渝怀线d k 3 7 5 + 5 4 0 工点采用微型桩加固顺层路堑边坡。该工点属于中低山 斜坡地貌，线路行进于坡角变坡地带，地形左低右高，自然坡度1 5 0 3 0 0 。线 路以挖方通过，路堑中心最大深度为1 1 9 9 m ，基岩大面积裸露，为寒武系中统 平井组灰岩、白云岩、隐晶质结构，中厚层状，岩层倾向线路，走向与线路间 的夹角2 0 5 0 ，岩层倾角3 1 3 0 ，右侧边坡开挖坡率l ：0 5 。地表石笋、溶沟、 溶槽、溶缝等岩溶形态发育，植被较差。右侧路堑边坡