（岩土工程专业论文）抗滑微型桩组合结构的计算理论研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 u 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。 本文首先收集了国内外目前关于微型桩的研究资料，将已用于实际工程 的微型桩进行分类，将本论文主要研究的微型桩组合结构纳入其中一种分类， 阐述这种结构在滑坡治理工程中的作用机理。沿着这条思路，本文进一步结 合模型试验与计算理论讨论了抗滑微型桩组合结构的设计方法，最后结合工 程实例对理论计算进行验证。通过研究，本论文主要的主要工作和成果如下： ( 1 ) 广泛收集了国内外关于微型桩应用和理论计算的资料，对目前已有 的微型桩结构进行分类，从而突出了本论文要讨论的抗滑微型桩组合结构。 其次分析了该结构在滑坡治理中的作用机理。最后给出了抗滑微型桩组合结 构的设计流程图。 ( 2 ) 简单介绍了两种安全系数定义下滑坡推力的计算公式，并且认为定 义安全系数为滑块滑动面上抗剪强度与剪应力之比计算出来的滑坡推力更符 合实际情况，同时也简要介绍了滑坡推力在组合结构上的分布形式，最后定 义了抗滑微型桩组合结构的结构间距，并推导了结构间距的理论计算公式， 也讨论了这个理论计算公式的使用条件及使用方法。 ( 3 ) 以3 3 的抗滑微型桩组合结构为例，针对其的受力特点，通过合理 假设和简化得到其计算的力学简化模型，创造性地给出了两种确定微型桩内 力的两种估算方法：线性位移假设法和抛物线位移假设法，两种方法互相验 证。运用m a t l a b 的符号运算功能，给出了滑面以上部分的微型桩内力表 达式。 ( 4 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 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。 ( 5 ) 结合实际工程，依据理论公式计算抗滑微型桩组合结构的内力，同 时验证两种计算方法即线性位移假设法和抛物线位移假设法的可靠性。 关键词微型桩；组合结构；抗滑桩：滑坡推力；结构间距；位移假设法： 模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 a b s tr a c t m i c r o - p i l ei sat y p eo fs 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 s b e t w e e n10 0a n d3 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 e t 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 f m 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 gc a p a c i t yo fm i c r o p i l eh a v eb e e n c 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 oa b l et or e s i s tl a t e r a l l o a d s i ti s h e l p f u l f o re n g i n e e r st oa p p l ym i c r o - p i l ei n s u p p o r t i n gp r o je 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 e a d v a n t a g e s o fa p p l y i n g m i c r o - p i l e ，a t t e n t i o n s a r e p a i d t o m i c r o p i l e a n d m i c r o p i l e s a r eu s e di nf o u n d a t i o n p i ts u p p o r t i n g ，s l o p ec o n t r o l l i n g a n d r e c o n s t r u c t i o n p r o je c t s a f t e re a r t h q u a k e h o w e v e r , t h et h e o r yo n m i c r o p i l e a 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 er e s e a r c h s 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 i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so f c o l l e c t i n gr e s e a r c hd a t ao nm i c r o p i l ea th o m e a n da b r o a d ，m i c r o p i l ei sc l a s s i f i e di n t od i f f e r e n tt y p e s t h em i c r o p i l ec o m p o s i t e s t r u c t u r es t u d i e di nt h ep a p e ri so n ek i n do fm i c r o p i l e s t h ee m p h a s i so ft h i s p a p e r i sl a i do 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 ec o m p o s i t es t r u c t u r e t h e d e s i g nm e t h o do fa n t i - s l i d i n gm i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r ei sd i s c u s s e db y c o n s i d e r i n gb o t hm o d e lt e s ta n dt h e o r yr e s e a r c h a n dap r o je c tc a s ei sd e s i g n e d o 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 印e r b yd e e ps t u d i e si nt h i s t 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 ed r a w n ： ( 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 fm i c r o p i l ea t h o m ea n da b r o a da n d c l a s s i f y i n g i ti n t od i f f e r e n tt y p e s t h e a n t i s l i d i n g m e c h a n i s mo fm i c r o - p i l ei sa n a l y z e da n dt h ed e s i g nf l o wc h a r to fm i c r o - p i l e s s y s t e mi sp r o v i d e d ( 2 ) t h et w ok i n d so fc a l c u l a t i o nf o r m u l a so fl a n d s l i d et h r u s ti sp r e s e n t e db y c o n s i d e r i n gt w od i f f e r e n ts a f e t yc o e f f i c i e n td e f i n i t i o n a n di ti sc o n s i d e r e dm o r e r e a s o n a b l et h a tt h el a n d s l i d et h r u s ti sc a l c u l a t e db yd e f i n i n gs a f e t yc o e f f i c i e n ta s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 t h er a t i oo fs h e a rs t r e n g t ha n ds h e a rs t r e s so nt h es l i d i n gs u r f a c e t h ed i s t r i b u t i o n f o r mo fl a n d s l i d et h r u s ti sd i s c u s s e db r i e f l y t h e nt h e s p a c i n g o fm i c r o p i l e c o m p o s i t es t r u c t u r ei sd e f i n e da n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ai sd e d u c e d ， t h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o no ft h ef o r m u l ai sa l s od i s c u s s e d ( 3 ) t a k i n g3 3m i c r o - p i l eg r o u pa sa ne x a m p l e m e c h a n i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e db yr e a s o n a b l eh y p o t h e s i sa n ds i m p l i f i c a t i o n ，a n dt w ok i n d so f e s t i m a t i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d ，o n eo fw h i c hi sl i n e a rd i s p l a c e m e n tm e t h o da n d t h eo t h e ro fw h i c hi s p a r a b o l ad i s p l a c e m e n tm e t h o d b yu s eo ft h es t r o n g s y m b o l i co p e r m i o nf u n c t i o n o fm a t l a b ，t h ei n t e r n a lf o r c ee x p r e s s i o no fm i c r o p i l e a b o v es l i ps u r f a c ei sp r o p o s e d ( 4 ) m o d e lt e s ti sd o n et os 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 n t r e n d ，d i s t r i b u t i o nf o r mo fl o a d sa 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 e m o m e n to fm 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 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 ea n dl o a dd i s t r i b u t i o n ( 5 ) c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lp r o j e c t t h ei n t e r n a lf o r c eo fm 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 i s c o m p u t e db yt h et w o k i n d so ft h e o r e t i c a lf o r m u l a s r e s p e c t i v e l y a n dt h er e l i a b i l i t yo ft w ok i n d so fd i s p l a c e m e n th y p o t h e s i sm e t h o d s a r ev 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 y w o r d 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 ；a n t i s l i d i n gp i l e ；l a n d s l i d e t h r u s t ；p i l es p a c i n g ；d i s p l a c e m e n th y p o t h e s i sm e t h o d ；m o d e lt e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 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“4 ”) 学位论文作者签名：丢昀 日期：加踔岳月习日 指导棚签名艄乞 日期：o 吕年6 月哆日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 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 集体己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。 学位论文作者签名：呈s 寻 日期：五嗵年6 月眵e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景与依据 第1 章绪论 边坡与滑坡是两种常见的地质灾害，可能会造成交通中断、河道阻塞、 水库失事、建筑物坍塌、厂矿掩埋等事故，从而造成生命财产的重大损失。 据统计2 0 0 5 年全国共发生各类地质灾害1 7 7 5 1 起，其中造成人员伤亡或直接 经济损失5 0 万元以上的地质灾害8 5 4 起，全年共造成人员伤亡1 0 2 1 人，其 中死亡5 7 8 人，失踪1 0 4 人，受伤3 3 9 入。其中滑坡灾害造成的损失占总损 失的5 2 8 1 】【2 1 。 基于上述认识，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千计的滑坡，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我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重型工程，单个抗滑桩就达数万元一数十万元，整个工 程动辄数百万【3 j 【4 i 。 因此，设计和研究在治理方面更有效在、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。本论文结合青海省交通科技项目新 型支挡结构微型桩组合结构作用机理研究，以龙穆尔沟滑坡治理和广巴 高速公路工程为素材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 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 人们逐渐认识到微型单桩也能承受较人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【5 1 。 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 年成功研制了一种扩底小 桩，解决了这类重荷载基础的地基处理问题，随后，这种小桩又大量应用于 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【6 j 。 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【7 j 。 1 9 9 3 年，法国政府资助了一个名为f o n d a t i o nr e n f o r c e sv e r t i c a l e m e n t ( f o r e 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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瞄j ，这是迄今为止最为完整地介绍微型桩的 著作。t o ma 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心j 。 一 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 fb 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一j 。 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 rb 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【l 。2 0 0 4 年，s u n g j 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【l 。 1 2 2 微型桩在我国的应用及发展 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 x1 5 0 m m x 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 1 2 】。这些是我国最早使用微型桩的一些工程实践。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 自此之后微型桩技术在我国迅速推广，现有文献【l 副 【博j 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，丁文光总结国外文献的基础上，认为微型桩处理滑坡的设计时 需要考虑破坏机理：( 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；同时也给出了粗略的设计步 骤：( 1 ) 计算滑坡推力；( 2 ) 计算相邻桩间土体塑性变形的稳定性，确定微 型桩横向间距；( 3 ) 计算结构的抗滑稳定性，确定微型桩的总数；( 4 ) 复合 截面的结构分析，确定微型桩的排距；( 5 ) 计算微型桩锚围长度和钢筋与锁 口梁的粘结长度，确定微型桩桩长【l9 | 。 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“n 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【6 j 。 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“k ”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，模拟滑床对桩一岩土体 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 “k 法或“m ”法计算。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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。文献 8 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 7 1 。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 8 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：y l z f l 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 微型的分类 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 ds 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 s s 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。将微型桩结构分类非常重要，不同类型的结构有不 同的受力特点和施工方法，在设计或施工时也采取不同的方法。 1 4 1 按用途分类 微型桩组合结构按用途可以分为结构承载型( s t r u c t u r es u p p o r t ) 和原位 加固型( i n s i t ur e i n f o r c e m e n t ) 。 1 4 1 1 结构承载型( s t r u c t u r es u p p o r t ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 接传递至持力层而允须新的桩帽( 图1 2 ) 。 1 9 9 0 年，b r u c e 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 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 q ， 图1 - 1 微型桩用作新基础图1 - 2 树根桩加固旧有基础 ( 3 ) 震后修复 图1 - 3 微型桩加固旧有基础 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 日本将微型桩，。泛应崩于震后重建工作中，这是凶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。微型桩能保证基础有更高 的承受拉压荷载的能力。 1 4 1 2 原位加固型( i n s i t ur e i n f o r c e m e n t ) 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 ( 口) ( c ) ( 6 ) 图i - 4 微型桩治理滑坡的布置型式 ( d ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 主要用于中小型边滑坡治理工程中，有时也应用丁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1 4 所示的四种形式。 结构型式( 口) 主要利用微型桩的抗剪能力平衡滑坡的下滑力，微型桩布 置尽量与滑面垂直；结构型式( 6 ) 主要利用微型桩与滑面以上土体的摩阻力 平衡滑体下滑力，微型桩的倾斜方向尽量与滑体的位移方向保持一致；结构 型式( c ) 主要利用微型桩组合结构的抗弯能力平衡滑体的下滑力，其结构可 以采用多种布置方式，微型桩可以倾斜布置，也可以竖直布置，微型桩承台 可以是圆形，也可以成方形；结构型式( d ) 为空间桁架微型桩体系，主要用 于坡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。 ( 2 ) 基坑支护 在深基坑支护设计中，一般把基坑侧壁土体当成荷载，作为支护结构的 “对立面”，土体的侧土压力是客观存在的，作为工程上的简化处理也可以理 解，然而，在工程实践中发现“土的白支承能力 很大，但被传统的支护理 论与方法给忽略了。事实上，土体也是一种材料，可以直接用作支护材料的 一部分，只是这种材料的“支承能力有限”，因此，如何充分发挥土体的白支 图1 5 网状微型桩的一种布置型式：网状微型桩挡土墙 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 承能力，补强其不足的部分，是进i j 二围护工程研究的一个方向，微桩挡土墙 就是基于这种理念的一种支护体系。 微桩挡土墙( 图1 5 ) 的工作机理类似于一般的重力式挡土墙，设计时 可以按照重力式挡土墙的设计方法设计，值得注意的是，微型桩挡土墙的抗 倾覆稳定性验算和重力式挡土墙有所不同，由于微桩加固了土体，所以倾覆 稳定性主要由微桩中的钢筋来承担，这样要计算钢管的抗拉压强度即可。同 理，也不需要计算地基承载力的验算。 ( 3 ) 倾斜建筑物的纠偏 微型桩进行建筑物纠偏充分利 用了微型桩的两个特点：其一，微 型桩与土体的良好粘结性，所以微 型桩能与土体组成一个复合结构： 其二，微型桩与倾斜建筑物基础也 有良好的衔接性，所以当微型桩土 复合结构发生倾斜时，就会“拉动 倾斜的建筑物，从而达到纠偏的效 果。从右图( 图1 - 6 ) 我们可以看 出，微型桩土复合结构有效地降低 了整个结构的重心，从而提高结构 物的稳定性，资料表明，微型桩的 这种纠偏能力已经成功应用与工程 实践。图1 - 6 微型桩纠偏倾斜建筑物 羧 ( 4 ) 微型桩土复合地基 注浆微型桩是通过一定的方法或手段在地基中先成孔，再在孑l 中置入设 计所要求的钢筋笼和注浆用的注浆管，经清孔后在孔中投入一定规格的石料 或细石砼，再用水泥浆液替代出孔中的水( 投细石砼时无此工序) 进行压力 注浆所形成同径或异径的桩。注浆微型桩复合地基是由桩间改良后的土与注 浆微型桩桩体组成的人工“复合地基，且由于注浆微型桩桩体本身有一定的 强度，在荷载要求不高的情况下，也可以按刚性桩进行考虑。因此其加固地 基的机理可以从以下三个方面去理解：( 以) 桩周土摩阻力的提高。经注浆后， 原来桩壁与周围土层接触不好的地方就会被强行压入的水泥浆强制充填，从 而使桩侧与桩周土体接触良好。( 6 ) 桩间土的改良作用。经注浆微型桩处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 后的地基桩问土的强度一般会提高1 0 3 0 。( c ) 桩体的作用。由于注浆微 型桩桩体的变形模量远远大于桩间土的变形模量，这样当注浆微型桩与周围 土体共同承担上部基底应力时，基底应力会向注浆微型桩桩体集中，静载荷 试验资料表明，仅占承压板面积约1 0 的微型桩承担了总荷载的5 0 6 0 ， 而占承压板面积约9 0 的桩间土仅承担了总荷载的4 0 5 0 。 1 4 2 按设计方法分类 这种分类方法非常重要，它直接为微型桩的设计提供指导。文献【8 认为 微型桩在空间上布置的疏密程度直接影响微型桩的工作原理和工作性能。所 以在设计前应当首先考虑微型桩的布置是稀疏的还是密集的。 ( 1 ) 微型桩布置稀疏时 微型桩布置较为稀疏时，微型桩不能与土体形成一个整体结构。在进行 微型桩设计时，每根微型桩独立承当结构荷载，需考虑桩土之间的相互作用。 这种微型桩结构一般用作传统桩的替代物，及可以承受竖向荷载( 图1 1 ) ， 也可以承受侧向荷载( 图1 4 c ) 。以微型桩布置较为稀疏为前提，文献 8 】详 细讨论了用做结构基础的这种微型桩结构，给出了确定微型桩长度、微型桩 承受竖向荷载和侧向荷载的计算公式。但是当这种结构用于滑坡治理时，其 设计方法要复杂得多，目前并没有统一的意见。 ( 2 ) 微型桩布置密集时 当微型桩布置较为密集甚至呈网状结构时，微型桩和其所包围的土体形 成整体结构( 图l 一5 ，图1 - 6 ) ，设计时，应把复合结构作为一个整体，无需 考虑桩土将的相互作用。该结构可以用于复合地基、深基坑开挖支护或者边 ( 滑) 坡治理工程。但其设计理论几乎是空白，文献【2 1 和 2 2 】用数值方法分 别讨论了微型桩复合地基和微型加固边坡时的一些基本规律，进一步的理论 探讨值得期待。微型桩在基坑支护时，我们把微型桩与土体组成的复合结构 当作重力式挡土墙，计算墙后土压力、挡墙自重及重心、验算挡墙强度，同 时也要验算挡墙的抗滑稳定性，值得注意的是，对于滑动稳定性的验算与挡 土墙设计并不相同，而是把微型桩当作抗滑桩来抵抗滑动力【2 7 l 。 这种分类方法已经得到广大工程师的认可，但关键问题是，判断微型桩 的疏密程度的标准难以确定，即当桩间距在哪个范围内变化时，我们可以认 为微型桩布置稀疏? 在微型桩用来治理滑坡中，若桩间距大于某个临界值时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 土体会绕微型桩发生塑性流动，所以可以用这个临界值来判断微型桩布置是 稀疏还是密集。当微型桩用作基础时这个临界值很难确定。不过可以肯定的 是，这个临界值与土体的性质有关，又因为注浆会影响桩间土体的性质，所 以这个临界值有时还与施工工艺有关。 1 4 3 其他分类方法 微型桩组合结构还可以按照施工工艺来分类，文献 8 按照注浆工艺将微 型桩分为四类，在此不再赘述。显然注浆工艺会影响桩间岩土体性质，在进 行微型桩设计时，应该适当考虑这种影响。 此外，对于桩一土水平相互作用问题，根据桩与周围土体的相互作用， 可将桩分为“主动桩”( a c t i v ep i l e ) 平l “被动桩 ( p a s s i v ep i l e ) 【弱儿2 4 j ：直接承 受外荷载并主动向土体传递应力的桩，称为“主动桩 ；桩上的侧向压力只是 由桩周围土体在自重或超载作用下发生变形和运动而引起，这样的桩称为“被 动桩 。显然，在主动桩中桩上的荷载是因，而土的变形和运动是果；在被动 桩中土体运动是因，它在桩身上引起的荷载是果。抗滑桩是典型的被动桩。 依据这种分类方法，微型桩也可以分为“主动微型桩”和“被动微型桩”。 1 5 本论文研究的主要内容 本论文研究对象为结构布置型式形如图1 7 所示的微型桩组合结构。按 用途分类，这种微型桩组合结构属于原位加固型的微型桩；按设计方法分类， 它又属于稀疏布置的组合结构按桩与岩土体的相互作用分类，它又属于典 型的被动桩。应为本论文集中研究该结构用于滑坡治理的工作机理和内力计 算理论，所以论文把此种组合结构称为“抗滑微型桩组合结构。 本论文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 抗滑微型桩组合结构与土体的相互作用 主要研究滑坡推力计算方法以及滑坡推力在抗滑微型桩组合结构上分布 形式；探讨滑坡推力在坡体与抗滑桩之间的传递机理，集中研究抗滑微型桩 组合结构的结构间距问题。 ( 2 ) 抗滑微型桩组合结构计算理论的探讨 根据抗滑桩的设计设计方法，提出抗滑微型桩组合结构两种计算方法： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( a ) 微型桩组合结构立面图( 6 ) 微型桩组合结构承台 图1 7 抗滑微型桩组合结构示意图 线性位移假设法及抛物线位移假设法，给出两种计算方法计算出的内力的最 终表达式。 ( 3 ) 室内模型试验研究 考虑现场岩土体的工程性质，对抗滑微型桩组合结构进行比例模型试验 研究，进一步验证论文给出的计算方法。 ( 4 ) 工程实例分析 对论文的主要研究成果与结论用工程实例等进行验证和进一步详细阐 明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章抗滑微型桩组合结构的设计 2 1 抗滑微型桩组合结构的设计要素及步骤 在进行抗滑微型桩组合结构的设计之前，必须要考虑此种结构的使用条 件。抗滑微型桩是一种侧向受荷桩，在滑坡推力的作用下，结构依靠埋入滑 动面以下部分的锚固作用和被动抗力，以及滑动面上结构前的被动抗力来维 持稳定。因此抗滑微型桩组合结构适合有明显滑面的滑坡，而且滑动面以下 应为较较完整的基岩或密实的土层，能为微型桩提供足够的锚固力。 抗滑微型桩组合结构在国内外的工程应用经验非常少，王恭先根据已有 的工程经验认为抗滑微型桩比较适合治理中小型滑坡【2 引。微型桩单位桩长较 一般抗滑桩和打入桩的造价要高，但有时考虑到微型桩的一