（岩土工程专业论文）刚性帽梁微型桩组合结构内力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 微型桩的应用范围已经不仅仅局限于承受竖向荷载的工程，其承受横向荷载的能 力也逐渐被人们所发掘利用。国内对于微型桩在边坡工程中的应用研究较少，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。 ( 1 ) 本文总结了微型桩在国外的发展及应用情况，阐述了边坡失稳防治措施及 微型桩抗滑机理、特点和优势；提出了组合结构顶板仅发生刚性平动的基本假设；介 绍了微型桩组合结构单桩的基本构造和微型桩组合结构的基本构成以及微型桩加固 边坡的布置形式；介绍了微型桩组合结构在边坡治理中的主要受力模式和滑坡推力的 主要计算方法。 ( 2 ) 以3 3 刚性帽梁微型桩组合结构为例，从组合结构的内力计算方法推导入 手，总结了组合结构桩体的内力计算理论、方法，提出了针对不同类型边坡采用“k ” 法或“朋 法进行结构内力计算的方法。通过数值模拟分析微型桩组合结构抗滑能力 和桩体变形、内力分布规律，和内力计算理论进行比较分析。 ( 3 ) 通过室内模型试验，研究微型桩组合结构在边坡工程中的抗滑作用和效果 及微型桩组合结构在滑坡推力作用下的位移变化规律以及顶板变形规律；研究微型桩 组合结构桩体的内力分布规律，分析实验数据，和前面的计算理论进行对比，以期为 工程中的微型桩组合抗滑结构计算理论和方法提供一定的依据。 ( 4 ) 总结了刚性帽梁微型桩组合结构设计的基本理论和要点。 关键词：微型桩；刚性帽梁微型桩组合结构；抗滑机理；法；历法；模型试验；设 计理论 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 曼曼量蔓曼鼍皇曼曼曼i一1 _ 。a l m 薯鼍皇曼曼鼍 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fm i c r o - p i l e sh a v e b e e nu s e dn o to n l yt ow i t h s t a n dv e r t i c a ll o a d ，b u t a l s ot ow i t h s t a n dl a t e r a ll o a d i ti sr a r eo fm i c r o p i l e sf o rt h ed o m e s t i ca p p l i c a t i o ni nt h e s l o p ee n g i n e e r i n gr e s e a r c h a l t h o u g ht h e r eh a v eb e e nn u m e r o b sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s e n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t sa n de c o n o m i cb e n e f i t s ，b u tt h et h e o r yi s v e r ys c a r c e ( 1 ) t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - p i l e si na n da b r o a d ，d e s c r i b e s t h ec o n t r o lm e a s u r e so ft h es l o p ef a i l u r ep r e v e n t i o n ，a n t i s l i d i n gm e c h a n i s m ，f e a t u r e sa n d a d v a n t a g e so f m i c r o p i l e s 。t h eb a s i ca s s u m p t i o n so fc o m p o s i t e s t r u c t u r ei sp r o p o s e dw h o s e r o o fo c c b r so n l yr i g i dm o v e m e n t t h eb a s i cs t r u c t u r eo fs i n g l e p i l ea n dm i c r o 。p i l e c o m p o s i t es t r u c t u r ea n dt h el a y o u to ft h es l o p er e i n f o r c e m e n ti s c o m b i n e d t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ef o r c em o d e la n dt h em a i nc a l c u l a t i o nm e t h o d so fl a n d s l i d et h r u s ti ns i d e s l o p er e m e d i m i o np r o g r a m e s ( 2 ) a sa ne x a m p l et ot h e3 3m 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 ei n t e r n a l f o r c e c a l c u l a t i o nm e t h o do fm i c r o p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r ew i t hr i g i dr o o fi sd e r i v e d ，a n dt h e d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fc o m p o s i t es t r u c t u r ei ss u m m a r i z e d f o rd i f f e r e n tt y p e so f s l o p e ”k ”o r ”m ”m e t h o di su s e df o rt h ec a l c u l a t i o no f i n t e r n a lf o r c e n u m e r i c a la n a l y s i si s u s e dt oa n a l y s i st h ea n t i s l i d ea b i l i t y ，p i l ed e f o r m m i o na n dt h ei n t e r n a lf o r c ed i s t r i b u t i o no 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 et oc o m p a r ea n da n a l y s i s t h et h e o r yo fi n t e r n a lf o r c e e a l c u l a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h el a b o r a t o r ys t u d y ，t h ee f f e c t i v e n e s so fa n t i - s l i d e ，a n dt h e d i s p l a c e m e n td i s c i p l i n e a n dr o o fd e f o r m a t i o nd i s c i p l i n eo ft 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 ei sr e s e a c h e d t h i sp a p e rr e s e a r c h st h ei n t e r n a lf o r c ed i s t r i b u t i o no fp i l e ，a n d a n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h i sp a p e rp r o v i d e sab a s i s f o rt h et h e o r ya n dm e t h o do f c a l c u l a t i o no ft h em i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r ei ne n g i n e e r i n gp r o g r a m s ( 4 ) t h et h e o r ya n dk e yp o i n t so fd e s i g nf o rt h em i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u c t u r ew i t h r i g i dr o o fi sc o n c l u s e d k e y w 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 e s t r u c t u r ew i t hr i g i dr o o f ；a n t i - s l i d i n g m e c h a n i s m ：”k ”m e t h o d ； ”m ”m e t h o d ；m o d e lt e s t ；d e s i g nt h e o r y 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 不保密仞，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：舀】- 象伟 同期：a 口，d 铲2 g 蓉砂 自忆 ，了 1 ，l i j i 一刮 d 卢 ， ： o 名 a 签 ： 师 期 老 日 导指 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： 1 参与了依托项目的试验方案制定、数据采集和资料分析工作。 2 以3 x 3 刚性帽梁微型桩组合结构为例，从组合结构的内力计算方法推导入手， 总结了组合结构桩体内力计算理论、方法，提出了针对不同类型边坡采用“k ”法或 “聊”法进行结构内力计算的方法。 3 通过室内模型试验和数值模拟分析，研究微型桩组合结构在加固边坡工程中的 抗滑作用和效果及微型桩组合结构在滑坡推力作用下的位移变化规律以及顶板变形 规律。研究微型桩组合结构桩体的内力分布规律，分析实验数据，和自i 面的计算理论 进行对比。 4 总结了刚性帽梁微型桩组合结构设计的基本理论和要点。 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：辱l ，袈佑 同期：弘0 l p 厶2 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 目前，微型桩的应用范围已经不仅仅局限于承受竖向荷载的工程；其承受横向荷 载的能力也逐渐被人们所发掘利用。但是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。 微型桩治理中小型滑坡在边坡工程中已经得到了一定的应用。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。 本文研究了刚性帽梁微型桩组合结构，即假定微型桩组合结构的顶板在荷载作用 下发生平动，这种假设基于作用于微型桩组合结构上的荷载不是特别大的情况下，组 合结构的顶板刚度较桩体大很多，可以认为顶板发生刚性平动。本文以工程中常用的3 3 微型桩组合结构为例，从组合结构桩体内力计算方法推导入手，总结刚性帽梁微型 桩组合结构内力计算理论、方法；依托广巴高速公路科研项目，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。通过数值模拟分析刚性 帽梁微型桩组合结构抗滑能力和桩体变形、内力分布规律，和内力计算理论进行比较 分析；通过室内模型试验，研究微型桩组合结构在加固边坡工程中的抗滑作用和效果 及微型组合桩在滑坡推力作用下的位移变化规律以及顶板变形规律。分析实验数据， 以期为工程中的微型桩组合抗滑结构计算理论和方法提供一定的依据。 1 2 微型桩的应用发展历程 微型桩一般是指桩径在7 0 - 3 0 0m l 1 之间的小直径钻孔灌注桩，长细比较大( 一般大 于3 0 ) ，采用钻孔、强配筋和压力注浆施工工艺成桩【。其主要特点主要有：对土层适 应性强，桩位布置形式灵活；施工机具轻便、简单；施工中的振动、噪音较小，对环 境公害小；采用二次注浆，与同体积灌注桩相比，承载力较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 微型桩的应用最早始于2 0 世纪5 0 年代的意大利【2 1 ，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。 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【4 1 。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 r a 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【5 】。这些是我国最早使用微型桩的一些工程实践。 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 ) 计算微型桩锚固长度和钢筋与锁口梁的粘结长度，确定微型桩桩长 6 1 。 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，所以有提出了种经验的方法【_ 7 1 。 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【8 】，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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“聊”法计算。2 0 0 8 年，肖维民【9 】建立了力学模型 对平面刚架微型桩体系加固顺层边坡的抗滑机理进行了研究。吴文平【4 】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。周德培、王唤龙、孙宏伟【lo 】等人提出了以“k ”法为基础的微型 抗滑组合桩结构设计理论。 本文在前面研究的基础上，结合工程经验和实验数据，提出了微型桩组合结构顶 板在荷载作用下发生刚性平动的假设，建立相应力学计算模型，总结刚性帽梁微型桩 组合结构的内力计算理论，并通过室内实验和数值分析来验证计算理论的j 下确性。 1 3 边坡失稳防治措施及微型桩的特点和优势 1 3 1 边坡失稳防治措施 边坡是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形 式。边坡包括天然斜坡和人工边坡。前者是自然地质作用形成未经人工改造的斜坡， 这类斜坡在自然界特别是山区广泛分布，如山坡、沟谷岸坡等等；后者经人工开挖或 改造形成，如露天采矿边坡、铁路公路路堑与路堤边坡等等。作为全球性三大地质灾 害( 地震、洪水、崩塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳破坏严重危及到国家财产和人们 生命的安全。随着我国基础建设的大力发展，在矿山、水利、交通等部门都涉及到大 量的边坡问题，因此对边坡的正确认识，合理地设计、适当的治理，把边坡失稳造成 的灾害降低到最低限度，是岩土工程界的学者和工程设计人员必须考虑的问题。 一个边坡的失稳往往是多种因素的共同作用的结果，我们通常将导致边坡失稳的 这些因素归结为两大类。一是外界力的作用破坏了岩土体原来的应力平衡状态，如路 颦或基坑开挖、路堤填筑或边坡顶面上作用外荷载，以及岩土体内水的渗流力、地震 力的作用等，改变原有应力平衡状态，使边坡坍塌；另一类是边坡岩土体的抗剪强度 由于受外界各种因素的影响而降低，促使边坡失稳破坏，如气候等自然条件使岩土时 干时湿、收缩膨胀、冻结融化等，水的渗入、软化效应、地震引起砂土液化等均将造 成强度降低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 喜曼曼曼鼍皇舅寰曼曼量鼍m _ m ii 量鼍皇曼曼曼曼蔓舅曼曼曼曼曼曼皇曼景曼量篁曼笪曼曼量 边坡失稳的防治技术途径主要有：( 1 ) 减小滑坡下滑力或消除下滑因素。( 2 ) 增加 滑坡阻滑力或增加阻滑因素。任何边坡处治工程都是围绕上述两条途径，结合边坡地 形、地质、水文、滑坡形成机理及发展阶段，因地制宜采取一种或多种措施，达到防 止滑坡灾害产生或治理己发生的滑坡灾害的目的。 目前的治理措施主要有以下几种： ( 1 ) 改变坡体几何形态 这种措施主要是削减推动滑坡产生区的物质( 即减重) 和增加阻止滑坡产生区的 物质( 即反压) ，即通常所谓的砍头压脚；或减缓边坡的总坡度，即通称的削方减载。 边坡失稳破坏通常是由于边坡过高、坡度太陡所致。通过改变坡体几何形态，削掉一 部分边坡不稳定岩体，或增加阻止滑坡产生区的物质，使边坡坡度放缓，稳定性提高。 ( 2 ) 合理排水 由于水是形成滑坡的重要作用因素，特别是作用于滑动面( 带) 的水增大滑带土的 孔隙水压力，降低强度参数，减小阻滑力，因此修建排水工程总是治理滑坡中首先应 考虑的措施。排水工程包括将地表水引出滑动区外的地表排水和降低地下水位的地下 排水。一方面可以排除地表水。排除地表水的目的在于拦截、引离滑坡范围外的地表 水，使其不致进入滑坡区，或者将降落或出露在滑坡范围内的雨水及泉水尽速排除， 使其不致渗入滑坡体内。排除地表水工程包括防渗工程、集水沟和排水沟等。另一方 面是排除地下水。地下排水能大大降低孔隙水压力，增加有效正应力从而提高抗滑力， 故加固效果极佳，工程造价也较低，所以应用很广泛【1 1 】。 ( 3 ) 设置支挡结构 在改变斜坡几何形态和排水不能保证斜坡稳定的地方，常采用支挡结构物如挡 墙、抗滑桩、沉井和拦石栅等来防止或控制斜坡岩土体的运动。恰当的设计，这类措 施可用于稳定大多数体积不大的滑坡或没有足够空间而不能用改变斜坡几何形态治 理的滑坡。目前应用广泛且效果好的支挡结构物主要有抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚 索、格构锚固等 13 1 。 ( 4 ) 坡体内部加固 主要包括土锚钉、加筋土挡墙等。土锚钉由于金属棒、杆锈蚀速度的不确定性， 主要用于临时结构物。加筋土挡墙是指在土体中埋入有抗拉的单元以改善土体的总体 强度，可用于稳定天然及堆填边坡，支挡开挖边坡，因其既有粘聚性又有韧性，能承 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 受大变形，可使用的填料范围很广，比传统挡墙或桩造价低廉等优点而得到广泛应用。 ( 5 ) 坡面绿色防护 植被护坡是利用植被保水固土的原理稳定岩土边坡的同时美化生态环境的一种 新技术，是将岩土工程、恢复生态学、土壤肥料学等多学科结合成一体的综合工程技 术。由于这些防护方式本身的强度较低，所以只有在边坡本身稳定的前提下，植被护 坡技术可用于边坡浅层的防护。 1 3 2 微型桩的抗滑机理和优势特点 微型组合桩结构的抗滑机理主要表现在两个方面，其一是桩在滑面处提供了较大 的抗剪力，增大了滑面的抗剪能力；其二是桩与土形成了一个抗滑体，共同抵抗滑坡 推力【1 0 1 。 微型桩的材料一般是钢筋混凝土，这种材料为滑面提供了较大的抗剪力。另外微 型桩在滑面处应受剪而变形时桩与滑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，桩由受剪变为受拉，充分发挥了钢材的受拉优势。桩与土形成的抗滑 体其抗滑机理也很明显。微型桩组合结构通过顶梁连接后就和土体一起形成了较为牢 固的抗滑体，这种抗滑体就能保持稳定从而提供较好的抗滑能力。 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，微型桩有以下一些优势和特点： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 设计的灵活性大。可根据需要，变更钢管桩的每根单管的壁厚；还可根据 需要，选定适应设计承载要求的外径。桩长容易调节。由于钢管桩可以自由的进行焊 接接长或气割切短，所以很容易调节桩的长度，这样便可以顺利的进行施工。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。 ( 3 ) 施工迅速安全方便。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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。搬运、堆放操作容 易。钢管桩自重轻，不必担心破损，容易搬运堆放操作。节省工程费用、缩短工期。 由于钢管桩具有上述许多特点，若在实际工程中能充分利用这些特点，就可以缩短工 期。钢管桩是最适合于快速施工的。因此其综合经济效益高，相对而言可节省工程费 用。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 抗震能力较强。 1 4 本文的研究内容和方法 本论文研究对象为工程中常用的结构布置型式形如图2 - 1 、2 - 2 所示的3 3 微型桩 组合结构。该结构由9 根微型桩通过顶梁连接组成，顶梁一般由钢筋混凝土组成，其刚 度大大高于微型桩，因此可将顶梁视为刚体，在荷载不是特别大时，仅发生平动，所 以论文把此种组合结构称为“刚性帽梁微型桩组合结构。 本论文的研究内容和方法主要包括以下几个方面： ( 1 ) 阐述了边坡失稳防治措施及微型桩抗滑机理、特点和优势：提出了组合结构 顶板仅发生刚性平动的基本假设；介绍了微型桩组合结构单桩的基本构造和微型桩组 合结构的基本构成以及微型桩加固边坡的布置形式、微型桩组合结构在边坡治理中的 主要受力模式和滑坡推力的主要计算方法。 ( 2 ) 以3 x 3 刚性帽梁微型桩组合结构为例，从组合结构桩体内力的计算方法推导 入手，提出了针对不同类型边坡采用“k ”法或“m 法进行结构内力计算的方法。通 过数值模拟方法，分析微型桩组合结构抗滑能力和桩体变形、内力分布规律，和内力 计算理论进行比较分析。 ( 3 ) 通过室内模型试验，研究微型桩组合结构在加固边坡工程中的抗滑作用和效 果及微型桩组合结构在滑坡推力作用下的位移变化规律以及顶板变形规律；研究微型 桩组合结构桩体的内力分布规律，分析实验数据，和前面的计算理论进行对比。 ( 4 ) 总结刚性帽梁微型桩组合结构设计的基本理论和要点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章工程中常用的微型桩组合结构及其受力模式 2 1 工程中常用的微型桩组合结构 微型桩组合结构是由多根微型桩和桩顶顶板联接构成的( 图2 - 1 、2 - 2 ) 。单根微 型桩的具体构造如图2 3 、2 4 所示，单根微型桩由3 根妒3 2 的h r b 4 0 0 钢筋构成束 筋，微型桩孔径为1 5 0 m m 微型桩钢筋由等强度套筒连接，钢筋截断面应按钢筋混 凝土结构施工技术规范要求连接。 r r一一 i t _ 桩承台 l 2 图2 1 微型桩布置组合图图2 - 2 微型桩组合结构尺寸图 图2 - 3 单孔横剖面( 1 - 1 剖面) ( 图中单位：r a m )图2 - 4 单孔竖剖面( 2 2 剖面) illr 【卫 口 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 尺寸图2 2 中各符号的意义如下： r 微型桩的纵向( 滑坡推力方向) 间距( 单位：m ) 。 卜微型桩的横向( 垂直于滑坡推力方向) 间距( 单位：m ) 【4 1 。 微型桩承台可设计为圆形或方形，微型桩可以垂直布置，也可以倾斜布置( 如图 2 - 3 ) 。许多学者的研究证明，微型桩倾斜布置时，组合结构承受侧向荷载的能力更强， 但微型桩的计算就会趋于复杂，本文为了研究的方便，只研究微型桩竖直布置的抗滑 微型桩组合结构。 ( 1 ) 微型组合桩的间距 如果微型桩布置的间距过小，在经济上就显得不合理，但其间距必须能保证微型 桩与其间的岩土体构成整体。理论上讲，极限间距为岩土体绕微型桩发生塑性流动的 临界间距。临界间距不仅与微型桩的直径有关，也与桩间岩土体的性质有关。临界间 距的问题相当复杂，论文不对其进行详细的讨论，只将其纳入构造要求的范围。 ( 2 ) 锚固深度 微型桩的锚固深度与稳定底层的强度、滑坡推力、微型桩桩的刚度、微型桩的截 面积和间距有关，还与如何考虑桩前滑体的剩余抗力有关，牵连复杂。锚固深度过浅， 稳定性差；锚固过深，会造成不必要的浪费。首先，微型桩的锚固深度必须能保证微 型桩在受拉时不被拔出；其次，需保证足够的锚固深度使得微型桩按弹性桩工作。 2 2 微型桩组合结构加固边坡的布置形式 按照微型桩组合抗滑结构在坡体的设置位置，将其分为有三种形式，即坡面加固 型、平台加固型和坡脚加固型。 2 2 1 坡面加固型 图2 - 5 是坡面加固型微型桩的几种组合形式。对于每层较为完整的顺层坡体，往 往在其相对薄弱的层面间发生滑移破坏，设计时关键问题是增强薄弱层面间的抗剪强 度，此时可采用独立布置的单根微型桩加固，如图2 - 5 a 所示。对于每层岩体较为破 碎的坡体，为了增加微型桩的抗弯能力，可以将各单根微型桩进行纵向连接，如图 2 - 5 b 所示。对于浅表层容易产生滑易破坏的坡体，可将单根桩横向连接以加固易滑 移层，如图2 5 c 所示。匿2 - 5 d 是将单根桩进行纵横向连接成框架结构，用以加固 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 i i 较为破碎而又容易发生浅表层滑移破坏的坡体【1 0 】。 a 单根桩加i 司 c 单根桩横向连接加同d 单根桩纵横向连接成框架式加固 图2 5 坡面加固型微型组合桩 2 2 2 平台加固型 多级开挖的边坡一般在每级都设置一平台，有时可在平台处设置微型组合桩结构 用以加固坡体。图2 6 是一种形式的平台加固型微型组合桩，这种结构是将出露在平 台处的多根微型桩用一顶梁来固定。顶梁形状根据工程情况可以是矩形、正方形、圆 形等，也可在顶梁上加预应力锚索( 锚杆) ，以增强其抗滑能力。图2 6 a 中桩向下的 形式可以是倾斜式或直立式，图2 - 6 c 中微型桩在顶梁上的布置是三排桩，根掘需要 也可以是更多排数的桩。 a 断面图 ! 鱼 a - 1 ，：lj：一 - j b 正面图 图2 _ 6 平台加固型微型组合桩 2 2 3 坡脚、坡体内与坡项布置的微型组合桩 车困正 至 j 至 j 。 c 桩的布置图 图2 7 是坡脚、坡体内与坡项布置的微型组合桩。对于设置在坡脚的微型组合桩， 应该和坡面防护结台起来。例如图2 7 a 中坡面采取了喷锚或植被防护，图2 7 b 和 鞋鑫 徭彩 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 曼曼量曼舅曼曼曼曼舅曼鼍曼曼曼量量曼毫曼曼曼舅! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼量曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼量曼曼曼曼曼! ! 曼邑曼曼曼曼曼曼量曼曼i l li i i i 曼曼! ! ! 曼曼鼍曼 图2 7 c 采用了埋入式的组合桩，以便于平台和坡面采用植被防护，增加更多的景观 效果。图2 - 7 d 是设置在坡顶的微型组合桩，这种结构在设计时应重点考虑坡顶建筑 物在坡体内引起的附加荷载。 a 坡脚微型组合桩b 坡脚埋入式微型组合桩 c 坡体内埋入式微型组合桩 d 坡顶加l 司的微型组合桩 图2 - 7 坡脚、坡体内与坡顶布置的微型组合桩 坡体内如果有滑面存在时复合结构的微型桩主要起抗滑作用，此时结构上承受滑 坡推力。若无滑面时，则主要起支挡作用，此时结构上承受土压力。 上述几种微型桩组合抗滑结构形式虽然已不同程度地应用于工程，但设计理论还 严重滞后，需要进一步加以研究。 2 3 微型桩组合结构的受力模式 微型桩组合结构承受横向荷载时，荷载可以简化成为矩形均布荷载、三角形荷载 和梯形荷载。荷载主要有来源于存在滑坡的边坡产生的滑坡推力和不存在潜在滑体的 病害边坡的土压力。 一般情况下，对于不存在潜在滑体的病害边坡，桩后土体为非黏性土时，会对支 挡结构产生三角形荷载；对于桩后土体为黏性土的边坡，会对支挡结构产生梯形荷载。 对于存在不稳定滑体的边坡，可以视滑体的岩土体类型和几何分布状态确定滑坡推力 的分布形式，一般情况下，对于岩土体性质较好，滑面倾斜角度较大的边坡，滑体会 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 产生类似均布荷载的滑坡推力，对于滑体较松散，滑面倾斜角度不大的边坡，会产生 近似于三角形或梯形分布的滑坡推力。具体的滑坡推力分布形式要依据实际工程资料 来科学确定【4 0 训】。 对于不存在潜在滑体的一般病害边坡，支挡结构要承担的荷载来源于桩后土体的 土压力。土压力的计算要视具体情况而定，主要的计算依据有朗肯土压力理论、库伦 土压力理论等【4 1 1 。微型桩组合结构应用于在滑坡治理时，主要承担病害边坡产生的滑 坡推力。 滑坡推力的大小是边坡病害防治的主要设计依据。由于边坡失稳破坏的多样性和 复杂性，对边坡的稳定性评价方法也是多种多样，就滑坡推力而言没有一种适用于所 有情况的万能方法。在实际工程中，应该是具体情况具体分析，下面就对滑坡推力的 定量确定方法进行综述。从大方面讲，边坡稳定性分析的定量计算方法的研究可分为 三大类，一是刚体极限平衡法；二是数值计算方法；三是引用新行学科的理论的评价 方法，例如模糊方法、灰色系统理论、聚类分析法、专家系统、神经网络、遗传算法、 可靠度方法等等。但是从工程实践的角度，以前面二者应用的较多，发展比较成熟， 实用性较强3 4 - 3 7 1 。 下面介绍在工程领域常用的滑坡推力计算方法一传递系数法。传递系数法是我 国水利、交通和铁道部门在核算滑坡稳定性时普遍使用的方法【1 71 8 】，在滑坡治理中， 传递系数法是计算折线滑面或组合滑面滑坡剩余下滑力和稳定性的常用方法，在相关 规范中也明确规定将其作为折线形滑坡稳定性分析和滑坡推力计算的方法【3 4 1 。 图2 - 8 传递系数法条分受力计算示意图 图2 - 8 是传递系数法各个条块受力示意图。现做如下假定： ( 1 )滑坡块体自身的互相挤压不计； ( 2 ) 滑坡系整体沿折线形滑面下滑； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 )取i m 宽的土条作计算的基本断面，其两侧的摩阻力不计； ( 4 )滑坡的剩余下滑力作用方向平行于滑面。 取第i 条块为分离体，将各个力分解在该条块滑面的方向上，根据静力平衡条件， 可得到如下力学平衡方程方程： e 一彬s i i l q 一互一lc o s ( a f - 1 一g c f ) + 【彬c a 3 s 口f + 互一1s i n ( a h a j ) t a n 驴i + c i f = 0 ( 2 一1 ) 由上式可以得出第j 条块的剩余下滑力历即： 巨= 彬s i n a _ f 一彬c a ) s 口ft a n 伊i q + e l ( 2 2 ) 上两式中： 历第f 条滑体剩余下滑力； 最l 第f 一1 条滑体剩余下滑力； 形第f 条滑体的重量； 尺f 第f 条滑体的滑床反力； 传递系数，= c o s ( a 一1 一) 一s i n ( a _ 一l 一口f ) t a n 谚； c f 第f 条滑体滑面上岩土体的粘聚力； 靠第f 1 条滑体的滑面长度； 谚第f 条滑体滑面上岩土体的内摩擦角； 必第f 条滑体滑面倾角： 哆一。第卜l 条滑体滑面倾角； 计算时，从上往下逐块进行。如果最后一块的厶为正值，说明滑坡体是不稳定 的。如果计算过程中某一块历为负值或为零，则说明本块以上岩土体已经稳定。 实际工程中，计算滑坡体的稳定性还要考虑安全储备问题，选用的安全系数k 应 大于1 0 。在推理计算过程中如何考虑安全系数目前的认识还不一致，一般采用加大 自重下滑力来计算滑坡推力。即： e = k 形s i n a _ f 一形c o s a ft 锄仍一q + e l ( 2 3 ) 如果最后一块的乞为正值，说明滑坡体在此安全系数下是不稳定的。如果计算过 程中某一块历为负值或为零，则说明本块以上岩土体已经稳定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章刚性帽梁微型桩组合结构内力分析 3 1 刚性帽梁微型桩组合结构分析模型 3 1 1 基本分析思路 微型组合桩结构的抗滑机理主要表现在两个方面，其一是桩在滑面处提供了较大 的抗剪力，增大了滑面的抗剪能力；其二是桩与土形成了一个抗滑体，共同抵抗滑坡 推力。 微型桩的材料一般是钢筋混凝土，这种材料为滑面提供了较大的抗剪力。例如假 设桩中的钢筋是3 根直径为3 2 m m 的螺纹钢，如果钢筋的抗剪屈服强度为1 1 6 m p a ， 仅由这3 根螺纹钢提供的抗剪力就是2 7 8 4 k n t m 】。另外微型桩在滑面处应受剪而变形 时桩与滑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，桩由受剪变 为受拉，充分发挥了钢材的受拉优势【9 】。 桩与土形成的抗滑体其抗滑机理也很明显。若干根微型桩通过顶梁连接后就和土 体一起形成了较为牢固的抗滑体，顶梁一般由钢筋混凝土组成，其刚度大大高于微型 桩，因此可将顶梁视为刚体，在荷载作用下仅发生平动，可将这种结构简化为平面刚 架结构，如图3 - 1 所示，为典型的3 3 微型桩组合结构，顶板a d g 视为刚体，滑面 以上作用有分布荷载q ( 一般情况下，考虑为三角形或矩形荷载，对于梯形荷载，只 需将三角形和矩形荷载进行叠加即可) 。各微型桩顶端固定在顶梁内，在滑坡推力的 作用下随顶梁一起发生相同位移，因此在顶梁的约束下各微型桩和土体共同发挥抗滑 作用。本文基于这种设想，提出以横向约束的弹性地基梁方法为基础的刚性帽梁微型 桩组合结构内力计算分析理论。 堑童圣塑銮耋至：竺虿兰：竺兰三薹! ：l 图3 - l 刚性帽粱微型桩组合结构简化示意圈 考虑在不同的实际工程中坡体岩土特性不同本文主要考虑两种类型的岩土体 进行分析。其一：坡体岩性较好，较均匀，滑面以下岩土体岩性均一，采用芷法进行 刚性帽粱微型桩组合结构内力计算：其二：坡土体岩性较差松散，滑面以下岩土 体岩性均一，滑面以上采用法，滑面以下采用k 法进行刚性帽粱微型桩组合结构 内力计算分析。 312 计算假定 按照图3 1 的平面刚架结构。计算假定如下： ( 1 ) 滑面以下的各根微型桩固定在基岩内，滑面上下部分协调变形； ( 2 ) 剐性帽粱微型桩组合结构在滑面以上承受的滑坡推力假设为分布荷载，一般 情况下，荷分布形式考虑为三角形或矩形对于梯形荷载只需将三角形和矩形荷载 进行叠加即可； ( 3 ) 各微型桩与顶粱的连接为固定连接，与桩相比顶粱视为刚性构件： ( 4 ) 假设桩土相互作用按受横向约束的弹性地基梁考虑5 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 _l i-,i i _ i i , , 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼兰 3 1 3 基于k 法的地基梁挠曲微分方程的建立 图3 2 ( a ) 表不一弹性地基梁受荷载作用时，地基系数为乜梁底反力为p ( x ) ， 梁和地基的竖向位移为m ) ，在分布荷载段取出，作用在该单元上的力如图3 2 ( b ) 所示，考虑作用于单元上竖向的静力平衡条件得： 矿一 v + d v l + b p ( x ) d x - q ( x ) d x = 0 华：p ( x ) b 一口( x )_ =一口【x j 由于y ：掣，上式可以写成： 4 x 罂：6 p ( x ) 一g ( 工) ( 3 _ ：一= d p i xj 一口l 工jl j lj x l a j【b ) 图3 - 2 弹性地基上的梁，( 曩) 受力分析筒图，( b ) 分离体d x 上的力 根据材料力学，梁挠曲度y 得微分方程为： e b lb 冬一m 将该式对x 再取两次导数，代入式( 3 - 1 ) 得： 瓦厶袤d 4 v = 一6 p ( 工) + ( 3 2 ) 根掘接触条件，沿梁全长任一点地基变形应等于相应点的挠度，即s 7 ，则： p = 砂 式( 3 - 2 ) 可写成 md + vm弋，h，v 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 e b l bd 甜 y = 一坳+ g ( x ) ( 3 3 ) 上式中 毛、i b 梁的弹性模量和惯性模量，k n m 3 、m 4 ； b 梁的宽度，m 4 ； 式( 3 3 ) 即为文克尔地基上梁的基本挠曲微分方程，基本未知函数为梁的挠度 荆，是一个四阶常系数线性非齐次微分方程，为了求解式( 3 3 ) ，先考虑梁上无荷 载分布，即令g = o ，则式( 3 - 3 ) 可写成： 毛l 万d 4 y = 一坳 ( 3 4 ) 上式为一常系数线性齐次方程式，令y ( x ) = e “，代入式( 3 - 4 ) 得： e 6 ，6 m 4 = - k b 令：五= 式( 3 - 4 ) 可写为： 窘枷扯。 式中： 月_ 一弹簧地基的柔度特征值，m 一，a 值越大，说明梁的刚度越小。 微分方程( 3 - 6 ) 的通解为： ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) y = e 叙( ge o s ；l x + c 2s i n2 x ) + e 一厶( c 3c o s , 元x + c , s i n 2 x ) ( 3 - 7 ) 式中 c ，、o 、o 、c 广待定常数，由边界条件确定。 3 1 4 基于聊法的地基梁挠曲微分方程的建立 根据w i n k e r 假定，将微型桩视为作用在地基上的梁体，如图3 3 所示。地基土作 用在地基梁上的抗力p ( k n m ) 可以用下式表示： p = k 。y b o 式中： 6 0 _ 地基梁( 桩) 的计算宽度； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第】7 页 l 一水平位移； t 土的水平抗力系数( 地基系数) ，k n m 3 。 其中：t = b ”。 假定地基系数随深度呈线性增加，即：n = l ，女，= ，“。这里m 为比例系数。此法 称为m 法。 魄”骂 图3 - 3m 法地基集受力图 一f “一 ”t il lh o ”“。 q i f i _ 瞬3 _ 4 扛段受力分析示意圈 取如图3 - 4 所示微分段为研究对象，建立粱( 桩) 体在荷载作用下地粱的挠曲线 方程，由f = o 得： ( q + d 9 9 一尸( z ，y ) d x + q ( x ) d # = 0 ( 38 j 所以 望d x ；p ( x , y ) - q ( j ) 3 9 因剪力q 与弯矩村间的关系为q ：掣，所以 升 华：掣：p ( x , y ) - q ( 对 ( 3 1 0 ) 出 、7 从材料力学研究粱的纯弯曲问题知： 日1 2 ；一 ( 3 一1 1 ) j 血 其中，y 是任意深度，处桩的挠度e 为桩的弹性模量( k p a ) ，i 为桩的截面惯性 矩( m 3 ) ，e 是桩的抗弯刚度。这里需要说明的是，式( 3 一1 0 ) 是研究粱的纯弯曲