悬臂桩作为一种深层抗滑支挡结构.doc

悬臂桩作为一种深层抗滑支挡结构，因其具有抗滑能力强、节约建筑用地、施工便捷等优点，被广泛应用于加固岩土体切方及填方工程等领域。尽管悬臂桩的设计理论、施工技术正不断得到发展，但当前设计理论大多都基于平面假定，实际工程中常常遇到一些因设计理论简化而导致的变形破坏现象。其埋深一般不小于基坑深度。经设计和实际施工表明，单纯以基坑深度来定悬臂挡土桩的埋置深度，当地质条件差时因埋深偏小，易造成桩身倾翻的质量事故；但当地质条件比较好时，如埋深偏大，又将造成浪费。国内外不少学者对悬臂桩受力状态、破坏机理及计算模式等进行了多方面的研究,已取得了不少成果。对于悬臂桩，其设计理论从早期的静力平衡法、Blum法发展到目前常用的弹性地基梁法，随着计算技术的不断发展改进，其内力计算方法也日趋成熟。同时，以悬臂桩为主体的复合支挡结构类型也逐渐丰富起来。对于悬臂桩的分析是基于极限平衡条件下的假定,都大体上采用了弹性理论作为手段。其工作机理是凭借桩间的土拱效应将土压力或滑坡推力传递到相对静止的桩体,并通过桩身将荷载传递到稳定地层内。认为悬臂桩是以受弯变形为主的受弯构件,以滑坡面为界,面以上部分承受已知外荷载,桩后所受推力与桩前抗力二者分布规律相同,锚固段桩体一般承受两个对顶三角形分布形式的地层抗力,其抗力值控制在弹性应力允许值以内而不允许出现塑性区域,否则意味着地层失稳破坏,这是欠妥的。为防止桩间土体发生过大的变形，甚至绕流、垮塌现象，常在桩间加设挡土板或者桩间墙，共同支挡坡土体。这也对悬臂式桩支挡体系的设计提出了更高的要求，即不仅仅要保证桩体本身不破坏，桩顶变形应控制在允许值内，同时也要求桩间板、墙的设计须合理。2弹塑性设计理论分析2.1极限条件下抗滑桩的位移模式探讨 在极限条件下,抗滑桩的位移模式更多地表现为刚性桩,如图1所示,即: 图 1 弹性设计理论中极限条件下悬臂桩的位移模式按这一模式,当较大时,在滑体和滑床都可能出现图1（b）所示的三角塑性平衡区。然而按照弹性理论是不允许出现塑性区的,因此,国内工程界对此采取了两点对应措施:视桩前下块抗力为已知,取下块的剩余抗滑力或被动土压力两者中的较小值,从而解决了滑体区出现的塑性区域的问题;通过加大桩的断面尺寸和锚固深度,以限制转角,避免在滑床区出现塑性平衡区域。对此作以下的讨论:(1)一般性工程岩土并非都是都是理想的弹塑性材料。在弹性段和塑性段之间大体上都存在一个过渡阶段,即弹塑段,也称为硬化阶段。在此段内当应力一定时,应变并非都是无限地增大。如果我们能将桩前地层抗力控制在弹塑段的某一个值,则完全可能做到控制桩前地层的变形。(2)桩前地层的失稳破坏,并不取决于是否已出现塑性区,而是取决于最危险破裂面的剪应力是否超出了其最大的抗剪强度。(3)地基在局部范围内出现塑性平衡区,并充分利用其塑性抗力,塑性承载力的例子并不少见,也不见得都导致地基失稳破坏,比如被动式挡土墙,即是明显利用塑性抗力的例子。可以认为:抗滑桩现行的弹性设计理论偏于保守。2.2弹塑性设计理论的提出2.2.1弹塑性设计模式抗滑桩的弹塑性设计认为,在抗滑桩使用过程中,其锚固段出现一定范围的弹塑性平衡区是许可的,故提出“弹塑性设计模式”。(1)视抗滑桩嵌固在稳定滑床中,并靠置在桩前下块上,桩后滑坡推力和桩前下块抗力均为已知外力;(2)视滑床区弹塑性段抗力为已知外力,可通过现场试验等手段予以确定;3)桩的整体平衡计算仍采用现有的地基系数法或其它简便算法。“弹塑性设计模式”的基本思路是:在桩的较大位移段采用已知外力替代的方法,而在小位移处采用地基系数法,希冀更好地照顾到抗滑桩工作的特殊性并与目前延用的弹性设计理论有一定的衔接,这样便于应用,从而达到或近似达到桩身的破坏与滑床地层失稳破坏同步的设想。使抗滑桩的设计更符合实际工作情况并更趋于经济。“弹塑性设计模式”的核心是滑床地层塑性区破坏机制的建立,其关键的设计参数是弹塑性区的范围,即弹塑性区最大容许临界高度的确定。2.2.2关于斜裂面的形状许多学者研究认为,实际斜裂面的形状更接近于圆弧面或对数螺弦曲面,然而以平面代替实际曲面的误差对工程而言是可以接受的。故本文对斜裂面的形状也按平面处理。为此,从剖面看,滑床地层弹塑性区可近似为一个三角形楔体,如图1b所示。其形状由破裂角确定。对弹塑性区侧面的影响范围,即其应力扩散角的取值。本文认为,由于山地滑坡的稳定地层大都为岩质或半岩质,其内摩擦角一般较低;又我国所使用的抗滑桩大都为方形桩,桩的宽度较大,为计算方便,取扩散角为0,即侧裂面按平面考虑。据此,提出滑床弹塑性区空间破坏楔体模型如图2所示。图2滑床弹性区空间破坏楔体模型2.2.3对破坏模式的说明(1)当存在桩前下块,特别是下块前有片石垛、挡墙等支护措施时,斜裂面较接近下块的前趾点(C点),这样的楔体破坏时受下块的约束较小,且破坏路径较短;同时,在塑性区形成初期,楔体顶面(按理想的平面处理)受到下块抗力形成的H作用。本模式按偏于安全的正向考虑,同时不考虑h0部分的有利影响。(2)楔体的滑动是由于斜裂面上的抗剪强度不足所致,并服从Mohr-Coulomb准则.(3)除楔体侧裂面上的E压力N1、N2外,其余各力均视为平面汇交力系。(4)原则上,对于悬臂式的情况,本模式同样适和,只需令W1=H=0即可。作用于楔体上的力,如图2b所示,物理量及其取值如下:W1为下块作用于楔体的重力,W1=1h1tghcB,B为桩宽;W2为楔体自重,W2=12r2h2ctgB;F为桩、桩周岩土间的摩阻力,F=Rtg,为桩、桩周岩土间的摩擦角;R为作用于楔体段的水平抗力,R= hcB,为作用于楔体段的水平向压应力,由试验确定;H为下块作用于楔体上,沿滑动方向的作用力,H=h1hctgBtg0+c0hctgB;N1、N2为楔体侧裂面上的正压力(视由重力和桩的水平推力R简单迭加而成), +(第一项由W2形成,第二项由W1形成,第三项由R形成);T1、T2为侧裂面上的摩阻力和粘聚力, 式中2为侧压力系数;S为斜裂面面积;其它各量如图2所示。3弹塑性区临界高度hc利用极限平衡法对图2b所取隔离体进行分析:滑动力: (2)抗滑动力： （3）所以有 （4）K为稳定系数,令K=1,则楔体处于极限平衡状态;此时,如不考虑2T1的影响,则(4)式相当于平面问题的T=Ntg+cS。化简(4)式有:将上式两侧同乘以,并整理得:将F=Rtg代入上式,整理化简得: （5）令2T1=2T1-R2tg2,代入式(5)整理得:+tgBcos(-)+c2 cos+ (7)令（7）式中：tgBcos(-)+c2 cos-+则(7)式可简化为: （8）将代入（8）式，则有：-=所以 表达式， 均为已知值；讨论：对式（6），当，均很小时，接近于“0”，所以可简化为，对工程实际影响不大,因此, 式(8)中各系数、表达式可相应改动;所包含的项，是由楔体自重所产生的侧压力,很小,为偏于安全计,可不考虑,对最后结果影响不大。综上,式(9)还可以进一步简化为: （10）实际设计时,应在式(9)或式(10)计算结果的基础上,逐渐增大或减小回代式(4),求得满足一定稳定系数值的临界深度作为设计标准值,亦即采取试算法。关于弹塑性的设计问题及其应用以弹性分析为基础的结构设计是假定材料为理想弹性，相应于这种设计观点就以分析结果的实际适用范作为设计的失效准则，即认为应力(严柞地说是应力的某一函数值)到达一定限值(弹性界限)，将进入塑性变形阶段时、材料将破坏。结构中如果有一处或部分材料“破坏”，则认为结构失效(丧失设计所规定的效用)。由于一般的结构都处于非均匀受力状态，当高应力点或高应力区的材料到达弹性界限时，类他的大部分材料仍处于弹性界限之内；而实际材料在应力超过弹性界限以后并不实际发生破坏，仍具有一定的继续承受应力(载荷)的能力，只不过刚度相对地降低。因此弹性设计方法不能充分发挥材料的潜力，导致材料的某种浪费。实际上、当结构内的局部材料进入塑性变形阶段，在继续增加外载荷时，结构的内力(应力)分布规律与弹性阶段不同，即所谓内力(应力)重分布，这种重分布总的是使内力(应力)分布更趋均匀，使原来处于低应力区的材料承受更大的应力，从而更好地发挥材料的潜力，提高结构的承载能力。显然，以塑性分析为基础的设计比弹性设计更为优越。但是，塑性设计允许结构有更大约变形，以及完全卸载后结构将存在残余变形。因此，对于刚度要求较高及不允许出现残余变形的场合、这种设计方法不适用。对于悬臂桩的弹塑性设计问题，目前,尚无能力给出抗滑桩在发生倾倒破坏时最大临界转角一个限值,即在位移模式下的临界值,而只能是间接地限定锚固段地层不致发生较大的变形,从而达到控制桩的侧向倾斜的目的。因此,在文中对表达式的推导过程中,是通过在试验的基础上限定在岩土处于弹塑性段取值的办法来实现上述目的的。同时,考虑到对所研究的楔体所做的一些简化假定,必然会造成计算R值与试验值计算结果的差异,所以通过文中式(9)或式(10)所计算出的值应回代式(4)进行稳定验算;否则,应对、等对数进行调整,直到满足为止。对特殊地质条件下的锚固段地层,例如锚固段地层有多层软弱面、弱结构面或裂缝等,原则上讲,弹塑性设计理论并不适用,但可参照本文所提出的分析方法对锚固地层稳定性进行一步的分析。本文没有考虑R的分布形式问题,为了能较好地弥补极限平衡法不考虑应力-应变关系的缺憾,建议在弹塑性平衡区,其应力分布采用两种模式,一种为倒梯形,一种为均布形,如图3所示。显然,前者较符合实际的应力-应变关系,后者在计算上则方便一些。结论悬臂桩作为一种以横向受荷为主的支挡结构被广泛应用于城镇建筑基坑及边坡支护工程、城市轨道交通的明挖工程、山区路堑边坡支挡及路堤加固工程等领域。悬臂桩在我国的应用已有近五十年的历史，其设计理论、施工技术正不断得到发展。同时，随之而涌现出的一些新问题也备受关注。这其中，首先提出了抗滑桩与桩前地层协调、同步破坏的设计概念,认为在极限荷载作用下,在滑床区一定范围