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第八章_抗滑桩设计与计算.ppt

第八章_抗滑桩设计与计算

小美女石头记泸县
2012-09-09 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第八章_抗滑桩设计与计算ppt》,可适用于经济金融领域

第八章抗滑桩设计与计算第八章抗滑桩设计与计算第一节概述--抗滑桩设计的要求和步骤(一)抗滑桩设计应满足的要求.整个滑坡体具有足够的稳定性即抗滑稳定安全系数满足设计要求值保证滑体不超过桩顶不从桩间挤出。.桩身要有足够的强度和稳定性。桩的断面和配筋合理能满足桩内应力和桩身变形的要求。.桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内。.抗滑桩的间距、尺寸、埋深等都较适当保证安全方便施工并使工程量最省。抗滑桩的设计任务就是根据以上要求确定抗滑桩的桩位间距、尺寸、埋深、配筋、材料和施工要求等。这是一个很复杂的问题常常要经分析研究才能得出合理的方案。(二)抗滑桩设计计算步骤.首先弄清滑坡的原因、性质、范围、厚度分析滑坡的稳定状态、发展趋势。.根据滑坡地质断面及滑动面处岩(土)的抗剪强度指标计算滑坡推力。.根据地形、地质及施工条件等确定设桩的位置及范围。.根据滑坡推力大小、地形及地层性质拟定桩长、锚固深度、桩截面尺寸及桩间距。.确定桩的计算宽度并根据滑体的地层性质选定地基系数。.根据选定的地基系数及桩的截面形式、尺寸计算桩的变形系数(或)及其计算深度(h或h)据以判断是按刚性桩还是按弹性桩来设计。.根据桩底的边界条件采用相应的公式计算桩身各截面的变位内力及侧壁应力等并计算确定最大剪力、弯矩及其部位。.校核地基强度。若桩身作用于地基的弹性应力超过地层容许值或者小于其容许值过多时则应调整桩的埋深或桩的截面尺寸或桩的间距重新计算直至符合要求为止。.根据计算的结果绘制桩身的剪力图和弯矩图。.对于钢筋混凝土桩还需进行配筋设计。第二节、抗滑桩设计的基本假定第二节、抗滑桩设计的基本假定(一)作用于抗滑桩上的力系作用于抗滑桩的外力包括:滑坡推力、受荷段地层(滑体)抗力、锚固段地层抗力、桩侧摩阻力和粘着力以及桩底应力等。这些力均为分布力。.滑坡推力作用于滑面以上部分的桩背上可假定与滑面平行。由于还没有完全弄清桩间土拱对滑坡推力的影响通常是假定每根桩所承受的滑坡推力等于桩距(中至中)范围之内的滑坡推力。.根据设桩的位置及桩前滑坡体的稳定情况抗滑桩可分为悬臂式和全埋式两种。受力情况如图所示。当桩前滑坡体不能保持稳定可能滑走的情况下抗滑桩应按悬臂式桩考虑而当桩前滑坡体能保持稳定抗滑桩将按全埋式桩考虑。.埋于滑床中的桩将滑坡推力传递给桩周的岩(土)桩的锚固段前、后岩(土)受力后发生变形从而产生由此引起的岩(土)抗力作用。.抗滑桩截面大桩周面积大桩与地层间的摩阻力、粘着力必然也大由此产生的平衡弯矩对桩显然有利。但其计算复杂所以一般不予考虑。抗滑桩的基底应力主要是由自重引起的。而桩侧摩阻力、粘着力又换工消了大部分自重。实测资料表明桩底应力一般相当小为简化计算对桩底应力通常也忽略不计。计算略偏安全而对整个设计影响不大。(二)抗滑桩的计算宽度(二)抗滑桩的计算宽度抗滑桩受滑坡推力的作用产生位移则桩侧岩(土)对桩作用着抗力。当岩(土)变形处于弹性变形阶段时桩受到岩(土)的弹性抗力作用。岩(土)对桩的弹性抗力及其分布与桩的作用范围有关。为了将空间的受力简化为平面受力并考虑桩截面形状的影响将桩的设计宽度(或直径)换算成相当于实际工作条件下的矩形桩宽BP此BP称为桩的计算宽度。.试验表明对不同尺寸的圆形桩和矩形桩施加水平荷载时直径为d的圆形桩与正面边长为d的矩形桩在其两侧土体开始被挤出的极限状态下其临界水平荷载值相等。所以矩形桩的形状换算系数为Kf=而圆形桩的形状换算系数为Kf=。.同时由于将空间受力状态简化成为平面受力状态在决定桩的计算宽度时应将实际宽度乘以受力换算系数KB。由试验资料可知对于正面边长b大于或等于m的矩形桩受力换算系数为对于直径d大于或等于m的圆形桩受力换算系数为。故桩的计算宽度应为:矩形桩:圆形桩:.桩的截面形状应从经济合理及施工方便考虑。目前多用矩形桩边长~m以mm及mm两种尺寸的截面为常见。(三)桩侧岩(土)的弹性抗力系数桩侧岩(土)的弹性抗力系数简称地基系数是地基承受的侧压力与桩在该处产生的侧向位移的比值。换句话说地基系数是在弹性变形限度以内单位面积的土产生单位压缩变形时所需要的侧向压力。.计算弹性地基内的侧向受荷桩时有关地基系数目前有两种不同的假定:()认为地基系数是常数不随深度而变化以“K”表示之相应的计算方法称为“K”法可用于地基较为完整岩层的情形。()认为地基系数随深度按直线比例变化即在地基内深度为y处的水平地基系数为CH=mH·y或CH=AHmHy竖直方向的地基系数为Cv=mv·y或Cv=Armvy。、表示某一常量、分别表示水平及竖向地基系数的比例系数。相应这一假定的计算方法称为“m”法可用于地基为密度土层或严重风化破碎岩层的情形。.水平及竖向地基系数的比例系数应通过试验确定当无试验资料时可参照下表确定。非岩石地基mH和mV值较完整岩层的地基系数KV值(四)刚性桩与弹性桩的区分(四)刚性桩与弹性桩的区分抗滑桩受到滑坡推力后将产生一定的变形。所谓变形是指桩的相对位置发生了改变。根据桩和桩周岩(土)的性质和桩的几何性质其变形可有两种情况。一种是桩的位置虽发生了偏离但是桩轴仍保持原有的线型它之所以变形是由于桩周的岩(土)变形所致。另一种是桩的位置和桩轴线型同时发生改变即桩轴和桩周岩(土)同时发生变形。产生前一种变形特征的桩由于桩在变形过程中保持着原来的形状尤如刚体一样仅产生了转动因此可称它为刚性桩而后者称为弹性桩。试验研究表明当侧向受荷桩埋入稳定地层内的计算深度(桩的埋置深度与桩的变形系数的乘积)为某一临界值时可视桩的刚度为无穷大在侧向荷载作用下桩的极限承载力仅取决于桩周岩(土)的弹性抗力大小计算深度为此临界值时不管按刚性桩或按弹性桩计算其水平承载力及传递到地层的压力图形均比较接近。因此目前将这个临界值作为判别刚性桩或弹性桩的标准。临界值规定如下:.按K法计算当≤时抗滑桩属刚性桩当>时抗滑桩属弹性桩其中:为桩的变形系数以m计可按下式计算:式中:KH侧向地基系数不随深度而变(kNm)BP桩的正面计算宽度(m)E桩的弹性模量(kPa)I桩的截面惯性矩(m)。.按m法计算当ah≤时抗滑桩属刚性桩当ah>时抗滑桩属弹性桩其中:为桩的变形系数以m计可按下式计算:式中:水平方向地基系数随深度而变化的比例系数(kNm)。第三节、抗滑桩的要素设计第三节、抗滑桩的要素设计当采用抗滑桩整治滑坡时首先需要解决桩的平面布置与桩的埋入深度问题。这是抗滑桩设计的主要参数它的合理与否直接关系到抗滑桩效用的成败。现将国内以往的做法和考虑的原则分述如下:(一)桩的平面位置及其间距抗滑桩的平面位置和间距一般应根据滑坡的地层性质、推力大小、滑动面坡度、滑坡厚度、施工条件、桩截面大小以及锚固深度等因素综合考虑决定。.滑体的上部滑动面陡拉张裂缝多不宜设桩中部滑动面往往较深且下滑力大亦不宜设桩下部滑动面较缓下滑力较小或系抗滑地段经常是较好的设桩位置。.抗滑桩的间距受许多因素的影响目前尚无较成熟的计算方法。合适的桩距应该使桩间滑体具有足够的稳定性在下滑力作用下不致从桩间挤出。也就是说可按桩间土体与两侧被桩所阻止的土体的摩擦力大于桩所承受的滑坡推力来估算(二)桩的锚固深度(二)桩的锚固深度桩埋入滑面以下稳定地层内的适宜锚固深度与该地层的强度、桩所承受的滑坡推力、桩的相对刚度以及桩前滑面以上滑体对桩的反力等有关。原则上由桩的锚固深度传递到滑面以下地层的侧向压应力不得大于该地层的容许侧向抗压强度桩基底的最大压应力不得大于地基的容许承载力。锚固深度不足易引起桩效用的失败但锚固过深则将导致工程量的增加和施工的困难。有时可适当缩小桩的间距以减小每根桩所承受的滑坡推力有时可调整桩的截面以增大桩的相对刚度从而达到减小锚固深度的目的。.桩侧支承条件)土层及严重风化破碎岩层桩身对地层的侧压应力(kPa)应符合下列条件:式中:地层岩(土)的容重(kNm)地层岩(土)的内摩擦角()c地层岩(土)的粘聚力(kPa)h地面至计算点的深度(m)。一般检算桩身侧压应力最大处若不符合上式的要求则调整桩的锚固深度或桩的截面尺寸、间距直至满足为止。)比较完整的岩质、半岩质地层桩身对围岩的侧向压应力应符合下列条件:式中:折减系数根据岩层产状的倾角大小取~折减系数根据岩层的破碎和软化程度取~R岩石单轴挤压极限强度(kPa)。计算结果若不符合上式则调整桩的锚固深度或截面尺寸、间距直至满足为止。.桩底的支承条件抗滑桩的顶端一般为自由支承而底端由于锚固程度不同可以分为自由支承、铰支承、固定支承三种通常采用前两种。()自由支承如图a所示当锚固段地层为土体、松软破碎岩时现场试验表明在滑坡推力作用下桩底有明显的位移和转动。这种条件桩底可按自由支承处理即令QB=、MB=。()铰支承如图b所示当桩底岩层完整并较AB段地层坚硬但桩嵌入此层不深时桩底可按铰支承处理即令xB=MB=。()固定支承如图c所示当桩底岩层完整、极坚硬桩嵌入此层较深时桩身B点处可按固定端处理即令xB=、B=。但抗滑桩出现此种支承情况是不经济的故应少采用。第四节、刚性桩的计算第四节、刚性桩的计算刚性桩的计算方法较多目前常用的方法是:滑面以上抗滑桩受荷段上所有的力均当做外荷载看等桩前的滑体抗力按其大小从外荷载中予以折减将滑坡推力和桩前滑面以上的抗力折算成在滑面上作用的弯矩和剪力并作为外荷载。而抗滑桩的锚固段则把桩周岩土视为弹性体计算侧向应力和土的抗力从而计算桩的内力。(一)单一地层现以桩身置于均质岩土层中滑面以上为同一m值桩底自由滑面处的弹性抗力系数A及A且各为某一数值的情况为例说明刚性桩的计算方法如图所示。其中H为滑坡推力与剩余抗滑力之差h为H作用点距滑面的垂直距离。()当≤y≤y时变位:桩侧应力:剪力:弯矩:()当≤≤时变位桩侧应力剪力弯矩其静力平衡方程式为:由上两式联解即可得到求的方程式如下:令--()--()则方程可写成:由式()得:--()--()用试算法解方程式()可求得然后代入式()即可求得以上公式适用于四种情况:.当桩两侧同深度处的弹性抗力系数不等必须用试算法求出y再计算和内力。.当时桩两侧同深度处的弹性抗力系数相等这时的y和可以直接求得它们分别为:.当时桩两侧同深度处的弹性抗力系数不等且桩前滑面处的弹性抗力系数为零这时y也须用试算法求得.当时桩侧弹性抗力为常数(即K法)此时将、代入式()和()便可直接求得y和它们分别为:(二)两种地层(二)两种地层桩身置于两种不同的地层桩底按自由端计算桩在变位时其旋转中心视地质情况而异。.上层为土层、下层为基岩的情况滑面处的弹性抗力系数A和A两者各为某一数值。)当旋转中心在土层中时(如上图所示)()当≤y≤y时变位:桩侧应力:剪力:弯矩:()当y≤y≤L时变位:桩侧应力:剪力:()当L≤y≤h时变位:剪力:弯矩:其静力平衡方程为:--()--()由式()、()联解即可得到求y的方程式如下:令则方程式为:由式()可得:用试算法解方程式可得t然后代入上式可求得)当旋转中心在岩层中时(如图所示)可采用同样的方法计算(略).上、下两层均为岩层的情况当滑面处的弹性抗力系数为的某一定值滑面以下为两种不同的岩层时旋转点y可能发生在上层也可能发生在下层。但这两种情况的计算公式是一样的因同一深度桩前桩后的K值一致。计算图式如图所示。计算方法同前第五节、弹性桩的计算第五节、弹性桩的计算弹性桩系指埋于滑床部分的桩身受力后桩轴和桩周岩(土)均发生变形。这里仅介绍将滑面以上抗滑桩受荷段上所有作用力均当做外荷载的情况。此时可将桩化成如下页图所示的计算图式。然后根据桩周地层的性质确定弹性抗力系数建立桩的挠曲微分方程式通过数学求解可得滑面以下桩身任一截面的变位和内力计算的一般表达式。最后根据桩底边界条件计算出滑面处理的位移和转角进而计算桩身任一深度处的变位和内力。(一)“m”法(一)“m”法桩顶受水平荷载的挠曲微分方程为:式中:地基作用于桩上的水平抗力(kNm)。这是一个四阶线性变系数齐次微分方程用幂级数展开后进行近似求解换算整理后得:式中:、、、锚固段桩身任一截面的位移(m)、转角(rad)、弯矩(kN·m)、剪力(kN)。、、、滑动面处桩的位移(m)、转角(rad)、弯矩(kN·m)、剪力(kN)、、、随桩的换算深度ah而异的m法的影响函数值()E混凝土的弹性模量(kNm)J桩的截面惯性矩m。()式为m法的一般表达式计算时必须先求得滑面处的和才能求桩身任一截面的位移、转角、弯矩、剪力和地基土对该截面的侧向应力。为此需要根据下述三种边界条件确定:.当桩底为固定端时XB=、、、QB=。将XB=、代入式()的第、式联立解得:.当桩底为铰交端时XB=、、、不考虑桩底弯矩的影响将XB=、代入式的第、式联立解得:.当桩底为自由端时、、、。将和代入式()的第、式联立解得:将上述各种边界条件下相应的和代入式()即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。(二)K法(二)K法桩顶受水平荷载的挠曲微分方程为:式中:地基作用于桩上的水平抗力(kNm)。引入变形系数则上式可写成:通过数学求解得到滑动面以下桩身任一截面的变位和内力的计算公式:式中:、、、K法的影响函数值()上式为K法的一般表达式计算时要先求滑面处的和才能求桩身任一截面的变位、内力和地基土对该截面的侧向应力。为此需要根据下述三种边界条件确定:.当桩底为固定端时、将式()的第、式联立解得:.当桩底为铰支端时、、、。不考虑桩底弯矩的影响将、代入式()的第、式联立解得:.当桩底为自由端时、、、。将、代入式的第、式联立解得:将上述各种边界条件下相应的和代入式即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。(三)当滑面处抗力不为零时的处理方法(三)当滑面处抗力不为零时的处理方法由于滑面以上有滑体的存在等于在弹性体的表面附加荷重的作用。对于地基系数为常数的地层来说此附加荷重不会影响地基的弹性性质。但对于地基系数随深度直线增加的地层来说此时附加荷重使滑面处的地基系数不为零而是某一数值A则滑面以下某一深度处岩土抗力的表达式为Py=Amy即滑面以下的地基系数为梯形变化。此时为了利用m法推出的公式和影响系数可作如下的处理如下页图所示:.将地基系数的变化图形向上延伸至虚点a延伸的高度.自虚点a向下计算可使用附表但必须重新确定a点的初始参数、、、.a点处的初参数可由滑面处理条件和桩底处的边界条件确定。即在与作用下必须满足下列条件:当时(滑面处)当时(桩底处)(桩底为自由端)。(桩底为固定端)。桩底为自由端时可建立下列方程:()桩底为固定端时可建立下列方程:上列各式中:在滑面处的系数A值在桩底处的系数A值余类推。通过对式()或式()的第式及式()联解即可求得、、x及之值。此时便可直接查表计算滑面以下桩身任一点的内力和变位。()第六节、计算示例第六节、计算示例(略)

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