桩板式路堑挡土墙设计(编辑修改稿)

桩板式路堑挡土墙设计(编辑修改稿)内容摘要：

于滑面以上部分的桩背上，可假定与滑面平行。 通常假定每根桩所承受的滑坡推力等于桩矩（中至中）范围之内的滑坡推力。 对于液性指数较大、刚度较小和密实度不均匀的塑性滑体，其靠近滑面的滑动速度较大，而滑体表层的滑动速度则较小，滑坡推力分布图形可假定为三角形。 （2）抗滑桩截面大，桩周面积大，桩与地层的摩阻力、粘着力必然也大，由此产生的平衡弯矩显然有利，但其计算复杂，所以，一般不予考虑。 （3）抗滑桩的基底应力，主要是由自重引起的。 而桩侧摩阻力、粘着力又抵消了大部分自重。 实测资料表明，桩底应力一般相当小，为简化计算，通常忽略不计，而对整个设计影响不大。 作用在抗滑桩上的力系作用在抗滑桩上的外力包括：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。 实测资料表明，桩底应力一般相当小，为简化计算，通常可以忽略不计，而对整个设计影响不大。 因此，实际作用在桩上的外力为：滑坡推力和桩侧应力。 抗滑桩的设计计算程序根据上述设计要求和设计内容，抗滑桩的设计计算程序如图17所示。 图17 主要设计原理及理论 库伦土压力理论库伦于1776年根据研究挡土墙墙后滑动土楔体的静力平衡条件，提出了算土压力的理论。 他假定挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性土。 当墙背移离或移向填土，墙后土体达到极限平衡状态时，填后填土是以一个三角形滑动土楔体的形式，沿墙背和填土土体中某一滑裂平面通过墙踵同时向下发生滑动。 根据三角形土楔的力系平衡条件，求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，从而解出挡土墙墙背所受的总土压力。 主动土压力：图18　 已知墙背AB倾斜，与竖直线的夹角为ε，填土表面AC是一平面，与水平面的夹角为β，若墙背受土推向前移动，当墙后土体达到主动极限平衡状态时，整个土体沿着墙背AB和滑动面BC同时下滑，形成一个滑动的楔体△ABC。 假设滑动面BC与水平面的夹角为α，不考虑楔体本身的压缩变形。 取土楔ABC为脱离体，作用于滑动土楔体上的力有：①是墙对土楔的反力P，其作用方向与墙背面的法线成δ角(δ角为墙与土之间的外摩擦角，称墙摩擦角)；②是滑动面PC上的反力R，其方向与BC面的法线φ角(φ为土的内摩擦角)；③是土楔ABC的重力W。 根据静力平衡条件W、P、R三力可构成力的平衡三角形。 利用正弦定理，得： （17） （18）被动土压力： （19） （110） 地基系数法 (1)地基反力当桩前土体不能保持稳定可能滑走时，不考虑桩前土体对桩的反力，仅考虑滑面以下地基土对桩的反力，抗滑桩嵌固于滑面以下的地基中，相当于悬臂桩。 当桩前土体能保持稳定，此时抗滑桩按所谓的“全埋式桩”考虑，可将桩前土体(亦为滑体)的抗力作为已知的外力考虑，仍可将桩看成悬臂桩考虑。 桩将滑坡推力传递给滑面以下的桩周土(岩)时，桩的锚固段前后岩(土)体受力后发生变形，并由此产生岩(土)体的反力。 反力的大小与岩(土)体的变形状态有关。 处于弹性阶段时，可按弹性抗力计算，处于塑性阶段变形时，情况则比较复杂，但地基反力应不超过锚固段地基土的侧向容许承载能力。 另外，桩与地基土间的摩阻力、粘着力、桩变形引起的竖向压力一般来说对桩的安全有利，通常略去不计。 为简化计算，桩的自重和桩底应力等也略去不计。 (2)地基反力系数桩侧岩土体的弹性抗力系数简称为地基反力系数，是地基承受的侧压力与桩在该位置处产生的侧向位移的比值。 也即单位土体或岩体在弹性限度内产生单位压缩变形时所需施加于其单位面积上的力。 目前常采用的有三种假设：①假设地基系数不随深度而变化，即地基系数为常数的K法；②假定地基系数随深度而呈直线变化的m法；③地基反力系数沿深度按凸抛物线增大的C法。 地基反力系数K，m应通过试验确定。 一般情况下，试验资料不易获得，文献[1]、[2]列出了较完整岩层的地基系数K值，见表12，非岩石地基的m值，见表13，可供设计时参考。 岩层地基系数K值 表12注：一般情况，KH =(0．6～0．8)Kv；岩层为厚层或块状整体时，KH= Kv。 非岩层地基m值 表13序号土的种类M(kN/m3)序号土的种类M(kN/m3)1流塑性粘土、淤泥30005000 4半坚硬粘性土、粗砂20000300002硬塑性粘土、粉砂5000100005砾砂，角砾砂，砾石土30000800003细沙、中砂10000200006块石土，漂石土8000012000当地基土为多层土时，采用按层厚以等面积加权求平均的方法求算地基反力系数。 当地基土为2层时，有 (111)当地基土为3层时，有 (112)式中：ml、mm3——分别为第l层、第2层、第3层地基土的m值； ll、ll3——分别为第l层、第2层、第3层地基土的厚度。 其他多层土可仿此进行计算。 当采用C法时，地基反力系数式为Cx=Cx12，C为地基反力系数的比例系数，x为深度。 研究表明，当x达到一定深度时，地基反力系数渐趋于常数。 比例系数c值参见表14。 C法比例系数C值 表14 桩板墙的破坏形式桩长较大时，岩土体有足够的嵌固作用，桩上设置锚索也看作固定点，整个桩看做是受均布荷载作用下的简支梁，桩被弯断破坏，其条件是桩的容许抗弯能力小于简支梁的跨中最大弯矩如图。 对于这种破坏模式其解决办法有三个：第一， 设计时充分考虑各种荷载组合效应，按阶段最终工况和最不利荷载进行设计。 图19第二， 严格控制施工工况，随着填土高度，锚索力分次施加，而不是一次施加到设计锚索力。 第三， 合理设计锚索在桩上的位黄，充分考虑预应力锚索桩板体系的最佳受力模式。 预应力锚索桩板墙整体破坏可分为四种情况：(1) 沿填土面与原坡面滑动、破坏桩板墙在填土面与原坡面之间形成明显分界面，分界面内侧是原状岩土体，其结构性能稳定，分界面外侧是人工填筑土，属于扰动岩土体，其结构性能不稳定，所以在此分界面极容易引起填筑土体滑动造成结构整体破坏。 为此设计时高度重视此分界面，并采取必要的工程措施，一般有两种工程措施：分层铺设横向土工格栅；清理原坡面表层浮土，并每米高度挖成台阶状，台阶宽度不小于lm。 (2) 沿整个结构体深层滑动面破坏在锚索桩板墙结构体深层有潜在滑动面，或由于群锚效应引起，或由于地质资料不清楚，设计时锚固段虽然在稳定岩土体内，但是并没有穿过深层潜在滑动面。 这种破坏形式比较隐蔽，一般通过地质勘探方法，详尽全面的了解潜在深层滑动面，确保锚索锚固段在滑动面以外的稳定岩土体内。 (3) 由于上支挡结构的失稳引起的破坏桩板墙施工过程中，由于在原坡面、坡角开挖卸荷作用，诱发桩板墙顶点设计标高以上坡体的破坏，上部坡体错落、坍塌、滑动使得在桩板墙结构体内产生巨大的外力，从而引起锚索桩板墙整体破坏。 通常对于这种破坏模式要进行上部边坡的加固，采取措施主要有锚索抗滑桩、锚索框架、锚索地梁、锚墩、喷锚等，都可以有效防治这种形式破坏。 (4)桩基失效引起的破坏桩板墙作为新型支挡结构，一般设计为截面小、桩间距小、桩长长，即支挡结构轻型化。 若在桩上设置几排锚索，锚索力在竖向的分量显著增大，容易引起路基沉陷、桩前土体隆起等，此时就应当考虑地基承力是否满足设计要求，桩的土抗力是否满足设计要求。 工程中一般要求桩坐落在稳定岩土体上，或置换优良低压塑垫层。 通过在桩前反压以提高桩前土抗力。 第二章 桩板墙的设计 工程概况 兰渝铁路 铁路自兰州东引出， 通过甘肃省榆中、 定西安定区、 渭源、 漳县、 岷县、 宕昌、 武都等县市， 再经广元、 南充到达重庆， 建成后北与陇海线相接， 南与宝成线相连， 是甘肃省通往西南地区的主要交通干线， 是连接西南和西北两大区域经济发展的交通枢纽。 拟建兰渝铁路全长约 4 9 3公里， 分别通过黄土高原区和秦岭高中山区，线路通过祁连褶皱系、秦岭褶皱系、 松 潘一甘孜褶皱系等构造单元的三个二级构造单元 ， 自西北向西南依次为祁连中间隆起带、礼县 一柞水冒地槽褶皱带、南秦岭冒地槽褶皱带，地质构造极为复杂，类型多样。 同时， 线路跨黄河水系与长江水系， 经过不同的气候带。 从而为各种地质问题的出现创造了条件。 主要工程地质问题有断层、 滑坡、 泥石流、湿陷性黄土等。 为防止滑坡、石流等地质灾害的发生，边坡工程中根据实际情况采取抗滑桩及抗滑挡土墙等工程措施。 工程概述 本工点起讫里程:DK83+280～DK83+415。 本工点位于低山区，地势南高北低，坡面较陡，植被茂盛。 工点范围内大部分地表出露中元古界武当山群石英云母片岩，局部地表为第四系全新统洪积粉质黏土。 岩性特征详述如下： 粉质黏土：分布于局部地表，厚度0～1m，灰黄色，土质不均，硬塑， Ⅱ级普通土 ,σ0=150kPa。 石英云母片岩：青灰色，片状构造，变晶结构，片理、节理较发育，强风化弱风化，风化层厚2～5m。 Ⅳ级软石。 风化层σ0=500kPa；风化层以下σ0=800kPa。 片理产状：N35176。 E/20176。 S。 主要发育两组节理：J1：N50176。 W/90176。 ，间距10～20cm，延伸1～2m，密闭；J2：N65176。 E/80176。 N，间距20～50cm，～，密闭。 工点范围内地下水为少量基岩裂隙水，水量较小，水质较好，无侵蚀性。 相当于地震基本烈度六度。 设计内容（1） 路堑边坡开挖坡率的设计。 （2） 进行桩群的平面布置，确定桩位、桩间距等平面尺度；（3） 拟定桩型、桩埋深、桩长、桩断面尺寸；（4） 根据拟定的结构确定作用于抗滑桩上的力系；（5） 确定桩的计算宽度，选定地基反力系数，进行桩的受力和变形计算；（6） 进行桩、挡土板截面的配筋计算和一般的构造设计；（7） 提出施工技术要求，拟定施工方案，计算工程量，编制概(预)算等。 设计依据1． 《铁路路基支挡结构设计规范》2． 《铁路路基设计规范》3． 《铁路工程设计技术手册——路基》 土压力计算 指标选取1. 围内路堑挖方大部分位于岩体风化层内，岩体破碎，节理发育，预加固桩外力采用库仑主动土压力理论计算，其岩体参数如下：γ=22kN/m ，c=0，φ=35 ，2. 预加固桩的外力安全系数采用K=。 3. 刷方减载后的边坡代表断面，如图 图21 其中坡率根据工程地质资料及《岩质边坡坡率表》可确定为1: 表21 主动土压力计算对于里程DK83+370,墙高10m假设破裂面不交于荷载范围中： 图22 校核假定与假设符合，选用以下图示计算，其中： 图2315 抗滑桩的设计1. 根据滑坡体的位置和形状，初拟抗滑桩全长：h=17m，其中受荷段：h1=10m,锚固段：h2=7m；桩间距（中至中）：L=6m；桩截面面积：F=ba=3=178。 ；桩截面惯性距：I=1/12ba179。 =1/123179。 =；桩截面模量：W=1/6ba178。 =1/632=179。 ；桩的混凝土(C20)弹性模量：E=104MPa；桩的抗弯刚度：EI=25103MPa=104MNm178。 ；桩的计算宽度：Bp=+1=；桩的变形系数：尾=KB14EI14=桩的计算深度：尾h2=7=1,按弹性桩计算桩底边界条件：按自由端考虑。 2. 弹性桩的计算原理抗滑桩滑面以上部分所受荷载，见下图a，可以将其对滑面以下桩段进行简化，简化后桩的计算图式见图b。 此时，可根据桩周土体的性质确定弹性抗力系数，建立挠曲微分方程式，通过数学求解可得滑面以下桩段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的位移和转角，再计算出桩身任一深度处的变位和内力。 图243. 滑动面以上桩身内力和变位计算（1） 弯矩和剪力滑动面以上桩所承受的外力为滑坡推力和桩前反力之差Ex,其分布形式在本设计中取为矩形，内力计算时，按一端固定的悬臂梁考虑。 弯矩、剪力为： 其中，,土压力分布图形中，土压力分布高度： T=6M02ExHH2滑面以上桩身各点的弯矩和剪力按下式计算：My=Ty22 Qy=TyH——滑动面以上的桩长(m)y——锚固点以上桩身某点距桩顶的距离（m）（2） 水平位移和转角水平位移： 转角： 蠁y=蠁0T6EIH3y3各截面计算结果见下表： 受荷段桩身内力 表32点号距顶距离(m)弯矩(kNm)剪力(kN)位移(mm)桩身转角(。 )194。