[工学]岩土边坡工程.ppt
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1、1,5 岩土边坡工程,岩土边坡工程是岩土工程的重要组成部分。边坡的工作状况直接或间接地影响工程建筑物的稳定和安全。,本章将介绍:锚杆、抗滑桩、挡土结构、支护结构和岩石边坡工程的设计和运用,2,5.1 锚杆,5.1.1 概述 锚杆技术指的是在天然地层中钻孔至稳定地层中,插入锚拉杆,然后在孔中灌注水泥砂浆。,3,应用实例,4,5,6,7,8,徽杭高速公路竹岭隧道西进口左侧滑坡治理工程近竣工,9,徽杭高速公路竹岭隧道西进口右侧高边坡失稳治理工程近竣工,10,11,1 锚杆的构造 锚杆一般为灌浆锚杆,由拉杆、锚头、腰梁、自由段保护套管和锚固体等组成。,12,(1)锚头装置,13,(2)腰梁 腰梁是传力
2、结构,将锚头的轴向拉力传导支挡结构上。,14,(3)拉杆 常用的锚杆拉杆有钢管、粗钢筋、钢丝束和钢绞线.一般把采用钢管或粗钢筋作拉杆的锚杆称锚杆.而用钢丝束或钢绞线的称为锚索。,15,(4)锚固体 锚固体是指处于潜在滑动面以外的稳定土体中的锚杆尾端部分,通过锚固体与土体之间的相互作用,将拉杆的轴力传递到稳定土层。锚固体提供的锚固力的大小是保证支挡结构等稳定的关键。,16,(5)自由段保护套管 自由段保护套管对自由段的锚杆起防腐和隔离作用。,17,2 锚杆的类型(1)按拉杆材料分类 可分为:钢管锚杆、钢筋锚杆、钢丝束锚杆、钢绞线锚杆。(2)按锁定应力情况分类 可分为:预应力锚杆、普通锚杆。(3)
3、按使用期限分类 可分为:临时性锚杆和永久性锚杆。,18,5.1.2锚杆计算,5.1.2.1锚杆破坏形式和承载力计算锚杆的作用原理 当锚杆锚固段受力时,首先通过拉杆与周边水泥沙浆(水泥浆)固结体之间的握裹力传到固结体中,然后通过固结体传到周围岩土体。传递过程随着荷载的增加,拉杆与固结体之间的握裹力发挥到最大时,锚固体与岩土体之间就会发生相对位移,产生土与锚固体之间的摩阻力,直到极限摩阻力。,19,锚杆的破坏形式锚杆的破坏形式通常有4种:锚拉杆被拉断;拉筋(锚拉杆)从筋浆界面处脱出;锚固体从浆土界面处脱出;连锚带岩土一起拔出。前3种指的是单根锚杆的抗拔力(即承载力)问题,属于锚杆的强度破坏问题;第
4、种即破坏面在土体内部的破坏形式,属于锚杆与土总体稳定性破坏问题,20,5.1.2.2 灌浆锚杆的抗拔力(承载力计算),21,22,日本锚杆协会提出的锚固段周边的抗剪强度值,23,我国铁道部科学研究院提出的锚固段周边的抗剪强度值,24,5.1.3 锚杆的稳定性验算,25,26,27,28,5.1.4锚杆试验与检验,基本试验 基本试验目的是确定所设计的锚杆在设计位置的极限抗拔力,了解锚杆抵抗破坏时和承受荷载后的力学性状,为锚固工程设计提供可靠的依据。基本试验数量不应少于3根,其锚杆参数、材料、施工工艺、地质条件和拟设计的锚杆相同。验收试验 验收试验的木的是为了检验锚杆在超过实际拉力并接近极限拉力条
5、件下的工作性能,及时发现锚杆设计施工中的缺陷,并判定工程锚杆是否符合设计要求。验收试验锚杆的数量应取锚杆总数的5%,且不得少于最初施做的3根。试验结果的分析曲线 施工完成后待砂浆达到70%以上的强度才能进行抗拔试验,试验开始时每级荷载按事先预计极限荷载的1/10施工,同时按有关规程读数,最终绘制成荷载变位曲线图和变位量稳定时间曲线,以明显的转折点作为屈服拉力。,29,30,抗滑桩是防止滑坡的一种工程结构,设于滑坡的适当部位,一般完全埋置于地下(有时也露出地面),桩的下段须埋置在滑动面以下稳定地层的一定深度。,5.2.1概述,5.2抗滑桩设计与计算,31,32,抗滑桩的分类,施工方式,打入桩,钻
6、孔桩,挖孔桩,材 料,木 桩,钢 桩,钢筋混凝土桩,截面形态,圆形桩,管形桩,矩形桩,刚 度,刚性桩,弹性桩,结构形式,排式单桩,承台式桩,排架桩,33,(1)圆桩(2)方桩(3)挡土墙,排式单桩,品字形排桩,34,承台式桩,承台式桩,35,抗滑桩的优点,抗滑能力强,圬工数量小,在滑坡推力大、滑动带深的情况下,能够克服抗滑挡土墙难以克服的困难。(当单排桩所承受的滑坡推力超过200吨,桩长超过35m时需作可行性论证)。桩位灵活,可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位,可以单独使用,也可与其他构筑物配合使用。可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋(优于管形状、打入桩)。,36,(4)施工方便,设备简单。
7、采用混凝土或少筋混凝土护壁,安全、可靠。(5)间隔开挖桩孔,不易恶化滑坡状态,有利于抢修工程。(6)通过开挖桩孔,可直接揭露校核地质情况,修正原设计方案。(7)施工影响范围小,对外界干扰小。,37,应用实例,38,坡脚锚索桩、坡上锚索地梁加固,39,40,41,5.2.2抗滑桩的设计与计算,抗滑桩设计的要求和步骤(一)抗滑桩设计应满足的要求(1)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,保证滑体不从桩顶滑出,不从桩间挤出。(2)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。(3)桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内。(4)抗滑桩的间距、尺
8、寸、埋深等都较适当,保证安全,方便施工,并使工程量最省。,42,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(1)首先查明滑坡的原因、性质、范围、厚度等基本条件,分析滑坡的稳定状态、发展趋势。(2)根据滑坡地质剖面及滑动面处岩(土)的抗剪强度指标,计算滑坡推力。,43,(3)根据地形、地质及施工条件等确定设桩的位置及范围。(4)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等桩参数。(5)确定桩的计算宽度,并根据滑体的地层性质,选定地基系
9、数。(6)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),据此判断是按刚性桩还是按弹性桩来设计。(7)根据桩底的边界条件采用相应的公式计算桩身各截面的位移(变形)、内力及侧壁应力等,并计算确定最大剪力、弯矩及其部位。,44,(8)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。(9)根据计算的结果,绘制桩身的剪力图和弯矩图。(10)对于钢筋混凝土桩,还需进行配筋设计。,45,5.2.3 抗滑桩的计算方法,理论基础:将地基土视为弹性介质,应用弹性地基梁的计算
10、原理,以捷克学者温克勒提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论基础。,计算方法,悬臂桩法,地基系数法,有限元法(矩阵分析法),m法,K法,m-k法,46,地面,地面,滑面,滑面,M,Q,悬臂桩法,受荷段,锚固段,m1,m2,47,地面,地面,滑面,滑面,地基系数法,地面,地面,m1,m2,48,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。(1)滑坡推力: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。一般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
11、坡推力。,49,S,S,一般情况下,所算得的滑坡推力f为单位宽度滑体的推力,最用在桩(单排桩)上的推力应为fs。,50,(2)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。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。,不能提供抗力,可提供抗力,51,(3)岩土抗力: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。(4)桩周摩阻力:抗滑桩截面大,桩周面积大,桩与地层间的摩阻力、粘着力必然也较大,由此产生的平衡弯矩对桩有利。但其计
12、算复杂,一般不予考虑。(5)基底应力: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,桩底应力可忽略不计。,52,(二)抗滑桩的计算宽度,抗滑桩受滑坡推力的作用产生位移,则桩侧岩土体对桩将产生抗力。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。,53,1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
13、为d的圆形桩与正面边长为0.9d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=1,而圆形桩的形状换算系数为Kf=0.9。2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1m的矩形桩受力换算系数KB为(1+1/b),对于直径d大于或等于1m的圆形桩受力换算系数KB为(1+1/d)。故桩的计算宽度应为:矩形桩:圆形桩:,54,Kf,KB,Kf,KB,附注:只有在计算桩侧弹性抗力时,采用桩的正面计算宽度。计算桩底反力时,仍用桩的实际宽度。,Bp,d,
14、b,Bp,形状系数,换算系数,55,3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23m,以1.5m2.0m及2.0m3.0m两种尺寸的截面为常见。(三)桩侧岩(土)的地基系数 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。虎克定律:f=kx弹性抗力:作用于桩侧任一点y处的弹性抗力y:,xy:地层y处的水平位移,K:地基系数,Bp:桩的计算宽度。,56,(1)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硬质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。(2)认为地基系数随深度按直线比
15、例变化,即在地基内深度为y处的水平地基系数为K=my或K=K0+my,相应这一假定的计算方法称为“m”法,可用于硬塑半坚硬的砂粘土、碎石土或风化破碎成土状的软质岩层以及重度随深度增加的地层。(3)地基系数K及比例系数m应通过试验确定;当无试验资料时,可采用工程地质类比方法确定。,57,K,K,K,K,y,K法,m法,C法,n=0,n=1,0n1,n1,58,(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。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。(1)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)变形所致刚性桩。(2)桩
16、的位置和桩轴线型同时发生改变,即桩轴和桩周岩(土)同时发生变形弹性桩。,59,f,f,刚性桩,弹性桩,60,试验研究表明,当桩埋入稳定地层(即滑动面以下)内的计算深度(桩的锚固深度h2与桩的变形系数或的乘积)为某一临界值时,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:(1)按K法计算当h2 1.0时,抗滑桩属刚性桩当h2 1.0时,抗滑桩属弹性桩,61,其中:为桩的变形系数,以m-1计,可按下式计算:,式中:K地基系数(kN/m3);BP桩的正面计算宽度(m);E桩的弹性模量(kPa);I桩的截面
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