6.5抗滑桩设计与计算.ppt

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1、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。,6.5.1 概述,6.5 抗滑桩设计与计算,抗滑桩的分类,施工方式,打入桩,钻孔桩,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, ,(1) 圆桩 (2) 方桩 (3) 挡土墙,排式单桩,品字形排桩,承台式桩,承台式桩,6.5.2 抗滑桩的设计与计算,6.5.2.1 抗滑桩设计的要求和步骤 6.5.2.1.1 抗滑桩设计应满足的要求 (1)坡体稳定：整个滑坡体具有

2、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)桩身稳定：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，保证不被剪断，不产生过大变形。 (3)桩基和桩侧稳定：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、尺寸、埋深等都较适当，保证安全，方便施工，并使工程量最省。 (5). 注意与环境的协调性。,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。 6.5.2.1.2 抗滑桩设计计算步骤 (1) 首先查明

3、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。,(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

4、、弯矩及其部位。,(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。,6.5.2.2 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,地面,地面,滑面,滑面,M,Q,悬臂桩法,受荷段,锚固段,m1,m2,地面,地面,滑面,

5、滑面,地基系数法,地面,地面,m1,m2,6.5.2.3 抗滑桩设计的基本假定,6.5.2.3.1 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）范围之内的滑坡推力。,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。,(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

6、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,(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。,6.5.2.3.2 抗滑桩的计算宽度,抗

7、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。,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

8、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：,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,b,Bp,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。 6.5.2.3.3 桩侧岩（土）的地基系数 桩侧岩（土）的弹性抗力系数简称地基

9、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fy和桩侧应力分别为:,xy :地层y处的水平位移，K：地基系数，Bp:桩的计算宽度。,(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

10、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。,K,K,K,K,y,K法,m法,C法,n=0,n=1,0n1,n1,6.5.2.3.4 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。,f,f,刚性桩,弹性桩,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

11、的乘积，即 h2 或 h2 ）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，可将这个临界值作为判别刚性桩和弹性桩的标准。,(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 其中：为桩的变形系数，以m-1计，可按下式计算：,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桩的截面惯性矩（m4）。,b,a,(2) 按m法计算 当 h22.5时，抗滑桩属刚性桩; 当 h22.5时，抗滑桩属弹性桩。 其中：为桩的变形系数，以m-1计，可按下式计算：,m水平方向地基系数随深度变

12、化的比例系数（kN/m4），简称地基比例系数。,6.5.2.3.5 桩后推力与桩前抗力,滑坡推力曲线 T桩上滑坡推力（KN/m）P桩前滑坡推力（KN/m）,式中： 地层岩（土）的容重，（kN/m3）； 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）。,6.5.2.3 桩侧支承条件 (1)土层及严重风化破碎岩层 当桩周土体均匀且地面横坡坡度i=0或较小时，桩身对地层的侧压应力（kPa）应符合下列条件：,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。,式中： 滑动面以下土体的内摩擦角(度)；

13、滑动面上、下土体的重度，(kN/m3) ； c地层岩（土）的粘聚力（kPa）； H1设桩处滑体地面至滑动面的距离(m) y 滑动面至计算点的深度,(m),当桩周滑面上下土体差别较大且地面横坡坡度i=0或较小时，地基y点的横向容许承载力按下式计算：,式中： 滑动面以下土体的综合内摩擦角(度)； 滑动面上、下土体的重度，(kN/m3) ； H1设桩处滑体地面至滑动面的距离,(m) y 滑动面至计算点的深度,(m),当桩周滑面上下土体差别较大且地面横坡坡度较大且 时，地基y点的横向容许承载力按下式计算：,(2) 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： K 换算系数

14、，根据岩层在水平方向的容许承载力大小取值，一般取0.51.0； C折减系数，根据岩层的裂隙、风化和软化程度，取0.30.5； 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。,对于圆形截面桩，因桩周最大压应力为平均应力的1.27倍，上式应改写为：,上述公式只能作为决定桩的锚固深度及校核地基强度的参考。常用的锚固深度，对于土层或软质岩层约为1/31/2桩长，对于完整、较坚硬的岩层可采用1/4桩长。三峡规范的建议值为1/32/5。,6.5.2.4 桩底支承条件 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

15、承、固定支承三种，通常采用前两种。,（1）自由支承 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。桩底可按自由支承处理，即令QB=0、MB=0。 （2）铰支承 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=0，MB=0。 （3）固定支承 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=0、B=0。但抗滑桩出现此种支承情况是不经济的，故应少采用。,6.5.3 刚性桩的计算,刚性桩的计算方法较多，目前常用是悬臂桩法： (1) 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

16、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。 (2) 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。,滑面,M,Q,m1,m2,假定桩身置于均质岩土层中，桩身范围内土体为同一m值，桩底自由，滑面处的弹性抗力系数A1及A2。 H为滑坡推力与剩余抗滑力之差；h0为H作用点距滑面的垂直距离。,（1）当0yy0时 变位: 桩侧应力: 剪力: 弯矩:,(以桩与滑面交点为计算点),（2）当y0yh2时 变位 桩侧应力 剪力,弯矩,y=y0,其静力平衡方程式为：,（6.5-1）,（6.5-2）,(假定绕桩底端为计算

17、点),(6.5-1)、(6.5-2)两式联解即可得到求的方程式如下 ：,则方程可写成：,（6.5-3）,令,（6.5-4）,（6.5-1）,y0,1当 时，桩两侧同深度处的弹性抗力系数m相等，这时的y0和 可以直接求得，它们分别为：,附 注：,2当 时，桩侧弹性抗力为常数（即K法），此时将 、 代入上式，便可直接求得y0 和 ，它们分别为：,6.5.4 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。 悬臂桩法: (1)将滑面以上抗滑桩受荷段上所有作用力均当做外荷载 (2)根据桩周地层的性质确定弹性抗力系数(即地基系数)，建立桩的挠曲微分方程式 (3)通过数学求解

18、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。 (4)根据桩底边界条件计算出滑面处的位移和转角 (5)计算桩身任一深度处的变位和内力。,推力,桩前剩余抗滑力或土压力,6.5.4.1 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（kN/m）。,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（kNm）、剪力（kN）。 、 、 、 滑动面处桩的位移（m）、转角（rad）、弯矩（kNm）、剪力（kN）； 、 、 、 随桩的换算深度ah2而异(ay)的m法的影响函

19、数值(由查表求得)，,（6.5-7）,E混凝土的弹性模量，（kN/m2）； J桩的截面惯性矩，m4。 a变形系数，m-1,（6.5-7）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：,1当桩底为固定端时，xB=0、 、 、 。将xB=0 、 代入式（6.5-7）的第1、2式，联立解得：,y=h2,2当桩底为铰支端时， xB=0 、 、 、 ，不考虑桩底弯矩的影响，将xB=0 、 代入式(6.5-7)的第1 、3式，联立解得：,3当桩底为自由端时， 、 、 、 。将 和 代入式（6.

20、5-7）的第3、4式，联立解得：,将上述各种边界条件下相应的 和 代入式（6.5-7），即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。,6.5.4.2 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（kN/m）。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(查表),（6.5-8）,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：,1当桩底为固定端时， 、 ，将式（6.5-8）的第1、2

21、式联立解得：,2当桩底为铰支端 、 、 、 时，不考虑桩底弯矩的影响，将 、 代入式（6.5-8）的第1、3式，联立解得：,3当桩底为自由， 、 、 、 。将 、 代入式(6.5-8)的第3、4式，联立解得：,将上述各种边界条件下相应的 和 代入式6.5-8，即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。,6.5.5 抗滑桩的结构设计,6.5.5.1 矩形抗滑桩纵向受拉钢筋的配置,矩形抗滑桩纵向受拉钢筋配置数量应根据弯矩图分段确定，其截面积按如下公式计算：,或,且要求满足条件b。 (1)当采用直径d25的级螺纹钢，相对界限受压区高度系数b0.544； (2)当采用直径d=2840的级螺纹钢，相对

22、界限受压区高度系数b0.566。,AS纵向受拉钢筋截面面积(mm2)； M抗滑桩弯矩设计值 (Nmm)； fy受拉钢筋抗拉强度设计值(N/mm2)； fc砼轴心抗压强度设计值(N/mm2)； a1 矩形应力图的强度与受压区混凝土最大应力fc的比值(查规范)； h0抗滑桩截面有效高度(mm)； b抗滑桩截面宽度(mm)； K1抗滑桩受弯强度设计安全系数，取1.2。,6.5.5.2 矩形抗滑桩箍筋的配置,矩形抗滑桩应进行斜截面抗剪强度验算，以确定箍筋的配置，可按如下公式计算：,且要求满足条件：,V抗滑桩设计剪力设计值(N)； VCS抗滑桩斜截面上砼和箍筋受剪承载力设计值(N)； ft砼轴心抗拉强度

23、设计值(N/mm2)； fc砼轴心抗压强度设计值(N/mm2)； fyv箍筋抗拉强度设计值(N/mm2)，取值不大于310N/mm2；,h0抗滑桩截面有效高度(mm)； b抗滑桩截面宽度(mm)； ASV配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积(mm)； ASV=n ASV1 n为在同一截面内箍筋的肢数， ASV1 为单肢箍筋的截面面积； s抗滑桩箍筋间距(mm)； K2抗滑桩斜截面受剪强度设计安全系数，取1.3。 混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取 =1.0;当混凝土强度等级为C80时，取 =0.8,其间按线性内插法取用。,6.5.5.3 抗滑桩构造规定,第1条 为保护环境

24、，桩顶宜埋置于地面以下0.5m，但应保证滑坡体不越过桩顶。当有特殊要求时，如作为建筑物基础，桩顶可高于地面。 第2条 桩身混凝土可采用普通混凝土。当施工许可时，也可采用预应力混凝土。桩身混凝土的强度宜采用C20、C25或C30。地下水或环境土有侵蚀性时，水泥应按有关规定选用。 第3条 纵向受拉钢筋应采用级以上的带肋钢筋。 第4条 纵向受拉钢筋直径应大于16mm。净距应在120250mm之间，配筋困难时可适当减少，但不得小于60mm。如用束筋时，每束不宜多于3根。如配置单排钢筋有困难时，可设置两排或三排，排距宜控制在120200mm之内。钢筋笼的混凝土保护层应大于50mm。,第5条 纵向受拉钢筋

25、的截断点应在按计算不需要该钢筋的截面以外，其伸出长度应不小于下表规定的数值。 纵向受力钢筋的最小搭接长度（mm）,注： 表中d为钢筋直径； 月牙纹钢筋直径d25mm时，其伸出长度应按表中数值增加5d采用。,第6条 桩内不宜配置弯起钢筋，可采用调整箍筋的直径、间距和桩身截面尺寸等措施，以满足斜截面的抗剪强度。 第7条 箍筋宜采用封闭式。肢数不宜多于4肢，其直径在1016mm之间，间距应小于500mm。 第8条 钢筋应采用焊接、螺纹或冷挤压连接。接头类型以对焊、帮条焊和搭接焊为主。当受条件限制，必须在孔内制作时，纵向受力钢筋应以对焊或螺纹连接为主。 第9条 桩的两侧及受压边，应适当配置纵向构造钢筋，其间距宜为400500mm，直径不宜小于12mm。桩的受压边两侧，应配置架立钢筋，其直径不宜小于16mm。,第10条 当采用预应力混凝土时，除应满足混凝土结构设计规范外，尚应符合下列要求： 一、预应力施加方法宜采用后张法。如采用先张法时，应充分论证其可靠性。 二、预应力筋宜为钢绞线。 三、下端锚固于桩身下部35m范围内。锚固段内，根据计算布置钢筋网片。 四、上段锚固应选用可靠的锚具，并在锚固部位预埋钢垫板。垫板须与锚孔垂直。 五、水泥砂浆强度等级不应低于M25。,