桩板墙设计方法探讨毕业设计Word文档格式.docx

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桩板墙的分类方法比较多，一般按工程设置位置分为路堤式桩板墙、路肩式桩板墙和路堑式桩板墙；

按其结构形式可分为悬臂式桩板墙、锚索桩板墙和锚拉式桩板墙。

本文所涉及的桩板墙从广义上涵盖了地质灾害行业和道路边坡支护领域的绝大部分，也包括基坑支护、库岸边坡支护的悬臂桩以及桩板结构等[1]。

桩板墙是由悬臂桩与挡板相结合的结构物，其工作原理是利用深埋于土体中的桩体与稳定土体的相互嵌制作用，将上部岩土体的下滑力传递到稳定土体上，来达到岩土体的稳定[2]。

桩板墙的主要受力构件是桩体，挡土板主要起到辅助挡土的作用，而桩板墙又是悬臂桩发展的产物，因此，悬臂桩的受力特性与桩板墙极为相似，目前，桩板墙的设计方法在很大程度上借鉴了悬臂桩的设计方法。

桩板墙由悬臂桩发展而来，由于悬臂桩间没有挡板，在实际运营中，桩间土体会产生失稳、垮塌现象，尤其是在雨蚀、周期震动等情况下，产生垮塌失稳的可能性极高，因此，在山区土建交通工程中，桩板墙取代悬臂桩而成为一种极为普遍的支护工程，尤其在路基加固填方工程和支护切方工程中，体现出来其极大的优越性。

自20世纪70年代初在枝柳铁路线上首次将桩板墙应用于加固路堑边坡，桩板墙在我国的应用已有近40年的历史，尽管该类型支挡结构早已被工程技术人员所熟悉，但当前桩板墙这类支挡结构的发展仍处于理论研究滞后于工程实践的状态[3]。

随着悬臂桩板墙的广泛应运，悬臂桩的设计理念、计算理论备受关注，分析发现，其设计理念从两方面发展而来，其一是从抗滑桩理论发展而来；

其二是从基坑支护的悬臂结构设计发展而来，虽然其设计理论和方法有了较大的发展，但目前为止，悬臂桩板墙的理论研究仍然滞后于工程实践，且设计仍然依赖于工程经验。

主要表现在：

（1）桩土效应的合理桩间距问题

当两相邻桩间距合理布置时，桩间土体处于稳定状态，随着桩间距逐渐增大，桩间土体会产生垮塌失稳现象，不能够满足工程要求。

因此，确定合理的桩间距，既能够节约工程成本，又能够满足工程要求保证工程安全。

就目前而言，桩间距的确定方法一般以规范及经验确定。

例如，铁道第二勘察设计院《铁路路基支挡结构设计规范》建议抗滑桩间距宜为6-10m，桩板墙桩间距宜为5-8m，而桩板墙桩间净距宜为2-4m[4]。

（2）关于桩间挡土板的设计问题

为了防止桩间土体滑塌失稳，常常在桩间布置挡土板等挡土结构物，从而与悬臂桩一起构成了悬臂式桩板墙。

目前为止，规范中关于作用在挡土板上的土压力计算、挡土板的厚度设计等一系列问题没有明确的规定，一般都是凭借设计人员的工程经验来确定。

（3）关于地基反力计算及桩体设计嵌固深度问题

桩体只有嵌入到稳定岩土体里面，才能够发挥其抗滑作用，其埋入岩土体的深度对选择悬臂桩设计方法有重大影响。

根据锚固段深度，文献[4]将桩底约束条件视为自由、铰支和固定三种模式，并指出合理嵌固深度受嵌固段地层岩土体的工程性质所影响，桩身嵌固段的最大横向压应力应小于等于地基的横向允许承载力[5]。

例如，对于自由端式桩板墙，其锚固段入土较浅，在土压力作用下，下端可以转动；

对于固定端式桩板墙，其土较深，锚固段下端不能自由转动，显然，随着锚固段深度不同，选用的计算方法肯定不同。

当考虑桩体宽度时，桩体与周围土体的相互作用、约束条件的限制都没有确定的简化方法。

（4）关于土拱效应问题

目前桩板墙设计方法主要是从平面应变问题简化而来的，并且一般只考虑单桩的作用效果，而现实当中，桩土复合体是三维空间实体，桩与桩之间的相互作用、桩与土的空间作用等必须在三维空间进行计算，才能够反映实际情况。

就目前而言，数值模拟能够较好的反映三维情况。

总结以上几点，可以发现，目前桩板墙设计主要简化为平面问题来处理，这不能够很好的反映实际情况，悬臂式桩板墙的设计理论不成熟，挡土板的实际作用效果不清楚，在实际工程中，一般根据抗滑桩的设计方法确定桩板墙的桩间距，桩间挡土板的设计主要凭借设计人员的工程经验。

因此，研究桩板墙的相关问题具有现实意义。

第二章.桩板墙的计算方法

桩板墙作为挡土结构物的一种，其由抗滑桩发展而来，因此，其设计方法很大程度上借鉴了抗滑桩的设计方法。

抗滑桩又分为悬臂式和全埋式，由于桩板墙为悬臂式结构，故本文以悬臂式抗滑桩设计方法为例，分析悬臂桩板墙的计算方法，悬臂式桩板墙受力如图1所示，在悬臂段，受到向下的滑坡推力（土压力），其压力分布形式一般为三角形或矩形，锚固段受到土体的被动土压力作用，分布形式为曲线。

滑面

三角形分布矩形分布

受荷段

锚固段

图1悬臂桩受力示意图

就目前而言，抗滑桩的设计方法主要有静力平衡法、悬臂桩法和竖向弹性地基梁法[6]，尤其以弹性地基梁法应用广泛。

近年来，计算机硬件、软件的进步，数值计算法也得到了极大的发展，成为一种方便、实用的工具，下面，本文简单介绍以上几种方法。

2.1.静力平衡法:

静力平衡法是一种传统的，相对简单的计算方法，这种方法假定桩身悬臂段后方岩土体处于主动土压力状态，而锚固段桩身前岩土体均处于被动土压力状态[2]，锚固段底端部分岩土体也处于被动土压力状态。

桩体最小锚固长度可根据静力平衡方程求解，然后求出桩身各截面的内力，故称为静力平衡法。

静力平衡法计算步骤是先确定计算简图，然后根据力矩平衡确定锚固段深度，最后计算桩体内力值，而桩体的位移主要根据弹性地基梁法计算。

静力平衡法计算简图有图2几种形式，图2—a中，桩底完全嵌固，桩后岩土体处于主动土压力状态，按悬臂梁求解。

图2—b中，桩底处于弹性岩土体里面，计算简图相对简单，桩后岩土体处于主动土压力状态，桩前岩土体处于被动土压力状态。

图2—c中，桩体入土深度为h，假定挡土桩稳定失效发生在距土深度为x时，岩土体处于极限平衡状态，此时桩体绕C点旋转，桩后AD段岩土体处于主动土压力状态，桩前CD段上，岩土体处于被动土压力状态，桩后BC段岩土体也处于被动土压力状态[7]。

完全嵌固

桩体受力示意图

abc

B

h

X

D

C

O

弹性嵌固

图2悬臂桩计算简图

由图2计算简图，列出静力平衡方程，，便可求出桩体锚固深度，桩体内力，以下是计算步骤。

2.1.1.确定锚固段长度

计算桩体埋深时，先对桩底取距，要求被动土压力产生的力矩必须大于主动土压力产生的力矩[8]，即

式中：

—主动土压力区第层土压力之和；

—主动土压力区第层土压力重心至取距点的距离；

—被动土压力区第层土压力之和；

—被动土压力区第层土压力重心至取距点的距离；

根据式（2—1）可以求出桩体埋深，该值是一个临界值，实际工程中应考虑安全储备。

2.1.2.桩体内力计算

计算桩体内力时，首先由桩身剪应力为零的条件确定桩体最大弯矩所在截面的位置，根据式（2—2）计算，即

、—剪力以上主动土压力区和被动土压力区的不同土层层数；

—剪力以上各层土的主动土压力；

—坑底至之间各土层的被动土压力；

用试算法求得剪应力为零的截面位置后，悬臂桩的最大弯矩值可由式（2—3）求出，即

—剪力以上各层土的主动土压力作用点至剪力为零处的距离；

—坑底至之间各土层的被动土压力作用点至剪力为零处的距离。

2.2.竖向弹性地基梁法

弹性地基梁法又称文克勒地基模型法，最早由捷克工程师E.文克勒（Winkler）于1867年提出，其及基本假设为：

地基上任意一点所受的压力强度P与该点的地基沉降量s成正比，即

（2—4）

式中比例系数k称为基床反力系数，其单位是kN/m3。

根据上述假设，地基表面某点的沉降与其它点的压力无关，故可以把地基土划分为许多土柱，每条土柱看做是一根弹簧，则每根弹簧所受的力与弹簧的变形成正比。

因此，这种模型的基底反力图形与基础底面的竖向位移形状相似[9]。

竖向平面弹性地基梁法以支护结构作为研究对象，将整个桩用弹性支座来模拟，将滑动面以上桩身所承受的荷载作为已知外力，然后根据滑面上下岩土体的弹性抗力系数，把整根桩当成弹性地基上的梁来计算[10]，因而滑动面的存在对计算没有影响。

该方法可以在施工过程分阶段进行计算，能够较好的反映挡土墙后土压力的变化等[11]。

由于竖向平面地基梁法原理简单并且积累了较多的工程经验，因此相关的基坑工程规范[12,13]也推荐采用该方法进行支护结构的受力和变形分析，竖向弹性地基梁法的关键是计算土压力和确定土压力的水平抗力，土压力的水平抗力与地基水平抗力系数密切相关，地基水平抗力系数的分布和大小，直接影响着挠曲微分方程的求解和桩身截面内力的变化，图3是几种常用的的水平抗力系数分布形式[14]，其方程为式（2—5）[15]。

k-法m-法c-法

锚固段

图3地基水平抗力系数的分布形式

—地基系数；

—地基比例系数；

—锚固段入土深度

—与岩土体相关的常数

根据式（2—5）中、的不同，地基系数可以分为法、法、法：

（1）法：

，假定地基水平抗力系数延深度均匀分布，在锚固段上地基系数为一常数。

（2）法：

，假定在锚固段上，水平抗力系数随深度线性增加。

（3）法：

假定随深度非线性变化，一般情况，。

地基系数及地基比例系数应通过试验确定，当无试验资料时，可采用工程地质类比方法确定。

目前，在工程上使用法和法设计的比较常见，法常通常在交通部门使用，实测资料表明，法（当桩的水平位移较大时）和法（当桩的水平位移较小时）比较接近实际。

由于地基系数的分布形式对计算的选择影响很大，下面，分别介绍弹性地基梁法和法。

2.2.1.弹性地基梁法：

在锚固段顶端荷载（M、H）作用下，桩的挠曲微分方程为：

—悬臂桩的计算宽度。

矩形桩：

当时，，当时，，为悬臂桩的设计宽度；

圆形桩：

当时，，当时，，为圆形桩的直径；

—地基土体作用于桩体上的水平抗力。

该方法适用于滑面处的地基系数零的情况。

该式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：

𝜎

-𝑦

.=𝑚

𝑦

𝑥

（2−11）

（2—12）

式（2—11）至（2—12）中：

为桩的水平变形系数，其单位为；

为混凝土截面的抗弯刚度；

、、、分别为锚固段上任意截面处的水平位移、转角、弯矩、剪力值；

、、、为随桩的换算深度而异的法的影响函数值，其值由查