锦屏水电站专用公路滑坡微型钢管桩的内力计算

锦屏水电站专用公路滑坡微型钢管桩的内力计算 锦屏水电站专用公路滑坡微型钢管桩的内 力计算 桩;弹性地基梁;应急加固;反算法 中圈分类号:TU473.1;TU473.1’2文献标识码:A文章编号:1006—3951(2011)05一OO36—05 DOI:10.3969/j.i锄.1006—3951.2011.05.009 TheInternalForceCalculationofASpecialR0adLandslideMicro— SteelPipePileforConstructionofJinpingHydropowerProject XUXun’ ,wUTa02,LIUYd (1.ChengduUniversityofScienceandTechnology,Chen~u610059,Sichuan.China;2.ChinaArchitect ure SouthwesternSurveyDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.Chengdu610081,Sichuan,ChiIla) Abstract:Thepracticalinternalforcethatagroupofmicro—pilescouldprovidewagcalculatedandtheexactvalueof thrustagainstslidingWagobtainedusingtheanti—-inferencemethodaccordingtothespecialaccessroadlandslidetreat? meritworksforconstructionofJinpingHydropowerProjectbyapplyingthetheoryoflateralcompressiv ebeamonelastic foundation.Thejointreinfo~oementofthelandslidebymicro—steelpipepilesandpre—stressedanchoragecableshas achieveddesirableresults. Keywords:JinpingHydropewerPlant;groupsofmicro—-steelpipepiles;beamOilelasticfoundation;emergencyrein?- foreement;anti—-inferencemethod 1引言 微型钢管桩具有安全可靠,工程造价低,工期 短,应用范围广等特点,因而越来越多的被应用于边 坡治理中.微型钢管桩,一般指桩径70,300innl, 采用钻孔,强配筋,压力注浆工艺的灌注桩.微 型桩是20世纪50年代初由意大利fondedile公司首 先开发应用的,早期用于地基加固,近年来不断用于 滑坡治理,边坡加固等工程,但其设计理论很不成 熟,由于微型桩作用机理是桩身与岩土体共同作用 形成的抗滑体来抵抗滑坡推力的,有别于一般的抗 滑桩,更不同于上部结构中的梁柱构件.在工程实 际中,许多重要参数往往是通过试桩实验或参照其 他工程经验取得的. 对于微型桩的理论计算,有的学者认为要考虑 破坏机制,按滑面抗剪进行稳定性验算,换算截面积 和惯性矩进行内力计算.有的学者认为可将微型桩 的力学和位移边界条件等效为滑面以上桩与桩之间 弹性连接,将微型桩体系和桩周围岩土体视为桩和 岩土体复合结构,并采用弹性地基梁理论计算. 文中根据目前理论研究成果,结合实际的公路 滑坡应急治理措施,按照横向约束的弹性地基梁理 论,给出了在该段滑坡应急治理中微型钢管桩的内 力计算值.实际的工程效果证明了该计算理论有一 定的合理性. 2工程概述 锦屏水电站对外交通专用公路k48+722.O0, k48+800.O0段内侧为腊窝乡村路,外侧为里庄乡村 路,路线通过区域为缓坡坡积,残积土夹碎块石层, 表层耕植土较为松散,下伏三叠系上统白果湾组黑 ?收稿日期:2011—04—10 作者简介:徐勋(1983一),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向岩土工程专业. 徐勋,吴涛,刘亚锦屏水电站专用公路滑坡微型钢管桩的内力计算37 色板岩夹变质砂岩,为减少对自然坡体及乡村路的 影响,采用半挖半填方式通过,内侧设置路堑挡土墙 防护,外侧采用路肩挡土墙.2010年8月30日暴雨 后,k48+775.00涵洞两侧里庄乡村路路基出现明显 滑动裂缝,8月31日电站对外公路路面,路肩挡土 墙,路堑挡土墙发现裂缝,腊窝乡村路路基出现明显 滑动裂缝,初步为8月3013暴雨造成k48+ 775.00涵洞出水沟冲刷深切和雨水下渗致里庄乡 村路路基及外侧坡体滑动,内侧电站对外公路及腊 窝乡村路受此影响随后产生次级滑动,变形监测资 料表明,坡体滑动仍在持续;根据目前滑坡监测变形 状况,设计与各方充分协调沟通后提出电站对外交 通专用公路k48+722.00,k48+800.00段腊窝滑坡 应急处理. 1)k48+740.00,k48+794.00段路肩挡土墙外 1.0,3.0133范围采用微型钢管桩加固,控制电站对 外公路路基变形,根据现有设备及材料,微型钢管桩 采用133×6mln钢管(钢管桩长按嵌入岩石4m考 虑,钢管桩上部1II1以下设注浆孔,间排距25cm,间 错布置),内置3声28nlln钢筋加强,微型钢管桩按间 排距1nl布置,钢管桩间隔施工间距不小于4m,管 桩上部双向设置28mrll钢筋焊接连接,并在路肩 挡土墙外0.75,3.25m范围浇筑50131’11厚(225钢筋 混凝土承台(承台设置上下层~22rtlnl钢筋网,间排 距20咖),微型钢管桩灌注M20水泥砂浆,注浆压 力一般为0.5MPa.微型桩布置见图1. 2)加劲梁及锚索布置.在微型钢管桩加固的 基础上,对k48+729.34一k48+789.34段路肩挡土 墙衡重台以下1m位置设1排加劲梁1000kN预应 力锚索(每段挡土墙2根锚索,锚索长度40m,锚索 间距3—4m)~JIJ固,控制路肩挡土墙变形,并对路肩 挡土墙裂缝灌注M10水泥砂浆. 图1微型桩的布置图 3)框格梁及锚索布置.对k48+722.00, k48+800.00段路堑挡土墙设2排框格梁1000kN 预应力锚索(每段挡土墙2根锚索,锚索长度40m, 锚索间距3.5m,锚索排距3rtl,下排锚索置于路面 以上0.5m)加固,控制公路内侧坡体及路堑挡土墙 变形,并对路堑挡土墙裂缝灌注M10水泥砂浆. 3工程地质及水文地质条件 斜坡区由基岩,覆盖层组成.基岩出露零星,露 头主要散见于陡壁,冲沟沟底等部位,覆盖层则广泛 分布于斜坡. 根据现场对基岩露头的调查,结合1:20万金矿 地质报告,基岩主要为三叠系白果湾组()和燕山 期中,酸性侵入岩(yK52).前者岩性为灰色板岩 夹炭质板岩,石英砂岩,抗风化能力较弱,总体产状 为N20o,50.E,NW~25.,45.,分布于斜坡的中上 部;后者经室内薄片鉴定主要为浅灰色中细粒含石 英闪长岩,细粒花岗斑岩及中细粒绿帘石石英岩,抗 风化能力较强,分布于斜坡中下部.两者接触关系 不详,接触界线总体走向N20o,30.w. 覆盖层主要为第四系残坡积物(砌),厚度变 化较大.山梁,陡坡部位较薄(沟底部位甚至基岩裸 露),缓坡,平台及负地形部位厚度较大.根据地面 调查,结合钻孔,钢管桩孔揭示,一般厚度2—31’/1, 在K48+722—800段专用公路,里庄路第1道之间 的地带,厚度可达7,8m.根据钻孔,钢管桩孔揭 示,残坡积土从从上向下可分为3层. 上部:黄褐色,灰色砾质粉土或碎石土.砾石粒 径一般1,10e/’11,含量30%一60%,成分主要为板 岩碎片,花岗岩.潮湿,松散,较密实,厚度15 mo 中部:灰褐色,棕红色砾质粘土;砾石粒径一般 1—10em,含量40%,50%,成分主要为板岩碎片, 花岗岩.潮湿,较密实,厚度2,41”1”1. 下部(接触带土):灰黑色(黑褐色),含砾粘土, 染手,软塑,可塑,砾石含量20%,30%,成分主要 为板岩碎片.该层分布较连续,厚度0,1.5m.遇 水易软化,性状较差. 根据地面调查,结合钻孔及钢管桩孔揭示,整个 研究区斜坡内并无统一的地下水位,结合地形条件, 斜坡内地下水位较为低平.但是,由于炭质板岩,以 及接触带土的阻水作用,在斜坡的强风化带基岩,残 坡积层内,雨季局部存在上层滞水. 4微型钢管桩的计算 关于微型钢管桩内力及其抗滑能力的计算,采 一ooo, 一ooo一 ,(二)oo, ,..,,,... L,. 厂 云南水力发电2011年第5期 用考虑横向约束的弹性地基梁理论进行计算.基本 假定如下: 1)桩身嵌入基岩,视滑面处为固定端. 2)滑面以上微型钢管桩承受的滑坡推力假设 为均布荷载,集度为q. 3)各微型钢管桩桩顶的联接为固定连接,与桩 相比,顶梁连系梁为刚性构件.假设顶梁只发生水 平位移,且各桩顶在顶梁处的水平位移相等. 将微型桩群的横向一榀简化为平面钢架模型, 见图2. 按照结构力学可以得出该结构的弯矩,剪力和 影响线见图3.单根桩计算模型见图4. Y ?弯矩影响线 ACE ? :I: :l :? - _ BD 一 b——一6一 围2微型桩结构计算简图 图3微型桩结构弯矩,剪力和影响线图 假设地基基床系数为k,桩的抗弯冈0度为E1, 计算宽度为b,弹性地基系数为K=k×b,弹性特征 值口=4kb ,根据弹性地基梁理论,图2所示的微 型桩力学模型的饶度),,截面转角,弯矩M和截面 剪力Q分别为: ,,=一 车Q.景q 一:一Q.,+ M=t+Q.1 :一 Q=一Mo口+Qo一: 其中 k=ch(aX)cos() 2=ch(ttX)si~()+sh(aX)cos(aX) 3=sh(aX)sin(aX) 4=ch(aX)sin(aX)一sh(~X)cos(aX) M=mq m= 裘 尸一 图4单根桩计算模型 n一2ma3+1—92 V.一叩 4 工程实例中,桩的抗弯刚度肼由g133啪×6 mm钢管的抗弯刚度及M20水泥砂浆的抗弯刚度2 部分组成(不计3根插筋),其中钢管的弹性模量曰 取210GPa,M20水泥砂浆的弹性模量取25.5 GPa,可分别求得2部分的截面惯性矩,为967.432 cIn4.2104.464c1. 则每根桩的抗弯刚度=2.6048×1o3kN?, 计算宽度取钢管外径133-珊,基床系数取5000 4r— kN,,则可求出弹性特征值口=?kb=0.504 ITI, ,上式Mo=m?q中,取X=9in时的对应值( 为钢管扣除嵌入基岩以内的长度)带入公式求得 m=一2.0620601,对应的Q0=2.03982524q 对于图(4)(a) 将数据分别带人饶度,转角,弯矩和剪力公式则 有: 饶度Y=[0.0015699一O.0015439,*+ 0.0015(1—I)]q 截面转角0=(O.00078992一O.00155293+ 徐勋,吴涛,刘亚锦屏水电站专用公路滑坡微型钢管桩的内力计算39 0.00075644)q 弯矩M=(一2.062o6l+2.02765932— 1.976214~o3)q 剪力Q=(1.037216q~4+2.0398252l一 0.994036~37861)q 从弯矩图及剪力图可知AB,CD,EF3根桩构成 的一榀钢架产生的最大弯矩M,最大剪力Q都在 AB桩上,即可由AB桩的内力来控制一榀钢架的内 力. 由力学模型可知AB杆件下端固定处B即X=0 处,为弯矩的最大值,此时I=1,,,,都为0, 弯矩方程变为: 一 =一2.12541q 由剪力影响线知道AB杆件最大剪力在下端固 定处B即=0处,同理剪力方程变形为: Q一=2.0776852q AB杆件的最大饶度在AB跨中即X:4.5m 处,最大饶度可表示为: y一=一0.001425q 假设跨中饶度容许值为H/200=9/200=0.045 m,则可求得相应的q值: q=0.045/0.001425(kN/m)=31.58(1d~/m) 在一榀钢架中,由顶梁的弯矩分布可知,AB,CD 为受拉杆件,EF为受压杆件,而AB,CD杆件中,CD 杆的轴力大于AB杆,因此将CD杆的轴力来验算这 一 榀钢架的抗拔力,见表1.. 将微型钢管桩组合结构中各杆件内力最大值分 别求出,用均布荷载集度4表示,计算出各内力设 计允许最大值,从而可求出各个内力允许的最大荷 载集度,在对应求出的4个最大荷载集度中取最小 的1个即为微型钢管桩组合结构所能提供的单宽最 大抗力一. 5结语 1)从该工程实际应急效果来看,微型钢管桩+ 预应力锚索联合加固模式达到了预期的效果,治理 措施实施后,滑坡稳定性得到明显改善,应急加固措 施实施过程中监测显示,滑坡开始出现减速迹象. 2)从计算结果看,这种联合加固模式中起主导 因素的还是预应力锚索,但微型钢管桩群及混凝土 顶梁在改善路基岩土体结构,加固路基方面还是起 到一定的积极作用. 3)横向约束的弹性地基梁理论在计算有刚性 顶梁固定的微型钢管桩组合结构中,可以得出较为 加云南水力发电2011年第5期 内力最大值 AB桩设计内力值 集度q(kNIm) 单宽抗力qH(kN/m) ,,一=0.001425q (中部) 摄H? =0.0l5m 31.6 2g4.2 肘,=2.12541g (底端) 25kN?In (不计插筋) 11.8 1晒.9 Q一=2.0776852q (底端) 328kN (不计插筋) 157.9 l420.8 内力最大值y衄= (顶端) 0.001 顶 1. 端49;=(顶1.端499) CD,?桩设计内力值 集度q/(kN/m) 单宽抗力g日 ,(kN,m) 稳定性计算用单宽抗力/(1d~/m) =2.06208q (CD桩,拉) ?一=2.236635q (EF桩,压) 嵌入强风化板岩3m,取[r]: 60kPa,侧摩阻力75l【N 36.5 328.3 参考文献: [1]周德培,王焕龙,孙宏伟.微型桩组合抗滑结构及设计理论[J]. 岩石力学与工程学报.2OO9,28(7). [2]刘凯,刘晓丽,苏媛媛.微型抗滑桩的应用发展研究现状[J]. (上接第17页) 现场掺改性PVA纤维混凝土单位用水量增加2k 左右,按大坝A区0.41水胶比计算增加胶材5 m3左右. 2)现场掺改性PVA纤维与未掺改性PVA纤维 混凝土7d,28d,90d和180d抗压强度略有提高, 28d劈拉强度掺改性PVA纤维混凝土较未掺改性 PVA纤维混凝土提高8.3%左右. 3)现场掺改性PVA纤维与未掺改性PVA纤维 混凝土7d,28d,90d,180d极限拉伸值(与2008年 和2009年现场抽检的未掺PVA纤维混凝土极限拉 伸平均值相比)分别提高10%,10.3%,11.8%和 4.8%,掺纤维对提高混凝土早期抗裂有利. 4)现场掺改性PVA纤维与未掺改性PVA纤维 混凝土自生体积变形同龄期(270d)自生体积变形 岩土力学.2OO8,28(11). [3]冯君,周德培,江南,等.微型桩体系加固顺层岩质边坡的 内力计算模式[J].岩石力学与工程学报,2OO6,25(2). 减少收缩约20×10一,掺改性1WA纤维对提高溪洛 渡高拱坝混凝土的抗裂安全指标是有利的. 5)掺改性PVA纤维后大坝混凝土施工存在不 同程度的泌水,在混凝土坍落度控制在20,401111”11 范围内基本能保证浇筑过程中无泌水产生.室内试 验验证掺改性PVA纤维后可适当降低混凝土砂率 0.5%一1.0%,不但可以降低混凝土的单位用水量, 同时可以提高混凝土的抗压强度,也不影响混凝土 的其余各项性能指标. 鉴于掺改性PVA混凝土的各项试验数据及施 工数据较少,尚需要更多的施工和试验的数据验证. 但从目前试验结果可知掺改性PVA纤维可提高混 凝土的极限拉伸值及混凝土的自生体积变形性能, 对坝体混凝土的抗裂安全性是有利的,建议在有较 高抗裂安全性的混凝土工程中掺改性PVA纤维. ?一一一=岫