（岩土工程专业论文）小直径钢管排桩抗滑机理分析及计算理论.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 小直径钢管桩一般指直径小于3 0 0 m m 的插入式或灌注式钢管桩。钢管项 部用联系梁相互牢固连接，形成排桩，使单桩悬臂受弯改变为整体承受弯矩， 以增加排桩整体稳定性和抗弯、抗扭能力。这种新型桩近年来已由单纯的抢 险、救灾、应急的工程措施逐渐扩展到滑坡治理、路堤加固等工程。但由于 对小直径钢管排桩作为滑坡处治工程的研究还较少，使得其理论研究明显滞 后于工程实践。设计无理论研究支持，普遍依靠经验或通过“工程类比”，严 重制约了该结构的推广、应用。 本文介绍了国内外对小直径钢管桩的研究现状，对小直径钢管抗滑排桩 的加固机理、抗滑能力、群桩计算方法等方面进行了归纳和总结，重点分析 了小直径钢管抗滑排桩与一般抗滑桩的不同之处：注浆加固、桩土复合体硬 化特征、群桩效应与联系梁作用，力图对小直径钢管抗滑排桩的抗滑能力和 破坏机制的理论与方法有全面深入认识，为工程实例的研究确定适合的分析 理论与方法。 提出了小直径钢管抗滑排桩的一般计算方法。对小直径钢管抗滑排桩的 力学模型进行了简化，按照悬臂桩计算思想将其分为受荷段和锚固段，分别 进行计算。上部结构根据简化力学模型采用结构力中的位移法计算其内力和 位移，下部结构看作弹性地基梁，采用“m ”法或“k ”法计算其内力、变位 和桩侧应力。作者选取四川境内的广巴路k 1 0 0 + 0 7 0 - 、- , k 1 0 1 + 1 0 0 段木门互 通式滑坡现场堆载试验作为工程实例，用本文所进出的计算方法对该试验进 行实例计算。介绍了堆载试验，对试验监测数据进行分析，利用实测数据分 析结果对理论计算结果进行验证，对支挡结构的加固效果和小直径钢管抗滑 排桩的极限抗滑力作了讨论。 关键词：小直径钢管抗滑排桩；注浆加固；桩土复合体；群桩效应；联系梁； 堆载试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s tr a c t s m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a rp i l ei s g e n e r a l l yi n s e r t i n gp i l e o rb o r e d b o t t l i n gp i l ew h i c ht h ed i a m e t e ri sl e s st h a n3 0 0 m m c o n n e c t i n gf i r mt h ep i l et o p w i t hr i g i d i t yg i r d e r ，i tb e c o m er o wp i l e sw h i c hc h a n g et h es i n g ec a n t i l e v e rb e a m b e a r i n gb e n d i n gm o m e n t s t oat o t a lb o d yb e a r i n gb e n d i n gm o m e n t s a sa r e s u l t ， t h er o w p i l e sa r ep r o v i d e dw i t hab e t t e rw h o l es t a b i l i t y ，b e n d i n gm o m e n t sc a p a c i t y a n da n t i - t w i s t s a b i l i t y t h es m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a rp i l ei s u s e da s e m e r g e n c yr e p a i r ，e m e r g e n c yr e s c u ea n dc r a s hp r o g r a m ，a n do fl a t ey e a r s ，i t su s e s c o p eh a v ee x p a n d e dg r a d u a l l yt ol a n d s l i d et r e a t m e n ta n de m b a n k m e n tr e i n f o r c i n g e n g i n e e r i n g b u ta sar e s u l to fr e l a t i v e l yf e ws e a r c h e s0 1 1s m a l ld i a m e t e rs t e e l t u b u l a ra n t i - s l i d er o wp i l e s ，t h et h e o r yo ni th a v el a g g e db e h i n dc o r r e s p o n d i n g e n g i n e e r i n g t h ep h e n o m e n at h a td e s i g no nn ot h e o r ya n dg e n e r a l l yb a s e do n a n a l o g yo rc o m p a r i s o n 、析t he x i s t i n gp r o j e c t sh a v eb e c o m eas t u m b l i n gb l o c ki n p r o m o t i n ga n da p p l i c a t i o no ft h i sa n t i - s l o p es t r u c t u r e t h i st h e s i sn o to n l yi n t r o d u c e sp r e s e n ta p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h i n gs t a t u so f s m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a ra n t i s l i d er o wp i l e sa th o m ea n da b o a r d ，b u ta l s o s u m m a r i z e st h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c i n g s l o p e ，c a p a c i t yo fa n t i s l i d e ，a n d c a l c u l a t i o no f p i l eg r o p e so ft h i sa n t i s l i d es t r u c t u r e a n dm o r e ，t h i st h e s i sa t t a c h e s e m p h a s e st oa n a l y s i sd i f f e r e n c eb e t w e e ns m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a ra n t i s l i d e r o wp i l e sa n dt r a d i t i o n a la n t i s l i d ep i l e ，w h i c hi n c l u d eg r o u t i n gr e i n f o r c i n g ，h a r d e n c h a r a c t e ro fc o m p o s i t eo fp i l ea n dg r o u n d ，e f f i c i e n c yo fp i l eg r o u p sa n dr i g i d i t y g i r d e ra c t i o n h a dd o n et h i sw o r k ，i ta i m st h a tw ec a no b t a i na ni n d e p t hs t u d yo n c a p a c i t ya n t i s l i d ea n di n v a l i d a t i o nm e c h a n i s mo fs m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a r a n t i - s l i d er o wp i l e s ，a n da sm o r e ，m a k es u i t a b l et h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o d sf o r e n g i n e e r i n gc a s e t h ea u t h o rr a i s e s g e n e r a lc a l c u l a t i o nt h e o r ya b o u ts m a l ld i a m e t e rs t e e l t u b u l a ra n t i s l i d er o wp i l e s ，w h i c hb a s e do ns i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e la n dt h e s o l v ei d e ao fc a n t i l e v e rb e a m ，c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r ec o n s i s t i n go ft w o p a r t s ， b e a r i n g l o a d s e g m e n ta n da n c h o r a g es e g m e n t ，c a l c u l a t e t h e s et w op a r t s r e s p e c t i v e l y i nt h i sc a l c u l a t i o nt h e o r y ，t h ec a l c u l a t i o no fb e a r i n gl o a ds e g m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 a d o p td i s p l a c e m e n tm e t h o da n dt h ec a l c u l a t i o no ft h eo t h e rp a r ta d o p tt h em e t h o d o f m ”o r “k ? t h ee n g i n e e r i n gc a s ew h i c hi saf i e l dt e s to fh e a pl o a d i n gl o c a t e d i ng u a n g b ah i g h w a yk 1 0 0 + 0 7 0 k 1 0 1 + 1 0 0s l o po fm u m e n w h i c hl i ei ns i c h u a n p r o v i n c ei sc h o s e nt os t u d ya n de v a l u a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t i o nt h e o r y a b o u ts m a l ld i a m e t e rs t e e lt u b u l a ra n t i - s l i d er o wp i l e s a n dt h e ni n t r o d u c e st h e h e a pl o a d i n ga n dt h ea n a l y s i so nm o n i t o r i n gd a t ao ft h et e s t i nt h ec o n c l u s i o n ，i t v e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o nt h e o r y k e y w o r d s ：s m a l ld i a m e t e rs t e e l t u b u l a ra n t i s l i d er o wp i l e s ；g r o u t i n g r e i n f o r c i n g ；c o m p o s i t eo fp i l ea n dg r o u n d ；e f f i c i e n c yo fp i l e g r o u p s ；r i g i d i t yg i r d e r ；h e a pl o a d i n gt e s t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：副j 勺媳 日期：a 硼7 年易月上日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 根据文献，分析了小直径钢管抗滑排桩对滑坡的加固机理。 2 对小直径钢管排桩进行力学简化，结合抗滑桩计算的“m ”法与“k 法，提出了排桩的理论计算方法。 3 根据现场堆载试验的监测数据与理论计算方法结果进行对比，验证了 小直径钢管桩简化计算方法的有效性。 学位论文作者签名：毒筒；奶 日期：伽年易月r 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 小直径钢管桩一般指直径小于3 0 0 r a m 的插入式或灌注式钢管桩。利用人 工预成孔插入的或轻型机械打入的带孔小直径空心钢管，并在平面上布设成 一定形状，再向管内高压灌注水泥砂浆。水泥浆液通过钢管上有规律的孔向 桩周围土体渗透，再通过挤压、劈裂和固化等方式，使桩周一定范围内的土 体得到加固，并形成钢管+ 水泥砂浆土复合体，从而改善钢管桩的受力情况。 钢管项部用联系梁相互牢固连接，形成排桩，使单桩悬臂受弯改变为整体承 受弯矩，以增加排桩整体稳定性和抗弯、抗扭能力。 小直径钢管桩与普通抗滑桩的最大区别是单桩的截面很小、长径比很大、 刚度及承载力较低。但这些单桩通过一定方式组合，在其顶部用刚性梁将其 联系起来，同时通过压浆对相邻岩土体进行固化改造之后，可将桩周经改造 后的土体纳为组合桩的一部分，充分调动桩间及邻近岩土体的承载能力，达 到共同抗滑的目的。将两排或多排小直径钢管桩顶部用联系梁连接起来，形 成的空间排架结构具有一定的刚度、抗弯抗剪能力较强、组合形式灵活、施 工便捷、工程适应性强、对环境影响小等优点。近年来已由单纯的抢险、救 灾、应急的工程措施逐渐扩展到滑坡治理、路堤加固等工程。通过改进施工 工艺，加强钢管防腐措施后，在地形陡峻、覆盖土层较厚的山区公路、铁路 斜坡段，它将会是一种适应性很强的永久性支挡结构。 小直径钢管排桩的抗滑能力是桩和岩土体共同作用的结果，是十分复杂 的荷载传递和分配的过程。对于滑坡推力如何分配、不同排桩之间的相互影 响等问题，国内外学术界没有较系统的相关研究。由于缺乏对受力机理、桩 土共同作用效应、抗滑支挡计算理论、防腐施工工艺等方面的系统研究，使 得理论研究明显滞后于工程实践。排桩受力机理、桩土组合效应、抗滑支挡 计算方法均无可靠、成熟的理论，设计多依靠工程经验。钢管的防腐问题也 制约着钢管桩作为永久支挡结构的应用推广。设计无理论研究支持，普遍依 靠经验或通过“工程类比”，严重制约了该结构的推广、应用。因此，有必要 结合工程实践，对小直径钢管桩进行深入、系统的研究，以解决技术瓶颈、 完善理论机制、创新施工工艺，使小直径钢管排桩得到更广泛推广和应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 课题研究的目的 通过对小直径钢管排桩受力机理、桩土组合作用、间排距组合形式、防 腐措施、施工工艺的研究，结合理论分析，提出可作为永久支挡结构物的实 用设计方法和应用范围。这对于我国西部大开发，建设节约型、环境友好型 社会必将产生积极的作用。 1 3 小直径钢管排桩的定义及优点 1 3 1 微型桩的定义 微型桩( m i c r o p i l e ) ，即小直径钻孔灌注桩，又称树根桩( r o o t p i l e ) 。般指 桩径在7 0 , - 一3 0 0 m m ，长细比较大( 一般大于3 0 ) ，采用钻孔，插入钢筋束、钢管、 型钢或钢轨，注入纯水泥浆、水泥砂浆或硅。一般呈网状或树根状设_ 置【1 1 。 学者们对微型桩的定义并不一致，矛盾主要集中在微型桩的直径上。一 般认为，微型桩的直径为7 0 , - - 一3 0 0 m r n ，当微型桩直径逐渐增大时，其工作性 能以及应用条件逐渐接近传统桩。t o ma r m o u r 等【2 】认为微型桩是直径小于 3 0 0 m m 的钻孔加筋灌注桩。当微型桩的直径大于3 0 0 m m 时，微型桩的工作 性能已与传统桩无明显区别，更重要的是，直径过大的微型桩在经济并不合 理。文献 3 则认为微型桩的直径可以达到4 0 0 m m ，微型桩的直径过小时，微 型桩就无法发挥其工作性能，起不到预先期望的效果。 1 3 2 小直径钢管排桩及的定义 小直径钢管桩属于微型桩( m i c r o p i l e ) 中的一种。利用人工预成孔插入或 轻型机械打入带孔的小直径空心钢管，并在平面上布设成一定形状，再向管 内高压灌注水泥砂浆。滑坡治理中多在其项部用刚性联系梁将其牢固连接， 形成一个超静定框架结构，成为排桩，与桩周的改良土体共同起到抗滑作用。 我们所说的小直径钢管抗滑排桩便是由小于3 0 0 m m 的钻孔桩与桩间和邻 近紧密结合的岩土体共同构成的，而不是简单地把岩土体看作荷载的支挡措 施。它侧重于对地质体的改造和与地质体的有利组合去适应不良工程地质环 境，消除或大幅度削弱致灾地质作用。这便是它和普通抗滑桩以及一般“微 型桩群”的实质性区别【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 3 小直径钢管排桩的特点 小直径钢管桩是在小型钻孔中，插入钢管，再进行压力注浆或灌注混凝 土，形成钢管混凝土钻孔桩。它集中了钢管桩和微型桩两种桩型各自的优点， 主要应用于边坡工程、基坑支护工程、桩基础加固工程等。 近年来，针对应用于边坡工程或港口码头等承受水平荷载为主的钢管桩， 桩身横向刚度偏底的问题而采用的a c c 桩( a r tc l a v e dc o n c r e t ec o m p o s i t e s t e e l ) ，这是一种高压养护的离心混凝土钢管桩。离心混凝土只作为钢管桩的 内衬，由于在原材料中渗入水泥重量5 的过氧化镁，使混凝土在高压蒸汽养 护过程中产生一定的膨胀，以便与钢管内壁紧密结合，这种桩在受到横向力 作用时，钢管与混凝土共同作用，因此抗弯刚度大为提高【5 j 。 小直径钢管桩一般是以两排或多排群桩的形式布置，桩顶用联系梁牢固 连接，成空间刚架体系布置，则载荷由桩一土复合结构共同承受，小直径钢 管排桩及其周围的岩土体共同形成了一个复合型挡土墙，起着抗滑挡墙的作 用。 小直径钢管排桩作为抗滑桩用于边坡加固工程中时有以下特点： ( 1 ) 比等直径的普通抗滑桩抗弯强度高 这可以从以下四个方面来阐述： 联系梁很大程度上提高了小直径钢管排桩的抗弯强度。从理论上讲， 任何普通抗滑桩的强度与功能，小直径钢管排桩都能达到。因为单就两个用 刚性联系梁相并联的钢管桩的抗弯强度即已超过以两孔直径之和为直径的大 桩的强度。如果再加上与之组合的岩土体强度，其抗滑强度无疑是相等直径 的大桩所不及的。也就是说，照地质工程的观点，我们只需消耗很少的人工 材料并采用简便的施工方法即可大幅度提高抗滑桩的防灾效果。 通过钢管压力注浆，水泥浆体对岩土体充填，挤密，通过劈裂和固化 等方式加固了钢管周围的滑坡体、滑动带及滑床下的稳定岩土体，使小直径 钢管桩及其周围的岩土体共同形成了一个复合型挡土墙。 钢管及周围的水泥浆体形成的微型桩，分布在滑体上，并嵌入潜在滑面 以下的稳定土( 岩) 层足够深度，从而对滑体产生支挡作用，提高抗滑力。钢管 桩一般竖向或近似竖向设置，与岩层面( 潜在滑动面) 夹角较小，可以承受较大 剪切力和弯矩。 舢e s tm a s s 等【6 】采用模型试验的方法，得出由于微型桩的应用可以很 好的提高土体的粘聚力，使土的抗剪强度增强，从而提高了小直径钢管排桩 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的抗滑能力。 小直径钢管桩属于钢管混凝土的范畴，由于钢管对管内的水泥砂浆的 约束作用使得钢管桩在受水平受载作用下的抗弯强度较一般的混凝土要高， 从而提高了钢管排的整体抗弯强度【刀。 基于以上几点，理论上小直径钢管排桩相对传统抗滑桩而言，抗滑能力 和承载能力具有大幅度的提高。 ( 2 ) 注浆作用改善了滑动土体的力学性质，充分利用了土体自身的强度 来达到抗滑目的，这是其它桩型所不能达到的，可以说小直径钢管桩是一种 主动加固的被动桩。故其较其它桩型更经济。 ( 3 ) 布桩形式灵活多变。可根据需要或垂直或斜布成桩，也可成排布置 或交叉成网状布置。网状布置的微型桩群桩体系具有较好的承载能力，群桩 中的单桩可以承受拉应力、压应力、剪力和弯曲应力。也可以单独使用或与 其他支挡工程如锚杆等配合使用。 ( 4 ) 施工迅速安全，施工机具小轻，安装搬迁和成孔都十分快捷简便， 单桩和组合桩的空间布置较少受到限制，与工程地质环境和生态环境容易协 调。对环境破坏小，但综合经济效益高。 1 4 小直径钢管排桩的发展及研究现状 1 4 1 小直径桩的发展及国外研究现状 钢管桩是随着炼钢和轧钢技术的迅猛发展而出现的一种新型桩【5 1 。美国自 1 9 0 8 开始使用钢桩，欧洲也于1 9 3 0 年起增加了钢管桩在桥墩、高层建筑基础 的使用，对钢管桩的大量使用源于上世纪5 0 年代中期的日本，由于日本在6 0 年代经济飞速发展，加上日本国土狭小，必须在沿海软弱地基和人工围海造 地上兴建各类高大且抗震建筑物。由于钢管桩的承载力大，能承受较大的冲 击力，也能承受较大的水平力，设计灵活，桩长容易调节，易与上部结构结 合，施工简便，对临近建筑物扰动作用小，机械化施工速度快等优点，因此 钢管桩的使用量不断扩大。我国于上世纪7 0 年代开始使用钢管桩，自在上海 宝钢一、二期工程建设中大量成功使用钢管桩以来，随着我国经济建设的快 速发展，人们对钢管桩的优越性有了进一步的认识，钢管桩已在高层建筑物 基础、地铁施工、桥梁基础等工程中广泛使用。 小直径桩( 微型桩) 最初由意大利人f e m a n d ol i z z i 于上个世纪五十年代 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 提出来。并由f e m a n d o 公司首先开发利用。1 9 7 8 年l i z z i 报道了设在粗砂中 的小型群桩在不同排列下承载性能的研究结果，认为网状布置的群桩较竖直 平行布置的群桩承载力为高。同年k o r e c k 也对小直径钻孔灌浆桩的应用情况 作了介绍。在瑞典，鉴于普通小桩不能满足重荷载基础的修复与扩建的需要， 在1 9 8 3 年成功研制了一种扩底小桩，解决了这类重荷载基础的地基处理问题， 随后，这种小桩又大量应用于桩基托换、锚钉工程中。马来西亚于1 9 8 7 年推 出了造价低、施工快、沉桩简易的预制静压小桩，解决了钻孔灌浆小桩成本 高昂的问题，为小桩的应用和推广揭开了新的一页。在西班牙，小桩被用于 水蚀性石灰溶岩地区作为建筑物基础。在南非的湿陷性土层中，1 9 8 5 年成功 地用小桩处理了一幢房屋的基础托换工程【8 1 。 1 9 8 2 年法国索勒唐舍s o l e t a n c h e 公司来华，介绍小桩技术在法国的 应用情况，引起了国内学术界的广泛重视。从1 9 8 4 - - 1 9 8 8 年国内采用小桩技术 作业6 9 2 项工程，施工总进尺7 5 7 3 0 延m ，共创产值5 0 0 万元【9 1 。美国f h w a ( t h e f e d e r a lh i g h w a ya u t h o r i t y ) 在1 9 9 3 - 1 9 9 6 年投资进行了系统的小桩研究。 1 9 9 3 年意大利进行了一个名为“f o r e v e r ”的国家五年计划研究对小桩包括 数值计算、室内试验离心模型试验、现场试验等进行了系统的研究工作，以促 进小桩在建筑结构深基础、边坡稳定、堤岸加固、现有构筑物的加固、挡土 墙以及窄基础中的应用i l 。1 9 9 7 年，在美国联邦公路局的资助下，t o m a i t i l o u r 等人出版了小直径桩设计与施工指南1 3 】，这是迄今为止最为完整地介绍小 直径桩的著作。t o ma r m o u r 等人把小直径桩按照设计方法和施工工艺进行分 类，较为详细的介绍小直径桩的施工工艺和桩身材料，同时也讨论了小直径 桩的应用范围以及应用局限。此专著最大的成果是详细的讨论了小直径桩用 于基础的作用机理，也给出了较为完善的理论设计方法，但是并没有给出小 直径桩应用于边坡工程的设计理论，因为作者认为在这个问题上工程师们的 意见并不统一。 在微型抗滑桩的发展过程中，许多学者和工程人员做了很多有益的工作， 日本在二十世纪6 0 7 0 年代曾经大量使用钻孔钢管桩，r c a n t o n i 1 1 】、j u r a n 1 2 】 等提出了网状微型桩加固斜坡的设计方法。a m h e s tm a s s 1 3 】等采用模型试验的 方法，在试验土体内设置不同倾角的杆状结构物，以模拟微型桩对土的加固 作用，进行剪切试验，测出土体剪切时的粘聚力和内摩擦角，同时做了试验 土体内不加入任何结构物的试验作对比分析，分析发现微型桩的应用可以很 好地提高土体的粘聚力，但内摩擦角没有什么变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 小直径桩的应用历史已经超过5 0 年o 作为一项新工程技术，小直径桩在 战后重建中发挥过重要作用。开始人们认为小直径桩只能构造成树根桩来承 受竖向荷载。最近2 0 年里，小直径桩技术的发展改变了人们以往对微型桩的 片面认识。人们逐渐认识n d , 直径单桩经过一定的组合也能承受较大的竖向 荷载和横向荷载。小直径桩帮助工程师解决了许多困难的支护问题，特别是 在施工条件受到严格限制的情况下。现在学者又开始重新关注小直径桩，开 始把小直径桩应用到基坑支护、边( 滑) 坡防治、震后重建工程中。 1 4 2 小直径桩在我国的应用及发展 我国于2 0 世纪8 0 年代开始树根桩的试验研究和工程应用。最早是由同 济大学叶书麟教授推荐，于1 9 8 0 年在室内作了1 5 0 1 1 l l l x1 5 0m m x 4 0 0 0 衄的树根 桩成桩试验研究，得出了树根桩成桩的有益成果：1 9 8 5 年在上海东湖宾馆加 层中，同济大学又与上海市基础工程公司合作在国内工程中第一次正式使用 树根桩并取得了成功，取得了树根桩宝贵的实际工程资料，对树根桩的研究 起了极大的促进作用。1 9 8 7 年初，上海市隧道设计院对延安东路越江隧道的 盾构穿越黄浦后到达浦西，向市中心推进时，沿线的外滩原天文台、纺织品 仓库和针织品仓库等建筑先后采用了树根桩托换加固，取得了有益的实践经 验和良好的经济效益【l 4 | 。 在国内，多数工程实践是将微型桩技术与其他滑坡支挡技术联合应用达 到治理滑坡的目的，丁文光【1 5 】【l6 】总结国外文献的基础上，并以工程实践为例， 介绍了预应力锚索格构梁、预应力锚索抗滑桩、锚喷挂网支护、树根桩挡上 墙等轻形支挡结构在公路边坡灾害治理中的应用，介绍了微型桩的计算方法， 并结合工程实例说明了其处理滑坡的设计步骤。总结了小直径桩设计的基本 原则和设计步骤。冯君掣1 7 】讨论了微型桩体系加固顺层岩质边坡内力计算模 式。史佩栋掣8 】讨论了网状微型桩承受横向荷载是的设计方法。白晨光等【l 8 】 由于基坑周边空间狭小的原因，将抗弯功能微型桩成功地进行了基坑支护； 蒋鹏程掣1 9 1 将树根桩应用于加固高路堤边坡研究，葛子辉【2 0 1 、姬深堂等【2 、 龚健【2 2 j 对软土地基中的微型桩单桩及群桩进行了水平荷载试验，并对试验结 果进行了分析。试验结果表明，微型桩有较好的抵抗水平荷载的能力，尤其 是斜桩基础能有效地减小水平荷载引起的位移。陈喜昌掣l 】通过分析小口径组 合桩的受力特点及支护特性，概括性地提出了小口径组合桩的基本设计原则， 即进行小口径组合桩设计时应考虑的因素。唐传政掣2 3 】通过分析微型钢管群 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桩的特点，结合应用微型钢管群桩成功处理基坑工程事故的实例，总结出在 深基坑加固处理、设计与施工中的主要问题，总结出微型钢管群桩施工的应 注意的一些问题。 1 4 3 小直径钢管桩作为滑坡处治工程的研究现状 小直径钢管排桩作为一种滑坡治理的新型支挡工程，得到了越来越广泛 的应用。它属于钻孔灌注桩，成桩后在其项部用刚性联系梁边接起来，形成 排架结构，很好的改善了它的力学性质，它同时具备了微型桩和钢管桩的优 点。由小直径桩的国内外研究现状可以看出，虽然人们对小直径桩的工作机 制有一定的研究和认识，但对本文所提出的小直径钢管排桩作为滑坡治理工 程时的工作机制及其计算理论并没有系统的研究。排桩受力机理、桩土组合 效应、抗滑支挡计算方法均无可靠、系统、成熟的理论。因此，“小直径钢管 排桩抗滑机理及施工工艺研究 这一课题对于小直径钢管排桩的更广泛的推 广和应用具有很重要的意义。 1 5 本文的研究内容和主要方法 本文以“小直径钢管排桩抗滑机理及施工工艺研究”课题为依托，以该课 题的现场试验“小直径钢管抗滑排桩现场堆载破坏试验 为工程实例，对小 直径钢管排桩的相关内容展开分析。其主要内容及方法如下： 1 、研究内容： ( 1 ) 小直径钢管排桩对边坡的加固机理； ( 2 ) 小直径钢管排桩桩间距和排间距对抗滑稳定性影响的研究； ( 3 ) 小直径钢管排桩的内力及位移计算理论研究； ( 4 ) 小直径钢管排桩作为滑坡支挡结构的设计方法及其基本原则 2 、研究方法： ( 1 ) 理论推导 通过对小直径钢管排桩力学模型的简化，结合结构力学和传统抗滑桩的 “r n ”法与“k ”法的计算思想，对其内力和位移的计算进行理论推导。 ( 2 ) 现场堆载破坏试验 试验目的：通过堆载破坏试验，对堆载过程中钢管桩在达到极限抗滑状 态前桩身应力应变及边坡变形等进行监测。根据堆载试验实测数据，结合理 论分析，分析小直径钢管抗滑排桩在达到极限状态前滑坡推力、滑坡位移、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 桩向的位移与受力之间的关系。 试验方案：结合工课题依托工点支挡方案，进行三组小直径钢管桩的堆 载试验。 ( 3 ) 理论验证 对现场堆载试验监测数据进行分析，分析小直径钢管排桩的排间距对其 抗稳定性的影响、滑坡推力在排桩间的分配、不同排桩之间的相互影响。利 用实测数据分析结果与理论计算结果进行对比，验证理论分析的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章小直径钢管排桩加固机理分析 2 1 小直径钢管排桩的加固机理概述 小直径钢管桩是在小型钻孔中下入钢管，再进行压力注浆，形钢管混凝 土钻孔桩。成桩后在桩项浇筑联系梁，将钢管桩联成一个空间刚架体系。这 样整个微型钢管桩体系和桩间岩土体作为一个整体结构进行工作。这种桩型 集中了钢管桩和微型桩的优点。 2 1 1 注浆加固 小直径钢管桩采用预成孔插管压浆法施工。成孔后将钢管放入钻孔内居 中，然后向钢管内压入水泥砂浆。水泥砂将通过钢管上的溢浆孔或钢管底部 的预留孔隙向钢管外翻浆，管外水泥砂浆在压力作用下向周围土体渗透，再 通过挤压、劈裂和固化等方式，使桩周一定范围内的土体得到加固，并形成 钢管+ 水泥砂浆土复合体，从而改善钢管桩的受力情况。 ( 1 ) 在注浆压力作用下，水泥砂浆在滑动面处可以扩散到很大的范围， 浆液凝固后，使滑动面附近土体形成“水泥土 ，使滑动带土层的性质得到改 善。同时，由于浆液的渗透性，将滑体和滑面下稳定岩、土层粘聚形成一个 扩散的复合体，从而改善了滑面处土体的抗滑作用。 ( 2 ) 通过水泥砂浆的充填、挤密，使土体密度加大，孔隙减少，渗透系 数减小，从而减少地表水的渗入，提高滑体的稳定性【2 4 1 。 ( 3 ) 向钢管内注入水泥砂浆，水泥砂浆与钢管混合体相当于钢管混凝 土，这种桩在受到横向力作用时，钢管与混凝土共同作用，因此抗弯刚度大 为提高1 5 j 。由于钢管对管内的水泥砂浆的约束作用使得钢管桩有受水平受载作 用下的抗弯强度较一般的混凝土要高，从而提高了钢管排的整体抗弯强度。 2 1 2 联系梁作用 小直径钢管桩为多排群桩的形式布置，桩顶用联系梁相互连接起来，形 成了一个空间刚架体系，这样整个小直径钢管桩体系和桩间岩土体作为一个 整体结构进行工作，载荷由桩一土复合结构共同承受，具有类似复合型挡土 墙的作用，可承受较大弯矩和剪力，起着抗滑挡墙的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 单桩桩项一般是自由的，其桩项无弯矩，桩身刚度较小、弯矩较大。在 小直径钢管排桩桩顶用联系梁将钢管桩固结相联，使其成为一个空间排架结 构，有效的提高了钢管桩的抗弯刚度。排架结构在滑坡推力作用下，由于联 系梁的存在，使桩顶产生负弯矩并使弯矩沿桩身重分配，从而减小桩身的最 大弯矩。 从众多试验结果看：当联系梁的刚度相对于钢管桩的刚度足够大时，钢 管桩项部由于联系的作用，属于嵌固端，其抗弯刚度明显提高，桩身弯矩减 小，桩项弯矩加大。最大弯矩的位置和位移零点的位置下称，土的塑性区向 深层发展，能充分发挥深层土的抗力；从而提高了水平承载力，减小了水平 位移。 联系梁对钢管桩的约束起到了减小弯矩，并使弯矩沿桩身重分配的作用。 在联系梁的约束作用下，钢管桩的位移约为桩项自由情况下的1 2 t 2 5 1 。联系梁 对钢管桩的约束实际上为有限约束，这种有限约束有利于提高排桩承受滑坡 推力，提高小直径钢管桩的抗弯刚度。 2 1 3 小直径钢管排桩整体加固机理 ( 1 ) 微型桩加固作用 a n l h e s tm a s s 等【6 】采用模型试验的方法，得出由于微型杆状结构物对土的 内摩擦角没有影响，但是，由于产生了附加粘聚力，使土的抗剪强度增强。 由于钢管桩管外的注浆，使得桩周的岩土体与钢管桩之间的粘结比较牢固， 在滑坡推力的作用下，桩周岩土处于三向应力的状态，从而使土体的强度得 到提高，可以承受更大的外力作用。 ( 2 ) 地质体改造作用 通过在土体内设置小直径型钢管桩体系，在注浆作用下，钢管桩与桩间 土体共同作用，形成复合体，从而提高了原位土体强度，实现了对地质体的 改造和与地质体有利组合，增强了边坡的稳定性。 ( 3 ) 桩一土体复合型结构抗滑作用 小直径钢管桩体系和桩间土体形成桩一土体复合型结构，荷载由该复合 型结构并同承受，受荷状态类似于钢筋混凝土结构，及桩间岩土体代表混凝 土，而钢管桩则代表钢筋。利用各根钢管型桩的抗剪、抗拉、抗压能力及其 和桩间土的组合效应，桩一岩土体复合型结构可以有效地阻止岩体沿结构面 滑动。在桩一土体复合型结构中，小直径钢管桩在岩土体内的空间组合形成 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 了复合型结构的骨架，该骨架具有较大的刚度和强度，对桩间土体的变形起 到了约束作用，使钢管桩和桩间岩土体形成一个整体来共同承担外荷载，其 中钢管桩起着分担荷载、应力传递和扩散作用。桩体通过其应力传递作用， 将不稳定性岩体内部分应力传递到稳定岩土体中，并分散在较大范围的岩土 体内，降低应力集中程度，从而起到稳定边坡的作用。 2 2 小直径钢管桩对桩周土体加固作用分析 图2 - 1 所示，小直径钢管抗滑排桩呈布设在在滑坡体上，受到桩后的横 向滑坡推力作用下，对桩间和邻近土体具有改造和加固作用，从而使土体的 强度得到提高。 图2 1 小直径钢管排桩加固滑坡示意图 小直径钢管桩与桩周土体的接触方式有两种极端情况：钢管抗滑桩与周 围土体的接触方式有两种极端情况： ( 1 ) 桩与土之间完全没有任何粘结，接触面上是光滑的； ( 2 ) 桩与土之间完全粘结，桩土接触面之存在有摩擦阻力，粘滞阻力等， 在这种情况下，由于二者之间的摩擦存在，在外力作用下产生共同变形。 在实际情况下，桩周土与桩之间的接触介于这两种极端情况之间。 2 2 1 三向压应力状态下对土的加固 假定桩周土与钢管桩完全粘结，如图2 2 所示，桩周土体在三向受压情 况下，与未加固的土体相比，由于钢管桩与土体之间的牢固粘结，致使土体 在应力作用下竖向变形减小，则桩体和土体内的应力增量分别为、一矿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 g z 钐 7 桩 土 。 厶- o z 丘一一， 桩 土 产7 一 图2 - 2 三向受压应力状态下土的加固 若土体服从c o u l o m b m o h r 屈服条件，则有 ( q 一0 - 3 ) = ( q + 0 3 ) s i n 矽+ 2 c c o s 缈 ( 2 - 1 ) 对于图2 2 的情况，在f 一仃平面内，土单元体的摩尔应力圆与破坏包络 线刚好相切，即土体达到极限应力状态，而同样应力状态下的桩作用下的加 固土由于应力增量一一的产生，使摩尔应力圆远离了破坏包络线( 图2 3 ) ， 即未达到极限应力状态。由上可证明，钢管桩作用下的桩周土体得到了加固， 土体的强度得到了提高，可以承受更大的外力作用。 t 夕、 自一1 一 刊晚p 图2 3 三向受压下加固与未加固土体的摩尔应力圆 2 2 2 小直径钢管排桩对土的粘聚力的增强效应 厂ll 工一 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 9 7 2 年，法国人l o n g n t ，g u e g c o n 和g l e g e a y 在实验室对在铝薄膜加固下 的砂土试样进了三轴压缩试验【2 6 1 ，试验 表明：加固土的破坏面为与a 成4 5 。+ ( o 2 的斜载面，并且在高应力状态下，铝薄膜 和土都是被该破坏面贯通，在矾一正平 面内得到的破坏包络线，加固土的破坏包 络线几乎平行于未加固土的破坏包络线， 且该加固土的破坏包络线是直线，与具有 摩擦角与粘聚力的粘性土的破坏包络线 极为相似( 图2 - 4 ) 。 舍 厶 刍 。 占 1 0 0 图2 - 4 砂土试样的三轴压缩试验结果 1 9 9 7 年a m h e s tm a s s ，c o y n eag ，c a n o uj 等采用模型试验的方法【6 】，在 试验土体内设置不同倾角的杆状结构物，以模拟微型桩的加固作用，进行剪 切试验，测出土体剪切时的内粘聚力和内摩擦角，同时做了试验土体内不加 入任何结构物的试验作对比分析。从试验结果发现，三排直杆，且顶部连接 的布置条件下，土体的内粘聚力由0 增加到3 0 k p a ，而其他单独的正向倾斜或 逆向倾斜布置模拟微型桩时土体的内粘聚力比竖直布置时要小。但微型桩对 土体的内摩擦角没有什么变化。 从以上实验中我们可以得到了以下结论： ( 1 ) 由于微型杆状结构物对土的加固作用，在三轴受压情况下，砂土内 产生了一种附加粘聚力； ( 2 ) 从未加固土的破坏包络线与加固土的破坏包络线平行的实验现象， 可以得出杆状结构物对土的内摩擦角没有影响，但是，由于产生了附加粘聚 力，使土的抗剪强度增强； ( 3 ) 如果土体中加固体具有足够的密度，且加固体与土体之间有足够的 粘结性，则在宏观上可以将二者看作是连续均匀的复合材料，即可以适用复 合材料的力学行为去描述被加固土体的行为。 所以对小直径钢管钢管桩作为多排群桩的形式布置，桩与桩之间的间隔 较窄，可以将多排微型钢管桩与桩周被加固土体形成一种新的宏观上连续的 桩土复合体，并且与未加固的土体比较，可以分析出该桩土复合体具有硬化 特征，从而使其整体的抗剪强度得到大的提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 3 桩土复合体的硬化特征 前一小节从定性的角度说明了桩土复合体具有硬化特征，下面将从定量 的角度来阐明桩土复合体的石化特征。 土体未被加固情况下桩和土各自的应力应变曲线如图2 5 所示。钢管桩 成桩后，由于注浆的作用使钢管桩与桩周土粘结一起，我们假定桩与土之间 为完全粘接，则桩周土被加固后桩土复合体的应力应变曲线如图2 - 6 所示。 o 啡 桩的应力应变曲线 硝 么爿吨一线 ； 一 2d o o o b 桩的应力应变曲线 o伊j 蟹 一 2 ： 图2 5 桩、土的应力应变曲线图2 - 6 桩土复合材料的应力应变曲线 由于土体的强度远小于钢管桩的强度，对于图2 5 所示的情况下，在外 力作用下土体较钢管桩先达到塑性极限状态，则有： o 2 = 群 ( 2 2 ) 式中：仉土体的应力； 矿土体的极限应力。 复合土体上的应力为： 仃= e e = ( 玎l 巨+ ? 1 2 最弦 ( 2 - 3 ) 其中： o - 1 = 巨岛 o - 2 = 易岛 。 e l = 岛2 j q = 鲁盯=鲁仃(2-4)o2 j q 2 吉盯= 言仃 式中：仃、q 、q 分别为复合土体、桩、土体上的应力； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 e 、巨、最分别为复合土体、桩、土的弹性模量； g 、毛、岛分别为复合土体、桩、土体的应变； 啊、刀：分别为桩、土对复合体弹性模量的贡献系数； 令：鲁= 尽墨e = 岛 则由式( 2 3 ) 得到 q = b 1 0 吼= 岛仃 ( 2 5 ) 在图2 5 情况下，土体达到其达到塑性极限状态后，应力继续增加时， 土体中的应力将保持为矿，而整个应力增加量将全部由桩体