椅式桩板墙受力机制与设计计算方法研究

论文摘要

布设支挡结构是陡坡路基边坡工程的常见技术措施。随着工程人员对陡坡路基支挡结构破坏机理的深入研究,国内外针对山区陡坡路基支挡工程病害的研究和防治工作空前活跃,支挡结构型式也在完善已有措施的基础上向结构化、组合化和经济性、环保性方向发展。组合式抗滑支挡结构正是在这种国内外形势下重新出现在科技工作者的视野之中,新提出的椅式桩板墙就是其中最具代表性的结构型式之一。铁路行业早在上世纪70年代开始应用类似的支挡结构,但是由于其理论研究远远落后于工程应用,迄今为止还没有成熟的研究成果,设计、规范和手册上也没有相关条款,严重制约了这类支挡结构的发展与推广本文依托中国中铁科股份有限公司科技研究开发计划课题《无砟轨道陡坡路基椅式桩板结构研究》、中铁二院工程集团有限责任公司科研项目《叙大铁路龙山车站高路堤椅式桩板墙应用研究》与道路工程四川省重点实验室开放研究基金课题《陡坡椅式桩板结构路基设计分析理论》等课题开展研究。对支挡路基边坡的椅式桩板墙的定义、分类与研究现状进行了介绍,论述了椅式桩板墙在岩质和土质边坡上的工作机理。分别进行了岩质边坡和土质边坡椅式桩板墙室内大比例模型试验,分析了不同技术工况下椅式桩板墙的变形受力机理及破坏特征,研制了适用于室内模型试验的微型应变式油压土压力计。对岩质边坡和土质边坡上椅式桩板墙的内力变形进行了数值仿真,讨论了重要结构型式、关键设计参数、岩土体参数等对结构内力变形的影响性。在结构设计计算中,将承载板与挡土板简化为简支梁构件进行设计,将椅式桩简化为平面结构,采用弹性地基梁法和结构力学位移法两种方法计算结构内力与变形。最后,利用理论计算方法对关键参数进行分析与讨论,并提出椅式桩板墙的设计方法。针对椅式桩板墙的研究成果,本文主要得出以下结论：1.定义路基边坡工程中新型的椅式桩板墙为组合式抗滑支挡结构,其由椅式桩、承载板和挡土板组成,综合了埋入式连续桩板结构、悬臂式桩板墙与双排抗滑桩的技术特点,兼有支挡、阻滑和承重三重功能,可以按照其布设位置、组合形式和受荷类型进行分类。2.承载板和横梁支承竖向荷载,使椅式桩板墙的重心后移,提高了其抗变形能力与整体稳定性；椅式桩板墙具有抗变形能力强、耐久性好、收坡快、占地范围较小等优点,适用于斜坡高填方路堤、深大路堑、深厚软弱土斜坡、大型滑坡体、山区陡坡、山区城市道路等复杂条件下的路基边坡支挡工程。3.当位于岩质陡坡上时,竖向荷载通过承载板作用于椅式桩上,主副桩通过横梁连接共同抵抗横向荷载,主要表现出承重和支挡双重功能,当岩体中存在节理面或软弱带时,椅式桩又体现出抗剪阻滑的特性。当位于土质边坡上时,部分荷载和滑坡推力还会通过坡体中的土拱效应传递给椅式桩,此时主要表现出阻滑与支挡双重功能。4.当岩体完整性较好时,桩侧岩石压力可按理论计算、经验方法或弹性抗力法求解；当岩体存在外倾结构面时,需确定最不利工况下的岩石压力；类土质岩石边坡可按土质边坡考虑。土质边坡上主动力按经典土压力理论、土拱理论或滑坡推力中较大者确定,被动力按经典土压力理论、弹性地基梁法或剩余抗滑力中较小者确定；滑坡推力与剩余抗滑力的计算往往较为繁琐,可采用修正后的土压力进行代替。5.内力协调机制使椅式桩上出现多个反弯点,大幅降低了结构内力；椅式桩破坏模式一般为某构件形成塑性铰使结构丧失正常使用功能,在可预见的较大荷载作用下椅式桩板墙不会发生倾倒破坏。6.副桩布设于主桩内侧可有效降低椅式桩内力、转换桩基拉压属性,桩梁刚度比控制在1-3范围内,可有效保证椅式桩的荷载效应自我调节作用；椅式桩纵向桩间距一般取3-5倍的桩径或桩宽、数值范围取5～8m,椅式桩横向桩间距一般取2.5～4倍的桩径或桩宽；岩质边坡坡角在40°～70°范围内时,主桩最优悬臂系数取值为0.4～0.6。7.在结构设计计算过程中,当不考虑结构扭转变形时,可以将椅式桩简化为竖向和侧向联合受力的平面结构,根据桩顶与桩底的约束条件和各构件之间、各典型受荷区段之间的内力、变形连续条件,采用弹性地基梁法或结构力学位移法求解结构的内力和变形,并提出了不同计算方法的适用条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景、目的与意义
• 1.2 边坡上路基工程研究现状
• 1.2.1 边坡上路基的工程特性
• 1.2.2 边坡上路基结构设计
• 1.3 椅式桩板墙的定义、特点及分类
• 1.3.1 椅式桩板墙的定义
• 1.3.2 椅式桩板墙的特点
• 1.3.3 椅式桩板墙的分类
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 桩板墙结构形式研究现状
• 1.4.2 组合式抗滑支挡结构工程应用概况
• 1.4.3 组合式抗滑支挡结构试验研究概况
• 1.4.4 组合式抗滑支挡结构理论研究概况
• 1.5 存在的主要问题
• 1.6 研究内容及技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 技术路线
• 第2章 椅式桩板墙工作机理及计算模型
• 2.1 概述
• 2.2 椅式桩板墙构造
• 2.2.1 椅式桩
• 2.2.2 承载板
• 2.2.3 挡土板
• 2.3 椅式桩板墙荷载类型
• 2.4 椅式桩板墙的填料和外荷载作用
• 2.4.1 挡土墙传统土压力分析理论
• 2.4.2 填料与外荷载作用于椅式桩板墙的侧向土压力
• 2.4.3 填料与外荷载作用于椅式桩板墙的竖向应力
• 2.5 岩质边坡上椅式桩板墙岩石压力
• 2.5.1 无外倾结构面岩石边坡
• 2.5.2 沿外倾结构面滑动岩石边坡
• 2.5.3 沿缓倾外倾软弱结构面滑动的岩石边坡
• 2.5.4 原坡面与软弱结构面平行的长大顺层岩石边坡
• 2.6 土质边（滑）坡上椅式桩板墙土中应力
• 2.6.1 椅式桩的土压力作用
• 2.6.2 椅式桩的滑坡推力作用
• 2.6.3 桩前抗力计算
• 2.6.4 滑坡推力及桩前抗力分布型式
• 2.6.5 椅式桩桩间作用计算
• 2.7 椅式桩板墙抗变形机理与适用范围
• 2.8 本章小结
• 第3章 岩质边坡上椅式桩板墙模型试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 模型试验相似理论
• 3.3 模型试验工作简介
• 3.3.1 模型试验目的
• 3.3.2 模型试验内容
• 3.3.3 模型试验相似比
• 3.3.4 模型试验方案
• 3.3.5 模型试验关键技术
• 3.3.6 模型试验设计
• 3.4 试验与测试结果分析
• 3.4.1 完整硬质岩边坡椅式桩板墙的受力变形规律分析
• 3.4.2 软岩边坡椅式桩板墙的受力变形规律分析
• 3.4.3 不同桩板组合条件下椅式桩板墙的受力变形对比模型试验
• 3.4.4 不同横梁设置条件下椅式桩板墙的受力变形对比模型试验
• 3.4.5 椅式桩板墙与悬臂式桩板墙的抗变形能力对比模型试验
• 3.4.6 软岩边坡椅式桩板墙破坏特征模型试验
• 3.5 本章小结
• 第4章 土质边坡上椅式桩板墙模型试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 模型试验工作简介
• 4.2.1 模型试验目的
• 4.2.2 模型试验内容
• 4.2.3 模型试验方案
• 4.2.4 模型试验设计
• 4.3 试验与测试结果分析
• 4.3.1 竖向荷载作用下土质边坡椅式桩板墙的受力变形规律分析
• 4.3.2 边（滑）坡推力作用下土质边坡椅式桩板墙的受力变形规律分析
• 4.3.3 椅式桩板墙与路基桩板结构的变形规律对比模型试验
• 4.3.4 土质边坡椅式桩板墙破坏特征模型试验
• 4.4 本章小结
• 第5章 椅式桩板墙数值仿真分析
• 5.1 概述
• 5.2 数值计算方法
• 5.2.1 结构、岩土体的本构模型
• 5.2.2 接触条件分析
• 5.2.3 单元选取
• 5.2.4 非线性问题求解
• 5.3 岩质边坡上椅式桩板墙数值仿真分析
• 5.3.1 工程概况及水文地质条件
• 5.3.2 数值计算模型建立及参数取值
• 5.3.3 岩质边坡上椅式桩板墙内力变形分析
• 5.3.4 岩质边坡上关键设计参数分析
• 5.4 土质边（滑）坡上椅式桩板墙数值仿真分析
• 5.4.1 工程概况及水文地质条件
• 5.4.2 数值计算模型建立及参数取值
• 5.4.3 土质边（滑）坡上椅式桩板墙结构内力变形分析
• 5.4.4 土质边（滑）坡上椅式桩板墙关键设计参数分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 椅式桩板墙设计计算方法
• 6.1 概述
• 6.2 椅式桩板墙支挡承载机理
• 6.2.1 椅式桩板墙变形形态
• 6.2.2 设计计算分析思路
• 6.3 承载板/挡土板内力变形计算方法
• 6.3.1 挡土板/承载板微分方程的建立
• 6.3.2 挡土板/承载板的初参数解
• 6.4 弹性地基梁法
• 6.4.1 荷载传递机理
• 6.4.2 计算方法的基本假定
• 6.4.3 计算模型建立
• 6.4.4 内力计算公式的建立
• 6.5 结构力学位移法
• 6.5.1 计算方法的基本假定
• 6.5.2 计算模型的建立
• 6.5.3 主桩悬臂段内力计算公式
• 6.5.4 中部门型区段内力计算公式
• 6.5.5 桩基锚固段内力计算公式
• 6.6 计算案例分析
• 6.6.1 工程概况
• 6.6.2 计算结果对比分析
• 6.6.3 基于理论计算方法的关键设计参数分析
• 6.7 关键设计问题讨论
• 6.7.1 桩间距问题
• 6.7.2 边坡桩基有效锚固深度问题
• 6.8 椅式桩板墙设计方法
• 6.8.1 一般规定
• 6.8.2 设计流程
• 6.9 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果