一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法

摘要

本发明涉及岸边软土区地基处理技术领域，尤其涉及一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法；其步骤包括：收集资料并确定计算参数，设定桩间距和桩帽尺寸，计算土拱高度并验算路堤高度，验算桩帽抗弯和抗冲剪承载力，计算并设计承重桩，验算路堤顶面沉降，计算并设计水平加筋体，计算并设计支护桩和拉杆，计算并设计预应力锚杆。该方法简便、实用，为锚拉式桩承加筋路堤技术的工程应用提供可靠的设计计算理论。

说明书

技术领域

本发明涉及岸边软土区地基处理技术领域，尤其涉及一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法。

背景技术

在内陆和西部地区修筑公路和铁路，当途径江河、湖泊、沼泽、山谷、洼地时，必然会遇到大量的岸边软土地基。岸边软土地基与沿海深厚软土路基相比，不仅表现为成因复杂、均匀性差、工程性质差异大，而且其突出特点是在软土层下存在有埋深较浅的倾斜的坚硬土层或岩层。现有的桩承式堤或桩网复合地基技术，用于处治下卧水平层状坚硬土层或岩层的软土地基，可取得较好的加固效果，但用于下卧有倾斜硬层的岸边软土地基，由于地基受力不对称，路基的水平位移和差异沉降较大，稳定性难以保证，若采用如图1的锚拉式桩承加筋堤则可很好地解决现有技术存在的问题。对于现有的桩承式堤或桩网复合地基技术，《复合地基技术规范GB/T 50783-2012》推荐了一种设计计算方法，但它是针对下卧有水平硬层的软土地基而提出的，对于处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤，目前还没有合理、可靠的设计计算方法，若完全套用现有规范的设计计算方法，则路基的水平位移、差异沉降和稳定性均难以得到有效保证。因此，为了使锚拉式桩承加筋堤技术能在路基工程中得到推广应用，有必要提出一种新的设计计算方法，以确保工程的安全。

发明内容

本发明的目的是，针对目前在岸边软土区建造锚拉式桩承加筋堤时，缺乏合理、可靠的设计计算方法的现状，提出一种适用于处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法，为锚拉式桩承加筋堤技术推广应用提供可靠的设计理论依据。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：通过收集、分析设计资料，确定出路堤设计高度H，路堤填土的综合摩擦角填土重度γ，支护桩侧软土的地基水平抗力系数的比例系数m；

步骤二：设定按正方形布置的承重桩3和支护桩1的桩间距S_p，以及正方形桩帽4的边长a和厚度h₀；

步骤三：计算临界土拱高度h_c、设计土拱高度h；若设计土拱高度h大于所述路堤10的设计高度H，则转入步骤2，重新布置的承重桩3和支护桩1的桩间距S_p；否则转入步骤4；

步骤四：验算所述桩帽4的抗弯和抗冲剪承载力，若不满足要求则转入步骤2，重新设计正方形桩帽4的边长a和厚度h₀；否则转入步骤5；

步骤五：计算所述承重桩3承担的荷载，据此设计确定所述承重桩3的类型、桩身材料、形状和尺寸，使承重桩3达到承担的荷载要求；

步骤六：验算所述路堤10顶面的沉降，若不满足要求，则转入步骤2，重新设置承重桩3和支护桩1的桩间距S_p，以及正方形桩帽4的边长a和厚度h₀；否则转入步骤7；

步骤七：计算水平加筋体8受拉荷载T_g，据此设计确定所述水平加筋体8的类型、材质、规格、型号以及加筋体层数，使得水平加筋体8达到受拉荷载要求；

步骤八：计算作用于所述支护桩(1)中伸出段(101)上的土压力；限定支护桩(1)在地面处的容许水平位移为[x₀]；设计确定支护桩的类型、材料、形状和尺寸，使得支护桩(1)在地面处水平位移为支护桩(1)在地面的容许水平位移[x₀]且能够承担所述土压力；以所述支护桩(1)在地面处的容许水平位移[x₀]为限值，基于弹性地基梁计算模型，按“m”法计算所述支护桩(1)所受剪力和弯矩以及横向拉杆(5)受拉荷载T_b，据此对所述支护桩(1)进行配筋设计，同时设计确定所述横向拉杆(5)的类型、材料、形状和尺寸，使得横向拉杆(5)可以承载受拉荷载T_b；

步骤九：计算预应力锚杆7轴向拉力荷载T_a，据此设计确定所述预应力锚杆7的类型、杆体材料、内锚头和外锚头的形式、几何尺寸和预加应力。

进一步的改进，所述临界土拱高度h_c计算公式如(Ⅰ)式，所述设计土拱高度h计算公式如(Ⅱ)式：

h＝1.2h_c(Ⅱ)

式中，h为土拱设计高度(m)；h_c为临界土拱高度(m)；S_p为所述承重桩3和支护桩1的桩间距(m)；为所述路堤10填土的内摩擦角，黏性土取综合摩擦角(°)。

进一步的改进，所述水平加筋体8受拉荷载T_g计算公式如(Ⅲ)式：

式中，T_g为所述水平加筋体8的受拉荷载(kN/m)；γ为所述路堤10填土的重度(kN/m³)；a为所述桩帽4边长(m)；Δ为相对桩帽间水平加筋体中点最大下垂量(m)；其他符合含义同前。

进一步的改进，所述横向拉杆5受拉荷载T_b计算公式如(Ⅳ)式：

T_b＝E_hS_p(1+0.664αz_E)-0.41α³[x₀]EI>

式中，T_b为所述横向拉杆5受拉荷载(kN)；E_h为作用于所述支护桩伸出段(101)的土压力(kN/m)；z_E为所述土压力E_h作用点距地表面的距离(m)；α为所述支护桩1的变形系数(m-¹)；[x₀]为地表面处所述支护桩1的容许水平位移值(m)，一般取[x₀]＝0.01m；EI为所述支护桩1的抗弯刚度(kN·m²)；其他符合含义同前。

进一步的改进，所述预应力锚杆7轴向拉力荷载T_a计算公式如(Ⅴ)式：

T_a＝T_b/cosθ(Ⅴ)

式中，T_a为所述预应力锚杆7的轴向拉力荷载(kN)；θ为所述预应力锚杆7的倾角(°)；其他符合含义同前。。

本发明的有益效果是：

①为一种新型的桩承式加筋路堤，即锚拉式桩承加筋路堤提供了一种非常简便、实用的设计计算方法；

②为锚拉式桩承加筋路堤处治岸边软土路基提供了可靠的设计计算理论和技术保障。

附图说明

图1为本发明处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法的锚拉式桩承加筋堤结构示意图。

图2为本发明处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法流程图。

图3为本发明处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法的临界土拱计算示意图。

图4为本发明处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法的水平加筋体拉力计算示意图。

图5为本发明处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法的支护桩内力、拉杆拉力计算示意图。

附图标记：1-支护桩；101-伸出段；2-联系梁；3-承重桩；4-桩帽；5-横向拉杆；6-纵向拉杆；7-预应力锚杆；8-水平加筋体；9-垫层；10-路堤；11-软土层；12-倾斜硬层。

具体实施方式

实施例1

一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤，包括垫层9、路堤10、设在倾斜硬层12深端的支护桩1、设在倾斜硬层浅端的承重桩3、与所述支护桩1以及承重桩3顶端连接的桩帽4、交叉固定于所述桩帽4中的拉杆和预应力锚杆7。所述拉杆包括横向拉杆5以及纵向拉杆6，所述横向拉杆5和所述纵向拉杆6交叉固定于所述桩帽4中；所述横向拉杆5还伸至所述联系梁2中并与之固定连接。

预应力锚杆7的一端固定于倾斜硬层中，预应力锚杆7的另一端固定在软土浅端承重桩的桩帽上；在倾斜硬层12最深端的一排支护桩1通过联系梁2相互连接固定；垫层9内设置有水平加筋体8。所述桩帽4为正方形，固定于所述承重桩3以及支护桩1位于地面的桩顶处，其两条对角线分别位于所述路堤10的横向和纵向。

所述水平加筋体8为至少一层的高强双向土工格栅，纵向拉筋与路堤横向成45°斜交，横向拉筋与路堤横向成45°斜交；纵向拉筋与横向拉筋垂直设置。设在倾斜硬层深端的支护桩1设有伸出段101。

实施例2

如图1～图5所示，一种处治岸边软土路基的锚拉式桩承加筋堤设计方法，其步骤如下：

步骤一：收集资料，确定计算参数。

通过收集、分析设计资料，确定出路堤设计高度H＝5m，路堤填土的综合摩擦角填土重度＝18.5kN/m³，支护桩侧软土的地基水平抗力系数的比例系数m＝4500kN/m⁴，以及《复合地基技术规范GB/T>

步骤二：设定桩间距和桩帽尺寸。

设定按正方形布置的承重桩3和支护桩1的桩间距S_p＝2m，正方形桩帽4的边长a＝1m、厚度h₀＝350mm。

步骤三：计算土拱高度，验算路堤高度。

按前述临界土拱高度h_c计算公式(Ⅰ)，得：

按前述设计土拱高度h计算公式(Ⅱ)，得：

h＝1.2h_c＝1.2×1.732＝2.078(m)

因路堤高度H＝5m，有h＜H，则转入步骤4。

步骤四：验算桩帽抗弯和抗冲剪承载力。

按照《复合地基技术规范GB/T 50783-2012》推荐方法验算桩帽4的抗弯和抗冲剪承载力，若不满足要求则转入步骤2，否则转入步骤5。

步骤五：计算并设计承重桩。

按照《复合地基技术规范GB/T 50783-2012》推荐方法计算承重桩3承担的荷载，据此设计确定所述承重桩3的类型、桩身材料、形状和尺寸。

步骤六：验算路堤顶面沉降。

按照《复合地基技术规范GB/T 50783-2012》推荐方法验算所述路堤10顶面的沉降，若不满足要求，则转入步骤2，否则转入步骤7。

步骤七；计算并设计水平加筋体。

取相对桩帽间水平加筋体中点最大下垂量Δ＝0.1m，按照前述水平加筋体8受拉荷载T_g计算公式(Ⅲ)，有：

根据计算得到的受拉荷载T_g值，设计确定所述水平加筋体8的类型、材质、规格、型号以及加筋体层数。

步骤八：计算并设计支护桩和拉杆。

设计支护桩伸出段101长度为3m，同时为简化计算，将伸出段以上2m的路堤填土荷载视为超载q，即有q＝2m×18.5kN/m³＝37kPa。于是可计算出作用于支护桩1中伸出段101上的土压力E_h：

进而可计算得到土压力E_h作用点距地表面的距离z_E＝1.286m。

限定支护桩1在地面的容许水平位移[x₀]＝0.01m，设定支护桩本身的材料类型、材料、形状和尺寸，即设计支护桩1为钢筋混凝土桩，其直径为d＝0.6m，桩体采用C25混凝土，混凝土抗压弹性模量E_c＝2.8×10⁷kPa。按照《公路桥涵地基与基础设计规范JTG>1为：

b₁＝0.9(1.5d+0.5)＝0.9×(1.5×0.6+0.5)＝1.26(m)＞2d＝2×0.6＝1.2(m)，故取b₁＝1.2m。

支护桩的抗弯刚度EI为：

支护桩的变形系数α为：

再由前述横向拉杆5受拉荷载计算公式(Ⅳ)式，可求得T_b：

T_b＝E_hS_p(1+0.664αz_E)-0.41α³[x₀]EI

＝64.75×2×(1+0.664×0.520×1.286)-0.41×0.520³×0.01×1.424×10⁵

＝187.002-82.093＝104.91(kN)

于是，根据求出的横向拉杆受拉荷载T_b值，设计确定横向拉杆的类型、材料、形状和尺寸。

同时，基于弹性地基梁计算模型，按“m”法计算出支护桩1所受内力(剪力、弯矩)，再根据支护桩所受最大弯矩值对支护桩进行配筋设计。

步骤九：计算并设计预应力锚杆

根据前述预应力锚杆7轴向拉力荷载T_a计算公式(Ⅴ)，设计锚杆倾角θ＝15°，则有：

据此，按相关规范设计确定预应力锚杆7的类型、杆体材料、内锚头和外锚头的形式、几何尺寸和预加应力。