文摘

对边坡加固micropile的推广应用,有很多种桩截面形式,如单一的钢筋,multisteel酒吧,和管。为了获得micropiles水平能力的理论计算模型与不同类型、数值模拟对两种常见的条件,即土土和选取,进行研究micropile加固边坡的变形和破坏监管。micropile水平能力的主要指标。利用等效原理,四种micropiles的能力计算模型推导出。然后,采用有限元数值分析进行验证。结果表明,micropile的抗弯能力是一个关键的和主要指标,在边坡加固设计应认真考虑。当达到极限抗弯能力,micropile加固边坡的位移将迅速增加。micropiles的影响受弯承载能力的主要因素是桩直径、截面配筋率紧随其后。受弯承载能力的计算模型的计算结果提出了接近这些数值的和更安全。计算模型可以提供参考micropile选择和边坡加固设计,特别是对快速设计的紧急工程。

1。介绍

各种边坡加固措施用于建设,包括锚杆框架、挡土墙、防滑桩,micropile。在所有类型的钢筋结构,micropile承诺在工程领域以其独特的性能特点考虑到闪电,小型化,经济和环境保护的压倒性支持结构项目(1,2]。micropile通常是一个小直径螺旋桩孔直径小于300毫米,长度直径比大于30。高容量的身体增援micropiles作为主要承载元素(3]。这些机构通常包含钢筋、钢管、铁路、浪费等等。由于适应性强和快速建设的好处,它广泛应用于加固工程,尤其是紧急工程(4]。

传统上,研究人员认为,micropiles只能垂直载荷的形式树根桩,由于micropile的相对较大的长度和细长。在过去的30年里,micropile技术的发展及其在工程中的应用,研究人员逐渐意识到micropile可以携带侧向加载(见图1)和水平能力对其操作性能[至关重要5- - - - - -7]。

目前,micropile的水平能力计算方法大致可以分为三个类别:方法基于普通防滑桩的计算理论,等效方法,数值计算方法。第一个方法源于一般被动桩的桩土相互作用理论,可应用于情况micropiles排列稀疏,无法形成一个整体结构的土壤。开发了多个理论分析的力学行为。在早期开发中,单桩的力学响应受横向载荷研究[8]。通过进一步的研究,横向承载桩的非线性行为团体基于semianalytical或温克勒弹性方法分析了(9,10]。最近一些作品进行提升负载能力,包括单一和组计算方法(11]。

等效的方法被认为是传统的支护结构作为一个整体复合结构micropile集团小桩间距micropile和周围的土壤形成一个整体结构共同承担荷载。计算方法可以开发基于这种支护结构的计算方法(12- - - - - -14]。它可以进一步分为以下方法根据不同的等效方法:(1)钢筋混凝土梁法:这种方法是一种半经验半理论方法。micropile的复合结构和岩土体桩被视为一个钢筋混凝土梁和分析根据钢筋混凝土梁的计算方法。给出了方程没有桩附着力。与此同时,经验计算公式,提出了考虑桩和土之间的局部粘连。(2)等效截面法:此法考虑micropile结合挡土墙结构灵活。它执行设计验证基于挡土墙的计算理论和变形相等的原则。(3)等效刚度法:这种方法相当于小组合桩在一定厚度的地下连续墙按抗弯刚度相等。

数值分析可以模拟实际工作条件,这是最严格的解决方案和最潜在的计算方法。陈el al。15)进行数值模拟的灵活micropile (l / d 50多个)与有限元软件有限元分析。结果表明,直径越大,土壤摩擦角越大,micropiles横向承载力越大。李等人。16]研究了桩筏安装在软粘土的行为使用3 d有限元分析。他们证明了使用有限数量的战略定位桩增加筏子承载力和减少沉降。曹et al。17)利用三维有限元法研究在桩筏基础的沉降行为粘土土壤。土壤与莫尔-库仑模型使用一个elastic-perfectly塑料材料失效准则,以及桩建模为线性弹性材料。结果表明,平均解决桩筏可以有效地减少了宽大的桩,而沉降差降低了将桩中心区域内的筏。Alnuaima et al。18)进行有限元计算micropiles用离心机测试和验证它。分析了某些情况下考虑到很多因素,比如micropiles数量、间距micropile直径,筏子厚度。发现一个micropile系统可以增加可容忍的轴承相比,一个孤立的浮筏系统压力100%,和被介绍给一个调整因素占大量的灵活性。

以上这些研究提供了指导分析micropile的水平能力。然而,micropiles水平能力指标包括受弯承载能力、抗剪能力,提升能力。有必要获得主导指标在预防边坡变形和破坏的过程。此外,许多当前的计算方法简化micropile钢管桩。事实上,现在不同的截面形式为micropile开发以满足不同工程的要求。报告有关理论计算模型对不同micropile部分形式很少。在这项研究中,边坡的变形和破坏行为强化了micropile是首先调查。主导水平能力指标micropile收购。然后,相应的产能计算模型形式推导出四种典型的micropile部分。然后,进行了数值模拟验证工作。 Finally, the ultimate capacity of commonly used pile type was listed and compared, which facilitates quick determination of micropile selecting in engineering design.

2。Micropile在加固边坡的主导能力指标

2.1。有限元法的介绍

为了找出哪些指标更为关键和控制水平抵抗变形和破坏的有限元数值模拟进行。图2显示了分析模型的micropile加固边坡的三维系统。模型由两个堆叠狭窄的块,分别模拟上方和下方的土壤层次的潜在滑动面斜率。两个街区之间的接触面设置模拟潜在滑动面。模型的厚度、高度上下两块,上层块的长度表示为年代,h_一个,h_b,l,分别。micropile是铺设在中间模型的长度。简单支持约束设置在左,右,和较低的下块模型的边界。制服下的模型是平衡负载σ应用于上层块的上边界,模拟的形成相对统一的土压力模型。这一过程旨在简化计算和便于分析。然后,横向均布荷载,表示为合并后的力量F是应用于上层块的左边界来模拟滑坡推力。推力的作用下,生成的水平位移的左边界上块δ_年代。顶部的水平位移产生的multipileδ_p。根据原位直剪试验的原理、水平推力F的总电阻micropile加固边坡系统。

两个模式简化地质层。第一种模式是均匀土壤层上下滑动面(以后称为“土土模式”)。第二个是设置为滑动面以上均匀土层和均质岩层滑动面以下(以后称为“西)模式”)。这两种土壤模式代表斜率和土石坡组合,分别。潜在滑动面抗剪强度的依赖于土壤的残余强度。凝聚力和内摩擦角折现根据不同地质层的性质。micropiles设计使用FLAC3D软件内置的桩单元模型。平均和切向的凝聚力和内摩擦角micropile同土层的接触。接触表面的平均和切向刚度作为kn = k = 100 GPa不同土层的桩单元参数的模式,分别为(19]。有限元的参数如表所示1和2估计,这主要是由几个材料测试根据“标准地质测试方法”(20.)和“混凝土结构试验方法标准”(21]。

图3显示了网格模型的阻力分析(只显示一个元素模型的厚度)。Micropile安排在中间模型的直径为0.2米,一堆20米的长度。模型的厚度年代=3 m和h_一个=h_b= 10米。统一和水平荷载应用于上层,上层块的边界。负载逐渐增加。

2.2。分析边坡抵抗土土的结果模式Multipile防滑强化

图4显示了总电阻的变化曲线(支持条件下)和滑动表面电阻(不支持的条件下)边界位移。可以看出micropile支持边坡的破坏过程可分为三个步骤,即小变形一步,偏转一步,提升一步。

采取“土土模式”,例如,当水平推力的压力小于32 kPa,和系统的水平阻力主要是由块表面的剪切强度。micropile产生的水平阻力可以忽略不计的小的水平位移。当32 kPa和40之间的水平推力压力kPa, micropile增强的偏转。提供的阻力水平滑动面是常数,和额外的水平阻力主要是由micropile的抗弯能力提供。可以看出micropile有明显的位移控制在斜坡偏转的一步。在这一步中,水平位移是1/2,没有支持。

随着压力的增加不断,弯矩接近限制,即极限抗弯能力。当水平推力压力超过40个kPa,一个明显的水平位移增加可以观察到近40厘米。因此,水平推力40 kPa时的最大压力控制边坡的位移在10厘米。然而,micropile仍具有相当大的撤军电阻由于相对较大的桩与土之间的抗剪强度。选取边坡的变形与破坏过程与micropile支持是相似的。

一般来说,当达到micropile的极限抗弯能力,位移将迅速增加。与此同时,antiuplift能力没有得到充分发挥。因此,受弯承载能力是主要的主导指标,强化设计中需要考虑。

3所示。钢管桩受弯承载能力公式的推导

3.1。Micropile典型截面的形式

micropile由水泥浆和加强材料、增强材料一般包括钢管和钢筋。四种典型的类型的micropile常用截面形式。“M25公路”意味着水泥的抗压强度凡人几乎是25 MPa。这种水泥的广泛用于micropile工程由于成本和机械性能的优势。如图5a - 1和a - 3部分的增强材料是钢筋和三钢棒,分别。B和C部分的增强材料是钢管和钢管和三钢棒的组合,分别。设计参数H钢管的外径,年代是距离的形状中心型钢形状桩的中心部分。

3.2。受弯承载能力公式的推导a - 1部分

增强身体的a - 1 micropile部分是单筋,称为单筋部分,和下面的假设简化计算:砂浆的抗拉强度在拉伸区域以外的钢筋可以无视,因为它对极限弯矩的影响不大。泥浆收益率只发生在受压区上方的强化。因此,屈服区域的受压区可以被假定为¼泥浆总面积。相比之下,其他部分的泥浆的压力相对较低,不考虑。为了简化计算,圆形钢筋截面等于上下对称的矩形横截面工字梁。网络的矩形的高度是钢筋的直径d。张力和压缩法兰的面积是两个¼泥浆总面积。除此之外,所有的泥浆在压缩法兰假定收益率,和钢筋的抗拉和抗压屈服应力假定相等。此外,网络的屈服应力强化认为矩形的分布,如图6。

工字梁断面尺寸如下: 在哪里t是法兰厚度;l凸缘宽度;b是卷筒纸宽度;H是桩直径;d钢筋直径;和一个是泥浆的总面积。

静力平衡条件提出以下方程:

的高度压力区可以得到以下方程:

因此,a - 1部分的抗弯能力的公式可以获得: 在哪里f_y钢筋的屈服强度;f_c砂浆的抗压屈服强度;和x的高度压缩区。

3.3。受弯承载能力公式的推导a部分和B部分

a - 3 micropile强化身体的部分包含三个酒吧,酒吧的位置是对称的形状的中心部分。的抗弯能力micropile在这一节中对弯曲形式是受载荷的方向行动,这将影响最终的受弯承载能力计算。为了避免这种情况,强化部分转换为圆截面根据静态等效的原则。转换原理的截面以下方程所示。 在哪里d钢筋的直径;t是等价的钢管的厚度;和年代形状的距离中心的钢筋截面形状桩的中心部分。

可以视为等效圆截面钢管,使受弯承载能力公式的a - 3型部分的公式B型钢管部分。

增强体的B型micropile部分钢管。和它的横断面形式是一样的,钢管桩。因此,计算公式的推导过程B型截面的抗弯能力是基于钢管桩的公式推导。此外,通过数值试验,保护层的厚度外钢管的B型micropile相对较大,其提供抗弯能力是不可忽视的。因此,保护层的厚度的贡献抗弯能力需要考虑到B型截面的计算能力。为了简化计算,以下假设。(1)推导过程基于钢管桩挠曲方程。(2)钢管外压的贡献区保护层砂浆抗弯能力被认为是。(3)钢管内部压力区高度x无关的压力区保护层砂浆。(4)泥浆压力区保护层的压力屈服,低下的形状。鞠躬的角度跨度是一样的,在钢管内部压力区,如图7。(一)计算弓部分特征。计算角度: 弓中心位置: 弓形面积: 在哪里α1是水平线之间的角度和线连接圆中心压缩区边缘较低;H是桩直径;e是距离弓的中心桩的中心;一个_e的面积是弓。(b)计算抗弯能力。基于上述假设,偏向不安全感,受弯承载能力主要是基于提供的承载力钢管、核心泥浆的身体考虑,bowed-to-neutral轴的弯矩的压缩区保护层。因此,最后的表达受弯承载能力计算如下:

3.4。对C截面受弯承载能力公式的推导

增强体的C类型micropile部分钢管的组合和三个钢筋。B型截面形式相比,三个钢筋钢管内的C类型设置部分,这样他们可以根据B型部分的设计方法。关于安全设计,三个钢筋的贡献受弯承载能力可以根据最不利计算弯曲形式,如图8。因此,钢筋的抗弯能力可以假设如下。(1)计算截面的极限弯矩最不利的抗弯能力的强化。(2)高度x的受压区钢筋应力无关。(3)钢筋的应力计算每平截面假设的。(一)计算压力中心的钢筋的形状在抗拉钢筋应力: 在压缩的钢筋应力: 在哪里年代的横截面中心的距离的横截面中心桩的加固;r和R是内外钢管的直径,分别;和f_y钢筋的屈服强度。(b)C截面受弯承载能力的计算。基于上述假设,在安全方面,抗弯承载力方程(9)是基于受弯承载能力提供的钢管和核心泥浆,保护层的弓压力区,压力和弯矩钢筋在中性轴上。因此,最后的表达受弯承载能力提出了下列方程。 在哪里一个_年代是一个酒吧的横截面积。

4所示。数值验证

至于micropile的抗弯能力,为了简化的表达公式,推导过程中有一些假设,因此有必要使用数值方法验证了公式的适用性和准确性。

4.1。数值模型用于验证

模型是一个支撑梁受对称荷载,可以看到在图9。跨中截面的纯弯状态,和弯矩最大,因为力学模型是对称的。简化后,一半的力学模型进行模拟。因此,通过逐步增加负荷F直到桩弯曲和休息,最大弯矩,即桩的抗弯能力。数值模拟采用四种典型的部分来验证提出的公式,包括100年、100 - b、200 - c。强化材料的屈服强度235 MPa。水泥砂浆的抗压和抗拉屈服强度身体40 MPa和4 MPa,分别。

4.2。数值验证100 -一节弯曲阻力

100年部分的形式和加载方法如图所示10。桩体的力学状态和应力分布在左端部分相应的情况F= 8 kN和28 kN如图11。当负载小,水泥砂浆浆拉开,然后紧张的水泥砂浆浆区开始产生压力,其次是产生压缩区和钢筋水泥砂浆的张力区。随着负载的增加,屈服范围水泥砂浆浆和强化逐渐扩大对堆芯,直到损坏。在整个过程中,左端截面的位移逐渐增加而增加的负载。

整个过程的载荷挠度曲线数值测试如图12。裂缝负载4.2 kN因为水泥砂浆上的应力超过其抗拉屈服强度。可以大致推导出极限荷载为24 kN,和相应的极限抗弯能力(弯矩)是9.6 kN·m。除此之外负载,挠度增加迅速。相比之下,极限弯矩计算方程(4)是9 kN·m,表明受弯承载能力计算模型计算的公式是安全可靠和接近数值验证结果。

4.3。100 - b的数值验证部分弯曲阻力

100 - b部分的形式和加载方法如图所示13。桩体的力学状态和应力分布在左端部分对应的情况下负载F= 4 kN和18 kN如图14,分别。在小负荷的情况下,水泥砂浆浆是分开的,其次是收益率的水泥砂浆浆在压力下压缩区。然后,钢管张力区开始屈服。随着负载的增加,屈服范围的水泥砂浆浆,向堆芯钢管逐渐扩大到结构性破坏。

整个过程的载荷挠度曲线数值测试如图15。极限载荷可以大约18 kN,和相应的极限弯矩是7.2 kN·m。相比之下,计算的极限弯矩计算模型公式(9)7 kN·米,这表明,受弯承载能力计算模型计算的公式是安全可靠和接近数值验证结果。

4.4。200 - c的数值验证部分弯曲阻力

200 - c部分的形式和加载方法如图所示16。桩体的力学状态和应力分布在左端部分对应的情况下负载F= 40 kN, 115 kN图所示17,分别。当负载小,水泥砂浆浆拉开,然后压缩带的水泥砂浆浆开始产生压力,其次是收益率的钢管张力区。随着负载的增加,屈服范围的水泥砂浆浆,向堆芯钢管逐渐扩大到伤害。在损伤状态,钢在拉伸区域的压力接近屈服应力,和它的发展的一部分。钢铁在受压区还没有产生,而在其边缘应力接近屈服应力。

整个过程的载荷挠度曲线数值测试如图18。极限载荷是115 kN,和相应的极限弯矩是92 kN·m。相比之下,计算的极限弯矩计算模型公式(12)是88.4 kN·m。因此,理论受弯承载能力接近数值验证结果和更安全。

5。总结

根据计算模型公式,最终受弯承载能力不同的常用micropiles工程是列在表中3和4和图19。在图19例如,“75 mmA-1φ32毫米”代表了一种部分与75毫米桩直径和一个酒吧32毫米钢筋直径。

最终受弯承载能力计算模型计算公式可以作为参考用于边坡加固设计,特别是对斜率应急工程。可以看出极限抗弯能力的第一重要因素micropile桩直径,其次是配筋率。例如,与100年相比mmA-1φ36毫米,200 mmA-3φ36毫米′年代米_u增加了近1000%。与200年相比mmA-3φ36毫米,200 mmA-3φ50 mm′米_u增加了近54%。这就是为什么C型极限抗弯能力最高。

6。结论

micropile在边坡加固的主要指标是通过数值模拟。各种公式计算受弯承载能力计算模型,提出了不同类型的micropiles通过数值模拟和验证。本研究的结论可以分类如下:(1)当达到极限抗弯能力,边坡的位移强化了micropile将迅速增加。与此同时,antiuplift能力没有得到充分发挥。受弯承载能力是主要的主导指标,强化设计中需要考虑。(2)裂缝micropile很容易联系到的负载,因为低水泥砂浆的抗拉强度。整个micropile往往达到极限抗弯能力当钢筋或管达到屈服极限。(3)根据极限抗弯能力的总结,可以看出米_u对a - 1非常小,它不适合使用在钢筋工程大的水平力。(4)micropile极限抗弯能力的第一个重要因素是桩直径、配筋率紧随其后。这就是为什么C型极限抗弯能力最高。(5)计算模型公式的计算结果接近数值的,往往是更安全的,所以它有应用价值micropile选择和边坡加固设计,特别是对斜率应急工程。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由湖南交通科技项目(201501和201907),湖南省自然科学基金,中国(2020 jj4156和2021 jj50142)和中国国家自然科学基金(51674041和51674041)。