黄土边坡建筑的抗滑移设计.PDF

文章编号 10002588920020220085205 黄土边坡建筑的抗滑移设计 朱彦鹏,王秀丽,狄生奎,王文达 甘肃工业大学 建筑工程学院,甘肃 兰州 730050 摘要通过对修建在黄土边坡上建筑的理论分析,给出了黄土边坡建筑的抗滑移设计方法,建立了 各种抗滑设计的计算公式,并通过工程实例对黄土边坡建筑进行了抗滑移设计,取得了令人满意的 结果. 关键词边坡;建筑;抗滑移;设计;实例 中图分类号 TU473. 1 文献标识码 A Antislip design of buildings on loess verge2slope ZHU Yan2peng , WANG Xiu2li , DI Sheng2kui , WANG Wen2da College of Civil Engineering , Gansu Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China Abstract By means of theoretical analysis of buildings constructed on the loess verge2slope , an antislip design procedure for this kind of buildings is presented and various ulac for antislip design are derived. An antislip design for a real engineering of buildings on the loess verge2slope is conducted , resulting in a satisfactory effect. Key words verge slope ; building; antislip ; design ; example 地处山区、 川区的城市、 道路、 管线,可能因土坡 滑移而威胁建筑物、 道路和管线的安全使用,修建在 边坡上的建筑物、 构筑物、 道路和管线则更存在安全 问题.我国黄土地区分布广阔,随着中西部地区的开 发和建设,基础设施建设的力度不断加大,不可避免 地存在边坡建筑物、 构筑物、 道路和管线的建设,因 此研究这些工程的安全使用问题就显得比较重要. 以前,很多工程技术人员对土坡稳定和抗滑移方法 进行过不少研究.但是人们对土坡上的建筑物、 构筑 物、 道路和管线的稳定和抗滑移问题则研究较少.土 坡的稳定和抗滑移历来受到人们的关注[1～3],并有 多种方法可以解决其抗滑移问题,而对边坡上建筑 的抗滑移设计方法,人们则很少研究,特别是黄土边 坡建筑的抗滑移设计问题,则研究更少,本文作者想 通过对黄土边坡建筑的稳定性分析和抗滑移设计, 收稿日期 2001206206 基金项目甘肃省建设厅攻关项目 J K 2982 01 作者简介朱彦鹏19602 , 男,甘肃宁县人,教授. 给出黄土边坡建筑物、 构筑物、 道路和管线的抗滑移 设计的分析方法,并给出抗滑移设计的工程措施. 1 重力荷载组合以及重力荷载与风荷 载组合下的滑移问题 1 黄土边坡建筑由于修建在黄土边坡上,在建 筑物自重和风荷载作用下会产生滑移面,土体、 建筑 物的重力荷载和风荷载在滑移面上会产生滑移力 矩,当滑移力矩大于抗滑移力矩时,或者当滑移力大 于抗滑移力时,建筑物将失去稳定,参照图1 ,即 Ml≤Ms1 Fl≤Fs2 式中,Ml为绕O点产生的抗滑移力矩;Ms为绕O 点产生的滑移力矩;Fl为抗滑移合力;Fs为滑移合 力. 式1为滑移力矩危险条件,当水平风荷载作用 向边坡时图1a ,滑移力矩较大,则滑移力矩危险, 式2为滑移力危险条件,当水平风荷载作用背离边 第28卷第2期 2002年6月 甘 肃 工 业 大 学 学 报 Journal of Gansu University of Technology Vol. 28No. 2 Jun. 2002 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1 重力荷载与风荷载组合下的滑移面及条分法土条划分 坡时图1b ,滑移力会成为危险条件. 2 根据重力荷载以及重力荷载与风荷载的组 合确定滑移面. 1重力荷载组合下滑移面的确定,可按照条 分法取滑移稳定系数K最小给出滑移面,即 Kmin Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLACtanφ∑ m k 1 Gkcosβk R ∑ n i 1 Wisinβi ∑ m k 1 Gksinβk 3 式中,R为滑弧半径;Wi为第i条土体的自重;βi 为第i条土体与滑移面法线的夹角;Gk为上部结构 在k点的重力荷载;βk为第k点重力荷载与滑移面 法线的夹角;φ为土的内摩擦角;c为土的内聚力; LAC为圆弧A C的长度, LAC ∑ Δ li,其中Δli为第i 段圆弧的长度. 2重力荷载与风荷载组合下滑移面的确定, 如图1所示,即 K1 min Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLACtanφ∑ m k 1 Gkcosβk ∑ t j 1 Fj h j- y R ∑ n i 1 Wisinβi ∑ m k 1 Gksinβk K2 min Fl Fs tanφ∑ n i 1 Wicos2βi cLACcosβitanφ∑ m k 1 Gkcos2βk ∑ t j 1 Fj ∑ n i 1 Wisinβicosβi ∑ m k 1 Gksinβkcosβi 4 式中,Fj为第j层风荷载的集中值;hj为第j层距 地面的高度;y为滑移面圆心距地面的距离. 3 滑移稳定条件的验算. 当以上2种条件的滑移面确定以后,即可得到 稳定安全系数的最小值K1 min和K2 min,按 土力学 地基基础规范GBJ 7 89 规定,若 K1 min≥1.3 和 K2 min≥1.35 则认为边坡稳定,否则必须进行抗滑移设计. 2 黄土边坡建筑的抗滑移设计 若抗滑移条件式5不能得到满足,则必须进行 抗滑移设计,工程中可以采取以下措施. 1 与建筑物基础结合,采用抗滑桩,让桩基础 穿透滑移面,如图2所示. 图2 抗滑移桩设计 此时各种荷载组合下的抗滑移稳定系数为 K Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLAC ∑ r p 1 Qpcosβp R∑ n i 1 Wisinβi ≥1.3 K1 Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLAC ∑ r p 1 Qpcosβp R∑ n i 1 Wisinβi ∑ t j 1 Fj h j- y ≥1.3 K2 Fl Fs tanφ∑ n i 1 Wicos2βi ∑ n i 1 Wisinβicosβi ∑ t j 1 Fj cLACcosβi ∑ r p 1 Qpcos2βp ∑ n i 1 Wisinβicosβi ∑ t j 1 Fj ≥1.3 6 68 甘肃工业大学学报 第28卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式中 Qp 第p个抗滑桩上的剪力设计值取桩 的水平承载力和桩的抗剪强度的较 小值 Np 第p个抗滑桩上的轴向压力设计值 按有利情况考虑 βp 第p个抗滑桩轴线与滑移面法线的 夹角 根据式6解出Qp,设计大直径抗滑桩使桩的抗剪 承载力Qu≥Qp即可. 2 在基础上加锚杆或预应力锚杆. 在基础上通过滑移面在稳定土层中加锚杆或预 应力锚杆,可增加滑移面的摩擦力和锚杆的销栓力, 另外锚杆拉力还会产生抗滑移力矩,如图3所示. 图3 基础上加抗滑移锚杆 其计算式为 K Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLACtanφ∑ m k 1 Gkcosβk ∑ r p 1 Tpcosβpμ∑ r p 1 Tpsinβp R ∑ n i 1 Wisinβi ∑ m k 1 Gksinβk ≥1.3 K1 Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLACtanφ∑ m k 1 Gkcosβk ∑ r p 1 Tpcosβpμ∑ r p 1 Tpsinβp R ∑ n i 1 Wisinβi ∑ m k 1 Gksinβk ∑ t j 1 Fj h j- y ≥1.3 K2 Fl Fs tanφ∑ n i 1 Wicos2βi cLACcosβitanφ∑ m k 1 Gkcos2βk ∑ r p 1 Tpcos2βpμ∑ r p 1 Tpsinβpcosβp ∑ n i 1 Wisinβicosβi ∑ m k 1 Gksinβkcosβk ∑ t j 1 Fj ≥1.3 7 式中 Tp 第p个锚杆的抗拉承载力 μ 滑移面土体的摩擦系数 βp 第p个锚杆拉力与滑移面法线夹角 按照式7即可确定锚杆的根数、 锚杆拉力及锚 杆的布置方式. 3 当抗滑能力不足时,也可在黄土边坡上使用 压力灌浆加固,提高黄土边坡土体的c和φ以达到 黄土边坡的抗滑移设计要求.施工时要使灌浆深度 超过滑移面. 灌浆后要求满足 K Ml Ms ≥1.38 根据灌浆后土的新参数验算,满足式8即可. 3 工程设计实例 某大学生公寓,由于地形限制修建在一黄土边 坡上,如图4所示.公寓为8层框架结构,需对其进 行抗滑移设计. 图4 某公寓地基边坡剖面及地质条件 已知上部为3级自重湿润陷性黄土,土层厚度约 18 m ,土重度为γs 16. 2 kN/ m3,粘聚力为 78第2期 朱彦鹏等黄土边坡建筑的抗滑移设计 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表1 土坡条分法计算 土条编号β / hi/ mWi/ kNTiWisinβi/ kNNiWicosβi/ kN 12. 61016. 98044 452. 32 024. 244 406. 1 27. 84016. 79043. 966. 35 997. 343 555. 3 313. 13716. 42042 986. 39 769. 941 861. 3 418. 55315. 85741 511. 513 208. 239 354. 1 524. 15015. 07539 464. 816 146. 136 010. 7 630. 00014. 05336 788. 518 394. 231 859. 8 736. 22012. 75033 373. 919 720. 226 924. 5 842. 98611. 09329 041. 819 801. 321 244. 1 950. 5998. 96423 467. 718 134. 014 896. 0 1059. 7306. 09015 944. 513 770. 78 037. 3 1172. 6601. 5574 077. 33 892. 01 215. 2 表2 结构外荷载计算值 上部结构荷载作用点Gi/ kN βk / TziGisinβi/ kNNziGicosβi/ kN 125 036. 9911. 85 121. 224 507. 4 225 036. 9928. 511 949. 522 001. 5 325 036. 9936. 914 680. 820 021. 7 425 036. 9959. 221 509. 112 814. 4 c 10 kPa ,内摩擦角 φ 15.黄土以下为卵石层, 其重度为γs 18. 3 kN/ m3,粘聚力为 c 0 ,内摩擦 角φ 42. 1 滑移面的确定 经分析计算,按式3和式4计算确定的滑移 面如图5所示,滑移面的圆心在O点处,滑移面半 径R 23. 4 m. 图5 某大学生公寓的抗滑设计 2 滑移力矩和抗滑移力矩的计算 土坡条分法计算及结构外荷载计算结果见表1 及表2. 1滑移力矩 Ms R∑ n i 1 Ti R ∑ n i 1 Wisinβi ∑ m k 1 Gksinβk 4 550 571.3 kN/ m 2抗滑移力矩 Ml R ∑ n i 1 Wicosβitanφ ∑ m k 1 Gkcosβktanφ cLAC R ∑ n i 1 Nitanφ ∑ m k 1 Nzkcosβktanφ cLAC 3 643 022.92 kN/ m 3 抗滑移稳定性验算 由于K Ml Ms 0. 801≤1. 3不满足抗滑移要 求,当采用浅基础时,式6的抗滑移条件自然不能 满足,需进行抗滑移设计. 4 抗滑移设计 由于上部土层18 m左右为湿陷性黄土层,以下 为卵石层,卵石层有很好的承载力和抗滑力,因此本 设计改为桩基础,既起到抗滑作用又起到抗湿陷的 作用,具体作法如图5所示,荷载计算见表 3 ～5 . 按式6进行抗滑设计验算,经计算危险滑移面如图 5所示,滑移面半径为R 18. 9 m ,根据表 3 ～5 , 抗滑移设计条件验算如下 K Ml Ms R tanφ∑ n i 1 Wicosβi cLAC ∑ r p 1 Qpcosβp R ∑ n i 1 Wisinβi ≥1.3 88 甘肃工业大学学报 第28卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表3 土坡条分法计算值 土条编号β / hi/ mWi/ kNTi/ kNNi/ kN 12. 828. 7815 987. 95786. 5815 968. 59 28. 498. 5915 647. 232 310. 1115 475. 76 314. 258. 2214 965. 423 683. 7914 504. 95 420. 167. 6413 915. 844 795. 9913 063. 27 526. 306. 8412 461. 445 521. 3111 171. 51 632. 795. 7910 540. 585 708. 378 861. 06 739. 794. 428 913. 585 714. 476 849. 15 847. 609. 4417 189. 7812 693. 8811 591. 11 9563827. 0412 819. 5010 729. 357 015. 74 1069. 303. 386 157. 935 760. 402 176. 67 表4 结构外荷载计算值 上部结构荷载作用点Gzi/ kN βk / Tzi/ kNNzi/ kN 125 036. 99213. 775 961. 1924 317. 40 225 036. 99233. 7513 909. 8120 817. 50 331 296. 24043. 0421 359. 9622 873. 71 431 296. 24081. 2030 927. 834 787. 88 表5 风荷载值 风荷载作用点12345678 风荷载值/ kN83. 8993. 63103. 36110. 93117. 42122. 52127. 23131. 17 h j- y / m03. 006. 009. 0012. 0015. 0018. 0021. 00 解得Qp≥933. 24 kN. 同样的,由 K1, K2≥1.3 解得 Qp1≥946.55 kN, Qp2≥659.9 kN 故应按每桩承载力Qp≥945. 6 kN设计48根大直 径抗滑桩.按钢筋混凝土圆形截面抗剪承载力进行 桩身截面尺寸和配筋计算. 4 讨论 对于边坡建筑设计时除应考虑建筑物自身的强 度、 刚度和耐久性外,还必须考虑建筑物所处边坡的 稳定问题和建筑物自身的整体稳定问题.在设计计 算时应充分考虑以下几方面的问题 1 要通过建筑物的地下空间使边坡的坡度尽 量变小,以减小滑移力和滑移力矩; 2 要通过基础选型尽量使建筑物的竖向荷载 直接传至滑移面以外,以避免和减小建筑物自身产 生的滑移力和滑移力矩; 3 考虑结构受力特性的边坡稳定问题,其稳定 计算公式应充分考虑可能出现的各种荷载工况和边 坡土体的性质; 4 地震区边坡建筑还应考虑地震作用对边坡 建筑稳定的影响. 参考文献 [1] 铁道部第二勘测设计院.抗滑桩设计与计算[M].北 京中国铁道出版社,1983. 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