（土木工程专业论文）土岩复合边坡抗滑桩内力分析与设计方法研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j b 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 始牡聊签名地吼迅盟 摘要 摘要 边坡工程是土木工程的主要研究和应用领域，其中土岩复合边坡是一种典 型的边坡类型，其主要特点是土岩分界面常常成为边坡的潜在滑动面。对于边坡 工程的加固治理来说，抗滑桩作为一种有效的支挡结构物，广泛应用于滑坡及边 坡的稳定性治理中。但由于抗滑桩周岩土的复杂性和易变性，目前抗滑桩的设计 理论和计算方法尚不成熟，与工程实践还存在较大的差距，仍需进一步完善和改 进，使其更接近工程实践。由于边坡一般因坡体材料的不同而分为岩质边坡、土 质边坡和土岩复合边坡，而目前抗滑桩治理边坡机理和计算理论的研究主要是 针对土质边坡。为此，本文在前人研究成果的基础上，针对抗滑桩在土岩复合 边坡治理中的作用机理及其设计方法做了进一步探讨。 本文首先对边坡下滑推力的计算进行了研究，边坡下滑推力计算是抗滑桩设 计计算的前提。在分析传统的传递系数法的基础上，考虑了地震力与地下水作用， 按滑面稳定系数为条块滑动面上抗剪强度与剪应力之比，重新推导了其计算公 式，得到了改进的传递系数法。其次，详细研究了桩前土体抗力的计算方法，在 总结分析现行抗滑桩内力计算方法以及主要存在的问题的基础上，引入综合刚度 原理和双参数法，建立了基于综合刚度原理和双参数法的抗滑桩挠曲微分方程， 利用材料力学方法，推导出了刚性抗滑桩内力和位移计算公式：弹性抗滑桩的求 解，采用有限差分法和有限单元法，利用有限差分法推导出了弹性抗滑桩内力和 位移计算公式，利用有限单元法分析了弹性抗滑桩内力与位移求解过程。最后， 基于上述得到的抗滑桩内力计算方法，采用有限单元法编制了土岩复合边坡 抗滑桩内力分析与设计系统软件，该软件为用户提供了友好、方便的面向对象 的前处理平台，形成了集设计、分析计算及绘图于一体的计算机辅助设计系统， 从而实现了快速化、系统化的抗滑桩设计计算。通过实例计算说明，采用基于综 合刚度原理和双参数法的计算方法，选取适当的土的计算参数，能够得到合理的、 可靠的抗滑桩桩身位移和内力，编制的软件可以解决一些实际的工程问题。 关键词：土一岩复合边坡；抗滑桩；内力分析；双参数法：设计系统 北京工业大学工学硕士学位论文 一i i a b s t r a c t a b s t r a c t s l o p ee n g i n e e r i n g i st h em a i nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nf i e l d i nt h ec i v i l e n g i n e e r i n g ，a n ds o i l r o c kc o m p o u n ds l o p ei sat y p i c a ls l o p et y p e ，i t sm a i nf e a t u r ei s t h ei n t e r f a c eb e t w e e ns o i la n dr o c ko f t e nb e c o m e sap o t e n t i a ls l i d i n gs u r f a c eo ft h e s l o p e f o rt h er e i n f o r c i n gt r e a t m e n to fs l o p ee n g i n e e r i n g ，a sa k i n do fe f f e c t i v e r e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，a n t i - s l i d ep i l ea r ew i d e l yu s e di nl a n d s l i d ea n ds l o p es t a b i l i t y c o n t r 0 1 h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n dv a r i a b i l i t yo fr o c ka n ds o i lm a s s a r o u n da n t i s l i d ep i l e ，t h ec u r r e n tp i l ed e s i g nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o di sn o ty e t m a t u r e , a n dt h e r ea r es t i l ll a r g eg a p sw i t he n 垂n e e r i n gp r a c t i c e , n e e dt ob ef u r t h e r r e f i n e da n di m p r o v e dt ob r i n gi tc l o s e rt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e a sar e s u l to fd i f f e r e n t s l o p eb o d ym a t e r i a l s ，s l o p ei sg e n e r a l l yb ed i v i d e di n t or o c ks l o p e ，s o i ls l o p ea n d s o i l r o c kc o m p o u n ds l o p e ，a n dt h ep r e s e n tm e c h a n i s ma n dc a l c u l a t i o nt h e o r yo f a n t i s l i d ep i l eo ns l o p ec o n t r o li sm a i n l ys t u d i e df o rt h es o i ls l o p e b a s e do np r e v i o u s r e s e a r c h ，t h ea u t h o rf u r t h e rd i s c u s s e st h em e c h a n i s ma n dd e s i g nm e t h o do fa n t i s l i d e p i l eo nl a n d s l i d ec o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ec a l c u l a t i o no fl a n d s l i d et h r u s tw a ss t u d i e d ，a n dl a n d s l i d e st h r u s t c a l c u l a t i o ni st h ep r e m i s eo fa n t i s l i d ep i l ed e s i g nc a l c u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h et r a d i t i o n a lt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o d ，c o n s i d e m go ft h es e i s m i cf o r c e sa n d g r o u n d w a t e r , a c c o r d i n gt ot h es a f e t yf a c t o ri st h er a t i oo fs h e a rs t r e n g t ha n ds h e a r s t r e s so ns l i d i n gs u r f a c e ，t h i sp a p e rr e d e r i v e dt h e i rc a l c u l a t i o nf o r m u la n dg o ta n i m p r o v e dt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o d s e c o n d l y , t h ea u t h o rh a sad e t a i l e ds t u d yo ft h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fs o i lr e s i s t a n c eb e f o r ep i l e ，b a s e do nt h ec o n c l u s i o no ft h e c u r r e n ti n t e m a lf o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o do fa n t i s l i d ep i l ea n dm a j o rp r o b l e m s ， i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fc o m p o s i t es t i f f n e s sa n dd o u b l e p a r a m e t e rm e t h o d ，t h e a n t i s l i d ep i l ed e f l e c t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f c o m p o s i t es t i f f n e s sa n dd o u b l e p a r a m e t e r sm e t h o d ，t h e nd e r i v e st h ei n t e r n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fr i g i da n t i s l i d ep i l eu s i n g t h em a t e r i a lm e c h a n i c s m e t h o d ；t h ee l a s t i ca n t i s l i d ep i l ei ss o l v e du s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e nd e r i v e st h ei n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o n f o r m u l ao fe l a s t i ca n t i s l i d ep i l eb yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h es o l u t i o np r o c e s s o fi n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fe l a s t i ca n t i - s l i d ep i l ei sa n a l y s i s e db yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d f i n a l l y , b a s e do nt h er e c e i v e di n t e r n a lf o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o do f a n t i s l i d ep i l e ，t h ea u t h o rp r e p a r e di n t e r n a lf o r c ea n a l y s i sm e t h o da n dd e s i g n s y s t e mo fa n t i - s l i d ep i l ei ns o i l - r o c kc o m p o u n ds l o p es o f t w a r eb yt h e f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h es o f t w a r ep r o v i d e sf o rt h eu s e raf r i e n d l ya n de a s yo b j e c t - o r i e n t e d p r e p r o c e s s i n gp l a t f o r m ，f o r m e d ad e s i g n ，a n a l y s i s ，c a l c u l a t i o na n dd r a w i n g c o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns y s t e m ，t h u se n a b l i n g t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h e i i i 。 北京工业大学t 学硕士学位论文 a n t i 。s l i d ep i l em o r es y s t e m a t i ca n dr a p i d t h ec a l c u l a t i o ne x a m p l e ss h o wt h a tb a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fc o m p o s i t es t i f f n e s sa n dd o u b l e - p a r a m e t e r sm e t h o d ，s e l e c t e dt h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sf o rc a l c u l a t i n gt h es o i l ，w ec a na c h i e v er e a s o n a b l e ，r e l i a b l e d i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c eo fa n t i s l i d ep i l e ，t h es o f t w a r ec a i lm e e tt h en e e d so f e n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：s o i l - r o c kc o m p o u n d s l o p e ，a n t i s l i d ep i l e ，i n t e r n a lf o r c e c a l c u l a t i o n ，d o u b l e - p a r a m e t e r sm e t h o d ，d e s i g ns y s t e m 一一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 选题背景及研究意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 试验研究4 1 2 2 理论分析研究5 1 2 3 数值方法研究9 1 2 4 抗滑桩设计方法研究1 0 1 2 5 抗滑桩设计现行计算中存在的主要问题1 1 1 3 本文研究内容及思路、方法1 2 第2 章抗滑桩内力计算研究1 3 2 1 抗滑桩下滑推力计算1 3 2 1 1 抗滑桩下滑推力计算原则1 3 2 1 2 改进传递系数法13 2 1 3 改进s a r m a 法下滑推力计算15 2 2 抗滑桩桩前土体抗力计算1 7 2 2 1 弹性抗力计算1 7 2 2 2 被动土压力计算2 0 2 2 3 桩前土体剩余抗力计算2 0 2 3 抗滑桩下滑推力及抗力分布形式2 0 2 4 抗滑桩设计荷载的确定步骤2 3 2 5 抗滑桩内力计算2 3 2 5 1 抗滑桩计算模型的确定。2 3 2 5 2 抗滑桩挠曲线微分方程的建立一2 4 2 5 3 刚性抗滑桩内力计算2 4 2 5 4 弹性抗滑桩内力计算2 7 2 6 本章小结4 4 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章土岩复合边坡抗滑桩内力分析与设计系统研发4 5 3 1 系统总体设计分析4 5 3 2 系统模块设计分析4 6 3 2 1 下滑推力计算模块4 6 3 2 2 抗滑桩内力计算模块4 6 3 2 3 抗滑桩结构配筋计算模块4 7 3 2 4 系统其他功能模块4 8 3 3 系统界面设计分析4 9 3 4 本章小结5 2 第4 章抗滑桩设计及计算工程实例分析5 3 4 1 计算实例验证5 3 4 2 工程实例5 4 4 2 1 概况简述5 4 4 2 2 工程地质条件5 5 4 2 3 水文地质条件一5 6 4 3 边坡加固措施及岩土工程参数5 7 4 4 抗滑桩设计计算5 7 4 5 本章小结5 9 结论与展望6 1 参考文献6 3 攻读硕士学位期间取得的研究成果6 7 致谢。6 9 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 第1 章绪论 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为因素的影响破坏了 岩( 土) 体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着山体 内部某一软弱面( 带) 作整体的、缓慢的、间歇性滑动的不良地质现象【l 】。滑坡与 地震、洪水并列为世界范围内的三大自然灾害，同崩塌、泥石流等一样，是山区 建设中经常遇到的一大自然灾害。到目前为止，全球范围内凡是有人类居住和工 程活动的山岭地区，几乎都有滑坡灾害发生，己成为仅次于地震的第二大地质灾 害【2 3 】。我国是一个多山的国家，山地占国土面积的7 0 以上，地形地质条件复 杂多变，滑坡灾害发生频繁，再加上近年来现代城市建设的迅速发展和西部大开 发的实施，对自然环境的改造、利用越来越多，这势必引起滑坡问题。山区的开 发建设、大型水利枢纽工程的建设、露天矿产资源的开采、深基坑的开挖及公路、 铁路等交通基础设施建设等使滑坡灾害更为突出。 我国是世界上滑坡灾害最为严重的地区之一，特别是2 0 世纪8 0 年代以来， 随着经济的高速发展以及自然因素的影响，滑坡灾害呈逐年加重趋势。据初步统 计，全国至少有4 0 0 多个市、县、区、镇，1 0 0 0 0 多个村庄受到滑坡灾害的严重 侵害，有迹可查的滑坡灾害点多达4 l 万多处，总面积1 7 3 5 2 1 0 4 k l r l 2 ，占国土 总面积的18 1 0 ( 截止2 0 0 0 年) ；1 9 9 5 年以来，滑坡造成的年均死亡人数已连续 多年超过1 0 0 0 人【4 】。严重的滑坡灾害和人工边坡失稳事件，不仅给当地居民的 生命财产造成了极大损失，而且还摧毁工厂、矿山、并严重影响铁路、公路及水 利等重要基础设施的安全运营【5 7 】。如：1 9 8 2 年7 月1 8 日，重庆云阳鸡扒子发 生大型滑坡，总体积约1 5 0 0 x1 0 4 m 3 ，造成大量房屋毁坏，长江航道中断7 天， 直接经济损失近1 亿元。1 9 8 5 年6 月1 2 日，湖北秭归新滩发生体积3 0 0 0 1 0 4 m 3 的大型滑坡，入江方量3 0 0 万m 3 ，产生最高涌浪3 9 米，因成功预报，滑坡体上 居民全部撤离，但滑坡涌浪击毁击沉上下游船只9 6 艘，造成1 2 人死亡。2 0 0 3 年5 月1 1 日，贵州三穗县台烈镇平溪村发生山体滑坡，总体积超过2 0 万方，造 成3 3 人死亡，2 人失踪，1 人受伤。2 0 0 3 年7 月1 3 日，在三峡库区湖北省秭归 县沙镇溪发生的千将坪滑坡，滑坡体的体积为2 0 0 0 1 0 4 m 3 ，滑坡造成2 4 人死 亡和1 2 0 0 多人无家可归【8 】。2 0 0 8 年5 月1 2 日，四川汶川发生8 0 级特大地震， 北京工业大学工学硕士学位论文 产生不同规模崩塌滑坡数万起，具有危害的6 0 0 0 余起，形成近百个堰塞湖，导 致大量人员伤亡，毁房无数【4 】。 从以上可见，合理的设计和治理边坡，并且对边坡岩土体采用抗滑整治工作， 把边坡失稳造成的灾害降低到最低限度，具有很重要的现实意义和巨大的社会、 经济效益。 1 1 2 研究意义 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在边坡治理的各个方面都取得了很 大的成就。常用的边坡治理措施有：坡面排水工程、地下排水工程、减重与反压 工程、支挡工程、滑带土改良工程等，其中支挡工程中抗滑桩结构的发展和应用 尤为迅速和普遍。据统计，迄今为止，它是在边坡治理中应用得最多的工程结构 物【9 1 。抗滑桩是凭借桩与周围岩、土体的共同作用，把滑坡推力传递到稳定地层， 利用稳定地层岩土的锚固作用来平衡滑坡推力、稳定边坡的一种结构物。与治理 边坡的传统方法，如排水、减载、挡土墙等相比，抗滑桩具有抗滑能力大，支挡 效果好、设桩位置灵活、适用条件广泛、不易恶化滑坡状态、施工方便、投资少 和治理效果好等优点，作为一种在国内外都得到如此广泛应用的工程结构物，国 外从2 0 世纪3 0 年代( 1 9 3 1 年1 1 月1 2 日，美国工程新闻杂志滑坡和桩的作 用) ，国内从2 0 世纪5 0 年代初，其开始在工程中应用以来，它的设计理论也随 着其日益广泛而成熟的应用得到了相应的发展【l0 1 。但由于边坡的失稳破坏一般因 坡体材料的不同而不同，一般可将边坡分为岩质边坡、土质边坡和土岩复合边 坡。而目前抗滑桩治理滑坡机理、抗滑桩内力分析及设计方面的研究主要是针对 土质边坡的，可大致分为以下几类：第一类是与传统的边坡稳定评价的极限平衡 方法相配套的设计方法，这类方法主要是进行平面分析，一般把桩和边坡分开来 考虑；第二类是与边坡稳定评价的边界元和有限元方法相配套的设计方法，这类 方法可以进行平面或三维的分析，可以把土桩土作为一个相互作用的整体体系 来考虑；但是针对土岩复合边坡抗滑桩内力分析与设计方法的研究并不多。土 岩复合边坡是一类复杂特殊的边坡，上部由土和岩石全风化层组成、下部由岩石 组成的边坡，其可能的破坏模式存在多种，如上覆土体沿土岩分界面滑移，土体 沿内部产生圆弧滑动边坡沿软弱结构面整体滑移，以及上部土体产生圆弧滑动下 部沿结构面滑动c l l 】。因此，土岩复合边坡的抗滑桩内力分析与设计研究既不同 于岩质边坡也不同于土质边坡，应结合边坡的实际情况，分析可能的破坏模式， 得出抗滑桩的内力分析及设计方法。 而现有的抗滑桩设计计算理论也远未成熟，仍存在许多不足和有待改进的地 方。传统的抗滑桩设计计算理论采用了许多假设，没有很好地考虑桩土间的相 互作用，在分析复杂抗滑体系中很难与实际受力状况相符。抗滑桩是否充分发挥 第1 章绪论 了其抗滑能力，抗滑桩工程的设计是否经济合理，是一个值得进一步研究的问题。 同样许多工程的桩身内力或桩顶位移实测结果也远远小于设计允许值，这些都深 刻地表明，目前大多数抗滑桩结构的安全系数过大，结构的抗滑能力远没有充分 发挥【1 2 1 。而且抗滑桩在设计计算时，需要对下滑推力、桩前土体抗力、桩身内力、 等逐一分析其受力情况，数据计算量十分庞大，用传统的手工查表的方法来进行 这些计算，不但要耗费大量的时间和人力，而且计算过程受到人为因素的影响， 计算结果的准确性和可靠性得不到很好的保证。所以，用人工查表的方法来进行 抗滑桩设计计算，是不能很好的满足实际的设计工作需要的。 计算机具有超强的存储能力和计算速度，在抗滑桩设计计算中，能处理繁琐 的计算，节约大量的时间和人力，其计算结果的准确性和可靠性也能得到很好的 保证。随着计算机技术的发展，抗滑桩设计计算也应该利用计算机技术，做到系 统化、集成化，同时也要保证操作的简洁化、人性化。但经过查阅大量文献资料， 现有的抗滑桩设计计算程序，大多数编制时间较早，没有考虑到界面友好性，使 用不便；有些只针对桩身内力计算进行编制，没有形成系统化的设计计算界面； 而有些考虑到了系统化设计，但对理论方法的研究不够，其中的核心计算方法过 于片面和单一，以至于程序应用面窄，实用性不高。 针对上述问题，有必要对土岩复合边坡抗滑桩内力分析与设计方法进行研 究。本文的研究重点是对已有抗滑桩作用机理进行深入研究分析的基础上，结合 已有的相关工程实例，研究土岩复合边坡抗滑桩的内力分析及设计方法，对抗 滑桩的下滑推力、桩前抗力、桩身内力及结构配筋设计等进行分析计算，并依托 “十一五”国家科技支撑计划项目“山区村镇地质灾害与工程防治技术研发 ( 2 0 0 6 b a j 0 6 8 0 2 ) ”编制抗滑桩分析计算系统程序，实现快速化、系统化的抗滑 桩设计计算。 1 2 国内外研究现状 抗滑桩是典型的被动桩，桩本身并不直接承受外荷载作用，而是桩周土体在 外荷载作用下发生变形运动，而使桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线由 于该土压力作用而偏离初始位置。 长期以来，抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定 性治理中。国内外自2 0 世纪6 0 年代中较成功的开始使用抗滑桩以来，至今已有 4 0 余年的历史，在6 0 , - , 7 0 年代末近1 0 年的时间里，国内抗滑桩较多地应用于铁 路滑坡治理中，并取得了良好的效果【l3 1 。早期的抗滑桩设计主要参照桩基的设计 推导演变而来，7 0 年代末以来国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、方法和 参数进行了广泛的理论研究和原位实验【1 4 1 ，并结合实际工程进行了现场测试，使 一3 一 北京工业大学工学硕七学位论文 得抗滑桩设计理论自8 0 年代初以来逐步完善。随着对抗滑桩研究的重视，建立 在理论分析和试验基础上的计算方法，越来越接近于其实际受力状况。以下介绍 抗滑桩内力的计算方法及其研究进展。 1 2 1 试验研究 ( 1 ) 原型试验 n i c u 掣1 5 】对1 3 5 m 厚的硬黏土上的桥台桩基进行了观测。由预埋于桩中的测 斜管测定6 根桩的位移，还测定了桥台的沉降和侧向位移。桥台翼墙的沉降达 5 5 m m 时，桥台朝路堤方向移动。当荷载超过3 倍软土层的不排水抗剪强度时，桥 台产生了显著的侧向位移。这些实验结果表明，黏土地基侧向流动引起的作用于 桩上的侧压力很大，足以使大尺寸的桩变形甚至破坏。日本的t o m i oi t o 【l6 】等也报 导过阻滑桩的现场试验情况。 重庆大学杨旌等【1 7 】在重庆大学松林坡进行了试桩试验，根据得到的试验数 据，初步估计出了桩周土参与桩共同作用的大致范围，研究表明，在水平推力作 用下，不仅是桩前土体提供抗力，桩两侧一部分土体也由于侧摩阻力作用参与桩 土共同作用，并初步估计出了大致范围：即桩两侧各影响至3 0 。，桩前影响至1 倍桩高处。 ( 2 ) 室内模型试验 日本的t a m o t s u m a t s i n 等( 1 9 8 2 ) i s 】在钢质模型箱内观测了不同的桩径和桩 距时，作用于抗滑桩上的土压力随土体位移而变化的情况。日本m a s t u i 等f 1 9 】为验 证i t o 等提出了作用于抗滑桩上的土压力计算公式，在钢制模型箱内进行了一系列 模型试验。 西北铁道科研所( 1 9 8 6 ) 【9 】在室内进行了单桩抗滑试验，在不同的荷载埋深 条件下，通过5 0 多组试验，测定了单桩各点的位移、弯矩、桩侧压力变化以及 排桩和砂坡的相互作用。南京水科院还在5 0 9 t 的中型离心机上研究简化排桩与 土坡的相互作用，并结合工程实例比较和优选高桩码头的设计方案。 铁道部第二勘测设计院唐志成等【2 0 】针对松散介质滑体和黏性土滑体的桩前 的抗滑力的分布形式，做了模型试验研究。此外又在室内进行桩数为9 根的抗滑 桩模型试验，并用非线性有限元对试验进行分析，结果表明抗滑桩的内力、变形 及土体抗力的实测值与计算值较为吻合。铁道部科学院西北分院就深埋式抗滑桩 桩身受力分布规律、适用条件等进行了系统的研究，得出了相关的结论。 马骥 2 1 】针对目前抗滑桩设计中常用的计算公式和桩的锚固深度等，采用了可 行的方案，模拟抗滑桩的受力情况，在室内进行单桩模型试验。天津大学( 1 9 7 4 ) 在长6 0 m 、宽0 8 m 、高1 0 m 的钢质模型槽中进行了高桩码头基桩的抗滑稳定性 试验。 第1 章绪论 1 2 2 理论分析研究一 目前，广泛使用的抗滑桩内力计算方法主要有弹性地基反力法、非线弹性地 基反力法、复合地基反力法和极限地基反力法等几类。 1 2 2 1 弹性地基反力法【9 1 q d x m q，、 肖p ( d x ) q + 坦 m + d m 图1 - 1 梁单元受力分析 f i g 1 1 b e a me l e m e n ts t r e s sa n a l y s i s 弹性地基反力法即把整根桩做为弹性地基梁来考虑，假定地基土为弹性体， 在处理时不考虑土的连续性，用梁的弯曲理论来计算上述抗滑桩的内力，采用了 梁在小变形的情况下的微分关系式，即认为桩处于弹性状态，并服从虎克定律， 桩的位移与桩长相比较是很微小的，可得如下表达式： 日窘4 = 一砥y ) + 衲 - ， 式中：p ( x ，y ) 一桩前岩土体抗力，驯小； g ( 石) 一桩后外荷载，驯m 。 地基反力的一般表达式为p ( x ，y ) = 缸”y ”，其中，z = l 时，称为线弹性地基反 力法，n 1 时就称为非线弹性地基反力法。k 取决于土的性质，是反映桩一土相 互作用的综合参数，也叫地基反力系数。由于对地基反力系数k 的假定不同，线 弹性地基反力法又可分为k 法、m 法、c 法、由足、m 、c 法所形成的混合法 缝 甘。 弹性地基反力法只适用于小位移的情况，即桩的位移和桩长相比较小的情 况，不适用于大位移情况。 ( 1 ) k 法 p = k x ”y ”当n = 1 ，m = 0 时，地基反力为p = 砂，称为张氏法，即我国的张 有龄法，其中地基反力系数k 等于常数，不随桩的埋深而变化。相应的桩挠曲微 分方程为： 北京工业大学工学硕士学位论文 日兰；+ b k y = 0 ( 1 2 ) 出 一 此方法对于桩身小变形时的计算结果与实测结果基本吻合，一般认为此方法适用 于较完整的硬质岩层、未扰动的硬质粘土或性质相近的半岩质地层。 ( 2 ) m 法 当n = 1 ，同时m = 1 时，称为m 法。地基反力系数k = m , x 被假定其随桩埋深 作直线变化。相应的桩挠曲微分方程为： 日等+ b r n x y = 。 m 3 ， 此方程的求解，需用幂级数解法、差分方法、数值积分等，m 法考虑了地 基反力随桩深度线性变化的关系，其中参数m 是反映桩土相互作用的综合参数， 但主要反映的是土的弹性性质。与k 法类似，此方法也适用于桩身小变形的情况， 当外荷载增大时，由于土体已经进入非线弹性阶段，还按照此方法得出的内力计 算值将与实测值发生很大的差别。一般适用于滑床为硬塑半坚硬的砂粘土、碎 石土或风化破碎成土状的软质岩层。 ( 3 ) c 法 当n = 1 ，同时m = 1 2 时，称为c 法，该法为陕西交通研究所提出。地基反 力系数k = c x “2 被假定其随桩埋深作外凸的抛物线变化。相应的桩挠曲微分方程 为： 日￥+ b c x 2 y = 0 ( 1 - 4 ) 出 一 c 值法从己有的资料表明使用得较少，尽管它可以适用于一般土类，但同样 c 值法也只是适合于小变形桩，而且c 值法的数学处理方法并不方便需手算或查 表等繁琐的计算过程，其计算过程复杂、容易出错、计算效率低，一般使用较少。 ( 4 ) 由k 、m 、c 法所形成的混合法 各类实践表明，单纯采用某一种方法是不能与试验中桩的实测数据和边界条 件很好吻合，地面处桩的挠度、转角以及最大弯矩及其所在的位置也不能同时地 很好吻合，只能达到较为接近地程度。基于以上原因，许多学者提出了由k 、必、 c 法所形成的混合法。对这些方法，戴自航，彭振斌【2 2 捌1 给出了“k ”法、“肘 法、“m k ”法的差分求解格式。杨佑发等 2 5 , 2 6 】也给出了“m k ”法、“k k ” 法差分求解格式。张友良等【2 7 2 8 】提出用杆件有限元法来计算抗滑桩的内力，把抗 滑桩用若干个杆单元来模拟，可有效地解决复杂结构、复杂边界条件、复杂地层 条件及复杂的荷载条件给计算带来的困难。 1 2 2 2 非线弹性地基反力法 当桩身侧移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间按非线性关系 一6 一 第1 章绪论 考虑，即，z 1 ，此时地基反力表达式为p = 红”y “称非线弹性地基反力法。 ( 1 ) 港研方法【2 9 】 港研方法是日本港湾研究所提出的，日本学者在分析了许多模型试验和现场 原位试验的基础上提出n 值可近似取为n = 1 2 ，根据地基的特性，港研法可分为 水平地基系数沿深度为常数的林一宫岛法，地基反力的非线性表达式为p = i o , v 2 ； 水平地基系数沿深度线性增长的久保法，地基反力的非线性表达式为p = 研啦， 相应的桩挠曲微分方程为： 日参+ 脚；= 。 5 ， 日窘+ 脚；= 。 m 6 ， 港研方法是一种较特殊的方法，在抗滑桩内力分析中还不曾多见。尽管此方 法可以适合于较大位移桩的内力计算，而且它的非线性分析理论能够较好地模拟 桩一土之间的相互作用关系，但是此方法的挠度微分方程为非线性，不易求得解 析解，因此港研方法采用标准桩得到一系列曲线来求取结果，求解使用相似原理 时，往往很难做到材料相似，所以使用并不普遍。 ( 2 ) 综合刚度原理和双参数法【3 2 】 上述地基反力法中多采用单一参数法，而单一参数往往因为待定参数的数目 不够，或选择得不恰当，导致计算结果与实测结构出入较大，只能凑合到较为接 近的程度。针对上述问题，吴恒立通过多年对推力桩桩一土共同作用的研究，提 出了计算推力桩的综合刚度原理和双参数法以及参数的确定，灵敏地计算了推力 桩的非线性全过程，即用两个未知参数来确定地基的反力系数：k = m ( c + x ) 枷， 其中m 、c 、l ，z 均为未知时为三参数法，当指定其中之一时为双参数法，参数 的选择与桩所受的荷载大小、特点、桩的几何条件( 包括桩长、桩的横截面积形 状和尺寸等) 、桩的材料、施工方法等因素有关。 同时吴恒立提出一般认为桩的刚度日只决定于桩的材料和桩的横截面积几 何形状与尺寸是片面的。当桩插入土中，其刚度已经不是桩在无介质情况下的刚 度，而是桩土共同作用的刚度，在计算桩的内力时，应考虑桩一土共同作用的 结果，称为综合刚度。综合刚度不仅取决于桩自身的刚度，而且与施工方法及桩 周土抗力有关，运用综合刚度能更真实的反映桩一土的相互作用，更准确的反映 桩的实际受力。由综合刚度原理和双参数法得到的桩的桩挠曲微分方程为： 日磐d x + 溉；y = 。 7 ， 该法是针对桩一土的相互作用机理提出的，能更真实的反映桩一土间的相互 作用，而且该方法在地基反力系数表达式中采用了双参数的形式，通过增加参数 一7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 的方法，克服了单一参数法由于参数少或参数选择不当造成的计算结果误差较大 的问题。一般情况下，按照这种方法计算得出的桩顶挠度、转角以及桩身弯矩和 发生位置等都可同时与实测值相符。另外，在地基反力系数表达式中，当1 n = 0 时，即k 法；当l 玎= o 5 时，即c 法；当l g = 1 0 时，即m 法；可见k 法、c 法、 m 法都为双参数法的特例。但是该方法在计算桩的内力时，需要有桩在地面处 的挠度、转角、桩身最大弯矩及其位置的实测值，反算出综合刚度日和双参数， 作为该地区同类桩的设计依据。这对于重大工程是合适的，因为它往往要求先做 试桩，所以此方法适用于有试桩资料的重大工程。 1 2 2 3 复合地基反力法【3 3 删j 实际工程中的桩绝大多数是弹性长桩，桩侧土的屈服与破坏都是由地表开 始，自上而下逐渐破坏，塑性区逐渐向下扩展。复合地基反力法的思想就是要符 合这一客观趋势，在弹性区采用弹性地基反力法，在塑性区采用极限地基反力法， 根据弹性区和塑性区边界上的连续条件求解桩的横向抗力。所以又被称为弹塑性 地基反力法或广义非线性地基反力法。 h m a t l o c k 考虑到黏土土抗力集度的非线性特性，于1 9 7 0 年提出了p y 曲 线法，即沿桩身各深度x 处，可根据土体的实际情况，确定出土抗力集度p 和挠 度y 的非线性关系。里斯等人与1 9 7 4 年研究过砂土的p y 曲线法。该法反应出 了土的弹一塑性过程，可看作是广义的非线性地基反力法或弹塑性地基反力法， 又叫复合地基反力法。 p y 曲线法考虑了土的非线性和塑性变形，能真实的反映桩一土间的相互 作用，而且p y 曲线法建立了地基反力与土工指标之间的对应关系，这在没有 试桩资料进行设计和拟定试桩的各项参数具有实际的意义。但p y 曲线法对现 场或室内试验结果的依赖和计算过程的繁琐在一定程度限制了它的应用。要想得 到各深度处符合实际的p y 曲线并非易事，直接在原位测试是最准确的但实际 上也是不可能做到的，现在的p y 曲线都是在模型试验和现场测试的基础上用 近似的实用做法建立起来的，与实际情况仍有距离。而且逐一获得每一个深度的 p y 曲线也不现实，这就更影响了其准确性。此外，p y 曲线法没有统一完整 的表达式，也就不可能给出统一的形式解，所以该方法在计算时必须结合有限元 法才能求解。 1 2 2 4 极限地基反力法 此方法假定桩为刚性，不考虑桩身变形，土处于极限平衡状态，且地基反力 的分布形状也是事先假定好的分布形式，仅为深度的函数，并按照作用在桩上的 一8 一 第1 章绪论 外力及其平衡条件来求桩的横向抗力。地基反力只是深度x 的函数，与桩的挠度 没有直接关系，计算出桩的最小锚固深度，进而按照地基反力的分布假定计算出 桩的内力，再进行桩的设计。极限地基反力法也称极限平衡法，这种方法公式简 单，所需参数少，所以是比较常使用的一种方法。但由于此方法在确定地基反力 时，没考虑桩周地基土体的变形，这与实际情况出入较大，所以不适用于实际工 程中弹性长桩的计算。 极限地基反力法中，又将地基反力假定为线性分布的雷斯( r a s e ，1 9 3 6 ) 、。冈 部( 1 9 5 1 ) 、布罗姆斯( b r o m s ，1 9 6 4 、1 9 6 5 ) 、斯奈特科( s n i t k o ) 等；假定为2 次 曲线分布的恩格尔( e n g e l ) 一物部( 1 9 5 2 ) 法；以及日本港湾构造物设计标准 ( 1 9 6 8 ) 中的挠度曲线法，假定地基反力为任意分布( 部分近似直线) 等【3 8 , 3 9 】。 1 2 3 数值方法研究 1 2 3 1 边界元法 p o u l o s 4 0 】提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析法。桩用弹性薄条模 拟，且桩与土的相互作用由半无限弹性体的m i n d l i n 方程计算，作用于桩上极限 压力要计入桩周土体的塑性屈服，该法考虑了土体的连续性和性状随深度变化 后，得出了单桩计算的各种图式。并考虑了桩的刚度、边界条件、土的屈服等的 计算图式。l e e c y ，h