（地质工程专业论文）多排抗滑桩的计算方法与工程应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 滑坡是一种相当普遍的自然灾害，人为的削坡、修建、地下工程的开挖 和水库蓄水等是导致滑坡发生的重要原因，于是对滑坡进行研究成为学者们 的重要课题。经过多年的工程实践和理论研究，滑坡防治研究的各个方面都 取得了很大成就，其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速。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。但抗滑桩设计计 算理论还不成熟。 本文首先利用土拱原理对抗滑桩与岩土体的相互作用关系进行分析研 究，根据现有的桩后土拱与桩闻土拱的计算模型以及计算方法，对联合土拱 概念和计算方法进行了探讨，得到更加合理的桩间距，进而确定了双排抗滑桩 的前、后排桩之间受力分配。 其次，在前面分析的基础上对多排抗滑桩的力学模型进行分析并讨论门 架式抗滑桩的抗力系数计算方法，即将门架式抗滑桩的联系梁视为刚性梁， 引入，应移条件来分析，采用m a t l a b 编程进行计算，从而得到门架式抗滑桩的 弯矩、剪力、位移和转角等，对于h 型抗滑桩，采用a n s y s 软件分析其受 力状态，得到h 型抗滑桩的弯矩、剪力、位移和转角等，为抗滑装结构的设 计提供了可靠的依据。 最后结合四方社滑坡工程实例对论文得出的主要研究成果进行验证。 关键词滑坡；抗滑桩；桩间距；土拱； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t l a n d s l i d e i so u c o f t h e m o s t p o p u l a r s t y l e so f n a t u r e d i s a s t e r s t h e m a i nc a u s eo f s l o p e sf a i l u r ei sh u m a na c t i v i t yi n c l a d i n gs l o p i n 函b u i l d i n gd a m so re m b a n k m e n t s ， e x c a v a t i n go fu n d e r g r o u n dw o r k a n ds l u i c i n gi nr e s e r v o i r s t h u s , m a n y 妯o l a r sf o c u s r e a c a r e ho ns l o p e s a f t e rm a n yy e a r se n g i n e e r i n gp r a c t i s i n ga n dt h e o r i e sr e s e a r c h i n g , g r e a ta c h i e v e m e n th a sb e e na c c o m p l i s h e di ns l o p ep r e v e n t i o na n dc u r e , e s p e c i a l l y , t h e a p l i c t i o no fa n t i - s l i d es t r u c t u r ed e v e l o p e ds h a r p l y , a n t i - s l i d ep i l ei t s o n em a i no f a n t i - s i l d es t r u c t u r ei sw 埘e 睁a p p h e ds oa st oh n p r o v es t a b i l i t yo fs l o p e h o w e v e r , t h e d e s i g n i n ga n dc u m p u i l n gt h e o r yo f a n t i - s l i d ep i l e 缸n o tp e r f e c t f i r s ta n df o r e m o s t , t h ei n t e r r e l a t i o no f a n t i - s l i d ep i l ea n ds o i lb o d yi sa n a l y s e da n d s t u d i e dt h r o u g hs o f ta r c h i n gp r i n e i p l l e d e f m i t i o na n dc o m p u t i n go fs o i la r c h i n ga r e d i s c u s s e db a s e i n go nm o d e h ga n dm e t h o do fs o i la r c h i n ga m o n gp i l e sa n db e h i n d p i l e s , a n do p t i m a ld i s t a n c eo fp i l e sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fl o a dl e t w e e nf r o n ta n d b e h i n do f d u a lr o wa n t i - s l i d ep i l e sa r ew o r k e do u t t h e n m e c h a n i c sm o d e lo fm u l t i - r o wa n t i - s l i d ep i l e 缸a n a l y s e da c c o r d i n gt ot h e f o r m e ra n a l y z e , a n dc o m p u t i n gm e t h o da b o u tc o e f f i c i e n to fa n t i - f o r c ei nt h ed o o rt y p e a n t i - s l m ep i l ei sd i s c u s s e d 。w h e r ed o o rt y p ea n t i - s l i d ep i l ei sc o n s i d e r c dt ob ear i n d b e a mw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fd i s p l a c e m e n te q u i l i b r i u m ，c o m p u t i n gp r o g r a m m eo f m a t l a bi sa p p l i e dt oa c h i e v et h eg o a li n c l u d i n gm o m e n t , s p e a r i n gf o r c ea n da n g l e , m o m e n t , s h e a r i n gf o r c ea n da n g l eo fht y p ea n t i - s l i d ep i l ea r ed e t e r m i n e da d o p t i n g a n a l y s et h es t a t eo ff o r c eb ya n s y s t h e ya g eu t i l i z e da 0af o 。- j e d a t i o nt od e s i g no f a u t i - s l i d es t r u t 佃r e f i n a l l y , t h em a i nc o n c l u s i o no ft h et h e s i s i sr e a c h e da n dc e r t i f i e dt h r o u g h p r a c t i c a l p r o j e c t o f s i - f a n g s l i d es l o p e k e y w o r d s ：l a n d s l i d e ；a n t i - s l i d ep i l e ；p i l es p a c i n g ；s o i la r c h i n g ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：鸶秘殳 指导老师签名： 日期：1 仍7 牛t 。 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： l 根据已有的土拱理论提出了联合土拱概念，并进行了分析研究，来讨 论抗滑桩与岩土体的作用关系。 2 根据联合土拱的计算方法分析多排抗滑桩前后排桩的受力机理。从而 提出前后排桩受力的计算方法 3 门架式抗滑桩抗力系数方法。 4h 型抗滑桩的有限元计算模型及计算方法。 学位论文作者签名；芬数 日期：- va 7 缸9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为的因素影响破 坏了岩( 土) 体的力学平衡条件，使山坡的不稳定岩( 土) 体在重力作用下沿着山 体内部某一软弱面( 带) 做整体的、缓慢的、问歇性的滑动的不良地质现象m 。 滑坡同崩塌、泥石流一样是山区工程建设中经常发生又造成很大危害的一大 自然地质灾害，严重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿、掩埋村庄，破坏农 田和森林，给国家和人民生命财产造成巨大损失。如意大利的瓦依昂滑坡死 亡人数达几千人，中国宁夏海源特大滑坡灾害的死亡人数以万计“，。鉴于此， 滑坡监测、预报和治理的研究工作成为更加重要的课题。 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的各个方面都已取 得了很大成就。概括起来滑坡整治方法主要包括如下几点：“避”、“排”、“挡”、 “减”、“固”、“植”。“避”改线绕避，“排”排水疏导，“挡” 抗滑支挡，“减”减重反压，“固”土层固化，“植”植树造林。 其中，支挡抗滑结构的发展最为迅速，尤其各种新型的抗滑结构发展最为快 速。这些新型的抗滑结构在大规模滑坡的治理中发挥了重要作用。 抗滑桩是滑坡治理工程中最常用的一种工程建筑物，由于这种支挡结构 比抗滑挡墙具有开挖面小、圬工体积小，施工速度快等优点，因而得到广泛 的应用与推广。据不完全统计，全国铁路、水电、煤炭、冶金等部门每年施 工的抗滑桩将近1 0 0 0 0 根以上。抗滑桩不但适用于整治滑面深和推力大的大 型滑坡，对于浅层和中厚层的滑坡均可采用抗滑桩稳定之。对于缺少石料的 地区，尤其对整治尚在活动的滑坡采用抗滑桩效果更为明显。事实证明，无 论大、中、小型滑坡，也无论是岩质滑坡还是土质滑坡，只要滑体地下水含 量未达到流塑状态，抗滑桩是一种很好的整治滑坡措施。 大量的工程实践都表明抗滑结构用于支挡加固边坡和整治滑坡是非常 有效的。成功的例子较多，失败的例子较少。但是抗滑结构是否充分发挥了 其抗滑能力，结构的设计是否经济合理，是一个很值得研究的问题。从现有 的抗滑结构工程的调查表明，过于保守的设计现象普遍存在抗滑桩断面普 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 遍都偏大并且桩长都偏长，桩的很多抗滑能力都没有发挥出来，造成了很大 的材料浪费。例如，某滑坡在抗滑桩工程做好后进入雨季，遇到了历史上罕 见的特大连续降雨，结构出现了后级滑坡，前、后两级滑坡同时滑动，以大 出设计滑坡推力1 倍左右的推力作用的抗滑桩上，抗滑桩向前倾斜了一个较 小的角度引起震惊，认为工程可能会失败。但是，事实说明有惊无险，当抗 滑桩倾斜一个角度后，既未出现断桩现象，桩身也未继续变位向前倾斜，在 这种状态下抗滑桩又重新稳定下来，竟然挡住了前后两级滑坡，滑坡体上的 裂缝逐渐挤密闭合，滑坡又重新稳定了，至今已经有十几年了，该滑坡一直 处于稳定状态m 。同样许多工程的桩身内力或桩顶位移的实测结果也远远小 于设计允许值m 。这些都深刻地表明，目前大多数抗滑结构的安全系数过大， 结构的抗滑能力远远没有充分发挥，现有的抗滑结构的设计还有待于进一步 改进。由于抗滑桩整治工程的耗资经常动辄上百万甚至上千万，因此如何在 安全的基础上进行经济合理的设计对国民经济发展具有重要意义。事实上， 充分研究抗滑桩结构的设计理论和施工技术，致力于提高工程的设计、施工 水平、充分挖掘抗滑桩工程潜能的研究一直是当今抗滑结构研究的一大趋 势。 抗滑桩作为治理滑坡的主要措施，许多学者对其计算方法进行了广泛深 入的探讨。抗滑桩在支挡滑坡的过程中主要承受侧向力，但地和一般建筑地 基和桥梁桩基中承受侧向力的桩性质完全不同，后者中桩基是直接承受荷载 并主动向土中传递应力的主动桩，而滑坡治理工程中的抗滑桩并不直接承受 外荷载的作用，只是由于滑坡体在自重或其他外因的作用下发生变形或移 动，而被动地承受坡体变形而产生的荷载作用，所以抗滑桩也被称之为被动 桩。被动桩与岩土体之间的相互作用是一个十分复杂b j 课题，迄今为止，国 内外对其研究得还不充分，因此抗滑桩的设计计算研究也一直处于一种不断 探索的阶段。 随着我国经济的进一步发展，越来越多的铁路、公路和水电等项目都将 陆续投入建设，在这些工程中势必会遇到更多的滑坡整治工程。因此，作为 治理滑坡主要措施的抗滑桩的研究必将会对我国经济的持续发展起到重要 作用。 鉴于上述各方面的原因，本文对双排抗滑桩的计算方法和工程应用进行 了探讨，通过岩土体与抗滑桩相互作用机理的分析，对多排抗滑桩的计算理 论进行研究探讨，以期在充分利用岩土体自身抗滑能力的基础上经济合理的 对抗滑桩进行设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 1 1 ：1 抗滑支挡结构的研究现状 欧美国家从1 9 世纪中期就开始了对滑坡灾害防治的研究，但是早期由 于人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避， 只对一些小型滑坡采取刷方减载、反压、以及抗滑挡土墙进行治理，排水工 程更是优先考虑的措施。直到第二次世界大战后随着各国经济的发展和国土 开发利用，遇到的滑坡越来越多，用人为支挡工程治理大量滑坡才真正开始， 5 0 多年来有了较大的发展和提高，一些大型滑坡也采用支挡工程来治理。支 挡工程的发展大体可分为三个阶段。 ( 1 ) 、5 0 年代以前，治理滑坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工 程主要是挡土墙。 ( 2 ) 、6 0 一7 0 年代，在以应用排水工程和抗滑挡土墙为主的同时，大力 开发应用抗滑桩工程以解决抗滑挡土墙施工中的困难。欧美国家和前苏联多 用钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径1 o 1 5 m ，深2 0 - - 3 0 m ，日本则多用钻孔 钢管桩，钻孔直径0 4 - 0 5 m ，深2 0 3 0 m ，孔中放入直径0 3 1 8 5 一o 4 5 7 2 m ， 壁厚o o 0 4 m 的钢管，钢管内外灌入混凝土或水泥砂浆，为增加桩的抗剪 断能力，有时在钢管中再放入h 型钢。桩间距1 5 - 4 o m ，而以2 o 一2 5 m 居多，为了增加桩的抗弯能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台 联接，形成刚架受力，也有少数用打入桩的。7 0 年代后期，在日本开始应用 直径1 5 3 5 m 的挖孔抗滑桩。 ( 3 ) 、8 0 年代以来，在小直径抗滑桩应用的同时，为治理大型滑坡，大 直径挖孔抗滑桩开始使用。如日本在大阪府的龟之獭滑坡上采用直径5 m 、 深5 0 - 6 0 m 的大型抗滑桩。它是周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强。 与此同时，抗滑支挡结构的另一个特点是锚索工程在滑坡防治中大量使用， 或与抗滑桩联合使用，或锚索单独使用( 加反力梁或锚墩) 。由于锚索工程不 开挖滑体，又能机械化施工，比抗滑桩工程节省投资约5 0 ，所以目前被广 泛应用。 我国对滑坡灾害的系统研究和治理是5 0 年代才开始的。根据我国国情 研究开发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 等治理滑坡的原则和方法，其中尤以铁路部门遇到和治理的滑坡最多。我国 对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用起步虽较国外晚，但由于建设中治理滑 坡的需要，其发展过程基本上与国外同步，也分为三个阶段： ( 1 ) 、5 0 年代起，主要学习原苏联的经验，在治理滑坡中首先考虑地表 和地下排水工程，如地面截、排水沟，地下截水盲沟、盲洞，支撑渗沟等， 辅以减重、反压和支挡工程。支挡工程主要是各种形式的挡土墙。用重力式 抗滑挡土墙治理大型滑坡常常工程浩大，施工困难，虽然总结了“分段跳槽 开挖基坑”的施工经验，有时还会造成滑坡加速滑动，危及施工安全。 ( 2 ) 、6 0 - - 7 0 年代，曾成功的应用支撑盲沟加小抗滑挡墙取得疏水和支 挡滑坡的双重效果，但深盲沟施工开挖也相当困难，因为地下水发育，施工 开挖极易坍塌。为了解决抗滑挡土墙开挖基础的困难，曾在贵昆线二梯岩滑 坡治理中设计采用沉井式抗滑挡土墙，但施工也不容易。6 0 年代中期，在成 昆线建设中，研究设计用大截面挖孔钢筋( 钢轨) 混凝土抗滑桩获得成功，由 于它抗滑能力大，破坏滑坡体稳定小，旌工方便，很快在铁路内、外滑坡治 理中被广泛应用，在治理大、中型滑坡中几乎取代了抗滑挡土墙。例如1 9 8 1 年宝成铁路水害抢修中略阳至广元段的2 0 个滑坡治理中有1 4 个采用了抗滑 桩，占滑坡总数的7 0 。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使得治理 大型滑坡有了可能。7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩的受力状态和设计理 论的同时，又研究了排架桩、门式桩、椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗 滑桩的受力状态，节省了圬工和钢材，但由于施工要求高于单桩，以至于应 用并不广泛。 ( 3 ) 、8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中开始大量的采 用锚索工程。由于锚索系用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力 大，预应力锚索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动小， 又是机械化施工，所以应用前景广阔。目前锚索的应用有两种情况，第一， 锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”。在抗滑桩的顶部加2 4 束锚索，增 加一个拉力，改变了原普通抗滑桩的悬臂受力状态，接近简支梁结构受力， 使桩的被动受力变为主动受力，因而大大减小了抗滑桩的截面和埋置深度。 第二，用锚索单独稳定滑坡。即在滑坡体上设置若干排锚索，锚固于滑动面 以下的稳定地层中，地面采用梁( 包括框架梁) 或墩作反力装置给滑体施加一 预应力来稳定滑坡。在滑坡的综合整治过程中，还会将预应力锚索单独加固 与锚索抗滑桩( 或普通抗滑桩) 联合使用，用于不同的治理部位从而达到整体 加固的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 2 抗滑桩的研究现状 抗滑桩作为承受( 岩) 土体侧向位移的被动桩，国外的研究多侧重于土 坡变形作用到桩体上的情况，尤其是对于海港工程、堤坝工程中承受软粘土 变形的被动桩的研究较多。f r a n x ( 1 9 4 8 ) 、h e y m a n ( 1 9 6 1 ) 和w e n z ( 1 9 7 3 ) 等均对 承受土体侧向位移的桩给出了一些定性的资料，反映了土体的位移与桩的破 坏有着密切的关系；i - i e y m a n ( 1 9 6 5 ) 、n i c u ( 1 9 7 1 ) 、o t e o ( 1 9 7 4 ) 等根据试验量测 结果描述了一些桩内力与相应的土体位移之问的定量关系。六十年代国外就 将有限元分析应用到滑坡整治的抗滑桩设计中。1 9 6 7 年，美国旧金山波特罗 山的一座建于1 9 0 6 年的无筋圬工铁路隧道上方修建公路，由于公路开挖引 起地表地下水及铁路隧道的一定量的移动，整治处理采用了3 0 组保护隧道 的钢筋混凝土排架桩，应用平面有限元分析确定滑坡滑动的原因，研究各种 整治方案，将监测数据与有限元分析结果相互对照，为整治设计提供依据， 成为应用有限元分析进行整治设计的成功例子。 国内于2 0 世纪5 0 年代开始使用抗滑桩。1 9 5 4 年宝成线史家坝4 号隧道 北口左侧灰岩边坡产生顺层坍滑，采用钢筋混凝土榫桩治理( 只考虑抗剪作 用1 。对抗滑桩的理论研究始于6 0 年代，主要采用了实验研究、理论计算、 有限元分析等方法。 1 9 6 6 年铁道部第二勘测设计院在成昆铁路沙北1 号滑坡以及甘洛车站2 号滑坡中首次采用了钢筋混凝土挖孔桩来加固、稳定滑坡，全面考虑了构件 的抗弯、抗剪等作用，为滑坡整治增加了一种切实可行的新手段。据统计， 成昆线在六处滑坡采用了1 2 0 根抗滑桩，累计长度为1 3 6 4 米，抗滑效果良 好m ，。这种结构很快在铁路路基建设工程中迅速推广，并不断完善创新，由 一般抗滑排桩发展到门形刚架排桩( 1 9 7 6 年枝柳线罗依溪滑坡，铁四院) 、h 形排架抗滑桩( 1 9 8 3 年川黔线k 1 8 0 路堤滑坡，成都铁路局) 、预应力锚索 抗滑桩( 1 9 8 4 年松藻矿务局金鸡岩滑坡，铁科院西北分院) - 等。 1 i 3 多排抗滑桩的研究现状 在我国，使用最多、最广泛的也是排式单桩，即在滑坡的适当位置，每 隔一定距离挖掘一竖井，再放置钢筋或型钢，最后灌注混凝土，形成了一排 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 或数排的若干单控。这是我国抗滑桩的基本形式。但对于比较大型的滑坡两 言，这样的单桩在受力上并不能满足工程需要，为了增强桩的抗滑力，许多 新的桩排形式多排抗滑桩被提出来。多排抗滑桩主要指两排或两排以上 的抗滑桩共同作用来提供抗滑力。其中应用较多的是双排抗滑桩，双排桩作 为一种新型抗滑桩，因其受力机理复杂，前后排桩间土对结构作用很难确定， 因而其设计计算方法成为其焦点问题。 目前，双排控在深基坑支护工程中的应用比较多，王湛等n 将前后排桩 视为一个整体进行了桩土接触面的非线性分析，提出了桩间土压力的计算方 法。戴智敏m 、万智m 等采用土拱理论和土抗力法建立了双排桩分析计算模型， 对已有方法提出了改进，并考虑深基坑空间效应及支护桩顶的水平圈梁作 用，对双排桩支护结构体系进行了三维分析。曹均坚“一在考虑圈梁对桩空间 作用影响的基础上根据变形协调原理建立了前桩和后桩的变形方程，从而推 导出一种新的计算方法。此外，蔡袁强“等采用非线弹往有限元法，对软土 地基中双排桩围护结构的内力和变形特性进行了研究。平扬“等在考虑排桩、 圈梁、联系梁空间协同作用前提下，提出了一种更适合双排桩实际工作性态 的计算方法和反分析计算理论。关于深基坑研究的这些成果很多在滑坡治理 中也是可以借鉴的。周翠英m ，等在门架式双排抗滑桩设计计算新模式一文中 提出了双排门架式抗滑桩的有跟元计算方法。 多排桩在滑坡治理中现在也已开始应用，但对于滑坡推力如何分配、不 同排桩之间的相互影响等问题，国内外学术界还没有较系统的相关研究。励 国良n 3 ，提出了一种进行多排一般抗滑桩或预应力锚索抗滑桩与滑坡相互作用 的计算方法。多排抗滑桩的受力机理在我国的研究还非常不完善，本文将对 门架式双排抗滑桩、排架桩和h 型抗滑桩的计算方法进行分析研究。 1 3 本文研究的思路和主要内容 论文的基本思路是首先利用土拱原理对抗滑桩与岩土体的相互作用关 系进行分析研究，在此基础上对多排抗滑桩的力学模型进行分析并讨论门架 式抗滑桩的抗力系数的计算方法。并用数值模拟的方法对h 型抗滑桩进行分 析。最后结合实例对论文得出的主耍研究成果与结论迸行验证和进一步说 明。论文主要内容如下： 1 根据现有的土拱理论提出了联合土拱概念，并进行了分析研究，讨论 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 抗滑桩桩阀距更加合理的算法。 2 根据联合土拱的计算方法分析多排抗滑桩前、后排桩的受力机理。从 而提出前、后排桩受力的计算方法。 3 讨论了门架式抗滑桩抗力系数方法。 4 讨论了h 型抗滑桩的有限元计算模型及计算方法。 5 根据四方社滑坡工程实例对比了普通多排抗滑桩、门架式抗滑桩、h 型抗滑桩之间的优劣。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章抗滑桩与岩土体相互作用关系 2 1 滑坡的特征与分类 2 1 1 滑坡的特征 在错落、崩塌、溜坍、泥石流和滑坡等诸多山体变形中，滑坡与其他几 者既有很明显的区别，也有相互之间的联系。与其它坡体变形相比，滑坡具 有如下的特征。 1 、滑坡主滑段滑床坡度较缓，水平位移大于垂直位移。 2 、位移速度缓慢，延续时间长，有时滑时停阶段，也有瞬间大滑动者。 除此，各类变形体与滑坡的关系也很密切。如在错落体下部开挖路堑或 修建厂房，错落即可能转化为滑坡；滑坡后缘发生崩塌，崩塌体的大量堆积， 则可能成为滑坡体再次滑动的主要因素；在泥石流沟上游和中游通过区，滑 坡和溜坍的堆积物又常成为固体径流的物质来源等等，表明各类山体变形的 因果关系。 一个发育完整的滑坡具有如( 图2 1 ) 所示的各种滑坡要素。许多滑坡 由于受各种因素( 如应力条件、堆积、剥蚀作用等) 的影响而失掉某些元素。 图2 - 1 滑坡要素示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 抗滑支挡结构类型 在滑坡防治研究日益重要的今天，抗滑支挡结构也已经发展出很多类 型。其中最主要的莫过于抗滑桩和挡土墙。采用抗滑桩治理滑坡，桩群分置 灵活，桩的根数、截面均能适当调整，可单独使用或与其他支挡工程配合使 用；用混凝土护壁支撑开挖桩基时，不需要特殊机具设备，可以间隔地同时 施工，且进度快工期短，安全可靠；施工扰动滑体少，每根桩做完后，都能 立即起到抗滑作用，对于整治铁路运营中的滑坡和处于滑动阶段的滑坡更为 有利；在挖桩过程中，直接验证地质资料进行修改完善设计；它可以分批同 时施工，工作面多，操作简便，施工干扰少，便于争取工期，施工不受季节 影响，可以全年施工。但使用抗滑桩治理滑坡耗费钢材多而且工程造价高， 因此对于小型滑坡一般仅采用挡土墙处理即可。 2 2 1 抗滑桩分类 抗滑桩类型的划分方法较多，如按照桩的埋置情况、按照截面形式、按 照施工方法、按照材料、按照桩与土的相对刚度等( 如表2 1 ) 。 下面介绍几种新型抗滑桩 1 、排桩形式常见的有门式刚架抗滑桩、排架抗滑桩、h 型抗滑桩。 门式剐架抗滑桩内桩受拉、外桩受压，每排由两根竖向桩和一根横 梁组成，能承受较大的推力。如图2 - 2 ( a ) 。 排架抗滑桩其受力同门形刚架桩，每排由两根竖向桩和一组横梁组 成，下横梁可按隧道掘进法施工，如图2 - 2 ( b ) 。 h 形抗滑桩其受力同门形刚架桩，仅内桩向上延伸。起到收坡作用， 适合于整治路堤滑坡。如图2 2 ( c ) 2 、有锚桩常见的有锚杆桩和锚索桩，又分为顶锚桩和底锚桩。 顶锚桩( 预应力锚索抗滑桩) 由预应力锚索( 杆) 组成，主要由锚 索( 杆) 受力，改变了悬臂的受力状态和单纯的靠桩侧向地基反力抵抗滑坡 的推力机理。 底锚桩一由钢筋混凝土桩和底部竖向锚杆组成。按桩底为固定端的弹性地基 梁计算。这种结构的施工的关键在于钻孔和灌浆，基底高程应高于地下水位， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 深度尽可能浅，以便于各种操作。 2 2 2 挡土墙分类 挡土墙类型的划分方法较多，除了按照挡土墙设置位置划分外，还可按 结构形式、建筑材料、施工方法及所处环境条件等进行划分。按建筑材料可 分为石、混凝土及钢筋混凝土挡土墙等。按所处环境条件可分为一般地区挡 土墙、浸水地区挡土墙与地震地区挡土墙。 一般以挡土墙的结构形式分类为主，常见的挡土墙形式有：重力式挡土墙、 衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、加筋土式挡土墙、锚杆式挡 土墙、锚定板式挡土墙，此外还有竖向预应力锚杆式挡土墙、土钉式挡土墙 及桩板式挡土墙。 表2 一l抗滑桩分类 2 3 滑坡推力计算 计算滑坡推力主要是为了确定抗滑支挡工程建筑物的位置，并为整治工 程设计计算提供定量依据。滑坡推力与滑坡的性质、滑体的厚度、滑动面的 形状以及桩的位置、间距等条件有关。一般先用工程地质的各种手段，对滑 坡的稳定性进行分析，然后辅以力学方法计算。 对于某一截面上的滑坡推力，一般按平行滑动方向分段求每段代表断面 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 的每米宽的滑坡推力，从而综合各段的推力而得出全滑坡的推力。常用的滑 坡推力计算方法有：力矩平衡法( 即瑞典法) 、多边形图解分析法和推力传 递系数法。这几种方法均以力的极限平衡原理为基础。所谓极限平衡状态， 就是假定滑动前的一瞬间，山体沿某结构面的下滑力等于向上的抗滑力，这 时稳定安全系数等于l ，推力等于o 。显然，当滑坡真正处于极限平衡状态 时，安全系数越大，推力也越大。 abc 图2 - 2 几种新型抗滑桩 现在的滑坡推力计算绝大多数均采用传递系数法计算m “m ，这种计算方 法的原理基于铁路系统中常用的边坡稳定性分析方法传递系数法。该方 法计算方便，使用范围也比较广泛，因此在滑坡推力计算中得到了普遍的应 用。传递系数法又称为不平衡推力传递法，主要用于滑面由一些倾角较缓、 相互间变化不大的折线段组成的滑坡。由于其使用广泛，在相关的规范中也 将其作为计算作用于抗滑桩上的滑坡推力的方法ww 。下面将对传递系数法 原理简要介绍。 传递系数法假定： l 、滑坡体不可压缩并作整体下滑，不考虑条块之间挤压变形。 2 、条块之间只传递推力不传递拉力，不出现条块之间拉裂。 3 、块间作用力( 即推力) 以集中力表示，它的作用线平行于前一块的滑面 方向，作用在分界面的中点。 4 j 垂直滑坡主轴取单位长度( 一般为l m ) 宽的岩土体作用计算的基本 断面，不考虑条块两侧的摩擦力。 ，由图2 3 可知，取第，条块为分离体，将各力分解在该条块滑面的方向 堕南窒塑查兰堕主堡塞竺堂垡笙塞 蔓! ! 夏 上，可得下列方程； 曲滑坡分块图b ) 第i 块单元受力图 图2 - - 3 传递系数法图示 e 一形s i n q 一钆c o s 瓴- l 一嘶) + 阮c o s q + 蜀一ls i l l h g ，t a i l 识+ c ，t = o ( 2 1 ) 由上式可得出第f 条块的剩余下滑力( 即该部分的滑坡推力) 局，即 e ，= 形s i n a ，一彬c o sf m n o , 一c l ，+ 矿，e l ( 2 2 ) 式中：第i 块滑体剩余下滑力； 立“第i l 块滑体剩余下滑力； - 第f 块滑体重量； 蚂第i 块滑体滑床反力； 传递系数，y 一= c o s ( a 一- 1 一q ) 一如如“一q ) t a | 1 仍； 。一第i 块滑体滑面上岩土体的粘聚力： 第i 块滑体滑面长度； 仍第f 块滑体滑面上岩土的内摩擦角； 第f 块滑体滑面的倾角； a * j 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 8 “笫i - l 块滑体滑面的倾角； 计算时从上往下逐块进行。按式( 2 2 ) 计算得到的推力可以用来判断滑坡 体的稳定性，如果最后一块的为正值，说明滑坡体是不稳定的：如果计算 过程中某一块的正一为负值或为0 ，则说明本块以上岩土体已能稳定，并且下 一条块计算时按无上一条块推力考虑。 实际工程计算滑坡体的稳定性还要考虑一定的安全储备，选用的安全系 数k 应大于1 0 。在推力计算中如何考虑安全系数目前还不一致，一般采用 加大自重下滑力，即k ，跚m ，来计算推力，从而式( 2 - 2 ) 变成 e i = k j 形s i n a l 一形c o s ( z it a n q t c l + y f 巨- l ( 2 - 3 、 、- 一 式中：“t 安全系数，一般取为1 0 5 一1 2 5 如果最后一块的为正值，说明滑坡体在要求的安全系数下是不稳定 的；如果b 一为负值或为0 ，说明滑坡体稳定满足设计要求。另外，如果计算 断面中有逆坡，倾角口，为负值，n w , 5 i n 也是负值，因而，8 m q 变成了 抗滑力，在计算滑坡推力时，8 1 1 1 吼项就不应再乘以安全系数。 2 4 滑坡推力分布情况 影响滑坡推力分布形式的因素很多，包括滑坡的类型、部位、地层性质、 变形情况及地基系数等因素m ，。因此，滑坡推力分布形式的确定是非常困难 的，只能根据实践经验、一些实测结果和模型试验分析成果经验性的给出。 关于滑坡推力的分布形式，目前常用的有三角形、矩形( 平行四边形) 和梯形 三种。国外有人把滑坡视做散体，用三角形分布，国内铁路部门多用平行四 边形分布，两者造成的倾覆力矩差别很大，因此影响工程结构的大小和埋深。 日本有人认为滑坡滑动时滑坡推力主要集中在滑动面以上1 - 2 m 处，因此用 三角形分布是合适的。滑坡推力的分布对桩结构的内力计算影响较大，尤其 是对于滑坡推力较大的滑坡更是如此，所以采用不同的滑坡推力分布图式对 于工程的造价有较大的影响，因此提出在实际设计计算中应结合具体情况分 别加以考虑。 中铁西北科学研究院结合全埋式双排桩大型室内模型试验，提出了在滑 体中，第一排桩受到的桩前滑体抗力和第二排桩受到的滑坡推力的大小密切 相关。单桩上的分布形式与单排桩的情况有所不同“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 l ，土类滑体第一捧抗滑桩上滑坡拄力呈梯形三角形分布。 2 第二排抗滑桩上滑坡推力呈矩形分布。 3 桩受到的滑体桩前抗力，第一排桩上呈上大下小的倒梯形分布，第二 排桩上呈矩形分布。 文献 3 7 在我国一些抗滑桩模型试验和现场试桩实测试验资料分析结 果的基础上，针对滑坡岩土体性质的不同，提出和推导了相应的滑坡推力分 布函数，并列成便于查阕的图表形式，如表争2 所示。 目前的抗滑桩设计计算中，考虑岩土体与抗滑桩的相互作用包括两个部 分，一是将滑坡推力以各种可能的分布方式作用到抗滑桩上以考虑桩后滑体 与抗滑桩的相互作用，一是桩周岩土体( 包括桩前滑面以上及滑面以下的岩 土体) 与抗滑桩的相互作用w 。 目前考虑桩后滑体与抗滑桩相互作用的常用方法为“压力法”，即桩后滑体 对抗滑桩的作用以滑坡推力的形式作用在抗滑桩上。刘小丽在文献 1 6 中 结合了抗滑桩加固滑坡体的特点和形式，建立了一种新的滑坡岩土体与抗滑 桩相互作用的位移模型。刘小丽认为，滑坡推力作用到抗滑桩上的过程，实 质上就是滑动面以上桩后岩土体与抗滑桩相互作用的过程，基于此，提出了 一种新的桩土相互作用模型，与现有计算模型相比，该模型的主要优点是能 考虑滑坡推力随桩体变形、桩周岩土体变形而不断调整自身的分布，较之将 滑坡推力设定为一固定的分布形式的现有计算方法，值得继续进一步深入研 究和发展。 表2 2 滑坡推力分布形式 滑坡翥土类雾羹蓁妾鬈：耋箸 滑坡推力分布函数 别分布形式作用点位置 岩石蕃蔷篡三啊g ( 2 ) = 百e 麓等梯形嚣啊删i 、i 矿s e 击层 滑坡岩土体与抗滑桩相互作用的位移模型的示意图见图2 4 ( a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 c a ) ( b ) 图2 4 新建的滑坡岩土体与抗滑桩相互作用的位移模型的示意图 将其称为位移模型，是由于一方面该模型采用了滑面以上桩后滑体能发 生系统允许的某种位移模式的假定，与位移法中的原理相互吻合；另一方面 也是为了与现有的方法( 压力法) 相区别。桩后滑体的系统允许位移可以视为 绕某点的转动或平动，此处以平动为例进行说明。 弹性w i n k l e r 地基模型以作用于抗滑桩上的压缩刚度等效的弹簧来代 替。从图中可以看出，桩与滑坡岩土体的相互作用全部用弹簧来表示，但图 中各部分的意义是不相同的。其中图中所示的第( 1 ) 组弹簧部分，代表滑面以 上桩后岩土体与抗滑桩的相互作用，该部分的弹簧表示由于桩后岩土体与桩 的相对变位而产生作用于抗滑桩上的滑坡推力荷载，具体的荷载表达形式为 g ( 砷= 置( x ) b p ( j ，h y ) ( 2 - 4 ) 鼋( x ) 作用于抗滑桩上的滑坡推力荷载函数； 足( x ) 桩周岩土体在桩长x 处的地基弹性系数； 占。桩的计算宽度； y 。滑面以上滑体发生的系统允许位移，滑面以下为零。 ) ，( x ) 桩在x 处的挠度。 图2 4 ( a ) 中的第( 2 ) 组弹簧代表桩前滑面以上的岩土体与桩的相互作用， 表示由于桩对其产生的弹性压缩变形而作用于弹性抗滑桩上的滑体抗力，同 时该力又反作用于桩前的岩土体上，其具体的表达式为； p ( 功= k ( x ) b p y ( 2 5 ) 反x ) 桩前岩土体的抗力分布函数； 其余符号同前。 图2 - 4 ( a ) 中的第( 3 ) 组弹簧代表滑面以下桩体与桩周岩土体的相互作用， 由于二者的相对位移产生作用于桩上的地基反力和作用于土体上的压力，其 具体表达式同式( 2 5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 该模型针对现有抗滑桩计算模型中要对滑坡推力分布做出假设的限制， 提出可以根据桩后滑体的位移特性，通过桩与其后滑体的相对变形来计算滑 坡推力的分布，以滑坡推力的数值作为迭代控制条件，这样可以对桩前滑体 的稳定性及其抗力做出更为正确的评价。该模型相比其他模型的最大优点是 能考虑桩土相对变形对滑坡推力分布的影响。 2 5 土拱理论分析抗滑桩与岩土体相互作用关系与桩间距的 计算 在利用抗滑桩对滑坡或有失稳破坏可能性的边坡进行支挡加固设计时， 一般不考虑群桩效应，对每根抗滑桩进行单独设计计算，所以，在所采取的 设计方案中，作用于每根抗滑桩上的滑坡推力确定极为重要，目前设计中认 为作用于每根抗滑桩上的滑坡推力荷载为其与两侧相邻抗滑桩间距各一半 之和与单位宽度滑坡推力数值的乘积。下面将对滑坡推力在坡体与抗滑桩之 间的传递机理作一研究。 2 5 1 引言 土拱效应是由于介质的不均匀位移引起的，土拱的形成改变了介质中的 应力状态，引起应力重新分布，把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周 围稳定介质中去m 。早在1 8 8 4 年，英国科学家r o b e r t s 首次发现了“粮仓效 应”。这就是通常所说的土拱效应，粮仓底面所承受的力在粮食堆积高度 约大于2 倍底面直径后达到饱和而不再增加。1 9 4 3 年，t e r z a g h i 通过试验m ， 证实了土力学领域土拱效应的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础 上，得出了士拱效应存在的条件。现在，在土木工程领域，成拱效应更是无处 不在。 在边坡工程中，当抗滑桩施工完成后，在抗滑桩阻碍坡体位移而使自身 产生变形的同时，相邻桩之间的土体有向坡体外侧移动的趋势。在桩前土体 开挖完成后，这种趋势就会进一步地发展。由于抗滑桩的横向位移小于坡体 的横向位移，造成桩后局部范围内的土体不断挤压桩体而产生不均匀的土压 力，桩间的部分土体因受桩体约束作用的不同而产生不同程度的剥落。在靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 近桩体处的剥落较少，而在远离桩体处的剥落较大。即在相邻两桩之间的不 同位置有不同的剥落高度。在设桩处剥落高度较小，在两桩中间剥落高度较 大。在这种情况下就会引起桩间土体与桩后土体抗剪能力的发挥而在土体中 形成所谓的“楔紧”作用w ，即形成土拱效应。土拱效应从概念的提出到理 论发展已经历了1 0 0 多年的历史，但目前仍存在一些值得探讨的问题。 2 5 2 土拱拱形及受力分析 土拱效应是土体变形后内部受力的自我优化调整的结果。在有抗滑桩支 护时，滑坡体具备水平成拱的条件，在竖向上由于不能形成拱脚以至于不具 备形成土拱的条件。另外由于滑坡推力主要通过水平向土拱起作用，因此本 文所讲的土拱均指水平土拱。 在我们对边坡的土拱进行分析研究之前，首先需要确定的问题就是土拱 的拱形。土拱拱形的确定直接关系到受力分析的正确与否。边坡岩土体中的 土拱形成过程是岩土体调整其自身内力分布的过程，以期最大限度的发挥自 身的承载能力u - 。土拱效应主要是利用土体抗压性能好、抗拉能力差的特点， 是土体变形后受力的自我优化调整的结果m 。因此，在滑坡推力均匀分布于 桩问岩土体的假定下，可以认为土拱的形状为合理拱轴线，合理拱轴线的每 一截面上只存在压力，没有弯矩和拉力，适合于土体抗压不抗拉的特点。 设土拱在桩后及桩间的岩土体中形成，由于滑面未必规则，所以可按照 稳定性计算( 或滑坡推力计算) 时所划分的土体分段逐段进行土拱效应的分 析。拱上作用的压力均匀分布，则可将拱形视为合理拱轴线，设土拱的作用 范围为桩间距范围内的岩土体，即土拱的拱( 图2 5 土拱受力分析简图) 跨 为，则此时土拱的形状是二次抛物线，建立如图所示的坐标系，可推导出 拱轴线的合理方程，具体过程如下。 x q ，山山 、d 岁_ 。矿6 铌 ，v 图2 - - 5土拱受力分析简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 力学计算模型如图2 - - 5 所不，当拱上承受均布荷载q 时，由拱脚处弯 矩为零的条件可得( 由于对称性，可取其一半进行分析1 以= 静 ( 2 6 ) 其中：，矢高。 日。为截面上的压力。 f 为拱跨。 对任意截面x 而言，由于其上弯矩为零，应有 车= h g y ( 2 7 1 将( 2 - - 6 代入( 2 - - 7 ) ，可得合理拱轴线方程 ：了4 x 2 ，_(281y 1 = r ， l z 由以上推导过程可知，拱截面只承受垂直轴线方向的压力作用。拱脚于水平 线夹角 t a n 口叫i xl ，= 笋厂i 碟= 等 = 竿 ( z 。) 任意一点截面内力为； 互2 以= 静 ( 2 _ l o ) 矿= q x 2 5 3 土拱计算模型 抗滑桩与岩土体之间的相互作用主要靠水平土拱来完成。根据所查阅的 文献资料分析，研究抗滑桩支挡的边坡工程中土拱作用方法基本可分为三种 【州啪l l l o 第一种方法一桩后土拱作用方法，土拱在整个桩后滑体中形成，土拱 上的推力均匀分布，土拱的形状考虑为合