（岩土工程专业论文）双排抗滑桩抗滑机理的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 作为一种有效的工程措施，抗滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防治 中得到了广泛应用。然而，由于问题的复杂性，关于抗滑桩的工作机理、桩一 土相互作用规律等问题并没有很好地解决，其设计理论与计算方法，还处于 半经验半理论的不成熟阶段，特别是对于双排抗滑桩的研究，落后于工程实 践。 本论文的主要目的是研究双排抗滑桩的作用机理，计算采用a b a q u s 有 限元软件，滑体假定为理想弹塑性材料，并服从m o h r - c o u l o m b 屈服准则， 滑带简化为接触面，作为接触问题采用罚函数方法求解。根据计算结果，分 析了前、后桩在不同排距、不同抗弯刚度时，桩的弯矩、剪力等内力的变化 规律、滑坡推力在两桩上的分配比率。并应用上述研究成果，对一实际工程 的抗滑桩进行了设计计算。 通过研究得到以下主要结论： 1 有限元法可较为合理地解决前排、后排桩受力分配的问题，这是传统 计算方法达到的。 2 排距的变化影响弯矩、剪力和推力的大小。但不影响内力沿桩的分布 形态。 3 前、后桩相同刚度时，通常后排桩所承受的推力、内力较前排桩大， 且随排距的增大而减小，而前排桩的推力随排距的增大而增大。 4 前、后排桩刚度分别变化时，刚度变化的桩自身弯矩、推力增大且变 化明显，而另外一排桩弯矩、推力减小。 关键词：双排抗滑桩；m o h r - c o u l o m b 屈服准则；接触问题；a b a q u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a sak i n d o fe n g i n n e r i n gm e a s u r e ，a n t i - s l i d ep i l eh a so b t a i n e dw i d e l y a p p l i c a t i o n i n s l o p e r e i n f o r c e m e n t e n g i n e e r i n ga n d t r e a t m e n to fl a n d s l i d e g e o l o g i c a ld i s a s t e b h o w e v e r , t h e r ea r em a n yp r o b l e m sc o r c e r n i n gt h em e c h a n i c s o fa n t i s l i d ep i l es u c ha st h ei n t e r a c t i o ne f f e c tb e t w e e np i l ea n ds o i lt ob es l o v e d t h ed e s i g no fa n t i s l i d ep i l e sh a st od e p e n d0 1 1t h ee x p e r i e n c eo ft h ee n g i n e e r e r s ， e s p e c i a l l yi nt h ed e s i g no f d o u b l er o wp i l e s t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h em e c h a n i s mo f d o u b l er o wp i l e s t h es o f t w a r eo fa b a q u sw a su s e df o rt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n e l a s t o - p l a s t i c m o d e lf o l l o w i n gm o h r - c o u l o m bl a ww a se m p l o y e df o rt h es l i d i n gb o d y , a n dt h e s l i pb a n dw a st a k e n 鹊c o n t a c ti n t e r f a c e t a k e n c o n t a c tp r o b l e m , t h ep r o b l e m w a ss l o v e dw i m p e n a l t yf u n c t i o nm e 吐l o d t h ei n f l u e n c e so fs p a c i n gb e t w e e l lf o r e r o wa n da f t e rl o w p i l e s ，t h es i z eo fp i l e so nt h et h r u s tf o r c ea n di n t e r n a lf o r c e so f p i l e sw e r ea n a l y z e d f i n a l l y ，t h er e s l u t so ft h er e s e a r c hw e r ed e m o n s t r a t e dt o d e s i g na nd o u b l er o wa n t i - s l i d ep i l e s f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ： i t h et h r u s tf o r c ea n di n t e r n a lf o r c e so f p i l e sc a r lb ys o l v e dw i t hf e m m o r e e x a c t l yt h a nt h ec o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i n gm e t h o di np r e s e n td e s i g n 2 t h es p a c i n gb e t w e e nf o r ea n da f t e rp i l e sh a sm o r ei n f l u e n c e so nt h e m a g n i t u d eo fi n t e r n a lf o r c e sa n dt h r u s tf o r c eo ft h ep i l e s ，l e s si n f l u e n c e so nt h e d i s t r i b u t i n gf o r mo f t h e m 3 g e n e r a l l y , u n d e rt h ec o n d i t i o no f s a m es i z e sf o rt h ef o r ea n da f t e rp i l e s ，t h e i n t e r n a lf o r c e sa n dt h r u s tf o r c eo ft h ea f t e rp i l ea r el a r g e rt h a nt h o s eo ft h ef o r e 硼ea n dt h ef o r c e so f a f t e rp i l ew i l ld e c r e a s ea st h es p a c i n gi n c r e a s e 4 t h ev a r i a t i o no ft h es i z e so fp i l ew i l lc h a n g et h ef o r c e so fp i l ei t s e l fm o r e p r o m i n e n t l yt h a nt h o s eo fp i l ea tt h eo t h e rr o w k e y w o r d s ：d o u b l er o wp i l e s ；m o h r - c o u l o m by i e l d c r i t e r i o n ；c o n t a c t p r o b l e m ；a b a q u s 西南交通大学曲南父逋大字 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 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 口86 功、 彩l 参l 0 日期：m 8 ，石f ? 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， 均已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： 本论文的主要目的是研究双排抗滑桩的作用机理，计算采用a b a q u s 有限 元软件，滑体假定为理想弹塑性材料，并服从m o h r - c o u l o m b 屈服准则，滑带 简化为接触面，作为接触问题采用罚函数方法求解。根据计算结果，分析了 前、后桩在不同排距、不同抗弯刚度时，桩的弯矩、剪力等内力的变化规律、 滑坡推力在两桩上的分配比率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 滑坡是一种严重的自然地质灾害，与地震、洪水并列为世界范围内的三 大自然灾害之一。我国有7 0 地域为山区，特别是中西部地区山地更多，滑 坡灾害发生频繁。滑坡常常导致公路、铁路、水利等工程发生破坏，不仅给 工程建设增加了困难，也严重威胁着人民生命、财产的安全。1 9 8 3 年3 月1 7 日甘肃洒勒山滑坡，滑坡体积5 0 0 0 m 3 ，摧毁4 个村庄，2 2 7 人死亡。1 9 9 1 年 9 月2 3 日，云南昭通地区头寨沟发生滑坡导致2 1 6 人丧生。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m 3 ，造成3 3 人死亡，2 人失踪，1 人受伤。当前，越来越多的基础建设工程都会遇到滑坡 问题，山区的开发建设、铁路与高速公路建设、水利工程建设、深基坑的开 挖及露天矿山向深部开采所形成的高大边坡等，使滑坡灾害更为突出，给铁 路、公路、水利、矿山带来巨大损失，严重影响了人们的生产、生活。 1 。2 问题的提出 滑坡的危害性极大，对滑坡的研究和防治十分重要。治理滑坡的具体工 程措施有很多，如坡面排水措施、地下排水措施、减重与反压措施、支挡工 程等。整治滑坡首先应做好排水工程，然后针对滑坡滑动的主要因素，结合 工程的重要程度、施工条件及其它要求，采用以防为主、综合治理的原则。 其中，支挡抗滑结构的发展较为迅速，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，该支挡结构与抗滑 挡墙相比，具有开挖面小、圬工体积小，旋工速度快等优点，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 0 根以上。抗滑桩不但适用于整治大型滑坡，对于浅层 和中厚层的滑坡均可采用抗滑桩进行加固。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 态，抗滑桩都是一种很好的整治滑坡措施。 抗滑桩作为治理滑坡的重要措旋，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，但和一般建筑物桩 基中承受侧向力桩的性质完全不同，它不是直接承受荷载并将荷载传递到土 中，而是由于滑坡体在自重或其他外力作用下发生变形和移动，被动地承受 坡体由于变形而产生的荷载作用，故抗滑桩又称为“被动桩”。被动桩与岩土 体之间的相互作用是一个十分复杂的课题，迄今为止，国内外对其研究得还 不够充分，因此抗滑桩的设计计算研究也一直处于不断探索的阶段。特别是 对于双排桩支护结构，到目前为止，人们对桩土相互作用机理尚不十分清楚， 众多设计、科研单位采用的计算方法不尽一致，其中，滑坡推力在前、后排 桩上分配比例的确定是双排抗滑桩计算的关键问题之一。 鉴于上述各方面的原因，本文通过有限元软件对双排抗滑桩的作用机理 进行研究探讨，以期得出相关规律。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 抗滑桩发展历史及研究现状 欧美国家从1 9 世纪中叶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，对 小型滑坡采取清方减载、反压以及抗滑挡士墙进行治理，排水工程是更优先 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滑坡才真正开始。支挡工程的发 展大体可分为三个阶段： 1 2 0 世纪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 2 0 世纪6 0 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。 3 2 0 世纪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。与此同时，锚索工程与抗滑桩联合在滑坡防治 中开始大量使用。 在我国，对滑坡灾害的系统研究和治理是2 0 世纪5 0 年代才开始的。建 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国后的相当长的一段时间内，我国用抗滑挡土墙来治理滑坡，其优点是山体 破坏少，稳定滑坡收效快。但是据资料统计表明，多数挡土墙在使用中出现 了不同程度的开裂、变形和破坏，说明这种结构形式无论从理论和施工方法 上，都既不经济也不合理，而且只能治理下滑力不大的中小型滑坡，因此此 种方法在很多情况下已经不能满足社会发展的需要。 自 9 6 6 年，铁道部第二勘测设计院在成昆铁路沙北l 号滑坡及甘洛车站 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以来，抗滑桩因其 抗滑能力强、桩位灵活、圬工数量小、施工方便等突出的优点而广泛应用于 滑坡治理工程中。我国对抗滑桩的研究一直比较重视，尤其是近年来在该领 域的研究比较活跃，取得了大量的研究成果。 常规的工程计算设计中，抗滑桩的计算大多采用悬臂桩法和地基系数法。 悬臂桩法是最早提出的一种方法，具有简单实用的优点，该方法将滑动面以 上桩段( 受荷段) 视为悬臂梁，滑动面以下( 锚固段) 视为w m k l e r 弹性地基梁。 悬臂桩法由于对桩的实际受力状况作了偏于安全的简化，因而对桩的内力计 算结果是过于保守的。地基系数法即把整根梁作为弹性地基梁来处理，一般 认为，其模型较为接近抗滑桩的实际受力状况。按对地基系数的假定不同， 地基系数法又可分为k 法、1 1 1 法、c 法、m - k 法、双参数法等1 2 】。 抗滑桩下滑推力的研究方面，戴自航口j 根据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，针对滑坡岩土体性质不同，提出和推导了 相应的滑坡推力和土体抗力分布函数，与目前国内外习惯采用的分布图式相 比，滑坡推力合力作用点有所降低，两土体抗力作用点有所提高，更符合抗 滑桩实际受力状况，从而使抗滑桩设计更为经济合理，提高了滑坡治理设计 水平。张利洁、唐辉明、聂文波【4 】对抗滑桩所受的滑坡推力进行了研究，建 立了剩余推力法计算滑坡推力的力学模型，给出了在不同荷载作用下的滑坡 剩余推力表达式，运用剩余推力曲线，通过分析桩前土体的极限平衡，探讨 了抗滑桩设计推力的计算方法。 抗滑桩内力分析方面，戴自航、彭振斌【5 】根据刚性抗滑桩的受力和变形 特性，推导了地基系数法计算剐性桩内力的计算公式；根据弹性抗滑桩的受 力和变形特性，导出了有限差分格式，用以分析弹性桩全桩的内力。戴自航 等州进一步研究了这种线弹性计算模式，并用有限差分法进行全桩的内力分 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 析，推导出了相应的计算公式，编写了计算和图形处理程序。杨佑发1 7 j 基于 地基系数m - k 法的原理，提出了锚索抗滑桩为弹性桩时全桩内力计算的有限 差分法。同时，编写了该法的计算和图形处理程序，并对某滑坡的锚索抗滑 桩进行了设计与计算，得到了比较满意的结果。戴自航、沈蒲生、张建伟 8 1 提出了地基系数按双参数抗力模式下的梯形分布荷载桩位移和内力计算的有 限差分数值分析方法，并详细推导了桩身位移的差分公式。基于这些公式， 编制了全桩位移、内力及桩侧土抗力的计算和图形处理程序。 有限元法研究方面，张友良、陈从新、夏元友【9 j 运用杆件有限元法和 w n 瑚e r 假设建立了用于求解抗滑单桩、预应力锚索抗滑桩和钢架抗滑桩3 种型式抗滑桩的力学模型，开发了相应的计算软件，并已应用在几个抗滑桩 工程设计中。胡庆安、夏水旭、赵子胜【1 0 1 应用有限元数值模拟方法，对采用 抗滑桩进行某黄土滑坡体的滑坡治理效果进行研究，通过2 维非线性理论， 详细地研究了单个桩体的抗滑作用，并通过3 维线弹性理论分析群桩的整体 抗滑功能。 桩土共同作用方面，张友良、冯夏庭掣】研究了抗滑桩与滑坡体间的相 互作用机理，提出了模拟抗滑桩与滑坡体之间相互作用的极限平衡法和有限 元法相结合的方法。该方法能够很好地解决滑坡体与抗滑桩相互作用的问题。 吴恒立【1 2 】 1 3 】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， 计算了推力桩的非线性全过程。 1 3 2 双排抗滑桩研究现状 一般情况下，在滑体适当位置设置一排抗滑桩即可加固滑体，但当滑体 规模较大、滑坡推力巨大，设置一排抗滑桩需过大截面、成本偏高或者难以 有效支挡、结构物的受力不合理时，可考虑设置双排抗滑桩进行滑坡治理。 这时，抗滑桩内力、滑坡推力在不同桩排的分配的合理计算是设计的关键。 理论研究方面，王湛、刘冰花1 1 4 j 针对前、后排桩间土对结构的作用较难 确定的问题，提出新的计算模型，即将前、后排桩及桩间土视为一个整体， 前排桩受主动土压力，后排桩受被动土压力，并进行桩接触面土的非线性 分析。刘鸿 h 】建立了双排抗滑桩计算模型，应用弹性理论及结构力学中的位 移法，得出了桩、土水平位移的计算公式，再应用桩土之间的变形协调条件， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 得到了滑坡推力在前排桩及后排桩上所产生的作用力的计算公式。刘小丽【l 6 】 在按照压力法分析双排抗滑桩时，建立了2 种地基模型：1 考虑了地基连续 性状的线弹性双参数模型：2 弹塑性地基模型。同时也建立了对应的2 种抗 滑桩计算模型：1 在双参数地基模型上的抗滑桩有限元计算模型：2 根据 桩周土有时允许出现弹塑性的情况，应用地基反力法对弹塑性地基模型上的 抗滑桩建立了有限元计算格式。同时，得到以下结论： 1 双排桩中的单桩分析 ( 1 ) 在单桩设计中可以允许桩侧岩土体出现局部的塑性区域，只要适当 地对塑性区域发展的范围和桩的变形进行控制，抗滑桩就依然能有效的发挥 其支挡加周作用； ( 2 ) 弹性地基对纯弯粱的贡献是在纯弯梁的刚度矩阵中增加了地基附加 刚度矩阵，而对地基梁的荷载向量没有影响； ( 3 ) 对滑面以上的总刚度矩阵和总荷载列阵，通过迭代法可求得系统的 位移，同时也可得到结构的内力和变形。 2 双排桩分析 一 对于后排桩，由于滑面以上桩间土的系统位移对桩在滑面以上部分有势 能贡献，困此需做滑面以上单元荷载列阵的修正，同时也要做后排桩桩前抗 力的修正；桩间土传递给前排桩的滑坡推力为后排桩与其发生相对变形产生 的力以及桩间土自身的下滑力之和。 模型试验方面，何颐华、杨斌等【1 7 】通过室内模型试验和某工程实测，研 究了双排护坡桩的内力、变形及土压力分布特性，并在此基础上提出了一种 简化的双排护坡桩计算方法，该方法的计算结果与试验值基本吻合。中铁西 北科学研究院【4 5 l 结合全埋式双排桩大型室内模型试验得出：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： 1 土类滑坡第一排桩抗滑桩上滑坡推力呈梯形三角形分布。 2 第二排桩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。 在数值模拟研究方面，郑刚、李欣等【】研提出了一种新的考虑桩土作用的 平面杆系有限元双排桩分析模型，将双排桩之间土视为薄压缩层，并以水平 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 向弹簧模拟，可以考虑两排桩之间土层分布变化、压缩性、桩间土加固等对 双排桩相互作用的影响。 1 4 本文主要研究内容与思路 目前，尽管在实际工程中己大量应用了双排桩支护结构，但对桩土相互 作用机理尚不十分清楚，众多设计、科研单位采用的计算方法不尽一致。其 中，滑坡推力在前排、后排桩上分配比例的确定是双排抗滑桩设计计算的关 键问题之一。本论文借助a b a q u s 强大的非线性分析功能，建立有限元模型 对双排抗滑桩治理滑坡工程进行三维弹塑性有限元分析，以对其作用机理进 行初步的探索，主要内容包括： 1 对双排桩的现有研究成果进行分析总结，为本文的研究思路及方法提 供有益的借鉴。 2 应用a b a q u s 有限元程序，将滑体假定为理想弹塑性材料，并服从 m o h r - c o u l o m b 屈服准则，滑带简化为接触面，计算分析了前、后桩在不同 排距、不同抗弯刚度时，桩所受的推力及弯矩、剪力等内力的变化规律、滑 坡推力在两桩上的分配比率。 3 应用本论文的成果，对一实际滑坡工程进行双排抗滑桩设计，验证上 述成果的合理性及有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章抗滑桩计算理论简介 2 1 滑坡的基本概念和防治措施 2 1 1 滑坡的基本概念 滑坡是一定自然条件下的斜坡，由于河流冲刷、人工切坡、地下水活动 或地震等因素的影响，使部分土体或岩体在重力作用下，沿着一定的软弱面 或带，整体、缓慢、间歇性、以水平位移为主的变形现象，滑动后形成环形 后壁、台阶、垅状前缘等外貌。 滑坡具有蠕动变形、滑动变形和渐趋稳定三个阶段，有时也有高速急剧 移动现象，其特点是：滑体在向下滑动时始终与滑床保持接触，其水平移动 分量一般大于垂直移动分量。滑坡常发生在铁路、公路等基础工程建设的不 良斜坡地段或路堑开挖中。 滑坡的种类较多，根据滑坡体的物质组成、厚度、滑坡的成因以及各部 分滑动的先后顺序可以将滑坡按以下几种类型进行分类： 1 按滑坡体物质组成分类：堆积层滑坡、残积层滑坡、黄土滑坡、粘性 土滑坡、堆填土滑坡、破碎岩石滑坡、岩石滑坡； 2 按滑坡体的厚度分类：浅层滑坡( 6 m ) 、中层滑坡( 6 2 0 r e ) 、深层滑 坡( 2 0 r e ) ； 一 3 按主滑动面成因类型分类：同生面滑坡、接触面滑坡、层面滑坡、构 造面滑坡； 4 按各部分滑动的先后分类：牵引式滑坡、推动式滑坡。 2 1 2 滑坡的防治措施 1 防治原则 在选择防治措施前，要详细勘察地形、地质和水文条件，认真研究和确 定滑坡的类型及其发展的阶段，分析形成滑坡的主、次要因素及彼此之间的 联系，结合工程的重要程度、施工条件及其它各种情况综合考虑。 ( 1 ) 对于性质复杂的大型滑坡，可以绕避时应尽量绕避。当绕避有困难 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 或在经济上显著不合理时，应视滑坡规模、防治费用等，设计几种方案比选。 ，( 23 对可能突然发生急剧变形的滑坡，应采取迅速有效的工程措施；对 于滑动缓慢的大型滑坡，宜全面规划，分期整治，仔细观察每期的效果，以 采取相应的治理措施；对于施工及建成运营中产生的大型滑坡，应慎重作出 绕避方案、治理方案或局部改线与防治措施相结合的方案等，在进行全面综 合比较后决定取舍。 ( 3 ) 整治滑坡应首先做好排水工程，然后针对滑坡滑动的主要因素，结 台工程的重要程度、施工条件及其它要求，采用以防为主、综合治理的原则。 滑坡整治宜在旱季施工，并注意施工方法，避免引起滑坡的发展。 2 防治措施 整治己发生的滑坡或防治潜在滑坡的发生，关键在于减小滑坡推力和增 加滑坡抗滑力，从而提高滑坡的稳定性。目前滑坡治理的主要措施可以分为 下面的4 类： ( 1 ) 几何的方法 主要是削减推动滑坡产生区的物质和增加阻止滑坡产生区的物质，即通 常所谓的砍头压脚，或减缓边坡的总坡度，即常说的削方减载。 ( 2 ) 水文地质的方法 滑坡一般发生在雨季，主要是因为雨水可以湿化坡体，降低土体强度， 润化滑面，促使和加剧滑体滑动，故有“十滑九水”之说，所以治坡先治水。 水文地质的方法主要包括地表排水和地下排水，排水整治的措施有： a 地表排水工程 地表排水工程包括滑坡区以外的山坡截水沟、滑坡区内的树枝状排水沟 及自然沟的疏通和铺砌等，形成一个统一的排水网络。 b 地下排水工程 地下排水工程是治理滑坡的主体工程之一，特别是对于地下水发育的大 型滑坡，地下排水工程是优先考虑的措施。地下排水系统依据不同的滑坡地 下水分布和补给情况设置，常用的措施有：截水盲沟、截水盲( 隧) 洞、仰 斜( 水平) 孔群排水、垂直钻孔群排水、井点抽水、虹吸排水、支撑盲沟等。 ( 3 ) 坡体内部加固的方法 坡体内加固的方法，主要是改良滑带土，增加滑坡自身的抗滑力，比如 灌浆、旋喷混凝土、石灰桩焙烧等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 4 ) 支挡结构物的方法 通常对于大、中型滑坡体，在单单依靠改变滑坡几何形态和排水措施不 能保证坡体稳定的情况时，常采用支挡结构物。如挡土墙、抗滑桩、锚索抗 滑桩、土钉墙、预应力锚索等支撑形式。支挡工程通常作为滑坡治理工程的 主体部分进行设计。 a 挡土墙 挡土墙常用来防止土体的坍塌下滑，按其结构形式，可分为重力式挡土 墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、加筋土挡土墙等，其中以重力式挡土墙最 为常见。 b 抗滑桩 抗滑桩又称锚固桩，它依靠桩与桩周土体的相互嵌制作用把滑坡推力传 递到稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力，改善坡体受力状态， 使坡体得到稳定。与抗滑挡土墙相比，它的抗滑能力更大。 抗滑桩一般都设置在滑坡前缘。根据滑坡推力的大小等情况，可布置成 单排或双排。 c 锚索抗滑桩 锚索抗滑桩是在抗滑桩基础上发展起来的一种新型支挡结构，在普通抗 滑桩的桩顶或桩身一定位置设置一道或几道预应力锚索后，桩的变形受到约 束，使抗滑桩由被动桩变为主动桩，桩身受力更合理，大幅度减少了桩的横 截面及埋置深度。 d 预应力锚索 将锚索穿过滑动面固定于深部稳定地层中，并在坡面对钢绞线张拉产生 预应力，从而达到使边坡稳定和限制其变形的目的。 在上述抗滑支挡结构形式中，抗滑桩因能够提供很大的抗滑支挡力且形 式较为简单、施工方便等特点而得到广泛应用。但当滑坡推力很大时，单排 抗滑桩可能需采用过大的桩截面，此时采用双排桩形式更为合理、经济。 2 2 抗滑桩的类型 抗滑桩的划分方法有很多，可按桩的刚度、桩的埋置情况、材料和截面 形状等进行分类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 1 常见的抗滑桩类型 1 悬臂式抗滑桩 悬臂式抗滑桩的工作原理是大悬臂受力，用地基抗力来平衡强大的滑坡 推力。事实上，桩基承受侧向荷载的能力非常小，在承受侧向荷载时，桩基 是一个受弯构件，而砼的受拉强度非常低，这时强大的滑坡推力往往使桩截 面积和配筋大大增加，故滑体厚度较厚的土层滑坡中，采用悬臂式抗滑桩就 不太经济。另外，悬臂抗滑桩是被动型的受力状态，施工后在滑坡推力的作 用下发生位移后，桩才能逐渐具备抗滑能力，这对保护滑体上的己有建筑物 非常不利。 2 锚杆抗滑桩 9 0 年代初期，曾有人提出锚杆抗滑桩，目的就是为了减少悬臂长度，增 大抵抗力矩。而用锚拉桩作为抗滑支挡体系应用在土层滑坡中时，拉杆横向 受力问题至今尚末明确解决。与此同时，当滑坡推力很大，锚杆锚固力又受 到直径和长度的限制使得锚杆抗滑桩无法改变抗滑桩悬臂段的受力状况。 3 预应力锚索抗滑桩 预应力锚索抗滑桩，是将桩锚索联合用于抗滑支挡结构。其原理是在抗 滑桩顶部增加预应力锚索，锚索的一端穿过滑坡体后锚固于滑床内，使桩 预应力锚索组成一个联合受力体系，用锚索拉力平衡滑坡推力，使桩的弯矩 大大减小、桩径变细、桩的埋置深度变浅，但锚索与桩之间的内力分配难以 确定，且锚索在土层滑坡中的防腐蚀问题也难以得到很好的解决，故在土层 滑坡中不宜采用锚拉抗滑桩作为抗滑支挡结构。 在我国，使用最多、最广泛的是排式单桩。但对于比较大型的滑坡而言， 这样的单桩在受力上有时并不能满足工程需要，为了增强桩的抗滑力，新的 桩排形式双排抗滑桩被提出来。双排抗滑桩主要指用前后两排抗滑桩共 同作用来提供抗滑力，然而双排桩作为一种新型抗滑桩，因其受力机理复杂， 前后排桩问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。 2 2 2 常见的双排抗滑桩类型 1 带连梁的双排抗滑桩 带连梁的双排抗滑桩，是在前、后排桩之间架设连粱，使连梁与桩刚性 连接。这种结构的特点是：在水平荷载作用下，桩顶连梁对桩的约束使桩的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 内弯矩减少，承受的推力增大。排桩形式常见的有门式刚架抗滑桩、h 型抗 滑桩、排架双排抗滑桩等。 2 不带连粱的双排抗滑桩 不带连梁的双排抗滑桩，其前、后桩排间没有联系梁，两排桩分开设置。 滑坡推力作用在前排桩上，引起前排桩的变位，使桩排之间的滑体介质受力， 进而引起后排桩的受力和变形。按埋置情况可分为全埋式双排抗滑桩、悬臂 式双排抗滑桩。 2 t 3 抗滑桩的计算理论 2 3 1 滑坡稳定性计算方法介绍 滑坡的当前状态及其变化趋势的判断是滑坡防治方案选择中的关键问题 之一。目前常用的方法有极限平衡法、应力应变分析法、模型试验法及各种 图表法。近年来，有限单元分析法、随机分析法、灰色系统、模糊聚类与评 判、系统工程法、优势面理论、三维极限平衡分析等也日益为国内外广大学 者所重视。下面简单介绍几种常用的滑坡稳定性计算方法： 1 极限平衡法 极限平衡法是在某种失稳模型条件下，假定滑坡为刚性体，通过对失稳 分离面受力状态以及有效强度的研究，根据极限平衡原理，计算滑坡的稳定 系数，并以此表征滑坡的稳定性。该法的基本概念在一定程度上脱离了岩土 体的实际情况。 2 应力应变分析法 应力应变分析法与前者不同，它能充分考虑岩土的特性，也不对滑坡失 稳分离面做任何假定，而是用计算所得的应力、应变分析失稳分离面的特征， 识别滑坡变形破坏机制，常用的方法有弹性理论解法、松散介质力学法、有 限单元法、边界单元法以及今年发展起来的离散单元法等，但由于该方法计 算的复杂性和参数的不确定性，而使其在实践中得到推广应用存在相当的困 难。 3 模型试验方法 模型试验方法是在工程地质勘探调查的基础上建立的滑坡物理地质模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 及岩土体的力学模型，通过光弹、相似材料等试验，直观形象地再现滑坡变 形破坏的发生和发展过程，为认识变形破坏机制提供可靠的资料，但是要做 到模型的几何、材料和力学等的全相似还存在一定的难度。 铁道部门在长期的工程实践中常用工程地质比拟法和极限平衡条件下的 剩余下滑力传递法( 有些书刊称之为不平衡推力传递法) 来计算滑坡分段或 整体的稳定系数。它把稳定系数定义为：沿滑坡主轴断面( 或平行主轴断面) 内某一滑面分段或整体传递至末条块的抗滑力( 摩阻力、黏聚力、传递推力 的法向分力产生的摩阻力及反坡段的负值下滑力) 与下滑力( 包括传递推力 的切向分力) 之比( r = y y ) 。它把计算式中计算的各该段滑面实际存 。_ ，l _ m 在的稳定系数与滑坡推力计算中为策安全，弥补一些暂时难于搞清和认识、 预计不到的因素，根据已知条件而给定的安全系数加以区别；它假定条间力 的合力方向与上一条块底面相平行；它视负下滑力为抗力。它适用于非圆弧 滑面滑坡。计算依据的主轴断面的滑面形状是通过勘探、调查、分析而定。 滑面的强度参数系依据不同段落滑面岩土的受力和其他实际情况采用取样试 验、经验和反算所得数据经综合分析后分段取值。此法概念明确、计算简单； 便于计算，为现场工作者乐于采用。 2 3 2 滑坡推力的计算 滑坡推力的计算，是抗滑桩设计的重要内容之一，滑坡推力的计算方法 国内外均无统一规定，一般按照滑带形状不同分别采用不同的计算公式，现 在工程上常采用的方法是传递系数法。传递系数法采取平行于滑动方向的滑 动断面，取单位宽作为计算单位，自后向前计算求滑坡推力，如果某位置计 算的滑坡推力小于0 ，说明此位置以上的滑体处于稳定状态，则从此处开始 重新计算滑坡推力。其中传递系数法假定： 1 滑坡体不可压缩并整体下滑，不考虑条块间的挤压变形； 2 条块之间只传递推力，不传递拉力，不出现条块间的拉裂； 3 条块间的作用力以集中力表示，它的作用线平行于前一块的滑面方向； 4 不考虑条块两侧的摩擦力。 其计算简图如图2 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 e ( a ) 坡体分块图蚴第i 块单元受力图 图2 1 传递系数法计算简图 根据第i 块分离体的受力，可得到下列方程 e 一彤一e 一1c o s f - 1 一a f ) + 眵c o s o t ，+ e _ 1s i n 0 h a i ) 】胁竹+ c f l t = 0( 2 一1 ) 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) e 1 ，即 e i = 彬s i n a f 一形c o s 口，t a n q ，i - - c ，+ l i ，f e _ 1 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中： 巨第i 块滑体剩余下滑力； 第o 一1 ) 块滑体剩余下滑力； 形第f 块滑体的重量； 足第i 块滑体滑床反力； y l 传递系数y ，= c o s 缸- - f z ；) 一s 缸缸，- 1 一a ，) m 纯； c ，第f 块滑体滑面上岩土体的粘聚力； z ，第i 块滑体的滑面长度； 妒；第f 块滑体滑面上岩土的内摩擦角； a j 第j 块滑体滑面的倾斜角； 口，4 第( f 1 ) 块滑体滑面的倾斜角。 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e 为正值，说明滑坡体是不稳定的；如果计算 过程中某一块的五，为负值或为零，则说明本块以上岩土自身能稳定，并且下 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一条块计算时无需考虑上一条块推力。 实际工程中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x 应大于1 0 。在推力计算中如何考虑安全系数目前认识还不一致，一 般采用加大自重下滑力，即k 。形s i n a i 来计算推力，从而式( 2 - 2 ) 变成 e = k 。形s i n a f 一形c o sft a n q ，一c ，i + y f 互。l ( 2 - 3 ) 式中：k 安全系数，一般取为1 0 5 1 2 5 ，计算方法同前。 如果最后一块的e 。为正值，说明滑坡体在要求的安全系数下是不稳定 的；如果e 为负值或零，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a ，为负值，则形s i n a 。也是负值，因而彤s i n a ，变成了 抗滑力。在计算滑坡推力时，形s i n a ，项就不应该再乘以安全系数。 2 3 3 滑坡推力的分布 目前，一般认为滑坡推力的分布图如1 至t ( 2 - 2 ) 所示的三角形、矩形和梯形 等3 种。国外多将滑坡体视为散体，多采用三角形分布；国内多采用矩形分 布，合力作用点位于滑面以上的中分点处：日本有的学者认为滑坡滑动时， 滑坡推力主要集中在滑动面以上1 2 m 处，因而认为用三角形分布较为合 适。近期有些学者建议，当滑体是一种粘聚力较大的地层时，其推力分布图 式可近似按矩形考虑；如果滑体是一种以内摩擦角为主要抗剪特性的堆积体 ( 如砂土) ，其推力分布图式可近似按三角形考虑：介于二者之间的，可按梯 形分布。 _ _ 抗； ， ， 面 1f f 抗 ， f 弋 抗 厂 面 t ( a ) 三角形分布( b ) 梯形分布( c ) 矩形分布 图2 2 滑坡推力在桩上的分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 4 抗滑桩的计算方法 目前，抗滑桩的内力分析计算主要是根据材料力学中挠度变形理论来建 立基本方程 a v 。 肼等+ 砟口e ，y ) - 0 ( 2 - 4 ) 唰 上式中，日为桩的抗弯刚度，x 代表桩的挠度，y 代表桩的深度，占。代 表桩的计算宽度，q ( x ，y ) 代表桩的单位面积上地基反力强度，通常也叫地基 反力。根据对地基反力q ( x ，y ) 的假定不同，桩的内力分析计算可以分为以下 4 类【3 3 】： 1 弹性理论法 该法假定桩埋置于各向同性半无限弹性体中，并假定土的弹性系数为常 数或随深度按某种规律变化。计算时将直径为d ，长度为z 的桩分为若干微 段，根据半无限体中承受水平力并发生位移的m i n d l i n 方程估算微段中心处 的桩周土位移，另外根据细长杆( 桩) 的挠曲方程求得桩的位移，并用有限差 分式表达。令土位移和桩位移相等，通过方程求解。 弹性理论法的最大缺点是不能计算得出桩在地面以下位移、转角以及弯 矩、土压力等，其次是三值的确定也比较困难。但是本法能够考虑在横向荷 载作用下的桩土间出现的脱离和土的局部屈服等，有助于对桩土性状的进一 步探讨。 2 复合地基反力法( p - y 曲线法) 抗滑桩的桩顶受到水平力后，桩附近的土体从地表面开始屈服，塑性区 逐渐向下扩展。复合地基反力法在塑性区采用极限地基反力法，在弹性区采 用弹性地基反力法，根据弹性区与塑性区边界上的连续条件求解桩的横向抗 力。塑性区和弹性区的确定由土的最终位移来判断。为了能实现计算，必须 用某些形式对地基的性质进行数学模拟化。 复合地基反力法的优点就是能如实的把地基的非弹性性质，及由地基表面 开始的破坏现象反映到桩的计算中去。此法所存在的问题是数学模拟化能否 合适，且必须利用计算机进行反复收敛计算。 3 极限地基反力法( 极限平衡法) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 极限地基反力法假定土处于极限状态，且地基反力的分布是事先假定好 的分布形式。一般假定地基反力g 仅为y 的线性函数q = q ( y ) ，而与桩的挠度 x 无关。然后按照桩处于极限平衡状态下的平衡条件，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。 极限地基反力法适用于埋置深度较小的刚性桩。由于在确定桩的横向抗 力时假定桩侧土体处于极限平衡状态，不考虑地基的变形特性，因此该法不 适用于一般地基变形问题的研究，即不能用于长桩结构的计算。 4 弹性地基反力法 在弹性地基反力法中，假定地基是弹性体，地基反力的一般表达式为 q = k x ”y ” ( 2 - 5 ) k 是由土的弹性性质所决定的系数，它与指数m ，n 的取法有关。由它的取值 将弹性地基反力法分为两种：线弹性地基反力法( 所= 1 ) ，非线弹性地基反力法 伽1 ) 。 2 4 有限元法求解在抗滑桩计算中的应用 有限元法是建立在现代计算机技术和工程问题基本理论基础上，用于解 决复杂工程问题的一种数值方法。2 0 世纪6 0 年代，有限单元法开始用于解 决岩土问题。由于它能较容易的处理分析域的复杂形状及边界条件、材料的 物理非线性和几何非线性，所以应用发展非常迅速。目前，该方法已经被广 泛用于分析浅基础、深基础、桩基础、挡土墙、堤坝、基坑、边坡和隧道等 各类岩土程问题，成为土工数值分析的重要手段。 有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而 土体应力变形分析就恰恰面临这些困难问题。有限元方法的应用能较好的解 决这些困难，为计算分析滑坡问题开辟了新的途径。 本论文中，将以大型有限元软件a b a q u s 为主要工具，对双排抗滑桩进 行计算分析，以下结合a b a q u s 程序，简要介绍其相关部分的计算理论。 2 4 1 有限元基本方程 1 平衡方程 堡+ 生+ 监+ z ：0( 2 - 6 ) 舐 砂 七 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 至 ：一一 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中；z 、z 、z 为单位体积的体积力在z 、y 、z 方向的分量。 2 几伺方程 在微小位移的情况下，应变与位移之间的几何关系为 6 ：丝，浮塑，：塑 ( 2 。9 ) 6 t2 否h ，2 面一：。i p + 丫秽= 考+ 塞，y 弦= 老+ 丝0 3 , ，丫。= 老+ 罢 c z 邶， + 丫秽= 面+ 夏y 弦2 否+ 一y 。2 西十i p w 3 物理方程 根据塑性增量理论，各向同性材料的应力应变关系可以写成 嘲= 限 肚 ( 2 1 1 ) 式中 为弹塑性系数矩阵，可表达为 d 印 = 【d e 】一 d p = 【见卜 一+ 掣汹 掣) ( 2 1 2 ) 式中，= f 筹】| 警 ，h 为硬化参数：如。) 为塑性势张；如。) 为破坏函数。对于理想弹塑性情况，a = 0 。 2 4 2m o h r - c o u l o m b 塑性模型 m 舭o l d 伽曲塑性模型是一种模拟岩土类材料，且是“速率无 关”( r 越e 血d e p e n d e n t ) 的材料模型，在a b a q u s 中m o h r - c o u l o m b 塑性模型有 如下特征： 1 小载荷情况下存在一个线弹性的阶段，随载荷的变大，材料的变形中 c o = 一一 一矗 一无 堕如盟出 生砂丝咖 堡扛丝缸 西南