（岩土工程专业论文）双排式小直径钻孔抗滑桩桩土相互作用机理研究与应用.pdf

l 一 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。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 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储躲彷杪 嗍咖年 乒月夕日 重庆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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名荔w 日期：小77 年参月为 指导教师签名：i 嵋俨 日期：，年夕月伊 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c m q 系 列数据库中全文发布，并按：中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位做作者躲狐指剥币躲、卉衍 日期：函i f 年印月，为日期：珂年矽月 日 摘要 本文以数值模拟和室内模型试验为研究手段，研究探讨双排式- ，j 、直径钻孔抗 滑桩桩顶的最佳连接方式、两排桩对滑坡推力的分担比例及影响设计的因素等。 并提出了相应的设计计算方法。取得的研究成果如下： ( 1 ) 建立四种桩项连接刚度的双排式- ，j 、直径抗滑桩有限元模型，比较各工况 下桩身的受力特性和桩顶位移，得出：连梁刚度越大，桩顶位移和桩身内力最大 值越小。当桩顶连梁刚度足够大时，连梁刚度增大对桩身内力与变形的影响幅度 逐渐减小。 ( 2 ) 设计正交试验，以桩顶位移与桩身内力为指标，对影响双排式叫、直径抗 滑桩设计的因素：滑坡推力、滑体厚度、滑面坡度、桩径、桩问距及排间距进行 主次排序，并选出最优组合。桩径在机械旌工允许的范围内越大越好，一般不宜 小于l m 。桩位应尽量选在滑体较薄且滑面倾角较缓处。 ( 3 ) 通过单因素分析法，分析各因素的变化对桩身变位与内力的影响：矩形 布置时整体刚度较大；梅花型布置时，双排桩对滑坡推力分担更均匀；随着桩径 的增大，后排桩分担的滑坡推力越大；桩间距以4 d , - 6 d 是较优的取值区间，若由 于桩径的局限，不能承担滑坡推力时，可适当缩小桩间距；排间距以3 d 5 d 为优。 ( 4 ) 桩后的土压力可看作桩身承担的滑坡推力，本文对滑坡推力的分担比例 进行了量化处理，得到了不同工况下双排桩对滑坡推力分担比例。梅花型布置、 滑坡体c 和值越大、桩径越小、桩间距取4 d 6 d 、排间距取3 d - 5 d 时两排桩分担 比例趋于等分。 ( 5 ) 设计制作室内滑坡模型，对两种不同排间距的双排式一小直径抗滑桩模型 进行模型实验。对桩顶位移和桩身应变进行了测量。通过应力反算，得出桩身弯 矩值。桩顶位移和桩身弯矩的规律与数值模拟结果相符。 ( 6 ) 双排式一小直径钻孔抗滑桩可假设为弹性桩。通过单桩刚度系数计算双排 桩的刚度系数，然后根据双排桩的刚度系数与滑坡推力计算桩顶的变位与转角， 再根据单桩的刚度系数与双排桩中的变位与转角计算桩身的内力。 ( 7 ) 对一个滑坡实例，设计矩形截面悬臂桩和双排式小直径钻孔抗滑桩两个 治理方案，经方案比选后得出：采用双排式小直径钻孔抗滑桩方案，不仅可以承 担更大的滑坡推力，在工程造价上可以节省1 8 左右。在桩孔开挖时既节省人力 又提高施工速度，所耗工期仅为人工挖孔的3 5 左右。 关键词：钻孔抗滑桩；双排小直径；数值模拟；模型试验 a b s t r a c t t h i sp a s s a g ea n a l y z e dt h eb e s tc o n n e c t i o nm o d eo ft h ed o u b l er o w s s m a l ld i a m e t e r b o r e dh o r i z o n t a lb e a r i n gp i l e st o p ，a n dt h ea l l o c a t i o np r o p o r t i o no nt h r u s t i n gf o r c eo f t h ed o u b l er o w sp i l e sa n dt h ef a c t o r so fi n f l u e n c ed e s i g na n ds oo nb a s e do nt h em e t h o d o fn 啪e r i c a ls i m u l a t i o na n di n d o o rm o d e lt e s t , a si ta l s op u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n g d e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o d o b t a i n st h er e s e a r c h e da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t oe s t a b l i s hm o d l e so ft h ed o u b l er o w s s m a l ld i a m e t e rb o r e dh o r i z o n t a lb e a r i n g p i l e sw i t hd i f f e r e n tc o n n e c t i o ns t i f f n e s so np i l e s t o p ，h a dc o m p a r e da n da n a l y s e dt h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed i s p l a c e m e n to np i l e s t o pu n d e rv a r i o u so p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed i s p l a c e m e n ta n dt h em a xi n t e r n a lf o r c eo fp i l e s a r es m a l l e ra st h eb e a m ss t i f f n e s si sb i g g e r t h ei n f l u e n c i n go fi n c r e a s i n go nb e a m s s t i f f n e s st oe x t e n to fi n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o ni sg r a d u m l yd e c l i n e sw h e nt h e b e a m ss t i f f n e s si se n o u g h ( 2 ) d e s i g na no r t h o g o n a le x p e r i m e n t , t h ep i l e s t o pd i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c e a s t h ei n d e x ，s o r te v e r yf a c t o r 晰mp r i m a r ya n ds e c o n d a r y , a n ds e l e c tt h eo p t i m a l c o m b i n a t i o ns u c ha s - t h el a n d s l i d et h r u s t , t h el a n d s l i d e st h i c k n e s s ，t h es l o p eo fs l i d i n g s u r f a c e ，t h ep i l e sd i a m e t e r , t h ep i l e s s p a c i n ga n dr o ws p a c i n ge t c t h ep i l e sd i a m e t e ri s t h eb i g g e rt h eb e t t e ri n t h ee x t e n tp e r m i t t e do fm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n ( 3 ) b yt h es i n g l e f a c t o r a n a l y s i sa n a l y z i n g t h e c h a n g e so ff a c t o r st op i l e s d i s p l a c e m e n t sa n di n t e r n a l f o r c ei n f l u e n c e ：w h o l es t i f f n e s sb i gw h e nr e c t a n g u l a r a r r a n g e m e n t ；d o u b l er o w sp i l e st os h a r em o r ee v e n l yt h r u s t i n gf o r c e a sc r i s s c r o s s d e c o r a t e s ；b a c kr o wp i l es h a r eo ft h et h r u s t i n gf o r c e ，a st h ei n c r e a s eo fp i l ed i a m e t e r , p i l es p a c i n gi sb e t t e rv a l u ei n t e r v a lw i m4 d 6 d ；i fd u et ot h el i m i t a t i o n so fp i l e d i a m e t e r , c a n n o tb e 嗣t r , c a nb ea p p r o p r i a t e l yn a r r o wp i l es p a c i n g ；r o ws p a c i n gi so p t i m a l 、析也3 d 5 d ( 4 ) t h ep r e s s u r eb e h i n dp i l e sc a i lb es e e na st h et h r u s t i n gf o r c ep i l e sb o r n e ，i nt h i s p a p e r , t h et h r u s t i n gf o r c ea l l o c a t i o np r o p o r t i o nw a sq u a n t i z e dt r e a t m e n t , g o ta l l o c a t i o n p r o p o r t i o no fl a n d s l i d et h r u s t i n gf o r c ed o u b l er o w sp i l e sb o r n eo nd i f f e r e n tc o n d i t i o n d o u b l er o wp i l ea l l o c a t i o np r o p o r t i o nt e n dt oe q u a ls e c t i o n sa sc r i s s c r o s sd e c o r a t e s ；t h e l a n d s l i d eca n d # v a l u ei sl a r g e r ；, p i l ed i a m e t e rl e s s ；t h ep i l e ss p a c i n gt a k e4 d 。6 d ；t h e r o ws p a c i n gt a k e3 d 5 d ( 5 ) d e s i g na l li n d o o rl a n d s l i d em o d e la n dd om o d e le x p e r i m e n ta b o a tt w om o d e lo f r o t a t i o na n g l ec a l c u l a t i o no fi n t e r n a lf o r c eo fp i l eb o d y ( 7 ) a r r a n g eal a n d s l i d e a se n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，d e s i g nt w os o l u t i o n so f r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nc a n t i l e v e rp r i e sa n dd o u b l er o w s s m a l ld i a m e t e rb o r e dp i l e s ， d r a wt h ec o n c l u s i o nb ys e l e c t e dt w os c h e m e ：a d o p tt h es c h e m eo fd o u b l er o w s - s m a l l d i a m e t e rb o r e dp i l e s ，n o to n l yc a l lb e a rb i g g e rl a n d s l i d et h r u s t i n gf o r c e ，b u ta l s oi tg a l l s a v e18 i np r o j e c tc o s t ；s a v em a n p o w e ra n ds h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o dw h e nt h e h o l e s 、) l 帆d u g ；i tc o n s u m e sp e d o di so n l ya r t i f i c i a ld i g - h o l e3 5o rs o k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lb e a r i n gp i l e s ；d o u b l e r o w s s m a l ld i a m e t e rp i l e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；m o d e lt e s t 目录 第一章绪论 目录 l 1 1 双排式小直径钻孔抗滑桩的提出l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 桩土相互作用机理2 1 2 2 数值模拟研究3 1 2 3 双排桩室内模型试验研究4 1 2 4 双排抗滑桩设计计算应用研究。6 1 3 双排式叫、直径钻孔抗滑桩设计理论存在的问题6 1 4 研究思路7 第二章双捧式小直径抗滑桩桩顶连接的影响研究 9 2 1 钢筋砼等效材料本构模型9 2 2 桩顶连接方式不同时桩身受力性状分析一1 l 2 2 1 基本假定与模型概况1 1 2 2 2 不同桩项连接形式的桩身变形1 2 2 2 3 不同桩项连接形式的桩身内力1 4 2 3 本章小结1 7 第三章双捧式小直径抗滑桩设计影响因素研究 1 8 3 1 双排式小直径抗滑桩设计因素的主次1 8 3 1 1 正交试验设计1 8 3 1 2 正交试验结果的直观分析1 9 3 1 3 正交试验结果的极差分析2l 3 2 各因素对双排式- ，j 、直径抗滑桩抗滑力影响分析2 l 3 2 1 布置型式的影响2 l 3 2 2 滑坡推力的影响2 7 3 2 - 3 岩土体抗剪强度的影响3 0 3 2 4 桩径的影响38 3 2 5 桩间距的影响4 2 3 2 6 桩排距的影响：4 6 3 3 本章小结一5 0 第四章双捧式小直径抗滑桩室内模型试验研究5 2 4 1 双排式小直径抗滑桩模型试验设计5 2 目录 4 1 1 室内模型试验方案。5 2 4 2 模型制作。5 3 4 3 加载程序5 5 4 4 试验量测项目与测点布置5 5 4 5 试验测试结果一5 6 4 5 1 桩顶位移测量结果5 6 4 5 2 桩身应变测量结果5 7 4 6 本章小结。5 8 第五章双捧式小直径抗滑桩设计计算方法5 9 5 1 相对刚度与不均匀分配系数5 9 5 1 1 桩身的相对刚度5 9 5 1 2 双排桩对滑坡推力的不均匀分配分析5 9 5 2 双排式小直径抗滑桩桩身为弹性桩内力计算分析6 1 5 3 本章小结。6 4 第六章双捧式小直径钻孔抗滑桩工程应用6 5 6 1 工程实例概况一6 5 6 1 1 工程地质概况6 5 6 1 2 设计计算参数6 7 6 1 3 滑坡推力计算6 8 6 2 设计方案一6 9 6 2 1 单排悬臂桩方案6 9 6 2 2 双排小直径抗滑桩方案7 0 6 3 方案比选7 2 6 3 1 工程造价方面7 3 6 3 2 施工工期及治理效果方面7 3 6 4 本章小结。7 4 第七章结论与建议7 5 7 1 本文主要成果与结论。7 5 7 2 进一步研究的建议7 7 参考文献7 8 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 3 致谢。8 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双排式小直径钻孔抗滑桩的提出 治理滑坡时，悬臂抗滑桩与锚索抗滑桩应用较多。悬臂抗滑桩多采用矩形截 面桩，常采用人工挖孔施工。当遇到厚层滑坡体，滑坡推力较大时，悬臂桩仅依 靠增大截面来提供所需抗滑力，会造成不经济、施工效率低、施工安全不易保证 等问题。 锚索桩在滑坡推力、滑体厚度较大时，通过加大锚索设计拉力来提高抗滑力。 单锚设计拉力动辄大于3 0 0 0 k n ，甚至更大。索体应力级别的提高不仅增大了抗滑 结构安全风险，治理也不再经济，且长大锚索施工难度较大。在库区万州清泉路 滑坡治理工程中，由于设计推力达4 5 1 7 k n m 2 ，滑体厚度达3 7 m ，不得不放弃了锚 索桩方案，被迫采用了非常不经济的悬臂下沉桩方案，桩截面达到2 m x 3 m ，最大 配筋率接近2 。当前滑坡治理中大型的深厚层滑坡治理均面对着类似问题。 随着桩基机械化施工的发展，小直径钻孔的圆形截面桩得到广泛应用。但单 根桩截面面积相同时，圆形截面桩的受剪与抗弯能力不如矩形截面桩。为弥补这 一缺陷并充分利用机械化施工快捷、高效、安全的优点，若采用双排或多排桩的 方式来提高整体抗滑能力是一种思路，既保证抗弯能力，在大大提高整体抵抗滑 坡推力的能力的同时，又便于机械化施工。 然而，双排式小直径钻孔抗滑桩并没有得到广泛应用，其主要原因在于双排 抗滑桩的受力机理较为复杂。桩土相互作用、两排桩之间的荷载分配、结构计算 理论等存在较多的盲区。在2 0 世纪9 0 年代初万县豆芽棚滑坡的治理中，便采用 了双排圆桩方案，取得了成功。但当时对两排桩间荷载分配采用各承担一半的经 验化处理，现有实测资料已经发现，双排抗滑桩两排桩所分担的推力、变形和内 力均不相同，而且同顶部联接状况、桩截面型式、桩排距、桩间距、滑体性状、 底部嵌固状态、滑体变形等均有关系，显得异常复杂。 目前，双排抗滑桩设计计算理论在实际滑坡工程处治中，探索性的采用双排 桩方案时，要么凭经验进行设计计算，要么类似的依据建筑桩基改进某些假定得 到双排桩的近似算法，多借鉴于桥梁、建筑桩基水平承载有关原理。在荷载分配 方面缺少理论支撑。同单排桩和锚索桩相比，双排桩对于桩土相互作用机理、桩 排间荷载分担、双排桩计算理论等没有共识，特别是荷载分担问题不明，造成双 排桩的计算失去依据，难以被工程界广泛接受。 鉴于此，有必要开展有关研究工作，厘清双排桩桩土相互作用机理，为双排 2第一章绪论 桩计算理论的完善提供基础，解决双排桩设计计算中的瓶颈问题。并提出优化设 计方案和算法，便于工程人员掌握和应用。通过双排结构型式既解决双排式小直 径钻孔桩抗弯能力有限的问题，又能以钻孔施工方式解决施工效率与安全的问题。 经济且安全地防治滑坡。从而使双排式抗滑桩的优势得到充分发挥，提升滑坡防 治经济技术水平。 1 2 国内外研究现状 基于本文研究的内容与目的，特从桩土相互作用、双排抗滑桩数值模拟、双 排桩室内模型试验以及双排抗滑桩设计计算等方面介绍国内外研现状。 1 2 1 桩土相互作用机理 桩土相互作用问题是典型的非线性问题，主要表现在桩土材料的非线性和桩 土接触界面的非线性。目前设计中，多对桩土的相互作用进行简化，在一定假设 条件下建立线性化的计算模型。如滑坡推力的计算多采用不平衡推力传递系数法， 桩前岩土抗力一般在w m k l e r 地基模型基础上采用弹性地基梁计算方法。滑坡推力 和桩前岩土抗力的研究主要集中在分布型式和合力作用点位置确定的研究。徐良 德等( 1 9 8 8 t 1 1 ，1 9 9 0 【2 j ) 对滑坡体分别为松散介质和粘性土时桩前土体抗力的分布 型式进行了研究。戴自航等( 2 0 0 2 ) 1 3 j 总结各种试验资料，对各种滑坡岩土体的滑 坡推力和桩前滑体抗力的分布规律进行了研究。于清扬( 2 0 0 2 ) 1 4 采用有限元方法 来分析桩土相互作用的非线性特征。杨涛( 2 0 0 6 ) 1 5 根据滑体的岩性近似确定滑坡 推力分布形式为三角形、矩形和梯形。提出了基于定点剪出稳定性核算为基础的 滑坡推力分布形式分析计算方法。吴鹏等( 2 0 0 7 ) 6 1 提出了考虑桩土滑移和群桩桩 顶整体刚度动态调整的分析计算方法，分析了刚性承台条件下超大群桩基础的荷 载位移曲线变化规律以及桩顶荷载分布规律受桩土刚度比、桩长、桩径、桩距、 桩数、土性等因素的影响规律。 桩土相互作用中桩间土拱效应的研究是揭示桩土相互作用机制的重要内容。 桩间土体土拱效应就是由于滑坡体在相邻两桩之间的不同位置位移不同引起的桩 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。 k e l l o g g ( 1 9 8 7 ) 【7 】认为根据不同的工程条件土拱的形状可以是抛物线形、半 球形、圆顶形等形状。桩间土拱效应的极限桩间距为8 倍桩径。b o s s c h e r j ( 1 9 8 6 ) s j 通过室内模型试验模拟砂性土边坡中的土拱效应，发现桩间距是影响桩间土拱效 应最重要的因素，桩间距越小，土拱效应就越明显。王成华等( 2 0 0 1 ) 【9 】从方桩桩 间土拱形成的原理和力学特性出发，分析了桩间土拱的受力、变形、力的传递和 土拱破坏瞬间的最大桩间距。还有研究者从桩后滑坡推力分布【l o h l 6 1 、最小桩间距 第一章绪论3 与最大桩间距的分析计算 r h 2 2 1 、抗滑桩与滑坡岩土体的相互作用h 3 u 等方面对 桩土相互作用机理进行了研究。 我国于上世纪7 0 年代，为治理大型滑坡，开始运用各种结构形式的抗滑桩， 包括双排抗滑桩结构。一般做法是将双排桩的若干单桩顶端用钢筋混凝土板联成 一组共同抗滑，形成承台式抗滑桩。如成昆铁路下普雄路堤滑坡和湘黔铁路青溪 路堑滑坡就是采用了这种结构型式的双排桩。1 9 7 9 年，成昆铁路玉田车站三线大 桥滑坡采用了排架抗滑桩治理措施。2 0 0 5 年杭金衡高速公路k 1 0 3 滑坡中就采用 了双排抗滑桩治理措施。 双排抗滑桩在大型滑坡中的应用也开始逐渐增多，而对此的研究却还较少。 双排抗滑桩的研究方法大致可以分为：数值模拟研究、模型试验研究和理论分析。 1 2 2 数值模拟研究 双排抗滑桩是一个复杂的结构体系，桩与桩、桩与土的相互作用均为非线性 问题。数值分析方法对结构复杂尤其对复杂的边界条件、地层条件和荷载条件等 的计算处理都比较方便，且能够考虑抗滑桩与土体的相互作用，为我们了解双排 桩的桩身变形和内力分布以及桩周土体的应力分布和变形响应等规律提供了一种 手段。 蔡袁强等( 19 9 7 ) 3 2 1 采用平面应变非线性有限元法研究了软土地基中双排桩 围护结构的内力和变形特性。结果显示：前排桩最大弯矩在基坑开挖面附近，后排 桩最大弯矩在桩顶附近，同一深度的后排桩侧向变形比前排桩小；增大抗滑桩的 刚度可有效减小变形，但是桩身的弯矩明显增大；双排桩排距过小，围护结构类似 于悬臂式单排桩的特性，而当排距过大时，后排桩对前排桩类似于拉锚桩特性， 只有当双排桩排距为4 d ( d 为桩径) 左右时，才能使双排桩有效地共同作用。 陆培毅( 2 0 0 6 ) 【3 3 j 采用有限元程序a b a q u s 建立双排桩支护结构的有限元模 型，以接触面的形式考虑桩土的相互作用，分析了深基坑开挖中双排桩的桩距和 开挖宽度等对双排桩支护结构的影响，并且比较了同等桩距条件下的双排桩和单 排桩。研究结果表明，比较合理的桩距为2 - 2 5 d ( d 为桩径) 。 王军等( 2 0 0 5 ) 阱】应用a n s y s 有限元程序分析了基坑中双排桩的排距对桩身 水平位移、桩身弯矩以及桩体两侧土压力分布的影响，得出双排桩排距为桩径的 1 5 3 倍是较为合理经济的取值。 申永江( 2 0 0 9 ) 1 3 5 】等通过双排桩的现场监测发现双排桩的前后两排桩的位移 和受力状况明显不同。对抗滑桩受力特性进行有限元分析，研究不同桩排距的抗 滑桩变形与受力的变化规律，比较单排桩跟双排桩的差异，发现随着桩排距的增 大，前排桩的弯矩和剪力不断减小。桩排距达到4 d 以后，桩排距对桩内力的影响 4第一章绪论 已经很小：在桩排距较大时，双排桩的前后两排桩的弯矩和剪力差距都很明显， 前后两排桩所承受的抗滑推力是不同的。 梁秋敏( 2 0 0 8 ) 【3 6 】、聂庆科等( 2 0 0 8 3 7 j ) 也对深基坑中的双排支护桩进行了 数值模拟研究，分析了桩径、排距等因素对双排桩的弯矩和变形的影响。 还有研究者建立了三维有限元分析模型，研究双排抗滑桩与滑体的相互作用。 采用双排抗滑桩以后，抗滑桩与滑坡体的变形量和应力变化值均降低了2 3 ，显示 了双排桩或多排桩的优越性【3 8 】小1 1 。 另外，在桩和土的本构模型及受力特性如何在有限元软件中实现也做了相应 研究，提出了相应的等效材料本构模型1 4 2 h 4 8 。 唐芬、郑颖人等( 2 0 1 0 ) 【4 9 】对大截面的双排抗滑桩建立有限元模型，分析不 同排距下双排桩对推力的分担，分析结果显示：双排桩上的推力总和要大于只设 前排桩时的推力；当排距较小时，滑坡推力几乎全由后排桩承担，由于后排桩的 遮蔽作用，前排桩达不到最佳抗滑效果，随着排距增加，前排桩分担的推力逐渐 增加，当达到一定排距后，双排桩完全独立工作，各自承担一部分滑体，前后双 排桩均达到最佳抗滑效果；并在推力分担、支挡后稳定系数的计算基础上，提出 以双排桩的推力和、稳定系数和双排桩承担的推力差为目标，建立用于双排抗滑 桩的多目标优化，优选出具有多种属性的双排抗滑桩的排距和推力分担。 目前双排桩的研究主要是对深基坑中的双排桩进行研究，为滑坡治理中抗滑 桩的设计提供了参考，但滑坡治理中的抗滑桩所受水平力比基坑中的大的多，有 必要对滑坡中的抗滑桩作专门的研究。 1 2 3 双排桩室内模型试验研究 徐良德等( 1 9 8 8 1 j ，1 9 9 0 2 1 ) 进行了排架桩和双排单桩的室内模型试验，对不 同滑坡类型桩前土体抗力的分布规律进行了研究。结果表明：滑坡体为砂粘土和 松散介质时，下滑力基本均为三角形分布，合力的重心约在滑动面以上0 2 伽3 h ( h 为滑动面以上的桩长) 处，比目前设计中采用的要低，桩前岩土抗力分布接近 抛物线形，合力的重心约在滑动面以上0 4 5 - 4 ) 6 h 处。滑动面以下的抗力为两个对 顶的三角形，桩底弯矩为零，桩底支承条件接近自由，这与抗滑桩的现场破坏试 验和其他模型试验的结果相同，也与目前设计抗滑桩采用的图形相似。 余志成和施文华( 1 9 9 4 ) p o j 对基坑中的双排支护桩进行了室内模型试验，将 双排桩布置成对应或梅花形并在桩顶设置了圈梁。试验结果表明：双排桩可以明 显减小桩顶位移；当桩排距较小时，土压力主要作用在后排桩上，由于桩项圈梁 的作用，后排桩上的一部分土压力传递到了前排桩上；当桩排距较大时，土压力 主要作用在前排桩，后排桩通过圈梁受到前排桩的拉力作用。 第一章绪论 5 何颐华( 1 9 9 6 ) 5 1 】等对双排护坡桩进行了试验研究，表明在桩数相同的情况 下，双排桩比单排桩更能有效地控制桩顶位移，且在相同荷载条件下，桩排距越 大，桩顶位移越小。当桩排距为8 倍的桩径时( 桩前临空) ，整个体系类似于锚 、拉体系。 蒋天涛( 1 9 9 7 ) 5 2 】在亚粘土、砂土中进行了打入式钢管桩、填土埋植铜棒桩、 成孔灌注桩及成孔植人钢管桩等各种刚架与悬臂桩的对比模拟试验，试验结果表 明：刚架桩的抗侧力性能优于悬臂桩，桩项位移也明显小于悬臂桩。 董捷( 2 0 0 9 ) 5 3 】在研究土工效应与嵌固段地基法力模型试验中，制作了非常 实用的室内小型模型箱，使得室内抗滑桩的模拟实验得以实现。 熊治文等( 2 0 0 1 ) 【铷 5 5 】进行了全埋式双排桩大型室内模型试验，探讨了不同 布置形式( 正对形布置或梅花形布置) 时，滑坡椎力在多排桩( 两排及其以上抗 滑桩) 不同桩排的分配、桩身受力分布形式及桩排间的相互作用等问题。试验结 果显示：滑坡推力在第一排桩呈梯形或三角形分布( 重心位置随荷载等级的增 加而下移) ，在第二排桩呈矩形分布；桩前岩土抗力在第一排桩上呈上大下小的 倒梯形分布形式，在第二排桩上呈矩形分布；桩排受到的滑床抗力，在第一排桩 的桩后和第二排桩的桩前表现出与单排桩相同的分布形式；在第一排桩后为三角 形，在第二排桩前为上部矩形、下部倒三角形，分布区域分别集中在桩转动中心 以上。对于第一排桩桩间距是桩截面宽度的3 倍左右的双排桩，滑坡推力全部 由第一排桩承担，第二排桩用以提高第一排桩桩前滑体抗力从而起到辅助支挡的 作用。当排间滑动面水平时，第二排受到的推力实际上是经滑体传递而来的第一 排桩的桩前滑体抗力的反作用力，大小约为滑坡推力的6 5 ；当桩排间的滑动面 有一定坡度时，第二排桩承担的推力还应该加上( 减去) 桩排间滑体的剩余下滑 力( 剩余抗滑力) 。双排桩桩周岩土的应力传递两排桩存在着相互影响；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紧密相关； 在滑床中，两排桩受到的力相互影响，使得第一排的桩前和第二排桩的桩后受到 的滑床抗力表现出和单桩不同的分布形式。 聂庆科等( 2 0 0 8 ) 1 5 6 通过对现场监测资料分析、室内试验、理论模型建立和 数值模拟，研究了深基坑双排桩支护结构体系的变形和土压力分布规律，提出了 考虑空间效应的双排桩支护结构体系设计计算理论。 曹均坚( 1 9 9 9 ) 【5 7 】通过试验认为圈梁在双排支护系统中起着不可忽略的作用， 并根据桩顶位移相同建立方程计算桩身变形和桩顶弯矩。 还有研究者通过设计不同土质的水平推力模型试验研究了桩后土压力分布与 桩身内力【5 8 - - 6 3 1 。实际工程中滑坡体的性质十分复杂，室内模型试验从尺寸上来说 规模都比较小，与实际工程中双排桩有一定的差距。很难在模型试验中进行模拟。 6 第一章绪论 因此，室内模型试验取得了很多成果，也存在一些局限性。 1 2 4 双排抗滑桩设计计算应用研究 王湛( 2 0 0 1 ) 【删通过有限元计算，认为后排桩是主要受力部分，但双排桩可 以有效地减少桩结构的水平向变形。提出了一个新的计算模型，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，基坑深度以下的后排桩受被动土 压力，并进行了桩接触面土的非线性分析。 吴刚( 2 0 0 8 ) 6 s 】以深基坑为例研究了双排桩冠梁的协调作用。考虑了土压力 的空间效应，分析并计算了冠梁对双排桩支护结构的变形协调作用；考虑了滑移 面和排距对作用在前后排桩上的土压力的影响，在弹性地基梁法的基础上，提出 了一种新的双排桩支护结构设计计算模型。 孙勇( 2 0 0 9 ) 6 6 1 6 刀将道路桥梁水平受力多排桩计算的结构力学方法引入到双 排抗滑结构的计算中。提出了滑动面以下考虑滑坡体存在的两种新的m 法，还对 滑动面以上排桩间土体作用在前后排桩的土压力进行了试验和理论分析，给出了 计算公式。 吕美君( 2 0 0 5 ) 6 8 】等从理论上分析了双排桩的结构和受力特点，对双排桩之 间的滑坡推力分配进行了研究。双排桩可视为受水平力作用的刚架，并以后排桩 桩后土体作为研究对像，运用结构力学的有关理论，推导了相应的弯矩计算公式， 探讨了不同分布形式的滑坡推力在两排桩上的分配问题。 年廷凯( 2 0 0 5 ) 1 6 9 1 1 7 0 l 采用桩基的简化计算方法和抗滑桩锚固深度的极限分析 法对阻滑桩与抗滑桩的设计计算进行了研究。 另外有研究者对抗滑桩在不同桩后推力分布情况下的抗滑桩的阻滑力与桩身 内力计算进行了研究，并总结了新的设计计算方法【7 1 h 7 7 1 。还有研究者对滑坡治理 工程设计中抗滑桩设计的要点、抗滑结构的优化设计及不同类型抗滑桩的设计计 算进行了分析研究f 7 8 h 3 5 l 。还有一些规范与专著中对滑坡治理设计计算进行了总结 归纳，给出了不同类型的桩基相应设计计算方法【8 5 h 9 蚋。 1 3 双排式一小直径钻孑l 抗滑桩设计理论存在的问题 双排抗滑桩目前己经有了多方面的研究成果与应用，并取得了很好的效果。 但设计中仍然存在许多问题，主要集中在以下几个方面： 滑坡推力分担不明，即作用于双排桩前后排桩上的滑坡推力难以准确计算， 其竖向分布形式也难以确定。作用于抗滑桩上的滑坡推力不仅与滑坡体的厚度、 滑动面的形状、滑坡岩土体的性质等因素有关，而且也与抗滑桩的布设位置、桩 间距等密切相关。滑坡推力的分布形式与滑坡的类型、部位、地层性质、变形情 第一章绪论 7 况以及地基系数等因素有关。滑坡推力的大小与分布形式的难以确定造成了抗滑 桩的设计结果存在一定的不可靠性。 双排桩的平面布置、桩间距、截面尺寸和锚固深度等与多种因素有关，目 前一般根据经验来确定。设计中，一般假设好这些设计要素，然后按照一定的要 求进行验算，通过不断调整这些设计要素的取值，直到满足要求。满足要求的一 组设计要素即为这些要素的设计值。因此，这些设计要素的取值还难以得到最优 解。目前已经有不学者进行了理论研究，并取得了一定的成果，有些还存在一些 分歧，需要进一步研究和探讨。 1 4 研究思路 本文所研究的双排式一小直径钻孔抗滑桩指的是两排圆截面桩共同抗滑的一种 结构型式。小直径指的是便于机械化施工的桩径在0 5 1 5 m 之间的圆形桩。所研 究的对象包括后排桩、前排桩、桩顶连梁以及桩间滑坡土体等。 本文采用数值模拟理清双排桩桩顶联接、桩间距、桩排距等因素对双排桩受力 的影响规律；探索各因素的最优组合，并通过模型试验对数值模拟所得规律进行 验证。最后，以最优组合为参考，提出双排式一小直径钻孔抗滑桩的优化布置方案 与设计计算方法，并结合工程实例进行验证。 首先采用有限元软件_ d 3 a q u s 进行数值模拟，探讨双排桩桩顶连接方式对 桩身受力与变形的影响，寻找最佳桩顶连接方式。 其次，设计正交试验以桩顶位移、桩身最大剪力值和弯矩值为分析指标， 通过a b a q u s 有限元数值模拟为手段，对滑坡推力、滑体厚度、滑面坡度、桩径、 桩间距、排间距六个因素进行主次排序，找出最优组合。并对布置形式、滑体强 度、滑坡推力、桩径、桩间距、排间距等因素进行敏感性分析，确定不同情况下 双排式小直径抗滑桩设计要素优化组合。 基于双排式卅、直径钻孔抗滑桩的最优组合，进行室内模型试验，对数值模拟 所得规律进行验证。 结合数值模拟与模型试验的结果，提出双排式卅、直径钻孔抗滑桩的设计计算 方法。 结合工程实例同单排桩、锚索桩等其他抗滑方案进行工程造价、施工工期及 治理效果方面的比选。 8第一章绪论 本文主要研究思路如下： 第二章双排式- 小直径抗滑桩桩项连接的影响研究 9 第二章双排式小直径抗滑桩桩顶连接的影响研究 本章研究双排式小直径抗滑桩桩顶不同连接方式对桩身变形、剪力与弯矩分 布的影响。采用a b a q u s 建立三维有限元数值模型。模拟时，对抗滑桩后的滑坡 体模型施加水平推力来模拟滑坡推力。此做法的优点是可以明确给定滑坡推力大 小，在研究中可以很方便的根据不同的滑坡推力分析抗滑桩结构的受力性状。 2 1 钢筋砼等效材料本构模型 本文采用强化拉伸塑性应力应变的等效钢筋混凝土代表单元【7 9 1 。这种方法是 模型中的钢筋不再以金属材料的形式出现，而是以钢筋拉伸应力应变曲线峰值的 后区硬化一软化强度曲线直接定义等效模型的参数。 模型采用了应变协调假设，即假设钢筋和混凝土间粘合完好，二者的应变量 相等，即s 。= g 。= 假设钢筋混凝土配筋率为p ，根据钢筋混凝土中钢筋与混凝土的比例，来计 一 算钢筋混凝土的模拟应力仃为 o r = 盯。( 1 一力+ o r 5 p ( 2 1 ) 在弹性状态下 盯= 【e p + e ( 1 一p ) 】g = 眈 其中e = e p + 丘( 1 一p ) e 为钢筋混凝土等效材料的等效弹性模量。 e 。为钢筋的弹性模量 e ，为混凝土的弹性模量 受弯构件拉伸区单元受到拉伸载荷时，混凝土先进入塑性损伤应力状态。假 设等效材料与原有各材料组分的强度在宏观外在表现相同。那么由混凝土的拉伸 强度。可得等效材料单元在初始塑性时的应力为： 仃e 仃y2 【e 5 + e 。( 1 一s ) 】i 缶s ( 2 2 ) 此处盯。为等效材料的初始屈服极限值，即图2 1 中a 点。 当钢筋混凝土应力超过q 后，混凝土破坏，此时拉应力主要由钢筋承受。当 应力继续增大到一定水平时，达到钢筋的屈服极限仃：，此时忽略混凝土的荷载， 则钢筋混凝土等效材料单元的应力水平为： o r y 2 = s 盯笋 ( 2 3 ) 若假设钢筋为理想弹塑性材料，那么缈，为钢筋混凝土等效材料的最大屈服极 1 0第二章双排式一小直径抗滑桩桩顶连接的影响研究 限，即图2 1 中b 点。此时钢筋混凝土中钢筋和混凝土都进入塑性屈服阶段。也就 是说等效材料进入塑性损伤阶段。 图2 1 等效材料的拉伸应力一应变关系曲线示意图 f i g 2 1i l l u s t r a t i o no f t e n s i l es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po f t h ee q u i v a l e n tm a t e r i a l 需进一步说明的是：图中o 点a 点，该段钢筋和混凝土共同作用，但仍处于 混凝土的弹性范围内，因此q 取值为： 盯盯) 占y 2 号2 斋 ( 2 4 ) 图中a 点b 点，该阶段混凝土虽然已经屈服，但钢筋仍处于弹性状态，晶近 似取钢筋在弹性状态的极限屈服应变。即 t l r