（岩土工程专业论文）基于共同作用的预应力锚索抗滑桩设计分析研究.pdf

摘要 预应力锚索抗滑桩是在滑坡工程中近年来广泛采用的一种新型支挡结构，但 其设计理论和规范都还不太完善，本文通过分析锚索抗滑桩的共同作用机理，总 结现有的设计方法，进行了锚索抗滑桩设计理论和方法及其优化的分析研究，并 结合a n s y s 软件对具体工程进行了设计优化。 为建立合理的预应力锚索抗滑桩的设计流程，并男清在设计中的优化思路和 方法，本文首先分析了滑坡推力在坡体中和抗滑桩上的传递过程及预应力锚索的 锚固机理，并在推导过程中得出了最大桩间距的计算公式和预应力锚索提供的锚 固力的计算公式，为设计优化建立了理论依据；论文对滑坡稳定性和滑坡推力计 算的方法和适用性进行了总结分析，得出了滑坡推力在抗滑桩上的合理分布形 式，并编制了基于传递系数法原理的滑坡推力计算简便程序，为预应力锚索抗滑 桩设计中的主要外部载荷的确定提供了定量依据；文章接着对现有预应力锚索抗 滑桩的设计步骤和设计方法进行了总结，并分析了现有设计中的一些不合理之 处，并重点对设计中所采用的力学模型进行了研究，得到了与实际桩锚工作体系 更为吻合的预应力锚索抗滑桩的计算力学模型，并在此基础上得出了设计的合理 流程图；最后文章选用了崇遵高速公路建设过程中治理的一大型滑坡作为工程实 例结合a n s y s 对其进行了优化设计，得到了治理该滑坡的经济合理的支护体系， 并验证了前文中理论探索的合理性。 关键词：滑坡预应力锚索抗滑桩共同作用最大桩间距锚索参数优化设计 f i l ， 露l a b s t r a c t a n t i s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ei san e wp a t t e r n s t r u c t u r ew h i c hi sw i d e l yu s e di ns l i d e - r e s i s t a n te n g i n e e r i n g 。y e tt h ec o d e a n dt h e o r yf o ri t sd e s i g n i n ga r en o tw e l le s t a b l i s h e d t h i st h e s i sa n a l y z e s t h ec o m b i n e da c t i o no ft h ep i l ea n da n c h o rs y s t e ma n dg e n e r a l i z e st h e m e t h o d st h a ta r ep r e s e n t l yu s e d ，i ta l s o d e v e l o p s t h eo p t i m i z a t i o n d e s i g n i n gt h e o r y a n dm e t h o d sf o r a n t i - s l i d i n g p i l ew i t hp r e s t r e s s e d a n c h o ra n dd o e sa o p t i m i z a t i o nd e s i g n f o ra s p e c i f i c a n t i s l i d e e n g i n e e r i n gu s i n g a n s y s s o f t t oe s t a b l i s hap r o p e rd e s i g n i n gf l o wp a t hf o rp r e a n c h o r e d a n t i s l i d i n gp i l ea n du n d e r s t a n dt h eo p t i m i z a t i o np a t h sa n dm e t h o d s ，t h e t h e s i sa n a l y z e st h ed e l i v e rp r o c e s so fs l i d et h r u s ti nt h es l o p ea n do n t o a n t i - s l i d i n gp i l ea sw e l la st h ea n c h o r i n gm e c h a n i c so fp r e s t r e s s e da n c h o r c a b l e i to b t a i n st h ec o m p u t a t i o nf o r m u l af o rm a x i m a la n t i - s l i d i n gp i l e s p a c ei n t e r v a la n dt h ea n c h o r i n gf o r c ef o r m u l a t h et h e s i sa n a l y z e st h e l a n d s l i d et h r u s tc o m p u t a t i o nm e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a b i l i t y , d e v e l o p s p r o p e rd i s t r i b u t i n gf o r mo nt h ep i l eo fl a n d s l i d et h r u s t i ta l s ow o r k s o u ta p r o g r a m t oc a l c u l a t et h el a n d s l i d et h r u s ta c c o r d i n gt ot h ed e l i v e r i n gf a c t o r m e t h o da n dp r o v i d eq u a n t i t yl o a df o rp r e a n c h o r e da n t i - s l i d i n gp i l e d e s i g n i n g t h et h e s i sg e n e r a l i z e st h ep r e s e n td e s i g n i n gp r o c e d u r ea n d m e t h o d sf o rp r e - a n c h o r e da n t i - s l i d i n gp i l e ，a n a l y z e st h ei r r a t i o n a l i t yo f t h e ma n da c h i e v e dan e wm e c h a n i c a lm o d e lf o ra n t i - s l i d i n gp i l ew i t h p r e s t r e s s e da n c h o r c a b l ew h i c hi s m o r ea n a s t o m o t i ct ot h er e a l i s t i c s t r u c t u r e s i ta l s og i v e sap r o p e rf l o wp a t hf o rp r e a n c h o r e da n t i s l i d i n g p i l ed e s i g n i n g a tl a s t ，t h e t h e s i sc h o o s e sa s p e c i f i ca n t i s l i d i n g e n g i n e e r i n gw h i c h i su n d e rc o n s t r u c t i o nt ob et h ee x a m p l ea n do p t i m i z e i t sa n t i - s l i d i n gd e s i g n ，i tg e t st h ep r o p e ra n t i s l i d i n gr e s i s t a n ts y s t e ma n d p r o o f st h er a t i o n a l i t yo ft h e o r ys t u d y i n gf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：s l i d i n gs l o p ea n t i s l i d i n gp i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r - c a b l ec o m b i n e da c t i o nm a x i m a lp i l es p a c ei n t e r v a l a n c h o rc a b l ep a r a m e t e r o p t i m i z e dd e s i g n e l ， 罗 第一章绪论 1 1 引言 滑坡是指在定的地形地质条件下，由于各种自然的和人为的因素影响，山 坡的不稳定岩土体在重力作用下，沿着一定的软弱面( 带) 作整体的、缓慢的、间 歇性的滑动变形现象，滑坡有时也具有急剧下滑现象【”。滑坡是人类工程活动中 最基本的一种自然地质灾害，也是工程建设中最常见的工程处治对象滑坡对人 类工程建设的危害是世界性的，它给全球造成的经济损失估计每年可达数十亿美 元，整治费用十分惊人，因此引起各国工程技术人员的极大关注 中国是滑坡广泛分布的国家，滑坡几乎遍及全国各省区，特别是西南地区， 滑坡更为频繁。据不完全统计，西南地区发生的滑坡约占全国滑坡总数的一半以 上，而我国已受到滑坡灾害威胁和可能受到威胁的地区约占全国陆地面积1 5 至 1 4 1 2 1 。滑坡事故不仅会造成重大的经济损失，还严重危及人民生命财产的安全。 此外，控稳的工程措施还将耗费大量的人力、物力和财力。所以对边坡的稳定性 支挡设计问题进行深入的研究，对保证工程的安全施工和运行，提高工程的效益， 具有重要的理论和实践意义。我国正在建设的五纵七横国道主干线和一批大型水 电站，如三峡、龙滩、拉西瓦、锦屏等国家重点工程都存在着突出的边坡稳定性 问题。这些稳定性问题所包含的技术难度都是空前的，其中大量的技术难题己经 被攻克，但仍有许多问题有待进一步的研究。 近2 0 多年来，我国滑坡工程的处治技术尤其是抗滑支挡技术发展很快，支 挡结构的结构形式已从单纯依靠墙身自重来平衡边坡土压力和滑坡下滑力的重 力式挡土墙，发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚固技术等多种新型、轻型支 挡新技术，成功处理了许多复杂的边坡稳定和滑坡治理难题 3 j 其中预应力锚索 抗滑桩由于能充分利用岩土体自身的强度和自承能力，大大减轻圬工结构的自 重，节省工程材料，确保施工安全与工程稳定，降低工程造价而得到迅速的推广 和应用，但由于岩土工程介质的复杂性以及锚固方式的多样性，至今尚未出现统 一的理论和相关的设计规范。 矿 f 随芦 1 2 研究工作的目的和意义 新型支挡结构是由于不同的岩土工程需要而发展的，随着我国岩土工程的飞 速发展，出现了越来越多的深基坑、高边坡和复杂滑坡，使得预应力锚索抗滑桩 得到越来越广泛的应用。7 0 年代以来在岩土支挡工程中，预应力锚索抗滑桩得 到了很快的发展，因为预应力锚索抗滑桩和其他支挡方式相比，预应力锚固技术 能充分调用锚杆周围地层自身强度，显著增强周围地层的承载能力，节约工程材 料，不仅工程经济而且施工安全简便，特别是预应力锚索可以单独设置也可以加 在桩顶，使抗滑桩结构改善、断面减少、抗力加大，从而成为解决岩土工程稳定 性问题较为经济、有效的方法之一预应力锚索抗滑桩作为治理滑坡的一种抗滑 结构，它是在一般抗滑桩顶部施加强劲的预应力，使桩预应力锚索形成一个联 合受力体，是以抗滑桩为主体、在其上部设置具有一定下倾角的锚索，锚索锚固 在基岩之中。由于设置了锚索，与普通抗滑桩相比较，桩身最大水平位移及最大 弯矩值均较小，其内力分布更为合理，减小了计算弯矩，降低了配筋率，减小了 埋置深度，因此达到结构受力合理，节省材料，减少投资的目的采用锚索抗滑 桩既经济又合理，目前在大型滑坡的整治工程广泛采用这种新型的结构形式。 尽管预应力锚索抗滑桩越来越多的应用到了实际工程中，但对预应力锚索抗 滑桩的作用机理的研究却仍然处于探索阶段。在工程实际的设计和选用中，锚索 和抗滑桩的选用只是一些经验值，在前人的研究中一般也只是将锚索和抗滑桩作 为独立的支护结构加以考虑，在设计中也只是采用一些简便的组合计算，而未能 考虑桩锚体系的共同作用对结构内力分布的影响。合理的设计应该是综合考虑预 应力锚索与抗滑桩的荷载分配，不同的刚度、强度对结构整体的承载能力的影响， 考虑锚索与抗滑桩的共同作用，使它们同时达到极限状态及同时破坏。为此，本 人选取“基于共同作用的预应力锚索抗滑桩设计分析研究”作为论文课题，在深 入了解现行规范和设计方法的基础上分析现在常规的预应力锚索抗滑桩设计的 理论基础和方法特点及不足，并用数值模拟方法对不同的结构类型，不同锚固力 和锚固角组合的预应力锚索抗滑桩共同作用的机理和效果进行模拟分析，得到它 们之间的最优组合，保证工程的安全且使锚索和抗滑桩达到合理的受力状态，节 省工程造价，为工程设计施工提供参考。 2 f p i 西j 颤 1 3 抗滑桩的分类及应用现状【3 l 1 1 单桩 单根独立抗滑桩，又分为全埋式和半埋式两种。全埋式为自由段和嵌固段 全部埋入地层中。半埋式为自由段出露地表，嵌固段埋入稳定地层中单桩为悬 臂梁式受力，其经济长度一般为1 0 - 2 0 m ，抵抗滑坡推力5 0 0 - 一1 5 0 0 k n m , 全埋式抗滑桩的优点是桩前土体能提供一定的抗力，但挖孔深度较大，在地 质情况较差时，施工困难。半埋式抗滑桩常置于公路路基边缘，外露自由段可采 用变截面，半埋式抗滑桩的挖孔深度一般为桩长的1 2 1 3 ，因此，其配筋、混 凝土方量和挖孔深度均较全埋式节约。 桩板抗滑桩 当桩问土为松散土且地基承载力较差时，如采用单桩，桩间土有可能从桩间 挤出，造成边坡变形甚至局部坍塌。桩板抗滑桩是在桩与桩之间采用平板或拱板 连接。 3 ) 框架式抗滑桩 将前后两根抗滑桩用一根或多根横梁联接，使之成为一刚架结构，一般前 后排桩均为直立，在地形条件允许的条件下，前排桩可采用斜桩，结构内力计算 表明，其斜度越大，造价越经济。框架式抗滑桩最大的优点是抗滑能力大，一般 可抵抗2 0 0 0 - 5 5 0 0 k n m 的滑坡推力，这种结构型式的受力方式明确，计算结果 精确可靠。 钔预应力锚索桩 预应力锚索抗滑桩作为治理滑坡的一种抗滑结构，它是在一般抗滑桩顶部施 加强劲的预应力，使桩预应力锚索形成一个联合受力体，以抗滑桩为主体，在 其上部设置具有一定下倾角的锚索，锚索锚固在基岩之中并进行张拉，使抗滑桩 形成简支梁受力系统。它使抗滑桩避免了悬臂梁式受力，从而使桩截面、桩长度、 配筋量大大减小，节省投资，并且可根据滑坡推力的大小，控制拉力，从而改变 抗滑桩的被动受力方式。根据锚索抗滑桩类型的不同，有以下优点： ( 1 ) 抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况下，能够 克服抗滑挡土墙难以克服的困难；并能根据滑坡推力的大小施加不同吨位的锚索 预应力。 3 0 & i 舞f ( 2 ) 桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用， 也可与其他建筑物联合使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干排分散处 理，对滑坡起到分而治之的效果。 ( 3 ) 可以沿桩长根据滑坡推力和弯矩大小合理地布置预应力锚索，因此相 同条件下，比一般不能分段布置不同数量锚索的普通抗滑桩要经济。 ( 4 ) 间隔开挖桩孔，不易恶化滑坡状态，利于整治正在活动中滑坡，利于 抢修工程；并能克服挡土墙大面积开挖引发的施工滑坡和二次滑坡。 ( 5 ) 通过开挖桩孔，能够直接校核地质情况并检验修改原设计，使之切合 实际。 1 4 抗滑桩设计理论 1 4 1 抗滑桩设计计算的传统理论【3 】 1 ) 塑性理论 t o m i ol t o 等人提出了塑性交形理论，后逐步形成一套比较实用的设计计算方 法。其主导思想是，抗滑桩的设计不仅要保证全部桩作用下土体的稳定，而且还 要保证每根桩本身的稳定性。主要包括下述计算过程：滑动面以上土体作用于抗 滑桩上的侧向压力；桩体的稳定分析；土坡的稳定分析。该理论的前提假设是：随着 滑动土体的位移增长，作用于桩上的侧向土压力从零开始逐渐地增大，直到桩周 土体破坏达到极限值；假定土体已经滑动，滑动面上的抗剪强度尚未降低；桩周土 体为塑性体：桩为刚性材料。然后根据桩周土体的塑性变形状态，推导出作用于 抗滑桩上的侧向土压力计算公式，从而用来研究排桩间距、桩顶固定条件、桩在 滑动面以上的长度、直径和刚度等因素对边坡稳定性的影响。此外t o m i ol t o 等 人同时还把土体作为粘塑性材料，进而推导作用于桩体上的侧向土压力，提出了 塑性流动理论，但由于该理论中一个对计算结果影响很大的重要参数一塑性粘滞 系数难以精确估计，用该套理论计算的结果往往与实测值和试验都不符，因此并 没有形成具有实用价值的设计计算方法。塑性理论方法也被用于多排桩的设计计 算，此时假设每个桩排均远离相邻的排桩，从而忽略各排桩之间的影响。 ， 由于塑性理论的解都是极限解【4 l ，并且假定桩是刚性的，所以与实际情况并 不相符。实际上，桩体变形对压力的影响很大，在士体发生塑性破坏前，桩往 往己达到弯曲破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 o jll 箩； 毽 2 抛基系数法 因为桩的横向尺寸与其轴向长度相比要小得多，所以经典的梁挠曲理论是可 以应用的，由此可推出桩的微分方程： 纠，- 等喝6 ，叱) ( 1 - 1 ) 式中：e r 桩的弹性模量：或k p a ) ，桩截面惯性矩( 胁) “。一桩在深度z 处的位移( m ) “。一无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) 一k h 一，( z ，玷，也) 是地基系数( ，或彤么) p o u l o s 的研究结果表明，用这种方法计算时，桩体最大弯矩理论值偏高， 而桩头反力的值却偏低b a g u e l i n 于1 9 7 6 年也进行了类似的研究，发现土体水 平位移的计算值往往比实测值小得多，只有代入实测的体位移值，才可得到满 意的结果，而这是相当困难的该方法的另一个局限是仅适用于单桩的情况 3 ) 散体极限平衡理论法 沈珠江1 9 9 0 年提出了不仅考虑了土坡与桩的整体滑动计算，而且还包括了 土体绕桩滑动计算的散体极限平衡理论，基于这套理论建立的设计计算方法主要 包括以下步骤：桩的绕流阻力计算、整体滑动验算、绕桩滑动验算，以及桩的破 坏验算。极限设计的原则是假定参与工作的各部件都已达到极限应力状态，各自 发挥了最大的承载力，然后按安全系数对其折减。就抗滑桩来说，极限状态应当 是：土坡恰好将要滑下，桩刚好要折断或推倒，而桩间土又恰好要绕桩流动。因 此上述的各步计算都是在这种特定状态下进行的 ， 1 4 2 抗滑桩的工程计算方法【3 1 目前国内计算抗滑桩，一般是将地基土视为弹性介质，应用弹性地基梁的计 算原理，以捷克学者温克勒提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论基础。 由于对滑动面以上桩前滑体所产生的作用看法不同，因而桩的计算方法不 同，大体上可归纳成两种。 5 j i 1 ) 悬臂桩法 将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑力或 被动土压力视为已知外力，并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在滑动 面以上桩身的设计荷载。然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段的桩 壁应力以及桩身各截面的变位、内力。桩的计算图式，相当于锚固在滑动面以下 的悬臂结构，故称为悬臂桩设计法。此法出现早，计算简单，在实际中应用较多。 2 ) 地基系数法。 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为己知的设计荷载，然后根据滑动面 上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地基上的梁来计算，因而对滑动面的 存在及影响没有考虑这样做，只有当求出的桩前土体弹性抗力小于或等于桩前 土体实际具有的剩余抗滑力时才可以。否则不舍理，应改用换算地基系数重新计 算，直至桩前土体弹性抗力等于或近似等于桩前士体实际剩余抗力为止。 鞭据对地基系数的假定条件不同，又可分为“k 法“m 法”和混合法三种： k 法 + 认为地基系数k 为一常数，不随深度的增加而增加。该法适用于较完整的硬 质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层 m 法 认为地基系数随深度的增加成比例增加。该法适合用于一般硬塑一半坚硬的 砂粘土、碎石土和风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加而增加的 地层。 混合法 认为地基系数随深度的增加而增加，但到一定深度后就不再增加，即采用 “m ”法和“k ”法的混合计算。 1 5 有限元法分析抗滑桩 随着计算机技术的迅速发展，近年来越来越多人开始采用有限元分析桩的 受力状态，为桩的设计计算提供了一种新的途径。有限元法作为普适性较好，模 型化能力强的数值方法，对于复杂程度的桩土相互作用问题是一个可行的途径， 是种“以不变应万交”的，形式和途径都较为统一、可编程性好的数值分析方法 1 1 5 l 本文将在后续的工程实例中用a n s y s 对工程进行优化设计，并与现有的工程 6 一 f 1 设计方法进行比较，得出较优的设计结果。 1 6 本文的研究思路及技术路线 为建立合理的预应力锚索抗滑桩的设计流程，并弄清在设计中的优化思路和 方法，本文首先分析了滑坡推力在坡体中和抗滑桩上的传递过程及预应力锚索的 锚固机理，并在推导过程中建立了最大桩间距的计算公式和预应力锚索提供的锚 固力的计算公式，为以后的设计优化建立理论依据；然后对滑坡稳定性和滑坡推 力计算的方法和适用性进行了总结分析，得出了滑坡推力在抗滑桩上的合理分布 形式，并编制了基于传递系数法原理的滑坡推力计算简便程序，为预应力锚索抗 滑桩设计中的主要外部载荷的确定提供了定量依据；文章接着对现有预应力锚索 抗滑桩的设计步骤和设计方法进行了总结，并分析了现有设计中的一些不合理之 处，并重点对设计中所采用的力学模型进行了研究，得到了与实际桩锚工作体系 更为吻合的预应力锚索抗滑桩的计算力学模型，并在此基础上得出了设计的合理 流程图；最后文章选用了崇遵高速公路建设过程中治理的一大型滑坡作为工程实 例结合a n s y s 对其进行了优化设计，得到了治理该滑坡的经济合理的支护体系， 并验证了前文中理论探索的合理性。 根据上述研究思路，论文分六章论述，各章的主要内容为： 第一章绪论，主要概述了抗滑桩的类型、预应力锚索抗滑桩的研究现状及进 展，提出了论文研究的目的和意义；第二章分析了预应力锚索锚固岩土体的工作 机理和桩锚共同作用原理，研究了滑坡推力传递到抗滑桩上的过程，推导了计算 最大桩间距的计算公式；第三章总结了现在常用的稳定性分析和滑坡推力的计算 方法，得出了滑坡推力在抗滑桩上的合理分布形式；第四章分析了锚索抗滑桩的 设计步骤，论述了优化设计的方法和重点；第五章选取实际工程运用a n s y s 进 行了优化设计，解决了实际工程问题并对上述分析推导进行料论证；第六章为论 文的研究结论与展望。 7 第二章预应力锚索与抗滑桩及岩土体共同作用研究 2 1 引言 在边坡工程和滑坡工程的治理设计中，最基本的问题之一是发生变形的边坡 或滑坡岩土体与支挡结构的相互作用问题，研究二者的相互作用是准确而合理的 进行支挡结构设计的基础。本章主要分析锚索与岩土体的相互作用即锚固原理、 桩与岩土体的共同作用和锚索与桩的共同作用问题，并采用土拱原理对滑坡推力 传递到桩上的过程和传递机理进行了分析推导。 2 2 锚索锚固岩土原理 预应力锚索加固边坡就是将锚索插入预先钻好的孔内，一端固定在滑动面或 潜在滑动面以内的稳定岩体中；另一端固定在坡面上，然后通过预张拉力对锚索 施加预应力。穿过边坡滑动面的预应力锚索，外端固定于抗滑桩或坡面上，另一 端锚固在滑动面以内的稳定岩土体中。锚索的预应力使不稳定滑体处于较高围压 的三向应力状态，岩土体强度和变形特性比在单轴压力及低围压条件下好得多， 结构面处于压紧状态，使结构面对岩士体变形消极影响减弱，显著提高了岩土体 的整体性。锚索的锚固力直接改变了滑面上的应力状态和滑动稳定条件。由图1 可知，预应力锚索的锚固力所增加的抗滑阻力增量最为 图2 一l锚索受力示意图 pl 兄。f k 培妒+ 弓，- 忍【s i n ( 口+ p ) t g 妒+ c o s ( a + 芦) 】 式中：兄锚索设计拉力值； ( 1 ) 另，昂，一圪垂直于滑动面方向的分力和沿滑动面的分布。 口一滑动面倾角； 8 毋 芦锚索与水平方向的夹角； 妒寸旨动面的内摩擦角。 由式( 1 ) 可知，预应力锚索一方面可直接在滑面上产生抗滑阻力p w ，另一方 面通过增大滑动面上的正应力p m ，来增大抗滑摩擦阻力。总之，预应力锚索通 过提高边坡岩土体的整体性和增加抗滑阻力来加固岩体，促使其稳定 因此预应力锚索加固边坡的作用原理主要有两方面：一是预应力锚索将被加 固体作为支护体系中的一个重要组成部分，充分利用和调动岩土体的物理力学特 性，通过灌浆技术将预应力提供点深置于边坡的稳定岩土体中，从而为获得足够 的、稳定的预应力值提供保证。尤其目前是锚索防腐技术、灌浆技术、预应力钢 材，钻孔设备与钻孔技术等方面都取得较大进展和突破，为预应力锚索的广泛运 用提供了先决条件n ；- - 是岩土体在正向压力作用下，可使浅表层滑移面岩土体的 摩擦力增大，从而提高滑移面的抗剪强度( 特殊情况可采用灌浆方法提高滑移面 的岩土体强度) ，增大坡体阻滑力，阻止滑坡体沿既有滑移面继续滑动，使弱面 间产生挤压结合，即所谓的“反压”技术总之，预应力锚索是从改善不稳定滑 体的应力状态、提高边坡岩体的整体性和增加滑动面上的抗滑阻力来加固边坡 的。 2 3 锚索与桩的共同作用机理 预应力锚索与桩的共同作用一般分两个阶段分析：第一个阶段是桩锚工作体 系的施工阶段，这个阶段首先要浇筑抗滑桩，待其达到一定强度后实施预应力锚 索的张拉，在张拉的过程中锚周力通过桩身逐步传递到坡面上，并传递到锚固段 所处的稳定地层中，这期间在坡面上形成了由预应力施加而通过桩身传递给滑坡 体的预加固力；第二个阶段是锚索抗滑桩体系的正常工作阶段，由于滑坡体的进 步滑动而有更多的滑坡推力作用在抗滑桩上，桩体必然会发生位移，但锚固在 桩体上部的锚索又约束桩体的位移，这时必然会将一部分滑坡推力传递到锚索 上，并通过锚索传递到稳定地层中，此即应为锚索抗滑桩的共同交形工作过程。 2 4 岩土体与抗滑桩共同作用及其传力机理分析 2 4 1 概述【6 1 一般认为，抗滑桩支挡坡体的基本原理是依靠桩与桩周岩土体的相互嵌制作 9 用( 共同作用) 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，使滑坡得到稳定基于这种支挡原理，目前在抗滑桩的设计计算中考虑滑坡 体与桩的相互作用主要体现在以下两个方面。第一，将滑动面以上桩后岩土体产 生的滑坡推力作用到抗滑桩上，作为抗滑桩承受的外荷载；第二，在滑动面以下， 考虑桩与桩周岩土体的共同作用来计算结构的内力、变形以及桩周岩土体的反 力。当考虑桩前岩土体作用时，桩与岩土体的相互作用可在上述两个方面进行修 正，即或者将桩前岩土体的抗力也作为外荷载作用于抗滑桩上，或者将桩与桩前 岩土体也按共同作用进行计算，与滑面以下的桩周岩体一样对待 成拱效应在土木工程中无处不在，这是由于土、砖石和钢筋混凝土结构的不 均匀变形引起的。在堤坝工程、加筋土工程、砖砌体工程、地基一片筏框架工 程以及基坑边坡工程中均存在着成拱效应问题。在抗滑桩支护的边坡工程中，首 先由于抗滑桩的作用坡体内岩土体存在着不均匀的变形；其次其具备了产生土拱 结构的条件即有承受滑动方向推力的固定拱脚( 抗滑桩) 、有一定强度材料制成的 拱圈( 岩土体) 、在拱平面内有压力( 滑坡推力) 作用在拱圈上；因此，在抗滑桩加固 的边坡岩土体中，只要抗滑桩设置合理，就能形成土拱。而且人们通过长期的实 践和大量的模型试验也发现，在分散布置的抗滑桩工程中，土拱效应确实存在， 两桩之间岩土体的滑坡推力主要是通过土拱作用传递到两侧的抗滑桩上，而此滑 坡推力的有效传递在很大程度上依赖于抗滑桩间距的设定，当桩间距过小时，有 部分抗滑桩可能因位于土拱拱轴中间而不承担滑坡推力形成浪费，当桩间距过大 时，可能因无法形成土拱而导致桩间土从两桩中间溜走，因此，研究抗滑桩支挡 的边坡工程中的土拱作用效应是保证滑坡治理成功的前提。下面就从设计合理优 化的角度出发，对边坡工程中抗滑桩间的土拱效应进行分析，建立滑坡推力的传 递机制模型和合理桩间距的确定方法。 2 a 2 锚索抗滑桩的治理滑坡中土拱效应的力学分析 严格说滑坡工程中的土拱问题应该是一个空间问题，因为空间的模型不易建 立和力系的复杂性，现在人们的研究通常简化为一个水平拱和竖向拱的问题，并 认为以水平拱为主起控制作用而竖向拱可以忽略，本文认为仅考虑水平拱的作用 忽视了滑坡工程中滑面的的存在而不符合坡体中拱形成的真实情况，为此，本文 将滑坡工程中的土拱问题简化为一个沿主滑面方向的与水平面存在一定夹角的 平面土拱问题进行分析，滑坡推力是平行于滑面向的力 边坡岩土体中的士拱形成过程，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。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因此，在滑坡推力均匀 分布于桩间岩土体的假定下，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忻拱上作 用的压力均匀分布，则可将拱形视为合理拱轴线。关于土拱的作用范围l 的取 值问题，事实上是确定拱角的位置问题，现在的研究有两种看法，一是认为拱角 应该位于桩的背面，这样拱角处的水平推力由相邻拱的水平推力抵消，最边处拱 角的水平推力由稳定岩土体提供，而沿滑面的推力则由抗滑桩提供二是认为拱 角应该形成在桩的侧面，这样拱角处的水平推力由抗滑桩提供，而沿滑面的推力 则由抗滑桩与岩土体的摩擦力提供和桩前稳定岩土体的抗力提供，对于没有桩前 岩土体的悬臂桩，则全部由抗滑桩与岩土体的摩擦力提供。大多学者认为，若l 取桩间净距范围内的岩土体，即土拱的拱跨为桩问净距l ，由于桩净距小于桩中 心距，设计偏于安全，较为合理。笔者经过理论分析后认为这种看似“安全”的 简化事实上忽略了抗滑桩最基本的作用：承受滑动方向的推力而不是承受与滑动 方向垂直的水平分力，而且当桩前没有稳定岩士体时，抗滑桩与岩土体的摩擦力 根本不可能提供足以抵挡沿渭面方向的滑动力。故本文以下分析中均考虑l 取 为桩的中心距，并建立如图所示的坐标系，推导出拱轴线的合理方程，具体过程 如下。抗滑桩土拱力学计算模型如图2 - i 所示，当拱上承受均布荷载r 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) 一 一贯 h 劢v _ 、 y 圈2 一l 士拱受力分析图 1 1 一 即等 式中；f 为矢高，r 为截面上的沿滑面方向滑坡推力， 桩间净距。对任一截面x 而言，由于其上弯矩为零，应有 鼍i h l y ( 2 1 ) l 为拱跨，在此即为 ( 2 2 ) 式中；x ，y 分别为该截面处的x ，y 坐标值。 将公式( 2 1 小入公式( 2 2 ) ，可得拱轴线的合理方程为 ) ，等， ( 2 - 3 ) 从上面的推导可知，拱截面只承受垂直轴线方向的压力作用，受力均匀从 中还可推出以下关系 t a n 口- y 1 ，气im - 等- - i - ，i 畦- 等哇i 等 ( “) 式中；0 为拱角处的切线与水平线的夹角，其它符号意义同上 如图2 - 1 所示，截面中内力为 ，l 2 r n 可 矿里生 2 式中：t 为拱角处的水平推力，v 为拱角处的竖向推力 ( 2 - 6 ) ， 2 4 3 土拱传力分析及最大桩间距的确定 2 4 3 1 土拱传力的分析 此处的土拱传力分析指土拱承受滑坡推力后将其传递到两侧岩土体或桩及 拱前岩土体上的过程如图2 _ - 2 所示，取靠近抗滑桩的土拱，拱蔼瓦为f ，在其 中取一个微段进行分析，拱轴如图中的虚线所示： * 川川川 ( a ) 剂 卜j _ 一 ( b ) 图2 - 2 土拱传力分折图 如图2 - 2 ( a ) 所示，在n - - n 1 分段内形成土拱拱矢高为f ，在其中取一个微段 进行分析如图2 2 中微元1 所示，设微拱厚度为桩宽，在荷载r 作用下，设图 2 - 2 ( b ) 如图所示微元1 处应力达到极限状态，则对该微元受力进行分析如图2 - 2 ( c ) 所示。微元处土体在垂直于拱轴压力线方向( 即拱轴在a 点处x 方向) 的应力是大 主应力矾，即沿着拱轴压力线方向的平面是大主应力q 的作用面，则a 点处小 主应力盯，的作用面与该点处拱轴压力线的方向垂直。根据土力学理论，设土体 沿x 轴方向破坏，由几何关系可得此时a 处的切向角与微元体的破坏角正好相 等，即破坏面与小主应力盯，作用面( 即大主应力方向) 的夹角口为4 5 。一要( 妒为 土体的内摩擦角) ，由于口为拱轴线在a 点处的切向角，又由( “) 有： t a n o t a n ( 4 5 一厶笪( 2 - 7 ) zl 从而可得拱矢高为 ，l t a n ( 4 5 一争 ，- f ( 2 8 ) 从式中可以看出，一越大，f 越小，土拱作用越明显；l 越大，f 越大，土拱 ? p 作用不明显。形成土拱后，每一个土拱的水平方向的力都将与相邻土拱的水平力 抵消，而沿滑面方向的力将传至下一级土拱上，直至传至以抗滑桩为拱角的最下 一级土拱，此即为滑坡推力在土体中的传递规律。 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 6 ) 得土拱在拱角处水平推力的大小为： + r 塑 墨：墨 ：丝( 2 9 ) j 一- ? 一尸 二7 ， 盯。! 竺! 竺：二丝2 t a n ( 4 5 一争 4 2 4 3 2 最大桩间距的确定 以上讨论的是滑坡推力在土体中的传递规律，但其存在的基本条件是要能在 相邻的抗滑桩之间形成土拱，下面对形成土拱的条件进行讨论，讨论中分桩前存 在稳定土体和不存在稳定土体两种情况进行讨论 ( 1 ) 不存在稳定土体的情况 考虑坡体处于极限状态的情况，最下一级土拱必处于临界状态，且不能向下 传递推力，承受上部土拱传下来的所有滑坡推力，由于其拱角处微元1 亦处于临 界状态，如图( c ) 所示，依据材料力学和土力学中的摩尔强度理论( 考虑拱体 为单位厚度的情况) ，若此土拱能够存在，则其最不利受力点的应力状态应还未 达到破坏，临界状态下其应力状态应满足摩尔库伦( m o h r - c o u l o m b ) 准则嘲： o r 3io 1t a l l 2 ( 4 s 一分( 扎芝) (2-10) 而此时该微元的受力状态应为( 取土拱体厚度为单位厚度) ：由滑坡推力产生 的沿桩背方向的应力应为最大主应力，其值可由式( 2 - 9 ) 除以两相邻土拱交接 部分的高度( 此处考虑拱角平面上为正方形，即该高度与桩宽同值) 和土拱的厚 度( 此处取单位厚度1 ) 而得，而考虑剩余滑坡推力的单位为力米，其除以土拱 的覃度后为一在破坏面内垂直予最大主应力的应力，应为最小主应力，此处考虑 为r h = r ，即为： 吼。 衄l r 2 扫 t a n ( 4 5 。一芝) 2 b t a n ( 4 5 。一芝) ( 2 1 1 ) 0 3 一r h - r 式中：r 为上一级土拱的剩余下滑力，b 为抗滑桩的宽度，l 为最大桩间距， 1 4 c 为岩土体的粘聚力，由为岩土体的内摩擦角。 将公式( 2 - 1 1 ) 代入( 2 - 1 0 ) 得： r - 等一州a n ( 4 5 争 ( 2 1 2 ) 从而可以推出临界桩间净间距表达式：l i t a n ( 4 兰5 。l - 一差) + 百4 b c ( 2 1 3 ) 所以，当桩问净距小于满足以下条件才有可能形成土拱： 幼铀c l 墨一+ t a n ( 4 5 。- 务r ( 2 1 4 ) 从式中可以看出，最大桩间距主要与抗滑桩截面的宽度，岩土体力学指标和 滑坡推力的大小有关。抗滑桩的截面宽度越大，岩土体的力学指标越好，土拱的 跨度越大，从而使最大桩间距越大；滑坡推力越大，桩间距越小，但其影响不及 前二者明显。 当然，满足条件式( 2 1 4 ) 时，为使桩问土拱能够将滑坡推力有效的传递到两 侧的抗滑桩上，还应进行绕流阻力验算，以使抗滑桩上作用的滑坡推力荷载满足 要求，关于绕流阻力的验算本文后面将进行说明。 ( 2 ) 存在稳定土体的情况 此时最后一级土拱上作用的滑坡推力有一部分传递到下面的稳定土体上， 其计算过程只需将上述推导过程中的r 用r - r k 替换即可，即从最后一级土拱中 扣除传递给稳定岩土体的力。计算过程如下： 最不利受力点的临界状态下应力状态应满足m o h r - c o u l o m b 准则： 咿。，t a n z ( 芝) 也t a n ( 4 s 一芝) 而此时该微元的受力状态为： q。两l(r-r,)。两l(r-rk)2b t a n ( 4 5 协 2 6 t a n ( 4 5 0 一知 o 一要)，、 将公式代入得： 眦。掣一锄锄( 4 5 卵 ( 2 1 6 ) 灿愀嗍一戴l 。丽2 b 巧+ 瓯4 b e 像1 7 ) 所以，当琏间净距小于满足以下条件才有可能形成土拱： l2b巧+面4bctaa(45o 一肝气 ( 2 1 8 ) 当满足条件式( 2 1 8 ) 对，桩问土拱能够将滑坡推力有效的传递到两侧的抗滑 桩上和桩前的稳定岩土体上。当然应进行绕流阻力验算，以使抗滑桩上作用的滑 坡推力荷载满足要求。 ( 3 ) 桩的绕流阻力计算嗍 根据上述两种情况计算出最大桩间距能保证土体的滑坡推力确实能有效的 由桩分担，还应对桩进行绕流阻力验算，或称为桩的抗滑阻力分析，并推荐采用 沈珠江的桩绕流阻力计算公式。当桩间距为l 时，由桩分担的滑坡推力应小于 绕流计算的桩阻滑力，否则也应修改桩间距或设计，所以不能为了增大桩问距而 任意的增大桩的截面宽度，因为此时过大的桩间距可能会引起桩间土体出现绕流 运动，从而使坡体失去稳定，当然桩问设有板的桩板墙不用再做此项验算。 为了考虑桩间距过大时土体发生绕桩滑动的可能性，沈珠江根据极限平衡理 论对此问题进行了研究，可将极限平衡状态下计算的桩的绕流阻力作为其最大的 抗滑阻力，即能作用到抗滑桩上的最大滑坡推力荷载，所以，无论从桩的结构计 算上说桩有多大的抗滑能力，只要作用到桩上的下滑力达不到此值，则桩的结构 设计就起不到应有的作用。因此，应对桩的抗滑阻力进行计算，除了前述的土拱 理论作用到桩上的滑坡推力荷载计算以外，为了更好的保证拄滑桩起到其应有的 作用，亦应进行桩的绕流计算，本节根据文献【8 】对此进行简要介绍。 基本假设为： 土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动； 土层为理想的凝聚材料或m o h r - c o u l o m b 材料： 桩的表面绝对粗糙。 在以上的假定下，推导出矩形和圆形桩的绕流阻力公式如下： 1 6 靠一陂+ q ) k 咖t a n 妒) 一疋- + 雄一s i n 咖a n 毋o e x p 畸+ 似蛆卯 ( 2 - 1 9 ) l j 式中：q ，- 沿桩长方向单位长度的绕流阻力 or 凝聚压力，其值为oc = c t a n 咖，c 为粘聚力 ov 垂直压力 k r 一一主动土压力系数，其值为k = ( 1 s i n 由) ( 1 + s m 巾) 母土的内摩擦角 a 、b - 分别为桩垂直于滑动方向的桩的宽度和平行于滑动方向的高度 7 对于圆形桩，可按0 8 倍的方桩计算阻力，而且上述公式计算的是刚好发生 滑动时单位桩长上的抗滑阻力，总阻力可由沿桩长的积分求得： q ，一rq , d h ( 2 2 0 ) 上述绕流阻力公式的推导是基于前述的假设，这些假设可能与实际计算中的 边坡或滑坡体的情况略有出入，但作为一种近似验算可以满足要求。 、 2 5 算例分析 以本文后述工程实例为例，该滑坡剩余下滑力为2 2 9 0 k n ，岩土体粘结指 标c = 2 5 5 k p a 。内摩擦角由= 2 4 5 ，拟采用抗滑桩的桩宽为2 5 m ，计算该锚索抗滑 桩体系的最大桩间距。 期公加1 3 燎l 2 五b t a n ( 4 5 + 警 o 三、 n 骶l - 蕊2 x 2 5 + 警 t a n ( 4 5 0 一三二= 1 二二7 u = 7 7 8 + o 1 l = 7 。8 9 m 套用公式( 2 - 2 2 、2 - 2 3 ) 进行桩的扰流阻力验算，满足要求 故本工程最大桩间距为7 8 9 米，考虑施工放样的方便和一定的安全系数，取 实际设计桩间距为7 m 。 1 7 第三章边坡稳定分析及滑坡推力计算 3 1 坡体稳定分析的现状概述 坡体的稳定性分析方法根据其材料性质和地质环境条件而有所不同，一般对 于土质边坡和岩质边坡有不同的稳定性分析方法一般而言有如下几种，即以条 分法为基础的极限平衡分析法( 包括二维和三维) 、基于塑性理论的极限分析法、 有限单元法以及地质类比法，最后一种属于定性分析方法。 对于土质边坡，目前应用最广的还是极限平衡分析方法，应用最早且目前仍 被广泛采用的稳定性分析方法当属瑞典条分法，该法首先由彼德森( p e t t e r s o nk e ) 提出，费伦纽斯( f e l l e n i u sw ) 和泰勒( t a y l o rd w ) 进一步发展了这个方法， b i s h o p ( 1 9 5 s ) 提8 关于安全系数定义的改变，对条分法的发展起了非常重要的 作用f 3 。