（岩土工程专业论文）昔格达组地层中抗滑桩的嵌固深度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 摘要 昔格达滑坡是西攀高速公路沿线主要不良地质现象之一，对其治理大多 数采用抗滑桩，锚固段均在昔格达岩层中。昔格达岩层的性质类似极软岩， 现行各规范对极软岩中的抗滑桩未有明确完整的计算方法，对昔格达滑坡中 抗滑桩嵌固深度的确定也未发现有此方面的专门研究文献。为了了解昔格达 岩层中桩一土之间的相互作用机理，提高该地层中抗滑桩的理论设计水平， 本文结合现场试桩静载试验和室内土工试验对昔格达地层中抗滑桩进行分 析，运用数值模拟方法对抗滑桩的嵌固深度进行研究，提出了在永郎地区昔 格达滑坡中设置抗滑桩的理论嵌固深度建议值。 本文的主要工作如下： 1 综述了昔格达地层的分布、成因以及特性，总结了抗滑桩的发展历史、 目自仃通用的设计计算原理、设计步骤等。 2 对永郎工点两根试桩的现场水平静载试验进行了介绍，通过f l a c 3 d 数值分析软件对试桩进行了模拟，得到了运用f l a c 3 d 软件计算岩土工程问 题的一般步骤、参数选取、以及注意事项等问题。 3 根据滑体、滑带土的土工参数对各种工况下滑坡的稳定性进行了评 价，并结合f l a c 3 d 数值分析软件对滑坡一抗滑桩进行整体分析，得到了工 程桩的位移预期发展情况。通过对不同桩长的抗滑桩对滑坡的支挡作用效果 分析，得出在永郎地区昔格达滑坡中，抗滑桩的嵌固深度设置为桩长的2 3 ， 能够很好的起到抗滑效果。 关键词：昔格达；滑坡；抗滑桩；f l a c 3 d ：嵌固深度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ w - - ab s t r a c t x i g e d al a n d s l i d ei so n eo ft h em o s ta d v e r s eg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n sa l o n g t h ex i c h a n g p a n z h i h u as p e e d w a y t h ea n t i - s l i d ep i l e ，a n c h o rp a r to fw h i c hi si n x i g e d ar o c k ，i sw i d e l yu s e di nl a n d s l i d e sg o v e m a n c e t h en a t u r eo fx i g e d ar o c k i ss i m i l a rt ov e r ys o f tr o c k ，b u tw eh a v en o tw o r k e do u tac l e a ra n dc o m p l e t e m e t h o dt oc a l c u l a t ea n t i - s l i d ep i l el o c a t e di nv e r ys o f tr o c ki nt h ep r e s e n tn o m s ， a n dc a nn o tf i n dt h es p e c i a l i z e dr e s e a r c hl i t e r a t u r ei nt h i sf i e l do fd e t e r m i n a t i o no f e m b e d d e dd e p t ho fa n t i s l i d ep i l e i no r d e rt of i n do u tt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m b e t w e e np i l ea n ds o i li nx i g e d ar o c ka n de n h a n c et h ed e s i g nl e v e lf o ra n t i s l i d e p i l el o c a t e di nt h i ss t r a t u m ；t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep i l e s o i li n t e r a c t i o nm e c h a n i s m v i al a t e r a ls t a t i cl o a dt e s ti ny o n g l a n ga r e a t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea n t i s l i d ep i l ei nx i g e d as t r a t u mw i t ht h et e s t so f p i l e sa ts i t ea n di n d o o rs o i lt e s t s i nc o m b i n a t i o nw i t ht e s td a t a ，w eg i v eaf u r t h e r s t u d yo ne m b e d d e dd e p t ho fa n t i - s l i d ep i l e ，a n dp u to u ta n t i s l i d ep i l ee m b e d d e d d e p t ht h e o r e t i c a l l yi ny o n g l a n ga r e a 。t h em a i nj o b si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed i s t r i b u t i o n ，c a u s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f x i g e d as t r a t u m a n ds u m su pt h ed e v e l o ph i s t o r y ，t h ed e s i g nc a l c u l a t i o nt h e o r y ， p r o c e d u r ea b o u ta n t i s l i d ep i l e 2 s i t u a t i o n sa b o u tt w ot e s tp i l e s ss c e n eo fl a t e r a ls t a t i cl o a dt e s ta r e i n t r o d u c e d ；c o l l e c t i o na n da n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h et e s ta r em a d e s i m u l a t et e s t p i l e sb yt h eu s eo ff l a c 3 dn u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r et oc o n c l u d et h eg e n e r a l s t e p s ，p a r a m e t e r ss e l e c t e d ，a sw e l la sa t t e n t i o n so fc a l c u l a t i n gg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gp r o b l e m sw i t hf l a c 3 ds o f t w a r e 3 t h es t a b i l i t yo ft h el a n d s l i d ei se v a l u a t e du n d e rv a r i o u s o p e r a t i n g c o n d i t i o n sa c c o r d i n gt ot h es o i lp a r a m e t e r so fs l i d eb o d ya n ds l i d eb e l t w i t ht h e f l a c n u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ep a p e r g i v e sa no v e r a l la n a l y s i so n 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 l a n d s l i d ea n da n t i s l i d e p i l e t oc o n c l u d et h e e n g i n e e r i n gp i l ed i s p l a c e m e n t d e v e l o p m e n ta se x p e c t e d t h ep a p e ra n a l y z e sd i f f e r e n tl e n g t ho fa n t i - s l i d ep i l e s r e t a i n i n g e f f e c t so nl a n d s l i d e ，a n dc o n c l u d e st h a ti n x i g e d al a n d s l i d eo f y o u n g l a n ga r e a ，t h er e a s o n a b l ep i l ee m b e d d e dd e p t hi sr e c o m m e n d e da s2 1 3o f p i l el e n g t h ，w h i c hc a np l a yav e r yg o o de f f e c ta g a i n s ts l i d i n g k e yw o r d s ：x i g e d a ；l a n d s l i d e ；a n t i s l i d ep i l e ；f l a c 3 d ：e m b e d d e dd e p t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 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 不保密酣使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：7 l ：移7 | 坦 日期：a 暇拜j 月骼妇剖擗蒯蜥 签乳隘瓤剀日 影 借 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 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 集体已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： 1 运用传递系数法对永郎昔格达滑坡进行了稳定性计算，得到在自然状 态、无地震荷载作用下，该滑坡处于稳定状态，当有地震荷载作用下，滑坡 处于临界状态；当人类工程影响开挖边坡后，滑坡处于失稳状态( 此内容参 见第3 章) 。 2 通过运用f l a c 3 d 有限差分程序对试桩静载试验的模拟，验证了 f l a c 3 d 对桩土相互作用模拟的适用性( 此内容参见4 2 ) 。 3 提出了对滑坡一抗滑桩整体建立模型的一种思路，并以次建立永郎昔 格达滑坡模型，得到了工程桩的预期位移发展情况，指出工程桩能够很好的 控制滑坡的位移，抗滑效果明显。但是，存在桩身内力分布不合理，桩的嵌 固深度过大的现象( 此内容参见4 3 1 ) 。 4 通过对不同嵌固深度的抗滑桩在不同浸水程度下的永郎昔格达滑坡 中的工作状态的分析，得到在永郎昔格达滑坡中，建议抗滑桩的嵌固深度设 置为2 3 桩长( 此内容参见4 3 2 ，4 3 3 ) 。 学位论文作者签名：枷 同期：幻移年朔d 同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题来源 第1 章绪论 滑坡，是指位于斜坡及边坡上的岩土体在自重或( 及) 外力作用下沿坡 向下发生的整体性较强的运动形式及过程i ij ；同时，“滑坡”也指正在变形中 的岸坡，崩、滑堆积体1 2 j 。滑坡对人类工程建设的危害是世界性的，在我国 规模巨大，每年可见体积达数百万甚至上亿立方米的自然滑坡【3 j 。山区修建 水库、电站、道路和工厂等形成的大量丌挖山坡，也可产生新滑坡或导致老 滑坡复活，给世界各国造成的经济损失估计每年可达数十亿美元，整治费用 更是惊人1 4 j 。另外，工程如不能及时发挥效益或使用被中断，期问损失更大。 滑坡治理是一个复杂的岩土工程问题，虽然到目前为止，国内外在整治滑坡 方面已取得了许多成功的经验，在滑坡机理分析和治理设计方面不断取得进 展，但远未成熟，存在的技术问题仍较多【5 1 1 1 。在我国，对大多数滑坡的治 理是成功的，只有少数由于设计错误和人为因素等原因而失败，但这也不意 味着我国滑坡治理水平就很高，很多滑坡治理之所以成功，是保守设计的结 果，安全储备太大，而不是科学分析研究的结果。 本论文根据交通部西部交通科研项目“昔格达地层公路修建技术研究” 子课题“昔格达地层中抗滑桩的工作性能研究”的相关要求来展开研究。 国道主干线1 0 8 线西昌至攀枝花高速公路是交通部规划的八条西部大通 道之一的甘肃兰州至云南磨憨口岸公路的重要组成部分，是四川省高速公路 网的主干线之一，也是四川省通往云南昆明的主要通道。线路通过的大部分 地段与有“地质博物馆”之称的成昆铁路平行，但垭口到攀枝花段( 约3 0 k i n ) 则偏离成昆铁路较远。此区问线路的大部分路段位于7 8 度高地震烈度区， 地形陡峻，地质条件十分复杂，加之公路沿线气候潮湿，雨量充沛，岩体的 风化和卸荷作用强烈，致使岩体破碎，山体稳定性较差，各种不良地质现象 广泛发育。西昌至攀枝花高速公路的主要路段位于攀西地质梯度带断裂形成 的断层谷( 安宁河谷) ，由于地形、地质条件、成昆铁路、原1 0 8 国道、北京 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 至昆明的光纤通信十道等的限制，线路选择的余地十分狭小。尽管在初步没 计选线时注意到现存的地质灾害地段，并进行了有效的绕避，但仍有不可绕 避的大型滑坡1 3 处，大中型泥石流沟2 1 处，高陡边坡( 高度大于3 0 m ) 5 0 多处，高填方数十处。特别是沿线1 0 0 多公里广泛出露有遇水极易崩解、软 化的昔格达组地层，更是对工程提出了严峻的考验【j 引。 已有的研究表明，昔格达组地层结构疏松，有崩解性，力学强度低，具 有不等的膨胀性。昔格达岩层是一套由粉砂岩、泥岩和页岩构成的半成岩地 层，正常时产状平缓，倾角2 0 1 0 0 ，具有良好的层理、微层理和韵律。该地 层对水的敏感性特别高，干时坚硬，遇水迅速崩解，几乎完全丧失强度。它 似岩非岩，似土非土，极易发生滑坡，故称为易滑地层。据相关资料统计， 昔格达组中滑坡密度之大在我国所有易滑地层中名列前茅【l2 1 。据相关资料， 截至1 9 7 9 年，建设中的渡口市共发生滑坡4 0 余处，全部集中于昔格达组地 层中；在汉源县流沙河沿岸和富林、大树等地，昔格达组出露面积4 8 平方公 旱，发生滑坡共计4 8 处，给当地城市建设、农业生产和人民的生命财产造成 重大损失。修建成昆铁路米易一金江段时，为了避免昔格达滑坡群，在小高 桥至丙谷间不得不改变设计而跨河设桥，线路被迫改至安宁河对岸，成昆铁 路建成后，此段仍发生昔格达滑坡1 8 处，中断行车多f 1 ，造成严重经济损失 1 3 1o 昔格达滑坡是西攀高速公路沿线主要不良地质现象之一，除了在选线设 计时考虑绕避外，无法绕避的则采用工程措施来保证其稳定，而抗滑桩是目 前滑坡治理普遍采用的有效的工程措施。西攀路昔格达滑坡治理大多数采用 抗滑桩，初步设计抗滑桩治理滑坡路段有1 5 段，4 5 0 根，计8 0 0 0 m 长，锚固 段均在昔格达地层中，依据地勘资料并参照铁路部门以往得出的经验资料取 值计算，较普遍的出现了锚固段偏长，桩截面尺寸偏大的现象，大幅度的增 加了工程造价【2 3 】。现行各规范对极软岩中的抗滑桩未有明确完整的计算方法， 也未发现此方面的专门研究文献。为了保证西攀路的行车安全和设计的科学 合理性，为了降低工程造价，也为类似地层中抗滑桩的设计与施工提供依据 和积累资料，西南交通大学与四川省交通厅公路规划勘察设计研究院、西攀 高速公路开发股份有限公司、成都路桥集团公司等单位相互合作，在西攀公 路的永郎施工段布置科研点。本论文结合现场两根试验桩的水平加载试验资 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 料，运用f l a c 3 d 数值分析软件来分析永郎昔格达滑坡的稳定性以及桩的工 作受力情况，将得到的数值模拟结果与实际观测的数据相比较，修正室内土 工试验数据，确定永郎昔格达滑坡中桩土相互作用的计算参数，通过对不同 嵌固深度下桩的抗滑效果的分析研究，分别得到在自然状态下和饱水状态下 的永郎昔格达滑坡抗滑桩的适宜嵌固深度。 1 2 昔格达地层概述 昔格达地层是分布于我国西南地区 的一套半成岩，也是一种工程性质较差的 极软岩，以攀枝花市盐边县红格乡昔格达 村命名。昔格达地层分布面积有 4 x 1 0 4 k m 2 ，分布范围北起汉源，南至攀 枝花市，南北长约3 0 0 k i n ；西界盐源， 东临布托，东西长1 2 0 k m ，呈不连续的 南北向条带状、片状分布( 图1 1 ) ，主 要由灰绿色、狄黑色、灰黄色粉砂质粘土 岩、粉砂岩和细砂岩央砖红色或肉红色的 粘土岩组成。它在攀西地区的安宁河谷， 攀枝花市分布面积和厚度较大，其中昔格 达村典型剖面厚约2 4 8 m 1 2 】。 由于昔格达地层形成时代较新，先期 固结压力较小，成岩作用较差，是一套弱 胶结半成岩地层，其具强度低、性质不稳 定、易滑等工程地质特征。统计不同行业 已建工程昔格达组的物理力学参数值表 明，昔格达地层为接近土体特性的极软 岩，天然干密度低、孔隙比高，土体结构 图1 1昔格达地层分布( 据黄俊) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 疏松、强度低。 昔格达地层中的粘土岩，粘土矿物以伊利石为主( 并含少量的蒙脱石) ， 具有较为明显的亲水性，吸水膨胀、失水干裂，在浸水失水反复交替作用下， 抗剪强度越来越低。就昔格达滑坡而言，滑动面富水性强( 尤其是雨季) ，有 关文献研究资料表明，昔格达滑坡滑动面抗剪强度指标够值甚至能降至 1 1 8 。、c 值降到4 2 2 k p a 。而裂隙切割较少、相对较完整的“昔格达层”力 学强度较高【1 4 】。 孔德坊、黄俊( 1 9 9 2 年) 从昔格达地层的基本地质特征、昔格达组粘土 的力学特性及其影响因素入手，分析昔格达组粘土的力学特性及其与滑坡产 生的关系，揭示了层间央泥是原生完整土体产生滑坡的控制部位；昔格达地 层中滑坡的主滑面绝大部分都发生在该组中段下部和下段由多层粘土组成的 地层中。彭盛恩在昔格达地层作为筑坝土料特性的研究中分析论述了昔格达 组粘土岩、细砂岩混合粗粒土的物理力学性质，昔格达组细粒粘土具有干容 重小、强度低的不良工程性质( 浅黄色、灰白色、肉红色粘土岩天然含水量 w - - - 2 5 - - 一4 0 ，干密度p d = 1 2 1 5 9 c m 3 ，粘粒含量为4 0 - - - 7 0 ，极限抗压 强度通常在0 5 1 o m p a ) 1 4 j 。 1 3 国内外对抗滑桩研究的历史及现状综述 早在1 9 世纪中叶欧美国家就已经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，只对小型滑坡采取削坡减载、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，人为支挡工程才真正开始，5 0 年来有了较大 的发展和提高，一些大型的滑坡采用支挡工程来治理。支挡工程的发展人概 可分为三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代前，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i lj 。 ( 2 ) 上世纪6 0 7 0 年代，在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6 订苏联 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 多用钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径1 0 1 5 m ，深2 0 3 0 m 。h 本则多采用钻孔 钢管桩，钻孔直径4 0 0 5 0 0 m m ，深2 0 3 0 m ，孔中放入直径3 1 8 5 , - - 4 5 7 2 m m ， 壁厚1 0 4 0 m m 的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，为了增加桩的抗剪 断能力，有时在钢管中再放入h 型钢，桩间距1 5 4 0 m ，而以2 0 2 5 m 者 居多。为了增加桩的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台 联接，形成刚架受力。也有少数采用打入桩的。7 0 年代后期，在同本丌始应 用直径1 5 3 5 m 的挖孔抗滑桩。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，在小直径抗滑桩应用的同时，治理大型滑坡的 大直径挖孔抗滑桩开始使用。如日本在大阪府的龟之濑滑坡上采用直径5 m 、 深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩。桩身周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强 桩的抗剪断能力。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) ， 单根锚索承受的拉力5 0 0 3 0 0 0 k n 不等，长度般3 0 6 0 m ，长的达1 2 0 m 。 由于锚索工程不开挖滑坡体，又能机械化施工，所以目前被广泛应用1 2 j 。 抗滑支挡建筑物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑坡工程中首先 考虑使用的措施。同时，又由于它一般造价较高，投资巨大，如一根大型抗 滑桩造价达数十万元，治理一个大型滑坡需投资数百力元乃至数千万元，因 此，人们对抗滑支挡建筑物的结构形式、使用条件、设计理论、施工方法等 就给予了更多的关注和研究。我国对抗滑支挡建筑物的研究和丌发应用起步 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， 也分三个阶段： ( 1 ) 上世纪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边坡大型滑坡常常工程量浩大，施工困难，虽然总 结了“分段跳槽开挖基坑”的施工经验，有时还会造成加速滑动，危及施工 安全【2 1 。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 7 0 年代，曾成功的应用支撑盲沟加小抗滑挡土墙取得疏 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 岩滑坡治理中采用深井式抗滑挡土墙，但施上也不容易弘j 。 2 0 世纪6 0 年代中期，在成昆线建设中，研究用大截面丌挖钢筋( 或钢轨) 混凝土抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，对滑坡体稳定性的破坏小，施工方 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。抗滑桩因此被喻为治理滑坡的“重型武器”，使治理大型 滑坡有了可能。己使用的抗滑桩截面有1 2 m 2 0 m ，1 8 m 2 4 m ，2 0 m x 2 0 m ，2 0 m 3 0 m ，3 0 m 4 0 m ，3 0 m 5 0 m ，3 5 m 7 0 m ，长度一般15 3 5 m ， 大者达5 0 m 以上【2 1 。 2 0 世纪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，又研究开发了排架桩、刚架桩，椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗滑 桩的受力状态，节省圬工和钢材。但由于施工要求高于单桩，至今应用不广。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中丌始大量 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，预应力锚索使一般支挡结构物由被动受力变为主动受力，对滑体扰动 小，又能机械化施工，所以应用前景广阔。目前锚索的应用有两种情况： 锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”。在抗滑桩顶部加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，上端接近简支梁受力， 加预应力使桩由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。 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，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加预应力来稳定滑坡 【2 4 1 。 1 4 抗滑桩的设计计算理论 1 4 1 传统理论 1 塑性理论 t o m i oi t o 等人提出了塑性变形理论，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发挥作用时土体的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 稳定，而且还要保证每根桩本身的稳定。主要包括卜述计算过程：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，直到桩周土体强度达到极限值；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 oi t o 等人同时还把土体作为 b i n g h a m 型粘塑性材料，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，此时假设每个排桩均远离相邻的排桩，从而忽略各排桩之问 的影响。 由于塑性理论的解都是极限解并且假定桩是刚性的，所以与实际情况并 不相符。实际上，桩体变形对土压力的影响很大，在土体发生塑性破坏前， 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。 2 地基系数法 因为桩的横向尺寸与其轴向长度相比要小很多，所以经典的梁挠曲理论 是可以应用的，由此可以推出桩的微分方程： d 4 l l e p ，p 孑= k j f ，( 甜p 一“，) ( 1 - 1 ) “z 式中：e 广桩的弹性模量( k p a ) ； 卜桩截面的惯性矩( m 4 ) ； “广桩的位移( m ) ； 甜。无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) ； 幻厂_ 妇= f ( z , u p , u s ) 是地基系数( k p a m ) 。 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，只有代入实测的土体位移值，才可得 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 到满意的结果，而这是相当困难的。该方法的另一个局限是仪适用于单桩的 情况【2 3 】。 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【1 6 】。 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，桩刚好要折断或倾倒，而桩问土又恰好要绕桩流 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简介 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w i n k l e r 提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论 基础1 4 7 j 。 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。 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 锚固段的桩侧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。该方法为本论文所采用。 2 地基系数法 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为已知的设计荷载，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 于或等于桩自订土体实际具有的剩余抗滑力时彳可以，否则不合理，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土体实际 剩余抗力为止。 根据对地基系数的假定条件不同，又可分为常数法、“m ”法和混合法三 种。 ( 1 )常数法 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。 ( 2 ) “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半，醪硬 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。 ( 3 ) 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“r n ”法和常数法的混合计算【1 引。 根据国外的文献资料来看，一般对侧向受力桩进行研究较多，而对滑坡 中抗滑桩的研究资料较少，一般把抗滑桩纳入侧向受力桩的范畴。 1 4 3 数值模拟分析抗滑桩 数值模拟分析法作为普适性较好，模型化能力强的数值方法，对于任何 复杂程度的桩一土相互作用问题都是一个可行的途径，是一种“以不变应万 变、形式和途径都较为统一、可编程性好的分析方法。 随着计算机技术的迅速发展，近年来越来越多人丌始采用数值模拟分析 桩的受力状态，为桩的设计计算提供了一种新的途径。目前采用数值模拟分 析的一个总的特点是：根据所采用软件的特点，以及模拟的关键冈素，可选 择采用有限元方法、边界元法、离散元法等对抗滑桩以及土体、桩土的相瓦 作用进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 5 本论文的主要研究内容 本篇论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 总结滑坡稳定性的计算方法及其评价准则，并由此基础上，对未经支 挡处理的永郎昔格达地层滑坡进行了不同工况下的滑坡安全系数的计算。 ( 2 ) 对两根工程试桩进行f l a c 3 d 数值模拟，通过模拟得到的试验数据与 实际的试验数据进行比较，验证了f l a c 3 d 程序可以应用于岩土工程数值模 拟计算，从而通过模拟试验得到的数据，对滑坡土体以及抗滑桩的参数进行 修正，并应用于工程桩的模拟数值分析试验。 ( 3 ) 建立f l a c 3 d 滑坡模型，通过对现场实际工序的数值模拟分析，预测 工程桩的位移发展情况以及抗滑桩支挡作用的发挥情况。进行数值模拟试验， 减小抗滑桩的嵌固深度，得到在目前的规范条件下，能够满足设计要求的最 小的抗滑桩嵌固深度，提出昔格达地层组中抗滑桩的最小嵌固深度值以及桩 身尺寸、桩长，为今后的工程设计施工提出指导性的建议。 ( 4 ) 根据理论计算出的桩身内力值按混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 进行昔格达岩层中抗滑桩的桩身结构承载力设计，进行配筋计 算，并将配筋结果与设计的配筋量进行比较，从而使昔格达岩层中抗滑桩的 设计能更加合理、经济。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章滑坡稳定性计算及评价 2 1 滑坡概况 西攀高速公路c 4 合同段永郎滑坡，位于安宁河右岸的冰水及山前坡洪积 扇后缘的斜坡上，罗乜沟左侧，永郎互通式a 匝道右侧，为两个滑坡组成的 古滑坡，主滑方向纵长约1 7 5 m ，后部宽8 0 m ，中部宽1 4 0 m ，体积约1 5 3 0 0 0 m 3 ， 主滑方向1 6 2 。，滑体主要由含砾低液限粘土组成，平均厚5 m ，滑床为昔格达 组细砂岩夹泥质粉砂岩，为典型的昔格达滑坡。坡面成圈椅状，横坡由北倾 南，坡角上陡下缓，变化在2 0 3 0 0 间，呈多级台阶式分布，局部为2 0 5 0m 的陡坎，东侧发育一条小沟。斜坡下坡洪积扇长8 0 0 m ，宽1 5 0 - 4 0 0 m ，横坡 由北西缓倾南东，坡角变化在3 7 0 间，为水田早地，局部为1 - 3 m 高的陡坎。 斜坡地面高程变化在1 2 2 5 1 3 1 0 m 问，相对高差约8 5 m ，地表出露含砾低液 限粘土，在罗乜沟左岸沟壁出露的昔格达地层积扇地面高程变化在 1 2 0 0 1 2 2 5 m 间，相对高差约2 5 m ，地表出露含小块石低液限粘土，属侵蚀堆 积地貌地形。拟建公路以路颦形式顺坡角走向通过场地。 图2 1滑坡路基j l 科地质平面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 趟*卜鳃一班帚1川j“一 姬婚亡1星妒1一k一怕一 一旺陌喧平“，暖匦_至出11)剖到叠置媚畔篙io 蝌昧隶犯窜匿蓦f一、一 一匪阻阻蕊一_ 黼睬求叫霉一k 一 一吧函旧串一 餐酥求畦簧j- 一 ；命每蝇嚼 和冬爵丌拙 州博蛘 荽肇嘉图耋想嚣精蠊囡琵耋蠡鋈固篓簧薰嚣田圉 冀薹篾是固冀奏謦撩固 pl 雌器垂f媾悼霹螺2窜删峰目斌一和g一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 昔格达地层可仞分为泥岩和砂岩。其中，砂岩可细分为细砂岩、泥质粉 砂岩，泥岩主要为粉砂质泥岩。另外，在昔格达地层中还含有强度很高的砂 质结核、泥灰岩，它们含量少，但强度高，且较难丌挖，所形成的块体体积 较大。在不同地方，昔格达地层岩性的成分变化也较大。研究表明，昔格达 组属半成岩，其中的粘土岩较致密，砂岩较疏松。粘土岩矿物以伊利石为主， 绿泥石次之，针铁矿少量。砂岩的碎屑成分主要为斜长石，少量为方解石、 石英、黑云母等。粘土岩具微细层里，浸水后容易崩解成鳞片状；砂岩半胶 结状，胶结物为泥质或钙质。 滑坡区岩土体经过工程地质钻探揭露主要为昔格达的基岩和松散土两个 类型，按结构和物理力学性质划分为两个岩性组合类型。 ( 1 ) 昔格达基岩建造类型的基本特征 滑坡区可分为软、硬相间层状细砂层和泥质粉砂岩不等厚互层及泥岩岩 组，由于组成物质不同，岩层的结构、构造有所区别，不同岩性的力学性质 也有差异。基岩主要力学参数统计见表2 1 。 表2 1岩彳i 试验成果统计表 块体密度 抗压强度 填标 天然天然饱和 土名 g c m 3 m p am p a 频数333 细弱 平均值21 6 71 0 7 砂风 m 化 标准差o 0 20 2 5 20 1 1 5 石 变异系数0 0 10 1 5 l0 1 0 8 ( 2 ) 松散土类的基本特征 由残坡积、洪坡积、冰水堆积、滑坡堆积物组成，主要物质成分为含砾 低液限粘土。物理力学性质见表2 2 、表2 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 2 滑带士1 ：实验成果统计表 指标 直剪同结快剪 峰值残值峰值残值 凝聚力摩擦角凝聚力摩擦角凝聚力摩擦角凝聚力摩擦角 cc口c 口 c 口 项目 t ( k p a )( o )( k p a )( o )( k p a )( o )( k p a )( o ) 频数1 81 8 9999 范围值1 2 9 l1 1 8 1 0 5 81 1 61 2 9 39 2 7 标准筹 9 7 2 35 7 0 75 3 7 64 6 49 9 1 55 8 7 4 平均值2 7 2 91 0 7 22 1 7 19 4 42 9 6 1 5 6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 嫖疆 心 一 苎骂 、。 t -寸 一 n n 厶 一 卜 一o n 鹾辎 芝 一 c , i 婿鲻 奇 彳 曲避 岭 v 、 r - 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1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 利用公式( 2 1 ) ，采用上一条块滑动力与抗滑力向f 条块滑动面分别 逐块投影法求得稳定系数厶： 其中有： j ) + e 吵，) 十只 彬= c o s ( a i 一1 一q ) 一s i n ( a , 一l 一口，) 留仍 月l 兀= ”彰+ l 戥+ 2 kk 一l j 2 t f i = 0 r ? 一c v r v , s i n a i 、) t g 妒 + 1 7 j l | r = 彬c o s a j ( 2 _ 2 ) 只= 彬s i n a ，+ c ，彬c o s a ， 图2 - 3 作用于滑体分块上的力系 式中，厶为稳定系数；z 为第f 个条块末端的滑坡推力( k n m ) ：彬为 第f 个条块滑体的重力( k n m ) ；口为第i 个条块所在滑动面的倾角( 。) ；识为 第j 个条块所在滑动面上的内摩擦角( o ) ；c 为第i 个条块所在滑动面上的单 位粘聚力( k p a ) ：三，第f 个条块所在滑动面上的长度( m ) ；p 为作用于第f 条 块的下滑力( k n m ) ；c ，为地震系数；为第f 条块剩余下滑力传至第f + l 块 段时的传递系数。 设安全系数为k ，则各条块的滑坡推力为： z = k ( 形s i n a ，+ c ，彬c o s a ，) + y z i 一( v 6 , c o s o ! j e 彬s i n a , ) t g r # , - c , l , ( 2 3 ) 公式( 2 3 ) 为基本力系作用下的滑坡推力计算，若所得条块的剩余下滑 力为负