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摘要 三峡库区仁沱滑坡稳定分析与支挡结构优化设计 学科：岩土工程 导师：袁继国副教授 作者：张九鹤 摘要 签名 签名 我国是一个多滑坡灾害的国家。滑坡灾害给建筑、水利、铁路、公路、矿山等带来了巨 大的损失。因此，做好滑坡的防灾减灾工作是边坡工程研究的主要目标。本文从三峡库区三 期蓄水后，部分滑坡失稳需要防治这一工程需要出发，系统研究了边坡稳定性分析的各 种方法，科学地分析了不同支护结构在边坡治理工程中的影响效果。并结合仁沱滑坡这一具 体工程实例，提出了该滑坡合理的稳定性分析方法，和有效的支护手段。 本文首先介绍了瑞典法、毕肖普法、传递系数法等其它滑坡稳定性评价的方法，简要介 绍了抗滑桩的设计步骤，需要考虑的各种因素以及挡土墙的设计方法。列举了锚索抗滑桩、 悬臂桩、埋入式抗滑桩不同的设计计算方法。本文在总结前人的研究工作基础上，以重庆三 峡库区仁沱滑坡治理工程为研究背景，分别从一下几个方面做了一些研究工作： ( 1 ) 依据地质背景调查，结合室内外试验，分析了坡体滑动的范围、规模，滑带土体 特征、深度、变形破坏迹象等。对影响滑坡形成的各种条件( 地形地貌、地层岩性、水文地 质条件、人类活动等) 进行了分析，确定了导致滑坡形成的主导因素。 ( 2 ) 利用传递系数法计算在出蓄水前后多种工况组合下，仁沱滑坡的安全系数值，以 此分析对比仁沱滑坡在蓄水前后的稳定状况。在此基础上初步设计了三种治理方案，并对这 三种方案进行了优选，确定了适合本工程实例的最佳方案。 ( 3 ) 结合以上分析成果，运用传递系数法计算出滑坡剩余下滑推力，并综合考虑其它 荷载组合，采用a n s y s 对抗滑桩进行优化设计，从而得到在本工程实例情况下，抗滑桩的最 佳桩间距、桩径和嵌岩深度。再结合其他治理方法，如：排水工程、岸坡防护工程等，从而 确定仁沱滑坡的整体支护方案。 关键词：边坡；稳定性：抗滑桩；挡土墙；优化设计 西安理工大学硕士学位论文 s t a b i l i t ya n a l y s i sa n do p t i m i z e dd e s i g n i n go f s u p p o r t i n g s t r u c t u r eo fr e n t u ol a n d s l i d ei nt h et h r e eg o r g e r e s e r v o i ra r e a d i s c i p l i n e ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a d v i s e r ： a s s o c i a t ep r o f y u a ni i g u o 一 一 m a s t e rc a n d i d a t e ：z h a n gj i u h e a b s t r a c t s i s t h i sa r t i c l ee m b a r k sf r o mt h ep r o j e c ta c t u a ln e e d ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d y st h ev a r i o u sm e t h o d s o fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，s c i e n t i f i c a l l ya n a l y z e st h ed i f f e r e n tr o l e so fs e v e r a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e i ns l o p et r e a t m e n tp r o j e c t f i r s t ，s w e d e nm e t h o d ，b i s h o pm e t h o d , t r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o da n do t h e rm e t h o d so f s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa l ei n t r o d u c e di nt h i st e x t , a n dt h e i rr e s p e c t i v ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n sa l e a n a l y z e d s e c o n d l y , d e s i g ns t e p so fa n t i - s l i d ep i l e ，v a r i o u sf a c t o r sn e e dt ob ec o n s i d e r e d ，a n dd e s i g n m e t h o do fr e t a i n i n gw a l la r eb r i e f l yi n t r o d u c e d d i f f e r e n t d e s i g nc a l c u l a t i n gm e t h o da n d a p p l i c a b l ec o n d i t i o n so fa n t i s l i d ep i l ew i t ha n c h o r 、c a n t i l e v e rp 丑e 、e m b e d d e da n t i - s l i d ep i l ea r e e n u m e r a t e d t h i r d l y , t h i sa r t i c l et a k e ss l o p eo fr e n t u oi nc h o n g q i n gt h i c cg o r g e sr e s e r v o i ra r e aa st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d , r e s t so nt h eg e o l o g yb a c k g r o u n di n v e s t i g a t i o n , u n i f i e st h ei n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n t s ，a n a l y s e st h e s l o p eb o d ye l i d es c o p e , t h es c a l e ，s l i p p e r yb e l ts o i l c h a r a c t e r i s t i c ，d e p t h , d i s t o r t i o nd e s t r u c t i o ns i g na n ds oo n e a c hk i n do fc o n d i t i o nw h i c ha f f e c t s t h es l o p ef o r m s ( t e r r a i nl a n d f o r m ，f o r m a t i o nl i t h o l o g y , h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，h u m a n a c t i v i t ya n ds oo n ) a r ea n a l y z e dc a r e f u l l yo n eb yo n e ，d e t e r m i n e st h el e a d i n gf a c t o r sa n d d e r i v a t i o n a lf a c t o r si nt h el a n d s l i d ef o r m i n gp r o c e s s t h es t a b i l i t yo fr e n t u ol a n d s l i d ea r ec a l c u l a t e d u n d e rm a i nl o a dc o m p o s e du s i n gt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o d f i n a l l y , t h er e m a i n i n gg l i d e t h r u s tc a l c u l a t e db yt h e t r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o d ，a n d c o n s i d e r i n go t h e rl o a dc o m b i n a t i o n ，c a r r y i n gt h r o u g ho p t i m i z e dd e s i g nt ot h ea n t i s l i d ep i l eu s i n g a n s y s ，t h e r e b y , w ec a ng a i nt h eb e s tp i l es p a c e 、p i l ed i a m e t e ra n ds o c k e t e dd e p t h a n ym o r e ， c o m b i n i n gw i t ho t h e rt r e a t m e n tm e t h o d s ，s u c ha s ：d r a i n i n ge n g n e e r i n g 、s l o p ep r o t e c t i o ne n g n e e r i n g a n ds oo n d e t e r m i n i n gao v e r a l ls u p p o r t i n gp r o g r a mo fs l o p eo fr e n t u o k e yw o r d s ：s l o p e ，s t a b i l i t y , a n t i - s l i d ep i l e ，r e t a i n i n gw a l l ，o p t i m i z e dd e s i g n i n g 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的她方外，论文中不包含其他人的研究成果_ 与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和i 成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：螽氐丞逢壹 学位论文使用授权声明 如b ；本人复么稻在导师的指导下创作完成毕业论文，本人已通过论文的答辩 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：，1 ) 。已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论支拓者签毫：幽导师盘朋年乡月日 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究背景 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建 设中最常见的工程形式。边坡在自然与人为因素作用下的破坏形式主要表现为滑坡、滑塌、 和剥落【l j 。就全球而言，滑坡是位于地震、火山之后的第三大自然灾害。我国目前正处于经济 建设高速发展的时期。滑坡给水利、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。1 9 8 9 年1 月l o 日 在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑坡，不仅耗资近亿元进行了治理，而且 是这个发电站推迟发点进一年，给云南省经济建设的整体安排带来了困难。1 9 8 1 年雨季宝成 铁路共发生滑坡2 8 9 处，中断行车2 个多月，抢建建费用达2 5 6 亿元1 2 】。 所谓地质灾害或环境地质问题，是以人类的生存条件( 环境) 为主体而定的。判断一个 边坡是否稳定安全，则取决于边坡所处自然环境与地形、地质环境的了解程度，以及能否把 握住保持边坡安全的基本条件( 或主导因素) 。 顺应性和协调性是治理滑坡的两大准则，其实质是充分利用自然界自身的稳定条件，改 造不稳定部分，使边坡长期处于稳定状态。因此滑坡整治工程大致分为减滑工程和抗滑工程 两点。减滑工程的目的在于不改变滑坡的地形、土质、地下水等的状态。即通过改变滑坡体 自然条件，而使滑坡运动得以停止或缓和。抗滑工程则在于利用抗滑构物来支挡滑坡体运动 的一部分或全部，使其附近及该地区的设施及人民生命财产等免受危害。这类工程主要用来 制止小规模滑坡或部分制止大规模滑坡。常用的抗滑工程主要有挡土墙和抗滑桩等。 长江三峡库区地处四川盆地东部和盆周山地地貌区，多典型的山地、丘陵区，加之库区 特殊的地理条件、复杂的地质环境以及多雨的亚热带季风气候等为地质灾害的发育提供了极 为有利的条件，三峡工程、库区移民等使域内工程建设活动日趋频繁，这些人类工程活动的 影响，致使该区滑坡、泥石流等山地灾害更是频繁发生。库区滑坡、泥石流等山地灾害对域 内经济建设和社会发展重要的直接影响主要表现在以下几个方面：对库区工业与民用建筑 产生严重危害；对航运、铁路、道路交通及运输具有极大影响；威胁城乡居民生命财产 安全、恶化城乡居民生存生活环境；对库区城乡建设及库区移民带来极大困难。无形或隐 伏的间接影响主要表现在这样几个方面：增加城乡居民心理负担，影响社会安定；影响继 续开发资源及发展工商业，阻碍域内城乡经济发展；引发次生灾害，以致造成更大的损失 和影响。 随着国民经济的提高和社会的发展，我国政府及相关部门对地质灾害的防治日愈重视， 国务院于2 0 0 1 年拨了4 0 亿人民币的专款用于三峡库区滑坡的防治，并定时或不定时派有关 专家进行核查，如2 0 0 7 年5 月9 日，国务院三峡建设委员会地质灾害防治工作指挥部组织 国内有关家专家对三峡工程库区影响1 7 5 m 蓄水任务的滑坡等地质灾害情况进行了核查。核查 西安理工大学硕士学位论文 地区包括重庆市的北碚区、开县、万州区、奉节县、巫山县、湖北省的巴东县、株归县和宜 昌市夷陵区等8 个区县。 1 2 边坡稳定性研究概况 1 2 1 国外研究概述 欧美国家从1 9 世纪中叶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，对大中型滑坡一般采取绕避，而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，用人为支挡工程治理滑坡才真正开始，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。支挡工程的发展大概可分 为三个阶段p q j ： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前 1 9 世纪中叶，随着社会的发展，因水运、交通和矿山等设施的建设，滑坡灾害己直接妨 碍人类经济活动，导致西方国家首先开展对滑坡现象的研究。在初期只限于对滑坡的监测。 2 0 世纪2 0 - - 5 0 年代，由于实际工程中滑坡危害日趋严重，在工程地质和土力学的形成和发展 下，滑坡问题已引起更多国家和人员重视当时是以研究实际工程中的滑坡问题为主，多集中 于铁路和水运方面的滑坡。治理滑坡也以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程以挡土墙 为主。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 6 0 年代 二次世界大战后，各国经济发展和国土开发利用下，工程建设涉及更大领域，尤其是在 开发山区和丘陵地带中遇到更多滑坡危害，从而促使滑坡研究系统而深入。其间苏联研究滑 坡防治技术较早。在1 9 5 0 年美国著名土力学家太沙基限t e r z o g h i ) 编写的滑坡机理一文中， 已对滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法和一些工程实例做了较系统的阐述。1 9 5 8 年美 国公路局滑坡委员会编写出版的滑坡与工程实践一书，对滑坡的原因、观测、调查方法 及处理方法等阐述全面，公认为欧美在2 0 世纪4 0 = 5 0 年代中对滑坡防治经验的总结。 实际治理工程中，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 以解决挡土墙施工中的困难。其中欧美国家和前苏联多用钢筋混凝土钻孔灌注桩；日本多采 用钻孔钢管桩，钢管内注入混凝土或水泥砂浆，为了增加桩的抗剪能力，有时在钢管中放入h 型钢。为了提高桩的整体阻滑效果，国外常将两排或者三排桩桩顶用承台联接，形成门式框 架受力，也出现少数打入桩的工况。7 0 年代后期，在日本开始应用大直径的挖孔抗滑桩。 ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代以后 由于滑坡灾害己成为世界性的普遍现象，各国学者愈来愈多的进行了国际交流。于1 9 6 8 年布拉格第2 3 届国际地质大会期间，决定成立“滑坡及其它块体运动”委员会。同时，滑坡研 2 第一章绪论 讨会在经常在各国举行，加快了在滑坡研究方面的信息交流。实际治理工程中，在小直径抗 滑桩应用的同时，为治理大型滑坡，大直径挖孔抗滑桩己经大量使用。与此同时，抗滑支挡 结构的另一个特点是锚索工程在滑坡治理中大量使用，或锚索单独使用，或与抗滑桩联合使 用。由于锚索工程不开挖滑体，施工量小，所以目前被广泛使用。在涉及大型的滑坡体的工 况下，通常抗滑桩、锚索、挡土墙联合使用，达到共同阻滑的治理效果。 ( 4 ) 国际上对滑坡防治研究的三次突破性进展 其一，1 9 5 4 年英国人毕肖普( a w b i s h o p ) 弓i , k 太沙基的孔隙水压力理论于斜坡和滑坡稳 定性计算，是土坡稳定性计算方法研究的一次突破性进展。 其二，1 9 6 4 年英国土力学家斯开普顿( a w s k e m p t o n ) 于超固结的裂隙黏土滑坡研究中 提出“残余强度”理论，在滑坡机理研究上是一次突破，为滑带土强度指标的选择在理论上提供 了依据。 其三，1 9 6 9 年日本学者斋腾迪孝从金属蠕变理论出发提出崩塌性滑坡发生时间的预报方 法，在滑坡预报理论研究上是一次突破性进展。 目前，滑坡灾害己不仅仅为地质学家和土力学家所关注，多部门、多学科的研究已成为 总的趋势。工程地质学家、土力学和土木工程学家以其为重要研究对象之一，而其地貌和地 理学家、地震和气象学家、岩土和岩石力学家，以及数学和结构学家也不同程度地投入研究。 学科之间的相互渗透日益明显，因此建立边缘学科“滑坡学”( 或“滑坡防治学) 的基础己经奠 成，其出现在国际上是指日可待。 1 2 2 国内研究概述 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚，2 0 世纪5 0 年代以来我国各工程部门己经防 治了各种类型的滑坡，结合国情，总结出了避让、修坡、排水、支挡、减重、反压等各种治 理滑坡的原则和方法。虽然我国对抗滑支挡结构的研究和开发应用起步较国外晚，但由于国 家建设中滑坡治理的需要，其发展过程基本上与国外同步，也分三个阶段 3 - - - 6 ： ( 1 ) 被动治理阶段( 2 0 世纪5 0 , - - - 6 0 年代) 5 0 年代初期由于对滑坡产生的条件、作用因素、发生和运动的机理以及滑坡危害性缺乏 认识，在建设中盲目挖方造成滑坡的事故屡屡发生，被迫对己发生的滑坡进行勘察、监测、 研究和治理。期间主要是借鉴前苏联的经验，在滑坡治理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。 ( 2 ) 专题研究阶段( 2 0 世纪6 0 - - , - 8 0 年代) 当人们在实践中逐渐认识到滑坡灾害必须从滑坡的类型、分布、产生条件、作用因素， 以及其发生运动的机理进行深入系统的研究，并提出了滑坡的分类和分布规律、形成滑坡的 地质条件和主要作用因素、滑带土的抗剪强度随着滑坡过程的变化规律、滑坡稳定的判别方 3 西安理工大学硕士学位论文 法，防治滑坡的原则和有效措施等。6 0 年代中期，开始研究设计使用大截面开挖钢筋混凝土 抗滑桩，由于其抗滑能力大，对滑坡体稳定性的破坏小，施工方便，在滑坡治理中被广泛应 用，在治理大、中型滑坡中逐渐取代了抗滑挡土墙。7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩受力 状态和设计理论的基础上，又研究开发了排架桩、钢架桩、椅式桩墙等新的结构形式，节省 了污染和钢材，改善了受力状态，但是因为施工要求很高，应用不广。 1 9 7 4 1 9 7 6 年铁道部门对全国铁路沿线滑坡进行普查，完成了铁路滑坡分类的研究，并 编制成铁路沿线滑坡分布图。与此同时，也开展了“滑带土残余抗剪强度的测试方法”、“抗 滑桩桩周抗力图式与设计计算 和“地质力学方法在岩石滑坡研究中的应用等方面的研 究。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以后 鉴于滑坡灾害对我国经济建设的危害日趋严重，中国科学院于1 9 8 2 年1 月在北京召开的 山地灾害研究规划中，曾布置加强对滑坡灾害的研究。在施工技术方面，随着锚索技术的发 展，在滑坡治理过程中开始大量的采用锚索工程。目前国内应用主要有两种情况：锚索与抗滑 桩联合使用，即锚索抗滑桩：使用锚索单独稳定滑坡。2 0 世纪9 0 年代以来，压力注浆加固手 段及框架锚固结构越来越多的用于滑坡处治。改革开放以来，对滑坡防治的要求也更高，对 滑坡由点的研究和治理发展到点、线、面的综合治理研究。经过对滑坡的深入研究，对滑坡 的发生时间和规模预报也取得了突破性进展。经过对滑坡的深入研究，对滑坡的发生时间和 规模预报也取得了突破性进展。经过对滑坡的深入研究，对滑坡的发生时间和规模预报也取 得了突破性进展。经过对滑坡的深入研究，对滑坡的发生时间和规模预报也取得了突破性进 展。 1 3 边坡支护工程研究现状 1 3 1 概述 目前滑坡防治措旌主要有以下几个方面1 7 2 1 ： ( 1 ) 避绕措施 如修建公路、铁路可采取绕道、架桥、或开挖隧道，避开滑坡区。湖北巴东县城因计划 兴建三峡工程而搬迁到新的地方，却将新的城址却选建在古滑坡体上，造成人员大量伤亡， 经济严重受损，这是一个沉重的教训。 ( 2 ) 排水整治 由于水是形成滑坡的重要作用因素，特别是作用于滑动面( 带) 的水增大滑带土孔隙水压 力，减少阻滑力，因此地下排水工程总是治理滑坡中首先应考虑的措施，治滑必先治水，排 水整治的措施有： 外围排水：拦截，旁行，修天然排水沟，截水自沟： 4 第一章绪论 内部排水：采取防渗和引出滑坡体外的措施，修天然沟，支撑自沟，自洞，孔群排水 等。国内外对平孔排水的进行大量应用和改进。 ( 3 ) 减重与反压 减重与反压工程是经济有效的防治滑坡的措施，目前得到广泛应用。特别对厚度大的、 主滑段和牵引段滑面较陡的滑坡效果更明显。但其合理应用则需先行准确判定主滑、牵引和 抗滑段落。在前者部位减重；在后者部位反压。具体如下： 用削方减重：适于上陡下缓，岩体比较稳定的滑坡，不适于牵引式滑坡或卸荷膨胀性 滑坡： 加载反压，在坡脚堆填起反压作用。 ( 4 ) 支挡结构工程 滑坡由切割坡脚所引起的，以支挡为主，各种支挡构筑物应修建在滑动面以下的稳定的 地层中。支挡工程的主要发展表现在一大、二锚、三小即大直径抗滑桩、锚索和微型桩的研 究和应用。支挡结构主要有： 抗滑挡土墙：多为重力式挡土墙，若总推力太大，可分级支挡； 抗滑桩：适用于深层滑坡和各类非塑性流滑坡，对缺乏石料的地区和处理正在活动的 滑坡更为适宜； 锚杆挡墙：滑坡推力作用在挡板上，由挡板将滑坡推力传于肋柱，再由肋柱传给锚杆 上，最后通过锚杆传到滑动面以下的稳定地层中，靠锚杆的锚固力维持整个结构和滑体的稳 定性。 虽然到目前为止，国内外在治理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。 1 3 2 抗滑桩研究现状 在滑坡治理工程中，抗滑桩主要承受侧向荷载，它与建筑地基和桥梁桩基中承受竖向荷 载桩的性质不同。后者为直接承受荷载并主动向土中传递应力的“主动桩 ，而抗滑桩并不直 接承受外荷载的作用，只是当滑坡岩土体在自身重力或其它外因作用下发生变形时，而被动 地承受滑坡体变形所产生的荷载，所以，抗滑桩又称为“被动桩”1 1 3 - 1 4 。抗滑桩与滑坡岩土 体相互作用的过程非常复杂，有关考虑二者相互作用过程的设计计算方法，国内外学者进行 了广泛深入的研究，但许多方面研究的仍不充分，有待于更进一步的发展。 1 3 2 1 国外研究现状 国外对于抗滑桩设计计算方法的研究主要针对承受岩土体侧向荷载作用的被动桩，尤其 是海港工程、堤坝工程中承受岩土体侧向变形作用的被动桩。对于承受土体水平荷载桩和桩 群的设计计算，已提出了许多的方法。s t e w a r tc ( 1 9 9 4 ) 等1 禾1 5 1 ，进一步将现有的方法归纳 西安理工大学硕士学位论文 为：压力法、位移法和有限元法。 ( 1 ) 压力法：该法根据试验资料和工程经验设定无桩时土体自由侧向荷载的大小和分布， 然后将该侧向荷载作用于桩上，从而计算桩身内力和位移。 b e g e m a n n 和d e l e e u w i l 6 】提出在地面荷载作用下，土体将发生变形，计算土体变形后作用 于桩上的荷载时，可近似认为桩是刚性的，并按等值板墙考虑，土体侧向位移和水平应力分 布用弹性方法计算。d e b e e r 和w a l l a y s r 7 1 提出当土堤的安全系数大于1 6 时，作用于被动桩桩 侧的水平压力按线性分布计算，然后根据力学平衡计算桩身内力和位移；当安全系数小于1 6 时，首先确定桩抗滑作用的最危险滑动面，然后假定桩所受土压力为极限土压力，以桩头为 转动中心，根据力的平衡条件来确定桩的有效深度，从而计算出桩身内力和位移。 t s c h e b o t a r i o 一1 8 】假设作用于软土层内的桩上土压力呈三角形分布，并根据n i c u 等的现场试验 资料来确定出土压力的最大值，据此计算桩身内力和位移。 ( 2 ) 位移法【3 】：该法可以分析桩一土相互作用，但必须己知无桩时土体自由侧向位移分 布，然后把这位移叠加到桩上，可以求得桩的弯距和位移分布情况。 p o u l o s 1 9 】提出了弹性土体中单桩的有限差分边界元分析法。该法将桩用弹性薄条模拟，桩 土相互作用根据半无限弹性体的m i n d l i n 方程计算，作用于桩上的极限压力要计入桩周土体 的塑性屈服，在考虑土体的连续性及性状随深度变化后，得出了单桩各种计算图式，并分析 了桩的刚度、边界条件、土的屈服等情况下桩的各种计算图式。与p o u l o s 1 9 】的弹性法不同， 用地基反力法分析承受土体侧向荷载桩时，没有考虑地基的连续性，利用现场实测土体自由 0 4 1 。 位移和考虑了地基性状随深度变化的计算结果，采用控制方程日* = k ( y - y , ) ( y 和y ，分 以z 别为桩和土的位移，k 为地基反力模量) 计算桩身的内力和位移，结果与实测值较为一致。 b o u r g e s 等和b i g o t 等用非线性弹簧( 即p y 曲线) 模拟土体，采用地基反力法分析桩土相互作 用，计算桩的内力和位移，得到的结果与实测值较为一致。b i g o t 等根据实测土体自由位移， 计算桩的弯距和位移，得到的结果与实测值也较为一致。m m a u g e r i ，e m o t t a 2 1 假定作用于桩 上的荷载与桩一土的相对位移近似为一种非线性双曲线性函数，利用位移法根据地基反力法 的概念进行了桩身内力和位移的计算，在土体位移与实测位移相近的情况下得出结果较为一 致。 ( 3 ) 有限元法：有限元法分为平面应变分析和三维分析两种情况。通常采用平面应变分 析桩一土相互作用时，桩用等值板墙模拟，其抗弯刚度等于桩一土的平均抗弯刚度【3 】，即 e i = e , b 厶+ 邑厶( 其中e 、，分别为等值板墙的弹性模量和惯性矩；e 、l 分别为桩的弹性 模量和惯性矩；既、，。分别为土的弹性模量和惯性矩) ，从而把桩群直接分成有限元网格进行 计算。k x l i u 等f 2 2 】用平面应变有限元分析桩土相互作用时，提出考虑梁弯曲性状和桩一土 接触面关系的有限元模型，在该模型中用4 个接触面单元环绕1 个梁单元组成1 个新单元， 6 第一章绪论 新单元的刚度矩阵通过梁截面所受荷载建立，计算结果与实测结果较为接近。当用三维有限 元分析桩一土相互作用时，桩用等值梁模拟，其抗弯刚度取桩的实际抗弯刚度，将土体和桩 分别进行有限元网格划分。b r a n s b y 等瞄】使用三维有限元分析桩一土相互作用时，将土体按线 弹性模型分析，桩体按纯弯梁模型考虑，分别进行有限元网格划分，计算结果与离心模型试 验结果较一致。 有限元法使用起来较为复杂，模型中的土石接触单元和桩一土接触单元不易处理，参数 也难以确定，将该法应用于滑坡治理设计方面的研究，在现有文献中涉及的很少，但是由于 该法能够较准确地模拟介质和荷载条件，并能够较好的分析抗滑桩与滑坡岩土体相互作用的 动态过程，所以在几种方法中最有发展潜力，如何将该方法应用于滑坡治理工程设计是其主 要发展方向。 1 3 2 2 国内研究现状 国内对于抗滑桩设计计算方法研究主要集中于加固岩土体边坡方面，尤其以加固大、中 型破碎岩体滑坡为主【1 4 】。对于普通抗滑桩的设计计算，国内学者提出了许多方法，这里也将 其归纳为：压力法、位移法和有限元法。 ( 1 ) 压力法： 在进行普通抗滑桩设计计算时，通常将滑坡推力作为外荷载作用于抗滑桩上，桩土相 互作用的力学模型一般采用线弹性w m k l e r ( 文克勒) 地基梁模型。这种计算方法与上面提到的 压力法类似，在此也将其称为压力法。用这种方法对全埋式抗滑桩进行设计计算时，由于对 滑动面以上桩前滑体所产生的作用假定不同，又可将其分为两种【1 2 j ：一是悬臂桩法，该法将 抗滑桩受荷段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己知外 力，并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在受荷段桩身的设计荷载。然后根据滑动 面以下岩土的地基系数以及桩底的支撑条件分别计算嵌固段桩身的内力和位移。桩的计算图 式，相当于嵌固在滑动面以下的悬臂结构，故称为悬臂桩计算法。该方法出现早，计算简单， 在工程实际中应用较广。二是地基系数法，该法将抗滑桩自由段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， 计算中没有考虑滑动面的存在及影响。该方法只有当计算出的桩前土体的弹性抗力小于或等 于桩前土体实际具有的剩余抗滑力时才合理，因为当计算值大于桩前土体实际剩余抗滑力时， 桩前土体实际上已经失稳，所以应将桩前土体实际具有的剩余下滑力作为桩前土体弹性抗力， 解出桩前土体此时的地基系数后，再进行桩身内力和位移的计算。 ( 2 ) 位移法： 国内对于用位移法进行抗滑桩设计计算也进行了一些研究，通常是建立位移法模型分析 桩一土相互作用，计算桩身内力和位移。励国1 皂1 2 4 1 考虑滑动面以上桩后滑体和桩前滑体与抗 滑桩相互作用的特点，提出了桩一土相互作用的位移法模型。该模型根据文克勒弹性地基模 型原理，建立桩身挠曲微分方程，然后假定滑体发生一个系统允许的整体位移进行迭代计算， 7 西安理工大学硕士学位论文 将滑动面处桩身剪力等于剩余下滑力作为迭代收敛条件，从而解得桩身内力、位移和地基抗 力。刘小丽【4 】对励国良的位移法模型进行了改进，提出一种改进的位移法模型。该模型将滑坡 推力作用到抗滑桩上的过程，假定为桩后滑体与抗滑桩相互作用的过程，同时将桩前和桩后 土压力等效为作用在桩身上的弹簧应力，然后分别建立滑动面以上和滑动面以下桩身挠曲线 方程，然后假定桩后滑体发生一个系统允许的整体位移对自由段桩身挠曲线方程进行迭代计 算，将作用在桩身上弹簧应力的合力等于桩后滑坡推力作为迭代收敛条件，从而解得桩身内 力、位移和地基抗力。改进的位移法模型能考虑滑坡推力随桩身变形、桩周岩土体变形而不 断调整自身的大小和分布，同时将桩后滑体作为迭代收敛条件，通过将求出的桩前土压力和 剩余下滑力进行比较，校核桩前滑体稳定性，使设计更加趋于合理。 ( 3 ) 有限元单元法： 对于用有限元法直接进行抗滑桩设计计算的研究，国内外现有文献中还没有这方面的介 绍。目前主要通过建立室内大型模型实验分析桩一土相互作用体系受力和变形的性状及一般 趋势。娄奕红等【2 5 】提出用有限元和无限元耦合的方法，分析大变形条件下砂箱模型中桩一土 相互作用体系的受力和变形。该方法在桩土接触面设置一种有厚度的接触面单元，并且将 其与岩土体弹塑性模型单元相连接，据此反映接触面及其临近区域剪切破坏带的变形特性， 桩身受力和变形的计算结果与试验结果吻合较好。周长春等 2 0 q 提出用有限元、接触面单元和 无限元耦合的方法分析桩土相互作用，计算桩前和桩后的岩土抗力。该方法用空间2 0 节点 有限元进行近域桩和土的分析，用空间1 2 节点无限单元分析远域土，同时在桩一土接触面引 入空间1 6 节点接触面单元，从而将3 种单元耦合对桩土相互作用进行弹塑性分析，分析中 采用修正剑桥模型模拟近域土体，对桩土接触面和远域土体按非线性考虑，桩后和桩前岩 土抗力计算结果与实测结果相差较大，但二者分布规律基本一致。 1 4 研究内容和方法 综上所述，边坡的稳定性评价与治理工程方法众多，边坡的稳定性受复杂岩土环境的影 响，与坡体的治理形式密切相关。本文在总结前人的研究工作基础上，结合国务院三峡建设 委员会“重庆市三峡库区三期地质灾害防治工程一课题，针对仁沱滑坡这一具体实例，主要 从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 根据勘察、室内外试验资料，对仁沱滑坡的工程地质条件( 地形地貌、地层岩性、地 质构造、不良地质作用、地下水的影响、等情况) 、环境条件( 库区水位的升降、地表降水等) 等作出合理分析，确定影响该滑坡稳定的主要因素。 ( 2 ) 运用不平衡推力传递系数法，对滑坡的稳定性进行了定量计算； ( 3 ) 根据评价结果，给出了治理措施的建议； ( 4 ) 对支挡结构进行了优化设计： 根据传递系数法计算出滑坡剩余下滑推力； 8 第一章绪论 确定初步设计方案，建立滑坡计算模型，选取计算参数； 分别对桩间距、桩径、桩身嵌岩深度三个方面进行优化设计，从而得到在本工程实例 情况下，抗滑桩的最佳桩间距、桩径、和嵌岩深度。 利用上述计算结果，结合挡土板的平面布置，同时综合考虑各方面因素，确定合理的整 体支护方案。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 边坡稳定性分析及计算 2 1 边坡变形破坏形式 边坡在自然或人为因素作用下会产生滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩，这些表面上看 似斜坡岩土体运动的不同表现形式，但随时都可能带来严重的破坏，甚至是灾难。在实际工 程中，为满足不同工程用途的需要，边坡设计形态多种多样，边坡的分类通常有： ( 1 ) 按照边坡的成因可以分为天然边坡和人工边坡。天然边坡是自然形成的山坡江河 湖海的岸坡。 自然形成的山坡江河湖海的岸坡。 ( 6 ) 根据使用年限分为临时性边坡和永久性边坡。临时性边坡是指工作年限不超过两年 的边坡；永久性边坡是指工作年限超过两年的边坡。边坡横断面外形和各部位名称如图2 2 所示【l j o 1 0 i i 基坑 i i ( a ) 直立边坡 ( b ) 倾斜式边坡( c ) 台阶式边坡 图2 - 1 边坡基本形态 f i g 2 一it h eb a s i cf o r mo fs l o p e 坡肩坡顶 r fj 滁l 滁 坡面 坡高 尽 坡底坡址尉角 图2 - 2 边坡构成要素 f i g 2 - 2s l o p ee l e m e n t s 第二章边坡稳定性分析及计算 ( a ) 整体滑坡； ( b ) 牵引式滑 ( c ) 推移式滑坡 图2 3 边坡滑动特征 f i g 2 - 3s l o p es l i d i n ge h a r a c t e r i s t i c s 滑坡：斜坡上岩土体在重力作用为主下，由于种种原因改变斜坡体内一定部位的软弱带 ( 或软弱面) 中的应力状态，或因水和其它物理、化学作用降低其强度，以及因震动或其它作 用破坏其结构，该软弱带在应力大于强度下产生剪切破坏，带动其上部的岩土体失稳而作整 体、或几大块岩土体发生向下或向前的滑动的现象【1 2 】。滑坡具有蠕动变形、滑动破坏和渐趋 稳定三个阶段。 在实际工程中，由于设计或施工不当，或因地质条件的特殊复杂性难以预计，边坡中一 部分坡体相对于另外一部分坡体产生相对位移以致丧失原有稳定性，重而形成滑坡。其滑动 形式可分为以下三类，如图2 - 3 所示【l j ： ( 1 ) 牵引式滑坡主要是由于边坡开挖卸载，坡体内部应力释放，原有平衡状态被打破， 在坡顶后缘一处位置产生拉裂缝，随着边坡开挖深度的增加，裂缝逐渐向后发展，滑动面位 置应由浅部向深部发展。 ( 2 ) 推移式滑坡主要由整个路堤( 或堤坝、土坝等) 向下滑动，推动坡体变形或破坏， 坡顶出现明显的下沉，并出现拉裂缝，形成台阶；坡脚附近的地面有较大的侧向位移并向上 隆起。 ( 3 ) 整体式滑坡则是由坡体开挖或填筑，破坏了整个古滑坡体的平衡状态，致使整个古 西安理工大学硕士学位论文 滑坡体复活，在整个坡面上均出现大小不同的拉裂缝，坡脚产生明显的向上隆起。 2 2 边坡稳定性分析基本理论 边坡一般是指具有倾斜坡面的土体或岩体，由于坡表面倾斜，在坡体本身重力及其外力 作用下，整个坡体有从高处向低处滑动的趋势，同时，由于坡体上( 岩土自身) 具有一定的 强度和人为的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。在工程设计中，判断边坡稳定性 的大小习惯上采用边坡稳定安全系数来衡量。1 9 5 5 年，毕肖普( a w b i s h o p ) 明确了土坡稳 定安全系数的定义： e ：2 ( 2 1 ) f 式中：巧沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； f 沿整个滑裂面上的平均剪应力； e 边坡稳定安全系数。 e 1 ，土坡稳定；c 2 5 属于弹性桩； 式中口一桩的变形系数( m j ) ，其值为： 1 口= ( 鲁) - 2 ) e ll 其中m 地基随高度变形的比例系数；其余符号同前。 一、抗滑桩设计要求 在设计前，应根据如下条件初步确定布桩位置和桩型： ( 1 ) 滑坡剩余下滑力分布情况。 ( 2 ) 滑坡体微地形地貌。 ( 3 ) 地下水位、库水位。 ( 4 ) 滑床嵌固岩体强度。 抗滑桩设置后必须满足下列条件： 设置抗滑桩的滑坡体具有足够的稳定性，即抗滑稳定系数应达到规定的安全值，滑体 不越过桩顶或从桩间滑动，不产生深层滑动； 桩身要有足够的强度和稳定性，桩的断面和配筋合理，能满足桩内应力和桩变形的要 求： 桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内； 抗滑桩的桩位一般宜设在滑坡体较薄、锚固段地基强度较高的地段，其平面布置、桩 径、埋深等应综合考虑，达到经济合理、技术可行。 一般情况下，推力较大、受荷段较长、嵌固段在长年地表水位以上地段布桩时，宜采用 锚索抗滑桩； 推力较小、受荷段较短、嵌固段在长年地表水位以下地段时，宜采用悬臂桩； 推力较大、受荷段较长、嵌固段在长年地表水位以下、且布桩地段地形较平缓，可考虑 采用埋入式抗滑桩。 对岩体滑坡或滑体强度远大于滑带强度的滑坡采用下沉式抗滑桩更为经济。 二、滑桩上的荷载 作用于抗滑桩的荷载主要有滑坡推力、受荷段及锚固段地层抗力、桩侧摩阻力与粘着力， 西安理工大学硕士学位论文 以及桩底应力等。抗滑桩截面大，相应桩周面