（岩土工程专业论文）桩与地梁结构设计计算及工程应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文结合科研项目京珠高速公路粤北段高陡边坡防治技术研究，对滑 坡推力的计算、预应力锚索抗滑桩和预应力锚索地梁的设计计算方法进行了 详细的分析和研究。针对现有滑坡推力计算方法单一、实用性差的特点，将 常见的各种类型边坡按滑动面形式分为5 种类型，分别给出了这5 种类型滑 动面形式下的滑坡推力计算方法。对于预应力锚索抗滑桩结构，着重分析了 锚索初始预应力的确定问题。提出应在满足设计条件的前提下，根据桩体在 长期荷载作用下内力分配比较合理的条件确定锚索初始预应力值。对于作用 于地梁上的坡体荷载，提出在锚索张拉阶段可按w i n k l e r 地基假定或弹性半无 限体地基假定来计算，在工作阶段则一般可以近似按库仑主动土压力理论计 算。提出了预应力锚索地粱的内力分析方法，指出地梁内力应该分锚索张拉 阶段和工作阶段分别进行计算，取二者的最不利组合作为设计地梁的基本依 据。在张拉阶段，可以采用温克尔假定计算破碎软弱岩体上的地梁内力；对 于有较好弹性性质的地层，则可按弹性半无限体地基计算地梁内力。在工作 阶段，可直接按倒扣于坡面上的连续梁来计算地梁内力。运用本文的研究成 果对工程实例进行了计算分析，同时通过大型室内地质力学模型试验对坡体 的稳定性、抗滑结构的内力特征进行了研究，实测结果与计算结果的对比分 析表明了本文计算方法的可行性。 关键词边坡；滑坡推力；预应力锚索抗滑桩；预应力锚索地梁；模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e p r e v e n ta n ds t u d yo fs l o p ed i s a s t e r i nt h e b e i j i n g - z h u h a ih i g h w a y , t h i s t h e s i s d e v e l o p s t h er e s e a r c ho ft h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so fl a n d s l i d e - t h r u s t ，a n t i s l i d e p i l e w i t h p r e s t r e s s e d a n c h o r - c a b l ea n d p r e s t r e s s e da n c h o r - c a b l eb e a m o n - f o u n d a t i o n i no r d e r t om o d i f yt h ed i s a d v a n t a g e o ft h ee x i s t i n gm e t h o df o rc o m p u t i n gt h el a n d s l i d e t h r u s tt h a ti sn o ta p p l i c a b l ef o r l a r g e rs c o p e ，f i v et y p e so f t h es l i ps u r f a c e sh a v eb e e ng i v e nw i t ht h ec o m p u t a t i o n f o r m u l ao fl a n d s l i d e - t h r u s t r e s p e c t i v e l y w i t h r e g a r d t ot h e p r e s t r e s s e d a n c h o r - c a b l ea n t i - s l i d ep i l e ，ar e a s o n a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ep r e s t r e s so ft h e c a b l ei s g i v e n 。s l o p ep r e s s u r eo nt h eb e a m o n - f o u n d a t i o n c a nb ec a l c u l a t e db y w i n k l e rf o u n d a t i o nh y p o t h e s i so ri n f i n i t eh a l fe l a s t i cf o u n d a t i o nh y p o t h e s i so nt h e p u l l i n g a n c h o r c a b l e s t e p a n d b y c o u l o m ba c t i v ee a r t h p r e s s u r et h e o r y a p p r o x i m a t e l yo nt h el o n g t e r mw o r k i n g s t e p i na d d i t i o n ，c a l c u l a t i o nm e t h o d s o f i n t e r n a lf o r c eo fp r e s t r e s s e da n c h o r - c a b l eb e a m o n - f o u n d a t i o na r ep r o v i d e d i ti s m a i n l ys h o w nt h a ti n t e r n a lf o r e eo fp r e s t r e s s e da n c h o r - c a b l eb e a m - o n f o u n d a t i o n s h o u l db er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e do nt h ep u l l i n ga n c h o r - c a b l es t e pa n dl o n gt e r m w o r k i n gs t e p t h ew o r s tc o m b i n a t i o n o fi n t e r n a lf o r c eo nt h et w od i f f e r e n ts t e p si s t h eb a s i so fd e s i g nf o rt h eb e a m o n f o u n d a t i o n o nt h ep u l l i n ga n c h o r - c a b l es t e p ， t h ei n t e r n a lf o r o eo fb e a m o n f o u n d a t i o nc a nb ec a l c u l a t e db yw i n k l e rh y p o t h e s i s i nt h ec a s eo fw e a kr o c km a s sa n di n f i n i t eh a l fe l a s t i cf o u n d a t i o nh y p o t h e s i si nt h e c a s eo fs t r a t u m st h a ta r eo fs o m ee l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c s o nt h el o n gw o r k i n gs t e p ， i n t e r n a lf o r o eo fb e a m - o n - f o u n d a t i o nc a nb ec a l c u l a t e da si n v e r s ec o n t i n u o u s b e a mo nc u t t i n gs l o p es u r f a c eo p e r a t e db ys l o p ep r e s s u r ew i t hl i n e a rd i s t r i b u t i o n t h e e n g i n e e r i n gi n s t a n c eh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，a tt h es a m et i m e ，t h ei n n e rg e o l o g y m e c h a n i c a lm o d e lt e s th a sb e e nc a r r i e do u t ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t sh a s s h o w nt h a tt h ec o n e l u s i o n sa r er a t i o n a l i t ya n da c c u r a c y k e yw o r d ss l o p e ；l a n d s l i d e - t h r u s 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 r c a b l e ； p r e s t r e s s e da n c h o r - c a b l ef o u n d a t i o n - o n b e a m ；m o d e lt e s t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的主要内容及意义 边坡工程是类常见而重要的岩土工程，在人类经济活动的许多行业都 存在着，如：公路( 高速公路) 、铁路、水利、矿山、国防等等。边坡工程完 成的好坏，对于主体的正常运转有着非常重要的作用。边坡工程中常见的主 要有两类问题，是自然坡体由于地质力学等原因可能造成的天然滑坡：另 一类则是由于主体工程需要开挖天然边坡致使坡体中原始地应力场的应力重 分布而导致可能的边坡失稳滑动。在各类边坡工程中，开挖岩石高边坡工程 是十分常见而重要的，往往由于其复杂的地质结构而成为边坡工程中的重点 与难点，并经常成为主体工程的重要影响因素。因而，开挖岩石高边坡工程 是岩土工程领域的重要研究内容。本项研究讨论的就是开挖岩石高边坡工程 这一重要课题。对于开挖岩石高边坡工程，人们最为关注的是坡体开挖后的 稳定性分析评价以及据此采取相应的处理整治措施，它直接涉及到人类生产 活动的安全问题。经过多年的工程实践和理论研究，国内外在边坡病害防治 的各个方面都取得了很大成就，其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速，预 应力锚索地梁( 包括单梁和框架梁) 、抗滑桩( 包括普通抗滑桩和预应力锚索 抗滑桩) 等新型结构在工程实践中的大量应用，使整治大、中型岩石高边坡 成为可能。 预应力锚索地梁和抗滑桩等新型抗滑结构虽然已经在工程中大量应用， 但其设计计算理论研究远远滞后于工程应用。在国家标准或行业标准的相关 设计规范“3 如铁路路基支挡结构设计规范( t b l 0 0 2 5 2 0 0 1 ) 、公路路基 设计规范( j t j 0 1 3 9 5 ) 以及建筑地基基础设计规范( g b j 7 8 9 ) 中还没 有对其具体设计计算原则和方法做出相应说明和规定。因此，目前各边坡设 计单位一般按照各自的计算方法并根据工程经验进行设计，设计计算方法差 别较大，治理效果各异。 基于上述原因，加强设计理论研究，制定相应的规范，是一项十分紧迫 的工作。鉴于此。本文主要结合广东省交通厅科研项目京珠高速公路粤北 段高陡边坡防治技术研究，开展了这方面的研究，重点对作用于坡体加固支 挡结构上的荷载、预应力锚索抗滑桩和预应力锚索地梁等新型抗滑结构的设 计计算理论进行研究。由于该段边坡地形陡峭、地质条件复杂，整治工程措 施具有代表性，可对其他高等级公路建设中的高边坡设计和旌工提供借鉴， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 更好的为山区公路建设服务。 1 1 1 滑坡推力计算 岩石高边坡工程开挖完成后，对坡体的处理一般分为两种情况。其一为 对稳定的坡体进行适当地防护，其二为对不稳定的坡体施以必要的加固支挡 措施，以确保坡体稳定。对于实际工程中的许多不稳定坡体，都要施加加固 支挡结构，由于变形协调，在坡体与结构之间便会产生相互作用，于是就产 生了作用于加固支挡结构上的滑坡推力。它与坡体开挖松弛区的位置、松弛 区范围内坡体地质力学结构以及加固支挡结构的形式等因素都有密切的关 系。作用于加固支挡结构上的滑坡推力能否合理地确定，直接关系到结构设 计的合理性。结构上的滑坡推力计算过大，则造成结构设计的保守，而导致 工程造价上的浪费；若结构上的滑坡推力计算过小，又会导致所设计的结构 不能满足坡体安全稳定的需要。因此，合理地确定作用于加固支挡结构上的 滑坡推力，是保障结构有效经济地加固支挡坡体的重要前提，不仅具有重要 的理论意义，而且具有非常重要的社会经济意义。 1 1 2 结构内力分析 边坡稳定分析中两个最基本的力学因素就是抗滑力( 矩) 与下滑力( 矩) 。 当抗滑力( 矩) 大于下滑力( 矩) 时，坡体呈现稳定状态：当抗滑力( 矩) 小于下滑力( 矩) 时，坡体则处于不稳定状态。边坡的支挡加固就是采用各 种支挡加固措施主动增加抗滑力，从而增大边坡的稳定系数。采用支挡措施 时，边坡稳定性增加体现在增大的抗滑力是由支挡结构直接提供的，即支挡 结构提供阻碍坡体滑动的抗力。采用加固手段时，一种情况是在滑面上直接 提供或增大岩土体的抗剪强度，进而使坡体达到稳定状态。对于岩石高边坡 开挖工程，常常由于坡体较为复杂的地质力学结构雨使得传统的重力式挡土 墙、悬臂式挡土墙、扶臂式挡土墙等结构不适用或不能单独采用。一些新型 的加固支挡结构逐渐出现在岩石高边坡中，如：抗滑桩( 预应力锚索抗滑桩) 和预应力锚索地梁等。这些新型加固支挡结构的出现，极大丰富了岩石高边 坡工程的整治处理手段。然而，如前所述，由于工程应用超前于理论研究， 使得目前这些加固支挡结构的设计计算理论还不成熟，还基本上处于凭经验 设计的阶段，因此寻求较为合理的设计计算理论就显得尤为必要。因此，本 文将在岩石高边坡新型加固支挡结构内力计算理论上做出探讨，以求得较为 符合实际的计算分析理论，满足工程实际的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定性分析的研究现状 边坡稳定性分析过程的一般步骤为：实际边坡+ 力学模型数学模 型计算方法+ 结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法 的研究，即边坡稳定性分析方法的研究。不同的边坡工程常常赋存于不同的 工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条 件。因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理有效地选用与之相适应 的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。从边坡工程研究发展历程可见， 边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展的 过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老的方法又不断得到改进，且 逐步由定性向半定量、定量的方向发展。边坡稳定性分析方法大致可以分为 定性分析方法和定量分析方法两大类，其中定量分析方法又大致可分为3 类， 即极限平衡法、数值分析法和概率分析法“1 。 ( 1 ) 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、 可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及 其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状态及其可能发展趋势 的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快 速地对边坡的稳定状态及其发展趋势作出评价。常用的方法主要有历史分析 法、工程类比法、图解法等n 1 。 ( 2 ) 定量分析方法 极限平衡分析法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种分 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“3 。毕肖普( b i s h o p ，1 9 5 5 ) 提 出的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“。基于 瑞典条分法的基本思想和b i s h o p 法关于安全系数的定义，出现了多种形式的 条分法。如简布( j a u b u ，1 9 5 4 1 9 5 7 ，1 9 7 2 ) 的“普遍条分法”“”、斯宾 塞( s p e n c e r ) 法“”、摩根斯坦一普赖斯( m o r g e n s t e r n p r i n c e ) 法1 等。 我国水利水电科学研究院陈祖煜在m o r g e n s t e r n 指导下，对m o r g e n s t e r n p r i n c e 法进行了有益的改进，在此基础上提出了边坡稳定分析二、三维塑性 力学上、下解方法“。沙尔玛( s a r m a ) 法“”采用假想的临界水平地震加速 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 度作为衡量边坡稳定程度的标准。这样可以不用试算或迭代，从而使计算工 作大为简化。国内提出的分析固定滑面的传递系数法“”也得到了广泛的应用。 对于基岩滑坡的稳定性分析方法，除了岩体破碎时的稳定性分析方法与土质 边坡相同外，般分为平面滑坡和空间滑坡进行分析，基本的分析方法有分 块极限平衡法、传递系数法、分块叠加法、水平投影法等”1 。近年来，人们都 已经把这些方法程序化了，有的还把有限元方法引入到极限平衡分析法中， 先通过有限元方法计算出可能滑面上各点的应力，然后再利用极限平衡原理 计算滑面上的点安全系数及沿整个滑面滑动破坏的安全系数1 。与其它方法 相比，极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化假定。该方法抓住了问题 的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较 满意的结果。因此它仍是目前应用最多的一种分析方法。 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用较普遍的分析方法。主要有有 限元法、边界元法、离散元法、块体理论与不连续变形分析“等，其中有 限元法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用，也是目前最广 泛使用的一种数值分析方法。目前，已经开发了多个二维及三维有限元分析 程序，可以用来求解弹性、弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是部分 地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与 分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我 们近视地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈 服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。它还不能很好地求解大变形和 位移不连续等问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。 从】9 8 1 年开始，孙君实根据潘家铮( 1 9 7 7 年) 提出的极小值原理和极大 值原理，利用塑性力学中的塑性极限分析法，建立和发展了一种新型的稳定 性分析理论模糊极值理论，孙君实的工作是我国在边坡稳定性计算方法 上的一个突破，使我国在这方面的研究工作处于世界前列“。 理论与实践均证明，影响岩质边坡工程稳定性的诸多因素常常都具有一 定的随机性，它们多是具有一定概率分布的随机变量。7 0 年代中后期，加拿 大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理论引用到边坡岩 体的稳定分析中来。该方法的原理是首先通过现场调查，以获得影响因素的 多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数，再 利用某种可靠性分析方法，如可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求 解边坡岩体的破坏概率即可靠度“”。祝玉学( 1 9 9 3 ) 把在规定的条件下和规 定的实用期限内，安全系数或安全储备大于或等于某一规定值的概率，即边 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 坡保持稳定的概率定义为可靠度。”。我国的岩土工程勘测规范( g b 5 0 0 2 1 - - 9 4 ) 第3 6 1 1 条已明确指出，大型边坡设计除按3 6 1 0 条边坡稳定系数 值计算边坡的稳定性外，尚宜进行边坡稳定的可靠性分析，并对影响边坡稳 定性的因素进行敏感性分析。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概率 足够小，小到人们可以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠的。近年 来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了 一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获得， 各因素的概率模型及其数字特征等合理选取问题还没有得到很好的解决。另 外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 6 0 年代以来，地质模型试验广泛的应用于边坡研究”。研究内容主要 是模拟岩体的断层，破碎带、软弱夹层等不连续构造对结构的应力分布和变 形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题。着重研究结构超出弹性范围以外 的性能，故仅考虑一次加荷效应；研究中不仅限于已知荷载条件下的某一状 态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程，这就是地 质力学模型与其它模型的区别所在。值得指出的是，随着试验量测技术的发 展，地质力学模型试验研究，已由定性阶段进入定量阶段。 许多学者对边坡最危险滑裂面的搜索进行了研究，提出了各种方法。对 于土坡最危险滑弧位置的研究，在国外如泰勒、b o u t r u paw ”等，在国内， 成都科技大学的张天宝( 1 9 7 8 、1 9 8 7 ) 等编制了大量的图表以利计算简便并 求得相应的最小安全系数。对于圆弧形滑裂面，可用“穷举法”进行最危 险滑弧的搜索，对于自由度较多的任意滑裂面，阎中华曾用“黄金分割法”“， 周文通曾用“鲍威尔法”3 探讨过圆弧型和圆弧直线型滑面的最小安全 系数，获得满意结果，但研究范围仍未进入任意形状滑裂面领域。孙君实使 用复形法计算具有多个自由度的折线形滑裂面的最小抗滑稳定安全系数，使 这方面的研究工作大大推进了一步1 。陈祖煜( 1 9 8 8 ) 提出了最优化方法来 确定边坡最小安全系数”“，陈庆中( 2 0 0 0 ) 结合有限元法、极限平衡理论、 常微分方程的数值解法和最优控制理论等，提出用于土坡稳定的最优控制分 析法。“，朱大勇( 1 9 9 7 ) 根据最优控制理论提出了边坡临界滑动场的概念， 并提出了模拟临界滑动场的数值方法“。可见，找到坡体的最危险滑面位置， 已经不再是一件非常困难的事情。 1 2 2 滑坡推力计算的研究现状 滑坡推力大小是边坡病害防治的主要设计依据。现有的滑坡推力计算绝 大多数均采用传递系数法计算，这种方法的原理基于铁路系统中常用的边坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 稳定性分析方法传递系数法”“。该方法计算方便，适用范围也较为广泛， 因此在滑坡推力计算中得到了普遍的应用。但值得注意的是，现在的许多设 计中不考虑具体的边坡或滑坡破坏形式而一律按照传递系数法进行计算，即 使对于圆弧面的滑动也不例外，这种做法是不可取的。由于传递系数法计算 中假定条块间力的方向平行于上一条块的底面，这就意味着该法对于滑动平 动的情况较为适用，而对于有转动趋势的滑动或滑面较陡的情况适用性较差， 有时会使计算结果偏差较大”，所以，传递系数法也有其适用范围。 由于边坡失稳破坏的多样性和复杂性，对边坡的稳定性评价方法也多种 多样，就滑坡推力而言也没有一种适用于所有情况的万能方法。应该对具体 问题具体分析，本文将在第二章针对一些常见滑动中的不同滑面类型分别给 出其计算滑坡推力的方法。 1 2 3 加固支挡结构物的发展研究现状 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，只 对小型滑坡采取刷方减载、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大量滑坡才真正开始，5 0 年 来有了较大的发展和提高。一些大型滑坡也采用支挡工程来治理。支挡工程 的发展大体可分为三个阶段”“： ( 1 ) 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 ) 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。欧美国家和前苏联多用 钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径1 0 1 5 m ，深2 0 3 0 r n ，日本则多用钻孔钢管 桩，钻孔直径4 0 0 5 5 0 m m ，深2 0 3 q m ，孔中放入直径3 1 8 5 4 5 7 2 r a m ， 壁厚l o 4 0 m m 的钢管，钢管内外灌入混凝土或水泥砂浆，为增加桩的抗剪 断能力，有时在钢管中再放入h 型钢。桩间距1 5 4 o m ，而以2 0 2 。5 m 居 多，为了增加桩的抗弯能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台联 接，形成刚架受力，也有少数用打入桩的。7 0 年代后期，在日本开始应用直 径1 5 3 5 m 的挖孔抗滑桩。 ( 3 ) 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。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。它是周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 与此同时，抗滑支挡结构的另一各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) 。由于锚索工程不 开挖滑体，又能机械化施工，比抗滑桩工程节省投资5 0 ，所以目前被广泛 应用。 我国对滑坡灾害的系统研究和治理是5 0 年代才开始的。根据我国国情研 究开发了一系列有效的防治方法，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等 治理滑坡的原则和方法，其中尤以铁路部门遇到和治理的滑坡最多。我国对 抗滑支挡建筑物的研究和开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，也分为三个阶段o ： ( 1 ) 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 滑挡土墙治理大型滑坡常常工程浩大，施工困难，虽然总结了“分段跳槽开 挖基坑”的施工经验，有时还会造成滑坡加速滑动，危及施工安全。 ( 2 ) 6 0 7 0 年代，曾成功的应用支撑盲沟加小抗滑挡墙取得疏水和支挡 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，曾在贵昆线二梯岩滑坡 治理中设计采用沉井式抗滑挡土墙，但施工也不容易。6 0 年代中期，在成昆 线建设中，研究设计用大截面挖孔钢筋( 钢枕) 混凝土抗滑桩成功，由于它 抗滑能力大，破坏滑坡体稳定小，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。例如1 9 8 1 年宝 成铁路水害抢修中略阳至广元段的2 0 个滑坡治理中有1 4 个采用了抗滑桩， 占7 0 。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使治理大型滑坡有了可能。 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、椅式桩墙等新的形式，改变了抗滑桩的受力状态，节 省坞工和钢材，但由于施工要求高于单桩，至今应用不多。 ( 3 ) 8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中开始大量的采用 锚索工程。由于锚索系用高强度钢丝束锚圃于滑体以下的滑床中，抗拉力大， 预应力锚索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动小，又是 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，第一，锚索 与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”。在抗滑桩的顶部加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，接近简支梁结构受力，使桩 的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。第二， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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，地面采用地梁( 包括框架梁) 或墩作反力装置给滑体施加一预 应力来稳定滑坡。在滑坡的综合治理过程中，还会将预应力锚索单独加固与 锚索抗滑桩( 或普通抗滑桩) 联合使用，用于不同的治理部位从而达到整体 加固的目的。 1 2 4 加固支挡结构分析理论的研究现状 近年来，预应力锚索地梁及抗滑桩等新型加固支挡结构逐渐出现于岩石 高边坡开挖工程中。目前有一些关于这类新型加固支挡结构内力计算理论的 研究。文献【3 7 】根据w i n k l e r 地基假定，利用结构力学理论中的矩阵法，将连 续的地梁划分为若干单元的离散体，简单地借助力的平衡条件和位移协调条 件用矩阵建立方程，通过编制计算机程序进行求解。但未能根据实际工程的 具体情况，分不同阶段分析计算地梁内力，采用w i n k l e r 假定也限制了其适用 范围，而且计算推导过程比较繁琐。文献【3 8 1 计算了土质边坡加固中预应力锚 索框架地粱的内力，利用w i n k l e r 地基模型分析了锚索框架地梁的受力特征， 并结合现场试验，提出框架地粱的弹性地基粱计算模式。计算过程较为简单， 但也没有根据工程具体情况分锚索张拉阶段和工作阶段这两个受力状态不同 的阶段分析地粱内力，有其不完善的地方。鉴于这些研究成果的不足，本文 将对岩石高边坡开挖工程中预应力锚索地梁的内力计算进行讨论。分锚索张 拉阶段和工作阶段分别进行分析。 目前实际工程中对于普通抗滑桩的计算，通常将滑坡推力作为外荷载作 用于抗滑桩上，桩与岩土相互作用的力学计算模型一般采用线弹性w i n k l e r 地基梁模型。在具体的计算中，对于全埋入式抗滑桩的计算，根据对滑面以 上桩前滑体作用的考虑方法不同，又可分为两种，即悬臂桩法和地基系数法 ”“。前者将滑面以上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，然后根据滑动面以 下岩土的地基系数计算锚固段的桩身内力。此法出现早，计算简单，在实际 工作中应用较多。地基系数法是将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，只是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行，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小于或等于桩前土体实际剩 余抗滑力为止。 对于预应力锚索抗滑桩的设计计算，文献 4 0 ，4 1 将预应力锚索桩受力图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 简化为顶端铰支、下端弹性固结的简支梁式结构，设计简化为：由作用于每 根桩上的滑坡推力和桩前滑面以上岩土抗力来计算出桩在滑面处的剪力q o ， 锚索拉力按1 2 4 7 q o 设计，此方法将锚索与桩连接简化为铰支，未考虑锚 索受力后出现的弹性伸长，与实际受力情况不符。前苏联学者n x 金布格等 人提出用控制桩顶水平位移的方法计算锚索的拉力，该方法考虑了桩与桩周 岩土的共同作用以及桩的变形，但把桩顶变形作为已知条件，忽略了锚索的 变形与桩的共同作用。薄长顺等在衡广复线曾设计两座拉杆锚固桩墙，采用 分段计算法及有限差分法，分段计算法将桩锚固段与悬臂段分成两部分计算， 锚固段作为固端，按一次超静定求解拉杆拉力，解除约束后按弹性地基梁求 解锚固端内力“”，该计算方法在计算拉杆拉力式未考虑桩锚固段的变形与位 移，当锚固段桩周围岩岩性较差或风化较严重时，采用该模式与实际出入较 大。田景贵等取桩锚固端处弯矩版= 0 计算锚索拉力“，未考虑桩身及锚索受 力后的变形，这与实际不符。文献 4 4 建议将桩、锚固段桩周岩土、锚索作 为一个整体，视为超静定结构，锚索与桩的连接处按弹性支承，桩按弹性地 基梁计算，即横向变形约束弹性地基梁法计算锚索桩的内力。该法是在分析 总结了以往一些算法的基础上，结合岩石高边坡工程的特点建立起来的，因 而具有一定的合理性。但是，没有分析锚索预应力的确定问题，而在预应力 锚索抗滑桩的设计计算中，锚索预应力的确定是一个非常重要的问题。抗滑 桩是否需加锚索及预应力以及其具体的计算步骤，还未见详细的报道，由于 锚索预应力的确定与锚索桩的内力计算是密切相连的，所以，本文将在按横 向变形约束弹性地基梁法计算锚索桩内力的基础上，对抗滑桩是否需要设景 锚索、锚索是否需要施加预应力以及施加预应力的具体数值等问题做出分析。 1 3 本项研究的技术路线 前面指出了课题研究的意义和必要性，并且在分析研究现状的基础上指 出了滑坡推力计算、预应力锚索抗滑桩和预应力锚索地梁的设计计算中存在 的问题，论文主要针对目前存在的这些问题而逐渐展开的，其基本研究思路 是首先针对一些常见滑动中的不同滑面类型分别给出其计算滑坡推力的计算 方法，根据坡体结构特点、滑面位置、加固支挡结构形式等因素分析作用于 加固支挡结构上的荷载分布状况。然后根据作用于加固支挡结构上的荷载分 布模式，对于在岩石高边坡开挖工程中所采用的预应力锚索抗滑桩和预应力 锚索地梁结构，从实际受力情况出发，在总结以往研究成果的基础上提出相 应的较为合理的内力计算分析理论。最后，通过模型试验来模拟开挖施工过 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 程，判断坡体的稳定性和开挖松弛区范围，以及作用于加固支挡结构上的荷 载模式，并与理论分析的相应结果作比较，以验证和完善理论分析的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章作用于加固支挡结构上的坡体压力 2 1 概述 在岩石高边坡开挖过程中，对于力学状态不稳定的坡体，经常要施加加 固支挡结构以保持其稳定性。这些加固支挡结构通常有预应力锚索抗滑桩、 悬臂式抗滑桩、预应力锚索框架地梁等等。施加了这些加固支挡结构后，由 于开挖坡体自身力学状态的调整，于是在坡体与结构之间会产生相互作用， 进而在结构上就会产生相应的坡体压力。合理地确定这种坡体压力是恰当地 设计计算加固支挡结构的前提，本章将主要讨论作用在加固支挡结构上坡体 压力的确定方法，具体主要针对抗滑桩类结构和预应力锚索地梁类结构这两 种情况。 2 2 滑坡推力计算 计算边坡在使用年限内各种荷载作用条件下不同部位尤其是在设立抗滑 支档工程建筑物部位的滑坡推力数值，为整治工程设计计算提供定量的依据， 这是滑坡推力计算的主要目的【4 ”。在现有支档结构工程的设计中，均将滑坡 推力作为抗滑结构上的外荷载，因此，滑坡推力计算也是支档结构工程设计 的前提条件。 对横截滑动方向某一截面上的滑坡推力，一般有两种做法【4 5 】，即：一是 先求出全截面上的全滑坡总推力，然后按该横截滑动方向的截面上滑体厚度 的不同分配得出各断每米宽的推力大小：一是按平行滑动方向分段。求每段 代表断面的每米宽的滑坡推力，从而综合各段的推力而得出全滑坡的推力。 其中第二种方法是当前国内外普遍采用的做法，在计算每米宽滑动断面的滑 坡推力时，其两侧为内力而不计算侧向摩阻力。 本文认为，对于不同的滑动型式，原则上滑坡推力计算应与其稳定性分 析方法保持一致，这样计算的滑坡推力和相应的稳定系数才能对应。在用极 限平衡法分析边坡的稳定性时，根据条间力的不同假定有各种不同的稳定性 计算方法，所以也就有计算滑坡推力的各种假定和算法。根据常见的滑动面 形式，在此将其分为以下5 种情况并提出相应的滑坡推力计算方法：滑面 为单一平面；滑面为不具反倾部分圆弧面( 或可近似为圆弧面) ，在这种类 型的滑坡中，考虑到其整体的力矩平衡起主要控制作用，其滑坡推力计算可 采用计算简便的简化b i s h o p 法；滑面由一些倾角较缓、相互间变化不大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 折线段组成时，起主要控制作用的是力的平衡，因而其滑坡推力的计算可采 用传递系数法；滑面为具反倾部分圆弧面、连续的曲面或由不规则的折线 段组成时，可采用j a n b u 法计算滑坡推力；滑面倾角较陡且滑动时滑体有明 显的分块、各分块之间发生错动时，其滑坡推力计算可采用塑性极限分析中 的上限定理斜条分法求解。 2 2 1 滑面为单一平面 顺层岩石边坡中由于人工切割坡脚而 产生的顺层面的滑动，及岩层沿平面型软 弱面破坏时，经常出现单一平面型的滑面。 如图2 1 所示，滑体a b c 沿滑面a b 滑动， 滑体重量为以滑面a b 的倾角为a ，长度 为j 。设滑面岩土的黏聚力、内摩擦角分别 为c 、妒。则边坡的稳定度为 “ k n 兰c l + w c o s a t a n 。p ( 2 一i )图2 - 1 滑面为单一平面边坡 。 w s i n a、 因此，滑坡推力为 p 。s i n 口c l + w c o s a t a n 妒( 2 2 ) k 式中 r _ 一设计所需的安全系数。 2 2 2 简化b i s h o p 法计算滑坡推力 对于滑面为圆弧的边坡失稳类型，主要计算稳定性的条件应该是整体的 力矩平衡，所以宜采用分析圆弧形滑面的 稳定性计算方法来计算滑坡推力，下面用 j 简化b i s h o p 法推求滑坡推力的计算表达 式。 ( 1 ) 简化b i s h o p 法简介【1 5 l 条块的受力如图2 2 所示。e 、历+ ，表 示法向条间力，乃、乃+ ，表示切向条间力， 彤为条块自重，8 为水平作用力，m 、s 分 别为条块底部的总法向力( 包括有效法向 力及孔隙水压力) 和总切向力，其余符号 见图。图2 - 2 简化b i s h o p 法图式 形 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 根据每一条块竖向力的平衡，可得 彬+ l 一互+ 1 一 c o s a i s 。s i n a f 0 ( 2 3 ) 根据m o h r c o u l o m b 准则， s i = 半t a n q 9 i + 警 浯a ， 式中孙滑面岩土的黏聚力、内摩擦角 ，一作用于土条底面的孔隙水压力。 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 3 ) 可得底部总法向力为 j l 附( + 1 ) 一华+ 芈】老 ( 2 _ 5 ) 式中 州面篁c o s a f + t a n c p i - s i n a i 在极限平衡时，各条块对转动圆心的力矩之和应为零，此时条块间的作 用力作为内力，其力矩将出现正负各一次而相互抵消，因此得 噬r s i n q z s r + , q t z r 一0 ( 2 6 ) 将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 6 ) ，并令6 ，c o s 盯，可得安全系数k 得 表达式为 土 c j b i + ( i 氍i u i b i ) t a l l c p i + ( 正一巩) t a n 纯】 k ；= 竺堕 ( 2 7 ) 2 w r s i n a 。+ q l 嚣 式( 2 - 7 ) 是b i s h o p 法求稳定安全系数k 的基本公式。但因条间力e 一只+ ， 是未知的，k 值无法求得。考虑到再，jf a 门能项一般很小，略去后影响不 大( 但偏于安全) ，故上式简化为 上k b l + ( w l u l b i ) t a n 。】 k 竺竺垡 一一一一 ( 2 8 ) 2 w i s i n a t + q j 詈 这个公式称为简化的b i s h o p 公式。 ( 2 ) 滑坡推力计算 用简化b i s h o p 法分析加桩后坡体的稳定性时，考虑桩在滑面处的剪力使 坡体增加的抗滑力矩，稳定性表达式可推导如下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 在( 2 - 6 ) 式中加入桩底切向力对坡体的稳定力矩作用，可得 w , r s i n a 。一s i r p r c o s 口，+ q r z t = 0 ( 2 9 ) 式中卜桩在滑面处的水平剪力； a 桩处滑面的倾角。 由此得安全系数表达式为 二【c 。红十一“。阢) t a n 伊 k 。= 竺i( 2 1 0 ) 彬s i 吣+ q r 詈一p c o s a ， 滑坡推力为 p ：尘竺= ! ：兰型：兰垫竺：墅：竺= = ! 。2 川，= l 。j 二j ! 一(一l1 ) k c o s c t p 必须指出，对于如图2 3 所示的具有反倾部分的圆弧形滑面，a o 段滑面 的倾角。，为负值，此时应注意历。，会不会趋近于零。如果是这样，简化b i s h o p 法就不能使用，因为此时， 会趋近于无限大，这显然是不合理的。根据国 外某些学者的建议，当任一土条的7 。，小于或等于0 2 时，就会使求得的k 产 生较大的误差【1 5 l ，此时不能用简化b i s h o p 来计算 滑坡推力，而应采用其它方法，本文建议采用 j a n b u 法来计算此种情况的滑坡推力，具体计 算过程将在2 2 4 节中介绍。另外，当坡顶土 条的倾角a ，很大时，会使该土条的m 出现负 值，此时可取 i 等于零。 图2 3 具反倾部分的圆弧形滑面 2 2 3 传递系数法计算滑坡推力 对于滑面由一些倾角较缓、相互间变化不大的折线段组成的边坡，起主 要控制作用的是力的平衡，其滑坡推力的计算可采用传递系数法。传递系数 法又称不平衡推力传递法，该法是我国工民建和铁路部门在核算滑坡稳定时 使用非常广泛的方法。该法假定条块间的合力平行于上一条块的底面，不考 虑力矩的平衡，所以对条间力的作用点位置不予考虑，而只是根据力的平衡 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 条件，逐条向下推求，直至最后一条的推力为零。由于其计算稳定性时直接 利用了条块间的合力( 推力) ，所以用该， 法计算条块间的滑坡推力较为简便。厂7 | 如图2 4 所示序号为f 的一个分条，i 其上作用有垂直荷载孵和水平荷载i | q l ( 均指其合力值) 。右