（道路与铁道工程专业论文）预应力锚索抗滑桩优化设计研究.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的分析研究，并结合有限 元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，并弄清在设计中的优化思路和 方法，本文首先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， 得出了基于s 躲法的滑坡稳定性评价的评价步骤和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；然后分析了滑坡推力在 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；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；最后文章选用了镇胜高速 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 o p t i m i z e dd e s i g ns t u d yo f a 【l t i s l i d i n gp i l ep r e s 订e s s e d a n c h o r c a b l e a b s t r a c t a 1 1 t i s l i d ep i l e 谢mp 陀- s 骶8 s e d 肌c h o rc a b l ei sa wp a 士c e ms t r u m 眦w i l i c hi s 1 】l ，i d e l yu s e di ns l i d e m s i 8 鼬te n g 硫c r i n g y 矾t l 豫c o d ca i l dt h e o r yf o ri ti sd e s i 口i i l g 黜n o tw e l le s 衄b l i s h e d 他sm e s i s 黝l y z e sm ec o m b i n e da c t i o no fm cp i l e 趾d 锄c h o rs y s t c ma l 】d 窘e m l i z 锱t h em e t l l o d sm 砒a p r ；c 蹦l t l yu d i ta l d e v e l 叩s t l l eo p t i m i 刎o nd e s i 鲥n gt h e o r y 锄dm e t l l o 幽f o r 趾t i - 3 l i d i n gp i l ew i t i lp r e - 鳓呛s s c d a n c h o r 肌dd o 韶ao p t i i l l i z a t i o nd e s i g nf 醣as p c c 砸c 雏t i s l i d ee n 西n e e r i n g 璐i i l g a n s y s f t t 0e s t a b l i s ha 舯d p e rd e s i g n i n gf l o wp a t hf o rp 佗锄c h o r e da i n i s l i d i l l gp i l e 觚d u n d e f s t a n dt t l eo p t i i i l i 盟t i o np a t i l s 锄dm e t h o d s ，t h et l l e s i s 彻脚y z c st l l ed e l i v e rp r o c c s s o fs l i d et l l m s ti n t h es l o p ea n do n t 0 枷一s l i d i n gp i l c 嬲w c l l 嬲t l l e 觚c i l o r i l l g m e c h a i l i c s0 fp 一s 雠s s c d 锄c h o rc a b l e no b t a i mt h ec o m l ，咖t i o nf b 舢l af o r m a x i m a l 觚t i - s l i d i l l gp i l es p 黜i n t e r v a l 锄dt h e 龇抽r i i l gf o r c cf 0 彻u l 乱1 kt h 船i s 锄a l y z e st h el 趾d s l i d et i m l s t 蚴p u 诅t i o nm 幽出a n dt l l e i ra p p l i c a b i l i 戗d c 、，e i o p s p r o p e rd i s t r i b u t i n gf o m l n 圮p i l co fl a i l 凼l i d ct 1 1 堋s t na l w o m so map r 0 粤锄t o c a l c l l l a _ c em el a n d s l i d et l l m s t c o r d i i l gt ot h ed e l i w ：r i n g 角c t o rm e t l l o da i l dp r o “d e q 删i 够l o a df 0 rp 陀一锄c h o da n t i s l i d i n gp i l ed 韶i 鲥n g t h et i l e s i s 群m e r a l i z 恤 p f e s e n td e s i 咖gp r o c e d u r e 锄dm 戚h o d sf o rp r e 一孤c h o r e d 趾t i - s i i d i n gp i l e ，趾a l y z 鼯 t h ei 仃砒i o i l a l i t yo f 恤c n la n d i l i e v c dan e wm c c 蛔i l l i c a lm o d c lf o r 删一s l i d i n gp i l e 诵t l lp r e g 吮s s e d 锄c h o rc a b l ew 量l i c hi sm o r e 锄咖m o d ct 0t h er e a l i s t i cs t r u c t l l l 伪n a l s o 百v e sap r o p c rn o wp 劬f o rp 一髓c h o r 耐m l t i s l i d i n gp i l ed e s i g e l i n g a tl a s t ，也e 也e s i sc h o o s e sa s p e c i f i cm m s l i d i n ge n g i n e e r i n gw t l i c hi su n d e rc 0 垭；仃u c t i o nt ob et h e e x 锄p l e 觚do p t i m i z ei 忸枷- s l i d i n gd e s i g l l ，i tg 啦m ep r o p c r 枷一s l i d i n gr 韶i s t a i l _ t s y s t e ma n dp r o o 窍t l l er a t i o i l a l i t yo f t l l e o r ys t l j d y i n gf o r e g r o 吼d k e yw o r d s ： s l i d i n gs l 叩e ，a n t i s l i d i n gp i l ew i mp 一s 讹s d a n c h o r _ c a b l e ，c o m b i n e da c t i o n ，m a x i i i l a lp i l es p a c e i n t e r v a l ，加l 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 弘 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。 学位论文作者签名： 涉够 日期：文一；年矽月占日 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 留岁年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 阕。本人授权重庆交通学院可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“ ，”) 学位论文作者签名： 陟廖 日期：加6 年矽月肜日 指导教师签名：彳5 i l 箩髦 日期：加毋f2 月陟日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 滑坡是指在一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l 5 至 l 4 嘲。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。1 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。 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， 第一章绪论 2 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，使桩锚索形成一个联合受力体，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 文选取“预应力锚索抗滑桩优化设计研究”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目前常规预应力锚索抗滑桩设计理论方法及特点与不足 之处，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，德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。 1 3 抗滑桩的分类及应用现状 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l o 2 0 m ，抵抗滑坡推力5 0 0 1 5 0 0 i ( 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，旌工困难。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。1 。 桩板抗滑桩 当桩间土为松散土且地基承载力较差时，如采用单桩，桩闻土有可能从桩间挤 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 第一章绪论 接。 框架式抗滑桩 将前后两根抗滑桩用一根或多根横梁联接，使之成为一剐架结构，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。 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，使桩一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。 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旖工滑坡和二次滑坡。 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 塑性理论 t o m i ol 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交形状态，推导出作用 第一章绪论 4 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。1 。 由于塑性理论的解都是极限解“1 ，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 已达到弯曲破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 地基系数法 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： 廓0 ：孚一0 ，一“，) ( 1 1 ) ， 式中：廓桩的弹性模量圪z 或k p a ) ，桩截面惯性矩( 删4 ) 甜。桩在深度z 处的位移( m ) “。无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) j b 一瓦= ，o ，甜，) 是地基系数( ，或) p 0 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，只有代入实测的土体位移值，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。 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：士坡 第一章绪论 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 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。1 。 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 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。 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“k 法”、“m 法”和混合法三种： 1 ) 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。 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。 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“m ” 法和”法的混合计算。 1 5 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， 第一章绪论 6 得出了基于s m r 法的滑坡稳定性评价的评价步骤和滑坡推力在抗滑桩上的合理分 布形式，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：然 后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；论文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 文章选用了镇胜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，得出了滑坡稳定性评价s m r 法的评价步骤和滑坡推力在抗滑桩 上的合理分布形式；第三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 分析推导进行了论证；第六章以预应力锚索抗滑桩为例，说明抗滑桩的施工技术 及其质量控制。开展锚索预应力损失的现场试验研究，分析锚索预应力的损失过 程和影响因素，提出减少锚索预应力损失的办法。第七章为论文的研究结论与展 望。 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究! 第二章边坡稳定分析及其滑坡推力计算研究 2 1 前言 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 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。”。根据假定满足的平衡条件不同，又分为f e l l e n i u s 瑞典条分法、张天保 法，b i s h o p 法、j a n b u s 法、王复来法、m o r g e n s t r e n p r i c e 法、s p e n c e r 法、 陆军工程师团法等饼删。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，一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、图解法等。 另外，用有限元法对边坡进行稳定性分析和破坏的渐进性模拟已成为边坡稳 定分析的一个新的发展趋向，就目前而言，应用有限单元法对均质各向同性的坡 体进行分析能得到较为满意的结果o ”。本文在第五章节的工程实例中将结合具体 工程介绍利用大型有限元软件a n s y s 分析边坡的稳定性问题。 2 2 边坡稳定性评价方法和步骤 2 2 1 边坡稳定性综合评价方法 岩土工程领域中对于边坡稳定性的分析评价工作，基本上遵循着一种比较成熟 的模式，其中包括： 通过工程地质勘察获取基础地质资料。 结合多种影响因素对边坡总体稳定性进行定性或半定量评价。 对边坡失稳模式作出判别；选择适当的方法进行边坡稳定分析计算。 制定边坡加固及监测设计方案 边坡稳定性综合方法首先着重研究影响边坡稳定性的内在因素，主要是通过 地质勘探、测量、现场观测等手段，取得研究区地质体的基础地质资料，建立能 够反映地质体结构特征并具有内外部影响因素，对边坡的稳定性进行初步的定性 评价，并对边坡可能的失稳模式或破坏机制作出准确的判断。同时结合试验研究、 经验判断、理论分析等手段，对地质体的岩土工程物理、力学特性进行系统的分 析研究，提出各种分析方法所需的计算参数，针对不同的破坏机制，采用相应的 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究 ! 边坡稳定分析计算方法，对各种工况条件下的边坡稳定性作出定量评价，根据计 算分析成果，对可能失稳的边坡采取切实可行的工程处理措施，施加有效的边坡 加固方案。同时要研究建立边坡稳定的监测系统，对边坡稳定性状态进行长期监 测，依据监测信息反馈，进一步优化边坡加固方案。通过这一系列的工作环节， 达到对边坡稳定性进行综合评价的目的。边坡稳定性综合评价方法的流程框图， 见图2 1 ： 图2 1边坡稳定性综合评价方法的流程框图 f j g2 1 眦j t i l ，蛾h o d so fs i o 即s t a b 川t y 2 2 2 边坡稳定性评价步骤 在系统地进行岩质边坡稳定性分析时，通常需要遵循以下三个步骤。 确定边坡失稳模式 岩体结构的复杂性、多样性，以及赋存环境的差异，决定了其失稳模式是多 种多样的。孙广忠和姚宝魁( 1 9 9 8 ) 曾将边坡失稳模式总结为平面、圆弧、楔体、 倾倒、溃决等9 种形式。当然，也还有其他的各种分类方法。因此，研究某一边 坡的稳定性，首先需要判断在特定的地质条件下可能的失稳模式，在此基础再针 对己确定的失稳模式，通过数学力学和试验分析方法，确定边坡稳定的安全系数。 尽管边坡存在多种失稳模式，但在工程中常见的还是平面滑动破坏、圆弧滑动破 坏、楔体破坏，因此，本章着重讨论这几种失稳模式“1 。 边坡稳定性的总体评价 在了解边坡岩体结构和可能发生的破坏类型后，下面的一项工作是迸一步对 其稳定性作出评价。对于缺乏详细勘探试验资料的边坡，稳定评价可采用一定的 经验方法边坡稳定性综合评价方法中的一个重要环节，就是结合多种影响因素 对边坡的总体稳定性作出宏观判断并进行定性或半定量的评价，这是岩土工程和 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究 ! 地质工程师在对边坡稳定性进行深入研究之前应首先完成的工作。 边坡稳定性的定量分析：鉴于不同的滑动形式的边坡，其稳定性分析方法 也不同，目前广泛采用的是极限平衡方法。 2 2 3 边坡稳定分析的极限平衡方法 刚体极限平衡法基本原理是假设滑面上岩土体的抗滑力降低f s 倍后。岩土体 将达到稳定极限状态并濒临破坏，此时f s 即为该坡体稳定的安全系数。也就是整 个滑面的抗滑力与滑面实际下滑力之比值，用公式可以表示为： f 口 e = 告：争 ( 2 1 ) z ，d 其中，n 为岩土体沿滑面的抗滑力总和：，o 为沿滑面的滑力之和。 如果实际的安全系数。- 小于规范的安全系数，则剩余的抗力f 必须由预应力 锚索抗滑桩提供。 因此：e = ( 2 2 ) 其中：只为加固后坡体稳定的安全系数，f 为预应力锚索抗滑桩提供的抗滑力。 式( 2 2 ) 中： 昂= ( 形c o s 啦t a i l 仍+ c ，) ( 2 3 ) f d = 弼s i i l q ) ( 2 ，4 ) 式中：形、f ，、嘶为第i 条块的重力、宽度和其所在滑面的倾角 q 、仍为第i 条块的内聚力、摩擦角。 为了求解边坡加固稳定后的安全系数e ，则关键在于求解f ，通常为便于求 解f ，将f 简化为预应力锚索与抗滑桩提供的抗力之和，即： 舒= 毋+ 瓦 ( 2 5 ) 其中：f p 为抗滑桩提供的抗力，f 为锚索提供的抗滑力 2 2 4 不同滑动形式的边坡的边坡稳定性计算方法 边坡稳定性计算方法，根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确 定“”： 1 ) 土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算； 一 一 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究 塑 2 ) 对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算； 3 ) 对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算； 4 ) 对结构复杂的岩质边坡，采用赤平极射投影法和实体比例投影法分析： 5 ) 当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。 采用圆弧滑动时，边坡稳定性系数可按下式计算： 耻登 ，= ( q + 瓯) c o s 只+ 巳s 砥q 日) 正= ( g j + g m ) s i n 只+ 气c o s 胛( q 一只) r i = n l t g 中i + c 3 l 式中i ( i 边坡稳定性系数； c 。第i 计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值( k p i ) 由。第i 计算条块滑动面上岩土体的内摩擦角标准值( 。x l ，第i 计算条块滑动面长度( m ) ； o 。a 。第i 计算条块底面倾角和地下水位面倾角( o ) ； g 。第i 计算条块单位宽度岩土体自重( 1 ( n m ) ； 瓯。第i 计算条块滑体地表建筑物的单位宽度自重( i ( n m ) ； r 广第i 计算条块单位宽度的动水压力( 矾m ) ； n 广笫i 计算条块滑体在滑动面法线上的反力( k n m ) ； t 。第i 计算条块滑体在滑动面切线上的反力( 1 ( n m ) ； r 广笫i 计算条块滑动面上的抗滑力( 1 ( n m ) 。 采用平面滑动法时，边坡稳定性系数可按下式计算： 茁；丝! ! ! 丝翌生 。 s i n 口 式中r 端土体的重度( k n m 3 ) ； c - 一结构面的粘聚力( k p a ) ； 巾结构面的内摩擦角( 。) ： 结构面的面积( 酽) ； v 岩体的体积( m 3 ) o 结构面的倾角( 。) 。 采用折线滑动法时，边坡稳定性系数可按下列方法计算： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究旦 1 ) 边坡稳定性系数按下式计算； 髟= 器糌撕引扩d c z 仍= c o s ( 只一只“) 一s i n ( 只一只“) 喀仍 ( 2 1 2 ) 式中由。第i 计算条块剩余下滑推力向第i = l 计算条块的传递系数。 2 ) 对存在多个滑动面的边坡，应分别对各种可能的滑动面组合进行稳定性计 算分析，并取最小稳定性系数作为边坡稳定性系数。对多级滑动面的边坡，应分 别对各级滑动面进行稳定性计算分析。 2 2 5 安全系数分析和及其强度折减计算方法 安全系数的定义 安全系数是结构和岩土工程中最早出现也是使用最广的一种衡量安全度的指 标，传统的安全系数采用的定义为： f = 盏烈恭 亿 ，2 可甄丽骊际丽丽 u h 副 在实践中，人们发现这一定义存在着一系列缺点： 1 ) 力从本质上来讲是矢量，要对不同性质的力进行数量概念上的大小比较， 原则上来说是不可能的。因此，还需设定一个投影轴，将上述公式表达为： 。结构可能提供的抗力在投影轴上的总和 导致结构破坏的作用力在投影轴上的总和 而选择这一投影轴时难免带有人为和主观的成分。 2 ) 一个完整的平衡力系应用时包括合力矩平衡的概念。因此，上式的另外可 能的一种表达形式是滑动矩和抗滑力矩之间的比较。进行这种比较的前提，是静 力平衡条件已充分获得满足 3 ) 无论采用上面何种定义，抗力和作用力是不相等的，在一般情况下，抗力 应大于作用力。因此，在进行安全系数计算时，结构并不是真实处于一个极限平 衡状态，而是处在一个假设的具有安全储备的状态。此外，大部分岩土和结构分 析问题是超静定和非线性的，内力和安全系数几乎是在同时获得的，原则上不可 能通过上面那样的显式计算安全系数。 计算安全系数的强度折减法 2 0 世纪5 0 年代初，毕肖普提出了通过缩减强度指标的方式来定义安全系数的 作法。这一作法是在现有的具有一定安全储备的边坡以外构筑一个“虚拟”边坡， 这一边坡具有与真实边坡完全相同的轮廓，但是构成边坡的所有材料的强度指标 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究旦 均从c 和t a n 巾缩减为c f 和t a n 巾f ，此时滑面上的法向应力和剪应力处处满足 下式 b c f + o 。t a n ( 咖f )( 2 1 4 ) 采用这一处理方案后，作用在边坡上的力构成一个平衡力系，求解这个力系， 可解出安全系数。采用这一安全系数定义，未知量f 是通过严格的静力平衡分析 获得的，上述种种问题均迎刃而解。 半个世纪的实际应用证明m ，毕肖普的这一基于强度折减的安全系数具有良好 的实用性，己被工程界广泛接受。一个上亿立方米和一个几百立方米的边坡，几 乎可以有同样的标准( 如安全系数大于1 2 ) 来规定其安全储备。这一定义作为岩 土工程边坡稳定分析中的一个特有的处理方式，将在相当长的时期存在。 2 3 滑坡推力计算 通过边坡稳定性分析确定边坡处于不稳定状态或潜在的滑动状态以后，就要 开始着手滑坡的治理设计工作，而计算滑坡推力就是这其中的重要任务之一，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。在现有支挡 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 算也是支挡结构工程设计的前提条件。一般来说，滑坡推力的计算方法要和稳定 性分析中所采用的方法一致，同时滑坡推力计算的准确与否取决于众多的因素， 作者根据自己参加的几个大型滑坡的设计治理工作总结发现，除了计算方法的合 理选择，实际滑坡面的确定、滑坡治理设计中所选用的安全系数k 和所采用的抗 剪强度参数对推力计算结果影响很大，大中型滑坡尤为显著。 2 ，3 ，1 防治安全系数k 的取定 在滑坡推力计算中，安全系数k 的取值对于滑坡成功与否及造价有重大的影 响。岩土工程勘察规范和建筑边坡工程技术规范规定，滑坡推力的安全系 数k ，一般取1 0 5 1 3 5 。而根据本人参加的设计经历，对同一滑坡，k 值每增加 o 0 5 滑坡推力的计算值会大大增加，从而使抗滑桩的设计截面增大，造价增高， 甚至影响整治方案的成立。因此，k 值过大，引起工程投资增大，反之，影响整治 效果。下表2 1 给出作者参与的某工程采用不同安全系数计算时的滑坡推力，从 表中可以看出：随着安全系数取值的不断增大，滑坡推力的增大非常快，故在治 理设计中对安全系数的取值一定要再三权衡，综合考虑。 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究旦 袭2 1某高速公路滑坡剩余下滑力计算成果表 计算断面 路基右2 0 米处滑坡剩余下滑力( k n m ) 编 桩号 计算安全系数 计算安全系数计算安全系数 计算安全系 数 号 k = 1 1 5 k = 1 2k = 1 2 5 k = 1 3 ly k 8 8 + 1 6 81 8 1 7 z 0 8 52 3 5 22 6 1 9 2y k 8 8 + 2 0 0 1 6 4 71 8 8 82 1 2 82 3 6 9 3y k 8 8 + 2 4 01 6 7 4 1 9 6 32 3 2 52 5 4 2 2 3 2 滑动面和滑带土抗剪强度的确定 对滑坡工程无论用哪种措施整治，首先要摸清成因和查勘水文地质资料。对 采用抗滑桩的滑坡工程，确定滑动面尤为重要，否则推力计算及桩的平面位置及 锚固深度都无法确定。滑面位置和形状应通过钻探或物探法确定，随着检测仪器 的发展和智能化，现在滑坡工程中广泛采用钻孔、物探等方法确定。 对己滑边坡滑带土的残余抗剪强度参数c 和的选用，有众多不同的看法。由 于受各种因素的影响，室内试验是很难准确测定出这两个指标的，而大型原位试 验并非每一工程都有条件去做。因此，笔者认为，比较可行而相对可靠的做法是 采用室内试验结合反算的方法来确定滑带土残余抗剪强度参数。以试验室所测土 体的残余抗剪强度指标，判断其可靠度后，选定其一，再根据实测滑坡修止角， 按极限平衡法( 令安全系数为1 0 ) ，反算另一指标。以下对这些重要的问题分别进 行了一些探讨。 室内试验 在土体抗剪试验中，常用的是原状土快剪、固快、多次慢剪、重塑土多次剪等。 取用何种方法主要考虑滑坡的性质、组成滑面土性质以及滑坡目前所处的运动状 态有关应对软弱面( 带) 及其上下附近层取样进行试验。 a 对于仍处于滑动的滑坡，由于滑动使滑面土的结构遭受破坏，强度逐渐 降低，宜用多次重复剪； b 如滑面土体为流塑状宜用快剪： c 如滑面土体为硬塑状，宜用重复剪，或对所取土样几种方法皆用。 反算法 许多工程除进行室内试验外，还对各自滑坡工点进行反算，结合试验资料及近 似地区经验进行对比分析选用。反算法根据极限平衡原理，采用传递系数法，如 滑坡滑动面为圆弧形，则应用条分法。由于各滑坡均己知滑动面因而无需再试算。 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究竺 故以滑动前或滑动后的剖面情况，设定c 或伊值，令k = i 进行试算反推。根据公 式含义，如推算至最后一段滑坡推力为零或为负值，则表示坡体处于临界平衡状 态，则设定的c 或伊值就是用反算法求得的抗剪强度。但用反算法求得的临界抗剪 强度并非一定就是残余强度。 如何寻找合理的抗剪强度值，是用反算法还是用室内试验值确定，对每个滑 坡工程都应具体研究。现介绍笔者参与的贵州境内的几个滑坡治理中滑带土抗剪 强度值得取用情况，如表2 2 所示，从工程实践中可以看出，设计中一般都是室 内试验和滑坡反算两者同时进行，然后根据实际情况和经验分析者居多。 表2 2贵州境内滑坡工程取用抗剪强度指标取用实例 抗剪指标c ( k n 田3 ) 口( o ) 工程名称取用依据 室内试验反算法取用值 新场滑坡 c = 2 8 ：9 5c = 2 0口= 7c = 2 0口= 7 反算僮 龙场滑坡 c = 3 0 3 口一2 6 3c = 3 0 7 口= 7 6 2c = 3 0 7 口= 7 6 2 反算值 新街子滑坡 o = 8= 5o ：o口= 2 3 5c = 8口= 5 试验值 高工天滑坡 c = 5 0口= 1 5c = 2 5 5 口= 2 4 5c = 2 5 5口= 2 4 5 反算值 2 3 。3 滑坡推力计算方法 对横截面滑动方向沿某一截面上的滑坡推力，一般有两类做法，即：一是先求 出全截面上的金滑坡总推力，然后按该横截滑动方向的截面上滑体厚度的不同分 配出各段每米宽的推力大小：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推力时，其两侧为内力而不计 算侧向摩阻力。为与稳定性分析时的方法一致，滑坡推力计算按滑带形状大致可 归纳成滑面为单一滑面、滑面为圆弧面，滑面为折线形三种类型。现有计算方法 对每一种滑面类型中滑坡推力计算如下啪。 滑面( 带) 为单一平面或可简化成单一平面者。如图2 2 ，系一般产生于松散 体地段( 或破碎岩层组成的坡体上) 的滑坡，或顺层岩石由于人工切割坡角而产生 的顺层面的滑动。由于土中粘聚力较小( 可采用滑面上的抗剪强度为综合值) 而经 常出现单一平面型的滑面。 其稳定系数k o = t a n t a n 口 第二章边破稳定分析及其滑坡推力计算研究 式中：为滑面( 带) 岩土的综合内摩擦角； 口滑面( 带) 的倾角 因此，滑坡a b c 作用于a 点的推力e 为 e = wc o s 口( kt a n 盯一t a n ) ( 2 。1 5 ) 式中w 滑体a b c 的自重：k 为设计所 需的安全系数。 滑面为一圆弧或可简化成圆弧者 图2 2 滑面为单一平面的滑坡 f i 9 2 2n i es i m p l ep 1 锄s l o p e 如图2 3 ，这种滑面通常产生于有粘性土及含粘性土较多的堆积土组成的坡体 地段。一般具有两种类型，一是如图 2 3 ( a ) 所示，滑动圆弧的圆心o 在斜坡 a c 之间，则在o o 垂线左侧的滑体对 滑带而言，滑带反倾的全部力为抗滑力 r 部分，在0 07 垂线右侧则有下滑分力 t 部分。另一种如图2 3 ( b ) 所示，滑动 圆弧的圆心o 在斜坡a c 之外，系无反 倾部分的圆弧滑面，没有相应的抗滑力 r 部分。 两者各自的稳定系数为 t a l l 妒+ d + r r o ( a ) 具反顺部分的圆弧 腼 0 o a 御无反1 骊彤怕姐咧拇面 f i 9 2 3t h ea r c hs l o d e 图( b ) 中r = o ( 2 1 6 ) 式中：n