（道路与铁道工程专业论文）双排桩支挡结构试验与数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 双排桩支挡结构作为重要的支挡结构在工程中得到大量运用，但其设计 理论大多基于经验或半经验性的，或是在经验与工程类比的基础上进行设计， 在理论上并没有多大的突破。目前国内外对双排桩的受力分布规律、适用条 件等系统的研究较少，因而开展这方面的研究对工程设计具有重要意义。 本文首先介绍了国内外双排桩支挡结构和膨胀土边坡的研究成果，并着 重介绍了桩与岩土体的相互作用。 对均质岩土体边坡单双排桩支挡结构进行了对比离心模型试验分析，对 桩身土压力进行了量测，试验结果为支挡结构的分析和数值计算提供了参考 和比较。 运用大型岩土软件f l a c 3 d 对均质岩土体单双排桩支挡结构进行对比数 值模拟，并对不同性质的参数的几种均质岩土体进行了分析。 对有固定滑动面边坡单双排桩支挡结构进行了数值模拟，对比分析了单 双排桩的受力情况，并用单因素法对影响双排桩支挡结构受力的桩间距l 、 滑带土抗剪强度、滑床弹性模量e 分别进行了数值分析。 运用f l a c 3 d 对膨胀土边坡的受力机理进行分析，得出膨胀力是膨胀土 边坡浅层失稳的主要原因，并对膨胀土与桩的相互作用关系进行了分析。 通过上述研究得出了双排桩间相互作用和不同参数对双排桩的影响的一 些规律及膨胀土边坡的失稳机理，将对双排桩设计及膨胀土边坡的治理起一 定的参考作用。 关键词：双排桩，膨胀土边坡，离心模型试验，f l a c 3 d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t w or o w so f p i l e si sa p p l i e dw i d e l yi nt h ee n g i n e e r i n ga st h em o s ti m p o r t a n t r e t a i n i n gs t r u c t u r e ，b u tm o s to ft h et h e o r yo fd e s i g nb a s e so ne x p e r i e n c eo r h a l f - e x p e r i e n c eo ra n a l o g yb e t w e e ne x p e r i e n c ea n de n g i n e e r i n g h o w e v e r , t h e t h e o r yo fd e s i g ni m p r o v e do n l yal i t t l e a tp r e s e n t ，s t u d i e so nt w or o w so fp i l e s o fl o a dd i s t r i b u t i o nr u l eo ra p p l i c a t i o nc o n d i t i o na r eo n l yaf e w t h e r e f o r e i ti s m o s ti m p o r t a n tt h a ts t u d yi nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gd e s i g n t h ea r t i c l ec o n c l u d e ss t u d yo fr e t a i n i n gs t r u c t u r eo ft w or o w so fp i l e sa n d e x p a n s i v es o i ls l o p e ，a n de m p h a s i z er e c i p r o c i t yb e t w e e np i l eo fr e t a i n i n g s t r u c t u r eo ft w or o w so fp i l e sa n dr o c ka n ds o i lm a s s ；t h ei s o t r o p i cr o c ka n ds o i l m a s ss l o p eo fr e t a i n i n gs t r u c t u r eo fo n eo rt w or o w so fp i l e si s a n a l y z e db y c o n t r a s tc e r t r i f u g a lm o d e lt e s t ，s i m u l a t i o n st h ee f f e c to fo n er o wo f p i l ea n dt w o r o w so fp i l e s ， r a n g e st h ee a r t hp r e s s u r eo fp i l eb o d y ， a n dt h er e s u l to ft e s t p r o v i d e sr e f e r e n c ea n dc o m p a r ef o ra n a l y s i so fr e t a i n i n gs t r u c t u r ea n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n i t a p p l i e s r o c ka n ds o i ls o f t w a r e4 l a c 3 df o rc o n t r a s t n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ei s o t r o p i cr o c ka n ds o i lm a s ss l o p eo fr e t a i n i n gs t r u c t u r eo fo n e o rt w or o w so f p i l e s ， a n dc o n s i d e r sp a r a m e t e ro fd i f f e r e n tp r o p e r t yo faf e wo f i s o t r o p i cr o c ka n ds o i lm a s st oc o n t r a s t st h er e s u l to fc e r t r i f u g a lm o d e lt e s t t h e r ei sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs t e a d ys l i ps u r f a c es l o p eo fo n eo rt w o r o w so fp i l e s ，i tc o n t r a s t sa n da n a l y z e st h ec o n d i t i o no fs t r e s sa n da p p l i e ss i n g l e f a c t o ra n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h ee f f e c to fp i l es p a c i n gl ，s l i p z o n es o il s h e a rs t r e n g t h ，s l i pb e de l a s t i cm o d u l u sef o rr e t a i n i n gs t r u c t u r eo f t w or o w so fp il s ， i ta p p l i e sf l a c 3 dt oa n a l y z es t r e s s e dm e c h a n i s mf o re x p a n s i v es o i ls l o p e a n dp r o v e s e x p a n s i b i l i t yw h i c hi st h ep r i m a r ys e a s o no fe x p a n s i v es o i lb a n d s h a l l o wi n s t a b i l i t y ，a n da n a l y z e st h er e c i p r o c i t yb e t w e e ne x p a n s i v es o i la n d p i l e i nc o n c l u s i o n ，t h r o u g h tt h es t u d yf o rr e c i p r o c i t yo ft w or o w so f p i l e s ，t h e e f f e c to fd i f f e r e n tp a r a m e t e rf o rt w or o w so f p i l e sa n di n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo f e x p a n s i v es o i ls l o p e ，i tw i l lo f f e rr e f e r e n c ef o rt w or o w so fp i l e sd e s i g na n d g o v e r n m e n to fe x p a n s i v es o i ls l o p e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 k e yw o rd s = t w or o w so fp i l e s ；e x p a n s i v es o i ls l o p e ； c e r t r i f u g a lm o d e lt e s t ；f l a c 3 d ； 西南交通大学四阐父遗大罕 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 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 一虢如婚剐昌塌 日期：2 d 。8 皇f u 日期：二埘r 汐 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师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研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人 和集体，均已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。 本学位论文的创新点如下： l 、本论文以运用离心模型试验对均质岩土体边坡双排桩支挡结构进行了 模拟试验，得出一些规律。 2 、利用数值分析对均质岩土体边坡双排桩支挡结构和有固定滑动面边坡 双排桩支挡结构进行了模拟分析，得出了双排桩支挡结构受力的一些规律， 并运用单因素法对影响双排桩支挡结构受力的桩间距、滑带土抗剪强度、滑 床e 分别进行了分析，得到一些规律。 学位论文作者签名： 咯 日期：汐帘年j 月l d 日 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 在山区修建铁路、公路、矿山、工厂、房屋建筑和水利工程时，常常会 遇到崩塌、落石、滑坡、坍塌、泥石流等地质灾害，其中，滑坡是变形规模 大、数量多、危害严重、性质比较复杂而且难以整治的病害之一。尤其近十 几年来，随着人类工程活动的加剧以及世界性气候的异常，滑坡已成为所有 地质灾害中发生最频繁，对人类危害最严重的一种自然灾害，已引起世界大 多数国家的高度重视，滑坡防治工程研究也日益成为工程研究中的热点问题 之一。经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡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，抗滑桩( 包括普通 抗滑桩和预应力锚索抗滑桩) 、预应力锚索地梁( 包括单梁和框架梁) 等在工 程实践中的大量应用，近年来随着国家对基础建设投资的加大，高速铁路、 公路、大型水坝的建设方兴未艾，对于大型、复杂的滑坡，纵向较长、下滑 力较大或截面较小的桩，也可布置两、三排 1 】。用多排桩治理滑坡，一般有 以下几种情况【2 】：( 1 ) 多级滑坡分级支挡；( 2 ) 分层多出1 ：3 滑坡；( 3 ) 单个 滑坡的推力巨大，使用单排桩难以奏效。在前两种情况下，每排桩的受力状 态实际上和单排桩相同，可以对每排桩分别按照单排桩的情况进行处理，故 本文讨论的对象是第三种情况，即只有一个滑动面的滑坡，因推力巨大，使 用单排桩难以抵挡、或在经济技术上不合理，因而采用多排桩进行治理的场 厶 日。 在国家标准或行业标准的相关设计规范如铁路路基支挡结构设计规范 ( t b l 0 0 2 5 2 0 0 6 ) ，公路路基设计规范( j t j 0 1 3 - 2 0 0 2 ) 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，目前各滑坡治理部门及设计一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。 双排桩支挡结构的滑坡推力如何分配、不同排桩之间的相互影响等问题， 国内外学术界没有较系统的相关研究【2 1 ，其设计计算方法和理论还不够熟， 实测数据还不多，受力机理不够清楚，因此很有必要对其进行更为深入的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 究。边坡治理过程中经常会遇到膨胀土边坡，由于膨胀土吸水膨胀软化、失 水收缩开裂造成膨胀土边坡较普通边坡更易失稳，对膨胀土边坡失稳机理的 研究也是非常有必要的。 1 2 双排桩支挡结构的研究现状 用多排桩治理滑坡，一般有以下几种情况 2 】： ( 1 ) 多级滑坡分级支挡；( 2 ) 分层多出口滑坡；( 3 ) 单个滑坡的推力巨 大，使用单排桩难以奏效。在前两种情况下，每排桩的受力状态实际上和单 排桩相同，可以对每排桩分别按照单排桩的情况进行处理，故本文讨论的对 象是第三种情况，即只有一个滑动面的滑坡，因推力巨大，使用单排桩难以 抵挡、或在经济技术上不合理，因而采用多排桩进行治理的场合。 1 2 1 室内模型试验研究 熊治文、马辉、朱海东【3 】等通过室内模型试验对全埋式双排抗滑桩的受 力进行了模拟，有如下结论： 桩身受力分布 第一排桩受到的滑坡推力，呈梯形三角形分布，在设计中可按三角形考 虑；第二排桩受到推力作用，呈矩形分布；所受到的桩前抗力，在第一排桩 上呈倒梯形分布，在第二排桩上呈矩形分布。 滑坡推力在桩排上的分配 对于第一排桩，当桩间距是桩截面宽度3 倍左右的双排桩时，滑坡推力 主要由第一排承担，第二排桩用以提高第二排桩桩前滑体抗力，从而起辅助 支挡的作用。当桩间滑动面水平时，第二排桩所受到的推力实际为经滑体传 递而来的第一排桩桩前滑体抗力的反作用力，大约为滑坡推力的6 5 ，当桩 间土有一定坡度时，第2 排桩承担的推力还应加上( 减去) 桩间滑体的剩余 下滑力( 剩余抗滑力) 。 1 2 2 有限元法模拟研究 王旭、晏鄂川、吕美君【3 】等采用采用平面应变有限元法来模拟双排桩的 工作性状，得到了双排桩的内力分布形式及其相互变化。该方法较好地模拟 了双排抗滑桩对滑坡体的共同作用，以及抗滑桩与滑动面以下岩土层的相互 作用的问题，又可以直接算出双排桩结构内力。 1 、在滑坡治理设计中，当滑坡推力和抗滑桩弯矩过大时，可考虑设置双 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 排抗滑桩。双排桩土体系是一个复杂系统，第一排桩在滑坡推力作用下向滑 坡前缘运动，必受到桩排间滑体的抗力作用；同时，桩排间滑体也对第二排 桩产生推力。第二排桩实际所承担的推力是经桩排间滑体传递而来的第一排 桩桩前抗力的反作用力，还应加上( 减去) 桩排间滑体的剩余下滑力( 剩余 抗滑力) 。采用桩土共同作用有限元模型能较好地模拟滑体和双排桩相互作 用机理。它考虑了双排桩与桩周滑坡体的相互作用和变形，从而可以计算出 抗滑桩因变形而施加给桩前滑体的作用力、抗滑桩与滑面以下岩土体之间的 作用力以及抗滑桩的内力等。 2 、第一排桩受到的滑坡推力，呈梯形三角形分布，这种分布形式与单 排桩的滑坡推力分布形式相同；第二排桩受到的推力作用，呈矩形分布；桩 受到的滑体桩前抗力，在两排桩上呈上大下小的倒梯形倒三角形分布形式。 3 、弯矩比值随双排桩排距的增减而呈线性变化关系。排距越小，第二排 桩分担弯矩比例越高，两桩趋于整体( 弯矩比值靠近数值1 ) 。随着排距的 增大，第一排桩所承受的弯矩也增大，而第二排桩的弯矩则逐渐减小。当弯 矩比值为零时，即转化为单排桩完全作用模式。 4 、可以采用有限元法优化确定双排桩的布置，合理分担两排桩的内力， 从而使埋入式双排桩的设计计算更满足工程要求。 1 2 3 设计计算研究 铁道科学研究院西北分院的励国良【4 】对多排抗滑桩与滑坡相互作用的计 算进行了研究。运用摩根斯顿普赖斯方法【5 1 ，将双排桩与滑坡进行离散化， 得出所有分条的三个平衡条件，进而计算桩的内力。在励国良提出的计算方 法中考虑了各分块的全部三个平衡条件；考虑滑坡推力时，安全系数的概念 是将滑面抗剪强度指标加以折减一定系数。在考虑有桩分块的时候，桩间土 的作用也考虑在内。 1 2 4 力学计算模型研究 西南交通大学的刘小j i i 【6 】博士对双排桩的力学模型进行了初步研究，表 明建立的抗滑桩与坡体相互作用的位移模型，可以方便的对双排桩之间的相 互作用进行分析，建立了具体的有限元计算格式和过程。 1 2 4 1 双排桩与单排桩计算模型的主要区别 在滑坡整治工程中，单排抗滑桩不能满足需要时，有时会设置双排桩来 对滑坡体进行支挡加固。在此称上排桩( 位于坡体中部) 为第一排桩，下排 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 桩( 一般靠近坡脚部位) 为第二排桩。在平面的布置形式上，一般有两种布 置，一种是上下排单根桩各自对应，大致位于一条直线上：另一种是上下排 的单桩不在同一剖面上，而是相互间隔布置，无论哪一种布置形式，在本节 所建立的双排抗滑桩的模型计算中均认为上下排单桩相互对应，即理论上可 视为上下排单桩位于一条直线上。 双排桩的力学计算模型建立在单排抗滑桩的位移计算模型基础上，即在 双排桩中考虑桩土相互作用的模型仍是本文提出的位移模型。对于第二排桩， 其具体的力学分析过程与单排桩的力学计算过程完全相同；对于第一排桩， 与单排桩的区别在于此时桩前滑体也要发生一系统允许的位移，以便将此段 滑体( 第一排桩前第二排桩后的滑体) 产生的滑坡推力传递到第二排抗滑桩 上。此外，由于抗滑桩与岩土体之间的相互作用，上下两排抗滑桩通过连接 二者的岩土体也要发生相互作用，所以，计算模型中除了考虑单排桩与岩土 体的相互作用计算外，还要考虑上下两排桩之间的相互作用，具体的有限元 计算分析模型如下所述。 图1 1 双排桩计算断面示意图 1 2 4 2 双排桩中的单排桩分析 为了分析方便，滑体的系统位移均设为绕无限远点的转动，即平动；将 第一排桩后的滑体称为滑体l ，相应的系统允许位移称为y h l ，第一排桩前第 二排桩后的滑体称为滑体2 ，相应的系统允许位移称为j ，h 2 。其他的相应变量 均加下标1 ， 2 ，分别代表与第一排、第二排抗滑桩相应的各量，以后的公 式中不再另行说明。 第二排桩的计算分析完全与单排桩支挡结构相同。下面主要对第一排桩 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的分析与单排桩支挡结构中不同的部分进行说明如下。 ( 1 ) 滑面以上单元荷载列阵的修正。在桩的总势能表达式中，由于 滑体2 的系统位移y r t 2 对桩在滑面以上部分的势能贡献为 i 帅= 一i n k d yhp d x = 一e 、k dyh2 n t d t d x ( 1 1 ) 对式( 1 - 1 ) 关于d 取极值，可得滑面以上单元的荷载列阵的修正项为 耻i 学，学，2 学，一毕，2r ”2 ， 势能的修正项，朋对桩的单元刚度矩阵没有影响。所以，在第一排桩 的单元分析时，只需对滑面以上单元的节点荷载列阵叠加入( 1 2 ) 的影响即 可。 ( 2 ) 由于滑体2 的位移y h 2 ，在求第一排桩前侧岩土体抗力胄。l 时也 应进行相应的修正，即此时的表达式变为 足。= 莩一肛( 0 ) - - y h 2 ) 出= , 蔓4f k 2 q + 等+ 2 哆一等) + ；，( 1 3 ) 上式中的求和代表对滑面以上单元的求和。 1 2 4 3双排桩相互作用分析 上下两排抗滑桩之间相互作用的介质主要是两排桩之间的滑体2 ，由于 第一排桩与滑体2 之间的相对变形而产生了作用于滑体2 的新增滑坡推力 ( 亦即为滑体2 对第一排桩的桩前抗力) ，而滑体2 又通过它与第二排桩之间 的相对变形将此新增的滑坡推力和滑体2 本身的计算滑坡推力一起作用于第 二排桩上。 由于事先滑体1 和滑体2 的系统位移均未知，所以需要进行迭代计算， 迭代终止的条件对于第一排桩而言为 1 只l e r li 占 ( 1 - 4 ) 式中p s l 一一根据第一排桩与桩后滑体的相对位移计算得到的作用于抗滑 桩上的滑坡推力： e t l 一一设计计算得到的第一排抗滑桩应承受的设计滑坡推力； s 一一给定的任一较小的纯数，控制p s l 与所l 近似相等的程度。 对于第二排桩迭代终止的条件为 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 只2 一辱2 + 足l l 占 ( 1 5 ) 式中p s 2 一一根据第二排桩与桩后滑体的相对位移计算得到的作用于抗 滑桩上的滑坡推力： e t 2 一一设计计算得到的第二排抗滑桩应承受的设计滑坡推力： 月。l 一一由于第一排桩的变形而对第二排桩产生的新增滑坡推力。 具体迭代的过程为，首先设定滑体l ，2 的系统位移值y m 、y h 2 ，然后通过 不断修正y h l 的值对第一排桩进行迭代计算，直到满足条件式( 1 - 4 ) ：将相 应的桩前滑体抗力( 即产生的作用于第二排桩的滑坡推力) 传递到第二排桩， 对第二排桩进行计算，如果不满足条件式( 1 - 5 ) ，则对y y z 进行相应的修正， 之后再进行第一排桩的迭代计算，如此直到计算的第二排桩的条件判断式 ( 1 5 ) 得到满足。 同单排桩的计算相同，此处需要说明的一点是，计算结果中出现桩后岩 土单元与桩单元分离或者桩前岩土体与桩分离的现象，应将这些与岩土单元 分离的桩单元纪录下来，重新进行迭代计算，计算中对这些分离的桩单元不 再考虑其相应的桩后或桩前岩土体的作用。 1 2 5 双排桩位移迭代有限元模型研究 长安大学的李荣峰【7 j 将弹性地基梁有限元法和连续介质有限元法结合， 提出了抗滑桩设计计算的位移迭代有限元法，建立了双排抗滑桩有限元模型， 对抗滑桩桩身内力和位移分别进行了计算。并通过工程实例，对位移迭代有 限元法和压力法计算结果进行了分析和对比，结果表明，位移迭代有限元法 能较好地反映抗滑桩实际的受力和变形性状，更加符合工程实际。 当选用双排抗滑桩治理滑坡时，位移迭代有限元模型如图1 2 所示，模 型按平面应变问题考虑，取滑坡主纵断面为分析断面，并将滑坡前缘深度范 围内滑坡体作为研究对象，其中岩土体采用实体单元模拟，按平面三角形单 元进行网格剖分，本构关系按弹塑性考虑，桩体采用梁单元模拟，按一维梁 单元进行网格剖分，本构关系按线弹性考虑。将整体模型分解为桩后土体a 、 第一排桩b 、两排桩之间的桩间土体c 、第二排桩d 、桩前土体e 五部分， 其中桩后土体a ，分为桩后滑体和桩后滑床，荷载为自身重力，左侧边界条 件为水平方向固定约束，右侧边界条件为抗滑桩支护反力，底部边界条件为 垂直方向固定约束：第一排桩b ，以滑动面为界，分为滑动面以上的桩身自 由段和滑动面以下的桩身嵌固段，两侧边界条件为侧向土压力，底部为自由 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 支撑；桩间土体c ，分为桩间滑体和桩间滑床，荷载为自身重力，左侧和右 侧边界条件均为抗滑桩支护反力，底部边界条件为垂直方向固定约束；第二 排桩d ，以滑动面为界，分为滑动面以上的桩身自由段和滑动面以下的桩身 嵌固段，左侧边界条件为抗滑桩支护反力，右侧边界条件为土压力，底部为 自由支撑；桩前土体e ，分为桩前滑体和桩前滑床，荷载为自身重力，左侧 边界条件为抗滑桩支护反力，右侧为自由边界，底部为垂直方向固定约束。 a ，b ，c ，d ，e 五个计算模型的综合即为双排抗滑桩与土体相互作用 的位移迭代有限元模型。 + 卜卧 双捧抗滑桩与岩土体相互作用体系桩后土体a抗滑桩b 桩捧间土体c 抗滑桩d桩前土体e 图1 2双排抗滑桩与土体相互作用位移迭代有限元模型 具体计算步骤如下： ( 1 ) 分别建立a 、b 、c 、d 、e 五个模型的有限元方程： = r 彳 = r ) 口 = r ) c ( 1 6 ) = r ) d = r ) 其中 k 】为总刚度矩阵， 6 ) 为节点位移列阵， r ) 为节点荷载列阵，上标表 示不同的模型。 ( 2 ) 将( 1 - 6 ) 的五个方程按位移向量重组，使桩一土共节点处的水平位 移集中在一起，并对刚度矩阵和荷载列阵分块，即 嘲e k d 黜料网l k 要 k 划4 ) j _ ) j k 占 c ) = 凇仰) + rc b ) ) ( 1 7 ) ( 1 - 8 ) 4 口 c d f 、，、，j、，j、歹、歹 d d 艿艿艿 ，t rt，t r t f t 口 c d 】 k k k k k r l r l r l r l r l 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 睇 睇 霹。 磁 霸 磁 磁 磁 磁酬禹 k 。蚀) = 淞) + 尺肋) ) 嘲跚k 丢胪li：饱lj-i= 嘲k 轰 h 江m ) ， ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 其中 6 们) 为第一排抗滑桩以及桩后和桩间土体三者共节点( a 、b 、c 共节点) 的位移， 万啪) 第二排抗滑桩以及桩间和桩前土体三者共节点( c 、 d 、e 共节点) 的位移； 曰) 、 尺) 分别为桩后岩土体a 对b 的作用力( 或 b 对a 的反作用力) 和桩间土体c 对b 的作用力( 或b 对c 的反作用力) ； r c d ) 、 ( 群d ) 分别为桩间岩土体c 对d 的作用力( 或d 对c 的反作用力) 和桩前岩土 体e 对d 的作用力( 或d 对e 的反作用力) ； 万爿) 、 万c 、 占) 为 占们) 、 万凹) 以外的各节点位移分量列阵； r a ) 、 r c ) 、 r e ) 分别 万彳) 、 艿c ) 、( 占 e ) 为对应的节点荷载： k i i b 7 7 e 】为各模型总刚度矩阵的子块。 ( 3 ) 假定桩孔开挖瞬间完成，有限元迭代计算的初始条件设定为桩后、桩 间、桩前岩土体不变形，即 万们 o = o 和 万c e o = o ，代入方程( 1 7 ) 、( 1 9 ) 、 ( 1 1 1 ) ，可分别求得岩土体与抗滑桩接触处公共节点的水平约束力 占) o 、 r c 矗) o 和 r c 口) o 、 r 占d ) o 。 ( 4 ) 将 i 一雪 o 、 r 凹) o 和 r c d ) o 、 r e d ) o 作为边界条件分别作用于第一和 第二排抗滑桩上，并代入方程( 1 8 ) 、( 1 1 0 ) ，可求得抗滑桩各约束节点的位 移 万“) l 和f 万比，l 。 ( 5 ) 将 & a c ) l 和 & c e ) l ，分别代入方程( 1 7 ) ，( 1 9 ) ( 1 1 1 ) ，可求得与 该位移相应的岩土体各节点的水平约束力 占) l 、 r 凹) l 和 r c d ) 1 、 俨) l 。 ( 6 ) 将 一b ) l 、 r c b l 和 r c d ) i 、 r e d ) i 代入方程( 1 8 ) 、( 1 1 0 ) ，可求得与 该土压力相应的抗滑桩各约束节点的位移 万肛) 2 和 万) 2 。 ( 7 ) 与前一次求解结果作比较，当其中对应元素相等时，可终止计算，并 获得抗滑桩的内力和位移以及与岩土体有关的参数。实际可采用相对误差来 控制，若满足 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 il 万一c ) 一 万c ) ：f 万彳c ) ：5 ，、 lf 万c e ) 一 万c ) ：i 万c ) ：5 则结束迭代计算。 ( 8 ) 当不满足条件( 7 ) 时，重复( 5 ) ( 7 ) ，直到满足该条件为止。 1 2 6 双排桩弹性理论分析模型研究 刘鸿【6 4 】分析了现有各类抗滑桩和基坑桩的分析方法，采用弹性理论对双 排抗滑桩进行分析并建立了计算模型，对解析解进行了分析。通过上述工作， 得到以下主要结论： 建立了双排抗滑桩计算模型，应用弹性理论及结构力学中的位移法，得 出了桩、土水平位移的计算公式，再应用桩一土之间的变形协调条件，得到 了滑坡推力在前排桩及后排桩上所产生的作用力的计算公式。滑坡推力在前、 后排桩之间的传递分配主要是通过桩土的相互挤压作用来完成的，体现在前 后排桩的水平位移( 挠度) 的比较：当增大后排桩的刚度或减小前排桩的刚度 时，桩土相互挤压作用越小，a 2 a l ，随之减小，反之则a 2 a l 增大：前后排 桩的排距b7 对滑坡推力在双排抗滑桩之间的分配产生重要作用；当增大排 距b7 时，a 2 a l 随之增大；当减小排距b7 时，a 2 a l 随之减小。因此合理 选择双排桩的排距对滑坡推力的分配具有举足轻重的作用；随着后排桩与前 排桩的刚度比增大，a l 、a 2 逐渐减小，a 2 a l ，也逐渐减小，但当其刚度比 达到一定值以后，a 1 、a 2 的变化幅度不大，a 2 a l 变化幅度也不大。 1 3 膨胀土边坡的研究现状 自五六十年代以来，膨胀土的工程问题已成为世界性的研究课题，引起 各国学术界和工程的高度重视。1 9 6 5 年在美国召开首届膨胀土会议之后，每 几年都会召开一届。此外，国际工程地质大会，国际土力学及基础工程大会 以及许多地区性的国际会议都将膨胀土工程问题列为重要议题。英国、前苏 联、美国、日本和罗马尼亚等国都先后组织力量专门研究膨胀土的工程性质， 制定有关的规范，充分反映了各国对膨胀土工程问题的高度重视及采取的科 学态度。 我国对膨胀土的工程问题随着工程建设事业的迅速发展而引起工程技术 和科研人员的极大关注。在七十年代开始，有组织地在全国范围内开展了大 规模的膨胀土研究工作，取得了一批成果。建筑部门已由国家制定了膨胀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 土地区建筑技术规范，铁路工程膨胀土研究已有专著出版，并完成了铁道部 重点科研课题报告。目前我国膨胀土的研究工作，主要集中在以下几个方面， ( 1 ) 工业与民用建筑膨胀土地基问题，( 2 ) 膨胀土地区筑路工程问题，( 3 ) 膨胀 土的筑坝问题，( 4 ) 膨胀土工程性质及测试技术等。其研究成果集中体现在有 关的技术规范中，有关膨胀土的试验内容和方法在各种土工试验规程及手册 中均有体现。 早在三十年代，从粘土地基变形破坏和边坡失稳事故的分析中对膨胀土 的特殊性就有了认识，但直到六十年代才在有关文献中见到对这方面的论述。 以往对膨胀土的研究主要就组成膨胀土的物质成分及其工程性质、胀缩机理、 裂隙的形态、分布及成因、变形、强度、边坡稳定和试验方法等方面进行了 探讨。廖世文、刘特洪、李生林等在其专著中对多年来膨胀土研究所取得的 成果进行了系统的归纳总结。 1 3 1 膨胀土边坡的破坏理论和抗剪强度取值的研究现状 在土坡破坏理论和抗剪强度取值方法研究方面，不同的学者在各自研究 的基础上提出了不同的理论和选取强度的办法，加深了对膨胀土强度特性及 破坏机理的认识。l b j r r u m 提出了渐进性破坏理论，认为由于裂隙的存在和 开挖边坡所产生的应力释放，造成膨胀土强度的不均匀性和应力差异，当土 中某一点的剪应力增加到等于该点土的抗剪强度时，则该点产生剪切破坏。 a w b i s h o p 和b j e r r u m 提出了滞后破坏理论，认为膨胀土堑坡由于应力集 中和吸水等原因会造成土质软化，因而使c 7 随时间而减小，引起滞后破坏。 朱梅生提出了极限平衡一弹性理论，认为，膨胀土边坡的首次滑动是因为坡 脚附近首先产生剪切区( 塑性区) ，该区由于应变软化而强度降低，从而导致 坡体破坏。据此，他建议穿过剪切区的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑 弧采用峰值强度。另外在地表拉裂区范围内的强度取为零。潘君牧提出了气 候作用层分带法，认为边坡土体在气候引起的风化作用下，作用层的强度会 随时间衰减，从而引起边坡的破坏。他根据边坡土体风化程度随深度的变化 分为三层，i 层为强风化层，土体破碎，能充分蒸发，并迅速吸水，干缩湿 胀尤为明显，建议采用残余强度；i i 层为过渡层，采用峰值强度与残余强度 之平均值；i i i 层为未风化层，可视为保持原状土的性质，采用峰值强度。 廖世文提出了胀缩效应法，认为膨胀土边坡的变形演化实际上是土体在风化 营力作用下，由于反复干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过程，并建议 采用“模拟”边坡土体干缩湿胀效应的方法测试膨胀土的抗剪强度。廖济川 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 提出了分期分带法，认为确定膨胀土的抗剪强度考虑以下三个方面：强度分 带的界限。为使界限明确，按地下水位上下分别取强度值：强度使用期限。 按短期及长期稳定分别取不排水及排水强度值：膨胀土的工程特性。对胀缩 性考虑长期浸水或干湿效应，对超固结为渐进性破坏，对裂隙性为裂隙状态。 刘祖德、李柏乔等建议了分段取值法。d g f r e d l u n d 等人提出以两个独立的 应力分量( 仃一u ) 和( u 。一玑，) 来表达非饱和土的强度，其成果已得到国际公。 认和局部采用，但由于目前的吸力测试技术仍较繁难复杂，所以也未能在工 程实践中大量应用。 索洛昌，吉勃斯，h j ，廖济川，l i t d ，柯尊敏等，毕露刘，b h ， k a t t i ，r k ，包承刚对胀缩性对膨胀土的抗剪强度的影响进行了研究。对膨 胀土的抗剪强度问题，正由初期只考虑膨胀性而逐渐趋向考虑较符合工程实 际的受荷条件及干湿效应下的抗剪强度。强度的降低值也由定性而渐趋定量。 l b j r r u m ，l e e ，廖济川，t i e d e m a n n ，h v o r s l e v ，h e i f e l i ，s k e m p t o n ， a w ，k a n j i ，李妥德，张颖钧，赵泽三，b o z o z c k ，m ，l o ，k y ，r i z k a i l a ， v ，马骥，许年金，曹可之，谌壮丽等对超固结性和裂隙性对膨胀土的抗剪 强度的影响进行了研究。对超固结性膨胀土目前多集中在渐进性破坏的机理 及残余强度的研究，但在工程实践中如何合理应用残余强度还没有得到很好 解决。裂隙性对膨胀土的抗剪强度的影响主要表现在应力应变关系、试样大 小和使土体软化方面。从现场发生的滑动面来研究裂隙分布及土体中各类型 的强度一反算法，这一较合理的途径得到了大力的研究，但反算法结果的可 靠性取决于滑动面形态的精确度及理论分析的合理性。总的看来，对膨胀土 的研究以对原状土的研究居多，对重塑土的研究相对较少。柯尊敬对膨胀性 填土在不同浸水条件下膨胀后的抗剪强度进行了研究。卢肇钧，李生林，刘 特洪对击实膨胀土及混合土的强度进行了研究，建立了一个描述填筑土的强 度与填筑条件的经验关系，并对膨胀土分类填筑接触面的强度变化趋势作了 一些探讨。廖世文，王小军，赵中秀，余湘娟，王嫒，基文贵，李妥德，赵 中秀，黄赓祖，马时冬，刘麟德对膨胀土改性土的性质进行了研究。 1 3 2 膨胀土边坡稳定分析方法与计算模式 膨胀土作为一种特殊的粘性土，其边坡稳定性的分析方法可以借鉴粘性 土坡的分析方法，但是必须考虑到膨胀土固有特性的影响。李妥德等，李秉 生等，廖济川i ，扬成斌，p e c k ，r b ，李伟，王帧对膨胀土坡的稳定性计算 进行了较专门的研究，提出了静力平衡分析法，判别分析法和简易设计法等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 边坡稳定分析法，黄尚燕对膨胀土路堤边坡的破坏模式、稳定性分析方法进 行了分析和探讨。目前常采用的方法主要有静力平衡分析法，统计比较判别 法和有限单元法。 l 、静力平衡分析法 该法的基础是彼得森( p e t e r s o n ) 首先提出，后经费伦纽斯( f e il e n i u s ) 、 泰勒( t a y l a r ) 等人不断改进的圆弧滑动法或条分法。它假定土坡稳定问题是 平面应变问题，滑动面为圆弧面。用抗滑力矩与滑动力矩的比值来定义边坡 稳定的安全系数。该法经过几十年的应用和完善，加之比较简单，所以被普 遍应用。该法的缺点是没有考虑土体的应力一应变关系和变形对强度的影响， 所以无法分析破坏的发展过程。此外，这种方法建立在一些简化假定的基础 上，很难适应千变万化的地质条件，也不能摸拟各种工程加固措施的影响， 故计算结果与实际有一定的差异。 针对这些缺点，不少研究者对古典的静力平衡分析法提出改进意见。例 如在圆弧分析法中，分析塑性区的发展，在圆弧的不同部位采用不同的c 和矽 值，称为半解析法：考虑裂隙和软弱夹层的影响，用折线滑动面代替圆弧面； 还有的文章计及加筋措施的影响，将加筋力矩代入平衡方程等。 2 、统计比较判别法 该法建立在野外调查和数理统计的基础上，采用土质学中的比较判别方 法。对己有的大量边坡( 包括破坏和稳定的，自然边坡和人工边坡) 进行调查， 对比各种条件( 包括地质条件，运行条件) ，经过数理统计，找出各种主要因 素，例如坡高、坡度、液限、c 、矽值等的关系曲线，得到稳定边坡的断面形 式，或者提出经验公式。该法虽未完全揭示边坡破坏的力学机理，但它来源 于实践，考虑了复杂的地质因素，能够解决一定的具体问题，并能验证其他 理论研究或数值分析方法的合理性。 3 、有限元分析法 有限元法具有物理概念清晰，适应性强和程序通用性好的优点，因此得 到广泛的应用。在土的应力一应变关系方面可以采取线弹性、非线性弹性和 弹塑性等各种模型。可以用不同的类型参数去描述不同的材料，例如方便地 组合进行掺砂土、石灰土、土工织物的抗滑桩单元，以便研究不同加筋措施 的作用。有限元法适应于是复杂的形状和各种边界条件，既可以模拟复杂边 坡形状的填方，也可以模拟挖方。通过电算可以得到关于土体各点的变形和 应力方面的信息，可以说明破坏区( 塑性区) 发生和发展的过程及范围。有限 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 元法的缺点是为了获得计算模型中的参数需要要进行大量复杂的试验工作， 同时该法还不能给出整个结构抗滑动安全系数的大小。 1 4 本文的研究内容和主要方法 本文结合课题“玉蒙铁路高烈度地震区膨胀土岩路堑支护结构试验研究 之部分内容即双排桩支挡结构体系的研究；其主要内容及方法如下： 研究内容： l 、均质岩土体边坡双排桩支挡结构的滑坡推力如何分配、不同排桩之间 的相互影响； 2 、有固定滑面双排桩支挡结构的滑坡推力如何分配、不同排桩之间的相 互影响； 3 、不同岩土体参数对有固定滑面双排桩支挡结构滑坡推力如何分配、不 同排桩之间的相互影响； 4 、对膨胀土边坡的失稳机理进行计算与分析。 研究方法： l 、土工离心模型试验 试验目的：通过离心模型试验，对均质岩土体边坡单排和双排桩支挡的 桩受力与变形情况进行模拟，分析单双排桩支挡的受力情况，通过离心模型 试验结果与有限差分f l a c 3 d 分析进行相互校核，验证双排桩的受力和变形规 律； 试验方案：利用西南交通大学大型离心试验机通过对均质岩土体边坡单 排桩支挡和双排桩支挡进行离心模型试验。利用压力传感器和应变计进行桩 的受力与变形等量测。模型比例根据试验工点和模型箱尺寸选择。 2 、数值模拟 运用f l a c 3 d 方法，结合了试验课题在离心试验结果基础上，对双排桩的 受力情况进行研究。主要研究内容包括： 运用f l a c 3 d 对均质岩土体边坡的单双排桩支挡结构进行模拟分析，主 要考察双排桩支挡的受力分配情况； 运用f l a c 3 d 对有固定滑面的边坡单双排桩支挡构进行模拟分析，考察 双排桩的受力分配情况； 运用f l a c 3 d 对影响双排桩受力分配的各种岩土参数进行模拟分析，找 出其对双排桩受力分配的影响大小和规律； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 运用f l a c 3 d 对膨胀土边坡的失稳机理进行模拟，找出导致膨胀土边坡 浅层失稳的主要因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章桩与岩土体的相互作用 2 1 作用在抗滑桩上的滑坡推力及分布图式 2 1 1 作用在桩上的外力 渺 图2 1抗滑桩上的作用力 作用在抗滑桩上的外力主要包括滑坡推力、受荷段的地层抗力、锚固段 的地层抗力、桩侧摩阻力和粘结力、桩底应力以及锚杆的抗拔力等，如图2 1 所示。 其中，桩侧摩阻力和粘结力不仅可以产生平衡弯矩，帮助抗滑桩抵抗一 部分滑坡推力，还可以抵消一部分由自重引起的桩底应力，使结构受力减少， 但由于其计算复杂，所以这里不考虑桩侧摩阻力和粘结力的影响。同时由于 桩侧摩阻力和粘结力的存在，减小了桩底应力，因而，为简化计算，对桩底 应力也通常忽略不计。从总体效果来看，这样计算的结果稍偏安全，但对整 个结构影响不大。 滑坡推力是抗滑桩设计中的一个重要参数，它不仅与滑体规模、滑动面 形状、滑带土的剪切强度指标和工程的安全等级等因素有关，还受到计算方 法、计算模型的影响。滑体规模和滑动面的形状可通过详细的地质勘查确定， 而滑带土的剪切强度指标由于受取样条件、试验条件、滑坡阶段等不确定因 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 素的限制，在选取上较困难，至今国内外仍以反算指标为主，参考实验数据 和经验数据来确定。反算时又涉及到对滑坡稳定状态的评价和计算范围的确 定，因而对滑坡指标的确定，仍以半经验、半理论的做法为主。 综上所述，在对抗滑桩计