（道路与铁道工程专业论文）抗滑桩失效模式和安全评价指标研究.pdf

摘要 抗滑桩是滑坡治理中应用最多的工程结构物。隐蔽性较强，难以进行检查。 往往存在这样那样的问题，整个影响了边坡的防护。抗滑桩边坡一旦出现破坏， 既严重阻塞交通，给国家和人民经济造成巨大损失，又破坏环境景观和生态平衡。 通过研究抗滑桩工作性能的影响因素，抗滑桩破坏模式和安全评价指标，取得了 以下成果： 分析了抗滑桩的桩长、承载力、桩身完整性、钢筋笼、桩身混凝土强度和 地震对其工作性状的影响。 分析了抗滑桩的桩长、嵌固深度、混凝土强度和侧向抗力系数对内力、位 移和岩土体抗力的影响。 提出了抗滑桩失效类型，分析了抗滑桩失效对边坡稳定性的影响。抗滑桩 失效类型分为：剪断或折断、倾倒或推倒、滑体挤出、越项；前三种失效类型是 抗滑桩承载力的问题，属于抗滑桩的强度破坏问题。第四种属于抗滑桩与土体整 体稳定性破坏问题，都严重影响边坡的稳定性。 选取了抗滑桩安全评价指标为：承载力、桩长、嵌固深度、桩身完整性； 分析了抗滑桩评价方法。 关键词：抗滑桩；失效模式；安全性；评价指标 a bs t r a c t a p p l i c a t i o no fa n t i s l i d ep i l ei st h em o s te n g i n e e r i n gs t r u c t u r e si nt h el a n d s l i d e i t h a st o os t r o n gc o n c e a l m e n tt oi n s p e c t t h e r ea l es u c hp r o b l e m s ，t h ei n f l u e n c eo fs l o p e p r o t e c t i o n o n c et h es l o p ea n t i s l i d ep i l es e r i o u s l yd a m a g e st ot h es t a t ea n d t r a f f i cj a m ， t h ee c o n o m i co fp e o p l ec a u s e dh e a v yl o s sa n dd e s t r o yt h ee n v i r o n m e n tl a n d s c a p ea n d e c o l o g i c a lb a l a n c e t h r o u g ht h es t u d yo ff a c t o r sa f f e c t i n gt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo f a n t i s l i d ep i l e ，t h ea n t i s l i d ep i l ef a i l u r em o d ea n ds a f e t ye v a l u a t i o ni n d e x ，t h ep a p e r g e t ss o m em a j o ra c h i e v e m e n ta sf o l l o w s ： 1 1 1 ep a p e ra n a l y z e sw o r kt r a i t si sa f f e c t e dt h ea n t i s l i d ep i l el e n g t h ，b e a r i n g ，t h e a p p l i c a t i o no fa n t i - s l i d ep i l eb o d yc o m p l e t e n e s s ，r e i n f o r c i n gc a g e ，t h es t r e n g t ho f c o n c r e t ea n t i s l i d ep i l ea n ds e i s m i c b ym e a n so ft h ea n a l y s i so ft h ea n t i s l i d ep i l el e n g t h ，e m b e d d e dd e p t ho fs o l i d ， t h es t r e n g t ho fc o n c r e t ea n dt h el a t e r a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ，t h ea f f e c to fi n t e r n a la n d d i s p l a c e m e n ti ss h o w e di nd e t a i l 1 1 1 ep a p e rp u tt h ea n t i s l i d ep i l ef a i l u r et y p e sa n da n a l y z et h ef a i l u r eo fs l o p e s t a b i l i t yo fa n t i s l i d ep i l e a n t i s l i d ep i l et y p ei n t of a i l u r e ：c u to rb r o k e n ，d u m p i n go r d o w n ，t h es l i d i n ge x t r u s i o n ，t h et o p t h ef i r s tt h r e et y p e so fa n t i s l i d ep i l eh e a r i n g c a p a c i t yi si n v a l i d t h ef o u r t hb e l o n g st oa n t i - s l i d ep i l ea n ds o i lo v e r a l ls t a b i l i t y f a i l u r e t h i sp a p e rs e l e c t st h ea n t i s l i d ep i l es a f e t ye v a l u a t i o ni n d e x i ti n c l u d e ：t h ep i l e l e n g t h ，b e a r i n g ，e m b e d d e dd e p t ho fs o l i d ，t h ea p p l i c a t i o no fa n t i - s l i d ep i l eb o d y c o m p l e t e n e s s a tt h es a m et i m e ， a n a l y z et h ea n t i - s l i d ep i l ee v a l u a t i o nm e t h o d k e y w o r d s ：a n t i s l i d ep i l e ；f a i l u r em o d e ；s a f e t y ；e v a l u a t i o ni n d e x 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： b 、 酱磊矽孑 日期：泖加年多月f 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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者躲鲁彳砑 日期衫f 口年莎月f 7 日 指导教师签名： 日期：矽，库多月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k d 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：墨z 砑指导教师签名： 日期：汐妒年莎月| 1 日 日期：矽p 年多月l 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 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。作为全球性三大地质灾害( 地震、洪水、崩 塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳破坏，轻者引起边坡的破坏，重者摧毁边坡下的 构筑物，引起重大的经济损失，甚至造成人员伤亡。边坡破坏失稳事故遍及全球 大多地区，近2 0 年来在世界范围内，自然和人类诱发的崩塌滑坡，每年造成的经 济损失达百亿美元。我国是受边坡失稳危害最大的国家之一，近年来发生多起严 重的自然边坡失稳和人工边坡失稳事件，给水利、铁路、公路、矿山带来巨大损 失，严重影响了人们的生产、生活。 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。抗滑桩作为一种支挡抗滑结构 物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理中。抗滑桩这种新型支挡结构，与防治 滑坡的传统措施( 例如：排水、减载、挡土墙等) 工程相比，具有以下优点儿刮u “： 抗滑能力大，在滑坡推力大、滑动面深的情况下，较其它抗滑工程经济、 有效： 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，也能 与其他建筑物配合使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单元体， 对滑坡起到分而治之的功效； 挖孔抗滑桩可以根据弯矩沿桩长变化合理布设钢筋。因此，较打入的管桩 等要经济； 施工方便，设备简单，具有工程进度快、施工质量好、比较安全等优点。 施工时可间隔开挖，不致引起滑坡条件的恶化； 开挖桩孔能校核地质情况，检验和修改原有的设计，使其更符合实际； 对整治运营线路上的滑坡和处在缓慢滑动阶段的滑坡特别有利； 施工中如发现问题易于补救。 但是，由于工程质量及在运行中产生的缺陷，而形成了各种抗滑桩的破坏形式， 阻碍交通通行，给人民带来不便。抗滑桩桩属地下隐蔽工程，施工中，容易出现 各种质量问题，且不容易被发现。据国内外有关统计资料表明，出现桩身各种缺 陷的概率约为1 5 - - 2 0 ，如不及时发现，将对土工构筑物、建筑物的正常使用造 成隐患。因此，作为在滑坡治理中应用的最多的工程结构物的抗滑桩，研究抗滑 第一章绪论 桩的破坏模式和安全评价指标，具有重要的学术意义和工程实用价值。 隐蔽工程是隐患的高发地带，又难以觉察和监测评价，隐蔽工程通常埋入地 下或被掩盖，具有“隐蔽性”“。在工程建设阶段由于施工难度相对较大，并 且隐蔽后难以检查，往往存在问题；运营阶段。即使存在隐患与病害也无法觉察， 常常要等到病害“由里及表”发展到一定程度甚至是：【程破坏后，才能被发现， 由此酿成安全事故。其工程质量控制和隐患探测一直是土木工程界关注的热点和 难点。支护结构广泛应用于路基支挡加固与防护、隧道围岩支护、桥梁桩基与基 坑围护等工程中。其中，抗滑桩为路基工程中受力的支护结构形式，对工程的安 全稳定性有直接的影响，这也是土木界一直关注的重点。 抗滑桩属于支护结构隐蔽工程，埋于地下，难以进行检查，往往存在这样那 样的问题，整个影响了边坡的防护。施工中或完工后都出现了不同程度的抗滑桩 路堑边坡失稳事故，如黔江( 渝湘高速公路酉阳至黔江段z k 3 7 + 1 1 6 z k 3 7 + 2 0 4 ) 有 两工点边坡抗滑桩失效导致边坡滑塌失稳( 如图11 、图12 中照片示) 等。抗滑 桩边坡一旦出现破坏，既严重阻塞交通给国家和人民经济造成巨大损失，又破 坏环境景观和生态平衡。因此，作为在滑坡治理中应用的最多的工程结构物的抗 滑桩，研究抗滑桩的破坏模式和安全评价指标，提出完整的安全评价指标体系有 重要的意义。 瞬1l 抗滑桩失效导致路堑边垃失稳破坏 f i g i la n t i - s l i d ep i l ec u ts l o p e f a i l u r e l e a d i n g t o i n s t a b i l i t yf a i l u r e 第一章绪论 圈12 抗滑桩失效导致路堑边坡失稳破坏 f i g 1 2 a n t i s l i d e v i l ec u ts l o p e f a i l u r e l e a d l a g 协i m t a b i l i 钾f a i l u r e 对于既有的抗滑桩的受力状况也无从得知，而且在施工过程中质量是很难控 制的。现在对桩的检测主要还是垂直受力的桩。“( 例如：建筑桩、基桩等) 。 而对于抗滑桩这样的水平受力的桩检溃9 其运行要少得多。结合相关的理论及实践， 采用现场调研，调查地区重点针对西部地区用用支护结构较多的重庆、云南、贵 州三省市。通过对抗滑桩失效机理的研究，借鉴竖直受力桩及桥梁桩的影响因素， 得出抗滑桩的安全评价指标，从而满足抗滑桩的质量控制和隐患排查的工作需要。 为了评价抗滑桩质量及安全，首先必须建立相应的评价指标。而要建立抗滑 桩安全评价指标，则必须研究抗滑桩的失效模式及其主要影响因素，据此提出相 应的评价指标。鉴于此，以选定的依托工程工点为研究对象，开展以下内容的研 究： 采用资料查询与收集、工程实例调研、数值分析等手段开展。通过调研对 公路边坡抗滑桩的环境条件进行总结分类，供后续研究采用i 归纳公路边坡抗滑 桩主要失效现象，拟定出重点抗滑桩工点作为下步工作对象。在此基础上，采用 数值分析研究边坡岩土抗滑桩影响因素。最终得出抗滑桩的失效模式及其影响因 素； 依据抗滑桩失效模式及其影响因素研究成果，综合国内外已有成果，区分 出这些影响因素的主次，总结出普通抗滑桩主要失效破坏模式。通过解析计算及 数值模拟得出抗滑桩安全评价指标。 本论文以“公路支护结构隐蔽工程旌工质量与运行状况快速检测技术研究” 4 第一章绪论 为依托工程开展对抗滑桩的破坏模式和安全评价指标的研究，具有重要的学术意 义和工程实用价值。研究成果对保证公路建设的质量和运营安全，减少了抗滑桩 安全问题所带来的经济损失和社会影响具有重要的作用。随着我国经济社会的发 展，更多的公路、铁路及水电等基础建设项目陆续展开，这将会防止出现更多的 边坡变形破坏与治理工程。 1 2 国内外研究现状 抗滑桩国内外研究现状 长期以来，抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定 性治理中。在国内外边坡支挡工程的发展大体可分为三个阶段p 儿：5 0 年代以前， 治理滑坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程土要是挡土墙；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；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。 自2 0 世纪5 0 年代中较成功地开始使用抗滑桩以来，至今已有5 0 余年的历史。 抗滑桩由于抗滑能力大，对滑坡体的扰动影响小，施工方便，很快在边坡治理中 广泛应用，在治理大、中型边坡中几乎取代了抗滑挡土墙。抗滑桩是借助桩与周 围岩土体的共同作用，将滑坡推力传递到稳定地层的一种抗滑结构。抗滑桩在滑 坡体上挖孔设桩，不会因施工破坏其整体稳定，桩基嵌入滑床或破裂体之下，用 桩身的抗剪强度阻止滑移，其强度受外部因素的影响较小，且容易在结构设计时 得到满足。桩基抗滑支挡结构具有比挡土墙开挖面小、减小污工体积、抗滑能力 强的受力机制。 抗滑桩在国外始于1 9 世纪3 0 年代初，美、苏、日、英、德、意、波兰、捷 克等国使用较早。1 9 6 4 年，英国铁路某处滑坡造成山体与挡土墙一起滑动，采 用抗滑桩加固后，即达到稳定。1 9 6 7 年，美国i e l 金山某处由于在铁路隧道的上部 开挖公路，导致山体滑动，经过在隧道两侧设6 0 根钢筋混凝土钻孔灌注桩，组成 3 0 对排架抗滑桩，稳定了山体。1 9 6 8 年，比利时某处铁路路堑由于路基加宽、扩 建施工造成牵引式滑坡，后来采用两排抗滑桩整治，并在与滑坡比邻的隧道进口 两侧也修建了5 0 根抗滑桩，稳定了滑坡。欧美国家和前苏联多采用钻孔钢筋混凝 土灌注桩，日本则多采用钻孔钢管桩，7 0 年代后期，日本开始应用1 5 3 5 m 的 挖孔抗滑桩。 抗滑桩在国内铁路部门应用最早。5 0 年代修建宝成铁路时治理滑坡所用的桩 即与现在的挖孔、灌注的抗滑桩一样，系钢筋混凝土桩，但主要用于整治少数岩 石顺层滑坡。6 0 一- - 7 0 年代，在以排水工程和挡土墙为主的同时，大力开发应用抗 第一章绪论 滑桩以解决挡土墙施工中的困难，这种结构的工程量少于重力式挡墙。对抗滑桩 的应用与发展影响较大的是修建成昆铁路，1 9 6 7 年始相继在成昆线沙北、拉普、 嘎立、甘洛2 # 等滑坡采用大截面挖孔抗滑桩治理，首次成功的实现了挖孔抗滑桩 新型的支挡结构，为滑坡整治增添了一种切实可行的新手段。自从6 0 年代中期， 大截面挖孔钢筋( 或钢轨) 混凝土抗滑桩首次成功应用于成昆线的建设中之后，很 快在铁路、公路、水电建筑、冶金、煤炭等部门迅速得到广泛应用，并在治理大、 中型滑坡中几乎代替了抗滑挡土墙。抗滑桩由一般形式发展为椅式桩墙( 1 9 7 5 年 枝柳线施溶溪滑坡，铁四院) ；门型钢架排桩( 1 9 7 6 年枝柳线罗依溪滑坡，铁四院) ； 排架式抗滑桩排( 1 9 7 9 年成昆线玉田滑坡，成都铁路局) ；h 型排架抗滑桩( 1 9 8 3 年川黔k 1 8 0 路堤滑坡，成都铁路局) 。8 0 年代以来，在采用小直径抗滑桩的同时， 为治理大型滑坡，开始采用大直径的挖孔抗滑桩。这一时期对抗滑桩研究起推动 作用的学者有潘家铮、徐邦栋、王恭先等。 2 0 世纪8 0 年代后期出现和发展了一种全新而有力的新型抗滑结构一预应力锚 索抗滑桩结构，该结构通常利用钻孔灌注或支模浇筑成桩，在桩上设置一排或多 排锚索，并对锚索施加张拉力，将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中，以达阻止边 坡滑动的目的。该结构体系是一种新型有效的抗滑工程结构，与传统的工程抗滑 结构相比，该结构的支护机理发生了较大变化：具有主动、柔性支护的特点，在 施工方面机械化程度高、劳动强度低、总工程量较小，因此，施工进度快；同时 这种新型抗滑结构，开挖工程量小，对滑坡扰动小，这对施工过程中的安全保障 有较大增强。 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施，在世界各国滑坡治理中占有重要的地 位。作为一种在国内外都得到如此广泛应用的工程结构物，国外从2 0 世纪3 0 年 代( 1 9 3 1 年1 1 月1 2 日，美国工程新闻杂志滑坡和桩的作用) “，国内从 2 0 世纪5 0 年代初，其开始在工程中应用以来，它的设计理论也随着其日益广泛而 成熟的应用得到了相应的发展。对于承受( 岩) 土体侧向位移的被动桩，国外的 研究多侧重于( 岩) 土坡变形作用到桩体上的情况，对于承受土体水平位移桩和 桩群的设计计算，已提出压力法、位移法和有限单元法。与国外的研究不同“， 在国内对于抗滑桩的计算研究主要集中于加固岩土体边坡方面，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。 在抗滑桩的设计计算中，就滑坡推力计算、抗滑桩内力计算、抗滑桩锚固深 度确定、抗滑桩间距确定及设计方法的优化设计等方面进行了一系列的研究。目 前抗滑桩设计方法与边坡稳定性评价方法的发展相适应，可大致分为以下两类1 ： 1 ) 第一类是与传统的边坡稳定评价的极限平衡方法相配套的设计方法，这类 方法主要是进行平面分析，一般把桩和边坡分开来考虑； 6 第一章绪论 2 ) 第二类是与边坡稳定评价的边界元和有限元方法相配套的设计方法，这类 方法可以进行平面或三维的分析，可以把土一桩一土作为一个相互作用的整体体 系来考虑。 抗滑桩破坏、失效类型以及影响因素研究现状 对于既有抗滑桩的运行隐患，很难觉察和检测评价的，其工程质量控制和隐 患探测一直是土木界关注的热点和难点。抗滑桩主要应用于铁路、公路建设的边 坡防护工程中，其为路基工程中受力的支护结构形式，对工程的安全稳定性有直 接的影响。 近1 0 余年来对抗滑桩的研究，主要集中在计算机数值解、有限元法和边界元 法的应用，用优化理论确定土的阻抗函数，桩群的安全度和可靠度分析，桩参数 测定及质量无破损检验技术等方面。对抗滑桩的破坏仅建立了一些感性的、定性 的认识，缺乏相应的量化数据与指标，使得建立抗滑桩的安全评价指标的依据不 足，导致抗滑桩的安全评价指标体系无法完善的建立，在抗滑桩的安全评价指标、 体系、评价方法、及安全检测都没有完整的体系；对与具体构筑物结合的环境条 件的影响研究不够，致使难以建立抗滑桩破坏后对具体构筑物的影响；已有研究 获得了抗滑桩的各种破坏形式及其相应的各种影响因素，但未对这些影响因素展 开系统深入的分析研究，未获得各种破坏形式的主要影响因素，因此也就未能建 立对应的安全性检测与评价指标；已有研究虽然采用了较多的手段，但某些手段 有待改进。 目前尽管各行业都制定有抗滑桩的设计规范，然而这些规范中尚有一些欠缺 的地方，导致抗滑桩设计不够科学合理，甚至出现工程不安全。抗滑桩的破坏形 式大致有如下几种瞄刘n ： 1 ) 抗滑桩的内力不足，如桩身在滑动面处被剪断：在最大弯矩处被拉断； 2 ) 抗滑桩埋深不足，或根本未过滑面，锚固力不足，桩被推倒； 3 ) 抗滑桩间距过大，当滑体含水量高而呈流塑状时，滑体土从桩间流出； 4 ) 抗滑桩高出滑面的高度不足或桩位选择不当，导致滑坡从桩顶以上剪出， 即所谓的“越顶”现象； 抗滑桩故障状态是由外界环境，工作条件造成的。根据抗滑桩施工中的各种因 素，抗滑桩失效机理如下图1 3 所示： 第一章绪论 7 水泥 夕。 水灰比水灰比大 荔 离析 砂子 多。 骨料骨料粗夹泥 石 钢筋振动 振动下沉 颈缩 机械 1 ，一般取1 3 。 2 6 2 地震作用下抗滑桩失效机理 地震波特征及作用模式 地震波是一种因震源剧烈破裂运动而形成的传播于岩土体介质中的弹性( 机 械) 波。研究表明，其水平分量是导致滑坡体裂隙扩展、最终坡体失稳的根本动 力。作用在坡体上的地震波水平分量是个随时间变化的量( 图2 4 ) ，其大小在不断 的增强或减弱，方向也在周期性的改变。假设地震中作用在滑坡体上的水平震波 加速度口符合如下规律： 口= a ( t ) 式( 2 1 2 ) 式中： a ( t 1 为水平加速度的时间函数； f 为地震波作用时间。 、 n e _ 蜊 淄 c 工 丰 图2 4 地震波波形图 f i g 2 4o s c i l l o g r a mo fs e i s m i cw a v e 则在地震发生的全时域 o ，】内，作用在滑体上的水平加速度口并非总是不利于 其稳定。实际上，只有水平加速度为正向且足够大时滑坡体才会启动，抗滑桩锚 固体系才会倾斜失效。定义可导致坡体锚固体系失效的有效加速度为初始临界加 速度a c ，则由式( 2 1 1 ) 有： 口：三 竺竺! 鱼二竺妇一一ag口c2 赢广b g l b 群o 。 第二章抗滑桩工作状态影响因素 1 9 式中： 彳，召基于坡体性质参数的常量，可表示为： 彳= s 加吃嘲吼一c 半j 加( 吃一o o ) 溉o s 。o s e b s 半咖半s i n ( o h o o ) 式中符号参照前面的意义。 由前述分析可知，在地震波谱中，虽然任意大小的正向水平加速度都会增大 坡体的活动性，降低锚固体系的安全系数，但只有数值大于以的瞬时加速度才会 导致抗滑桩倾斜甚至倾覆失效。此时： a ( t ) 口c 式( 2 1 6 ) 显然，由式( 2 1 6 ) 可解得地震中导致抗滑桩锚固体系开始失稳的第一个时域 lf 1 ，0l ( 图2 4 ) 。在这段时间内，震波通过滑坡体以动能形式释放的能量为： m = i 1p r 2 吃一眈一s 伽( 吃一见) 式( 2 1 7 ) 需要说明的是，当a 以时，作用在滑坡体上的惯性力是安全的，其对锚固体系 所造成水平位移是可控的、可恢复的，这时多余的震波能量可通过抗滑桩完整传 递给基岩整体吸收。而当a a c 时，震波所导致的锚固体系变形是破坏性的、不可 恢复的。此时作用在滑坡体上多余的地震波能e 除少量通过抗滑桩部分传递给基 岩外，其它则主要被锚固体系的损伤变形吸收了。故导致桩体永久变形的有效能 量为： a e = 互1m 【l g ( 旷水j 球2 结合式式( 2 1 7 ) 有l ，0l 时间段桩体在滑面处的永久位移为： ，：6 r ：丝式( 2 1 9 ) 式中，6 为有效能量丝导致桩体在滑面处转角。要特别强调，地震荷载为短 暂作用的往返荷载，在数量和方向上快速波动，即便单次峰值荷载导致坡体安全 系数小于l ，也不会导致防治结构的整体破坏，只会产生一定量的永久位移。但在 条件满足情况下，上述过程会反复进行，桩体的永久位移也会逐渐扩大，最终系 统破坏。 ，【明 式( 2 2 0 ) 式中： ，抗滑桩设计可容许永久位移。 第二章抗滑桩工作状态影响因素 可见，震波作用下抗滑桩的失效机理是在特定方向和足够大小的地震荷载反 复作用下损伤和变形累积的结果。 2 7 本章小结 通过分析抗滑桩各指标对工作性状的影响的出以下结论： 承载力是评价抗滑桩的综合性指标，桩身承载力的不足将严重影响滑桩的 受力状况，导致抗滑桩受剪而失效； 当抗滑桩长过长时就会使抗滑桩弯断，最终导致其失效； 桩身完整性中常见缺陷类型有：缩颈、扩颈、夹泥、离析、断桩等，其都 影响抗滑桩的承载力； 震波作用下抗滑桩的失效机理是在特定方向和足够大小的地震荷载反复作 用下损伤和变形累积的结果。 第三章抗滑桩受力特征 2 l 第三章抗滑桩受力特征 抗滑桩是借助桩与周围岩土体共同作用，把滑动体推力传递到稳定地层的一 种抗滑结构。它具有抗滑力较强、桩位灵活、施工简单、安全等优点，自2 0 世纪 6 0 年代开始使用以来，得到了广泛的应用。目前我国使用的最多的是钢筋混凝土 桩，由于工程实践中滑坡类型、地质条件、地形地貌的差异，采用的抗滑桩形式 不同其治理效果和工程造价也不同。但是最常用的还是普通抗滑桩，本章就介绍 普通抗滑桩的受力状况。 3 1 抗滑桩受力特点 根据桩与周围土体的相互作用，可将桩分为“主动桩 和“被动桩”两类， 普通抗滑桩属于被动桩。被动桩与土体之间的相互作用是一个十分复杂的课题， 迄今国内外对其研究得还不是很充分。抗滑桩承受的外力，主要是作用在桩后的 滑坡推力和桩前土体抗力( 由桩前土体剩余抗滑力、被动土压力或弹性抗力中小 者决定) 。 抗滑桩是穿透滑体深入稳定滑床前后岩土体的弹性抗力平衡滑坡推力阻止滑 动的一种桩柱治工程都是由几根抗滑桩组成的桩群来共同作用达到阻滑对山坡破 坏小，施工安全方便，省工省料。成孔形式多样件皆可适用。利用机械化施工， 工期短。在机具难以展开孔。抗滑桩群可以布置成多种形式，如互相联结的桩排、 下部间隔而顶部联结的桩排等。抗滑桩的选材、几何尺寸深度的确定取决于滑坡 的推力大小和滑坡特征，均须满足要求，防止土体从桩间或桩顶滑出等要求。抗 滑桩滑体图3 1 抗滑桩示意图。 图3 1 抗滑桩滑体示意图 f i g 3 1t h es k e t c hm a po f a n t i - s l i d i n gp i l e 第三章抗滑桩受力特征 尽管各国在计算滑坡推力和桩前土体抗力的方法上有所不同，但计算结果差 别不大。对桩的受力计算，已经提出了许多方法，有代表性的有如下几种m 。： 压力法：又可以分为b e g e m a n n 和d e l e e u w 法、d e b e e r 和w a l l a y s 法以及 t s c h e b o t a r i o f f 法等，他们通过假设土压力的不同分布形式来确定桩身受力情况。 这些方法因为误差较大，现在已经很少采用。 位移法：用位移法分析桩土相互作用更为合理。该法必须已知无桩时土体 自由倾向位移分布，然后把这位移叠加到桩上，而桩土相互作用则用弹性理论或 地基反力法计算，位移法能得出桩的弯矩和位移分布情况。 弹性法：主要采用半无限弹性体的m d n d l i n 方程计算桩土的相互作用。地 基反力法主要采用由w i n k l e r 地基反力模型而发展的一些计算方法，因为此方法简 单实用，且在不少情况下能表现土的实际状态，至今仍广泛使用。 有限单元法：这是近几年采用的方法，对二维和三维模型土体普遍采用线 弹性模型进行计算。他们一般没有考虑土体和桩的非线性接触，普遍进行简化处 理，尽管如此，还是得出了比较合理的结果。使用有限单元法可以考虑复杂材料 组成及边界条件，可以进行比较细致的分析。 普通抗滑桩这种抗滑支挡结构物从受荷方式的总体特征上来看，应该属于承 受水平荷载的梁式构件，一般由受荷段和锚固段组成。受荷段主要承受滑坡推力、 土压力等，进而又通过锚固段将这些外荷的作用传递到滑带以下滑床的稳定地层 之中，从而平衡滑体的下滑推力，达到稳固滑坡的作用。在桩受荷初级阶段，由 靠近地面的土提供抗力，土的变形处于弹性阶段；随着荷载增大，桩变形量增加， 表层土出现塑性屈服，土抗力逐渐由深部土层提供；随着变形量的进一步加大， 土体塑性区自上而下逐渐扩大，最大弯矩断面下移，当桩本身无法承担外部荷载 产生的弯矩或桩侧土强度遭到破坏，使土失去稳定时，桩土体系便处于破坏状态。 普通抗滑桩受力示意图详见图3 2 。 第三章抗滑桩受力特征 地面 l ：- ：- ：- ：- ：l 旨坡堆力 桩前圭 滑动面 、 i _ i l 叶= 月巴茎謇 抗滑桩 1 7 ，z 图3 2 抗滑桩受力图 f i g 3 1a n t i s l i d ep i l e sb yt r y i n gt o 力 力 3 2 抗滑桩受力理论分析 滑坡工程地质条件各不相同，因此抗滑桩的外力作用也是相当复杂的。为了 能与工程的实际情况相符合，通常都要作一些假定，在此基础上计算抗滑桩上的 作用力。抗滑桩的作用力通常包括滑坡推力和一些附加作用力，当抗滑桩两侧有 高差时，还应考虑主动土压力。 3 2 1 滑坡推力 滑坡推力是抗滑桩的主要作用力，因为滑坡类型不一，性质复杂，故常常受 到多方面因素的影响。滑坡处在蠕变阶段、蠕滑、滑移等不同阶段，滑体内部产 生的应力场就不一样，滑体的外形及可能的变化趋势不同，作用于抗滑桩的滑坡 推力差别很大；滑带的层数及每层可能的变化，各滑带的应力和抗剪强度以及两 者可能的变化与组合不同，滑坡推力也不相同；抗滑工程产生作用前和抗滑工程 产生作用后，滑坡体内的应力场也会发生改变；滑坡的安全系数取值不同，也会 影响滑坡推力计算值的大小。 滑坡推力分布规律 滑坡推力在抗滑桩上的分布规律非常复杂，它与滑坡的发展阶段、滑体的介 质类型、滑体岩土的综合刚度和厚度、抗滑结构的刚度等因素密切相关。对十滑 体刚度大的情况，般假定滑体的顶面和底面滑速相同，则滑体内的应力分布为 平行四边形( 或者矩形) ；当滑体的刚度比较小时，如果滑带较厚而滑坡呈后挫式 下滑时，滑坡推力的分布接近于梯形或三角形；当抗滑结构的刚度较大时，如刚 2 4 第三章抗滑桩受力特征 性的重力式抗滑挡墙和预应力锚索抗滑桩，滑坡推力作用点通常在滑带以上抗滑 结构的中点附近；当滑体的刚度比较大而抗滑结构刚度不大的情况下，由于抗滑结 构的弯曲变形，结构上部位移较大，滑坡内应力分布实际上更接近梯形或三角形 也有的学者将其简化为抛物线形分布。 因此，滑坡推力的分布图式应该综合考虑滑坡的发展阶段、滑体岩土性质、 抗滑结构及受力以后的变形等因素而定，通常在对工程计算结果影响不大的情况 下，为了计算方便，把抗滑桩的滑坡推力分布图式简化为矩形，梯形或三角形如 图3 3 。 一 一 a ) 矩形 f 舢 f h l - 卜 - + _ b | + 之 、 b ) 梯形c ) 三角形 图3 3 滑坡推力分布图式 f i g 3 3t h ed i s t r i b u t i o no f s l i d ef o r c e 滑坡推力计算 滑坡推力计算是在已知滑坡位置、可能的滑面形状及岩土体强度指标的基础 上进行的。滑坡推力的计算方法国内外均无统一规定，一般按照滑带形状不同分 别采用不同的计算公式，现在工程上常用且行之有效的方法是采用传递系数法。 传递系数法采取平行于滑动方向的滑动断面，取1 米宽作为计算单位，自后向前 计算求滑坡推力，如果某位置计算的滑坡推力小于0 ，说明此位置以上的滑体处于 稳定状态，则从此处开始重新计算滑坡推力。假设计算位置两侧的滑体的滑动速 度相同，故没有摩擦力；在滑动面转折处，后段对前段的推力采用在前段滑动方 向的投影值；滑动面不为折线的情况下，沿滑动方向将滑体划分为许多段按进行 计算。传递系数法的计算简图如图3 4 所示。 第三章抗滑桩受力特征 为鲁 图3 4 滑坡推力计算简图 f i g 3 4t h es k e t c hm a pf o rs l i d ef o r c ec a l c u l a t i n g 由图可知，第i 条块的剩余下滑力( 即该部位的滑坡推力) 巨可以用下式计算： 互= 弛+ 互一。c o s ( a ，一一a ，) - m + 互一。s i n ( a h 一口，) ，绷一啪 式( 3 1 ) 式中： e 滑体第i 条块的剩余下滑力，k n 埘； z 滑体第i 条块自重的切线下滑力，k n m ；z = 彬s i n a ， m 滑体第i 条块自重的法线下滑力，k n m ；川= 形c o s ( z ， e 一。滑体第( i 一1 ) 条块的剩余下滑力，k n m ； 形滑体第i 条块的自重，k n m ； c 滑体第i 条块滑面上岩土体的粘聚力，k p a ； t 滑体第i 条块的滑面长度，m ； 仍滑体第i 条块滑面上岩土体的内摩擦角，。； 口；滑体第i 条块所在折线段滑面的倾角，。； 口h 滑体第i 一1 条块所在折线段滑面的倾角，。； k _ 安全系数。 3 2 2 水的作用力 水对滑坡推力的影响也时至关重要的。滑坡岩土因为孔隙的存在都有一定的 容水性和透水性，容水性使滑体的重量增加，边坡可能会因此变得更不稳定，透 水性使得当滑体有水且滑带水连通时，滑体内就存在动水压力，同时还受到浮力 的作用，动水压力作用于饱水面积的重心，方向与水力坡度平行，浮力的存在减 第三章抗滑桩受力特征 小了滑床对滑体的摩擦力；当裂隙水存在的情况下，对滑体还产生静水压力和浮 力；此外，滑带水有承压水头也能对滑体还水文地质条件的变化，有可能增加水 压和积水浸湿滑带的体积，并于软化的滑带土软化而改变滑带的部位，从而使滑 坡推力的大小改变。 3 2 3 土压力 有时因为施工开挖产生工程滑坡，开挖处设置的抗滑桩两侧必差，抗滑桩还 承受土压力，通常考虑主动土压力，当作用与抗滑桩土压力比滑坡推力更大时， 应该按土压力考虑。经典的土压力理论有朗肯理论和库仑理论，朗肯理论是从研 究土体中一点的极限平衡状态出发，推导出的理论解；库仑土压力理究墙后滑动 楔体的静力平衡条件出发推导出的理论解。 朗肯理论 朗肯理论假定了以下几个条件： 1 ) 挡土墙后填土是匀质各向同性的无粘性土，填土表面为一无限体，土压力 方向与填土表面平行。 2 ) 墙体在土压力作用下将产生足够的位移和变形，使得墙到极限平衡状态。 3 ) 主动或被动状态只是存在于破裂棱体之内，即局部土体限状态，而破裂棱 体之外仍处于弹性平衡状态。 4 ) 土体发生剪切破坏时，破裂面为平面。 5 ) 伸张与压缩对土的影响很小，忽略竖直方向上土的变形的影响。 6 ) 挡土墙墙背垂直、光滑、即墙背倾角、墙背与填土无摩作用于垂直面上的 主动土压力为： e o = - 9 1 ，日2 艺 式( 3 2 ) k o = t a n 2 ( 4 5 0 一纠 其中： e 总的主动土压力； 疋朗肯主动土压力系数。 作用于垂直面上的被动土压力为： q = i 1y 日2 巧 式( 3 3 ) k 2 t a n 2 ( 4 5 0 + 纠 第三章抗滑桩受力特征 其中： e 。总的主动土压力； k 。朗肯被动土压力系数。 库仑理论 库仑土压力理论研究挡土墙后滑动楔体的静力平衡条件，当挡土墙在外力或 填土的作用下产生位移或变形，墙背面填土形成楔形滑裂土体，滑裂体内的土体 处于整体极限平衡状态，滑裂体以外的土体仍处于弹性状态，此时根据滑裂土体 上作用力的平衡条件，即可以求出土压力。当挡土墙向产生向背离填土的方向位 移或变形，滑裂土体将向挡土墙方向滑动，此时滑裂填土对挡土墙的压力，称为 主动土压力，当挡土墙向填土方向产生位移或变形，滑裂土体将沿着滑动面向上 挤出，此时滑裂土体对挡土墙的压力，称为被动土压力。库仑土压力理论的基本 假定有： 1 ) 墙背面填土为匀质的无粘性散粒体； 2 ) 当墙体产生位移或变形后，墙背面填土中形成滑裂土体，滑裂土体视为刚 性； 3 ) 滑动面为一个通过墙踵的平面，滑动面上的摩擦力是均匀分布的； 4 ) 填土表面为水平面或倾斜面； 5 ) 挡土墙墙面为一平面，也是一个滑动面，填土与墙面之间存在摩擦力，摩 擦力沿墙面的分布是均匀的； 6 ) 土压力问题是一个二维的问题( 平面问题) ，可以取单位墙长来进行计算。 作用于墙背的主动土压力为： 1 e = 去y 片2 k o 式( 3 4 ) k o = c o s 2 ( 9 一s ) c 。s 2s c 。s c s + 6 ， + s 砌( 妒+ 6 ) s i n ( t p 一1 3 ) c ( s + 6 ) c o s ( e - a ) 其中： e 总的主动土压力； e 库仑主动土压力系数。 3 2 4 其他作用力 作用在滑体上的外加荷载如房屋、树木等，与滑坡体重量的增加是等效的， 如果外加荷载处于有利滑坡稳定的部位，如处于坡脚反压区范围内，则有利于滑 坡的稳定；相反，如果外加荷载处于不利滑坡稳定的部位，则会增大滑坡推力。 中lllj 第三章抗滑桩受力特征 在地震烈度大的地区，地震作用也不可忽视，作用于滑体条块重心处的水平 地震作用也应该予以计算。 3 3 抗滑桩计算模型 3 3 1 抗滑桩的力学模型 抗滑桩的计算一般是将土层看作符合w i n k l e r 假定的弹性地基，而抗滑桩被 看作弹性地基梁进行计算。根据对滑动面以上桩前土体作用处理方式的不同，可 将抗滑桩的计算方法分为悬臂桩法和地基系数法两种： 悬臂桩法模型( 图3 5 a ) ：悬臂桩法计算时把抗滑桩当作下部锚固于稳定岩 土层的悬臂结构，滑面以上桩身所受的滑坡推力和桩前剩余抗滑力都被当作外加 荷载，如果剩余抗滑力比被动土压力更大，则按被动土压力考虑，从而计算出抗 滑桩锚固段的桩侧压力、桩身位移及其内力。悬臂桩法计算简单实用，工程实用 中多采用此法。 地基系数法模型( 图3 5 b ) ：地基系数法计算时只把滑面以上作用于桩身的 滑坡推力当作已知荷载，滑动面上下的整个抗滑桩都被看作弹性地基梁进行计算， 如果桩前抗力比剩余抗滑力或者被动土压力大，则必须用剩余抗滑力或者被动土 压力代替地基抗力。 、 、 、 。 。 一 卜一 一耕 。、 一 、 卜一 、_ _ 一 。、 吖 ” ， r ， 7 擞 、 、 。、 、 、 。 4 a ) 悬臂桩法b ) 地基系数法 图3 5 抗滑桩的计算模型 f i g - 3 5t h em o d e lo f a n t i - s l i d ep i l e 第三章抗滑桩受力特征 3 3 2 抗滑桩间距的探讨 用抗滑桩稳定边坡和治理滑坡，其主要受力机理是滑坡体岩土在桩间形成水 平土拱，桩后的土压力或滑坡推力通过土拱效应传递到桩及周围土体，然后通过抗 滑桩传到下部稳定的地层。通常认为抗滑桩是一种具有足够刚度的结构，其变形量 必须严格控制某一范围之内。因此，抗滑桩能否起到抗滑的作用，关键取决于桩 间土拱能否形成，也就是说桩间距不能大于形成可以土拱的临界间距。经验和分 析表明，临界间距与滑体岩土性质、滑坡推力大小、抗滑桩截面形状和尺寸等诸 多因素都有关系，而实际工程中抗滑桩的间距通常都不会达到临界间距的。 滑体岩土性质主要体现在岩土的抗剪强度上，抗剪强度越高，则在较大的间 距时越容易形成土拱，而且形成土拱的承载能力越高；反之则越难形成土拱，最 极端的情况就是当滑体分别为岩石和流塑态时。滑坡推力大小主要体现在土拱承 受滑坡推力的能力，滑坡推力越小，相同间距的抗滑桩间的土拱越不容易破坏， 滑坡推力越大，越容易破坏，如果滑坡推力过大，甚至可能形成局部的变形过大 而破坏。目前这个问题尚未真正解决，抗滑桩间距通常都是依赖工程师经验并结 合适当的计算确定的。 3 3 3 抗滑桩计算方法 抗滑桩计算方法通常采用悬臂桩法，将滑面以上抗滑桩受荷段上的作用力均 看作外荷载，滑面以上的部分按悬臂构件计算。滑面以上滑体作用于桩身的推力 分布图形为矩形或者三角形，方向与滑动面平行。在抗滑桩的锚固段，则按w i n k l e r 假定计算桩周岩土的内力，嵌固段桩身内力根据滑面处的弯矩和剪力按地基弹性 抗力系数k 计算。滑坡推力由桩侧岩土抗力承担，不计桩底应力的影响。k 的计算 公式为： k = m ( y o + y ) ” 式( 3 5 ) 式中： 聊地基系数随深度变化的比例系数； 刀随岩土类别变化的常数