（道路与铁道工程专业论文）h型抗滑桩的有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 膨胀土边坡失稳是膨胀土地区一种最常见的斜坡变形现象，产生的病害对 工程建设有着巨大的危害和影响，膨胀土边坡的稳定性分析和整治是岩土工程 界最为棘手的问题之一。本文以牧马山膨胀土滑坡为例，采用非线性有限元法， 考虑膨胀力等因素的作用。通过计算坡体的应力与应变，分析边坡变形过程和 潜在滑动面。 h 型抗滑桩能够有效地抑止膨胀土边坡裂隙的扩展和发展，阻止边坡体的变 形。自上个世纪7 0 年代首创并应用，从8 0 年代末9 0 年代初，人们认识到地基 与基础的相互作用以来，在抗滑桩的设计理论和方法研究中开始注意桩土相互 作用的分析和研究，但对h 型抗滑桩的研究远不如单桩成熟。 为了研究沉埋式h 型抗滑桩在膨胀土边坡加固过程中的受力情况以便取得 合理的抗滑桩结构组合尺寸，采用了大型有限元软件a n s y s 分析h 型抗滑桩加 固膨胀土边坡。数值分析及结果表明，沉埋式h 型抗滑桩在不同的尺寸参数取 值下抗滑桩受力和变形有很大的不同，所以在滑坡治理中要采取不同的抗滑桩 尺寸设计参数，为工程和设计优化提供参考。 有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，应用 于本工程的优点在于可以考虑地层特性，局部变形对边坡稳定性的影响，桩、。 土体的接触效应。本学位论文研究成果对“本工程 有指导意义，对相关工程 有参考和借鉴作用。 关键词：膨胀土滑坡；h 型抗滑桩；有限元分析 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 e x p a n s i v es o i ls l o p ef a i l u r ei s t h em o s tc o m m o np h e n o m e n o no fs o i ls l o p e s d e f o r m a t i o ni ne x p a n s i v es o i la r e a a n dj t sm a l a d yw i l ld og r e a th a r mt oe n g i n e e r i n g t h ea n a l y s i so fe x p a n s i v es o i ls l o p ef a i l u r ei so n eo ft h em o s td i f f i c u l t yp r o b l e m si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h i sp a p e rt a k e st h ee n g i n e e r i n go fm u m a h i l le x p a n s i v e s o i ll a n d s i d ef o re x a m p l e ，w h i c ha d o p t e dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d c o n s i d e r e ds u c hf a c t o r sa se x p a n s i v ef o r c e s l o p ed e f o r m a t i o np r o c e s sa n dl a t e n t s l i d ef a c ea r ea n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h es t r e s sa n ds t r a i no ft h es l o p e h t y p ea n t i s l i d ep i l ei saw a yt or e i n f o r c et h es l o p eo fe x p a n s i v es o i l w h i c h c a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nc r a c k se x p a n s i o na n dd e v e l o p m e n t a sw e l la ss t o ps l o p e s d e f o r m a t i o n h - t y p ea n t i s l i d ep i l ei sd e s i g n e da n da p p l i e di nt h e1 9 7 0 s s i n c et h e l a t e1 9 8 0 sa n dt h ee a r l y1 9 9 0 sw h e np e o p l er e a l i z e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e f o u n d a t i o na n dt h es o i l ，t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fa n t i s l i d ep i l eh a v eb e g u nt o e m p h a s i z eo na n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ee f f e c to ft h ep i l ea n dt h es o i l b u tt h es t u d y o ft h eh t y p ea n t i s l i d ep i l ei sl e s sm a t u r et h a nt h a to ft h es i n g l et y p ea n t i s l i d ep i l e t h ef i n i t ee l e m e n ts o f l w a r ea n s y si su s e dt oa n a l y z et h er e i n f o r c e m e n to f s l o p eo fe x p a n s i v es o i la n dr e s e a r c ht h ef o r c es t a t eo fs u n k e nh t y p es l i d e r e s i s t a n t p i l ei nt h ep r o c e s so f r e i n f o r c e m e n t o fs l o p eo fe x p a n s i v es o i l ，s oa st og e tr e a s o n a b l e s l i d e r e s i s t a n ts t r u c t u r ec o m b i n a t i o nd i m e n s i o n t h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dr e s u l t s s h o wt h a tf o r c es t a t e so fs l i d e r e s i s t a n tp i l e sa r eg r e a t l yd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n t d i m e n s i o np a r a m e t e r t h e r e f o r e ，d i f f e r e n ta n t i s l i d ep i l ed i m e n s i o np a r a m e t e rs h o u l d b ea d o p t e du n d e rs l o p er e n o v a t i o n st op r o v i d er e f e r e n c e sf o rp r o j e c t sa n dd e s i g n o p t i m i z a t i o n t h em e r i to ff i n i t ee l e m e n tm e t h o di st h a ti ti sf i tf o rd e a l i n gw i t hn o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n t ，n o n h o m o g e n e o u sa n dc o m p l i c a t e db o u n d a r yp r o b l e m s ，w h i c hc a n c o n s i d e rs t r a t u mc h a r a c t e r i s t i c s ，e f f e c t so fl o c a ld e f o r m a t i o no ns l o p es t a b i l i t ya n d t h ec o n t a c te f f e c to fp i l ea n ds o i l t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i st h e s i sh a v eg u i d i n g s i g n i f i c a n c eo n “t h i sp r o j e c t ”a n dp r o v i d er e f e r e n c e sf o ro t h e rr e l e v a n tp r o j e c t s k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i ll a n d s i d es l o p e ，h - t y p es l i d e r e s i s t a n tp i l e ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 西南交通大学 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 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导老师签名：夕易彭参知 日期：0 - ；。留彭fg 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 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。 本学位论文的主要创新点如下： 1 分析了不同的结构组合尺寸取值下沉埋式h 型抗滑桩加固膨胀土边坡的 内力及位移情况； 2 得出了沉埋式h 型抗滑桩在加固既有挡墙边坡下的抗滑桩水平推力分布 和桩及系梁的内力及位移情况； 3 讨论了沉埋式h 型抗滑桩在加固既有挡墙边坡时的合理的主、副桩锚固 深度及桩排( 列) 距。 学位论文作者签名：力缪阱 日期：硎，6 心 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 课题研究的背景及意义 膨胀土边坡失稳是膨胀土地区( 图卜1 ) 一种最常见的斜坡变形现象，无论 是膨胀土斜坡还足人工丌挖的边坡，失稳现象都十分普遍，常常形成区域性灾 害。囚此，膨胀土边坡的稳定问题是岩士： 程中迫切需要解决的难题之一。与 其它土质的滑坡相比，膨胀土边坡的失稳形式有其特殊的规律。 根据对国内外膨胀土开挖边坡滑动现象的分析，可以将其最基本的特征和 共同规律归纳如下：浅层性，发育深度同裂隙发育深度及火气风化影响深度基 本一致，通常小于6 m ：逐级牵引性，先在坡脚局部破坏，然后向上牵引发展， 形成多层次滑动面；缓坡滑动，边坡的稳定坡角比一般土质的边坡缓；季节 性，边坡失稳绝大多数发生在雨季，降雨是主要的外部诱发因素；开挖后有较 长的稳定时间，很多膨胀土边坡稳定数年后才失稳。上述特点使得膨胀上边坡 的没计方法不能简单采用一般土质边坡的设计方法，而适合其特点的分析方法 目i 仃仍在探索中，膨胀土边坡整治失效的例子十分常见，往往造成重大损失。 因此，膨胀土边坡的稳定性分析和整治是岩土工程界最为棘手的问题之一。 图1 - 1 我国膨胀土的分布图幢 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 9 6 6 年铁道部第二勘测设计院在成昆铁路沙北1 号滑坡及甘洛车站2 号滑 坡中首次采用钢筋混凝土桩n ，来加固稳定滑坡，全面考虑了构件的抗弯、抗剪作 用，为滑坡治理增加了一种切实可行的新手段。这种结构很快在铁路路基工程 中迅速推广，并不断完善创新，由一般抗滑排桩发展到n 形刚架桩排。 h 型抗滑桩( 图1 - 2 ) 自上个世纪7 0 年代首创并应用以来，已3 0 余年了，与 单桩相比，其设计理论和计算方法远不如单桩成熟。自从上个世纪8 0 年代未9 0 年代初，人们认识到地基基础的相互作用以来，在抗滑桩的设计理论和方法研 究中开始注意桩土相互作用的分析和研究，但对h 型桩的研究也不如单桩成熟 “】 图1 - 2h 型排架抗滑桩 本文的主要目的是研究h 形全埋式抗滑桩在膨胀土边坡处治中的受力机理， 得出合理的抗滑桩参数，以指导施工和设计。 1 2 膨胀土边坡国内外研究现状 我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，多年来，在膨胀土 地区公路工程的设计、施工和管理工作中往往将它作为一般的粘性土和老粘土 对待，对它所固有的特性及特殊的结构构造性认识不足，使膨胀土对公路工程 的危害十分严重。自1 9 3 8 年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中首次认识 了膨胀土问题1 ，膨胀土开始引起人们的关注。5 0 年代初，我国在修建成渝铁 西南交通大学硕士研究生学位论文笫3 页 路工程中，首次遇到成都膨胀粘土危害问题。随着工程建设事业的迅速发展， 膨胀土的工程问题引起了工程技术和科研人员的极大关注，自上世纪七十年代 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，建筑部门己制定了“膨胀土地区建筑技术规范”，铁路工程膨胀土研究己有 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哺1 。 国内外不少学者对膨胀土滑坡机理、滑坡基本特性即牵引性和浅层性进行 了探讨。李妥德盯1 等，李秉生砸1 等，廖济川阳1 、李伟n 们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边 坡稳定分析法。秦禄生、郑健龙n 结合工程实践对膨胀土边坡雨季表层滑坍稳 定性分析。 由于国内膨胀土路堤改性填筑或各种防护工程的应用，路堤边坡的稳定及 防护研究有很大进展。杨和平n 2 1 教授等在云南省公路工程项目中对土工格网用 于膨胀土路堤边坡加固作了有益的探讨，对膨胀土路堤边坡的防护起到了较好 的指导作用。徐伟n 胡硕士对西汉高速公路洋县一勉县段的膨胀土堑坡进行生石 灰改性加固，对不同掺灰率的改性土对比后，可以得出一定掺灰率下各项指标 呈现最优的结论。 综上所述，国内外研究工作者对膨胀土的研究开展了大量工作，特别是近 年来，随着科技的发展，新理论、新技术的应用，膨胀土问题的研究在工程应 用方面有了一些进步。但由于膨胀土工程性质及影响因素复杂性，目前己有的 理论与应用方面的研究成果还远不能满足用于指导和解决高速公路建设中的实 际工程问题的需求，在膨胀土边坡稳定分析中土的强度参数取值、考虑膨胀力 作用的稳定分析模型的建立等方面还有待于研究。因此，对边坡的稳定性研究 无论在理论上还是在实际应用上都有待于加大力度，特别是需要深入开展有针 对性的边坡设计和防护措施的研究n 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 h 型抗滑桩的研究现状 1 9 7 5 年，在施溶溪滑坡治理中，铁四院的闵顺南、徐凤鹤等人首次提出了 h 型桩板墙的桩土受力变形计算方法：上墙及承台部分按悬臂梁设计；下部基桩 锚固于地层中，内外基桩位于外力作用面内，借助刚性承台座板联结成框架， 其按埋置于地层内宽度等于b p 的弹性框架构件设计( 参考人民铁道出版社出版 的铁路工程技术规范第二篇桥涵设计) u 训。 1 9 8 1 年，徐凤鹤、王金生等人在枝柳铁路罗依溪大滑坡治理设计中采用了 抗滑刚架桩的方案( 图i - 3 ) ，它与椅桩的区别是少了上部的悬臂段。徐凤鹤曾提 出一种分析弹性地基中刚架抗滑桩受力情况的差分方法，他假定桩侧荷载已知， 根据差分原理，借助于材料力学和矩阵代数的基本知识，建立弹性地基中刚架 计算的差分公式，该方法的计算过程较为复杂n 5 1 。 图i - 3 罗依溪滑坡抗滑刚架桩示意图 2 0 0 3 年，铁二院的蒋楚生提出：h 型桩中系梁很厚时，相对刚度则比桩大 许多，其结构设计可参照铁路桥涵中有关承台桩的内容；对于系梁与桩刚度相 近的h 型桩结构，则按变形协调条件将桩与系梁分解，两桩则按常规的单桩进 行受力变形计算( 图i - 4 ) 。其具体思路是：将原结构分解为四部分，主桩上部分 按悬臂段计算内力及位移( 不考虑肋板作用) ，下部分与系梁及副桩建立变形协 调方程，求出杆端力后，可按单桩( 桩顶作用有集中荷载的桩) 分别计算主桩及 副桩的内力及位移。这种方法是以杆端的位移为基本未知量，通过位移再求解 杆的内力，按照结构计算方法的分类可称之为位移法n 圳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 。 、 图1 - 4 内力计算模型 1 9 8 3 年3 月，铁道部第二勘测设计院勘测处与成都铁路局设计事务所徐良 德等就川黔线k 1 8 0 工点的滑坡，在室内做了排架桩与双排单桩的对比模型试验， 其主要目的是研究排架抗滑桩与双排桩的受力变形机理，并对两种抗滑桩的受 力状态进行对比分析，证明排架桩的优越性，以便在整治滑坡工程中应用和推 广。排架抗滑桩与双排单桩的对比模型试验表明：在同样条件下，排架桩的桩顶 位移仅为后排单桩的3 4 ，证明了采用排架抗滑桩比采用双排单桩加固土坡更经 济和更优越n 7 1 。 1 9 8 9 年，铁四院的闵顺南、袁建国等人对施溶溪椅式桩墙的结构进行了现 场实测和室内模型试验，其目的在于对该桩型的桩土相互作用分析结果进行验 证。 建科院( 何颐华等，1 9 9 6 ) 所做的双排护坡桩模型试验表明：在同样桩数的前 提下，将单排桩每隔一根移至后排形成双排桩，由于双排桩的整体刚度大，水 平位移明显减小，双排桩桩顶位移约是单排桩的3 5 ，同时桩的内力也有所下降， 双排桩的最大弯矩比单排桩降低2 0 以上引。 2 0 0 3 年，天津大学的郑刚、李欣等人在深基坑围护结构一刚架桩中，提出 了一种新的考虑桩土相互作用的平面杆系有限元模型。其主要思想是：将桩间土 视为薄压缩层，并以水平向弹簧模拟，可以考虑两排桩间土层分布变化、压缩 性、桩问土加固等对双排桩相互作用的影响，避免对前后排桩土压力分布做出 人为分配( 图1 - 5 ) 啪1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 5 平面杆系有限元模型 早在1 9 7 9 年，成都铁路局的高同玢、吴道忠等人在成昆铁路玉用车站三线 桥滑坡整治工程中，用平面杆系有限单元法进行了排架抗滑桩的设计心。 四川大学的赵海玲( 2 0 0 5 ) 曾对四川省宜宾市五粮液纸箱厂2 # 滑坡治理中的 h 型抗滑桩( 图1 - 6 ) 作过二维的弹塑性有限元分析，旨在了解h 型抗滑桩的变形 性状。文中提到的桩型跟常规的有所不同，一般来说，h 型桩的副桩及系梁均设 置于坡体的外侧，以承担较大的倾覆力矩，而该文把副桩及系梁置于填土之内， 靠填土的自重提供抗倾覆力矩，也能增加结构的抗滑能力口2 i 。 图1 - 6 宜宾五粮液纸箱厂2 # 滑坡治理断面图 成都理工大学的马青力( 2 0 0 6 ) 以雅泸高速公路k 1 4 斜坡路堤治理为例， 综合利用解析方法、数值方法与实验、监测等多种手段，对h 型桩板墙( 图1 - 7 ) 进行分析。此文提出一种在主副桩之间加设肋板的方法，通过这种结构的优化， 可以有效地增加节点刚度，改善h 型桩板墙的工作性能，同时减小系梁高度、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 副桩的桩长，节省工程造价。另外一种是让系梁内伸形成承台桩结构，其目的 是通过系梁内伸部分承受上部填土自重增加桩的抗倾覆力矩旧1 。 图1 - 7 雅泸路用h 型桩板墙治理斜坡路堤断面图 1 4 本文研究的主要内容 对于岩土工程领域，由于结构与岩土体的相互作用，结构的位移及力边界 条件不能预先确定，同时结构的空间效应不能忽略，因此常运用实体单元进行 数值分析，通过建立接触面或耦合关系将结构单元与岩土体单元关联起来。对 于结构本身，我们一般比较关注应力的极值点，即应力集中区域、在极限荷载 作用下的破坏点，而线单元是无法实现的；同时，有的结构长宽比不大，特别 是复合结构，不能抽像为线( 杆) 单元。 本文主要针对在膨胀土边坡加固中，对沉埋式的h 型抗滑桩进行数值分析。 对结构的变形、受力特性能进行较为详细的分析，对结构细部尺寸应力分布( 应 力集中) 能比较准确的展示。 主要研究内容： 1 对膨胀土边坡的稳定性作出评价。 2 对抗滑桩加固后的边坡进行有限元分析，分析边坡的变形、应力分布及 塑性区的变化规律。 3 对h 形沉埋桩加固的滑坡进行数值分析，得出了外桩、内桩以及系梁的 内力及变形特性。 4 分别改变桩身参数进行计算，得出最佳的桩身锚固深度和最佳桩排( 列) 距。 r1。l引。，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章工程概况及滑坡稳定性评价 2 1 地形、地貌和地质简况 2 1 1 地形地貌 图2 1 滑坡平面示意图 勘察区( 图2 一1 ) 位于成都市双流县胜利镇牧马山。成都市牧马山开发区是成 都建设国际大都会的配套功能区域。规化性质以旅游、居住、文化为主，休疗 养为辅的现代化、多功能的新型山水新城。周围有府河( 东西) ，杨柳河( 西侧) ， 江安河( 北端) ，岷江( 西南部) 等四条江河环绕，交通极为方便，北与双流国 际机场毗邻心“。 牧马山主要地貌类型为低山丘陵，牧马山台地山势平缓，海拔一般在 4 5 0 5 0 0 米左右。山峰有善人坟( 5 8 7 米) 、桃子园( 5 8 2 米) 、曾家官山( 5 4 4 米) 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 天宫庙( 5 4 8 米) 等，其中以善人坟最高心”。 本设计抗滑桩与挡土墙所处场区地貌属成都平原地貌。 2 1 2 岩土特征 参看四川省地勘院工程地质勘察报告幢“，沿抗滑桩布置纵向线地层主要由第 四系全新统及中下更新统地层组成，如图2 2 所示，自上而下为： ( 1 ) 素填土：狄黄色，松散，湿，以粉质粘土、粘土为主。y ：1 9 6 k n m 3 ， c ：2 2 3 0 k p a ，巾：1 6 。 - - 1 9 。，厶：1 3 0 k p a ，e s ：5 5 m p a 。厚0 4 , - - 4 5 m 左 右。 ( 2 ) 粘土：黄褐色褐红色，湿，可塑硬塑。以粘粒为主，含1 0 - - - , 1 5 卵石。卵石粒径一般为2 8 c m 。表层网状裂隙发育。容重y ：2 0 4 k n m 3 ，c ： 3 6 - - 6 2 k p a ，巾：1 3 。1 7 。，：2 0 0 k p a ，e 。：6 2 m p a 。厚2 - - - - 4 m 。 ( 3 ) 滑带粘土：灰白色，湿饱水，松散。容重y ：1 9 5 k n m 3 ，c u ：1 3 k p a ， 巾t l ：9 0 ，e 。：1 2 0 k p a ，e 。：5 1 m p a 。厚0 2 o 5 m 。 ( 4 ) 强风化砂泥页岩：红棕色褐黄色，页理较清晰，风化裂隙密集，散 体状结构，矿物成分显著变化，岩体破碎。容重y ：1 9 6 k n m 3 ，水平地基系 数k ：3 5 1 0 5 k n m 3 ，厚1 0 - - - , 4 0 m 。 ( 5 ) 中风化硬质砂泥页岩：红棕色褐黄色，页理发育，结构部分破坏。 容重y ：2 3 2 k n m 3 ，水平地基系数k h ：5 5 1 0 5 k n m 3 ，单轴抗压极限强度 r = 】6 】m p a 。 图2 - 2i v i v 滑坡剖面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第l0 页 2 1 3 滑坡区水文地质条件 沿线的地表水主要为雨水，没有河流。 沿线主要地下水为上层滞水，储于土层中，在岩层中有少量裂隙水出现。 地下水由大气降水及地表水补给，受气候( 尤其是降雨) 的影响大。地下水流 向西南沟谷，以泉眼、渗流方式排泄。冲沟内平时无水乜”。 2 2 滑坡分析 2 2 1 滑坡的形态特征 调查、勘探晗表明，区内滑坡后缘形成多条拉张裂缝，裂缝走向1 4 0 。，倾 角8 0 。，呈波状展布，缝宽0 0 8 - - - 0 1 0 米，可视深达1 1 米，裂缝延伸长度 3 5 0 米左右，该裂缝与深层滑坡滑面相连。在挡墙下部距挡墙5 米处也有裂缝发 育，缝宽o 0 3 o 1 0 米，该裂缝与挡墙近平行，可视深达0 6 米，滑部造成前 往对面山坡的石板路局部破坏，挡墙倾斜向内，滑坡前缘剪出口不明显，前缘 形成滑坡鼓丘。滑坡前缘处少量地下水泄出形成湿地，在挖成探坑中形成了积 水让”。 以2 2 1 号和2 2 2 号别墅之间前往森林公园的森林散步道为界，滑坡可以分为 东西两侧，东侧滑坡较之西侧滑坡强烈，每一侧滑坡中右侧要强于左侧。东侧 滑坡中最东侧处滑坡发生明显，前缘已剪出，将冲沟填埋，冲至对岸坡上，东 侧中间部分滑坡中挡墒向内倾，破坏较为严重。西侧滑坡靠近东侧活动性要强 于西侧，经过多次活动，形成明显的滑坡形念特征瞪4 ，： l 、明显的植物标志 在滑坡前缘和滑坡体中部，有植物的生长( 主要为松树) 已成“醉汉林 ， 它表明滑坡形成时间较长，位于滑部前缘靠近沟边的树木已被倾到在对岸。 2 、前缘有鼓丘、渗水、局部有小崩塌。 维也纳森林公园滑坡、虽然形成背景类似，但类型复杂，总体束说，按滑坡 规模、滑体厚度、滑体物质、按滑层与层面与结构面的关系和滑坡产生的原因 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 及形成年代来划分，属中型中层堆积顺层膨胀土滑坡。 2 2 2 现场变形情况 在现场勘察期问，对既有挡墙设滑坡变形观测点，对变形观测点进行了滑坡变 形观测，观测记录如表2 1 及图2 3 所示，。 表2 1 现场变形观测记录 令脱测点 ； 位移全 abcdefg c i n 时间 6 71 01 41 0 51 71 41 76 6 2 81 0 31 4 11 0 51 81 5 11 7 56 6 2 91 11 4 51 0 51 91 5 61 7 76 6 31 1 31 91 1 32 2 51 5 61 7 86 7 11 2 81 9 1儿52 5 51 61 8 26 7 21 41 9 31 1 72 61 6 11 8 56 6 图2 3 变形观测曲线 综上，勘察期问滑坡一直处于变形之中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 3 含砾石粘土的膨胀性评价 根据提交的维也纳森林别墅二期岩土工程勘察报告( 2 0 0 4 6 ) ，场地粘 土自由膨胀率( 6 。，) 为4 0 一- - 6 7 ，属弱中等膨胀势，地基分级综合变形量 s c 为2 5 7 4 m m ，膨胀土地基的胀缩等级为i 级幢“。 2 2 4 滑坡稳定性计算分析 1 计算方法 计算方法采用不平衡推力传递 系数法。计算时首先对滑坡体进行 条块划分。其中任一条块如第i 条 块的受力如图2 - 4 所示。假定第i l 条块传来的推力f h 的方向平行 于第i 一1 条块的底滑面，而第i 条 块传递给第i + l 条块的推力f ；平行 于第i 条块的底滑面。则第i 条块 u i 、 图2 - 4 第i 条块受力简图 的剩余下滑推力的计算式为： e = ( 彬s i n a l + q ic o s a f ) 一【7 i ，f + ( 彬c o s a j u j qs i n a f ) f i k + e 一1 以一1 】 f式 蛾一l c o s ( a f 一1 一口f ) 一 l s i n ( a f l 一口f ) c 中，w ，为第i 要块的重量；c ；和f ；分别为第i 条块底滑面的内聚力和内摩 擦系数；q 。和o c 分别为本条块和上一条块的滑动面倾角；q ；为水平荷载， 如水平孔隙水压力和水平地震惯性力等；u ；为骨面上的孔隙水压力。 2 计算参数的选取 对于滑坡稳定性计算，滑带土强度参数的选取是否合理，是评价滑坡稳定 性成果可靠性的关键。因此，参数采用已有滑带土的试验成果及工程类比法来 综合评价滑坡滑面的强度参数担“。 ( 1 ) 滑坡滑带土试验成果分析 从试验结果( 表2 2 ) 可以看出，滑带土的含水量在2 3 5 3 1 7 ，平均为 2 8 6 ，考虑它已处在较饱和状态，它的饱和抗剪强度与天然含水量下剪切强度 变化不大。取天然含水量下的强度参数：巾：1 0 2 。，c = 4 1 k p a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 2 典型的滑带土试验结果 抗剪强度 室内原样 快剪饱和快剪 编号编号 取样深度土分类 含水量密度 内聚力 ( m )q ，( ) g c m 3 内摩擦角内聚力c内摩擦角 由( 。)( k p a )由( 。) c ( k p a ) 1 3z k l 3 - 21 1 o o 一1 1 7 0粘士3 1 71 9 05 51 84 81 0 1 7z k 2 6 - 31 0 5 0 1 1 4 0粘- 七2 3 5 1 9 69 87 8 7 55 2 1 0z k 4 1 6 5 0 8 1 0粘土2 9 0 1 8 71 5 52 89 8 1 7 ( 2 ) 工程类比法 对于粘土类型的滑坡，在各地都有发生，如图2 3 所示，它的参数取值可以 类比。 表2 3 不同地区、不同类型滑带土力学特征统计表 滑带土力学特征 抗剪强度指标 滑带士类型 内聚力( k p a )内摩擦角o ) 峰值残余值峰值残余值 粉质滑带七 1 5 3 03 1 51 2 2 28 1 2 粘性滑带七2 0 1 3 05 2 51 0 2 0 1 5 8 软岩滑带十5 0 2 0 05 2 5 1 0 2 01 5 8 ( 3 ) 反算法 根据滑坡目前正在活动，滑坡稳定性系数小于1 ，进行计算，反算得到的稳 定性系数巾= 1 0 。，c = 1 4k p a 。 综合考虑：计算中滑体的天然容重取2 1 k n m 3 ，饱和容重取2 2 k n m 3 。强度 参数巾：1 0 。，c = 1 4k p a 进行计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l4 页 3 计算方案 考虑在暴雨、地震及其叠加等因素影响下的稳定性系数，为滑坡是否需要 治理提供依据。 因本区地震的基本烈度为7 度，按照我国现行的规范，在考虑地震条件下 抗滑稳定性计算时，水平地震系数k 。= 0 1 9 ，特征反应周期0 3 5 9 。 根据上述要求，计算方案为： ( 1 ) 现今天然条件下滑坡的稳定性； ( 2 ) 考虑地震、暴雨等因素综合作用下的稳定性； 4 计算结果及分析 ( 1 ) i v 剖面( 图2 - 5 ) 现今天然条件和地震条件下滑坡体的稳定性； 图2 5 维也纳森林别墅公园滑坡剖面示意图 依据上述剖面及选取的计算参数，计算典型的剖面，获得的现今天然条 件下滑坡体的稳定性如表2 4 所示。 表2 - 4 滑坡体在不同条件下的稳定性系数 工况 天然条件下地震作用下 稳定性系数 o 9 2o 8 8 由于勘察时，正值成都雨季，同时也发生了强降雨，计算是有代表性的， 在地震和现有天然条件下计算结果如表2 - 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 - 5 不同工况下计算出剖面的下滑力 下滑力( k n ) 滑块序号 天然条件下地震条件下 13 9 0 3 8 9 1 26 2 5 66 2 6 5 38 2 7 28 3 1 6 49 6 0 2 9 6 9 5 1 0 1 6 11 0 2 6 9 61 0 2 9 71 0 4 1 3 79 0 19 1 1 8 书8 2 6 78 3 7 6 97 1 0 3 7 2 0 1 06 5 0 66 5 9 8 1l5 4 1 85 4 9 9 1 24 7 8 74 8 6 3 1 34 1 0 44 1 7 2 1 43 5 5 13 6 1 6 1 5 2 5 8 4 2 6 3 6 1 62 0 0 92 0 5 1 1 71 4 8 21 5 1 4 1 89 0 89 3 1 1 94 3 4 4 4 7 2 00 10 1 ( 2 ) v i 剖面现今天然条件和地震条件下滑坡体的稳定性； 依据上述剖面及选取的计算参数，计算典型的剖面( 图2 6 ) ，获得的现 今天然条件下滑坡体的稳定性如表2 - 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 - 6 维也纳森林别墅公园滑坡剖面示意图 表2 - 6 滑坡体在不同条件下的稳定性系数 工况天然条件下地震作用下 稳定性系数 v i10 9 5 由于勘察时，正值成都雨季，同时也发生了强降雨，计算是有代表性的， 在地震和现有天然条件下计算结果如表2 7 。 表2 7 不同工况下计算出的下滑力 下滑力( k n ) 滑块序号 天然条件下地震条件下 15 7 9 55 7 8 6 23 7 0 1 3 6 9 8 33 3 5 33 3 8 3 42 8 3 22 8 8 4 52 8 0 7 2 9 0 5 62 2 4 92 8 6 2 71 6 5 3 2 3 0 1 89 2 2 1 7 0 4 92 3 5 9 5 8 1 00 12 4 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 综上计算结果，滑坡体处于不稳定状态。 5 最大下滑力的选取： 经计算各个剖面比较所得，最大下滑力为1 0 4 1 3 k n ，因此，可以选此下滑 力作为计算标准，进行设计。 2 2 5 滑坡治理方案 在膨胀土地区进行边坡开挖时，由于膨胀性土与地表水、地下水的联合作 用，导致山坡土体向临空面方向蠕动挤压，逐渐积累下滑力或动力，由于蠕动 变形，山坡出现张裂，雨水和地表水从裂缝迅速渗入滑体内，增加滑体水压力， 并对滑带土质起软化、润滑作用，使滑带土体力学指标骤减，在滑体本身重力作 用下而诱发牵引性滑坡或推动式滑坡。滑坡体出现后，滑坡还会往纵深方向发 展而进一步恶化，甚至危及建筑物的安全，这种情况在雨季尤其显得重要，因 此滑坡体必须尽快处理以消除后患。其实，滑坡体处理不外乎“卸、“截 、 “排 、“挡 、“护 等防治措施的合理运用。“卸 一即消坡卸荷，减少滑 坡推力；“截一即设置排水天沟，拦截坡面洪水；“排”一即设置排水盲沟等， 疏干或排除滑坡体内部渗水，提高滑带力学指标；“挡”一即设置抗滑桩或护脚 挡墙；“护 一即设置坡面防护等。抗滑桩则是其中最主要防治措施之一。 通过现场踏勘、监测、钻探、人工探井、室内土工实验等考察研究，定义 本滑坡为典型的膨胀土浅层、小型滑坡，滑坡发育处于古滑坡复活初期阶段。 为确保山顶拟建别墅的安全，经研究决定，将对既有挡土墙基础进行加固、抗 滑桩支挡滑坡、做好地表水和地下水的排除等综合整治。 自衡重式挡土墙外侧，滑坡体一1 0 0 m ( 墙身纵向) x 3 0 m ( 边坡纵向) 范围 内，进行挡土墙基础加固、抗滑桩支撑滑坡以及地表排水和地下排水等附属设 施设计。 婴黼惜净目幂饕察匮对酣蒹蜂髅舔窜媒 匠艟幅ii目蕊鲜察匾翅槲磊棼撰舞窜胃毒 匝糊惜人i浔磊警察置勺甜暴善髅暴耳姆 匦伯惜一喧菘餐磐匠愈i旨暴蜒髅轰习鳃 慨_ 【抵 议秘过扑州承摩书隧扑k图俄怔陋 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章边坡有限元分析的原理及计算 在边( 滑) 坡防治工程中一个关键的问题是支挡结构的设计方法是否合 理，这就首先要求准确确定作用在支护结构上的岩土压力。关于滑坡推力计 算的研究，目前已有较大进展。其次，还要明确岩土压力如何分布在支挡结 构上，不同的分布形式会使支挡结构内力计算结果有重大差异。再次，还要 明确支护结构内力计算是否合理，尤其是复合支护结构，如锚桩结构的计算， 用现行传统计算方法很难解决好上述问题。通过边坡稳定的极限状态有限元 分析方法一有限元强度折减法来计算支挡结构，既可以考虑支护结构与岩土 介质共同作用的关系，又可以直接算出结构内力，因而具有很大的优越性和 应用前景心朝叫28 j 。以下为几种常见方法的特点及其用于非饱和膨胀土边坡稳 定性分析： 1 、极限平衡理论：边坡稳定分析的极限平衡法是土力学中的一个经典领 域。极限平衡法假设破坏土体沿着滑动面方式整体转动，将破坏土体视为一 整体，破坏面上的每一个土条的安全系数相等，都等于整个边坡的安全系数。 2 、有限元法：有限元法考虑了土的应力应变关系，比极限平衡法更为合 理。近年来，有限元方法在残积土、黄土和膨胀土等特殊土边坡稳定性分析 中得到较为广泛的应用。 3 、非线性动力学分析方法：传统的边坡稳定分析方法所采用的是确定性 方法论。对于非饱和膨胀土边坡而言，这种稳定性分析方法有其固有的缺陷。 4 、传统的边坡分析方法，如：瑞典条分法、b i s h o p 法、j a u b u 法、剩余推 力法、s a m a 法和楔体极限平衡分析法等，均不太适合膨胀土边坡的稳定性分 析，其原因在于：分析计算需人为设定滑面，而实际滑面往往呈现不规则 形状，且具浅层性，难以准确假定；引起边坡下滑的因素不仅有重力，还 包括土的超固结性以及土体吸水膨胀受阻产生的膨胀力，传统方法一般难以 获得土体内部的应力、应变分布，难于合理分析膨胀土边坡特有的膨胀变形 破坏过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第20 页 2 0 世纪8 0 年代国外推出的有限元强度折减法可以克服上述缺陷。2 0 世 纪9 0 年代，郑颖人院士将有限元强度折减法引进并应用于岩土边坡分析，取 得了良好的效果，为边坡稳定分析开辟了一条新的途径该方法采用岩土材料 的非线性弹塑性本构模型，通过计算土体内部的应力、应变分布，自动分析 滑裂面，模拟边坡的破坏过程，直接得到边坡安全系数，但用于膨胀土边坡 分析还无先例。 3 1 有限单元法简介 3 1 1 有限单元法的基本原理 从应用数学的角度考虑，有限元法心刚的基本思想可以追溯到c o u r a n t 在 1 9 4 3 年的工作。但是“有限单元法 这一名称是c l o u g h d 。 1 9 6 0 年首次提出 的。 有限元法的基本思想是将一个连续域离散化为有限个单元并通过有限个 结点相连接的等效集合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元 本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法 利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场 函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个结点的数值和其插值函 数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数在各个结点上 的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有 限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单 元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元自 由度的增加及插值函数精确度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元 是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解伸“。 有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而 土体应力变形分析就恰恰存在这些困难问题，有限元方法的应用能比较好 的解决这些困难，在处理边坡稳定分析中丌辟了新的途径。 有限元法就是用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结 构来分析土体的应力和变形，这些单元体只在结点处有力的联系。一般材料 应力一应变关系或本构关系可表示为 西南交通大学硕士研究生学位论文第21 页 仃 = idl 占 ( 3 一1 ) 由虚位移原理可建立单元体的结点力与结点位移之问的关系，进而写出 总体平衡方程 i ki 6 = r ( 3 2 ) 式中： k 劲度矩阵； 6 结点位移列向量 j r 结点荷载列向量 利用有限单元法，可考虑土的非线性应力一应变关系，求得每一个计算 单元的应力及变形后，便可根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围 的扩展情况。若设法将局部破坏与整体破坏联系起来，求得合适的临界滑面 位置，再根据力的平衡关系推得安全系数，这样，就能将稳定问题与应力分 析结合起来。或者求出在各种工作状态厂边坡内部的应力分布状况，由边坡 上的性质确定一个破坏标难，以此来衡量边坡的安全程度。 土体的应力一应变关系是非线性的，反映到上式中，矩阵 d 就不是常量， 而随着应力或应变的变化，由此推得的劲度矩阵 k 也将发生变化，这使得土 坡有限元的计算比一般弹性有限元计算要复杂得多。 影响土体应力一应变关系的因素是很多的，有土体结构，孔隙、密度、 应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等。这些因素使得土体在受力后的 行为非常复杂，而且往往是非线性的。 土体在应力作用下产生的变形一般是非线性的，在各种应力状态下都有 塑性变形；土体在受力后有明显的塑性体积变形，而且在剪切时也