（工程力学专业论文）抗滑桩的可视化程序设计.pdf

抗滑桩的可视化程序设计 摘要 近2 0 年来，特别是“国际减灾十年活动”开展以来，国际上对滑坡灾害的 研究和防治空前活跃，滑坡灾害防治技术有了长足的发展。在滑坡机理、防治 措施等方面进行了深入研究，采用了许多新理论、新方法和新技术，它包括并 行性、反馈性、智能性和绿色性等四大特征。防治工程措施也在完善已有措施 的基础上有了进一步的发展，具体表现在一大、二锚、三小，即大直径抗滑桩、 锚索和微型桩。 工程实践表明，抗滑桩能迅速、安全、经济地解决一些比较困难的工程， 因此发展较快。我国于2 0 世纪6 0 年代中期，首先在成昆线建设中，研究设计用 大截面挖孔钢筋混凝土抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，破坏滑坡体稳定性小， 施工方便，很快在滑坡治理中被广泛应用。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武 器”，使治理大型滑坡成为可能，是目前广泛使用的治理滑坡的有效措施。 本文的主要工作是：在总结现有的关于滑坡稳定和抗滑桩计算设计理论的 基础上，编制了一个较完整的应用程序。程序主要可解决的问题包括：土坡滑 动面位置的确定，土坡安全系数的确定，用瑞典条分法计算土坡的滑坡推力， 结合实际情况给出抗滑桩的设计参数及位置，对此时的抗滑桩进行力学分析， 给出抗滑桩受到的剪力、弯距、应力、变形等设计参数，并根据稳定地层的最 大容许应力进行了可行性的分析。从工程的角度看该程序可以较圆满的完成土 坡稳定性分析和抗滑桩的计算设计任务。从软件设计的角度看，该程序用v is u a l c 编写具有友好的用户界面，使用者操作简单明了。计算过程中的结果均用界面 显示易于用户查阅保存。 关键词：边坡稳定抗滑桩悬臂梁法可视化m f c t h ev i s u a lp r o g r a m d e s i g no fa n t i s l i d ep i l e a b s t r e l c t i nt h ep a s t2 0y e a r s ，e s p e c i a l l ys i n c e ”a c t i v i t yo f10y e a r st h a tw o r l dr e d u c e d n a t u r a ld i s a s t e r s ”i sl a u n c h e d ，i nt h ew o r l dt oc o m ed o w nr e s e a r c ha n d d r e v e n t i o n a n dc u r eo fc a l a m i t yu n p r e c e d e n t e da c t i v e ，t h ec a l a m i t yp r e v e n tc u r et e c h n o l o g y g e tc o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n t i n1 a n d s l i d em e c h a n i s m ，p r e v e n ta n dc u r em e a s u r e ， e t c r e s p e c tg oo na n df h r t h e ri n v e s t i g a t e ，a d o p tal o to fn e wt h e o r y ，n e wm e t h o d a n dn e wt e c h n o l o g y ，i ti n c l u d ec o l l a t e r a lf b e d b a c k ，i n t e l l i g e n ta n dg r e e n ，e t c f o u r m a j o rc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e v e n t i o n 丑1 1 dc u r ep ro _ j e c tm e a s u r eg o tf u r t h e rd e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so fp r e v i o u s l ym e a s u r e st op e r f b c t i n gt o o ，c o n c r e t et od i s p l a yi nh e a v y ， a i l c h o ra i l dm i n i a t u r e ，n a m e l yl a r g oa n t i - s l i d ep i l e ，a n c h o rc a b l ea n dm i n i _ p i l e p r 0 0 e c tp r a c t i c ei n d i c a t e ， a n t i - s l i d ep i l es 0 1 v es o a v ed i f f i c u l tp r o j e c tr a p i d l y ， s e c u r i t y ，e c o n o m y ，s od e v e l o pv e r yf h s t o u rc o u n t r yi nm i d d l ep e r i o dt h es i x t i e s t h e2 0 t hc e n t u r y ，i nc h e n g d u - k u n m i n gr a i l w a yl i n ec o n s t r u c t i o n ，s t u d ya n d d e s i g nb i gs e c t i o na n t i s l i d ep i l eo fs u c c e s sa tf i r s t ，b e c a u s ei tr e s i s ts l i d eh e a v y a b i l i t y ，d e s t r o ys h d eb o d ys t a b i l i t yl i t t l e ， i ti sc o n v e n i e n tt oc o n s t r u c t ，s o o ni n m a n a g i n ge x t e n s i v ea p p l i c a t i o n a n t i s l i d ep i l ek n o w na s “h e a v y - d u t y - w e a p o n m a k ei tp o s s i b l et oc o n t r o ll a r g e s c a l el a n d s l i d e i nc o n s u l tal a r g ea m o u n to f d o c u m e n t sa n dm a t e r i a l sb o t ha th o m ea n da b r o a dr e l e v a n tt ol a n d s l i d ec o n t r 0 1 l i n g ， f i n dt h ed o c u m e n to fe c o n o m i ca p p r a i s a lo fa n t i - s l i d ep i l ev e r y1 i t t l e ，a n a l y s i so f a n t i p i l ec o s t sa n dr e l e v a n tf h c t o r sd i dn o ts e er e p o r t sy e t t h em a i nt a s ko ft h i sa r t i c l ei st h a tc o m p i l eac o m p a r a t i v e l yc o m p l e t ev i s u a l p r o g r a mb a s e do nt h et h e o r yo ft h es l o p e ss t a b i l i t ya n dt h ed e s i g no ft h ea n t i s l i d e p i l e t h ep r o b l e m st h a tt h ep r o g r a mc a ns o l v ei n c l u d e ：c o n f i r mt h ep o s i t i o no ft h e s l i d i n gs u r f a c ea i l dt h es a f e t ym o d u l u so ft h es l o p e ，a n dc a l c u l a t et h ep u s hf o r c eo f m ei t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c ep o i n to u tt h ed e s i g nm o d u l u sa n dt h e p o s i t i o no ft h ea m i s l i d ep i l e ，m a k et h em e c h a n i c a la n a l y s i so nt h ep i l e ，a n dg i v e t h es t r e s s ，s h e a r i n gf o r c e ，d e f o r m a t i o na n dt h ec r a c k l ea b o u tt h ep i l e a tl a s ti t m a k et h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h em a x i m u ms t r e s so ft h es t e a d ys t r a t 岫 f r o mt h ev i e w o fe n g i n e e r i n g ，t h ep r o g r a mc a ns u c c e s s f u l l ya c c o m p 】i s ht h e s t a b i l i t ya n a l y s i so ft h es l o p ea n dt h ed e s i g no ft h ea n t i s l i d ep i l e f r o mt h ev i e wo f t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ep r o g r a mi sc o n l p i l e db yt h ev i s u a lc + + ，i tc a np r o v i d et h e c o n s u m e r saf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dm a k em eo p e r a t i o ne a s y8 1 1 dc o n c i s e d u r i n gt h e c a l c u l a t ep r o c e s st h er e s u l t sa r es a v e do nt h es c r e e n ，a n di tm a k ev e r yc o n v e n i e n t f b rt h eu s e r st or e v i e wa n ds t o r e k e yw o r d s ： s t a b i l i t yo fs l o p e ，a n t i d ep i l e ，o v c r h 姐g i n gb e 唧m e t h o d ，v i s u a l ，m f c 插图清单 图卜1 英国铁路某滑坡横断面示意图3 图卜2 日本抗滑桩结构图4 图卜3 美国铁路某隧道处理滑坡横断面示意图4 图卜4 奥地利公路某滑坡横断面图5 图1 5 史家坝滑坡横断面图5 图卜6 楚米铺滑坡管桩、沉井抗滑结构示意图6 图卜7 沙北1 号滑坡横断面图6 图卜8 镇远滑坡横断面图 7 图卜9 玉田滑坡横断面图8 图卜1 0 施溶溪滑坡横断面图8 图卜1 1 狮子山桩板式抗滑桩 9 图2 1 边坡土体受力分析 l7 图2 2 边坡土体受力分析 17 图2 3 边坡土体条块受力分析 1 7 图3 1 排式单桩砂拱模型示意图2 5 图3 2 作用于滑体任一分块的基木力系 2 9 图3 3 设计滑坡推力曲线 3 0 图3 4 目前常用的滑坡推力和土体抗力分布图3 2 图3 5 刚性桩锚固段的计算图式3 9 图3 6 弹性桩锚固段的计算图式3 9 图4 一l 最危险滑弧圆心曲线4 2 图4 2 例题l 最危险滑动面位嚣4 9 图4 3 例题1 各块的滑坡推力 4 9 图4 4 例题l 下滑力分布图示及桩的设计位置 5 0 图4 5 例题l 桩体锚固段的内力图示 5 1 图4 6 例题2 最危险滑动面位置5 2 图4 7 例题2 各块的滑坡推力 5 3 图4 8 例题2 下滑力分布图示及桩的设计位置 5 4 图4 9 例题2 桩体锚固段的内力图示 5 5 图4 一1 0 例题3 最危险滑动面位置5 6 图4 1 1 例题3 各块的滑坡推力 5 6 图4 一1 2 例题3 下滑力分布图示及桩的设计位置 5 7 图4 1 3 例题3 桩体锚固段的内力图示 5 8 图4 一1 4 斜墙土坝的稳定性验算5 9 图4 一1 5 例题4 最危险滑动面位置6 0 表格清单 表2 1 边坡稳定分析方法表1 5 表3 1 滑坡推力和土体抗力分布函数表3 3 表4 1 例题l 锚固段的内力5 1 表4 2 例题1 应力的校核结果 5 1 表4 1 例题2 锚固段的内力5 4 表4 2 例题2 应力的校核结果 5 5 表4 1 例题3 锚固段的内力5 8 表4 2 例题3 应力的校核结果 5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆土些盍堂 或其他教育机构的学位或证讳而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：j 暂主签字日期：z n j - 年i 力月71 日 学位论文作者签字：领匆钆 签字日期：加j 年i 力月71 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目b 王些态 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者繇嚷之b 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名： 签字日期：力哆r 年月1 日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师王建国教授表示最诚挚的感谢。 本人在硕士研究生学习、撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的导 师王建国教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论 文成稿，都倾注了导师大量的心血。导师渊博的学识、严谨的治学态度、精益 求精的敬业精神、诲人不倦的育人情怀，必将使我终身受益，并激励我勇往直 前。作者再次表示深深的谢意。 由衷感谢蔡敏教授，在学业指导及各方面所给予我的关心和帮助，他高尚 的为人品质和诲人不倦的良好风范，值得作者终生学习。 论文的顺利完成离不开土木建筑学院许多老师和同学的帮助，在此表示我 深深的谢意，感谢他们的鼓励和支持。 感谢父母的养育之恩，感谢兄长的无私奉献，他们艰苦耐劳的精神、无私 善良的品德、塌实敬业的为人，是作者一生前进的动力。 作者：黄毅 2 0 0 5 年7 月 第一章绪论 1 1 糟坡治理的发展概况 1 1 1 、国外概况： 欧美国家从1 9 世纪中叶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 坡采取削坡减载、反压，以及抗滑挡土墙进行治坪排水工程更是优先考虑的 措施直到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， 一些大型的滑坡采用支挡工程来治理支挡工程的发展大概可分为三个阶段： 1 5 0 年代前，治理滑坡以地袁和地下排水工程为主，抗滑支挡工程主要是 挡土墙。 2 6 07 0 年代，在以应用排水工程和抗滑挡上墙为主的同时，大力开发应 用拖滑桩工程以解决抗滑挡土墙旌工中的困难，欧美国家和前苏联多用钻孔钢 筋碥凝土灌注桩，直径1 o 1 5m ，深2 0 3 0m ，日本则多采用钻孔钢管桩，钻 孔直径4 0 0 5 5 0m m ，深2 0 3 0m ，孔中破入直径3 1 8 5 4 5 7 2m m ，壁厚1 0 4 0m m 的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，为r 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 0m ，而以2 + o 2 5m 者居多。为了增加桩 的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台联接，形成钢架受力。 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 5m 的挖孔 抗惜桩。 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澈精坡上采用直径5m 深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩。它的周围均匀布筋，只在滑动匿附近用型钢加强桩的抗剪断 能力。与此同时，抗滑支挡结构的另一个特点是锚索工程在滑坡防治中大量使 削，或与抗滑桩联合使用，或锚索单独使用( 加反力梁或锚墩) ，单根锚索承受 的拉力j o o 3 0 0 0k n 不等，其长度一般3 0 6 0 ，长的达1 2 0m 。由于锚索工程 不开挖滑坡体，又能机械化施工，所以目前被广泛应用 1 1 2 、国内概况： 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚，是5 0 年代初才开始的。但却 在社会主义建设中已防治，数以千计的各种类型的滑坡，结合我国国情研究开 发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理滑 坡的原则和方法。其中尤以铁道部门遇到和防治的滑坡最多，研究的更为系统 和深入，这是和山区铁路建设的特点及安全运输的要求分不开的抗槽支挡建筑 物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑坡工程中首先考虑使用的措施。同 时，又由于它一般造价较高，投资巨大，如一根大型抗滑桩造价达数十万元， 治理个大型滑坡需投资数百万元乃至数千万元，因此，人们对抗滑支挡建筑 治理个大型滑坡需投资数百万元乃至数千万元，因此，人们对抗滑支挡建筑 第一章绪论 1 1 滑坡治理的发展概况 1 1 1 、国外概况： 欧美国家从1 9 世纪中叶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 坡采取削坡减载、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滑坡才真正开始，5 0 年来有了较大的发展和提高， 些大型的滑坡采用支挡工程来治理支挡工程的发展大概可分为三个阶段： 1 5 0 年代前，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 一7 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 用埴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 筋礞凝土灌注桩，直径1 o 1 5m ，深2 0 3 0m ，日本则多采用钻孔钢管桩，钻 孔直径4 0 0 5 5 0 唧，深2 0 3 0m ，孔中放入直径3 1 8 5 4 5 7 2m m ，壁厚l o 4 0m m 的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，为了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 0m ，而以2 o 2 5m 者居多。为了增加桩 的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台联接，形成钢架受力。 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 5m 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漱滑坡上采用直径5m 深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩。它的周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强桩的抗剪断 能力。与此同时，抗滑支挡结构的另一个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) ，单根锚索承受 的拉力5 0 0 3 0 0 0k n 不等，其长度一般3 0 6 0 ，长的达1 2 0m 。由于锚索工程 不开挖滑坡体，又能机械化施工，所以目前被广泛应用 1 1 2 、国内概况： 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚，是5 0 年代初才开始的。但却 在社会主义建设中己防治了数以千计的各种类型的滑坡，结合我国国情研究开 发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理滑 坡的原则和方法。其中尤以铁道部门遇到和防治的滑坡最多，研究的更为系统 和深入，这是和山区铁路建设的特点及安全运输的要求分不开的抗滑支挡建筑 物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑坡工程中首先考虑使用的措施。同 时，又由于它一般造价较高，投资巨大，如一根大型抗滑桩造价达数十万元， 治理一个大型滑坡需投资数百万元乃至数千万元，因此，人们对抗滑支挡建筑 物的结构形式，适用条件、设计理论和施工方法等就给予了更多的关注和研究。 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，也分三个阶段： 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 理大型边坡大型滑坡常常工程量浩大，施工困难，虽然总结了“分段跳槽开挖 基坑”的施工经验，有时还会造成加速滑动，危及施工安全。 2 6 0 7 0 年代，曾成功地应用支撑盲沟加小抗滑挡土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，研究设计用大截面开挖钢筋( 或钢轨) 混凝 土抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，对滑坡体稳定性的破坏小，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。已经使用到的抗滑桩有：1 2 mx2 0 m ，1 8 mx2 4 m ，2 mx2 m ，2 mx 3 m ，3 mx4 m ，3 mx6 m ，3 5mx7 om ，长度一般1 5 3 5m ，大者达5 0 m 以上。 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、钢架桩、椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗滑桩的受力状态， 节省污工和钢材。但由于施工要求高于单桩，至今应用不广。 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采用锚索工 程。由于锚索系用高强度钢丝束锚固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，又能机械化施 工，所以应用前景广阔。目前锚索的应用有两种情况：锚索与抗滑桩联合形成 “锚索抗滑桩”。在抗滑桩顶部加2 1 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，上端接近简支梁受力，加预应力变桩被动受力为主动 受力，因而大大减小了抗滑桩的截面和埋置深度。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，地面用梁或墩 作反力装置给滑体施加一预应力来稳定滑坡。 1 _ 2 抗滑桩的发展与设计方法研究现状 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。据统计，迄今为止，它是在滑坡治理中应用得最多的工程结构物。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曰益广泛而成熟的应用得到 了相应的发展。目前抗滑桩设计的方法与边坡稳定性评价方法的发展相适应， 可大致分为以下几类：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：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。 1 2 1 抗滑桩的应用与发展 1 2 1 1 国外状况 二次世界大战后，各国随着工业交通的恢复和发展，工程建设中出现了不 少滑坡问题，人们通常采用清方减载、修建挡土墙、加强排水、改良土层等综 合整治措旄。由于高大挡土墙造价昂贵，国外从二十世纪四十年代起逐渐采用 抗滑桩来整治滑坡。例如，1 9 6 4 年，英国铁路某处滑坡造成山体与挡土墙一并 滑动，采用抗滑桩加固后，即达到稳定。情况见图卜1 。 日本的抗滑桩，目前大都是采用工字钢或钢管。采用钢管时，则在其中灌 注混凝土，如图卜2 所示。这种钢管混凝上钻孔桩，最早是1 9 6 1 年用于整治琦 玉县二獭坝水库左岸的滑坡，在3 0 c m 直径的小型钻孔中安放钢管桩。在整治新 泻滑坡，则是在大型钻孔中安放钢筋混凝土管桩。就地灌注钢筋混凝土桩，在 日本普遍认为是切实可行的工程措旖。 图卜l 英国铁路某滑坡横断面示意图 醺薛 ( a ) 工字钢插入钢管 ( b ) 钢管外附补强管 最凝i 七 ( c ) 双重钢管 图卜2 日本抗滑桩结构图 美国旧金山，1 9 6 7 年，由于在铁路隧道的上部开挖公路，导致山体滑动。 以后经在隧道两侧设6 0 根钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩顶两两对应用横撑联结， 组成3 0 对排架抗滑桩，稳定了山体。钻孔直径1 2 2 m ，孔内放置型钢，如图卜3 a 桩倾斜，长2 7 m ：b 桩竖直，长2 1 m 图卜3 美国铁路某隧道处理滑坡横断面示意图 二十世纪七十年代初，奥地利公路部门将锚索或锚杆和抗滑桩结合起来整 治滑坡。如图卜4 ，钻孔桩直径有1 3 m 和1 5 m 两种，长2 8 m ，嵌入稳定岩层内 的深度约为桩长的1 4 ：桩顶用锚索或锚杆锚入基岩长约6 0 6 5 。 4 图卜4 奥地利公路某滑坡横断面图 其它如苏联、捷克、巴西、土耳其、墨西哥、荷兰、意大利、波兰等国，也曾 用桩来整治滑坡。它们抗滑桩的特点，主要也是采用钻孔灌注桩。总之，目前 在世界上用桩整治滑坡己屡见不鲜。 1 2 1 2 国内状况 我国铁路上最早应用抗滑桩是上二十世纪5 0 年代修建宝成铁路，当时的桩 即与现在挖孔灌注的抗滑桩一样，系钢筋混凝土结构，但主要用于整治少数岩 石顺层滑坡。例如，在史家坝隧道进口石灰岩顺层滑坡，经用几根3 m 长的抗滑 桩，埋置在滑动面上、下，即稳定了滑坡，该桩只考虑抗剪作用，功能较单一， 如图卜5 所示。 图卜5 史家坝滑坡横断面图 1 9 6 5 年，修建川黔铁路，对楚米铺滑坡采用钢筋混凝土圆管打入桩与沉井 相结合的措施进行整治。如图卜6 ，管桩共三排、2 0 根，利用1 6 0 型震动打桩机 施工，桩顶在平面上用混凝土及钢筋混凝土水平析架联结，形成良好的桩群结 构，共同抗滑。 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 6 年，在该线的设计 和旌工中改变了以往整治滑坡施工难、成效慢的局面，勇于实践首先 图卜6 楚米铺滑坡管桩、沉井抗滑结构示意图 采用了大截面的挖孔灌注的排式单桩来整治大型、复杂的甘洛2 号、沙北1 号滑 坡。同时，初步建立了一套相应的设计、计算方法。甘洛2 号滑坡和沙北1 号滑 坡采用桩、墙结合“上锚下挡”整治的。图卜7 为沙北i 号横断面图，设在滑坡 中部的抗滑桩，承受很大一部分推力，一侯竣工，再于滑坡下部挖路堑、设挡 土墙。与原拟的框架明洞方案、抗滑挡土墙方案相比，既利于施工，又分别节 省钢材3 0 t ，污工2 0 0 0 ，显示出多方面的优越性，深受现场欢迎。 图1 7 沙北l 号滑坡横断面图 湘黔铁路贵州省境内，在3 7 处滑坡中，共设桩4 7 8 根，累计长度达4 5 3 0 m 图卜8 是镇远一段路堑挡土墙，1 9 7 2 年4 月竣工，1 9 7 4 年雨季山坡变形、滑动， 造成6 0 m 挡土墙歪斜、断裂。随后，自挡土墙胸部开始，紧贴墙身用1 2 根悬臂式 抗滑桩进行加固，才稳定了山坡和挡土墙。工程小，效果好。 襄渝铁路在2 7 处滑坡中，共设桩4 0 8 根，累计长达7 7 9 6 ma 特别是用抗滑 桩成功整治了许多复活的深层、特大古滑坡例如石庙沟车站东端的赵家塘滑 6 坡，滑坡处于变质岩大断裂地带，构造极其复杂，又濒临汉江，横宽2 5 0 m ，纵 长5 0 0 m 滑动带深度一般达二、三十米， 酋了= ： 图卜8 镇远滑坡横断面图 滑动速度平均每月3 0 m m ，最快时六天之内达2 1 m m 当时己建成的铁路，似有山 移路断之势，危害巨大。经过详细的调查研究和分析比较，采用了大型抗滑桩 整治，方使滑坡稳定。共设桩4 排、6 3 根，累计长度1 6 8 1 m ，其最大截面为3 5 m 7 0 m ，单根长度和竖井开挖深度分别达4 8 m 和5 0 m ，是目前我国最大、 最长的抗滑桩。 关于抗滑桩的结构型式，我国使用最多、最广泛的是排式单桩，即在滑坡 的适当部位，每隔一定距离挖掘一竖井，再放置钢筋或型钢，最后灌注混凝土， 形成一排或数排桩。为了增强桩的抗滑力，桩的型式在条件允许时可以适当变 化。例如，将若干单桩的顶端用钢筋混凝土板联成一组共同抗滑，这种桩组叫 承台式抗滑桩。 1 9 7 9 年，整治成昆铁路玉田车站三线大桥滑坡，在滑动带深达2 9 m 的条件下， 修建一处排架抗滑桩。排架抗滑桩刚度大，内桩受拉，外桩受压，受力条件较 排式单桩有明显改善，因而减小了桩的弯矩、锚固深度和桩的截面，提高了承 载力。每一排架由两根竖桩与两根横梁联结组成，下横粱仿效隧洞导坑掘进法 施工。结构示意图见卜9 。 l l 图卜9 玉田滑坡横断面图 近年来，随着铁路的修建，类似抗滑桩的新型支挡建筑物亦不断出现。例 如，修建焦柳铁路时，在枝柳段施溶溪车站，路堑施工中切割了古滑坡舌部而 引起山体滑动经适当刷坡减载，并主要在路堑坡脚设置一段椅式桩墙，稳定了 山体。椅式桩墙由内桩、外桩、承台、上墙和拱板五部分组成。其工作原理是， 用拱板支承滑动土体，并将推力通过内、外两桩传给稳定地层。因用刚性承台 将内、外两桩联成整体框架，转动惯量大，承受弯矩的总刚度较同等截面的单 桩大5 1 0 倍，故抗滑能力大，而桩壁应力只有单桩的1 7 3 1 ，在软弱地层更 可显示其优越性。结构示意见图卜1 0 。 图卜1 0 施溶溪滑坡横断面图 另外，一与桩拱墙相仿，而结构更简单的为桩板式抗滑桩，它是由半埋式 单桩及在两桩之间逐层安设或浇注挡土板而组成。图卜1 1 是成昆铁路狮子山桩 板式抗滑桩。 图l 一1 1 狮子山桩板式抗滑桩 在工程实践中，结合具体情况采取措施，节省工程的方法比较多。例如， 当滑动带以下稳定地层是完整、坚硬的岩石时，可在桩与围岩间加设锚杆，借 以增大桩的锚固力，减小其锚固深度：在整治整体性较强的岩石顺层滑坡，滑动 带以上没有软弱层时，抗滑桩的长度可自地面下一定深度处才开始，即桩身只 需设置在滑动带上、下的适当范围，象“销桦”一样将滑体和滑床连结在一起， 如图卜5 所示。这种条件下，因对桩起控制作用的是剪力，故相对而言，桩的形 状多是“短而粗”的。总之，目前我国抗滑桩应用广泛，效果显着，己成为防 治滑坡的有效工程建筑物。 1 2 2 抗滑桩的设计方法研究现状 1 2 2 1 基于极限平衡理论的方法 传统的抗滑桩设计方法主要和传统的边坡稳定的极限平衡方法相适应，一 般用一些简化的方式来考虑抗滑桩和滑坡体的相互作用，主要包括抗滑桩所承 受的不平衡下滑力的大小和分布，桩前抗力的大小和分布，桩的内力计算，合 理的桩间距的考虑四个方面，现分述如下： 1 2 2 1 1 桩受的下滑力大小 在我国的抗滑桩设计中多用刚体极限平衡法中的传递系数法来计算抗滑桩 9 所受的边坡作用其上的力。潘家铮( 1 9 8 0 年) 5 提出用边坡原始情况下由传递系 数法计算的各分条的下滑力绘制天然下滑力曲线，考虑达到设计要求的安全系 数时边坡的下滑力绘制设计下滑力曲线，用两条曲线在抗滑桩所在位置处的差 值作为桩所承受的滑坡推力值。而贺建清、张家生( 1 9 9 9 年) 等则提出用设计想 达到的安全系数情况下两条不平衡下滑力曲线之间的差值，一条曲线是在该安 全系数下用传递系数法从上至下计算得到的，该曲线同于前述潘家铮方法的第 二条曲线，另一条曲线是在同一安全系数下假定出口处下滑力为零由下至上计 算面得到的。作者同时指出，合理的抗滑桩放置位置应在两曲线差值最小处。 林峰，黄润秋( 2 0 0 0 年) 提出用改进j a n b u 。法计算桩所受的下滑力，并认为传递 系数法存在只考虑条块平动趋势，所求推力往往偏小，只考虑了条块上力的平 衡未考虑力矩的平衡，如果要考虑力矩平衡则条间合力作用点常不能保证在坡 体内等不足之处，而改进j a n b u 法考虑了计算结果的合理性要求，在计算时作了 相应的假定。m a t s u i 在1 9 7 5 年基于刚性桩分析得出的计算抗滑桩所受下滑力的 公式在国外抗滑桩设计中得到了广泛的应用。 另外在国内常用的传递系数法 中，计算桩所受的下滑力大小时，人们普遍认为应该考虑桩身变形产生的传力 作用，即考虑传力系数l 。蒋中明等认为抗滑桩的传力系数与下滑力的大小无 关，仅与桩的几何特性相关，随桩的柔度的增加而增加，随其截面尺寸的增大 而减小，但当其尺寸增大到一定程度后，传力系数趋向于一定值，并认为引入 传力系数可以减小桩的设计荷载从而减小桩的配筋量可达1 0 一3 0 。 1 2 2 1 2 桩前抗力的大小 文献 1 9 指出，抗滑桩受到滑坡推力作用后，通过抗滑桩将滑坡推力传递 到滑动面以下桩周岩、土中，此时桩下部的岩、土受力后而产生变形，当应力 与应变成正比例增加时属弹性阶段：超过弹性极限状态后应力增加不多而变形 骤增时，属塑性阶段：当应力不再增大而变形不止时则达到破坏阶段。当变形在 弹性阶段时，滑床中桩前、后的岩、土抗力按弹性抗力计算，当变形处于塑性 阶段，抗力近似地等于该地层的地基系数乘以相应的变形方向一致的岩、土在 弹性极限状态时的压缩变形值，或用该地层的侧向允许承载力代替：如沿桩身的 岩、土处于塑性变形阶段的范围较大或岩体很松散时，则全桩可用极限平衡法 计算滑床内桩周岩、土的抗力值。由于滑动面的存在滑动面处的抗剪强度比滑 体和滑床的小得多，滑体易沿该面滑动，而使桩前滑动面以上的滑体不能充分 发挥其弹性抗力。因此，桩前滑动面处的剩余抗滑力常是桩前滑体所能提供抗 力的控制值。若桩前滑动面以上的滑体可能滑走( 根据计算无剩余抗滑力) ，则 桩上部受荷段假定无抗力作用。若桩前滑动面以上的滑体基本稳定( 有剩余抗滑 力) ，则桩上部受荷段有抗力作用，但假定此抗力不应大于桩前滑体的剩余抗 滑力或被动土压力。上述提到的桩前抗力大小的考虑方法，在我国的抗滑桩设 1 0 计中得到广泛的应用，即桩前滑动面以上土体不滑走时，桩前抗力由桩前土体 剩余抗滑力、被动土压力或弹性抗力中小者决定，可能滑走时，则此抗力计为 零。在计算桩周岩、土的抗力时我们通常忽略桩间岩土的摩擦力，但王文灿等 认为该力无论从理论上还是实践上分析都是不能忽视的。而王化卿，李传珠等 则认为对大断面的抗滑桩，垂直于滑坡推力方向桩周的摩阻力也是不容忽视的。 1 2 2 1 3 滑坡推力和桩前滑体抗力分布 目前，一般认为滑坡推力的分布图式有三角形、矩形和梯形三种。林鲁生 等认为真正的散体，呈三角形分布，岩石滑坡按矩形分布，对沉积年代久，具 有一定胶结的滑体，梯形比较符合。有锚索的刚性抗滑桩，按梯形计算，而弹 性桩则应按抛物线分布。文献 1 9 建议：当滑体是粘聚力较大的地层时，其推力 分布图式可近似按矩形考虑，如果是以内摩擦角为主要抗剪特性的推积体，推 力分布图式可近似按三角形考虑，介于二者之间的，可按梯形分布。对滑动面 以上土体抗力的分布图式，一般均按三角形考虑。徐良德等对滑体为松散介质 时桩前滑体抗力的分布作了实验分析，认为当滑体为松散介质时，下滑力基本 上为三角形，合力重心约在滑动面以上o 3 h 处，而桩前滑体抗力图形接近抛物 线形，合力重心在滑动面以上o 4 5 h 左右，滑面以下的抗力图形为两个对顶的三 角形。后来徐良德等又对滑体为粘性土时桩前滑体抗力的分布作了实验分析， 认为当滑体为砂粘土时，下滑力基本上为三角形，合力重心约在滑动面以上 0 2 6 h ( 滑动面以上桩长) 处，而桩前滑体抗力图形接近抛物线形，合力重心约在 滑动面以上o 6 h 处，滑面以下的抗力图形亦为两个对顶的三角形。戴自航在分 析试验和抗滑试桩实测资料结果基础上，针对滑坡体不同岩土体类型，建立了 相应的滑坡推力和土体抗力分布函数模型，并列成了图表。 1 2 2 1 4 桩的内力计算 在我国抗滑桩的工程设计中，一般把抗滑桩分成两部分，滑面以上用悬臂 梁进行计算，滑面以下按地基梁计算。有的则整个桩体都按弹性地基梁计算。 按弹性地基梁计算桩身内力和变位时根据对地基系数的假定的不同，分为“k ” 法、“m ”法、“c ”法、及它们的组合法，如“m k ”法。对这些方法，文献 1 9 中提供了其相应的计算公式和查表计算表格。戴自航，彭振斌给出了“k ” 法、“m ”法、“m k ”法的差分求解格式。杨佑发等也给出了“m k ”、“k k ” 法的差分求解格式。为了使地基系数取值更符合实际，吴恒立提出了双参数法 基反力系数的表达式中增加参数来模拟桩的非线性过程。张友良等提出用杆件 有限元法来计算抗滑桩的内力，把抗滑桩用若干个杆单元来模拟，可有效地解 决复杂结构，复杂边界条件。复杂地层条件及复杂的荷载条件给计算得带来的 困难。 1 2 2 1 5 合理的桩间距 对于合理的桩间距目前工程上还没有很成熟，简便的方法来考虑，通常是 以经验值来控制，并用桩问土体与桩侧两面所产生的摩阻力不小于桩间滑坡推 力作为控制条件进行间距的校核。合适的桩间距应该使桩间滑体具有足够的稳 定性，在下滑力作用下，不至于从桩间挤出，应按稳定土体的拱作用理论和塑 性土体中的塑性理论来决定。潘家铮基于桩间土体通过桩以后传给桩前下块的 推力不超出下块剩余抗滑力的思想，给出了抗滑桩桩间距的上限解公式。王士 川，陈立新在上限解的基础上，考虑土拱作用及桩断面间土体的摩阻力及粘着 力的前提下对桩间块体进行稳定分析得出了抗滑桩桩间距的下限解公式。下限 解的基本思想是，抗滑桩的间距恰好小到土拱作用充分发挥。王成华等通过对 桩间土拱的形成及力学特性的分析，提出了最大桩间距的估算模型。常保平通 过对桩间土拱的结构分析、拱脚内力分析和上拱强度分析，建立了能综合反映 滑坡推力、滑体和桩截面形状及尺寸的影响的抗滑桩临界间距计算方法。b k l o w 1 4 等，及c y c h e n 和g r m a r t i n 对桩间土拱的形成机制及力学特 性作了详细的讨论。 1 2 2 2 边界元法 h g 。p o u l o s 等人对边界元法作了详细的研究。边界元法把土视作弹性连 续体，抗滑桩用弹性梁来模拟，土和桩的接触面用接触面单元模拟，把土桩 土体系看作一个相互作用的整体来分析其内部的受力和整体的安全系数。不 足之处是本方法作的是弹性范围内的分析，用增量法分析时，一旦单元的应力 超过屈服极限时，该单元便不再承力，水平应力增量变为零。另外在该法只适 用于均质土的情况，而滑坡体的土质往往是多种多样的，这给该法的应用和推 广带来了困难和限制。l e e c y h u l l t s 和p o u l o s h 0 ，用边界元方法与 b