（道路与铁道工程专业论文）预应力锚索桩作用机理的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 滑坡是一种多发且易造成极大危害的地质灾害，我国是滑坡灾害高发的国家，因 此，对滑坡防治的研究具有重要的现实意义。 目前关于滑坡防治措施的研究已取得了很大成就，其中抗滑桩的应用最为广泛。 预应力锚索抗滑桩是一种新型支挡结构，相对于普通抗滑桩，其受力状态更加合理； 尤其是与挡土板结合使用，形成锚索桩板墙，对治理破碎岩土体滑坡更加有效，所以 出现后就得到了广泛的应用；但是对于锚索桩的设计计算大都采用的是弹性地基系数 和单参数相结合的方法。由于单参数法的局限性，导致桩的结构设计不能很好地与实 际工作环境相吻合，同时其设计理论的研究缺乏相应的规范指导，仍存在一些亟待解 决的问题。 本文以西岭雪山登山道某边坡为例，从锚索桩的物理模型出发，建立了相应的力 学与数学模型，引入有限差分法，结合双参数法得出锚索桩位移的分析解，进而得出 桩身内力，为桩的结构设计奠定了基础，为锚索桩的工程应用提供了一定的参考价值。 首先，综合前人研究成果，对抗滑桩治理滑坡的相关理论进行了简要论述，包括 抗滑桩研究现状、滑坡推力的计算与分布机理、桩与土体的相互作用机理和桩间距的 确定、锚索拉力的确定等。 其次，引入有限差分法与双参数法，考虑桩底的几种约束情况，推导了锚索桩内 力与位移计算方法。运用m a t l a b 软件编制了易于实现的可视化程序，并通过实例验 证了程序的可行性。在此基础上研究分析了地基系数法中双参数对桩内力与位移的敏 感程度，指出在用双参数法对锚索桩进行计算分析时，地基系数的选择要慎重考虑， 有条件的可以做现场试桩加荷试验或动力触探击数来确定岩土体的地基系数，这样才 可以很好的使桩顶位移和桩身内力及其作用位置的计算结果与实测值相吻合。 最后，结合工程实例，运用编制的m a t l a b 计算程序把本文介绍的方法和设计理 论付诸于实践。 关键词：预应力锚索抗滑桩；有限差分法；桩间距；双参数法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t l a n d s l i d ei sak i n do fg e o l o g i c a ld i s a s t e rt h a ta l w a y so c c u r sa n dm a k e sg r e a th a z a r d ， a n dt h e r ei sh i g hi n c i d e n c eo fs u c hd i s a s t e ri nc h i n a , s or e s e a r c h e so nt h ep r e v e n t i o na n d t r e a t m e n to fl a n d s l i d ea r eo fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，t h es t u d yo nt h ec o u n t e r m e a s u r eo fl a n d s l i d eh a so w n e dg r e a ta c h i e v e m e n t s ， a n da n t i - s l i d ep i l eh a sb e e nw i d e l yu s e d p r e - s t r e s s e da n c h o ri san e wa n t i - s l i d ep i l er e t a i n i n g s t r u c t u r e ，a n dr e l a t i v et ot h eg e n e r a lo n e ，i to w n sm o r er a t i o n a lm e c h a n i c a ls t a t e ；i n p a r t i c u l a r , w h e nu s e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h er e t a i n i n gp l a t e u n d e rt h ef o r m a t i o no fa n c h o r p i l ew a l l ，i tm a k e st h eg o v e r n a n c eo fb r o k e nr o c kl a n d s l i d em u c hm o r ee f f e c t i v e ，s oi th a s w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o na f t e ry i e l d b u tg e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h em e t h o do ft h ec a l c u l a t i o n f o rt h ea n c h o rp i l ed e s i g ni st h ec o m b i n a t i o no fe l a s t i cf o u n d a t i o nc o e f f i c i e n ta n ds i n g l e p a r a m e t e r t h el i m i t a t i o no fs i g l e p a r a m e t e rm e t h o dl e a d st ot h er e s u l tt h a tt h es t r u c t u r a l d e s i g no fp i l e sc a nn o tm a t c hw i t ht h ea c t u a lw o r k i n ge n v i r o n m e n tv e r yw e l l ；b e s i d e s ，t h e t h e o r e t i c a ls t u d yl a c k sc o r r e s p o n g d i n gg u i d e ，s ot h e r es t i l le x i s t ss o m ep r o b l e m st ob es o l v e d u r g e n t l y t a k i n gt h es l o p eo far o a di nx i l i n gs n o wm o u n t a i na sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rs t a r t s w i t l lt h ep h y s i c a lm o d e lo fa n c h o rp i l e e s t a b l i s h e sr e l e v a n tm e c h a n i c a la n dm a t h e m a t i c a l m o d e l s ，i n t r o d u c e sf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，c o m b i n e st w o p a r a m e t e rm e t h o dt og e tt h e a n a l y t i c a ls o l u t i o no fp i l e sd i s p l a c e m e n t ，a n df i n a l l ya c q u i r e st h ep i l e si n t e r n a lf o r c e ，t h i s m a k e sag o o df o u n d a t i o nf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no fp i l ea n dp r o v i d e sc e r t a i nr e f e r e n c e v a l u ef o r t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fa n c h o rp i l e sa sw e l l f i r s t l y , 谢t 1 1r e f e r e n c et op r e v i o u ss t u d i e s ，t h i sa r t i c l em a k e sb r i e fd i s c u s s i o no ns o m e r e l e v a n tt h o e i e sa b o u tt h ea n t i s l i d ep i l e sc o n t r o lo v e rl a n d s l i d e ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho n t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fa n t i - s l i d e p i l e ，t h ec a l c u l a t i o no ft h el a n d s l i d e st h r u s ta n dt h e m e c h a n i s mo fi t sd i s t r i b u t i o n , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l e sa n ds o i l ，t h ed e t e m i m a t i o no f t h ep i l es p a c i n ga n dt h ec a b l ep u l l ，e t c s e c o n d l y , b yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt w o p a r a m e t e rm e t h o d ，t h i ss t u d yd e r i v e s t h ec a l c u l a t i o no nt h ei n t e rf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to ft h ea n c h o rp i l e s a n dt h e n ，i tc o m p i l e s v i s u a lp r o g r a m st h a ta r ee a s yt ob er e a l i z e du n d e rt h eu s eo ft h es o f t w a r e m a t l a b ，a n d s h o w st h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m sb ys o m ev e r i f i c a t i o n s f u r t h e r l y b a s e do nt h e s e a n a l y s i s ，i tr e v e a l st h es e n s i t i v i t yo ft w op a r a m e t e r st ot h ei n t e rf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to f a n c h o rp i l e si nt h ef o u n d a t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d ，a n df u r t h e ri n d i c a t e st h a tt h ef o u n d a t i o n c o e f f i c i e n ts h o u l db es e l e c t e dc a r e f u l l yw h e nc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i n gt h ea n c h o rp i l e sb y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t w o - p a r a m e t e rm e t h o d ，a n dw h e nt h ec o n d i t i o na l o w s ，i ti sg o o dt od oo n s i t el o d i n gt e s to r t h ec o u n to fd y n a m i cp e n e t r a t i o nb l o wt od e t e r m i n et h ef o u n d a t i o nc o e 伍c i e n to ft h er o c k a n ds o i l w h i c hc a nm a k et h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h ed i s p l a c e m e n to fp i l et o pa n dt h ei n t e r f o r c ea n dt h er o l eo fl o c a t i o no fp i l e sm a t c hv e r yw e l lw i t ht h e i rm e a s u r e dv a l u e s f i n a l l y , i n t e g r a t e dw i t l lp r a t i c a lp r o j e c t sa n db yt h ec a l c u l m i n gp r o g r a m sc o m p i l e du n d e r 脚l a b t h i sa r t i c l ep u t st h em e t h o d sa n dd e s i g nt h o r i e si n t r o d u c e da b o v ei n t op r a c t i c e p e r f e c t l y k e yw o r d s ：p r e - s t r e s s e da n c h o ra n t i s l i d ep i l e ；f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ；p i l es p a c i n g ； t w o - p a r a m e t e rm e t h o d 西南交通大学四南父 通大宇 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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年后解密适用本授权书； 2 不保密4 适用本授权书。 学位论文作者签名：程孕君 指导教师签名： 方劣 日期渺年歹月筋1 了 日期：刎年易月纠日 西南交通大学学位论文主要工作( 贡献) 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己经发 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，均己在文中做了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文的主要创新点如下： 第一，论文从锚索桩的物理模型出发，建立了相应的力学与数学模型，引入有限 差分法，结合双参数法得出锚索桩位移的分析解，考虑桩底的几种约束情况，推导了 锚索桩内力与位移计算方法。运用m a t l a b 软件编制了易于实现的可视化程序，并通 过实例验证了程序的可行性，进而得出桩身内力与位移，为桩的结构设计奠定了基础， 为锚索桩的工程应用提供了一定的参考价值。 第二，在程序编制的基础上，研究分析了地基系数法中双参数在一定范围内变化 时对桩身内力与位移的敏感程度，指出在用双参数法对锚索桩进行计算分析时，地基 系数的选择要慎重考虑，有条件的可以做现场试桩加荷试验或动力触探击数来确定岩 土体的地基系数，这样才可以很好的使桩顶位移和桩身内力及其作用位置的计算结果 与实测值相吻合，据此进行的结构设计才会更加合理。 学位论文作者虢程浑勇 r 期：功闪年6 月f 同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 课题研究的背景、目的和意义 滑坡是山体沿其内部软弱带或软弱面作整体缓慢间歇滑动的不良地质现象，同崩 塌、错落、泥石流等一样是山区建设中经常遇到的一种自然灾害，也是与地震、洪水 并列的世界范围内的三大自然灾害之一，而且是发生频率最高、对人类危害最严重的 一种自然灾害，严重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿、掩埋村庄，破坏农田和森林， 给国家和人民生命财产造成巨大损失【l 】。因此它的发生与存在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。 我国是一个多山的国家，是世界上地质灾害多发国家之一。多年来，为确保人民 生命、财产的安全，保障经济建设的顺利进行，国家在滑坡防治工作上，耗费了大量 的人力、物力和财力。随着我国经济建设的飞速发展，人类对自然环境的改造、利用 日益广泛，特别是西部大开发战略的实施，尤其是这两年国家为拉动内需、刺激经济 增长，加大基础设旌建设和大规模的恢复重建项目启动，在铁路、公路、矿山及水利 水电工程等领域，将难免会穿过地质条件差的地区，特别是我国西南地区这种山岭重 丘区，都会遇到人工开挖或自然形成的高陡边坡，这种情况下出现的开挖边坡愈来愈 多，开挖量愈来愈大，高度愈来愈高，当地质条件差且处理不当，或者遇到自然地理 不稳定因素，比如地震作用下时，就有可能产生滑坡，甚至出现严重的大滑坡灾害， 给人类的生命财产安全带来重大威胁【2 】。因此滑坡病害成为我国西南地区修建铁路、公 路及基础设施建设等项目所必然要面对的问题，也是必须要进行解决的问题。 滑坡治理是一项投资巨大、技术复杂、施工危险而艰巨的抗灾工程。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己取得了很大成就。概括起来， 滑坡整治方法主要包括如下几点：“避”、“排”、“挡”、“减”、“固”、“植”。“避”一改 线绕避，“排”一排水疏导，“挡”一抗滑支挡，“减”一减重反压，“固”一土层固化， “植”一植树造林。其中，支挡抗滑结构的发展最为迅速，尤其各种新型的抗滑结构 发展最为显著。这些新型的抗滑结构在大规模滑坡的治理中发挥了重要作用。 预应力锚索桩板墙是近年来应用于高陡边坡的一种轻型支挡结构，在岩土工程领 域获得较快发展，并显示了其安全可靠，经济适用等特点，越来越被广大工程技术人 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ! i ii i | 皇曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼皇曼曼曼 员所接受，并成功应用于多处铁路、公路以及其它工程建设中1 3 j 。虽然预应力锚索桩板 墙在滑坡工程治理中发挥了巨大的作用，成功的治理了多处滑坡，但到目前为止，国 内外对其研究较少，至今仍然没有公认且成熟的设计计算方法，各个设计应用单位大 都是按照各自的设计计算方法进行研究，且工程的成功治理多是保守设计的结果，造 成了大量的工程浪费，其理论研究大大的落后于工程实践。值得庆幸的是，国内外在 预应力锚索抗滑桩的研究方面相对较多，设计计算方法也相对比较成熟。对于预应力 锚索抗滑桩的设计计算，不仅国内在工程中有大量的应用，相应的试验研究、现场测 试和理论研究也都较多，我国在这一方面处于世界前列。吴恒立、周德培、戴自航、 田景贵、杨佑发、陈昌富等都对预应力锚索抗滑桩设计计算进行过分析研究，取得了 可喜的成就 4 - 9 1 7 6 1 。这将为预应力锚索桩板墙的进一步设计研究提供重要的参考价值， 具有重要的意义。 预应力锚索抗滑桩广泛应用于铁路、公路等滑坡的治理工程中。它是一种组合结 构。通过在普通悬臂式抗滑桩的顶部设置可承受一定预应力的锚索，使抗滑桩由被动受 力变为主动受力状态，从根本上改变原来悬臂式抗滑桩不合理的受力状态，变成上端 铰支，下端近似弹性固结或简支梁式的受力结构，从而减小抗滑桩的内力和变形，减 小桩的截面尺寸和埋深，降低工程造价。锚索桩作为一种新型支挡结构在滑坡治理的 工程实践中大量应用，使整治大、中型滑坡成为可能。虽然锚索桩已被大量应用于滑 坡整治工程，成功的治理了大量的边坡稳定问题，并在锚索桩的设计计算方面取得了 丰富的经验，但是其设计计算方法尚不成熟，设计理论的研究还远远落后于工程应用。 目前还没有一种方法得到人们的公认。在国家标准或行业规范铁路路基支挡结构设 计规范( t b l 0 0 2 5 2 0 0 1 ) 、公路路基设计规范( j t j 0 1 3 卅5 ) 、建筑地基基础设计 规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 以及抗滑桩设计与计算( 铁道部第二勘测设计院，1 9 8 2 ) 里 还没有对锚索抗滑桩的设计计算原则和方法作出规定和说明【l o j 。各相关部门和各设计 单位在设计时主要按照各自的计算方法并结合经验来进行设计，从而造成设计计算方 法差别较大，治理效果各异，这样就不可避免存在各种各样的问题。比如，滑坡体、 滑床、抗滑桩及锚索是相互作用、相互影响、共同工作的体系，但是，目前，国内各 设计部门为便于设计计算，大多将它们分开来考虑。即滑坡体按折线滑面传递系数法 计算滑坡推力，然后假设滑坡推力的分布形式，将预应力锚索抗滑桩近似为简支梁结 构，以确定锚索设计拉力和预应力，假设桩前土体地基抗力及滑床岩土体抗力系数形 式。再按弹性地基梁法求解桩身内力，最后进行抗滑桩的配筋设计。可见，其设计计 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 算过程复杂，没有也无法考虑支挡结构体系间的相互作用。且由于引入了诸多人为假 设，设计计算结果和实际结构体系受力可能出现较大差异。还有锚索拉力的确定、滑 坡推力分布形式等都没有形成相应共识。 基于上述各方面的原因，加强设计理论研究，制定相应的规范，是一项十分紧迫 的工作。有鉴于此，在前人已有研究成果的基础上，充分吸收相关行业的研究成果和 成功经验，结合典型高边坡工程的实际情况，从研究桩土体相互作用出发，分析当前 桩锚结构设计理论，对其设计方法进行分析改进，结合锚索锚固机理的研究，利用双 参数计算方法进行桩锚内力变形及位移的分析研究，以期求得较为符合实际的计算分 析理论，满足工程实际的需要，更好的为工程建设服务。 1 2 本课题研究现状 1 2 1 锚索桩国外研究现状 虽然欧美国家从1 9 世纪中期就开始了对滑坡灾害防治措施的研究，但是由于早期 人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避，只对一些小 型滑坡采取刷方减载、反压、以及抗滑挡土墙进行了治理，排水工程更是优先考虑的 措施。直到第二次世界大战结束后，随着各国经济的发展和国土资源开发利用，遇到 的滑坡也越来越多，用人为支挡工程治理大量滑坡才真正开始，5 0 多年来有了较大的 发展和提高，一些大型滑坡也开始采用支挡工程来治理。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，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，当采用抗滑桩对其进 行加固后，随即达到稳定；1 9 6 7 年，美国旧金山某处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置了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；比利时某处铁路路堑为极度破碎的 片岩，1 9 6 8 年由于路基加宽、扩建施工造成牵引式滑坡，后来采用两排抗滑桩进行整 治，并在与滑坡毗邻的隧道进口两侧也修建了5 0 根抗滑桩，稳定了滑坡【1 】f l l 】。 欧美国家和前苏联多用钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径1 0 1 5 m ，深2 0 3 0 m ；日本 则多用钻孔钢管桩，钻孔直径o 4 0 5 m ，深2 0 3 0 m ，孔中放入直径0 3 1 8 5 0 4 5 7 2 m 、 壁厚0 0 0 4 m 的钢管，钢管内外灌入混凝土或水泥砂浆，为增加桩的抗剪断能力，有 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时在钢管中再放入h 型钢。桩间距1 5 4 o m ，而以2 0 2 5 m 居多。为了增加桩的抗弯 能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台联接，形成刚架受力，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 5 m 的挖孔抗滑桩【。从2 0 世纪 8 0 年代开始，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獭滑坡上采用直径5 m 、深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩【1 j 。它 是周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强。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。由于 锚索工程不开挖滑体，又能机械化施工，比抗滑桩工程节省投资，单根锚索承受的拉 力5 0 0 3 0 0 0 不等，长度一般可达3 0 6 0 m ，长的达1 2 0 m ，所以目前在滑坡治理工程 中被广泛应用。 在滑坡治理方面的国外研究多侧重于被动桩，对于承受( 岩) 土体侧向位移的被动 桩，多侧重于( 岩) 土坡变形作用到桩体上的情况，尤其是对于海港工程、堤坝工程中承 受软粘土变形的被动桩的研究较多。对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计算，己 提出了许多的方法，并进一步将现有的计算方法总结为压力法、位移法和有限差分法。 同时在抗滑桩的计算分析方面，国外的一些研究主要针对软土、堤坝工程，坡体被认 为是一种理想的弹性或者塑性材料，作用于抗滑桩上的荷载较难确定，这些经验和方 法适用范围比较有限。虽然提出了一些计算抗滑桩上作用的极限土压力的方法，但一 般而言，抗滑桩支护的坡体未必满足这些相应的极限条件，而只能作为一种控制设计 的方法进行验算。而对于预应力锚索抗滑桩这种新型的主动受力抗滑支挡结构，国外 的研究资料更是匮乏。 1 2 2 锚索桩国内研究现状 我国对滑坡灾害的系统研究和治理是从5 0 年代才开始的。根据我国国情研究开发 了一系列有效的防治措施，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理滑坡的原则 和方法，其中尤以铁路部门遇到和治理的滑坡最多。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大量需要，其发展过程也是比较 迅速的，某些方面甚至还处在国际前列。从5 0 年代开始，我国多用挡土墙结构治理滑 坡，这种支挡结构无论从理论还是从施工方法上，都是既不合理也不经济的，而且只 能治理小规模的滑坡。用重力式抗滑挡土墙治理大型滑坡往往工程浩大，施工困难， 虽然总结了“分段跳槽开挖基坑”的施工经验，有时还会造成滑坡加速滑动，危及施 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 工安全。随着国民经济的发展，国土资源的开发和利用更加广泛，需要治理的滑坡也 越来越多。在6 0 年代和7 0 年代发展和完善了悬臂抗滑桩结构，由于抗滑桩具有比挡 土墙开挖面小、圬工体积小、施工速度快、工程量明显少于挡土墙等优点，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。例 如在1 9 8 1 年宝成铁路水害抢修中略阳至广元段的2 0 个滑坡治理中有1 4 个采用了抗滑 桩，占滑坡总数的7 0 。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使得治理大型滑坡有 了可能，至今仍在大规模的使用。到7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩的受力状态和 设计计算理论的同时，又研究了排架桩、门式桩、椅式桩墙等新的抗滑桩结构形式， 改变了抗滑桩的受力状态，节省了圬工和钢材，但由于这些施工要求高于单桩，以至 于应用并不是很广泛l l j 。 抗滑桩在治理一定的滑坡方面有其独特的优点，但随着需要治理的滑坡规模的增 大、滑坡推力的增加，抗滑桩截面面积、埋深及总长度也越来越大，这就暴露出这种 结构受力的不合理性，进而造成材料消耗量的浪费、施工进度减慢以及施工期间人员 和工程安全遭到威胁的可能性增大，人们便逐渐认识到其结构的缺陷：抗滑桩是大悬 臂受力，主要是靠滑动面以下的桩身所受的地基反力来平衡滑坡推力，受力机制不合 理，需要的桩截面大，材料消耗多，工程造价昂贵：为了改善抗滑桩的受力状况，减 小桩的截面尺寸，缩短悬臂长度，增大抵抗力矩，工程技术人员不断的研究新的抗滑 支挡结构。 8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治工程中开始大量的采用锚索工程。 由于锚索是用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大，预应力锚索交一般 支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动比较小，又是机械化施工，所以应用 前景广阔。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。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 锚索施加预应力，将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中，以达到阻止边坡滑动的目的。 当该结构处于凌空面时，可在桩间增加挡土板使其成为一个外观宏伟的板墙一预应力 锚索桩板墙。 在抗滑桩的理论研究、发展现状的基础上，国内外不少学者对预应力锚索抗滑桩 的设计计算、施工方法等进行了研究。对预应力锚索抗滑桩的计算，国外在这方面的 研究相对较少，国内由于在工程中的大量应用。相应的试验研究、现场测试和理论研 究较多，我国在这一方面研究处于世界领先地位。周德培【5 1 、戴自航【6 。】、田景爿8 1 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 邹兴普【1 2 】、余振锡【1 3 】、申益民【1 4 】等都对预应力锚索抗滑桩的设计计算进行过分析研究。 总的来说，目前预应力锚索抗滑桩的设计计算方法大致可分为两类，即不考虑锚索与 抗滑桩的协调变形和考虑锚索与抗滑桩协调变形的方法，由于后者的合理性，预应力 锚索抗滑桩的计算趋向于采用后者。但在具体的设计计算中，有关预应力的确定和抗 滑桩体本身的计算模型由于均忽略了桩后岩土体的作用而存在不足。 目前对于预应力锚索抗滑桩的内力计算方法，有的只是将锚索预应力视为一个不 变的外荷载作用于桩上，其余计算同普通抗滑桩；有的虽考虑了锚索与桩的协调变形， 却没有进一步考虑锚索预应力的施加而引起的桩后岩土体的效应问题。由于锚索预应 力的确定与锚索桩的内力计算是密切相连的，所以，现有预应力锚索抗滑桩内力计算 方法一般是先确定预应力锚索拉力，然后再按普通抗滑桩计算其内力。因此抗滑桩的 计算是预应力锚索抗滑桩内力计算的重要部分。 1 3 现有研究方法存在的问题 对于预应力锚索抗滑桩的设计计算，余振锡【1 3 】、王化卿等人将预应力锚索抗滑 桩的受力图简化为顶端铰支、下端弹性固结的简支梁式结构。设计简化为：由作用于 每根桩上的滑坡推力和桩前滑面以上岩土抗力来计算出桩在滑面处的剪力q o ，锚索拉 力按( 1 2 1 7 ) q o 来设计计算。此方法将锚索与桩简化为铰支、下端弹性固结或简支 的梁式结构，未考虑锚索伸长后出现的弹性伸长，与实际桩的受力状况不符；前苏联 学者r l i - c 金布格等人提出用控制桩顶水平位移的方法来计算锚索的拉力，桂树科1 6 j 认为把桩项的位移一般控制在0 0 1 h t ( h t 为桩的全长) ，当周边建筑物对抗滑桩的变形比 较敏感时，应控制在0 0 0 5 h t 以内。该方法虽考虑了桩与桩周岩土的共同作用以及桩的 变形，但把桩顶位移作为已知条件，忽略了锚索的变形与桩的共同作用。田景贵【8 】等只 是简单的取桩的锚固端处弯矩为零来计算锚索拉力，未考虑桩身及锚索受力后的变形； 刘小丽【l 刀等人考虑锚索与桩及桩的锚固段周围岩土体的共同作用，将三者视为一个整 体，根据施加预应力锚索与桩的变形协调完成后，桩在滑动面处的弯矩为零的条件， 按照等值梁法，根据锚索与桩的变形协调确定在锚索中产生的水平增量，进而确定锚 索中所施加的预应力。这种方法对于锚固地层条件不好的或者桩前土体无法提供较大 抗力时，采用弯矩为零作为确定锚索张拉力是不合理的。另外，文献 1 6 】从预应力锚索 抗滑桩的地质与物理模型出发，建立了其力学和数学模型，根据锚索与桩的变形协调 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 条件，锚索伸长量与锚索所在点桩的水平位移之间存在变形协调条件，然后将锚索张 拉的预应力按照锚索设计拉力的6 0 8 0 考虑，利用变形协调条件求解锚索拉力。但 这种方法计算出的锚索拉力应根据桩顶位移的控制标准进行校核。当桩顶位移不能满 足要求时，要调整锚索的预应力值和锚索拉力设计值重新计算直到满足设计要求为止。 目前，利用锚索和抗滑桩的位移变形协调条件求解锚索的设计拉力是被普遍认可 的一种方法，因为这种方法充分考虑了锚索从张拉锁定到与抗滑桩一起抵抗滑坡推力 这一过程中应力的变化，计算结果更加可靠。文献 5 】建议将桩、锚固段桩周岩土、锚 索作为一个整体，视为超静定结构，锚索与桩的连接处按弹性支承，桩按弹性地基梁 计算，即横向变形约束弹性地基梁法计算锚索桩的内力。该法是在分析总结了以往一 些算法的基础上，结合岩石高边坡工程的特点建立起来的，因而具有一定的合理性。 但是，没有分析锚索预应力的确定问题，而在预应力锚索抗滑桩的设计计算中，锚索 预应力的确定是一个非常重要的问题。以上虽然考虑了锚索与桩的协调变形，却没有 进一步考虑锚索预应力的施加而引起的桩后岩土的效应问题。抗滑桩是否需要施加锚 索及预应力以及其具体的计算步骤，还未见详细的报道。由于锚索预应力的确定与锚 索桩的内力计算是密切相连的，所以现有预应力锚索抗滑桩内力计算方法所固有的缺 陷导致了预应力值确定的不恰当性。对于预应力锚索抗滑桩的加固机理以及加固效果 这方面的研究，国内外基本上还处于起步阶段，还只有极少量的成果公开发表。一些 学者只是通过试验去研究预应力锚索和抗滑桩联合体系的特性以及通过工程运用来探 讨和初步分析预应力锚索抗滑桩的加固机理。王化卿【15 1 ，李茂春【1 8 1 等介绍了预应力锚 索抗滑桩的设计和施工方法。在计算锚索拉力设计值方面，文章沿用了前苏联学者 j i k 金布格和b h 依申柯提出的用控制桩顶位移的方法计算锚索设计拉力。刘英 扑、张春剧1 9 】结合延安宝塔山滑坡治理工程介绍了锚索抗滑桩的设计，并与悬臂桩进 行了经济效益的比较，得出锚索桩不但节省了工程造价，而且解决了滑体压缩造成的 预应力损失问题，发挥了抗滑桩与锚索两者的优点。邓蕾蕾1 2 0 】提出了锚索桩的动态设 计方法，指出按照预应力锚索桩的最优化组合设计更加合理。陈占【2 l 】结合株六复线工 程实践，采用分段计算法和地基系数法，提出根据岩土体物理力学性质，考虑锚索与 桩变形协调及锚索预应力损失，以控制桩锚固面处变形及改善桩身内力分布为理论依 据设计并计算预应力锚索桩的方法。杨佑发【9 1 、戴自航【2 2 】、陈昌引7 6 1 等将有限差分法 应用于预应力锚索抗滑桩结构计算中。余振锡【l3 j 介绍了预应力锚索抗滑桩在工程中的 实际应用情况。结果均表明这种结构具有造价低、性能可靠的特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i_ii_mm_i 通过前面的论述，结合现有锚索桩的实际研究与应用情况，笔者以为目前对于预 应力锚索抗滑桩的研究主要还有以下几个问题有待进一步分析研究： 1 、现有预应力锚索抗滑桩的设计计算模型不够合理，有待改进； 2 、对于预应力锚索抗滑桩锚索拉力的确定，有的按照滑面处弯矩为零来计算，有 的按照控制桩顶位移来考虑，有的按照长期作用与短期作用来分析，尚没有形成统一 的思想。另外在用土拱理论研究抗滑桩间的滑坡推力传递过程是一种有效的方法，现 在虽有初步的研究，但均较为粗糙，没有得出土拱作用下滑坡推力在坡体与桩间的传 递机制。而对于最大桩间距的确定也还是没有形成共识； 3 、目前在利用地基系数法计算抗滑桩时，大多采用的是单一系数法。但单一系数 法有一定的局限性，不能很好的适应地层变化。当上下地层差别较大时，计算的结果 明显与实际不符； 4 、目前对于预应力锚索抗滑桩的内力计算方法，有的只是将锚索预应力视为一个 不变的外荷载作用于桩上，其余计算同普通抗滑桩；有的虽考虑了锚索与桩的协调变 形，却没有进一步考虑锚索预应力的施加而引起的桩后岩土体的效应问题。对于预应 力锚索抗滑桩的数值计算理论还不够成熟。 1 4 本文研究思路及主要内容 预应力锚索抗滑桩是近年来出现的一种新型支挡结构形式，虽然在理论研究和工 程实践方面已做出了一些工作，但还存在许多问题，设计计算理论还不成熟，比如锚 索抗滑桩应用于碎裂岩体高边坡时。对于一些关键问题，如现有锚索桩内力计算理论 的实用性、合理桩间距的确定、锚索预应力的确定等问题，都值得进一步的研究和改 进。本文在分析总结现有研究成果的基础上，针对这些问题，本文将做进一步探讨， 最后应用工程实例，研究锚索桩治理滑坡的工程措施。 参阅国内外有关抗滑支挡结构的文献，查阅各有关试验结果及以往实测数据，对 抗滑桩涉及到的以下内容进行简单归纳、整理： 1 ) 根据土拱理论，讨论抗滑桩间距的确定问题； 2 ) 针对不同滑坡类型，研究滑坡推力计算方法与分布形式； 3 ) 总结现有锚索预应力的计算方法，并作进一步探讨； 4 ) 探讨桩、滑坡岩土体相互作用机理； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在对上述有关内容概述的基础上，结合工程实例，根据西岭雪山登山道某段碎裂 岩石边坡的地质条件，假设拟滑面以上为强风化岩石，对滑坡进行稳定性分析，假设 开挖后边坡处于稳定状态，反算法求出地质综合参数c 、中值；给定一定的安全系数， 用传递系数法求出开挖后边坡的剩余下滑力，运用弹性地基梁“双参数”法，以有限 差分法为手段，对不同类型桩( 弹性、刚性) ，结合桩底不同的约束条件( 自由、铰接、 锚固) ，并运用m a t l a b 软件编制相应的计算程序，对该滑坡进行预加固处理。具体做了 以下几方面的工作： 1 ) 总结了锚索桩的国内外研究现状、锚索预应力值的确定与现有锚索桩的设计计 算方法及所存在的问题； 2 ) 研究滑坡推力分布形式，分析了不同的滑坡推力分布形式对桩身内力的作用效 应； 3 ) 针对单参数法的局限性，在弹性地基梁模型的基础上，结合有限差分原理，引 入双参数法，推导了桩身内力的有限差分计算公式，考虑桩底不同的约束条件，用 m a t l a b 编制了差分法的计算程序，并运用算例对程序进行了验证；在此基础上还验 证了双参数法中参数的选择对实际工程的重要性。 4 ) 结合工程实例，运用m a t l a b 编程实现了桩身内力的计算与结构设计。 预应力锚索桩是一种新型的支挡结构，其在工程上的应用己经很普遍。对这种结 构的受力变形和作用机理的研究，可以为以后类似工程的设计和施工提供合理的设计 依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章滑坡防治工程体系简介 2 1 滑坡的主要类型 滑坡机理是一定地质结构条件下的斜坡，在各种因素作用下从稳定状态变化到失 稳滑动，再达到新的稳定状态或永久状态( 死亡) 整个过程动态变化的物理力学本质和规 律【2 3 1 。王恭先等【2 4 】人将滑坡的成因归结为形成条件和诱发因素两个方面。形成条件是 指先期存在于斜坡体内相对稳定的不会有急剧变化的斜坡体固有的地质特征，包括地 层岩性、地质构造、地貌特征和水文地质条件等。诱发因素是指施加于斜坡体的相对 不稳定的可能发生急剧变化的非斜坡体固有的自然或人为因素，例如大气降雨、河岸 冲刷、水库水位升降、地震等自然因素，以及开挖坡脚、坡顶加载、采空塌陷、工农 业及生活用水渗透、破坏植被、爆破作业等人为因素。 关于滑坡的定义较多，被大家较为公认的定义为“滑坡是一定自然条件下的斜坡， 由于河流冲刷、人工切坡、地下水活动或地震等因素的影响，使部分土体或岩体在重 力作用下，沿着一定的软弱面或带，整体、缓慢、间歇性、以水平位移为主的变形现 象。滑体滑动后形成环状后壁、台阶、垅状前缘等外貌1 2 5 j 1 2 6 | 。”一个发育完整的滑坡具 有如图2 1 所示的各种滑坡要素。许多滑坡由于受各种因素( 如应力条件、堆积、剥蚀 作用等) 的影响而失掉某些元素。 ( a )平面图 ( b )剖面图 图2 - 1 滑坡要素示意图 在错落、崩塌、溜坍、泥石流和滑坡等诸多山体变形中，滑坡与其他几种既有很 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼寰! 曼! 蔓曼! i i - 一m m 一。一i t 。i i i i i i 。曼 明显的区别，也有着相互之间的联系。与其它坡体变形相比，滑坡具有如下几方面的 特征： 1 、滑坡主滑段滑床坡度较缓，水平位移大于垂直位移； 2 、位移速度缓慢，延续时间长，有时滑时停阶段，也有瞬间大滑动者。 除此，各类变形体与滑坡的关系也很密切。如在错落体下部开挖路堑或修建厂房， 错落即可能转化为滑坡；滑坡后缘发生崩塌，崩塌体的大量堆积，则可能成为滑坡体 再次滑动的主要因素；在泥石流沟上游和中游通过区，滑坡和溜坍的堆积物又常成为 固体径流的物质来源等等，这些都表明各类山体变形的因果关系。滑坡的分类方法较 多，表2 1 只考虑几种因素的分类。 表2 1 滑坡分类 按组成滑体的物质分类 按主滑面成因类型分类 按滑体厚度分类 l 、粘性土滑坡 1 、堆积面滑坡 1 、薄层滑坡( 5 0 r e ) 5 、破碎岩石滑坡 6 、岩石滑坡 堆积土滑坡是指由坡积、崩积、洪积、残积等各种成因组合而成的土、石混杂物 组成滑体的那种滑坡，所含石块可小至碎石，大至漂石。主要特征是： ( 1 ) 这是自然界分布最广的一种滑坡，多出现在山区沟谷两岸，最常见的是在峡 谷缓坡地带由崩坡积物构成的堆积土滑坡，其次在陡崖崖前缓坡上的坡崩积物中和沟 口的洪积物中，也会产生堆积土滑坡，土体中常有大漂石出露。 ( 2 ) 堆积土滑坡往往有显著的地貌特征，后缘甚至包含两侧常为基岩陡壁、陡壁 下方有一或大或小的缓斜坡，斜坡坡脚多半遭流水冲刷。由于这种地貌特征，缓坡地 带常有较好的地表水汇集条件。 ( 3 ) 堆积土的成分复杂多变，结构比较疏松，透水性较强，堆积土滑坡中常储存 有较为丰富的地下水。 ( 4 ) 此类滑坡的滑面主要在两个部位形成：其一是基岩顶面。相对堆积土的强透 水层，基岩项面是良好的隔水底板，且由于早期剥蚀作用，基岩顶面往往呈凹槽状或 簸箕状，有利于地下水的汇集与赋存。其二是不同时期、不同成因的堆积土界面。不 同时期的堆积土由于成因不同可导致透水性的差异