（岩土工程专业论文）h形抗滑桩模型试验及数值模拟研究.pdf

h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 摘要 作为一种有效的工程措施，抗滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防 治中得到了广泛应用。h 形抗滑桩整体刚度大，适宜于下滑力较大边坡工程 的治理。然而，关于其工作机理、桩一土相互作用规律等问题并没有很好 地解决，其设计理论与计算方法，还处于不成熟阶段，落后于工程实践。 本论文首先通过h 形抗滑桩的室内模型试验，得出连梁长度不同、连梁 位置不同的3 根h 形抗滑桩在各级荷载作用下的弯矩与变形规律。然后采用 a b a q u s 软件，建立h 形抗滑桩的桩一土共同作用模型，通过强度折减法计算， 得出h 形抗滑桩加固边坡模型的变形与受力机理，并将计算出的前后排桩弯 矩与模型试验结果进行对比，结果较为一致，采用数值模拟方法对h 形抗滑 桩的连梁长度、连梁刚度与嵌固深度进行优化分析研究，得出连梁最优长 度为5 倍桩径，最优刚度为1 5 倍的桩体刚度，最优嵌固深度为3 8 倍的前排 桩总长度。借鉴门架式双排抗滑桩的成果，结合传统抗滑桩的设计方法， 对h 形抗滑桩的设计与计算开展一些有益的探索工作，提出了h 形抗滑桩的 设计要求与步骤，并在门架式双排桩计算方法的基础上，推导出了h 形抗滑 桩的设计与计算公式，最后将上述研究成果应用于实际边坡工程的加固。 关键词：h 形抗滑桩工作机理模型试验数值模拟 t h es t u d yo nt h eht y p es l i d e r e s i s t a n tp i l eb y m o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e s ，a n t i s l i d ep i l er e i n f o r c e m e n tw o r k s i nt h es l o p e ，l a n d s l i d ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo f g e o l o g i c a ld i s a s t e r sh a v eb e e n w i d e l yu s e d h - s h a p e dt h eo v e r a l ls t i f f n e s so fp i l e s ，a n ds u i t a b l ef o ral a r g e r d o w ns l o p ee d g eo ft h et r e a t m e n tw o r k s h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo fi t sw o r k o nt h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o na n dt h el a w so f s u c hi s s u e sa r en o tw e l lr e s o l v e d ，a n d t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fc a l c u l a t i o ni ss t i l li ni t si m m a t u r es t a g e ，b e h i n d t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nt h i sp a p e r , f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h eht y p es l i d e r e s i s t a n tp i l e so fi n d o o r m o d e l t e s t ，b yt h ec o u p l i n gb e a m so fd i f f e r e n tb e a ml e n g t h ，d i f f e r e n tp o s i t i o n s o f t h eht y p es l i d e r e s i s t a n tp i l e sl o a d sa ta l ll e v e l so ft h eb e n d i n gm o m e n ta n d d e f o r m a t i o n a n dt h e nu s i n ga b a q u ss o f t w a r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fht y p e s l i d e r e s i s t a n tp i l e so ft h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o nm o d e l ，t h r o u g ht h es t r e n g t h r e d u c t i o nc a l c u l a t e dht y p es l i d e r e s i s t a n tp i l e sr e i n f o r c e ds l o p em o d e lo ft h e m e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o na n df o r c e ，a n dc a l c u l a t e db e f o r ea n db e h i n dr o w p i l e b e n d i n gm o m e n tw i t ht h em o d e lt e s tr e s u l t sw e r ec o m p a r e d ，t h er e s u l ti sm o r e c o n s i s t e n t ，t h eu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o np i l e so fc o u p l i n gb e a mo fl e n g t h ， e v e nt h ed e g r e eo fr i g i d i t ya n dm o u n t e dt oo p t i m i z et h ed e p t ho fa n a l y s i sa n d l i s t u d y , c o m et ot h eo p t i m a ll e n g t ho fc o u p l i n gb e a m5t i m e st h ep i l ed i a m e t e r , t h eo p t i m a ls t i f f n e s so f1 5t i m e st h es t i f f n e s so ft h ep i l e ，t h ee m b e d d e dd e p t h3 8t i m e st h et o t a ll e n g t ho ft h ef r o n tp i l e s t h ed o o rf r a m ef r o mt h er e s u l t so f d o u b l ep i l e s ，c o m b i n e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fa n t i s l i d e p i l e ， h - s h a p e dp i l e so nt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nc a r r i e do u tt oe x p l o r es o m eu s e f u l w o r k ，t h eh - s h a p e dp i l e so fd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dp r o c e d u r e sa n dt h ed o o r f r a m ei nt h ec a l c u l a t i o no fd o u b l ep i l e so nt h eb a s i so ft h ed e r i v e dh - s h a p e d p i l e so fd e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o r m u l a t h ef i n a lr e s u l t so ft h es t u d yw i l lb e a p p l i e dt ot h ea c t u a ls l o p er e i n f o r c e m e n tp r o je e t s k e yw o r d s ：ht y p es l i d e - r e s i s t a n tp i l e ；w o r k i n gm e c h a n i s m ；m o d e lt e s t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n n i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 ：狰 鼬习 学位论文使用授权说明 年6 月习日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 留即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：产勺和导师签名 乃 易月和日 广西大掌硕士掌位论文 h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 1 1 引言 第一章绪论 人类的历史，从某种意义上来讲，可以看作是同自然灾害作不断斗争的构成。从全 球来看，地质灾害是排在地震与火山之后的世界第三大自然灾害，地质灾害，如山崩、 地震、泥石流和滑坡等，是地质体在众多因素作用下逐渐变化、跛坏以及运动而给人类 造成生命与财产损失的地质灾害现象n 1 。滑坡是山体沿其内部软弱面或软弱带作缓慢地 整体性间歇滑动的不良地质现象，同错落、崩塌、泥石流等一样，是山地地区工程建设 中经常会遇到的一种自然灾害，严重时会中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇， 给人类建设和社会发展带来巨大的损失，也对人类的生命与财产的安全造成严重的威 胁。因此，防治滑坡，意义重大。对于中国，山地比较多，山地总面积约占到全国的三 分之二，为世界上滑坡比较多的国家之一。由于边坡失去稳定性而发生的事故层出不穷。 据不完全统计，从1 9 4 9 年至u 1 9 9 0 年之间，我国至少发生了八百五十次以上产生重大危害 的边坡失稳性破坏。每年因崩塌与滑坡造成的经济损失高达2 1 0 至! u j 3 5 0 亿人民币。从上世 纪8 0 年代之后，我国大规模的滑坡事故又进入了一个新的比较活跃的时期，十余起直接 的经济损失超过一千万人民币的大型边坡崩滑事件相继发生。随着我国国民经济的不断 发展，在水利、公路、铁路、建筑、采矿、以及国防建设中边坡稳定性问题更频繁地遇 到，工程建设的安全和经济效益的高低与之关系重大，且随着我国的经济开发重点向西 部边远山地地区转移政策的实施，更多的基础设施工程建设造成的地质灾害问题，也越 来越引起工程界的关注。怎么样有效合理地改造边坡，避免滑坡灾害的发生，满足现代 社会工程建设安全的需要，边坡的稳定性分析及其加固方的法的研究是广大土木工程师 必须要面对的课题。 目前来说，治理滑坡灾害的技术主要有以下几种：支挡、排水、锚固、减重和反压、 滑坡体的内部加固等。其中，抗滑桩因为本身具有工程量较小、抗滑能力较强、桩位布 置灵活、投资较少、适用范围较广、施工较安全简便，不易恶化滑坡状态并且能够有效 地验证地质条件并能及时调整设计方案等优点，目前在我国边坡加固中得到了广泛应 用。从二十世纪6 0 年代开始，在我国的铁路建设滑坡的治理之中，最早使用抗滑桩的工 程措施。目前，在各种滑坡灾害治理工程实践中，抗滑桩技术己经被广泛应用。在我国， h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 治理滑坡的抗滑桩数目是非常巨大的，用抗滑桩来整治边坡，除个别桩产生破坏外，目 前还没有整个工程失败的例子，由此可见用抗滑桩这种工程措施来治理滑坡是卓有成效 的乜1 。随着抗滑桩在滑坡治理中的大量应用，在其设计的理论与方法方面取得了很大的 进步，但目前仍然远远落后于工程实践，更不能满足目前日益增长的工程建设的需求。 因此可见，采用抗滑桩工程措施加固边坡的稳定性的研究工作的开展，以及其设计理论 与方法的完善，具有非常重大的理论与现实意义。 通过广大学者和工程师们多年的研究，在滑坡的整体稳定性以及滑坡的机理分析的 方法理论、治理滑坡技术以及滑坡的预测等各个方面的实践应用与理论研究中都取得了 非常大的进步。作为一种抗滑的支挡结构，抗滑桩由于其工程量少、施工速度快且方便 并且投资较少等优点，在滑坡与边坡的治理之中一直被广泛应用。但从目前来看，关于 抗滑桩的计算方法与设计理论还相当不成熟，传统的计算与设计理论都进行了不同的假 设。而桩土相互作用的力学工作机理以及合理的合理嵌固深度与桩间距的问题，这些 计算和设计理论都没有完全彻底解决，因此在一定程度上遗留了一定的安全上的隐患并 浪费了大量的建设工程资金。 1 2h 形抗滑桩的基本概念及研究意义 1 2 1 抗滑桩的特点及结构形式 抗滑桩口1 作为一种工程上建筑物，主要用于防治边坡滑坡，它一般在边坡的适当位 置设置，可以埋置于地面以下，也可部分露出地表。但是不管是前者还是后者，抗滑桩 桩的下部必须被埋置在边坡滑动面以下的稳定土层之中。抗滑桩主要是通过自身与桩周 的岩石或土体产生的共同作用，从而把滑坡的推力传递到下部的稳定岩土层，也就是利 用下部稳定的土层的锚固和被动岩土压力，来抵抗滑坡产生的推力。在一定程度上来说， 抗滑桩改善了边坡滑坡的状态，使得滑坡逐渐变为稳定。与减载、挡土墙、排水等工程 等传统防治措施相比，抗滑桩具有支挡效果突出、施工简便并且造价较低等优点，因此 抗滑桩技术在国内与国外都得到了非常快速的发展，并受到工程界广泛的关注与重视。 抗滑桩主要的结构形式的类型大致有如表卜1 的几种h 1 ： 2 广西大掌硕士掌位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 表1 - 1 抗滑桩结构形式表 t a b l e 1 1t h et a b l eo ft h es t r u c t u r eo fa n t i s l i d ep i l e 名称 简图特点 单排抗滑桩 一 只有一排桩构成的边坡阻滑结 构，桩截面圆形或矩形 椅式桩墙 一 由5 个部分组成：外桩、内桩、 上墙、承台、以及拱板 门架式抗滑桩 浦 外桩受压、内桩受拉，每排由2 根竖直桩与1 根横的连梁构成， 能构承受比较大的滑坡推力 排架抗滑桩 巍 其受力同门架式抗滑桩，每排由 2 根竖直桩与2 根横的连梁构成， 下沣粱百桉隧道掘进旌工 - 1 、。一 磊苫岩雌 h 形抗滑桩 瑟 其受力同门架式抗滑桩，仅1 桩 向上延伸成悬臂段，可起到收坡 作用，特别适用于整治路堤滑 坡，可以承受较大滑坡推力 预应力锚杆抗滑桩 乖 主要由锚杆( 索) 受力，改善了悬 臂段的受力状态和单一地靠桩 周侧向的土压力来抵抗滑坡的 下滑力的受力机理 1 2 2h 形抗滑桩的基本概念与特点 h 形抗滑桩是近十年才发展起来的一种新型的支挡结构，它是在滑坡地段的适当位 置设置前、后两排钢筋混凝土桩，一般后排桩比前排桩长度大，并在前桩顶用刚性梁把 前、后两排桩联结起来，形成一种后排桩具有悬臂段的双排支护的空间结构，其形状与 英文小写字母h ”相似，所以称为h 形抗滑桩，其结构形式如图1 - 1 ： 广西大学硕士掌位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 图1 - 1h 形抗滑桩示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fh - s h a p e dp i l e s h 形抗滑桩不设置内支撑( 即锚杆或锚索) ，能够通过发挥空间组合桩的整体刚度 和空间效应，与桩问土协同工作，抵抗滑坡体中的剩余下滑力。达到保持坡体稳定，控 制变形、满足施工和相邻环境安全的目的。在我国，h 形抗滑桩最早使用铁路与公路的 边坡支护工程中。 h 形抗滑桩是一种很具开发潜力的结构形式随着我国经济的发展，基础工程建设 规模的扩大，各种各样的土质在工程建设中都将遇到。在软土地基中。昔通抗滑桩已经 普遍得到了应用，但是普通抗滑柱的缺点也是显而易见：桩顶水平位移大、施工面小等。 因此，在一些对水平位移要求严格的支挡工程中，普通抗滑桩就不能满足要求；虽然可 以采取适当的措施进行弥补，但这将增加工程投资，延长工期。h 形抗滑柱作为一种新 型的结构形式，有效的克服了单排桩的缺点，并且在投资费用上与普通抗滑桩相差无几， 还无需内支撑，为施工增加了工作面，并且后排桩的悬臂部分可有效起到收坡作用具有 较高的应用价值。 1 3h 形抗滑桩的发展过程及国内外研究动态 1 3 1h 形抗滑桩的发展历程 作为一种非常有效的加固边坡的工程措施，抗滑桩在全球各国的滑坡治理中起着非 常重要的作用。它通过抗滑桩桩与桩周岩石与土体的共同作用，把滑坡产生的推力传递 到下部的稳定岩土层之中，也即利用下部稳定岩土层的锚固与被动土压力来抵抗滑坡推 力：在边坡要产生滑坡时，抗滑桩在一定程度上可以改善边坡滑坡的状态，使得边坡从 滑坡向稳定逐渐转变，从而达到了提高边坡的整体稳定性的目的。从时间上来说，单排 4 广西大学硕士掌位论文h 影抗滑桩模型试验及数值模拟研究 抗滑桩是工程界最早出现的抗滑桩结构形式，在边坡的下滑力较小的时候，单排抗滑桩 就能够抵抗住边坡滑体的下滑，这个时候就可以选用单排抗滑桩的结构形式，单排抗滑 桩的计算与设立理论相对后续几种桩型较为简单。然而，在边坡产生的滑坡推力较大的 时候，单排桩就逐渐演变曾了双排抗滑桩，也就是在边坡的同一个纵向剖面的2 个不同 位置分别布置一根竖向抗滑桩，这样支挡效果就比单排抗滑桩形式优秀很多，但是一个 缺点是：双排抗滑桩的前后两排桩之间没有设置联系，结构的整体刚度较差。进一步发 展之后，有学者和工程师提出，可以采用横向的连系梁把双排抗滑桩的顶部连接起来， 这样双排抗滑桩的整体刚度就得到非常大提高，前后排桩的受力相互传递并且协调，支 挡效果比双排桩更加好，这种形式的抗滑桩就叫做门架式抗滑桩。后来在工程实践中发 现，在一些边坡坡度比较大的边坡中，如果要采用门架式抗滑桩，那么处在边坡下部的 前排桩的顶部就会高出边坡土体很多，此时假如用横向连系梁直接将其连接起来，不但 浪费了建筑材料。而且施工起来非常麻烦，所以有专家和工程师提出可将边坡坡体上部 的后排桩上项部采用一小段悬臂的部分，也就是说边坡坡体下部的前排桩比上部的后排 桩稍短一些，之后采用横向连系梁将前后排桩连接起来，这样做不但施工方便，节省用 材，而且受力形式非常合理，后排桩还可起到收坡作用，这种形式的抗滑桩就叫做h 形 抗滑桩。 1 3 2h 形抗滑桩加固边坡的国内外研究动态 h 形抗滑桩加固边坡的研究以单排桩加固边坡的计算理论和方法为基础，因此先简 要介绍传统的抗滑桩加固边坡的计算理论和方法。从目前来看，抗滑桩加固边坡设计的 理论和边坡的稳定评价理论的发展相一致，就像d u n c a n 陌1 提出来的，边坡加固选用和非 边坡加固稳定的分析同样的办法，不是的是在平衡方程中需要包含加固力。采用抗滑桩 加固边坡稳定性分析方法可以分成两个类别：第一类是和传统的边坡稳定性分析的极限 平衡理论相配套的设计计算方法，这种方法一般是平面分析，一般把边坡和桩分开分别 来对待；第二类方法是和边坡稳定性分析的有限元方法相配套的设计计算方法，这种方 法可以进行平面和三维的分析计算，并且能够把桩一土视为一个两者相互作用的整体系 统来考虑计算。 广西大掌硕士学位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 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。在我国多采用刚体极限平衡法中的传统 系数法来计算抗滑桩所受的边坡作用其上的力。潘家铮 6 提出用边坡原始l 青况下由传 递系数法来计算各分土条的下滑力从而绘制天然的下滑力的曲线，然后考虑到达设计要 求的安全系数时边坡下滑力来绘制设计下滑力的曲线，然后用2 条曲线在抗滑桩所在部 位处的差值定义为桩所受的滑坡的推力值。贺建清【7 j 贝u 将滑动面的出口处的下滑力为零 由下至上计算所得下滑力曲线与潘家铮的第二条曲线的差值最小处作为合理的抗滑桩 位置。z e n gs t 8 l 提出了考虑桩间土拱效应的不平衡推力法，其基本原理与不平衡推力传 递系数法相同。张友良1 9 j 、邹广电l l o j 也采用该法，不同在于张将抗滑桩作为以特殊的分 条，而后者在设桩处增加一项抗滑力。m a t s u i 和i t o 1 1 叫3 】在1 9 7 5 年提出的基于刚性桩分 位位置的相差值定义为桩所受的滑坡的推力值。贺建清 1 则将滑动面的出口处的下滑力 为零从下到上进行计算所得出的下滑力的曲线与潘家铮所计算出的第2 条曲线的相差值 的最小地方作为最合理的抗滑桩的位置。z e n gs 馘提出考虑了抗滑桩桩问的土拱效应的 不平衡的推力法，它的原理与不平衡推力的传递系数法相近。邹广电潍，张友良酬也 采用这种方法，不同的地方是张友良把桩体看作是特殊的分土条，而邹广电则是在设置 桩的地方额外增加一项抗滑力。i l a t s u i _ ；| i d i t o 缸”域在1 9 7 5 年提出了基于刚性抗滑柱分析 计算得到的抗滑桩所受到的下滑力的计算公式，而且提出钻孔灌注桩加固土坡稳定分析 的普通的条分法，在安全系数算式中包含了柱在临界滑动面处所增加的阻滑力， h a s s i o t i s t l 4 1 与p o u l o s t l 5 1 都采用这种方法来进行抗滑桩加固边坡的稳定分析，而且前者 采用摩擦圆法并且考虑加了抗滑桩之后的最危险的滑动面的位置的改变，然而摩擦圆 法一般只能用于均值的土边坡。沈珠江院士n 卅以散体的极限平衡理论方法为基础，进行 公式推导从而建立了抗滑桩加固边坡的绕流阻力的通用公式，并且在这个基础上提出了 抗滑桩设计的极限设计方法，之后王年香n 刀采用该这种方法把简化毕肖普法应用到抗滑 桩加固边坡的稳定性分析与计算之中。 对于桩与土的相互作用的分析，使用较多的数值方法主要有有限单元法和边界元法 及二者的复合方法。其中有限单元法相对来说要成熟一些，目前已已经得到了广泛应用， 已经由简单的线性分析发展到了复杂的非线性分析，由平面问题的分析发展至三维问题 的分析。设置抗滑桩是整治滑坡的非常有效的措施，然而抗滑桩的普通的设计计算方法 都存在着一些局限性。虽然有限元单元法对岩石与土体的本构模型以及其对应的参数和 6 广西大掌硕士掌位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 安全系数的选取确实存在这一些问题，但是有限单元法能够把桩与岩石和土体看作是一 个整体系统来对待，特别对于空间的非线性有限单元法分析可以弥补目前的设计方法的 不足之处，模拟抗滑桩与土体的非线性的应力与应变关系，切实地模拟抗滑桩与岩石和 土体的相互共同作用。采用数值分析方法可以将桩与土体作为整体系统来考虑，方便而 且有效地描述了桩土之间的相互作用。它不但可用来求解弹性与弹塑性问题，并且可以 方便地考虑岩石与土体的不连续与非均质性，给出岩石与土体以及抗滑桩桩体的应力应 变的具体数值与分布。目前对加固边坡稳定分析的数值分析方法主要是基于强度折减理 论，包括强度折减有限元法与有限元差分法。c a i3 虻采用有限元强度折减法对抗滑桩加 固边坡进行三维的稳定性分析，然后将所得安全系数及相应的临界滑动面与简化毕肖普 极限平衡法的结呆进行了对比分析。c h e n 涟考虑桩问土拱效应，进行了抗滑桩加固边坡 稳定性三维有限差分计算方法，并应用于阻滑桩加固边坡的稳定性分析评价。在我国， 1 9 7 9 年，成都铁路局的高同价阮等人在成昆铁路玉田车站三线侨滑坡整治工程中，应用 平面杆系有限单元法进行了排架抗滑桩的设计满足了工程需求。 极限平衡理论已经发展成为了一个比较成熟的、具有较完整体系的分析计算方法， 并且在实际工程中得到了较广泛应用。然而这种方法由于采用了较多的假设，而且并不 能考虑土体内部的应力应变关系以及岩土体材料的非线性关系，理论上缺乏一定的严密 性。尤其是在抗滑柱加固边坡中，只能将桩体和土体分开分别来考虑，带有一些局限性； 并且极限平衡法需要事先假定最危险滑动面，而由于桩的加固，边坡的危险滑动面将发 生改变，增加了计算的难度。有限元法无需事先假定最危险滑动面，能考虑岩土体的应 力一应变性质，得到比较真实的应力场，并且能够将桩和土作为整体进行考虑。而强度 折减法的软肋在于，失稳判别标准一直无法得到很好的统一，会造成不同人计算结果的 差异。 h 形双排抗滑桩是由门架式双排抗滑桩演变发展而来的，因此这里简要叙述一下门 架式双排抗滑桩与h 形双排抗滑桩的国内外研究现状。 在中国，目前使用最广泛、最多的边坡支挡结构就是单排抗滑桩，即在滑坡的合适 的位置，每隔一定的距离就挖一口竖井，于其内放置捆扎好的钢筋笼或者型钢钢材，然 后灌注混凝土养护成型，这样就形成了一排或者几排的单排抗滑桩，这就是我国目前抗 滑桩的主要结构形式。然而对于相对来说大型一点的边坡滑坡，这样的单排抗渭桩在受 力上已经不能满足受力需求，因此门架式双排桩作为一种新型的抗滑桩，能克服单桩的 受力不足，满足工程需要。早2 0 世纪5 0 年代，欧美国家就开始研究门架式双排桩，而我 7 广西大掌硕士学位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 国在上世纪9 0 年代初，由中国建筑科学研究院开始着手研究门架式抗滑桩。由于其受力 机理比较复杂，前排桩与后排桩桩间土体对结构的产生的作用非常难以确定，因此关于 其设计与计算方法成为它的一个难点与焦点问题。目前，门架式抗滑柱有着较多的计算 模型，以不同的假定为基础，归纳起来主要有如下三类；( 1 ) 根据经典土压力理论确 定土压力的模型；( 2 ) 根据文克尔假定的计算模型；( 3 ) 用平面有限元法计算的模型； 其中后两种方法考虑桩土共同作用，计算的结果较为理想。门架式双排柱的研究从开 始的极限平衡法到弹性地基梁祛，再到现在的平面有限元数值分析法，体现了研究水平 的逐步提高，也体现了其结构的优越性。 门架形抗滑桩的受力形式与机理相对比较复杂，前排与后排桩桩间土体对桩体结构 的作用比较难确定，所以关于其设计与计算方法已经成为一个重点研究的问题，并且关 于其研究在基坑工程中的成果较多。王湛将前排桩与后排桩以及二桩之间的土体视为 一个整体，即前排桩主要承受主动土压力，基坑坑底深度以下部分的后排桩承受被动土 压力，进行了桩土相互作用的非线性分析研究，提出了桩间土压力的计算方法；文献 2 2 和文献 2 3 运用土拱理论和土体抗力法建立了门架形抗滑桩桩的计算模型，通过对已有 的计算方法进行了改进，考虑深基坑空间效应及支护桩顶的水平圈梁作用，对门架式双 排桩支护结构体系进行了三维的研究；文献 2 4 考虑圈梁对桩空间作用影响，并在此基 础上，根据变形协调原理建立了前排桩和后排柱的变形方程，进而推导出一种新的计算 分析方法；除此之外，文献 2 5 和 2 6 运用非线性弹性的有限单元法，对软土地基中门 架形抗滑桩桩式支挡结构的内力与变形特性进行了研究；文献 2 7 考虑了排桩，圈梁与 连梁空问协同作用，提出了一种更适合门架架形抗滑柱实际工作性态的计算方法与反分 析计算方法。文献 2 8 针对城市深基坑支护的双排桩设计方法、试验与施工等三个方面 作了比较去全面的研究。这几年来，门架形抗滑桩在大型的边坡滑坡整治治理的工程实 践中得到了很大的发展，文献 2 9 就是按照弹性地基梁运用有限差分法计算刚架抗滑桩 的内力与变形。 近十年来，门架形抗滑桩逐渐演变发展，从而出现了一种新形的抗滑桩结构形式即 h 形抗滑桩，它相对于门架形抗滑桩来说，不同之处在于其后排桩向上延伸，即增加了 一段悬臂的部分。 赵海玲在2 0 0 5 年曾经对四川省宜宾市五粮液纸箱厂2 # 滑坡治理中的h 形抗滑桩采 用a n s y s 软件作过二维的弹塑性有限元分析，目的在于了解h 形抗滑桩的变形性状。 马青力b 妇认为h 形桩板墙对于下滑力较大的边坡，应用前景和价值比较好。它的特 广西大学硕士学位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 特点是前，后基桩截面较小，用连梁联成整体构成框架，其抗弯刚度大大增加，截面受 力较小，节省较多的钢筋，对锚固段岩土体的抗力要求较低，能承受较大的坡体推力。 他采用数值分析方法结合工程实例对h 形桩板墙桩土相互作用进行研究分析。在分析中 他认为，h 型桩板墙的副桩虽然役有直接承受坡体推力的作用，但其通过桩问系梁对主 桩起到了巨大的支撑作用，使得主桩的抗滑能力大大增强。同时在与常规的解析方法对 比中发现，由于种种假定，特别是坡体推力分布、桩问土抗力分布，使得解析法的计算 结呆与实际情况有所偏差。因此，他认为解决岩土工程领域的问题需要综合利用解析方 法，数值方法与实验、监测等多种手段，以提高分析结呆的可靠度。 1 4h 形抗滑桩一些尚待研究的问题 总体看来，目前国内外关于h 形抗滑桩的计算资料比较少，利用模型试验对h 形抗滑 桩的工作机理与变形性状的研究几乎为空白，h 形抗滑桩随着下滑力的增加其工作机理 和变形性状的特点的研究也没有提及，利用有限元强度折减法计算单排抗滑桩加固边坡 的安全系数的方法已经做了较多研究，但是利用此方法计算h 形抗滑桩加固边坡的安全 系数的研究几乎没有，关于h 形抗滑桩的设计计算方法也没有形成统一的共识，可见h 形 抗滑桩的计算分析理论显得比较薄弱。因此，目前对h 形抗滑桩的受力和变形机理还有 待进一步研究，对桩一土共同作用机理还没有研究清楚，桩距、排距、桩径等对支护结 构的刚度影响还有待进一步分析；因此，对于h 形抗滑桩结构的进一步研究具有非常重 要的应用价值，也具有非常重要的现实意义。 1 5 本文主要内容与研究方法 本文研究的主要目的在于确定h 形抗滑桩的支挡作用工作机理和合理结构布置型 式，在此基础上试图提出一种更切合实际的h 形抗滑桩的设计与计算方法，基于这个目 的，作者主要做了以下工作： ( 1 ) 通过室内模型试验，得出3 根不同几何尺寸的h 形抗滑桩在各级桩后推力荷载 下的变形与受力性状，以及破坏的模式与特征； ( 2 ) 对典型边坡建立有限元模型，采用强度折减法，利用a b a q u s 软件对边坡稳定 性分析，并与传统的极限平衡理论的计算结果进行对比； ( 3 ) 通过考虑桩一土间的相互作用，建立有限元模型，利用a b a q u s 软件对模型进行 9 广西大学硕士掌位论文 h 形抗滑桩模型试验及数1 盲模拟研究 力和变形分析，明确h 形抗滑桩的受力机理，并对其结构形式进行优化设计； ( 4 ) 在门架式抗滑桩设计计算公式的基础上，对h 形抗滑桩的设计计算公式进行推 导，并应用于实际工程。 本文的技术路线如图1 - 2 所示。 前期准备阶段 收集资料、制定各个分 项研究大纲及实施计划 调研阶段 l 尊垫堡塞il 塞哩垂堡ii 耋圭三蟹 模型试验 与数值模 拟阶段 计算方法 研究阶段 应用阶段 抗滑桩设 ；l 笛从：p 通过室内模型 试验，得出三 根不同几何尺 寸的h 形抗滑 桩在各级桩后 推力荷载下的 变形与受力性 状，以及破坏 的模式与特征 模型试验卜基主叫数值模拟 门架式抗滑桩设计计算公式的基础上， h 形抗滑桩的设计计算公式进行推导 应用于实际工程 对典型边坡建立有限元模型，采用 强度折减法，利用a b a q u s 软件 对边坡稳定性分析，并与传统的极 限平衡理论的计算结果进行对比 通过考虑桩土间的相互作用，建立有限 元模型，利用a b a q u s 软件对模型进 行力和变形分析，明确h 形抗滑桩的受 力机理，并对其结构形式进行优化设计 图l 屹本文技术路线框图 f i g 1 2t h et e c h n i c a ll i n ed i a g r a mi nt h i sp a p e r 1 0 广西大掌硕士掌位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 2 1 引言 第二章h 形抗滑桩模型试验研究 岩土力学模拟技术就是在室内用某种人工材料( 单一的或多种材料棍台的) ，根据相 似原理做成的相似模型，模型是根据所模拟的原型来塑造的。在进行模拟实验时，通常 多采用缩小比例或在某些特殊情况下用放大比例来制作模型。通过对模型上应力，应变 及位移的观测来认识与判断原型( 模拟实体) 上发生的力学现象和应力应变的变化规律， 以便为岩土工程设计和施工方案的选择提供依据。岩土力学模拟试验的直观性强，可以 解决目前数学分析方法尚不能解决的岩土工程力学问题，模型试验的局限性在于试验过 程中很难保证所有的试验材料完全符合相似条件，因此模型试验只能作为现场试验和理 论分析的辅助方法。岩土力学模型试验以相似理论为基础，在岩土力学模拟试验中主要 有相似模拟法，离心模拟法以及光测弹性模拟法等。本论文只利用相似模拟法进行模型 试验研究蕊。 2 2 工作机理室内模型试验 2 2 1 试验目的 为了弄清h 形抗滑桩工作时的实际受力状态与支挡效果，以及不同桩型尺寸对阻滑 效果的影响，设计h 形抗滑桩工作机理的室内模型试验，对h 形抗滑桩工作时的桩身不同 截面的应变与位移变化进行监测，根据室内模型试验所获得的测试数据，与本文第三章 的数值模拟结果进行验证对比，进而为实际工程设计提供理论依据。 本次试验是按相似理论进行的小比例室内模型试验，根据广西地区典型的工程地质 特征、岩土参数等选择合适的相似材料进行试验。试验主要目的是研究h 形抗滑桩在加 固边坡工程中的抗滑作用和效果以及桩身内力大小，具体研究内容为h 形抗滑桩的室内 模型试验主要研究桩体在各级荷载作用下，h 形抗滑桩的前后桩及连梁的内力以及桩与 土的位移情况，并得出抗滑桩顶端及滑面的水平位移刚刚开始不能稳定时所需要的荷 载，即其水平承载力。 h 开；执滑桩犋越试驻技数值捶j “研究 22 2 试验设备简介 试验仃1 所采州的设备，主要有模型箱、已札、定的千斤顶以及应变测量系统。小比例 模型箱是臼行设计制造的试验装置( 如图21 ) 。其尺寸为长度1 m ，宽度l m ，高度06 m ， 箱体材料采用3 唧厚的铡板焊接而成，在面与面交界处、千斤顶加载处均采用角钠焊接 加固，以保证具自满足本次试验的足够刚度。 图2 - 1 小比倒模型葙 f i g 2 1t h es m a l ls c a l em o d e lb o x 加载装置采用极限荷载为5 0 k n 丁斤顶，采用压力机对其进行标定( 立u 图22 与23 ) 口口 图2 - 25 0 k n 千斤项及其标定 f i g 2 25 0 k n j a c ka n d t h ec a l i b r a t i o n 广西大掌硕士掌位论文 h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 6 0 5 0 4 0 z _ 3 0 拦 2 0 1 0 o 0 1 02 03 04 05 0 油压( m p a ) 图2 - 3 千斤顶标定曲线 f i g 2 - 3t h ec u r v eo fj a c kc a l i b r a t i o n 得到千斤顶的推力公式为： 式中：x 油压表读数( m p a ) ； y - 一推力( k n ) 。 本次试验的加载共分七级，对应的千斤顶油压与换算成桩后土体均布荷载大小值如 表2 一l 所示。 表2 1 试验加载等级表 磊葡产越堡 1 234567 油压( m p a ) 1 02 o3 o4 o 5 o 6 07 0 压力( k n )4 15 46 78 o9 21 0 51 1 8 均布荷载( k p a ) 1 1 8 2 1 5 4 61 9 1 l2 2 7 52 6 3 93 0 0 43 3 6 8 应变测量采用江苏东华测试技术有限公司生产的d h 3 8 1 5 n 分布式静态应变测试系 统，它是全智能化的巡回数据采集系统，通过计算机完成自动平衡、采样控制、自动修 正、数据存贮、数据处理和分析，生成和打印试验报告，通过u s b 接口与计算机通迅， 系统抗干扰能力强，有效捕捉缓慢变化信号的变化趋势，精度较高。应变片采用浙江黄 岩测试仪器厂生产的b x l 2 0 - 1 a a 型号应变片，其基底尺寸为3 m i x2 5 m m ，电阻1 2 0q ， 灵敏系数2 0 6 , - - 2 1 2 。 h 邪执滑桩棰型试验技散值撰j * 研完 2 22 模型试验的设计与材料特性 ( 1 ) 模型比尺：根据模型箱尺寸、抗滑桩长度与截而、测量仪器的量程与安装等 确定模型试验采取的几何相似比为q = 1 ：2 0 ，容重相似比为c ，= l 。 ( 2 ) 模刹桩：为了便于测量及模型桩制作方便，并考虑桩的抗弯刚度与工程实际 相似等条件，本次h 形抗滑桩模型试验的模型桩采用外径为2 5 咖，内径为2 3 r a m ，壁厚为 1 m 的不锈钢方形截面空心管。本次试验的模型桩采用方通管焊接而成，共制作连粱长 度为位置不同的i 形抗滑模型桩3 根，其尺寸大小如图24 所不。 j 撑鞋 。” 图2 4 模型抗滑桩尺寸 f i g 2 4 m o d e lo f a n t i - s l i d ep i l es i z e 为了获取模型桩在受力状态下的内力变化，在桩体部分截面的表面中心位置对称布 置应变片，将上述3 根模型抗滑桩表断片i 无水乙醇清晰t 净，待干燥之后，在其表面的 对应截面用环氧树脂粘帖2 哪2 唧的应变片，共布置应变片嬲个截面6 6 个点，具体的应 变片布嚣及其编号见图25 。 尹， 口 附密p 广一管 l形 5 一 咄 罂 ， 一l 弘州他 船 u 一 一 棚 一 ，印l h 形抗滑桩棰型试验拽敬值模拟研究 l ”桩2 ”桩3 。桩 图25 应变片的编号及布置 f 2 5 t h en u m b e ra n da r r a n g e m e n to f s t r a i ng a u g e 待粘帖好的应变片具有一定强度之后，为了模拟实际桩体材料与桩周土体之间的摩 擦力，采用环氧树脂在桩体表面均匀枯帖一层薄的细砂，见图26 。 1 4 桩2 4 桩3 4 桩 图2 - 6 布置好应变片和粘贴细砂的模型桩 f i g2 - 6s t r a i ng a u g e l a y o u t a n dp a s t eag o o d m o d e l o f s a n dp i i 船 ( 3 ) 边坡土体：根据岩土力学参数选择相似材料制作边坡坡体材料，配置的岩土 体模拟材料须满足其粘聚力c ，与原岩土体的粘聚力“之比为1 ：l ，其内摩擦角与原岩土体 的内摩擦角相等。本试验采用的岩土体模拟材料为南宁河流冲积相粘十，从现场取回 土后，将士碾碎烘干，过5 m m 筛，使其粒径均匀，然后将其加水调配成含水量u = 3 0 的 均匀卜体材料，盖卜聚乙烯薄膜后闷置4 8 ；j 、时以r ，使其含水量扩散均匀，通过试验， 得出其物理性质如表21 所示。 广西大掌硕士掌位论文h 形抗滑桩模型试验及数值模拟研究 表2 1 土样物理性质 t a b l e 2 1t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft e s ts o i l 土名 容重( k n m 3 )含水量( i ) ( ) 密度p ( g c m 3 ) 干密度pd ( g c m 3 ) 粘土 2 7 4 3 01 9 1 61 4 7 4 通过直接剪切( 快剪) 试验，得到粘土的粘聚力c = 2 2 8 k p a ，内摩擦角巾= 1 2 3 5 。( 如 图2 7 所示) 。 1 2 0 1 0 0 墨8 0 l 型6 0 戆 豁4 0 蝠 2 0 0 2 2 3 试验步骤 0 1 0 02 0 03 0 04 0 0 垂直压力( k p a ) 图2 - 7 粘土的抗剪强度包线 f i g 2 - 7t h es h e a rs t r e n g t ho fc l a ye n v e l o p e 5 0 0 ( 1 ) 将试验用土碾碎烘干，过5 m m 筛，使其粒径均匀，然后按试验要求将其加水调 配成含水量= 3 0 的均匀土体材料，盖上聚乙烯薄膜后闷置4 8 d , 时以上，制样前重新测 定含水量； ( 2 ) 在小比例模型箱四周及底部涂抹润滑油，适当消除土与模型箱内壁的摩擦， 以模拟与实际情况相似的边界条件； ( 3 ) 分层制备模型，按估算土重称重填土，采用自制的木槌进行夯实，每层填筑 厚度控制在卜7 c m ，筑再上一层土时将下层己夯好的土体表层土刮毛后再填； ( 4 ) 按照上一步骤，填筑到设计预埋件处时，在对应位置埋设对应的贴有应变片 的h 形抗滑桩( 如图3 8 ) ，填筑到试验预设滑动面水平位置时，削平土层表面，然后在 上面铺设两层聚乙烯薄膜，薄膜之间用润滑油涂抹，以模拟滑动面( 如图2 - 9 ) ； 1 6 h 形执滑桩模型试验盈教值模拟研究 图2 _ 8 边坡模型的制作 f i g2 8s l o p e m o d e l i n g 图29 边坡模型滑动面的制作 f i g2 - 9s l i d i n gs u r f a c es l o p