（道路与铁道工程专业论文）拱形单元组合抗滑桩体型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 滑坡是工程项目中常见的病害之一，许多是由人类活动所引起的，诸如开 挖工程、修建大坝等大体积土体施工。由此引起的滑坡严重威胁着工程项目的 安全。滑坡的危害极大，不仅给工程建设增加困难，而且也严重威胁着人民生 命、财产的安全，耗费了国家大量的人力、物力和财力，防碍着国家经济建设 的顺利进行。治理滑坡的具体工程措施有很多，如坡面排水措施、地下排水措 旆、支挡工程等，工程实践表明，抗滑桩这种支挡结构能迅速、安全、经济的 解决一些比较困难的滑坡工程，因此发展较快，是目前广泛使用的治理滑坡的 有效措施。 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施之一，在世界各国滑坡治理中占有重 要地位。据统计，迄今为止，它是滑坡治理中应用最多的一种工程结构。目前 抗滑桩的设计理论和计算方法不够完善，部分滑坡抗滑桩安全储备太大，导致 不必要的浪费；少数滑坡治理设计安全系数过小，危及生命财产安全；有些抗 滑桩虽然能阻止滑坡的发生，但过大的变形已造成工程的破坏；常用的抗滑桩 其桩顶的位移普遍较大，不足以满足工程结构物的使用功能要求。为解决这一 问题，本文提出了一种新型抗滑桩体系即拱形单元组合抗滑桩，并对其结构形式 和计算方法进行了研究。 本研究首先提出了一种拱形单元组合抗滑桩的基本体型，并在此基础上总 结出了多种结构组合形式，对其刚性联结大样的构造作法进行了研究，并在假 定抗滑桩为刚性嵌固的前提下仅对其上部结构进行了较系统的分析，研究表明 该组合抗滑桩具有良好的空间受力性能和整体刚度，顶端位移大幅度减少。本 研究应用有限元分析软件a n s y s 对拱形单元组合抗滑桩结构部分进行设计和计 算，并应用结构设计软件p k p m 对上述结果进行校核，结果突显了拱形单元组合 抗滑桩的优势。本研究以工程实际为背景，将研究结果应用于工程实际，收到 良好效果。 关键词：拱形单元；组合抗滑桩；滑坡；体型研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n ds l i d ei so n eo f t h em o s tp o p u l a rs t y l e so f d i s a s t e ra n da l w a y so c c u r si nt h e d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o ns u b j e c t t h eh u m a na c t i v i t i e ss u c ha s d i g g i n gg r o u n d e n g i n e e r i n g ，b u i l d i n gd a m sa n ds oo n c a u s et h es l o pf a i l u r ew h i c hd a n g e r st h es a f e t y o f t h eh i g h w a ye n g i n e e r i n gs e r i o u s l y l a n ds l i d eh a sm u c hh a r m 。i tn o to n l yi n c r e a s e s t h e d i f f i c u l t y i np r o j e c t ，b u ta l s oi tt h r e a t e n st h e s a l t yo ft h e l i f ea n dt h e p r o p e r t y i n o r d e rt 0 d e c r e a s et h eh a r m o u rc o u n t r ym u s tu s em u c ho fm o n e ya n d g o o d s s ol a n ds l i d ee m b a r r a s s e st h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y t od e a lw i t ht h e l a n ds l i d , t h e r ea r em a n ym e n t h d s ，s u c ha ss l o p e d r a i n g ea n du n d e r d r a l n g e f r o mt h e p r a c t i c ei np r o j e e t ，t ii ss h o w nt h a ta n t i - s l i d ep i l ec a ns l o v em a n yd i f f i c u l tp r o j e c t s q u i c k l ya n ds a f e l y s oi ti sd e v e l o p e dq u i c k l y 1 ti sag o o dm e n t h o d t od e a lw i t ht h e l a n ds l i d e a sae f f i c i e n te n g i n e e r i n gm e a s u r eo fl a n d s l i d et r e a t m e n t , a n t i - s l i d ep i l ei sa v e r yi m p o r t a n tm e a s u r ei nt h em e a s u r e so fl a n d s l i d et r e a t m e n ta l lo v e rt h ew o r l d o n t h eb a s i so f s t a t i s t i c ，i ti st h em o s t l yu s e de n g i n e e r i n gs t r u c t u r ei nl a n d s l i d et r e a t m e n t n o w a d a y s b u tn o w a d a y st h et h e o r yo ft h ed e s i g na n dt h em e n t h o do ft h ec a l c u l a t e a b o u tt h ep i l ei sn o tv e r yp e r f e c t s o m eo fp i l e sa t o os a f et ow a s t em u c hm o n e y a n dg o o d s ，s o m eo fp i l e sa r en o te n o u g hs a f e ，t h e y e n d a n g e rt h es a f e t yo ft h e l i f e a l t h o u g hs o m eo fp i l e sc a np r e v e n tt h el a n ds l i dt og l i d ，t h eg r e a td i s p l a c e m e n t d e s t r o y st h es t r u c t u r eo f p r o j e c t i tc a n tm e e tt h eu s ed e m a n d o f t h es t r u c t u r e t od e a l w i t ht h e s eq u e s t i o n s ，an e wa n t i - s l i d ep i l ec a l l e dt h e 锻c s h a p e de l e m e n tc o m b i n a t i o n a n t i s l i d ep i l ei sp u tf o r w a r da n dt h es t r u c t u r ea n dd e s i g nm e t h o da r ea l s oi n d i c a t e d i nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e sab a s i cs t r u c t u r e , t h e ni ts u m s - u pm a n yc o m b i m a t i o n f o r m a t sa b o u tt h es t r u c t u r eo ft h ea r c s h a p e de l e m e n tc o m b i n a t i o na n t i s h d e p i l e a n di tr e a s e a c h st h ej u n c t u r e so ft h ep i l e s o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h er e s t r i c t i o n o ft h ep i l ei sr i g i d ，t h et h e s i sa n a l y s e st h et o ps t r u c t u r eo ft h ea r c s h a p e de l e m e n t c o m b i n a t i o na n t i s l i d ep i l et h i sn e wk i n do f p i l et a k e sf u l lu s eo f t h ea t t r i b u t e so f t h e a r ct 0i n c r e a s et h es t i f f n e s ss ot h a tt h ed i s p l a c e m e n to nt h et o po ft h ep i l ei s 武汉理工大学硕士学位论文 d e c r e a s e dm u c h t h er e s e a r c ha p p l i e st h es o l , r a r ea n s y st od e s i g na n da n a l y z et h e p i l e a f t e re x a m i n e dt h e r e s u l t sb yp k p m 。t h ea r c - s h a p e de l e m e n tc o m b i n a t i o n a n t i s l i d ep i l ei ss h o w nr e a s o n a b l e t h er e s e a r c hi sa p p l i e di nt h ep r o j e c ta n di th a s m a n ye f f e c t s k e yw o r d s ：t h ea r c - s h a p e de l e m e n t ；c o m b i n a t i o na n t i - s l i dp i l e ；l a n ds l i d e ； r e s e a r c ho f t h es t r u c t u r e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 滑坡问题广泛存在于世界各地，我国、美国、臼本、意大利、瑞士、印度 等都是滑坡较多，受危害较严重的国家。滑坡的危害极大，不仅给工程建设增 加困难，而且也严重威胁着人民生命，财产的安全，耗费了国家大量的人力、 物力和财力，防碍着国家经济建设的顺利进行。在我国，随着国家建设的大力 发展，在矿山、水利、交通等部门都涉及到大量的滑坡问题，特别是2 0 世纪 9 0 年代中后期，随着我国山区高速公路的发展，公路建设面l 隘的地形、地质条 件越来越复杂，滑坡等边坡问题也日益突出；滑坡同崩塌、错落、泥石流一样 都是危害较大的自然灾害，严重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇， 给国家和人民造成巨大损失。鉴于此，近年来滑坡、泥石流问题在边坡和水土 保持领域成为比以往任何时候更重要更迫切的研究课题。因此对滑坡进行研究 及防治就具有更加重要的意义。 1 1 问题的提出 滑坡的危害性极大，对滑坡的研究和防治十分重要，在广大土木工程人员 的不懈努力下，采取了很多整治滑坡的措施，并取得了一定成效。治理滑坡的 具体工程措施有很多，如坡面排水措施、地下排水措施、减重与反压措施、支 挡工程等。整治滑坡首先应做好排水工程，然后针对滑坡滑动的主要因素，结 合工程的重要程度、施工条件及其它要求，采用以防为主、综合治理的原则。 工程实践表明，抗滑桩这种支挡结构能迅速、安全、经济的解决一些比较困难 的滑坡工程，因此发展较快，是目前广泛使用的治理滑坡的有效措施。 虽然到目前为止，用抗滑桩治理滑坡大多数是成功的，在滑坡机理分析和 治理设计方面也不断的取得进展，但远未成熟，存在的技术问题仍较多。部分 滑坡抗滑桩安全储备太大，导致不必要的浪费；少数滑坡治理设计安全系数过 小，危及生命财产安全；有些抗滑桩虽然能阻止滑坡的发生，但过大的变形已 造成工程的破坏嘲4 ”。如何设计最优的方案，使桩顶位移大幅度减小，满足工 程使用功能，这便是我们面临的问题。通常，抗滑桩布置在滑体的下部，即在滑 动面平稳、滑体厚度较小、锚固段地质条件较好的地方，同时也要考虑到施工 武汉理工大学硕士学位论文 的方便。对地质条件简单的中小型滑坡，一般在滑体的前缘直线布置一排抗滑 桩，排的走向与滑体垂直或者接近垂直；对于轴向很长的多级滑坡或者推力很 大的滑坡，抗滑桩直线布置成两排或多排，进行分级处治，分级承担滑坡推力： 或者在滑坡的地带集中布置2 3 排、平面上呈品字型或梅花型的抗滑桩或抗滑 排架。它们几乎有一个共同的特点，即都以直线线形，一排或者多排布置在滑 体前缘，且与滑体垂直或接近垂直的方向上。 在此，本研究针对目前抗滑桩的现状，在传统抗滑桩的基础上提出了一种 新型的抗滑桩结构体系拱形单元组合抗滑桩，它利用了结构力学中拱结构 良好的力学性能，改变常规抗滑桩布置成直线的形式，在平面上布置成拱形，1 滑坡推力作用于拱上，当拱轴线接近合理拱轴线的时候，拱上所有截面的弯矩 都为零，而只有轴力，截面上的正应力则均匀分布，材料能得到最充分的利用， 且由于空间效用和整体刚度的增加，抗滑桩的桩顶位移能较大幅度的减小。 1 2 本研究的思路及主要内容 本研究的思路是先利用结构力学原理提出一种受力性能良好，空间刚度较 大的组合抗滑桩体系。对该体系进行适当简化进行分析，由于抗滑桩三维结构 的复杂性，本研究在假定抗滑桩为刚性嵌固的前提下仅对桩体的上部结构进行 分析，本研究利用有限元分析软件a a 、 s y s 对拱形单元组合抗滑桩结构部分进行 计算和分析，再应用结构设计软件p k p m 对上述结果进行校核，得出拱型单元组 合抗滑桩与常规抗滑桩相比的优势。本研究首先提出了一种拱形单元组合抗滑 桩的基本体型，并在此基础上总结出了多种结构组合形式，对其刚性联结大样 的构造作法进行了研究，并假定抗滑桩为刚性嵌固的前提下仅对其上部结构进 行了较系统的分析，研究表明该组合抗滑桩具有良好的空间受力性能和整体刚 度，顶端位移大幅度减少。本研究还将拱形单元组合抗滑桩应用于武汉理工太 学交通学院的研究项目沪蓉西高速公路边坡四号滑坡的实际工程中，效果良好。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章抗滑桩 2 1 滑坡的基本概念和危害 2 1 1 滑坡的基本概念 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为因素的影响破坏 了岩( 土) 体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着 山体内部某一软弱面( 带) 作整体的、缓慢的、间歇性的滑动的不良地质现象卧啊。 它具有蠕动变形、滑动变形和渐趋稳定三个阶段，有时也有高速急剧移动 现象。其特点是：滑体在向下滑动时始终与下伏滑床保持接触，其水平移动分 量一般大于垂直移动分量。滑坡常发生在铁路、公路等基础工程建设的路堑开 挖中或不良斜坡地段，已给国民经济和人民生命财产造成了巨大损失，为世界 各国所关注，并在1 9 9 0 年国际减轻自然灾害十年中把滑坡列为八大灾害之 一。滑坡的种类较多，根据滑坡体的物质组成、厚度、滑坡的成因以及各部分 滑动的先后顺序可以将滑坡按以下几种类型进行分类： ( 1 ) 按滑坡体物质组成分类：堆积层滑坡：残积层滑坡；黄土滑坡；粘性 土滑坡；堆填土滑坡；破碎岩石滑坡；岩石滑坡； ( 2 ) 按滑坡体的厚度分类：浅层滑坡( ( 6 m ) ；中层滑坡( 6 2 0 m ) ；深层 滑坡( ) 2 0 m ) ； ( 3 ) 按主滑动面成因类型分类：同生面滑坡；接触面滑坡；层面滑坡；构 造面滑坡； ( 4 ) 按各部分滑动的先后分类：牵引式滑坡；推动式滑坡。 2 1 2 滑坡的危害 滑坡问题广泛存在于世界各地，我国、美国、日本、意大利、瑞士、印度 等都是滑坡较多，受危害严重的国家。随着人口的急速增长和土地资源的过度 开发，边坡问题己成为同地震和火山相并列的全球性三大地质灾害( 源) 之一， 也就是人们广为知晓的滑坡、泥石流嘲。在我国，随着我国建设的大力发展， 在矿山、水利、交通等部门都涉及到大量的滑坡问题，特别是2 0 世纪9 0 年代 中后期，随着我国山区高速公路的发展，公路建设面临的地形、地质条件越来 3 武汉理工大学硕士学位论文 越复杂，滑坡等边坡问题也日益突出；滑坡同崩塌、错落、泥石流一样都是危 害较大的自然灾害，严重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇，给国 家和人民造成巨大损失。从以下两个典型实例可见滑坡的恶果。一是1 9 2 0 年在 甘肃发生地震的地区，滑坡使1 0 万人丧生( c l o s e m e c o r m i c k ，1 9 9 2 ) 嘲；二是1 8 9 3 年印度u p p e rg a r h w a l 发生的人类历史上最大的一次滑坡。使整个城市和村庄 冲刷至远处。据不完全统计，1 9 5 1 1 9 9 1 年的4 0 年中，我国工程滑坡灾害至 少造成1 1 6 9 人死亡，给国家和人民带来巨大的经济损失，详细数据见图2 - 1 和 图2 2 。由此可见，滑坡的危害极大，不仅给工程建设增加困难，而且也严重 威胁着人民生命、财产的安全，耗费了国家大量的人力、物力和财力，防碍着 国家经济建设的顺利进行。鉴于此，近年来滑坡、泥石流问题在边坡和水土保 持领域成为比以往任何时候更重要更迫切的研究课题。由此可见，对滑坡进行 研究及防治具有重要意义。 图2 - 11 9 4 9 - - - 1 9 9 0 及1 9 9 8 - - 2 0 0 4 年全国突发性地质灾害造成人员死亡情况 图2 - 21 9 4 9 - - 1 9 9 0 及2 0 0 3 - - 2 0 0 4 年全国突发性地质灾害造成直接经济损失 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 滑坡的常见防治措施 2 2 1 防治原则 在选择防治措施前，要详细勘察地形，地质和水文条件，认真研究和确定 滑坡的类型及其发展的阶段，分析形成滑坡的主、次要因素及彼此之间的联系， 结合工程的重要程度、施工条件及其它各种情况综合考虑。 ( 1 ) 对于性质复杂的大型滑坡，可以绕避时应尽量绕避。当绕避有困难或 在经济上显著不合理时，应视滑坡规模、公路与滑坡的相互影响程度、防治费 用等。设计几种方案比选。 ( 2 ) 对可能突然发生急剧变形的滑坡，应采取迅速有效的工程措施；对于 滑动缓慢的大型滑坡，宜全面规划，分期整治，仔细观察每期的效果，以采取 相应的治理措施；对于施工及建成运营中产生的大型滑坡，应慎重作出绕避方 案、治理方案或局部改线与防治措施相结合的方案等，在进行全面综合比较后 决定取舍。 ( 3 ) 整治滑坡应首先做好排水工程，然后针对滑坡滑动的主要因素，结合 工程的重要程度、施工条件及其它要求，采用以防为主、综合治理的原则。滑 坡整治宣在旱季施工，并注意施工方法，避免引起滑坡的发展。 2 2 2 常见的防治措施 ( 1 ) 坡面排水措施 环形截水沟：环形截水沟应设在滑坡顶部裂缝以外不小于5 m 的稳定地面 上，向一侧或两侧的自然沟谷排出滑坡范围。 树枝状排水沟：树枝状排水沟应结合地形条件，充分利用自然沟系，汇集 坡面径流排出滑体外，排水沟通过地面裂缝处应设置搭叠式排水槽。 明沟与渗沟相配合的引水工程：适用于滑体内的泉水或湿缝。目的在于排 除山坡上层滞水和疏干边坡土体含水。 平整夯实自然山坡坡面；如山坡土质疏松，坡面水易于阻滞下渗，应对坡 面整平夯实，填塞裂缝，防止坡面径流汇集下渗。 绿化工程：对于浅层滑坡或渗水严重的粘性土滑坡时，应采用在滑坡体上 植树、种草等绿化措施。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 地下排水措施 支撑盲沟：适用深度为2 l o m ，用以支撑不稳定的滑坡体，兼具排除和疏 千滑坡体内浅层地下水的作用。支撑盲沟有主干和分支两种。主干平行于滑动 方向，布置在地下水出露处或土中水形成塌陷的地方。支沟应根据坡面汇水情 况合理布置，可与滑坡移动方向成3 0 6 4 5 。夹角，并可延伸到滑坡范围以外。 边坡渗沟：当滑坡前缘的边坡上有地下水分布或坡面潮湿时，应修建边坡 渗沟。当边坡只是局部潮湿且面积不大时，宣布置成条带形；当局部潮湿面积 较大时，宣布置成分岔形；当边坡普遍潮湿时，应布置成拱形或人字形。 截水渗沟：当有丰富的深层地下水进入滑坡体时，宜在垂直于地下水流的 方向上设置截水渗沟以拦截地下水，并排出滑坡体外。 暗沟：需排除滑坡体内外的封闭积水或深层地下水时可设置暗沟。 平孔：用平孔排出滑坡地下水，具有施工方便、工期较短、节省材料和劳 动力的特点，是一种经济有效的措施。 渗水隧洞：主要用于截排或引排集中于滑面附近，埋藏较深的一层地下水。 对于滑面以上的其它含水层，可在渗水隧洞顶上设置若干渗井或渗管将水引入 洞内。 ( 3 ) 减重与反压措施 推动式滑坡是由错落转化的滑坡，宣采用滑坡后缘减重，前缘反压措施。 滑床具有上陡下缓形状，滑坡后缘及两侧地层相当稳定，不致因减重开挖而引 起滑坡向后及向两侧发展时，宜采用减重措施。滑坡前缘有较长的抗滑段，宜 利用减重弃土反压措施抗滑。在滑体或滑带土具有卸荷膨胀开裂的情况下，不 应采用减重措施。经过滑坡推力计算，划分出主滑带和抗滑带，在前者部位减 重，在后者部位反压。 ( 4 ) 支挡工程 支挡工程的发展主要表现在一大、二锚、三小，即大直径抗滑桩、锚索和 微型桩的研究和应用。 抗滑片石垛：一般用于滑体不大、自然坡度平缓、坡脚下部较浅的滑坡。 抗滑挡土墙：抗滑挡土墙应设置在滑坡下部或前缘抗滑段，对于大型滑坡， 可与排水、减重措施联合使用；对于中小型滑坡，可与支撑盲沟联合使用。 锚杆结构：目前主要采用柱板式锚杆挡土墙、预应力锚杆挡土墙和锚杆加 固等。它是利用锚杆的抗拔力、抗剪力以及滑动岩层间的摩擦阻力来阻止岩块 6 武汉理工大学硕士学位论文 的下滑。 抗滑桩：抗滑桩是承受侧向荷载用以整治滑坡的支挡建筑物，它穿过滑体 在滑床的一定深度处锚固，抵抗滑坡推力的作用。它适用于除流塑性滑坡以外 的各种类型滑坡。工程实践表明，抗滑桩能迅速、安全、经济的解决一些比较 困难的工程，因此发展较快，是目前广泛使用的治理滑坡的有效措施。 2 2 3 抗滑桩与其他抗滑措施的特点比较 表2 1 滑坡治理常用措施特点比较 防治 工程措施作用特点 方法 排水明沟、截水沟，排除地表水 需做好水文地质的勘察，般排水工程 排水 还需要与支挡工程相结合。才能稳定滑 渗沟、渗水隧洞、仰 排除地下水 坡 斜钻孔、渗井、渗管 操作简单，效果明显，但清方应避免引 改变滑 清方与反压 减小下滑力或增 起新的滑坡，并保证清方边坡的稳定； 反压必须在合适的位置。无论是清方还 坡形态大抗滑力 是反压，对山体扰动均很大，对环保不 利 以支撑为主兼排 适用于滑体前部有地下水出露及滑体 支撑渗沟滑带水和疏干附 近滑体水 中地下水发育的地段，抗滑能力较小 抵挡滑坡传来的 设计简单，但由于影响滑坡的因素有很 抗滑挡墙 多，容易出现“越顶”和“坐船”的现 土压力 象，挡墙设置的位置有一定的局限性 预应力锚索 通过预应力的施 变形小、布置灵活、投资省，但锚固段 ( 杆) 加，增加滑带的 应置于稳定的岩层且岩层适合于灌浆 支挡工 抗滑力 程 钻孔中插钢管并 钢管桩灌浆，以提高滑布置灵活，但用钢量大 面抗剪能力 依靠桩的强度、 滑面以下锚固部 可灵活选择桩位，既可单独使用又可与 分桩周岩土的弹 其他工程配合使用，施工方便，挖方量 挖孔抗滑桩 性抗力来平衡滑 小，工期短，收效快，对滑体扰动小， 面以上的剩余下 对整治运营线路上的滑坡和处于缓慢 滑力，使滑坡保 滑动阶段的滑坡特别有利，施工中如发 现问题易于补救 持稳定 7 武汉理工大学硕士学位论文 由表2 - 1 及工程实践表明，抗滑桩具有很多优点“： ( 1 ) 能充分发挥抗滑结构的材料强度，安全可靠，经济性好； ( 2 ) 抗滑能力大，圬工数量小； ( 3 ) 桩位布置灵活，可设在滑坡体中最有利抗滑的案进行检验和动态化分 析，信息化施工，使其更符合工程实际； ( 4 ) 施工方便、安全、设备简单；对场地的扰动破坏小；施工进度快，施 工质量好； ( 5 ) 开挖桩孔时能校核地层情况，便于对原方案进行校核： ( 6 ) 可以和预应力锚索( 杆) 结合应用。 在滑坡整治工作中，抗滑桩发挥着极大的作用，且发展潜力大，但是抗滑 桩不适用于软塑体滑坡，耗费钢材也较多，对于岩质边坡采用这种结构型式通 常也是不经济的。部位，可单独使用，也可与其他建筑物配合使用； 2 3 抗滑桩的类型 抗滑桩是一种穿越滑体并在滑床的一定深度处锚固的构筑物，上部的滑坡 推力作用通过抗滑桩传到稳定的滑床，达到整治滑坡的目的，是滑坡治理中常 用的技术措施之一。其使用的类型也有很多种。 2 3 ，1 单桩的类型 ( 1 ) 按受力状态分“1 ： 水平受荷桩一主要承受水平荷载； 水平及竖向受荷桩承受水平和竖向荷载。 ( 2 ) 按材料分： 钢筋混凝土桩灌注混凝土桩和预制混凝土桩 钢桩钢管及钢管中加h 形型钢桩、钢轨及钢板桩。 ( 3 ) 按施工方法分： 挖孔桩、打入桩、钻孔插入桩、沉井桩。 ( 4 ) 据对周围土层的影响分： 非挤土桩、挤土桩、部分挤土桩。 ( 5 ) 按断面形式分：圆形桩、矩形桩( 等截面和变截面) 、方桩。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 按埋置情况分：全埋式和悬臂式。 ( 7 ) 按桩顶固定情况分：桩顶固定式( 与钢筋混凝土承台连接) 、桩顶自由式。 2 3 2 结构形式的类型 ( 1 ) 单排抗滑桩。 ( 2 ) 椅式桩墙由内桩、外桩、承台、上墙和拱板五部分组成。其工作 原理为：用拱板支承滑坡体，将推力通过内外两桩传至稳定地层。因用刚性承 台将内、外桩联立成框架，转动惯量大，能承受较大的弯矩，而桩壁应力较小， 在软弱地层更显其优越性。 ( 3 ) 门形刚架内桩受拉、外桩受压，每排由两根竖向桩和一根横梁组 成，能承受较大的推力。 ( 4 ) 排架抗滑桩其受力同门形刚架桩，每排由两根竖向桩和一根横梁 组成，下横梁可按隧道掘进法施工。 ( 5 ) h 形排架抗滑桩其受力同门形刚架桩，仅内桩向上延长，起到收 坡作用，适合于整治路堤滑坡。 ( 6 ) 锚索抗滑桩：锚索抗滑桩即在抗滑桩顶加2 4 束锚索，改变了原普 通抗滑桩的悬臂受力状态，接近简支梁的受力，由被动受力状态转为主动受力， 同时解决了滑体压缩造成的预应力损失问题。 ( 7 ) 微型桩群：微型桩是指直径小于3 0 0 r a m 的插入桩或灌注柱。它的应用 形式有许多，微型桩密布在滑体上，穿过滑动面，增加抗滑力，微型桩加横梁 形成排架结构抗滑，微型桩网与包围的土体形成一重力式挡土墙结构抗滑。微 型桩治理中小型滑坡是一个发展方向，但目前设计方法和参数还研究不足，有 待进一步研究。 本课题研究的拱形单元组合抗滑桩便是刚架抗滑桩，在充分利用了其优势 的基础上有所创新，即在平面上布置成为拱形，利用了结构力学中拱结构合理 良好的力学性能。 2 4 抗滑桩在国内外的研究现状 欧美国家从1 9 世纪中叶就开始了对滑坡灾害防治的研究，但是早期由于人 们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避，对小型 9 武汉理工大学硕士学位论文 滑坡采取清方减载、反压以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程是更优先考虑的 措施。直到第二次世界大战后，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大量滑坡才真正开始，5 0 年来有了较大的 发展和提高，一些大型滑坡也采用支挡工程来治理。支挡工程的发展大体可分 为三个阶段“”巾”： 5 0 年代以前，治理滑坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程主要 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。欧美国家和前苏联多用钻孔钢 筋混凝土灌注桩，直径1 o 1 5 m ，深2 0 3 0 m ，日本则多用钻孔钢管桩，钻孔 直径4 0 0 5 5 0 m m ，深2 0 3 0 m ，孔中放入直径3 1 8 5 4 5 7 2 m m ，壁厚l o 4 0 m m 的钢管，钢管内外灌入混凝土或水泥砂浆，为增加桩的抗剪能力，有时在钢管 中再放入h 型钢。桩间距1 5 4 o m ，而以2 o 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。 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獭滑坡上采用直径5 m ，深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩。它在周围均匀布筋，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) 。由于锚索工程能机械化施工，； 比抗滑桩工程节省投资5 0 ，所以日前被广泛应用。 在我国，对滑坡灾害的系统研究和治理是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需 要，其发展过程基本上与国外同步，也分为三个阶段： 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。但用重力式抗滑挡土墙 治理大型滑坡常常工程浩大，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，危及施工安全。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 6 0 7 0 年代，成功地应用支撑盲沟加小抗滑挡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= 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 究设计用大截面挖孔钢筋( 钢轨) 混凝土抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，破坏 滑坡体稳定小，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。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”， 使治理大型滑坡有了可能。 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、刚架桩、椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗滑桩的受力状态， 节省圬工和钢材，但由于施工要求高于单桩，至今应用不广。 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的采用锚索 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，又是机械化 施工，所以应用前景广阔。 2 5 抗滑桩的设计 2 5 1 设计步骤 ( 1 ) 首先弄清滑坡原因、性质、范围、厚度，分析滑坡的稳定状态、发展 趋势。 ( 2 ) 根据滑坡地质横断面及滑动面处岩、土的抗剪强度指标，计算滑坡推力。 ( 3 ) 根据地形、地质及施工条件等确定设桩的位置及范围。 ( 4 ) 根据滑坡推力大小、地形及地层性质、桩体材料等，拟定桩长、锚固 深度、桩截面尺寸及桩间距。 ( 5 ) 确定桩的计算宽度，并根据滑体的地层性质，选定地基系数。 ( 6 ) 根据选定的地基系数及桩的截面形式、尺寸，计算桩的变形系数( a 或卧及其计算深度( a h 或bh ) ，据以判断是按刚性桩或柔性桩来设计。 ( 7 ) 根据桩底边界条件采用相应的公式计算桩身各截面的变位、内力及桩 侧应力等，并计算最大剪力、弯矩及其部位。 ( 8 ) 校核地基强度。若桩身作用于地基的弹性应力超过地层容许值或者小 武汉理工大学硕士学位论文 于其容许值过多时，则应调整桩的埋深或桩的截面尺寸或桩的间距后重新计算， 直至满足要求为止。 ( 9 ) 根据计算结果，绘制桩身剪力图和弯矩图。 ( 1 0 ) 对于钢筋混凝土桩，据以进行配筋设计。 2 5 2 设计抗滑桩应该满足的要求 ( 1 ) 当设计抗滑桩以后，整个滑坡要有足够的稳定性。通过桩的作用将滑 坡推力传递到滑动面以下稳定地层中，使滑坡的安全系数提高到规定的要求。 保证滑体不越过桩顶，不从桩问挤出。若地面横坡较陡，抗滑桩锚固段的外侧 成三角形地段，应予加强。 ( 2 ) 桩身要有足够的稳定性。桩的截面、间距及埋深适当，锚固段的桩侧 应力在地层容许值之内。 ( 3 ) 桩身要有足够的强度。钢筋配置合理，能够满足截面内力要求。 ( 4 ) 查明是否有细砂层，会不会造成流砂，地下水是否大量补给，有无明 挖条件，防止在施工中抗滑桩锚固段的基础被水软化，强度下降。 ( 5 ) 抗滑桩的平面布置与相邻构造物之间的关系，要留有足够的安全距离， 保证安全，施工方便，经济、合理。 为此，抗滑桩设计主要就是确定桩的平面布置，桩的锚固深度、截面尺寸 和结构强度等。整个设计过程，涉及的问题比较复杂，必须做好各项调查、分 析和研究工作。对重大的滑坡工程，更要多方比较，以便作出正确、合理的设 计方案。 2 5 3 设计基本要素 2 5 3 1 抗滑桩的平面布置 抗滑桩桩位的确定是滑坡治理工程中的关键技术问题。一般来说，滑体的上 部滑面较陡，拉张裂隙多，滑坡下滑力大，易使桩开裂或倾倒，不宜在此部位设 桩；中部滑动面往往较深且下滑力大，亦不宜设置；中下部( 抗滑地段) 滑动面较 缓，下滑力较小，经常是较好的设桩位置；若桩设在下部较浅部位，可能会有新的 滑面越顶滑出。到目前为止，许多规范对桩位的确定均没有定量的确定方法，仅 仅属于一种根据滑动面的形状和滑坡的特征面做的定性判断，如铁路路基支挡 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 结构设计规范( t b l 0 0 2 5 2 0 0 1 ) 规定，抗滑桩的桩位应根据滑坡的地层性质、 推力大小、滑动面坡度、滑体厚度和施工条件等因素综合考虑决定，一般设在滑 坡体较薄、锚固段地基较好的地段。这种判断仅仅考虑滑坡的工程地质条件， 而对滑坡的稳定性、推力曲线、施工难易程度和结构设计考虑较少。近来某些 学者也对抗滑桩位的确定做了些定量的分析研究。如在某文献“”中介绍了一种 确定抗滑桩的合理位置的方法，先对滑体进行条块受力分析求出上设计剩余推 力曲线和下设计剩余推力曲线，然后把确定的边坡的设计安全系数带入相关公 式计算，最后由上设计剩余推力曲线上对应的设计剩余推力e 与下设计剩余推 力曲线上对应的设计剩余推力e 的差值，取最小值对应的点作为抗滑桩的合 理位置点。 本节再介绍另一种确定桩位的方法结构设计方法，其确定桩位的步骤 如下： ( 1 ) 推力曲线与抗滑段的确定。利用剩余推力法作出基准工况与控制设计工 况的推力曲线。依据控制设计工况的滑坡推力曲线和滑动面的特点确定出下滑 段和抗滑段，见图2 3 。 ( 2 ) 备选桩位的确定。结合施工难易程度，在滑坡推力曲线上确定几个被选 桩位，分别为p 。、p 2 、p 3 ，见图2 - 3 。 嚣 禹瓤 图2 3 结构设计法确定桩位示意图 ( 3 ) 抗滑桩内力计算。运用抗滑桩内力常用计算方法求出滑动面处的剪力q o i 和弯矩。后，根据桩底边界条件利用k 法可以得出滑动面以下的内力分布，从内 力分布图可得出第i 桩位处的最大剪力q 。和最大弯矩m 。，。 ( 4 ) 桩位的确定。求出任一桩位处的最大剪力q 。和最大弯矩m 。，从中选择 最大剪力q 聃。和最大弯矩儿。中最小的一组为所选桩位，即：最优桩位 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( p ，氏p 。，) = m i n ( q _ 。、m 。l ，q 。、 l l 心，瓯。、m _ ，3 i ) 。 使用这种结构设计方法综合考虑推力曲线、滑体厚度、地形与施工条件及 周围环境等因素来确定抗滑桩的位置比较合理，是定量确定抗滑桩桩位的一种 好方法。本研究就结合了此方法和工程实践对抗滑桩的平面做了相应布置，如 图2 - 4 。 图2 - 4 拱形单元组合抗滑桩在滑坡处理中的平面位置布置图 2 ，5 3 2 抗滑桩的合理间距 在抗滑桩支护的边坡工程中，桩间距的确定是整个工程设计的关键性问题 之一。桩间距过小会造成工程投资浪费和施工困难：桩间距过大会使桩间土拱 破坏( 或未形成) ，发生桩间土体向前滑动，抗滑桩的抗滑功能无法发挥。所以合 理的桩间距问题是一个重要的工程问题。般从技术经济角度来说，合理桩间 距的选择应该是在保证坡体安全的条件下而尽可能的大。关于桩间距的计算， 目前的研究中主要有以下特点：某文献n ”根据抗滑桩两侧摩阻力之和不小于桩 间滑坡推力这一主导思想建立了桩间距的计算公式，但未考虑土拱的强度条件； 某文献“”则主要根据土拱的强度条件建立了桩间距的计算方法，却未考虑桩两 侧摩阻力与滑坡推力之间的静力平衡条件；某文献“”根据大、小主应力理论建 立了基坑支护中桩间距的计算方法，但把桩间土拱假定成圆弧曲线又显得不太 合理嘲。在以往研究成果的基础上，本节将结合桩间土拱应力、土拱体整体稳 定性以及绕流阻力的影响来综合控制桩间距。 ( 1 ) 基本假定 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 桩及桩间士体共同承受其后滑坡推力的作用，是一空间问题，为研究简便， 将其简化于单位厚度的水平土层上进行，化空间问题为平面问题； 根据实际工程需要，抗滑桩可布置单排或多排，此处只讨论单排抗滑桩的 情况： 土质为宏观各向同性即在单位厚度的水平土层内，宏观上土质是均匀的； 不失一般性，假定桩后作用的滑坡推力为水平方向。 q l 以 图2 5 桩间土拱静力平衡示意图 ( 2 ) 抗滑桩桩间距的确定“”1 在边坡防治工程中，抗滑桩间的土体会形成类似隧洞顶和桥梁拱圈作用机 理的桩间土拱，桩间土拱受到滑坡推力后，立即将滑坡推力传递到相邻两侧的抗 滑桩上，由两侧抗滑桩桩侧摩阻力来支撑滑坡推力。若抗滑桩桩侧摩阻力之和大 于或等于滑坡有效推力时，滑坡便停止向前滑动。 1 ) 土拱平衡力系及桩间距的解 由图2 - 5 知，抗滑桩一侧的桩侧摩阻力为 r = h a t a l l 口+ c 西 = 垡! ：塑璺壁 + c b h -( 2 1 ) 2 t a n ( 4 5 。一2 ) 式中，b 为抗滑桩桩侧宽度；h 为抗滑桩滑动面以上的高度。 土拱受到滑坡推力后，士拱本身要产生沿滑动方向的变形，存在一个剩余抗 滑力。根据滑坡稳定性计算模型，桩间土拱中的剩余抗滑力为 f = ( w i c o s at a n 由+ c b - w i s i n a ) l ( 2 - 2 ) 式中，w 。、由、c 、o 、b 分别为土拱单宽重量。土体内摩擦角，土体粘聚力，滑动面 倾角和抗滑桩侧面宽度。因此，由土拱传递到抗滑桩一侧的有效推力为 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ，膏教= 专【g 一( 形c o s o r t a n 妒+ c b 一形s i n a o 2 ( 2 3 ) 建立土拱平衡力系 圭【g 一形c o s 口t a i l + c b 一形s i l l 口) 】= 五忑q 百1 t f a n 而 + c b 阿( 2 4 ) 于是便可得到桩间净距为 扛2 c 6 弦 g 丽矗箩兰赢卜暇螂t a i i 矿- s i n 饼) + c 6 】) ( 2 _ 5 ) 据统计计算分析，滑坡单宽推力在5 0 0 k u 以上，滑动面倾角在5 。以上，滑带土 粘聚力在l o k p a 以下，滑体内摩擦角在8 。以下，计算出的剩余抗滑力很小，自然界 中绝大多数滑坡满足这个条件，所以在实际估算抗滑桩间最大净距时，可不计土 拱本身的剩余抗滑力，此时，式( 2 - 5 ) 简化为 ，2 c b h ，= 。一 卵一鼎】 ( 2 - 6 ) 此式便是抗滑桩桩间净距的解。因不计土拱本身沿滑动面滑移变形的剩余抗 滑力，所以算出的最大桩间净距偏小，对工程安全有利。于是抗滑桩桩间距 l = l + a( 2 - 7 ) 式中，a 为桩垂直予滑动方向上的宽度。 2 ) 抗滑桩桩间距的确定 基于土拱能够保持整体稳定考虑，根据前面的分析可知用式( 2 - 6 ) 、式 ( 2 7 ) 进行计算即可： 基于土拱中最不利受力点是否达到临界状态考虑进行计算，土拱受到滑 坡推力作用，拱顶点为最不利受力点，其临界状态下应力状态应该满足 m o h r - e o u l o m b 准则 码= qt a n 2 ( 4 5 。一声2 ) 一2 c t a n ( 4 5 。一矿，2 ) ( 2 8 ) 式中，ol 、o3 分别为大小主应力；由，c 分别为桩间土体的内摩擦角与粘聚力。 拱顶点的受力状态为 k ： 型 12 砌t a n ( 4 5 。- 2 ) ( 2 9 ) 【c r 3 = q h 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 式中，h 为土拱体厚度，即可认为是桩在滑面以上部分的长度。将式( 2 9 ) 代入 式( 2 - 8 ) 得 ，：q+2hctan(45*-庐2)2b( 2 一1 0