（岩土工程专业论文）锚索抗滑桩共同作用的工程研究.pdf

摘要 锚索抗滑桩是近年来广泛应用于滑坡工程的支挡结构，在实际工程中存在的 问题较多。其理论设计常滞后于实际应用，计算方法还不完善，工程上的取值也 不尽合理。本文主要是针对目前存在的这些问题展开的。 本文首先对抗滑桩与岩土体的相互作用进行详细分析，然后提出抗滑桩的有 限元力学计算模型，同时对抗滑桩和锚索的共同作用进行模拟。其中，将所研究 问题假定为平面应变问题；岩土体为理想弹塑性模型，采用四节点等参单元，遵 循适于岩石和岩土的d r u c k e r p r a g e r 屈服准则；抗滑桩和锚索分别采用梁单元 及杆单元来模拟，都视为线弹性体；桩与岩土体之间通过设置接触单元来模拟抗 滑桩与岩土体的相互作用。通过有限元强度折减法计算分析得出了不同岩体强度 参数、不同桩长和桩截面尺寸、不同锚索预应力值的情况下，抗滑桩的水平位移 和桩身内力的分布规律，并分析了抗滑桩对各个参数影响的敏感程度。 本文提出了锚索抗滑桩计算分析的一种新方法，得出了一些有意义的结论， 为工程中锚索抗滑桩的设计和优化提供了些有意义的参考。 关键字：滑坡锚索抗滑桩共同作用有限元强度折减 a b s t r a c t t h e 觚t i d ep i l ew i t ha i l c h o m gc a b l ei sm en e wr e s i s t 趾t 咖l c t l l r e 血a th 鹪 b e e nm d e l yu s e di n 血el a n d s l i d ee n g i n e e 血g s t u d i e so nd e s i g n i n gt h c o r yo ft l l i s s 佃l c t u r ea r e 掣e a t l yd e l a y e dt h a ni t sa p p l i c a t i o n sw l e nd e s i g l l i n ga 1 1 dc o m p u t i n gt l l e 咖咖e t h c r ea r eah o s to fp r o b l e m si nm ep m c t i “p r o j e c t s t h i st h c s i sd e v e l o p s a n de x p a n d sm er e s e a r c h ，w i l i c hm a i n l ya i m sa t 也ec x i s t i gp r o b l e m sa tp r e s e n t f 妇，m cm c s i sp 删c u l a r l ya i i a l y z e st l l ei n t e m c t i o no fm e 枷i - s l i d ep i l e 趾d 也e s o i l 1 1 1 e n ，t h ef i i l i t ee l e m e n tm e c h a l l i c a lc a l c u l a t i n gm o d e lo fm c 锄t i s l i d ep i l eh a s b e e ne s 诅b l i s h e d t 越si no r d c rt os i m m a t et h ea c t i o nb e t w e e nm ea n t i s l i d ep i l ea 1 1 d t h ea n c h o r i n gc a b l e i n 也em o d e l ，p r o b l 锄o ft l l es t u d yh a sb e e np r e s u m e da sp l a n e s t r a i np r o b l e m s e e m l y ，t l l es o i li ss e e m e da si d e a le l a s t o p l 删cm o d e l ，髓du s ef o u r n o d ee q u a l - p a r a u = 1 1 e t e re l e m e n tw l l i c ha b i d e sb yd n l c k e r - p r a g e ry i e l dc r i t 舐ao fr o c k a n ds o l l w h a ti sm o r e ，b e 锄e l e m e mi sf o r 锄l - s l i d ep n ea r l ds e q u e m i a lp o l ee l e m e n t i sf o ra j l c h o r i n gc a b l e ，b o t l la r et r e a t e da sl i n e a re l 船t o m e r ia t 廿l es a m e 血n e ，c o m a c t e l e m e n ti ss e tb e t w e e np i l ea i l ds o i lt os i m l l l a t et 1 1 e i ri n t e r a c t i o n a tl a s t ，t l l i sm e s i s g e tt h ed i s 仃i b u t i l l gn l l eo fp i l e sh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta i l di t sb o d y si n t e m a lf o r c e i nm ed i 位f e mc t a npr e d u c t i o n ，d i 位r e mp i l e l e n g t ha 1 1 ds e c t i o ns i z e ，a i l d d i f r 玳n tp r c s t r c s so fa c h o 血gc a b l eb yc a l c u l 弛g 、i t hs 仃e n g mr e d u c t i o nf i l l i t e e l e m e mm e n l o d i nt l l em e s i s ，an e wk 抽do fm e t l l o di sp u tf o n ) l m r d ，w l i c ha 1 1 a l y s e s l e 锄t i s l i d e p i l e 谢ma n c h o r i n gc a b l e ，a i l de d u c e ss o m es i 印i f i c a n tc o n c l u s i o i l s a tm es 锄et i m e ， i tp m v i d e ss o i i 坨u s e “r e f c r e n c e sf o rt h ed e s i g na i l do p t i m i z a t i o no ft h ca 1 1 t i s l i d e p i l e 埘t ha 1 1 c h o r i n gc a b l ei i lt h ep r o j c c t s k e y w o r d s ：l a i l d s l i d e ，a m i s l i d ep i l e 谢t l la n c h o r i n gc a b l e ，i n t e r a c t i o n ， s 仃e n g t hr e d u c t i o nf e m 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 第一章绪论 1 1 前言 边坡是人类工程活动中最基本的一种自然地质环境，也是工程建设中最常见的工 程形式。边坡处治是一项技术复杂、施工难度大的灾害防治工程，随着大型重点工程 项目的日益增多，使得边坡处治在公路、铁路、水利、市政、土建、矿山等工程中占 有极其重要的地位。特别是在地质条件复杂、人工边坡和自然边坡环境较为恶劣的西 部地区，各类工程问题遇到的边坡问题尤为突出。当地质地貌比较复杂，斜坡上的岩 土体在自然或人为因素的影响下失去稳定，在重力作用下沿着一定的软弱结构面整体 向f 滑动，便产生了滑坡。 滑坡对人类工程建设的危害是世界性的，它给全球造成的经济损失估计每年可达 数十亿美元，整治费用十分惊人。另外，工程不能及时发挥效益或使用中断，其问接 损失更大。因此引起各国工程技术人员的极大关注。 我国是滑坡广泛分布的国家，滑坡几乎遍及全国各省区，特别是西南地区，滑坡 更为频繁。据不完全统计，西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上，而我 国已受到滑坡灾害威胁和可能受到威胁的地区约占全国陆地面积1 5 至1 4 。 由于滑坡是一种多发的又常能造成极大危害的斜坡地质灾害，因此有关滑坡的防 治工作一直为世人所关注吲。经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的 各个方面都取得了很大的成就，其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速，普通抗滑桩、 预应力锚索抗滑桩等新型桩锚结构在工程实践中的大量应用，使整治各种大、中型滑 坡成为可能。抗滑桩作为整治滑坡的一种有效措施在工程实践中得到了广泛应用f 引。 抗滑桩解决了路基边坡支挡加固、滑坡整治、深基坑开挖支护等工程滑坡问题，满足 了当前土方机械化施工要求，且施工工艺成熟、施工方便，已成为滑坡整治和稳定边 坡的主要措施之一。 随着新奥法( n a t m ) 和挪威法( n t m ) 的引入，滑坡防治已从单纯采用被动支 护进入到采用主动支护以及主动支护与被动支护( 如锚索抗滑桩) 相结合的阶段i “。 其中，预应力锚索抗滑桩( 锚索抗滑桩) 是在抗滑桩的顶部施加上强大的预应力锚索， 从而改变悬臂式抗滑桩不合理的受力状态，减小了桩身内力、桩的横截面和桩的埋置 深度，大幅度降低了工程造价。预应力锚索抗滑桩是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种 抗滑结构。由于其受力较一般的悬臂式抗滑桩合理，并可节省造价，因此在铁路、公 黄婀大学硕士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 路及房建工程中的高填深挖或深基坑支护、边坡整治中得到了广泛应用。 1 2 选题的目的及意义 随着我国岩土工程的飞速发展，预应力锚固技术得到越来越广泛的应用，7 0 年代 以来在边坡加固工程中，锚杆和锚索工程大有发展，因为锚固工程和排桩、深基础工 程相比，不仅工程经济而且施工安全简便。特别是锚索工程它可以单独设置也可以加 在桩顶，使抗滑桩结构改善、断面减少、抗力加大。预应力锚固技术能充分调用锚杆 周围地层自身强度，显著增强周围地层的承载能力，节约工程材料，从而成为解决岩 土工程稳定性问题经济、有效的方法之一，岩土锚固在能源、交通、水利及城市基础 建设中获得了广泛的应用。其中预应力锚索抗滑桩是治理滑坡的一种抗滑结构，它是 在一般抗滑桩顶部施加强劲的预应力，使桩一预应力锚索形成一个联合受力体系。是 以抗滑桩为主体，在其上部设置具有一定下倾角的锚索，锚索可以锚固在基岩之中。 由于设置了锚索，与普通抗滑桩相比较，桩身最大水平位移及最大弯矩值均较小：其 内力分布更为合理，从而大大降低了配筋率。由于抗滑桩减小了计算弯矩，减小了埋 置深度，因此达到结构受力合理，节省材料，减少投资的目的。采用锚索抗滑桩既经 济又合理，目前在大型滑坡的整治工程不断采用这种新型的结构形式。 我国用于滑坡整治的抗滑桩数目是巨大的，虽然还不能精确统计出全国的抗滑桩 总数是否已达到几十万根，总长度是否已有近百万米，但十几万根和几十万米总是可 能的，用这么多抗滑桩来整治滑坡，只有个别产生破坏的实例，尚未有整个工程失败 的先例，可见用抗滑桩这种措施来整治滑坡是非常有效的瞄i 。 尽管预应力锚固经验日益成熟，锚索抗滑桩这种新型桩锚结构已在工程中广泛应 用，但对预应力锚索抗滑桩的相互作用的研究却仍然处于探索阶段。抗滑桩是否充分 发挥了其抗滑能力，抗滑桩工程的设计是否经济合理，仍是一个很值得研究的问题。 在工程实践中，锚索和抗滑桩的选用只是一些经验值，对于它们的共同作用也只能给 出一些粗略的、定性的结论。实际工程中，常常不能有效利用锚索和抗滑桩的最优组 合，经常出现锚索还未出现明显破坏而抗滑桩早就超过极限承载力的情况，以及抗滑 桩未破坏而锚索已被拉断的情况时有发生，很难使抗滑桩和锚索达到同时受力或破坏 状态。另外，虽然数值模拟方法已广泛应用于岩土工程的许多方面，但运用数值方法 研究预应力锚索抗滑桩的共同作用机理还处于初级阶段。因此，如何在安全的基础上 一：! 贵怖太学硕士学位论复 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 进行经济合理的设计对国民经济发展有着重要的意义。事实上，由于影响滑坡的因素 众多且易于变化，因而在基本查明滑坡豹性质、规模等问题后，在进行防治工程设计 时常将些易变的或不十分清楚的环境因素可能造成的不利影响蕴含在安全储备中， 因此致力于提高工程设计水平、充分挖掘抗滑桩工程潜能的研究乃当今一大趋势。 1 3 研究现状 1 3 1 滑坡防治工程的研究现状 在滑坡防治工程中，对边坡的治理主要采用预应力体系、抗滑桩墙体系、排水体 系、注浆改良体系、减载与反压体系等技术f 6 一。 在2 0 世纪5 0 年代，我国治理滑坡主要采用地表 j f 水、清方减载、填反压、抗 滑挡墙及浆砌片石等措施。但工程实践证明，采用地表排水、清方减载、填土反压仅 能使边坡暂时处于稳定状态，如果外界条件发生改变，边坡仍然可能失稳。 2 0 世纪6 0 年代末期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并获得成功。随后 在成昆线、湘黔线、宝成线、川黔线等铁路建设中推广应用。抗滑桩技术的诞生，使 得一些难度较大的边坡工程问题的处理成为现实，由于它具有布置灵活、施工简单、 承载能力大等优点，受到工程师们和施工单位的欢迎，在全国范重内迅速得到推广应 用，并从2 0 世纪7 0 年代开始逐步形成以抗滑桩支挡为主、结合清方减载、地表排水 的综合治理技术。 2 0 世纪8 0 年代末期，我国开始采用锚矮l 箢护技术。人们对排永也有了薪的认识， 主张以排水为主、结合抗滑桩、预应力锚索支挡的综合整治。南昆铁路八渡车站巨型 滑坡，采用地面、地下、立体排水、锚索和锚索桩支挡、建立滑坡地质环境保护区的 综合治理措旋获得成功，并被誉为2 0 世纪9 0 年代治理巨型滑坡的成功典范。 2 0 世纪9 0 年代，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多地用于边坡治理， 尤其是用于高边坡的防护治理工程中。它是一种边坡的深层加固处理技术，能解决边 坡的深层加固及稳定问题，达到根治的目的，因而是一种极具广泛应用前景的高边坡 处治技术。 近年来，随着高速公路的迅猛发展，在公路边坡、大型滑坡治理工程中更多地采 用预应力锚索加固技术。预应力技术的引入使滑坡防治工程由被动支护进入到主动支 护阶段，充分发挥了滑坡体的潜能。锚索是最常用的预应力技术，早期在中小型岩石 j l 赛热太学硬 学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 滑坡治理中曾报道过岩栓r o c k b 0 1t 的应用，但大吨位预应力锚索用于滑坡治理是近 2 0 年的事。随着高强度锚索的生产和防腐技术的解决，预应力锚索在边缓加固和滑坡 治理中已广泛应用，或与抗滑桩联合使用，或单独使用，即在滑坡的中前部打若干排 锚索锚于滑动面以下稳定地层中，加预应力5 0 0 k 3 0 0 0 k n 以上，变被动受力为主动 抗滑，能有效地阻止滑坡的移动。国内，水电部在李家峡水电站漫湾水电站滑坡治理 中，铁道部第二勘测设计院在草坡滑坡治理中，铁科院西北分院在甘肃敦煌榆林窟和 山尔蓬莱阁丹崖加固以及深圳市多处滑坡治理中成功地应用了这一技术，地矿部在链 子糍危岩体加周中也应用了这一技术。 hi 讥可供采用的边坡加固措施很多，其中，抗滑桩挡墙是最为传统的滑坡防治 【槲措施，属于被动支护范畴。抗滑桩的作用具有明显分段性，它主要控制了位于其 上部滑体的变形破坏过程，减轻了下部滑体的推力，从而提高整体稳定性，它更适用 于推移式滑坡；而运用地表和地下排水方法减少地表水入渗并排除滑体内的水体，是 增强滑坡稳定性的最为有效而且也是最为简便的手段，但是水对滑坡体的作用较为复 杂；注浆改良体系是直接针对滑带特征，采用物理和化学的方法进行滑带物质置换和 填充，从而提高其摩擦系数的技术。在土质和结构松散的岩质滑坡治理中进行了可喜 的尝试，在四川达成铁路金堂滑坡治理中采用了旋喷桩加固滑带的方法。另外，由于 滑坡后缘滑带倾角常远大于前缘倾角，因此运用刷方方法清除滑坡后缘的滑体，可以 明显地降低滑坡体的下滑力，同时在滑体前缘进行填方反压可以明显增加滑体的阻滑 力，在山区城镇建设中由于后缘加载促使滑坡变形的事例逐渐增多。 但是，由于工程建设规模的不断扩大，边坡高度增高，复杂性加大，对边坡的处 治技术要求也越来越高，因此，在边坡防护治理工程中强调多措施相结合的综合治理 原则，以加强边坡的稳定性。随着科学技术的发展和对更多工程实践的探讨，滑坡防 治工程技术将得到进一步的发展，并逐步走向完善。 1 3 2 抗滑桩的研究现状 1 3 | 2 1 抗滑桩结构的发展和适用条件阁 采用抗滑桩( 亦称锚固桩) 治理滑坡，国外始于2 0 世纪3 0 年代，国内于2 0 世 纪5 0 年代开始使用。1 9 5 4 年宝成线史家坝4 号隧道北口左侧灰岩边坡产生顺层坍塌， 采用钢筋混凝土榫桩治理( 只考虑抗剪作用) 。1 9 6 5 年在川黔线楚米铺堆积层滑坡采 盎姐大学强t 学住论熏_ 4 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 用沉井及打入式管桩，按材料力学方法计算锚固深度，旌工时不易深入基岩内。 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 次采用钢筋混凝土挖孔桩来加固稳定滑坡，全面考虑了构件的抗弯、抗剪等作用，为 滑坡整治增加了一种切实可行的新手段。据统计，成昆线在六处滑坡中采用了1 2 0 根 桩，累计长度为1 3 6 4 m ，抗滑效果良好。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 形钢架排桩( 1 9 7 6 年枝柳线罗依溪滑坡， 铁四院) 、h 形排架抗滑桩( 1 9 8 3 年川黔线k 1 8 0 路堤滑坡，成都铁路局) 、预应力锚索 抗滑桩( 1 9 8 4 年松藻矿务局金鸡岩滑坡，铁科院西北分院) 等。 目前，国内在铁路、公路、厂矿等土木工程的滑坡治理中，广泛地采用抗滑桩， 实践证明这种支挡结构良好。 l _ 3 2 2 抗滑桩的类型 ( 1 ) 单桩 单根独立抗滑桩又分为全埋式和半埋式两种。全埋式为自由段和嵌固段全部埋入 地层中；半埋式为自由段出露地表，嵌固段埋入稳定地层中。单桩为悬臂梁式受力， 其经济长度一般为1 0 2 0 m ，抵抗滑坡推力5 0 0 1 5 0 0 k n ，m 。全埋式抗滑桩的优点是 桩前土体能提供一定的抗力但挖孔深度较大，在地质情况较差时施工困难，半埋式抗 滑桩常置于公路路基边缘，外露自由段可采用变截面半埋式，抗滑桩的挖孔深度一般 为桩长的1 2 l ，3 ，因此其配筋混凝土方量和挖孔深度均较全埋式节约。 ( 2 ) 桩板抗滑桩 桩问土体较为松散且地基承载力较差时，如果采用单桩桩间土有可能从桩间挤 出，造成公路边坡变形甚至局部坍塌，有时桩间的圬工砌体因承载力较低而无法实施， 桩板抗滑桩是在桩与桩之间采用平板或拱板形。 ( 3 ) 框架式抗滑桩 将前后两根抗滑桩用一根或多根横梁联接使之成为一刚架结构，一般前后排桩均 为直立，在地形条件允许的条件下，前排桩可采用斜桩结构内力计算，表明其斜度越 大造价越经济。框架式抗滑桩最大的优点是抗滑能力大，一般可抵抗2 0 0 0 5 5 0 0 k n m 的滑坡推力，这种结构型式的受力方式明确计算结果精确可靠。 ( 4 ) 锚索桩 由钢筋混凝土抗滑桩和预应力锚索或锚杆组成，把桩嵌入稳定岩层，在桩顶端用 贵蚺大学硕士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 锚杆或锚索锚入稳定岩层并进行张拉，使抗滑桩形成简支梁受力系统。它使抗滑桩避 免了悬臂梁式受力，从而使桩截面桩长度配筋量大大减小，节省投资并且可根据滑坡 推力的大小控制拉力，从而改变抗滑桩的被动受力方式。 1 3 2 t 3 抗滑桩设计的传统理论 ( 1 ) 塑性理论 t o m i oi t o 等人提出了塑性变形理论后，逐步形成一套比较实用的设计计算方法。 其主导思想是：抗滑桩的设计不仅要保证全部桩作用下土体的稳定，而且还要保证每 根桩本身的稳定性。该理论的前提假设是随着滑动土体的位移增长，作用于桩上的侧 向土压力从零开始逐渐增大，直到桩周土体破坏达到极限值。假定土体已经滑动，滑 动面上的抗剪强度尚未降低，桩周土体为塑性体，桩为刚性材料，然后根据桩周土体 的塑性变形状态推导出作用于抗滑桩上的侧向土压力计算公式，从而用来研究排桩间 距、桩顶固定条件、桩在滑动面以上的长度、直径和刚度等因素对边坡稳定性的影响。 此外，t 0 m i oi t o 等人同时还把土体作为b i n 曲a m 型粘塑性材料，进而推导作用于桩 体上的侧向土压力，提出了塑性流动理论。但由于该理论中一个对计算结果影响很大 的重要参数一塑性粘滞系数难以精确估计，用该套理论计算的结果往往与实测值和试 验都不符，因此并没有形成具有实用价值的设计计算方法。塑性理论方法也被用于多 排桩的设计计算，此时假设每个桩排均远离相邻的排桩，从而忽略各摊桩之间的影响。 由于塑性理论的解都是极限解1 ，并且假定桩是刚性的，所以与实际情况并不相 符。实际上桩体变形对士压力的影响很大，在土体发生塑性破坏前桩往往已达到弯曲 破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 ( 2 ) 散体极限平衡理论 沈珠江于1 9 9 0 年提出了不仅考虑了土坡与桩的整体滑动计算，而且还包括了土 体绕桩滑动计算的散体极限平衡理论。基于这套理论建立的设计计算方法主要包括了 桩的绕流阻力计算、整体滑动验算、绕桩滑动验算以及桩的破坏验算。 极限设计的原则是假定参与工作的各部件都已达到极限应力状态，各自发挥了最 大的承载力，然后按安全系数对其折减。就抗滑桩来说极限状态应当是土坡恰好将要 下滑，桩刚好要折断或倾倒而桩间土又恰好要绕桩流动，因此上述的各步计算都是在 这种特定状态下进行的。 贵炳太学碗士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 1 3 2 4 抗滑桩的工程计算方法简介 目前，国内计算抗滑桩一般是将地基土视为弹性介质应用弹性地基梁的计算原 理，以捷克学者灿e r 提出的弹性地基的假说作为计算的理论基础。 由于对滑动面以上桩前滑体所产生的作用看法不同，因而桩的计算方法不同大体 上可归纳成以下三种： 1 悬臂桩法 将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑力或被动 土压力视为已知外力，并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在滑动面以上桩 身的设计荷载，然后根据滑动面以下岩土的地基系数计算锚固段的桩壁应力以及桩身 各截面的变位内力，桩的计算图式相当于锚固在滑动面以下的悬臂结构，故称为悬臂 桩设计法。此法出现早计算简单在实际中应用较多。 2 地基系数法 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为已知的设计荷载，然后根据滑动面上下 地层的地基系数把整根桩当作弹性地基上的梁来计算。因而对滑动面的存在及影响没 有考虑，这样做只有当求出的桩前土体弹性抗力小于或等于桩前土体实际具有的剩余 抗滑力时才可以，否则不合理，应改用换算地基系数重新计算直至桩前土体弹性抗力 等于或近似等于桩前土体实际剩余抗力为止。 p o u l o s 的研究结果表明：用这种方法计算时桩体最大弯矩理论值偏高，而桩头反 力的值却偏低。b a g i i e l i i l 于1 9 7 6 年也进行了类似的研究，发现土体水平位移的计算 值往往比实测值小得多，只有代入实测的土体位移值才可得到满意的结果，而这是相 当困难的，该方法的另一个局限是仅适用于单桩的情况。 根据对地基系数的假定条件不同又可分为k 法m 法和混合法三种。 1 ) k 法 认为地基系数k 为一常数，不随深度的增加而增加。该法适用于较完整的硬质岩 层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。 2 1 m 法 认为地基系数随深度的增加成比例增加，该法适合用于一般硬塑至半坚硬的砂、 粘土、碎石土和风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度的增加而增加的地层。 贵媳大学碗士学位论盘 锚索抗滑桩共同作用的_ 丁：程研究 3 1 混合法 认为地基系数随深度的增加而增加，但增加到一定深度后就不再增加，即采用m 法和k 法的混合计算。根据国外的文献资料来看，一般对侧向受力桩进行研究较多， 而对滑坡中抗滑桩的研究资料较少，一般把抗滑桩纳入侧向受力桩的范畴替j 。 3 有限元法 有限元法作为普适性较好、模型化能力强的数值方法，对于任何复杂程度的桩 土相互作用问题都是一个可行的途径，是一种以不变应万变的形式和途径都较为统一 且可编程性好的数值分析计算方法。 近年来随，着计算机技术的迅速发展，越来越多的人开始采用有限元法分析抗滑 桩的受力状态| 0 “舢，为桩的设计计算提供了一种新的途径。目前采用有限元分析的一 个总的特点是根据极限平衡状态求得滑坡推力，用有限元分析桩在此分布力作用下与 桩前土体的相互作用。 1 3 2 5 抗滑桩的设计计算研究现状 1 国外研究现状 抗滑桩作为治理滑坡的主要措施，许多学者对其计算方法进行了广泛深入地探 讨。抗滑桩在支挡滑坡的过程中主要承受侧向力，但它和一般建筑地基和桥梁桩基中 承受侧向力的桩性质完全不同，后者中桩基是直接承受荷载并主动向土中传递应力的 “主动桩”，而滑坡治理工程中的抗滑桩并不直接承受外荷载的作用，只是由于滑坡 在自重或其他外因的作用下发生变形或移动，而被动的承受坡体由于变形而产生的荷 载作用，所以，抗滑桩又被称为“被动桩”j 。 对于承受( 岩) 土体测向位移的被动桩，国外的研究多侧重于土坡变形作用到桩 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。 f r a n x ( 1 9 4 8 ) 、h e y m a n ( 1 9 6 1 ) 和w 缸z ( 1 9 7 3 ) 等均对承受土体侧向位移的桩给出了一 些定性的资料，反映了土体的位移与桩的破坏有着密切的关系；h e y m a l l ( 1 9 6 5 ) 、 n i c u ( 1 9 7 1 ) 、0 t e o ( 1 9 7 4 ) 等5 扎5 川根据试验量测结果描述了一些桩内力与相应的土体位 移之间的定量关系。对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计算，已提出了许多的方 法。 2 国内研究现状 与国外的研究不同，国内对于抗滑桩的计算的研究主要集中于加固岩土体边坡方 斑曲大学秧学位论变 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 面| 1 “。9 j ，尤其以加固大、中型破碎岩体滑坡为主。对于普通抗滑桩的计算，将滑坡推 力作为外荷载作用于抗滑桩上，桩与岩土体相互作用的力学计算模型一般采用线弹性 w i n u e r 地基梁模型。根据对桩前滑体的考虑方法不同，又分为悬臂桩法和地基系数 法。前者将桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体的剩余抗滑力或被动土压力视为已知外 力，然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段的桩壁应力以及桩身各截面的 变位、内力。此法出现较早，计算简单，在实际工程中应用较多。后者是将滑坡推力 作为已知的设计荷载，然后根据滑动面上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地 基上的粱来计算。我国工程设计计算中，一般认为作用于桩上的荷载为两抗滑桩中心 距之叫的滑体所产生的滑坡推力，滑坡推力的计算根据边坡的极限平衡稳定性分析方 法确定。人们通过工程实践和模型试验发现，在两抗滑桩之间的岩土体存在着成拱效 应，炳桩之间的滑坡推力可以通过土拱作用传递到两侧的抗滑桩上。因此，应用土拱 理沧来分析抗滑桩上的荷载也是一条值得探索的途径。 对于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，我国在这方面处于世界 的前列。总的来说，目前预应力锚索抗滑桩的计算方法可以分为两类，即不考虑锚索 与抗滑桩的协调变形和考虑锚索与抗滑桩的协调变形的方法。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。 在滑坡的整治工程中，抗滑桩已成为一种主要的工程措施，尤其是预应力锚索在 边坡工程中的成功应用，对抗滑桩的发展起到了极大的推动作用。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体的效应问题。抗滑桩与锚索的共同作用是否 同时达到了极限状态，还未见详细的报道。 1 3 3 预应力锚索的研究现状 预应力锚索是一种可承受拉力的结构系统，是通过对锚索施加张拉力以加固岩土 体使其达到稳定状态或改善内部应力状况的支挡结构。锚索是主要承受拉力的杆状构 件，它通过钻孔及注浆体将钢绞线固定于深层稳定地层中，在被加固体表面对钢绞线 张拉产生预应力，从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目的。 贵媳大学秘士学位论文 9 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 预应力锚索技术用于岩土工程在国外已有很长的历史，1 9 3 3 年阿尔及利亚首次将 锚索用于水电工程的坝体加固。2 0 世纪4 0 年代至7 0 年代，锚索技术得到迅速推广， 加固理论和设计方法逐步完善。在边坡加固工程中，预应力锚索技术因其主动支护、深 层控制、柔性可调等特点而获得广泛应用盼4 “删。由于锚索与岩体的共同作用，大大 改善了边坡岩体的稳定条件，并能直接改变滑面的应力状态和稳定条件。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始引进这项技术，1 9 6 4 年梅山水库使用锚索技术加固右 岸坝基获得成功。2 0 世纪7 0 年代开始，在我国的国防、水电、矿山、铁路等领域逐 步推广。2 0 世纪8 0 年代以来预应力锚索更是广泛应用于岩土工程中，铁道部第二勘 测设计i 皖1 9 8 8 年在四川阿坝州草坡水电厂马岭山隧洞滑坡整治工程中，采用预应力 锚索稳定滑休取得成功，另外对岩石预应力锚索技术研究和应用的科研成果获国家科 披进步= 等奖。进入2 0 世纪9 0 年代后，一方面因为预应力锚索理论研究的不断深入， 另1 方面国内预应力锚索技术所需的高强度低松弛钢绞线材料及施工机械的发展和 价格的降低，大大促进了预应力锚索技术的运用。1 9 9 2 年，福建梅剑铁路采用1 3 7 根预应力锚索加固处于临界平衡状态的开裂边坡，1 9 9 3 年，外福线绿水车站西溪右岸 采用预应力锚索整治滑坡，均取得了成功。由于预应力锚索具有施工机动灵活、消耗 材料少、施工快、造价低等特点，2 0 世纪9 0 年代中期，在南昆铁路工程建设中，广 泛应用于整治滑坡、加固顺层边坡、加固危岩，以及与抗滑桩相结合组成锚索桩等， 在加固软质岩路堑高边坡等工程中发挥了巨大的作用，锚索加固技术得到较大发展， 并迅速在全国山区铁路、公路路基支挡工程中推广应用。 1 4 论文研究的主要内容与技术路线 论文主要是针对目前存在的这些问题展开的，首先对抗滑桩与岩土体的相互作用 进行详细分析，然后提出抗滑桩的有限元力学计算模型，同时对抗滑桩和锚索的共同 作用进行模拟，通过a n s y s 软件对预应力锚索抗滑桩进行设计计算，从而得到各主 要因素对锚索桩加固效果的不同影响，从而对其效果进行分析，并对锚索和抗滑桩中 各参数变化对桩的水平位移、桩身内力的影响进行评价，为工程中抗滑桩的优化设计 以及得出较好的治理措施提供一定的理论基础。 根据上述研究思路，论文分六章论述，各章的主要内容为： 第一章绪论，主要概述了滑坡防治工程、预应力锚索抗滑桩的研究现状及进展， 1 0 赛跑大学硕士学短论交 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 提出了论文研究的目的和意义；第二章介绍了现在常用的滑坡推力的计算方法，特别 是利用有限元强度折减法分析锚索抗滑桩与周围岩土体的相互作用；第三章论述锚索 抗滑桩设计的数值模拟方法，主要是选取了本文数值模拟中具体的模拟单元类型；第 四章建立了有限元模型，对锚索抗滑桩的相互作用进行分析；第五章为论文的研究结 论与展望。 贵挑夫学碛士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 第二章滑坡推力计算及锚索抗滑桩与岩土体的相互作用 2 1 前言 在滑( 边) 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。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有限 ，i 似度折减法来计算支挡结构邓i ，既可以考虑支护结构与岩土介质共同作用的关 系，义l - j 。以l 。f 接钟出结构内力，因而具有很大的优越性和应用前景。本章首先介绍目 i 仃_ ；| j ：l _ ! f ；力计算的方法，其次介绍通过强度折减法来研究锚索抗滑桩与岩土体的相互 作川。 2 2 滑坡推力计算研究 2 2 1 简介 计算滑( 边) 坡在工程使用年限内各种荷载作用下不同部位，尤其是在设立抗滑 支挡工程建筑物部位的滑坡推力数值，为整治工程设计计算提供定量的依据，这是滑 坡推力计算的主要目的口”。在现有支挡结构工程的设计中，均将滑坡推力作为抗滑结 构上的外荷载，只要确定了此荷载，结构设计是很容易的。因此，滑坡推力计算是支 挡结构工程设计的重要内容之一。 2 2 2 不同滑面形状的滑坡推力计算 对滑坡推力的计算，当前国内外普遍采用的做法是利用极限平衡理论计算每延米 宽滑动断面的推力，同时假设断面两侧为内力而不计算侧向摩阻力。按滑移面形状大 致可归纳为单一滑面、圆弧滑面、折线型滑面三种 类型。 ( 1 ) 滑面为单一平面或可简化为单一平面者 如图2 1 所示，一般散体结构或破碎状结构的 坡体，或顺层岩坡的坡体，开挖后容易出现这种滑 图2 一l 滑面为单一平面的滑坡 1 2 费确大学硕士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 面。由于土中粘聚力c 较小，计算时可忽略，而用滑面上的综合内摩擦角妒值。 其稳定系数为 k o = t a n 妒，t a n 口( 2 1 ) 式中：妒一滑面岩土的综合内摩擦角； 口一滑面的倾角。 因此，滑体a b c 产生的推力 e 产c o s 卢( k _ 【a n 口t a n 妒)( 2 2 ) 叫t ：一滑体a b c 的自重力： 鬈一菠诫+ j i 需的安全系数。 ( 2 ) 晰为叫弧或可简化成圆弧者 如图2 2 ，这种滑面通常产生于有粘性土及含粘性土较多的堆积土组成的坡体地 段。一般具有两种类型，一是如图2 2 ( a ) 所示，滑动圆弧的圆心o 在斜坡a c 之间， 则在o o 垂线左侧的滑体对滑带 而言，滑带反倾的全部力为抗滑力 r 部分，在o o + 垂线右侧则有下 滑分力t 部分。另一种如图2 2 ( b ) 所示，滑动圆弧的圆心o 在斜坡 a c 之外。系无反倾部分的圆弧滑 面，没有相应的抗滑力r 部分。 两者各自的稳定系数为 i ) 其反倾部分的圈弧滑面 无反倾部分的麂弧滑面 图2 - 2 具篷弧形滑面的滑坡 跏坠等磐【中删】( 2 1 3 ) 式中： n 一作用于滑面上的法向力之和； t - 一作用于滑面上的滑动力之和； r - 一反倾抗滑部分的阻滑力之和： c 1 一沿滑面各段单位糙结力e 与滑面长l 乘积的阻力之和； p 一滑面岩土的内摩擦角。 贵她大学颈学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 为此，滑坡推力e 的计算式为e = k n t a n p - c l r ( 2 4 ) 式中：1 0 一设计所需的安全系数。 ( 3 ) 滑面由许多平面呈折线型连接而成或简化成折线型 如图2 3 所示，可将滑面划分为许多 段，一般每一折线为一段，在滑面为曲线时 则按等间距分段，以每段曲线之弦代表该段 滑面的倾斜。每段长为，与水平之交角为 甜，择段的驻力位w ，各段滑面岩土的抗 l 撕似f c ! ：为c 、妒，其稳定系数为 c o s 口t a j l + c z k n = j l y s i n 口 为此，该滑坡作用于a 点的设计计算推力e 为 n月 e = 置形s i l l 口一形c o s 口t a n 妒一d 】 ll 图2 3 滑面呈折线型的滑坡 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 对于滑带反倾、无下滑力的纯阻滑段，其矿s i n 口为负值，不需乘k 。至于推力 的倾角，有按平行于滑坡中较长的主滑带计算的，也有将各段的剩余下滑力均投影于 水平面上计算的。 以上三种针对不同滑面计算滑坡推力的计算公式中，虽然表达式略有不同，但经 分析不难发现它们的意义都一样，即所求推力均为滑体的下滑力增大k 倍后与抗滑力 的差。这种计算方法比较简单，对于滑面为单一平面的情况比较适用，而对其它滑面 形状则不大适用。首先，对于滑面为圆弧形的滑动，这种推力计算方法【如式( 2 4 ) 没有考虑条间力的影响，并且将抗滑力与下滑力进行简单的代数运算，由于滑面不同 位置的抗滑力和下滑力的作用方向不同，因此，这种代数运算没有明确的物理意义， 如果用力矩平衡的观点来解释所求推力的意义( 即按照瑞典圆弧法计算滑坡推力) ， 则这样求得的滑坡推力也只是表明滑体维持稳定需要抗滑结构在滑面处提供的抗滑 力，而不是作用于实际抗滑结构上的滑坡推力。其次，对于滑面形状为折线的滑动而 言，这种计算方法 如式( 2 6 ) 同样没有考虑条间力的作用，而所求的推力数值只是各 贵她大学碗士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 分条下滑力的简单叠加。 鉴于以上计算滑坡推力方法中的不足，现有的滑坡推力计算绝大多数均采用传递 系数法计算f 2 m 引，这种方法的原理基于铁路系统中常用的边坡稳定分析方法一传递 系数法。该方法计算方便，适用范围也较为广泛，因此在滑坡推力计算中得到了普遍 应用。由于传递系数法计算中假定条块间的作用力方向平行于上一条块的底面，这就 意味着该法对于滑体平动的情况较为适用，而对于有转动趋势的滑动或滑动较陡的情 况适用性较差，有时会使计算结果偏差较大1 2 9 i ，所以，传递系数法也有其适用范围。 2 2 3 传递系数法计算滑坡推力 对j _ 。螳倾角较缓、相互问变化不大的折线段组成的滑面，其滑坡推力的计算 j 求川汁竹力他的 递系数法，又称不平衡推力传递系数法。该方法是我国铁路与工 k 她等邴j 、j 在进行边坡稳定计算中经常使用的方 法。 在滑体中取第f 块土条，如图2 4 所示，假定 h 每分界面上推力的方向平行于上一土条的底滑 面。即就是假定第f 一1 块土条传来的推力毋。的方 向平行于第f 一1 块土条的底滑面，而第f 块土条传 图2 4 传递系数法图示 送给第f + 1 块土条的推力只平行于第f 块土条的底滑面。第f 块土条承受的各种作用力 示于图2 。4 中。将各作用力投影到底滑面上，其平衡方程为： p 椰t 崛协。s 叫警+ 啦坚她卜忉 式中：“2 c 。s “一) 一警s i n o “一q ) 为传递系数 ( 2 8 ) z ，一第f 块土条的高度； c ，纯一第f 块土条的抗剪强度指标 式( 2 7 ) 中，第l 项表示本土条的下滑力，第2 项表示土条的抗滑力，第3 项表 示上一土条传下来的不平衡下滑力的影响，k 为所需的安全系数。 如果最后一块求得的推力只刚好为零，则所设的置为所求的安全系数；如不为 1 5 贵炳大学硕士学位论文 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 零，则重新设定足值，直到计算结果满足只= 0 为止。 为了使计算更加简化，在工程单位常采用快捷的简化方法：即对每一块土条用下 式计算不平衡下滑力：不平衡下滑力= 下滑力k 一抗滑力 由此，式( 2 7 ) 可改写为： 只= k 眠s i n 口。+ q fc o s 口，) 一k ，。+ c o s 口，一“，f ，一q js i n 口j ) t a n 仍】+ 只- l 妒h ( 2 9 ) 而传递系数改为 y 。；c o s q 。一口) 一t a n 纯s i n 如。一口，) ( 2 一l o ) 求解足的条件仍是只= o 。由此可得出一个含k 的一次方程，故可以直接算出k 而 f i 川试钟，所的结果与莳述试算方法有时相差不大，但计算却简化了。要注意土条之 川小能爪受拉j ，当任何土条的推力只如果出现负值，则意味着只不再向下传递， 而在计算下一土条时，上一土条对其的推力取只一。= o 。 传递系数法能够计及土条界面上剪力的影响，具有适用而方便的优点，为广大工 程技术人员所乐于采用。但传递系数法中只的方向被硬性规定为与上分块土条的底滑 面平行，所以有时会出现矛盾，当口较大时，求出的抗剪安全系数可能小于l ；同时， 该法只考虑了力的平衡而没考虑力矩的平衡，这也存在不足。 2 2 4 分块极限平衡法计算滑坡推力 滑面倾角较陡且滑动时，滑体有明显的分块，各分块之间发生错动，此时采用分 块极限平衡法计算其滑坡推力较为合适。分块极限平衡法分析滑坡稳定性时，假定在 失稳时各分条之间发生错动，从而在分界面也达到极限剪切状态，这实际上己挖掘了 陔而上的潜力，求出的安全系数将为上限。如果不拟将分界面上的潜力挖掘过多，也 | 1 j 。以在这些界面上取较高的安全系数，下面的分析中将剪切状态的安全系数与滑面上 的安全系数视为相同，具体分析过程如下。 ( 一)各分条间的分界面垂直 当各分条块之间的分界面垂直时，各条块的受力见图2 5 所示，其中的各个u ， 和u 。均指孔隙水压力。 责州大学硬士学位论文 6 锚索抗滑桩共同作用的工程研究 图2 5 条块间分界面垂直时分块极限平衡法计算滑坡推力示意图 分j j | i 笫块的受力可知 = 警 耻华 热蜀= ( 一肇慨一n 警c o s 嵌。+ 如甜。) 式中 什暇川，噜s i n q + 譬般c o s 州 c 。= 譬( 知州小s 如口。 从第二块受力可知 如= 芝箬 l n 驴华 呸= f 一易十。一u ：s 缸口：+ 警c 。s ( 2 1 1 ) ( 2 一】2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 一