（岩土工程专业论文）预应力锚索抗滑桩计算理论及试验研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩基础上发展起来的一种新型主动抗滑支护结构， 近年来得到了广泛的应用，但其计算理论还不完善，至今还没有相关的规范对其计算方 法作出统一的规定。因此对预应力锚索抗滑桩开展理论和试验研究，具有重要的理论和 实际意义。本文结合交通部西部项目( 2 0 0 6 3 1 8 8 0 2 3 7 ) ，对预应力锚索抗滑桩的内力计算 方法和优化设计方法进行了研究，并通过室内模型试验对相关结论进行分析与验证，主 要结论和成果如下： ( 1 ) 进行了抗滑桩和锚索抗滑桩的室内模型试验，对锚索抗滑桩体系的加固机理进 行了分析和探讨；研究了抗滑桩和锚索抗滑桩在不同滑坡推力时，桩后滑坡推力和桩前 土体抗力的分布规律以及抗滑桩的受力特点。 ( 2 ) 针对深路堑高边坡中使用较多的多排预应力锚索抗滑桩，基于普通抗滑桩内力 计算的地基系数法原理，考虑桩身和多排锚索位移的变形协调，提出了多排预应力锚索 抗滑桩内力计算的有限差分解法，并用一个计算实例进行了验证。 ( 3 ) 针对目前单一参数法计算抗滑桩时桩顶位移、转角和桩身最大弯矩及位置不能 同时很好地符合实测值的缺点，引入推力桩的综合刚度原理和双参数法，提出了锚索抗 滑桩内力计算的综合刚度双参数法，并给出了具体的计算方法和过程；采用综合刚度双 参数法对模型试验中的锚索抗滑桩进行计算，结果表明计算值和实测值吻合较好，从而 验证了该方法的可靠性。 ( 4 ) 基于极限平衡原理，以单位长度锚索提供最大锚固力为优化目标，推导出了锚 索最优锚固角的计算公式，并考虑施工因素，给出了最优锚固角的范围值。考虑预应力 锚索与抗滑桩的变形协调，分析单排锚索在桩身受荷段任意位置时锚索拉力和抗滑桩内 力的变化规律，提出了根据桩身最大正弯矩和最大负弯矩( 绝对值) 之和最小来确定锚索 最优锚固位置的计算方法。 关键词：预应力锚索抗滑桩；有限差分法；综合刚度原理和双参数法；内力计算；室内 模型试验；优化设计 i i 预应力锚索抗滑桩汁算理论及试验研究 a b s t r a c t t h ea n t i s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r si san e wa c t i v ea n t i s l i d es u p p o r t i n gs t n l c t u r e w 1 1 i c hd e v e l o p so nt 1 1 eb 蕊so ft 1 1 eo r d i 彻r ) ，a n t i - s l i d ep i l e i nr e c e n ty e a r s ，t h ea i l t i s l i d ep i l e 晰mp r e s 仃e s s e da n c h o r sh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u ti t sc a l c u l a t i o nt h e o 巧i sn o tp e 疵c ta n d t h e r ea r en oc o r r e l a t i v es p e c i f i c a t i o n st om a k et h eu n i f i c a t i o nt oi t sc a l c u l a t i o nm e t h o dy e t s o “w i l lt a | k ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ea n t i s l i d ep i l e 诵t hp r e s t r e s s e da i l c h o r s b a s i n go nt h ew b s t e m p r o j e c to fc o m m 叽i c a t i o nm i n i s t 巧( 2 0 0 6 3 18 8 0 2 3 7 ) ，m i st h e s i sh a l ss t u d i e di n t e m a lf o r c e c a l c u l a t i o nm e t h o da i l do p t i m 啪d e s i g nm e t h o do ft h ea n t i s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r s ， a n dt _ h er e l a t e dc o n c l u s i o n sh a v eb e e na i l a l y s e da i l dv a l i d a t e db yt h el a b o r a t o r ym o d e lt e s t t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa 1 ea sf o l l o w s ： ( 1 ) l a b o r a t o r ym o d e l t e s t so fa n t i - s l i d ep i l ea 1 1 da n t i s l i d ep i l ew 汕p r e s t r e s s e da n c h o r s h a v eb e e na c c o m p l i s h e d ，a n dr e i n f o r c e m e mm e c h a i l i s mo fa n t i s l i d ep i l ew i t l lp r e s t r e s s e d 锄c h o r ss y s t 锄h a sb e e na i l a l y z e da n dd i s c u s s e d t k sp 印e rh a ss m d i e dt 1 1 ed i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t yo fl a n d s l i d et k u s ta n ds o i lr e s i s t a n c ei n 矗i o n to fa i l t i - s l i d ep i l ea s 、e ua ss t i e s s c h a r a c t e r i s t i co fa n t i s l i d ep i l ew h e nd i 虢r e n tl a n d s l i d et h r u s tf o r c ea c to na n t i - s l i d ep i l ea j l d 枷i - s l i d ep i l ew i mp r e s t r e s s e da n c h o r s ( 2 ) t h ea n t i s l i d ep i l ew i t l lm u l t i - r o wp r e s t r e s s e da n c h o r su s e sm a n yi nt h eh i g hs l o p e e n g i n e e r i n g b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft 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 di nc a l c u l a t i n gt h e i n t e m a lf o r c eo ft h eo r d i n a 巧a n t i s l i d i n gp i l e ，c o n s i d e r i n gt h ed e f o r m a t i o nc o n s i s t e n c e b e 觚e e nm u l t i r o wa u l c h o r i n gc a b l e sa n dp i l eb o d y ，t h ef i l l i t ed i 虢r e n c em e m o di sp r e s e n t e d t oc a l c u l a t ei t si n t e m a lf o r c ea n dac o m p u t a t i o ne x 锄p l ei sv a l i d a t e db yt h i sm e m o d ( 3 ) i nv i e wo fp r e s e n tc a l c u l a t i o no ft h ea n t i - s l i d ep i l eb ys i n g l e p a r a m e t e rm e t l l o d ，t h e d e n e c t i o na i l ds l o p ea tt h eg r o u n do ft h ep i l e ，m em a x i m 啪b e n d i n gm o m e n ta n di t sp o s i t i o n c a i ln o ta g r e ew e l lw i t ht h em e a s u r e dv a l u e ss i m u l t a n e o u s l y t h ep r i n c i p l eo fc o m p o s i t e s t i 丘h e s sa 1 1 db i p a p r a m e t e rm e m o dh a sb e e ni m r o d u c e dt oi n t e m a lf o r c ec a l c u l a t i o no ft l l e a n t i s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r s ，a n di th a sg i v e nt h es p e c i f i cc o m p u t a t i o n a lm e t h o d a j l dp r o c e s s t h ep r i n c i p l eo fc o m p o s i t es t i h h e s sa i l db i p a p r a m e t e rm e m o di s u s e dt o c a l c u l a t ea n t i s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r si nm o d e lt e s t ，a 1 1 dt h ec a l c u l a t i o nv a l u e sa r e f i tc l o s ew i t ht e s t i n gm e a s u r e dv a l u e s ，w h i c hv e r i f i e st h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d ( 4 ) b a s e do nt 1 1 el i m i t i n ge q u i l i b r i u mp r i n c i p l ea n dt a k i n gt h eu n i tl e n g t ha n c h o r p r o v i d e s t h eb i g g e s ta n c h o r a g ef o r c ea st h eo p t i m i z e dg o a l ， t h i s p a p e rh a sd e r i v e d c o m p u t a t i o nf o 肌u l ao ft h eo p t i m u ma n c h o ra i l g l e 肌dh a sp r o p o s e dt h es c o p eo fm eo p t i m a l i l i 硕l ：学位论文 a 1 1 c h o ra n g l ec o n s i d e r i n gc o n s t m c t i o nc o n d i t i o n c o n s i d e r i n gt l l ed e f o m a t i o nc o n s i s t e n c e b e t 、v e e np r e s t r e s s e da n c h o ra n da 1 1 t i s l i d ep i l e ，a n da l l a l y z i n gc h a j l g er e g u l a r i t yo fi n t e m a l f 1 0 r c eo fa n _ t i s l i d ep i l ea i l da 1 1 c h o rt e n s i l ef o r c ew h e ns i n g l e - r o wa i l c h o ri si nt h ep i l ea t 锄y p o s i t i o na b o v et l l el o a d - b e a r i n gs e g m e m ，t l i sp a p e rh a sp r o p o s e dc o m p u t a t i o nm e m o do ft h e o p t i m 啪a n c h o rp o s i t i o nw h i c hd e t e r i n i n e db yt h es 啪o ft h el a r g e s tp o s i t i v eb e n d i n g m o m e n ta 工1 dn e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t ( i t sa b s o l u t cv a l u e ) i sm i i l i m u m k e yw b r d s ：a n t i - s l i d ep i l ew i t hp r e s t r e s s e da j l c h o r s ；f i l l i t ed i 虢r e n c em e t h o d ；p r i n c i p l eo f c o m p o s i t e s t i 丘h e s sa n db i p a p r 2 u m e t e rm e t h o d ；i m e m a lf o r c ec a l c u l a t i o n ； l a b o r a t o 叫m o d e lt e s t ；o p t i m u md e s i g n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：彳百勇怎日期：沙。7 年歹月“日 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。本人授权湖南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保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 歹月6 日 夕月小g 日 硕士学毪论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 滑坡是山体沿其内部软弱带或软弱面做整体、缓慢、间歇滑动的不良地质现象。严 重者中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇，给人们造成巨大损失，因此防治滑坡 有着十分重要的意义。我国在工程建设中，曾经遇到了并防治了大量的滑坡，积累了相 当丰富的经验n 1 。预应力锚索抗滑桩是从2 0 世纪8 0 年代开始应用于防治滑坡的一种抗 滑支护结构，它与传统的抗滑桩相比，在桩项和桩身设置了预应力锚索，这相当予增加 了桩顶和桩身的约束，从而改善了抗滑桩悬臂的受力状态以及较容易控制桩的位移，进 面从根本上变抗滑桩的被动抗滑模式为主动抗滑模式；其力学模型可以等价于上端铰 支、下端近似简支的梁式结构或其它超静定结构，这样使得桩身的内力显著减小，从而 减小了桩的截面尺寸、锚固深度萋器钢筋的用量，增大了桩的间距，进面降低了滑坡治理 的造价。因此，近二十几年来预应力锚索抗滑桩在铁路、公路及厂房建设中遇到的高填、 深挖或深基坑治理、滑坡整治中得至l l 了广泛的应用。 由于预应力锚索抗滑桩在工程中的大量应用，对其计算理论的研究也较为活跃，但 其内力计算的方法仍未成熟，还没有一种既合理又简单适用的方法得到人们的公认；至 今尚没有相关的规范对其计算方法作出统一的规定，各设计单位一般按照各自的计算方 法并根据工程经验进行设计。鉴于预应力锚索抗滑桩在工程中的大量应用，加强对其计 算理论和试验的研究，有动予完善其设计计算理论，为制定相应的规范规程提供依据， 并促使其在建筑工程、铁道工程、水利水电和矿山工程中推广使用，具有重要的理论和 实际意义。鉴于此，本文结合交通部西部项目贵髑由区浅变质岩系风化层路基边坡稳 定性研究( 课题编号：2 0 0 6 3 1 8 8 0 2 3 7 ) ，在前人研究成果的基础上，对预应力锚索抗滑 桩的内力计算理论和优化设计方法及其室内模型试验进行研究。 1 2 抗滑桩的研究现状 抗滑桩是防治滑坡的一种工程建筑物，设于滑坡的适当部位，一般完全埋置在地面 下，有时也可露出地面。但无论前者还是后者，桩的下段均必须埋置在滑动面以下稳定 。地层一定深度瓢。匡终从2 0 世纪4 0 年代起就逐渐采用抗滑桩来整治滑坡。1 9 “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；1 9 6 7 年美 国暖金由由于铁路隧道的上部开挖公路导致由体滑动，后经在隧道两侧设根钢筋混 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。 国内采用抗滑楗来治理滑坡始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 4 年宝成铁路史家坝4 号隧道北霞 预应力销索抗滑梳计箨理论及试验研究 左侧灰岩边坡产生顺层坍塌，采蔫钢筋混凝土榫桩治理( 只考虑抗剪作用) ；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 切实可行的新手段疆1 。 国外关于横向受荷桩的研究较多 6 1 3 1 ，国内对推力桩和桥梁桩基等横向受荷桩进行 了研究狂弗1 。横向受荷桩是指承受横向力和力矩作用的桩，抗滑桩是横向受荷桩的一种特 定形式，横向受荷桩的计算原理仍适用于抗滑桩的计算。 2 0 世纪3 0 年代前苏联的安盖尔斯基提出一种横向受荷摭的计算方法，认为在桩的 挠度曲线的第一零点以下地基系数是常数而在第一零点以上地基系数沿深度直线增长， 但土的抗力集度按二次抛物线分布，该方法假定在第一零点以上桩的霹l 度为无穷大，与 实际情况明显不符。m a t l o c kh 和r e e s elc 1 ( 1 9 6 0 年) 提出选择土抗力模数与深度的 关系式应尽可能简单，建议了幂函数式和多项式两零申土抗力模数与深度的基本关系式， 采用有限差分法借助计算机编程求解桩身弹性曲线微分方程，并采取无量纲方式表示其 解。p o u l o shg n 0 1 ( 1 9 7 1 年) 提出了将土视为弹性连续体，采用土的杨氏弹性模量和泊松 比，用弹性理论的方法计算，而不是采用地基系数的方法计算，这种方法中土的弹性模 量和泊松比很难确定，因此没有得到广泛的应用。m a t l o c kh n 门( 1 9 7 0 年) 提出了根据土 的实际情况确定软粘中桩侧土抗力与桩身侧移之闻菲线性关系的y 蓝线法；随后 r e e s elc 等人n 列( 1 9 7 4 年) 对砂土中的桩进行了侧向荷载试验和分析，提出了对砂土地 基中桩侧土抗力与桩身侧移之间非线性关系的矿y 曲线法；后来( 1 9 7 5 年) 美国石油协会 将m a t l o c kh 和r e e s elc 等人的研究成果纳入“固定式海上采油平台设计施工技术规 范”( a p l 一薹2 a ，第6 舨) 。 与国外对横向受荷桩的研究较多相比，国内对抗滑桩的研究较多。前面提到抗滑桩 的计算仍可采用横向受荷桩的计算原理，但应注意抗滑桩与横向受荷桩存在两个根本不 闻的地方：一是滑动面以上桩前地层的抗力受到自身稳定性的限制：二是只要桩和逾基 不破坏，容许“大位移 。根据抗滑桩的这两个不同于横向受荷桩的特点，抗滑桩的计 算也有它自身的特点。 目前抗滑桩的计算方法主要有：悬臂桩法和地基系数法n 1 。悬臂桩法是将桩身所承 受的滑坡推力和桩前滑体的剩余抗澡力或被动土压力视为己知外力并假定两力其分布 规律，然后根据滑动面以下岩土的地基系数计算锚固段的桩侧应力以及桩身各截面的变 形、内力，此法出现较早，计算简单，在实际工作中应用较多；丽地基系数法是将滑动 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梁来计算。地基系数法根据对地基系数的不同假定又分为 线弹性地基系数法和非线性地基系数法。线弹性地基系数法如目前我豳现行桩基技术规 范n 4 3 和路基、港工及桥梁桩基技术规范n 印中纳入的必法和聊法；非线性地基系数法如陕 嚣省交逶科学研究所1 9 7 霹年提出的e 法和吴恒力提出的计算接力桩的综合霹l 度藏理和双 硕士学位论文 参数法豫铷。另外，地基系数法根据对桩弹性挠曲微分方程求解的方法不同又可分力幂 级数解法、有限差分法和有限单元法。文献 1 中介绍的抗滑桩计算的“删”法、“k 法、“搬 法、“嬲一肌 法和“弘k 法均为线弹性地基系数法的幂级数解法，这种方 法需按文献【1 】提供的计算表格查表来计算，因此受到表中系数截断误差影响，常使计算 结果存在一定的误差。戴自航和彭振斌n 6 1 9 1 提出了抗滑桩内力计算“册 法、“k 法和 “掰法的有限差分解法，编写了计算和图形处理程序，与传统的查表法相比该法隧 获得较高精度的数值解，但如果滑坡推力和桩前滑体抗力的分布形式选取不正确，对抗 滑桩内力的计算影响较大。李克才和池淑兰啪1 用三维j 线性有限元方法对戒昆线狮子山 2 号破坏试桩进行了分析，分析结果表明桩身内力和变位计算与实测吻合较好，说明用 此方法进行分柝是可行的，但三维菲线性有限元的计算结果受土体参数的影响很大，难 以在工程广泛应用。张友良等强l 2 羽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、复杂地层条件和复杂 的荷载条件给计算得带来的困难，并且能够考虑抗滑桩和桩周土体的相互作用和变形。 郑颖人船鲫采用有限元强度折减法，通过桩一土共同作用有限元模型计算得到了抗滑桩的 弯矩翻剪力，与传统方法进行了院较，表明该方法是可彳亍的，并提龌在实际工程中同时 采用传统极限平衡方法和有限元法来进行分析可以增加设计的可靠性。 1 3 预应力锚索抗滑桩的研究现状 1 3 董计算理论的研究现状 预应力锚索抗滑桩的结构计算一般包括两部分：锚索拉力的计算和抗滑桩桩身内力 的计算。其中锚索拉力的计算主要指锚索预应力和承载力的计算：褥抗滑桩的计算则主 要指在锚索拉力、滑坡推力和桩前滑体抗力作用下桩身内力和变形的计算汹1 。 l 。3 1 1 锚索拉力计算的磺究现状 在预应力锚索抗滑桩的结构设计计算中，锚索预应力的取值对抗滑桩的内力计算影 响较大，誉翦关于锚索拉力和预应力僮的确定方法，大致有以下几种方法： 第一种方法，前苏联学者j i k 金布格和b h 依申柯晗刚对锚杆抗滑桩组合结构的计算 方法进行了研究，提出了用控制桩顶水平位移的方法计算锚杆的拉力死认为桩顶的位 移应该控制在0 0 1 所( 所为桩长) 以内，当周边建筑物对抗滑桩的变形较敏感时，则应控 制在o 0 0 5 厮以内，而锚索的预应力一般按锚索设计拉力的6 0 8 0 考虑。该方法考虑 了桩与桩周岩土体的共同作用及桩的变形，但把桩顶变形作为已知条件，忽略了锚杆的 变形与桩的共同作用和桩前滑体抗力的影响。 第二种方法，王化卿等拉7 1 根据作用在每根桩上的滑坡推力和桩前滑蔷以上岩抗 力，计算出抗滑桩埋入滑床顶面处的剪力q o 以此来确定锚索设计拉力乃一般情况取锚 索设计拉力为( 1 疙q 7 ) 绕比较合理。该方法将镭索看戒是铰性支点，没有考虑锚索的变 预应力舔索抗滑檐计算理论及试验研究 形；且认为滑坡推力为近似矩形分布，没有考虑滑坡推力可能出现的其他分毒形式，有 所欠缺。 第三种方法，羽景贵和范草原8 3 根据桩受到的滑坡推力( 根据计算出来的滑坡推力 取适当的分布形式) 和锚索张拉力进行静力计算，假定在抗滑桩在滑动面处的弯矩为零， 内此计算出锚索张拉力丁。该方法并未考虑锚索和桩的变形协调，认为锚索的挝力就是 所施加的张拉力，事实上锚索拉力在滑坡推力的作用下是变化的，因此这种方法在理论 上显的不足。 第圈种方法，邹兴普鼬3 将锚索按弹性支痤考虑，滑坡推力按三焦形和矩形分布考虑， 根据作用于桩上的滑坡推力及锚索拉力使得桩正负弯矩大致相等的条件求解锚索总拉 力；再校据锚索与桩的变形协调原理求出摭与锚索协调变形完成蜃每根锚索的拉力麓， 则每根锚索所需施加的预应力为肛m 。该方法在确定锚索总拉力时由于其计算模型上的 不足，未考虑预应力施加时桩后岩体的作翊，而使德预应力值的计算不够准确。 第五种方法，刘小丽等口。1 考虑了预应力锚索抗滑桩在工作期间承受滑坡推力的变 化，提出将锚索、桩及桩锚固段周围岩土作为一个整体根据长期作用荷载来进行锚索预 应力值计算的方法，对于短期作用的最危险荷载则在锚索与桩的承载力设计中予以考 虑。 1 3 1 2 预应力锚索抗滑桩内力计算的研究现状 目前关于预威力锚索抗滑桩的内力计算根据是否考虑锚索与桩的变形协调可分为 两种：第种计算方法，直接将锚索拉力与滑坡推力作为荷载施加在桩上，滑动面以上 按静力结构计算，滑面以下按w i n k l e r 弹性地基梁计算，该方法与普通抗滑桩计算的悬臂 桩法相比只是增加了锚索拉力作为巴知荷载作用在抗滑桩上，认为锚索拉力就是麓加的 预应力，因此这种方法计算较简单，但是未考虑锚索与桩的变形协调；第二种计算方法， 将锚索拉力、滑坡推力和桩翦滑体抗力 乍为荷载作用在抗滑穰上，根据锚索与檄昀协调 变形原理确定锚索拉力，按照地基系数法计算桩身内力，因此锚索拉力在工作过程中是 变化的，即考虑了预应力施加后由于滑坡推力作用孳| 起的锚索内力的改变，这种方法理 论上较第一种方法合理。 田景贵和范革原瑚1 假定土体对桩身的作用力是线弹性的，滑坡推力按均匀分布，预 应力为一集中荷载，桩、锚索及土体在张拉及整个工作阶段是线弹性的，滑动面是确定 的，按照平面应变问题进行桩、锚索的设计计算，该方法未考虑锚索和桩的变形协调。 余振锡瓣琏假定预应力锚索抗滑桩的受力模式为顶端铰支，下端弹性隧结的篱支梁式结 构，此法假定的锚索与桩的连接简支，未考虑锚索的弹性伸长，与实际受力情况不符。 文| j 英朴等孙2 3 视锚索和抗滑桩为一个支挡结构系统，将抗滑桩看成是弹性地基梁，荠将锚 索作为集中力加在抗滑桩上，应用初参数法建立了计算锚索抗滑桩弯矩、剪力、挠度和 转角的初参数公式。周德培和王建松口3 3 将桩、锚固段桩周岩、锩索 乍为一个整体，视 硬士学位论_ 艾 为超静定结构，桩篱化炎横向变形受约束的弹性地基梁，投据位移变形协调原理，按照 地基系数法确定锚索拉力及桩身内力。刘小丽、张占民和周德培口们假定桩与锚索为弹性 结构，地基按线弹性w i n k e f 地基模型，针对现有预应力锚索抗滑桩计算存在的问题， 提出了根据预应力锚索抗滑桩的实际施工过程和受力条件分两阶段计算的改进计算方 法。陈占汹1 采用分段计算法和地基系数法，根据悬臂梁挠曲变形理论和弹性地基梁理论， 计算预应力锚索桩锚索与桩变形协调时桩的变形与内力，以控制桩的变形及改善桩身内 力分布来计算桩径、锚索预应力及锚索长度。戴自航等啪1 基于普通抗滑桩内力计算的地 基系数法，提出了计算预应力锚固抗滑摭全桩内力和位移的有限差分法，该方法的内力 分析分两种极端的工况来考虑，实际结构设计中考虑二者中受力最不利的情况。魏宁等 口7 1 根据杆件有限元理论和w i n 鲑娃假设建立了预应力锚索抗滑桩数学模型并计算了预应 力锚索抗滑桩的内力和位移，该方法可考虑滑坡推力和桩前滑体抗力按曲线分布的情 况。曾德荣、范草原和曹晓川嘲3 在带有多根预应力锚索柔性桩的设计计算方法中引入了 斜拉桥设计计算中的初张和调索的新概念，通过调整锚索拉力，实现桩身正负弯矩绝对 值相近，改善桩身的受力，充分发挥桩身中对称配置钢筋的作用。 1 3 2 试验研究的现状 为了深入探索预应力锚索抗滑桩在滑坡推力作用下桩身的受力规律、锚索的张拉力 与滑坡推力的关系、对比预应力锚索抗滑桩与普通抗滑桩的桩身受力分布及桩顶位移的 情况；认识预威力锚索抗滑桩的合理性和优越性；测试锚索拉力和滑坡推力及观测滑体 的发生和发展。为此，豳内外的学者进行了大量的试验研究。预应力锚索抗滑桩的试验 研究一般包括室内模型试验研究和现场试验研究。室内模型试验是根据相似理论而进行 设计躬在实验室进行的缩尺试验，一般要求模型满足几何楣似、物理相似、应力相似和 荷载相似，由于是缩尺的相似试验必然存在尺寸效应，因此与实际情况还是有差别；现 场试验研究一般指在施工现场进行的加载试验和原型试验，这种试验的投资大，试验周 期长，加载设备复杂，但它能够很好的反映预应力锚索抗滑桩的实际受力情况。不管是 室内模型试验还是现场试验研究，测量抗滑桩的倾角及变形、土压力和桩身的应力的测 试元件和仪器基本上差不多。例如，采用自动调压稳压装置的电动油泵加载来模拟滑坡 推力；采用倾角仪、激光仪和百分表测量桩的倾角和变形；采用电阻式、钢弦式和差动 式的钢筋应力计测量钢筋的应力；采用钢弦式和电阻应变式的压力盒测量滑坡推力和 桩前滑体的抗力等等。 曾德荣和李霖嘲遴过室内模型试验和现场监测研究，褥出：预赢力的施加改变了桩 身的受拉方向，由悬臂桩的外侧受压改变为锚索抗滑桩的外侧受拉；预应力锚索改变了 抗滑桩的力学模型，使抗滑桩由悬臂变成了弹性简支，或一端弹性支承另一端固定的结 构；锚索预应力的施加，对土体产生了“主动”的反压力，改变了土压力的分布规律， 由悬臂桩的三角形分布改变为近似的梯形分布；由于锚索中的预应力使桩前一部分土体 预应力镪索抗滑桩计算理论及试验研究 受压，形成受压区，该区卷体的e 、爹值增大，这对于边坡的稳定是有利的。曾云华， 郑明新h 们通过室内预应力锚索抗滑桩的模型试验，得出滑坡推力对抗滑桩的作用大致呈 矩形分布，桩前滑体抗力较小，可作为安全储备来考虑；锚索的预应力作用，使桩前的 一部分土体受压，该受压区的c ，妒值增大，从而增大了抗滑力。周德培和邱租华h ”对 南昆铁路酉威段一软岩高边坡工程中采用的预应力械进行了现场测试，分析表明：桩后 土压力分布与软岩岩性及其力学指标有关；加锚索后改善了桩的内力，特别是锚固段内 力大大减小；应考虑锚索在桩上的布置，使之达到最佳位置。张玉芳、李奇平和张治平 秘锯对深堋市黄贝岭滑坡治理工程的预应力锚索桩进行了长期的现场监测，由测试结果分 析得出：锚索拉力随时间的变化可分为三个阶段，即锚索预应力迅速减小阶段、锚索预应 力缓慢变化阶段和锚索预疲力的稳定阶段，锚索预应力缓慢变化阶段中锚索预应力的增 大或减小取决于预应力长期损失和滑坡推力之间作用的结果。谢庆华h 对广西某二级公 路滑坡处置中采用的预应力锚索抗滑桩进行了现场的测试研究，得到预应力锚索抗滑桩 体系的受力特点：桩身应力与桩深的关系，在临路侧大致呈抛物线形式，表现为受压区， 丽在背路侧桩身应力都是先增后减；桩身应力随时间的增加有先增加后减少，最后趋于 平缓的趋势。 1 3 3 预应力锚索抗滑桩优化设计的研究现状 我困用于滑坡整治的抗滑桩数目是巨大的，在近二十几年来预应力锚索抗滑桩在工 程中大量的应用并有取代普通抗滑桩的趋势，由于抗滑桩和预应力锚索耗费材料多，造 价高，因此对预威力锚索抗滑桩的优化设计进行研究，充分发挥其在滑坡治理中的抗滑 能力，以达到设计更经济、更合理和降低工程造价的目的，具有重要意义。预应力锚索 抗滑桩的优化设计主要包括：抗滑桩截面尺寸和锚圈深度的优化；抗滑桩桩间距的优纯； 锚索排数的优化；锚索锚固角度的优化；锚索预应力大小的优化；锚索位置的优化等。 匿前对于普通抗滑桩的优化设计研究较多，僵对预应力锚索抗滑桩的优化设计研究 还不是很多。预应力锚索抗滑桩的优化设计与普通抗滑桩的优化设计相比，增加了对预 应力锚索相应参数的优化。由于臣前预应力锚索抗涝桩的设计计算主要是考虑预应力锚 索与抗滑桩的变形协调来计算锚索拉力和抗滑桩的内力，所以有必要对预应力锚索和抗 滑桩进行整体优化设计。 郑柬宁等融躬采用数学规划方法中的直接最优化方法复合形法，对已知荷载或内力的 抗滑桩，考虑抗滑桩的截面宽度、截面高度和纵向受拉钢筋截面积三个参数的优化，以 结构成本为目标函数进行满足工程使用要求的有约束最优化设计；邹广电和陈生水嘲 将抗滑桩整体设计方法归结为一个特殊的优化数值模型，并应用非数值行算法中的模拟 退火算法来求解，将滑坡作为整体阅题考虑和对抗滑桩桩距进行了合理的优化；张洁、 尚岳全和吕庆h 们考虑抗滑桩设计中参数的模糊性，根据相关规范在抗滑桩普通优化模型 基础上建立了抗滑桩实用模糊优化模型，给出了求熊该模糨优化模型的计算方法；肖武 硕士学位论文 权和阮波h 刀采用多目标决策模糊集理论和层次分析法优选抗滑桩整治滑坡方案，采用动 态规划法对锚点位置、抗滑桩截面尺寸和配筋进行优化计算；刘新荣等m 1 在对抗滑桩的 工作机理进行分析的基础上，讨论了影响抗滑桩经济性的主要因素，以抗滑桩的截面宽、 高和长度为基本要素，建立了抗滑桩优化设计的数学模型，并采用遗传算法进行求解； 秦四清，高伶琴h 钔针对一道锚杆自由端和固定端设计，建立了锚点位置优选模型、锚杆 桩优化设计模型，以总体造价为目标函数，采用拉格朗日松驰变量复形藕合新算法进 行求解；石玉玲、李貅和李凯玲咖1 根据锚索抗滑桩的计算公式，以抗滑桩最大正弯矩和 最大负弯矩的差值为目标函数，采用迭代的算法求出最优锚固角度和最优锚索位置：王 引生等哺在对各种抗滑桩支挡结构的适用条件进行系统研究的基础上，采用有限元方法 对预应力锚索抗滑桩进行结构优化，其中包括对锚索的位置和锚索排数的优化，优化结 果表明多排预应力锚索抗滑桩更适用于治理大型厚层滑坡；洪滨啼2 3 按平面应变问题建立 了锚索抗滑桩的有限元数值模型，对边坡开挖前和开挖后的稳定性进行了分析，并对锚 索抗滑桩的结构类型和锚固力两方面进行了优化设计。 1 4 本文的主要研究内容 根据研究的背景、目的和意义，总结现有预应力锚索抗滑桩的研究成果，发现预应 力锚索抗滑桩结构在工程应用和理论计算中存在着以下一些问题：到目前为止预应力 锚索抗滑桩的模型试验研究和现场测试研究的成果还较少，因此加强对这方面的研究有 助于探索预应力锚索抗滑桩在滑坡推力作用下抗滑桩的受力分布规律、锚索拉力的变化 规律和桩前滑体抗力与桩后滑坡推力的分布规律，弄清楚抗滑桩、锚索和桩周岩土体之 间的相互作用关系，认识预应力锚索抗滑桩的加固机理，并用于指导工程的设计和施工 工作，具有重要意义。预应力锚索抗滑桩是否充分发挥了其抗滑能力，如锚索的锚固 角度是否合理( 直接影响到锚索的长度) ，施加的锚索预应力大小是否使抗滑桩的受力状 况最为合理( 桩身的弯矩和剪力都比较小) 、锚索的位置是否合理( 直接影响到抗滑桩的 内力和锚索预应力) 、抗滑桩的锚固深度是否经济等等；多排预应力锚索抗滑桩在我 国还应用不多，主要应用于加固高边坡工程，其受力变形规律还不很清楚，多排锚索与 桩的协调变形存在较多假设，对此结构的设计和施工在理论和概念上都存在不同的学术 观点。 针对以上所提到的问题，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 室内模型试验研究。进行锚索抗滑桩和抗滑桩的室内模型试验，研究抗滑桩在 不同的滑坡推力作用下，桩后滑坡推力和桩前滑体抗力的分布形式与大小以及抗滑桩的 受力分布规律和锚索受力情况的变化，对锚索抗滑桩和抗滑桩的加固机理和加固效果进 行对比分析探讨。 ( 2 ) 预应力锚索抗滑桩计算理论的研究。对深路堑高边坡中使用较多的多排预应力 锚索抗滑桩内力计算的有限差分解法进行研究：基于计算推力桩的综合刚度原理和双参 预虑力锚索抗滑机计算理论及试验研究 数法，对锚索抗滑桩内力计算方法进行研究。 ( 3 ) 预应力锚索抗滑桩优化设计。基于极限平衡原理的解析分析，以单位长度锚索 提供最大锚固力为最优的目标函数，对锚索的锚固角进行优化设计研究；考虑预应力锚 索与抗滑桩的变形协调，分析计算单排锚索在桩身受荷段任意位置时锚索拉力和抗滑桩 内力的变化规律，并根据抗滑桩桩身最大正弯矩和最大负弯矩( 绝对值) 之和最小来确定 锚索的最优锚固位置。 碗学位论史 第2 章锚索抗滑桩室内模型试验研究 2 1 概述 尽管锚索抗滑桩在工程中得到了大量应用但其设计理论大多基于经验或半经验性 的计算方法，或是在经验与工程类比的基础卜进行设计。为了进步认识锚索抗滑桩的 加固机理，指导锚索抗滑桩在工程中的应用，为锚索抗惜桩设计计算提供参考和依据， 自行设计并完成了普通抗滑桩和锚索抗滑桩的室内模型试验，井将两者的结果进行对比 分析，得出一些有意义的结论。 本文室内模型试验研究的主要内容有： ( 1 ) 对比锚索抗滑桩和普通抗滑桩在相j 州条件下桩身受力分布规律、桩顶位移情况 和滑体的发生及发展，认识锚索抗滑桩受力的合理性、优越性； ( 2 ) 探索锚索抗滑桩在不同滑坡推力( 通过边坡顶部不同堆载束实现) 作用下桩身 弯矩分布规律、桩后滑坡推力和桩前滑体抗力的分布形式和大小以及锚索拉力和滑坡推 力的关系； ( 3 ) 研究锚索拉力改变时，抗滑桩内力的变化情况和桩顶位移的改变。 2 2 锚索抗滑桩室内模型试验 2 2 1 锚索抗滑桩室内模型设计 为了模拟滑坡的实际情况，根据初步拟定的试验规模及可能的边界影响效应，建造 了如图2 1 所示的滑坡试验槽( 图上的尺寸为净空尺、r ) 。试验槽的一侧为砖砌挡墙，另 一侧为透明有机玻璃，两侧的约束对滑体施加侧向的围压以模拟滑体产生的水平侧向 力，同时在透明有机玻璃的这一侧观察滑体的发展和变化情况。在透明有机玻璃的内侧 涂润滑油，在砖砌挡墙的内侧铺一层塑料薄膜，以减小试验槽两侧与土体之间的摩擦。 a ) 实际滑坡试验槽b ) 滑坡试验槽净空尺寸 图2l 滑坡试验槽示意图 预赢力镶索抗淆耱计算理论及试验研究 试验槽中土体滑坡的断瑟图如图2 。2 掰示，采用水泥土来模拟滑床，该类土称为l 雾 土；采用人工筛选、除去大颗粒的带粘粒砂性土模拟滑体，该类土称为2 群土；采用5c m 厚的淤泥夹层来模拟滑动面，该类土称为3 姑土。经计算可得l 嚣土、2 撑土和3 撑土的体积 分别为4 4 1 3m 3 、o 6m 3 和o 0 8 7m 3 。 夸| | 戆预赛管道 l ! ：旦上壁：! 叫叩5 l ! ：q j ! ：q 。一 单位：m r - 一一_ 叶卜- - 卜o p 一- 十叫_ 叶_ 一 “叫。一r 4l 二l 图2 2 主体滑坡试验断面图 根据滑坡试验槽中土体滑坡的尺寸和拟定采用试验土体的相关土力学参数，按照 s h o p 法搜索得到最危险滑动面。根据确定好的滑动面在试验槽的内侧边墙刻滋出滑动 面的位置，以此作为土体填埋的依据。 2 2 2 试验构件材料和相关参数量测 2 2 2 1 试验土体相关参数量测 1 滑床土的选择及相关参数的量测 抗滑桩一般锚固在岩层或硬土层中，而水泥土与岩层和硬土层的物理力学性质较为 接近，因此采用水泥土来模拟滑床。为此我们进行了水泥土的室内配合比试验，透过试 验测定了在不同水泥掺入比口w ( 4 ，6 ，8 ，1 0 ) 的情况下水泥土的物理力学性质， 由此确定焉于模拟滑床的水泥土的配合吃。 ( 1 ) 土样制备。将粘性砂土进行烘干、碾碎和通过2m m 5m m 筛子，得到粉状的 土料备用。 ( 2 ) 试件的制作和养护。按照试验计划，选用圆柱形的试模，根据试验配方分别 称量土、水泥、水，制作了水泥掺入比为4 、6 、8 和l o 的圆柱形试件各4 个( 其 中3 个用于无侧限抗压强度试验，1 个用于劈裂抗拉强度试验) 以及素土圆柱形试件4 个。将水泥土试件( 共1 6 个) 放在标准养护室内架上养护7 天，标准养护室的温度为 ( 2 0 圭3 ) ，相对湿度大予9 0 。制作并养护好的试件如图2 。3 ( 神新示。 ( 3 ) 无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。采用材料试验机，对2 0 个试件分 五组进行了无侧限抗压强度试验和劈裂抗摭强度试验，试验过程及试件破坏模式分别 ，；ll。 如图2 3 和图24 所示。 a ) 加载过程中吣试件破坏 图24 劈裂抗拉强度试验 ( 4 ) 试验结果。水泥土的强度随着龄期的增长而提高但当龄期超过3 个月后， 水泥上的强度增长减缓，因此选用3 个t l j 龄期的水泥士强度作为其标准强度较为适宜。 山于本试验只测试了7 天龄期的水泥十无侧限抗址强度，但根据经验公式4 ： 预鹿力锈索抗滑桩汁算理论及试验研究 厶；，无2 = 嘿7 夏) n 躬3 2 式中：厶。一龄期为t l 的无侧限抗压强度( m p a ) ； 五：龄期为砭的无侧限抗压强度( m p a