（岩土工程专业论文）预应力锚索抗滑桩内力分析试验研究与数值模拟.pdf

摘要 预应力锚索抗滑桩是近年来在滑坡工程治理中广泛采用的一种新型支挡结 构，但其设计理论和规范都还不太完善，本文通过对预应力锚索抗滑桩的施工监 测，展开对预应力锚索抗滑桩的现场试验研究，总结现有锚索抗滑桩的内力计算 方法，并结合u n s y s 软件对该实际工程进行了施工开挖过程中边坡岩土体的变形 和预应力锚索抗滑桩的内力计算 论文首先对边坡的稳定性分析方法和滑坡推力计算方法进行研究，对于边坡 稳定性分析，可以从定性和定量两个方面出发来评价和计算边坡的稳定性，其中 定量分析中又以极限平衡分析法为主要方法，针对不同的滑动形式采用不同的分 析方法在滑坡推力计算中，对不同的滑动面形式选用不同的滑坡推力计算方法， 提出了滑坡推力计算原则，即对于不同的滑动形式，原则上滑坡推力计算应该与 其稳定性分析方法保持一致，这样计算的滑坡推力和相应的稳定系数才能对应， 得出了滑坡推力在抗滑桩上的合理分布形式；文章接着对现有预应力锚索抗滑桩 的设计原则、设计步骤和设计方法进行了总结，包括现有预应力锚索抗滑桩的内 力计算方法，并分析了现有设计中的一些不合理之处，重点讨论了预应力锚索抗 滑桩在施工过程中有锚索和预应力的施加过程，故需要进行施工过程中的内力计 算，需做动态设计，提出了动态设计的几个阶段。在介绍了边坡稳定性分析方法 和滑坡推力计算以及预应力锚索抗滑桩的设计计算后，文章结合贵州茅台酒厂有 限责任公司“十五”期建设工程( - - 期) 进厂道路工程设计k o + 4 3 0 k o + 6 4 0 段 左侧直立超高边坡支挡工程，进行了施工过程中的动态监测，通过对预应力锚索 抗滑桩桩身应力和锚索张力的监测，对抗滑桩的内力、锚索预应力进行了现场试 验研究，提出了防止和减少锚索预应力损失的办法；最后文章仍然选用了该工程 实例，建立a n s y s 有限元模型，对该边坡施工开挖过程中岩土体的变形和预应力 锚索抗滑桩的内力进行有限元计算，得出了计算结果，并与实测值进行比较，得 出了预应力锚索抗滑桩的内力计算方法。 关键词：滑坡预应力锚索抗滑桩现场测试内力计算动态设计 基金项目：贵州省教育厅科学研究项目( 2 0 0 4 1 0 6 ) s u m m a r y a n t i - s l i d e p i l e w i t hp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ei s an e wp a r e m s t r u c t u r ew h i c hi sw i d e l yu s e di ns l i d e - r e s i s t a n te n g i n e e r i n g y e tt h ec o d e a n dt h e o r yf o ri t sd e s i g n i n ga r en o tw e l le s t a b l i s h e d t h i st h e s i si sb a s e d o nt h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o ro fa 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 c a b l e t h r o u g ht h et e s ts t u d yo 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 c a b l ea n dt h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r eo f i n t e r n a lf o r c eo f d e s i g nm e t h o d s a t l a s t c o m b i n i n gt h es p e c i f i ca n t i - s l i d ep i l ee n g i n e e r i n ga n du s ea n s y s s o f t w a r et oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o no fs l o p ea n dt h ei n t e m a lf o r c e d u r i n gt h ec o u r s eo f t h ec o n s t r u c t i o n f i r s t l y , t h ea n a l y z e st h es t a b i l i t ym e t h o d sa n dt h ed e l i v e rp r o c e s so f s l i d e t h r u s t i nt h es l o p e a b o u tt h es l o p es t a b i l i t y , h a v e t w od i f f e r e n t m e t h o d st oa n a l y s i st h ep r o b l e ma n df o rt h ed i f f e r e n ts l o p ec a s e sc h o o s e t h es p e c i f i cm e t h o d s a b o u tt h ed e l i v e rp r o c e s so fs l i d et h r u s t d i s c u s st h e p r i n c i p l e t h a t i st h em e t h o d so fs t a b i l i t yo fs l o p ea r em a t c ht ot h e c a l c u l a t i o no fo p t i m i z a t i o np a t h sa n dm e t h o d sa n do n t oa n t i s l i d ep i l ea s w e l la st h ea n c h o r i n gm e c h a n i c a lo f p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e s e c o n d l y , t h e t h e s i sd i s c u s st h ed e s i g nm e t h o d s , p r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no r d e ri nt h e a n t 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 rc a b l e i n c l u d i n gt h em e t h o d so f c a l c u l a t i o no fi n t e r n a lf o r c e t h a n k st ot h ec o u r s eo fp r e s t r e s sf o r c e ds o r e q u i r et h ed y n a m i cd e s i g ni nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n a n dt h r o u g ht h e r e s e a r c h i ta b t a i n st h ep h r a s e so fd y n a m i cd e s i g ni nt h ea n t i s l i d ep i l e w i t hp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e t h i r d l y , t h e s i sc o m b i n i n gt h eh i g hs l o p e t r e a t m e n te n g i n e e r i n gw h i c hb e l o n g st ot h em o u t a if a c t o r y t h et e s to f s t u d y 0 1 1 s p o th a dd o n ed u r i n gt h e c o u r s eo fc o n s t r u c t i o n ，t h r o u g h m o n i t o r i n gt h et e n s ef o r c eo fp r e s t r e s s e dc a b l e ，d i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a l f o r c eo ft h ep i l e i ta b t a i nt h em e t h o d sw h i c ha v o i da n dr e d u c et h el o s so f p r e s t r e s si nt h ea n t i - s l i d ep i l ea n dp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e a tl a s t , t h e t h e s i sc h o o s et h i s s p e c i f i c a n t i s l i d e e n g i n e e r i n g w h i c hi su n d e r c o n s t r u c t i o nt ob ee x a m p l e b u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d st oc a l c u l a t e t h es l o p ed i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c ei na n t i - s l i d ep i l ed u r i n gt h e c o u r s eo fc o n s t r u c t i o n i ta b t a i nt h er e s u l t sa n dc o m p a r ew i t ht h e a c t u a l 协em e t h o d so f d e s i g na n di n t e r n a lf o r c ei n c l u d i n gt h ep r o c e d u r ei s p r o p o s e d k e yw o r d s ： s l i d i n gs l o p e a n t i s l i d i n gp i l ew i t hp r e s t r e s s e da n c h o r 。c a b l e t e s ts t u d yo ns p o t c a l c u l a t i o no fi n t e r n a lf o r c e d y n a m i cd e s i g n 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的及意义 滑坡是自然或人工形成的斜坡，是一种多发的又常能造成极大危害的斜坡地 质灾害为了更有效地预防和整治，就必须对其发展规律和整治措施进行深入和 细致的研究。随着我国岩土工程的飞速发展，随着大型重点工程项目的同益增多， 对滑坡整治提出了更高的要求，经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡 整治的各个方面都取得了很大成就，出现了一些新的支挡结构形式 抗滑桩是我国铁路部门2 0 世纪6 0 年代开发、研究的一种新型抗滑支挡结构。 1 9 6 6 年铁道部第二勘察设计研究院在成昆铁路沙北l 号滑坡及甘洛车站2 号滑 坡中首次采用钢筋混凝土桩来加固稳定滑坡【1 1 据统计，成昆线在六处滑坡中共 采用了1 2 0 根抗滑桩，累计长度1 3 6 4 m ；湘黔线在贵州境内全段采用抗滑桩处理 滑坡问题共3 l 处，累计3 4 0 根抗滑桩桩；襄渝线共采用了4 0 8 根抗滑桩，总长 7 7 9 6 m 随后，柳枝、阳安，太焦等线均采用抗滑桩整治滑坡，并迅速在岩土工 程中的各个领域得到推广用这么多的抗滑桩来整治滑坡，尚未有整个工程失败 的先例，可见用抗滑桩这一措旄来整治滑坡是非常成功的 2 1 。但是，如此大规模 地在铁路、公路路基、水利、矿场等岩土工程中采用抗滑桩，是否带给我们这样 一些问题：抗滑桩是否充分发挥了其抗滑能力；抗滑桩工程的设计计算理论是否 经济合理，这些都是很值得研究的问题根据文献【3 】中介绍，某滑坡在抗滑桩工 程做好以后进入雨季，遇到历史上罕见的特大连续降雨，结果出现了后级滑坡， 前后两级滑坡同时滑动，以大出设计推力1 倍左右的推力作用到抗滑桩上，使抗 滑桩向前倾斜了一个角度，引起震惊，认为工程可能失败，但是，事实证明有惊 无险，当抗滑桩倾斜了一个角度后，既未出现断桩现象，桩身也未继续变位和向 前倾斜，在这种状态下，抗滑桩又重新稳定下来，竟然挡住了前后两级滑坡，滑 坡体上的裂隙逐渐挤密闭合，滑坡又重新稳定下来，至今已有十几年了，该滑坡 一直处于稳定状态。同样，作者在对贵州茅台酒股份有限公司“十五”二期建设工 程进厂道路k 0 + 4 3 0 k 0 + 6 7 0 段抗滑桩在路堑开挖期间监测的过程中发现，抗滑 桩桩身内力、锚索张力及桩顶位移的实测结果远小于设计值，说明目前抗滑桩结 构设计中的安全系数过大，抗滑桩的抗滑能力远没有发挥。因此致力于提高工程 设计水平，完善工程设计理论，充分挖掘抗滑桩工程潜能的研究乃当今岩土工程 界的一大趋势。 随着新奥法( n a t m ) 和挪威法( 1 、t m ) 的引入，滑坡防治已从单纯采用被 动支护到采用主动支护相结合的阶段【4 】。预应力锚索抗滑桩就是在这一条件下产 生的由于在抗滑桩顶部施加了强大的预应力锚索，使桩身反压在岩土上，形成 “主动反压”的支挡结构，通过桩锚索”共同工作，充分利用了预应力锚索强度 高、抗拉性能好、易弯曲、好操作、钢筋混凝土结构易于形成整体结构及混凝土 抗压性能好等特点，使预应力锚索抗滑桩在岩土工程得到了广泛应用。但是，在 滑坡整治中，将桩与锚索组成联合受力体，共同承担、抵抗滑坡推力，究竟桩受 力多少，锚索受力多少，其设计计算理论研究还远远滞后于工程应用，各滑坡治 理部门及设计单位一般都按照各自的计算方法并根据工程经验进行设计，设计计 算方法有所差别，治理效果亦不尽相同。 综上所述，加强设计理论研究，改进设计计算方法，是一项十分紧迫的工作。 鉴于此，本文结合贵州省教育厅自然科学研究项目预应力锚索抗滑桩内力分析 试验研究与数值模拟( 课题编号：黔教科2 0 0 4 1 0 6 ) 开展了这一方面的研究工 作通过现场试验和有限元数值计算方法，重点对现有滑坡中广泛采用的新型支 挡结构预应力锚索抗滑桩的受力特性和承载性状进行研究，以期在对预应力锚 索抗滑桩实施信息化施工监控的基础上，经济合理的对预应力锚索抗滑桩进行设 计。 随着国家西部大开发政策的实施，更多的铁路、公路以及水电等基础设施正 以前所未有的速度投入建设，这势必会遇到更多的滑坡治理工程，对滑坡整治措 施方面的理论研究形成了更大的机遇与挑战因此，如何更安全、经济而合理地 对滑坡整治工程进行设计，将会对我国经济建设的发展起到重要作用 1 2 研究现状 i 、边坡稳定性研究发展及现状 边坡稳定性研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上，土力学和岩石 力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。例如，应用最早且目前仍被广 泛采用的稳定性分析方法当属瑞典圆弧条分法，该法以极限平衡理论为基础，首 先由彼得森( k e p c t t e r s o n ) 在1 9 1 6 年提出，后经费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 和泰 勒( d w t a y l o r ) 等人的不断改进，直至1 9 5 4 年简布( n j a n b u ) 提出了普遍条 分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普( b i s h o p ) 明确了土坡稳定安全系数后，使得该 法在目前的工程界成为普遍采用的方法1 5 随后，出现了多种形式的条分法、 m o r g e n s t e m - - p r i e e 法( 1 9 6 5 年) 、s p e n c e r 法嘲、我国水利水电科学院陈祖煜教 授在m o r g e n s t e m 的指导下，对该法进行了有益的改进 4 2 4 3 1 2 0 世纪8 0 年代，由于计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各种 复杂的数值方法广泛地应用于边坡研究。1 9 8 3 年孙玉科对盐池河山崩变形机制 作了有限元分析、1 9 8 9 年陈宗基对抚顺露天矿边坡按照1 9 。、2 4 。、3 4 0 的坡角以 及坡角为1 9 。并有深部开采的不同模式进行有限元分析；1 9 9 1 年j o n s 对英国威 尔士煤田边坡稳定性与采矿沉陷性状的相关性进行了有限元分析，并采用了模型 试验进行了验证；在国外，1 9 7 1 年c t m d a l l 提出了非连续介质的离散元，用于模 拟边坡的渐进破坏；1 9 9 1 年t o s h h i s a 运用该方法分析了日本3 0 5 国道的岩石边 坡破坏过程，特别是1 9 8 6 年f l a e 的出现，被公认为是岩土力学数值模拟行之有 效的方法m 。 进入2 0 世纪9 0 年代后，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩 土体力学和现代数学力学结合，形成了所谓的现代边坡工程学，各种现代科学的 新技术如：系统工程学、数量理论、模糊数学、灰色理论等不断用于边坡问题的 研究中，从而给边坡的稳定性研究提供了新的理论和方法 通过这一系列的研究成果，我们不难发现，目前边坡稳定性的研究已有了相 当的水平和规模无论是借助于古典土力学研究成果的稳定分析阶段，还是以数 值模拟、模型试验为主的半定量分析阶段或者是9 0 年代以后的现代边坡工程学 阶段，都为同时期的边坡工程作出了极大的贡献，为以后的边坡稳定性分析提供 了依据和参考，而且，到今天为止，分析滑坡的稳定性，寻求坡体最危险的滑动 面位置，已经不再是一件困难的事情了 2 、抗滑支挡结构的发展及研究现状 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，对小型滑 坡采取刷方减载、反压以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程更是优先考虑的措旄 直到二次世界大战后随着各国经济的发展和国土资源的开发利用，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 年代有了较大的发展和 提高，一些大型滑坡也采用支挡工程治理。支挡工程的发展大致可分为三个阶段 【9 】 5 0 年代以前，治理滑坡以地表和地下排水为主，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，钻孔直径1 5 m ，深2 0 3 0 m ，日本多用钻孔钢管桩，钻孔直径 4 0 0 m m 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者水泥砂浆，为增加桩的抗剪断能力，有时在钢 管中再放入h 型钢。桩间距1 5 4 o m ，而以2 0 2 5 m 者居多。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连接，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濑岛滑坡上采用直径5 m 、深5 0 6 0 m 的大型抗滑桩它是周围均匀布筋，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( 加反力梁或锚敦) ，单根锚索承受的拉力5 0 0 3 0 0 0 k n 不 等，其长度一般3 0 6 0 m ，长的达1 2 0 m 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5 0 ，所以目前被广泛应用 我国对滑坡灾害的防治的系统研究和治理是5 0 年代初才开始的，结合我国 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办法其中尤以铁路部门遇到和治理的滑坡最多，研究得更 为系统和深入我国对滑坡支挡结构物的研究和开发应用虽较国外晚，但由于建 设中治理滑坡的需要，其发展过程基本与国外同步，也分为三个阶段： 5 0 年代起，滑坡治理首先考虑地表和地下排水，辅以清方减载及各种形 式的挡墙和浆砌片( 块) 防护处理等措施。但工程实践证明，这些措施仅能使边 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1 9 8 1 年洪 水期间，宝成铁路有l o 多处滑坡是属于仅采取排水、减载或抗滑挡墙等措施整 治过的。 4 6 0 7 0 年代，在成昆线建设中首次采用抗滑桩并获得成功，抗滑桩结构 的诞生，使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、对边坡扰动小、开挖断面小、圬工体积少、承载能力大等特点，被喻 为治理滑坡的“重型武器”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，节省了圬工和钢材。但由于施工要求高于单桩，至今应用 不广 8 0 年代以来，由于锚固技术理论的研究和凿岩机械的突破性进展，在滑 坡防治中开始大量采用锚喷防护技术和锚索工程，由于锚索系采用高强度钢丝束 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，所以应用前景广泛目前锚索的 应用有两种情况：第一，锚索单独稳定滑坡即在滑坡体上设置若干排锚索，锚 固于滑动面以下的稳定地层中，地面梁或墩作为反力装置给滑体施加预应力来稳 定滑坡；第二：锚索与抗滑桩联合形成“预应力锚索抗滑桩”，在抗滑桩顶部施加 锚索，增加一个拉力，改变了原来普通抗滑桩的悬臂受力状态，接近于简支受力， 加预应力变桩的被动受力为主动受力，因而大大减小了桩截面和埋置深度在边 坡的整治过程中，强调多种措施综合整治的原则。如南昆铁路八渡车站巨型滑坡， 采用地面、地下、立体排水、锚索和锚索抗滑桩支挡，建立滑坡地质环境保护区 的综合治理措施获得成功，被喻为2 0 世纪9 0 年代治理巨型滑坡的成功典范。 3 、锚索抗滑桩的研究现状 桩是深入土层或岩层的柱形构件边坡治理中的抗滑桩是通过桩身将上部承 受的滑坡推力传给桩下部的侧向土体或岩体，依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡 的下滑力，而使边坡保持平衡与稳定。目前抗滑桩作为加固滑坡体的一种有效措 施已被广泛采用【s 1 【9 1 0 1 许多学者对其计算方法进行了广泛深入的探讨。从受力 特点上讲，抗滑桩和一般建筑地基和桥梁桩基中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”，而滑坡治理中所采 用的抗滑桩并非直接承受外荷载的作用，只是由于滑坡在重力或其它外界因素的 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 滑桩又叫“被动桩”【l l 】对于承受岩( 土) 体侧向位移的被动桩，国外的研究多侧 重于土坡变形作用到桩体上的情况，尤其是对海巷工程、堤坝工程中承受软粘土 变形的被动桩研究较多f r a a x ( 1 9 4 8 ) 、f e y m a n ( 1 9 6 1 ) 和w e n z ( 1 9 7 3 ) 等m 均对承受土体侧向位移的桩给出了一些定性的资料。反映了土体的位移和桩的破 坏有着密切的联系；h e y m a n ( 1 9 6 5 ) 、n i c u l ) ( 1 9 7 1 ) 、o t c o ( 1 9 7 4 ) 等 4 5 1 1 4 6 1 1 4 q 对 于承受土体水平位移的桩和桩群的设计计算，己提出许多办法：s t e w a n t ( 1 9 9 4 ) 等【4 8 】进一步将现有的计算方法分为、压力法；、位移法；、有限元法 国内对于抗滑桩计算的研究主要集中于加固岩土体边坡方面【1 2 】【1 3 1 ，其计算 理论的发展可分为以下4 个阶段： 早期的抗滑桩按单纯抗剪计算，相当于后期的锸笔错施，适合于岩层滑 坡，而且滑动面的位置确切、固定例如宝成线史家坝4 号隧道北口顺层滑坡； 静力平衡法：主动土压力与被动土压力随深度变化的不同，作用在桩上各 点的土压力也不同桩的入土深度可根据水平力平衡方程和对桩底取矩的弯矩平 衡方程联立解得，再求出各点的弯矩和剪力实际的入土深度应增加一定的安全 储备。 布鲁姆法( b l u m ) ：与静力平衡法的假设一样，桩前和桩后同时达到主动 或被动土压力状态，土压力的分布图示有所不同，桩入土的深度可根据对桩底的 弯矩平衡方程求得，再求得各点的弯矩和剪力 以上方法桩后的土压力并非达到了主动极限状态，桩前土压力也未达到被动 极限状态因此理论上按极限状态所计算的最大弯矩小于实际弯矩。 弹性地基梁法：假定桩身任一点处岩土的抗力与该点的位移成正比。具体 的解法大致可分为三类：一是直接用数学方法求解桩在受荷以后的弹性挠曲线微 分方程，计算桩身内力与位移；另一种是将桩分成有限段，用差分法近似代替桩 的挠曲微分方程中各阶导数式而求解的有限差分法；还有一种是将桩划分为有限 单元的离散体，再根据力的平衡和位移协调条件解得桩各部分的内力和位移 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在这一方面已 经处于世界前列国内学者王化卿、周德培、曾德容、田景贵、邹兴普，余振锡、 申益民等【1 4 1 1 2 0 1 人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计算方法可以分为两类：即不考虑锚索与抗滑桩的 6 协调变形和考虑锚索与抗滑桩的协调变形两种方法，由于后者的合理性，预应力 锚索抗滑桩的计算趋向于后者。 在滑坡的整治过程中，抗滑桩已经成为一种主要的工程措施，尤其是近年来 锚固理论的飞速发展，预应力锚索在边坡工程中的大量应用，对抗滑桩的发展起 了极大的推动作用，但是抗滑桩( 包括预应力锚索抗滑桩) 的设计计算中尚存在 许多不足之处，主要表现在以下几个方面： 目前，对于作用在多排抗滑桩上的滑坡推力计算缺少统一的规范，有的按 单排抗滑桩来计算，有的则根据抗滑桩所承受的推力来计算滑体加固后的安全系 数。但是预应力锚索等主动加固措施相比，抗滑桩则属于一种被动加固措施，是 在抗滑桩设置一段时间后才承受边坡由于开挖或者稳定性降低所产生的滑坡推 力，而并非有抗滑桩主动施加给边坡的外力来提高边坡的稳定性由于采用的方 法各异，实际工程中有的设计过于保守，导致不必要的投资。 对于预应力锚索抗滑桩的设计计算，文献【2 l 】将预应力锚索桩作为上端铰 支、下端弹性固结成简支的梁式结构较为合理，设计简化为作用于每根桩上的滑 坡推力和桩前滑面以下岩土抗力来计算桩在滑面处的剪力q o 、锚索拉力按( 1 2 4 7 ) q o 设计将锚索与桩连接简化为铰支，未考虑锚索受力后出现的弹性 伸长：文献【1 刀中取桩锚固端处弯矩m o = o 来计算锚索拉力，未考虑桩身和锚索受 力后的变形，与实际锚索抗滑桩的受力情况不符。 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；有的虽然考虑了桩与 锚索的协调变形，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 应问题抗滑桩是否需要加锚索或者是加几排锚索以及锚索的预应力值如何确 定，仍未见详细的报道。由于桩与锚索形成了联合受力体系，故锚索预应力的确 定与桩的内力计算有着密切的关系现有预应力锚索抗滑桩中内力计算方法的不 足之处导致了锚索预应力值确定的不合理性 1 3 论文研究思路与主要内容 对于所选课题，前面已经指出了研究的目的、意义及其必要性。并且在研究 现状的基础上，阐述了目前预应力锚索抗滑桩在工程应用以及设计计算中存在的 问题。论文主要是针对这些问题展开的其基本思路是：首先对边坡的稳定性分 析方法和滑坡推力计算方法进行研究，对于边坡稳定性分析，可以从定性和定量 两个方面出发来评价和计算边坡的稳定性，其中定量分析中又以基于条分法的极 限平衡分析边坡稳定性为主要方法，针对不同的滑动形式采用不同的分析方法。 在滑坡推力计算中，对不同的滑动面形式选用不同的滑坡推力计算方法，提出了 滑坡推力计算原则，即对于不同的滑动形式，原则上滑坡推力计算应该与其稳定 性分析方法保持一致，这样计算的滑坡推力和相应的稳定系数才能对应；文章接 着对现有预应力锚索抗滑桩的设计原则、设计步骤和设计方法进行了总结，包括 现有预应力锚索抗滑桩的内力计算方法，并分析了现有设计中的一些不合理之 处，重点讨论了在预应力锚索抗滑桩在旖工过程中有锚索和预应力的施加过程， 故需要进行施工过程中的内力计算，需做动态设计，提出了动态设计的几个阶段。 在介绍了边坡稳定性分析方法和滑坡推力计算以及预应力锚索抗滑桩的设计计 算后，文章结合贵州茅台酒厂有限责任公司“十五”期建设工程( - - 期) 进厂道路 工程设计k 0 + 4 3 0 k 0 + 6 4 0 段左侧直立超高边坡支挡工程，进行了施工过程中的 动态监测，通过对预应力锚索抗滑桩桩身应力、锚索张力和桩顶位移的监测，对 抗滑桩的内力、锚索预应力进行了现场试验研究，提出了防止和减少锚索预应力 损失的办法；最后文章仍然选用了该工程实例，建立a n s y s 有限元模型，对该 边坡施工开挖过程中岩土体的变形和预应力锚索抗滑桩的内力进行了有限元计 算，探讨了现有预应力锚索抗滑桩中内力计算方法的不足之处，得出了预应力锚 索抗滑桩的内力计算方法。 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：主要讲述了课题选取的背景、目的及其意义、预应力锚索抗滑 桩的研究现状和本文拟采取的研究方法和内容；第二章分析了边坡的稳定性分析 方法以及滑坡推力计算方法，提出了滑坡推力的计算原则，即对于不同的滑动形 式，原则上滑坡推力计算应该与其稳定性分析方法保持一致，这样计算的滑坡推 力和相应的稳定系数才能对应：第三章讨论了预应力锚索抗滑桩的设计计算，重 点讨论了预应力锚索的内力计算方法和动态设计；第四章结合贵州茅台酒厂有限 责任公司“十五”期建设工程( - - 期) 进厂道路工程设计k 0 + 4 3 0 k 0 + 6 4 0 段左侧 直立超高边坡支挡工程，进行了预应力锚索抗滑桩的现场试验研究；第五章仍然 选取该工程作为实例，运用a n s y s 有限元模型模拟施工开挖过程中边坡岩土体 的变形和预应力锚索抗滑桩的内力变化进行分析研究，探讨了预应力锚索抗滑桩 的内力计算方法；第六章为论文的研究结论与展望 9 2 1 前言 第二章边坡稳定性分析及其滑坡推力计算研究 自然界中的边坡，表面看上去是静止不动的，实际上内部无时无刻不存在着 两种彼此相抗衡的势力：一种是驱动边坡滑动的诸因素所构成的势力，诸如荷载 ( 包括岩体自重) 、震动、水、构造应力、温差应力等等；另外一种势力则是岩体 自身固有的抵抗滑动的能力，即岩体强度。边坡内的这两种矛盾势力可以抽象为 两种作用力滑动力和抗滑力，这两种力量的对比结果决定边坡是处于稳定状态 还是处于滑动状态边坡岩体内某一区域滑动力超过抗滑力时，边坡便沿该区滑 动。边坡的滑动往往是渐进发展的，持续时间有的较短，表现为突发过程；有的 较长，可达数年之久；有的由渐进过程转变为渐息过程，也可能经过段间歇时 间，滑动又开始复活在工程建设中，常见的滑坡有两种类型：一种是天然边坡 由于水流冲刷、地壳运动或人类活动破坏了它原有的地质条件而产生滑坡；另外 一种是人工开挖或填筑的人工边坡，由于设计的坡度太陡，或工作条件的变化改 变了士体内部的应力状态，使局部地区的剪切破坏发展成一条连贯的剪切破坏 面，土体的稳定平衡状态遭到破坏，因而发生滑坡。滑坡灾害直接威胁到人民生 命财产安全，阻碍灾区经济发展，因此很有必要对边坡进行抗滑稳定分析，以尽 量减少或者避免滑坡灾害对人民的生命财产造成损害。 2 2 边坡稳定性分析研究 滑坡稳定性判断是防治滑坡中的关键问题之一。坡体的稳定性分析方法根据 其材料性质和地质环境条件而有所不同，一般对于土质边坡和岩质边坡有不同的 稳定性分析方法，国内外学者和工程技术人员曾对此进行了大量的调查研究，但 因其复杂程度受各专业技术水平、量测手段和研究深度所限，至今尚处于定性阶 段，缺乏比较系统、成熟的方法 2 2 1 2 2 1 边坡稳定性评价方法 从定性方面来看，大致可以从以下四个方面来评价和判断： l 、从地貌形态演变方面判断滑坡稳定性 。 由相同的地层岩性及结构组成的坡体，在地貌形态上的变化过程是受当地地 质构造所形成的格局直接控制滑坡是坡体斜坡地貌演变的一种动力和表现，具 有独特的地貌特征和发育演变过程，与其它变形现象不一样，其发育过程受组成 的地层岩性和岩体结构尤其是坡体构造格局的影响，在不同的发育阶段又有不同 的外貌区别。具体做法可按以下两步进行是应用地质力学原理和调查分析方法 判断斜坡岩体的稳定性，是以各类滑坡在不同发育阶段的地貌特征为样板，从 对比中判断滑坡所处的滑动阶段和稳定性。 2 、从地质条件对比方面判断滑坡稳定性的方法 对需要判断稳定性的滑坡将之与类似地质条件下的稳定山坡、不稳定山坡 ( 包括不同滑动阶段的滑坡) 相对比，找出彼此在地质条件方面的差异及数值上 的出入，再结合其地质条件分析在今后可能发生的变化，以判断滑坡在整体上及 各部分的稳定程度。具体做法可按以下两步进行：在地质调查及测绘时定性地 判断滑坡的稳定性；在勘探后的滑坡工程地质断面上判断滑坡的稳定性。 3 、从分析滑动因素的变动方向方面判断滑坡的稳定性。 在一定的地质条件下促使滑坡滑动的发展，系改变沿滑带的下滑力与抗滑力 的对比，增大剩余下滑力所致。为此，当某一促使滑动作用因素的变动( 包括出 现与量交) 可以使滑坡内在条件发生巨大变化时，滑动即可从一个阶段发展至另 外一个阶段所以，各种地质工作( 监测、访问、测绘、勘探和化验以及模型试 验与计算等) 均以找出对具体滑坡产生主、次要作用的因素和应力及其变化为目 的，即可根据主要因素定性判断滑坡的稳定性，找出影响滑动的主要作用因素与 滑坡某些内在条件变化的关系 4 、从监测滑动出现的迹象方面判断滑坡的稳定性 以上方法可定义为利用工程地质类比法来判断和评价滑坡的稳定性。总体上 来讲，工程地质类比法分析是边坡稳定性研究最经典的方法，通过对滑坡区及其 邻区自然斜坡的调查，分析斜坡破坏的模式，总结影响斜坡稳定的因素，然后分析 边坡岩体工程地质条件各要素，对边坡稳定性作出初步的、定性的判断，但此法 一般只用于前期分析自然斜坡的失稳模式和判断进一步进行具体分析的要素之 一工程建设中，应尽量采用多种计算方法，互相校核，综合分析，工程中常采 用敏感度分析，即变动某一因素，固定其它因素，分析该因素变化对稳定性的影 响，从而对那些敏感因素采取响应对策 从定量方面来讲，边坡的稳定性计算方法主要以基于条分法的极限平衡分析 法为主要方法，还包括基于塑性理论的极限分析法、有限单元法 2 2 2 边坡稳定性分析的极限平衡方法 极限平衡分析法的基本思路是：假定岩土体破坏是由于滑体内滑动面上发生 滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件，假设滑动面已知，其形状可以是平 面、圆弧面、对数螺旋面或其它不规则曲面，通过考虑由滑动面形成的隔离体的 静力平衡，确定沿这一滑面发生滑动时的破坏荷载。有的方法考虑隔离体整体平 衡，有的方法把隔离体分成若干竖向的条块，并对条闯力作一些简化，然后考虑 每一条块的静力平衡，这样可以系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载， 此即条分法。令滑体发生破坏所能加的最小的荷载就是要求的极限破坏荷载，与 之对应的滑动面就是最危险的滑动面。极限平衡分析法计算时先假定边坡的稳定 安全系数为f s ，则当边坡体材料的抗剪参数( 主要是凝聚力和摩擦系数) 降低f s 倍后，边坡体内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态，也就是说， 欲求边坡的抗滑稳定安全系数，可先假设安全系数值，将材料的摩擦系数和凝聚 力都除以这个安全系数，作为计算参数进行计算，若能满足极限平衡条件，则所 假定的安全系数即为所求的安全系数值，否则重设安全系数，重新计算，直至满 足极限平衡条件为止 极限平衡分析法的基本假设和力学原理可归结为以下三点： l 、将滑体视为刚体，即不考虑其变形，只考虑滑体沿滑面的位移； 2 、滑体的位移是剪切破坏，遵守m o h r - c o u l u m b 法则，即f = o t a n ”，式中t 及叮为滑面上的抗剪力及正应力，c 及币为滑面上的凝聚力及内摩擦角； 3 、应用滑块在斜坡上的平衡原理得到滑体在滑面上的平衡方程； 除了一些简单边坡可考虑隔离体整体平衡，确定发生滑动时的破坏荷载外， 一般的极限平衡分析法都采用条分法条分法是基于极限平衡理论的考虑力和力 矩平衡的常用方法，自1 9 1 6 年由瑞典人i c e p e t t e r s o n 提出后，经过f e l l e n i u s 、 t a y l o r 等人的不断改进和b i s h o p 、j a n b u 等人对基本假定的修改和补充，形成了 许多以普遍条分法为基础的刚体极限平衡分析法，并使得刚体极限平衡分析法成 为几十年来边坡稳定分析的重要方法。 需要说明的是，采用极限平衡法来分析边坡稳定，由于没有考虑土体本身的 应力应变关系和实际工作状态，所求出土条之间的内力或土条底部的反力均不 能代表边坡在实际工作条件下真正的内力和反力，更不能求出变形。我们只是利 用这种通过人为假定的虚拟状态来求出安全系数而已由于在求解中作了许多假 定，不同的假定求出的结果是不相同的，但由于极限平衡法长期在工程中应用， 各行业应用不同的方法，都积累了大量的经验，工程界就用这种虚拟状态，来近 似模拟实际工作状态，再加上工程经验从而作出工程设计判断。 为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元为代表的各种数值计算方 法。有限元法，是将边坡体离散成有限个单元体，或者说，用有限个单元体所构 成的离散化结构代替原来的连续体结构，通过分析单元体的应力和变形来分析整 个边坡的稳定。与极限平衡法所不同的是，数值计算是以弹性( 塑性) 理论为基 础，首先需要弄清楚岩土体的本构关系，即应力应变关系，它既要求出单元体 的力的平衡，也要考虑单元体的交形协调，同时还要考虑岩土体的破坏准则由 于岩土体应力应交关系是非线性的，它使边坡的数值计算变得十分复杂。但是， 通过岩土工程界人士的共同努力，经过许多年的理论的发展和大量工程经验的积 累，用有限元法对边坡进行稳定性分析和破坏的渐进性模拟已成为边坡稳定分析 的一个新的发展趋向，就目前而言，应用有限单元法对均质各向同性的坡体进行 分析能得到较为满意的结果1 2 3 五羽 鸵3 不同滑动形式的边坡稳定性计算方法 2 9 1 1 、边坡稳定性计算方法，根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定： 土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算； 对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算； 对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算； 。对结构复杂的岩质边坡，采用赤平极射投影法和实体比例投影法分析； 当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析 2 、采用圆弧滑动时，边坡稳定性系数可按下式计算； v r i 毪。锃 m 。( g ，+ g k ) c o s 只+ 死s i n ( a , 一只) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 霉= ( g + g 0 ) s i n e , 一气e o s n ( a j 一只) r l = n d 9 9 i 七c 3 l 式中k 广- 边坡稳定性系数； c r 一第i 计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值( k p a ) ； p r 第i 计算条块滑动面上岩土体的内摩擦角标准值( o ) ； l r 第i 计算条块滑动面长度( m ) ； 。 o i ，a r 第i 计算条块底面倾角和地下水位面倾角( o ) ； 0 r 第i 计算条块单位宽度岩土体自重( k n m ) ； g b r 第i 计算条块滑体地表建筑物的单位宽度自重( k n m ) ； p 。r 笫i 计算条块单位宽度的动水压力( k n m ) ； n r 埽i 计算条块滑体在滑动面法线上的反力( k n m ) ； b 第i 计算条块滑体在滑动面切线上的反力( k n m ) ； r r 筇i 计算条块滑动面上的抗滑力( k n m ) 。 3 、采用平面滑动法时，边坡稳定性系数可按下式计算： 墨；鼍学 式中，岩土体的重度( k n m 3 ) ； o 一结构面的粘聚力( k p a ) ； 驴一结构面的内摩擦角( o ) ； a 姑构面的面积( m 2 ) ； v 二一岩体的体积( m 3 ) 忙结构面的倾角( o ) 。 4 、采用折线滑动法时，边坡稳定性系数可按下列方法计算： 边坡稳定性系数按下式计算； k s - - - 主妻羞考羰，。= ，2 j 人，万一d - - - e o s ( o , 一只“) 一咖( q q “) 喀仍 式中r 第i 计算条块剩余下滑推力向第i + l 计算条块的传递系数。 1 4 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 对存在多个滑动面的边坡，应分别对各种可能的滑动面组合进行稳定性计算分 析，并取最小稳定性系数作为边坡稳定性系数。对多级滑动面的边坡，应分别对 各级滑动面进行稳定性计算分析。 2 3 滑坡推力计算方法研究 2 3 1 滑坡推力计算方法 对横截滑