（水利水电工程专业论文）基于变形协调的预应力锚索抗滑桩设计计算方法研究.pdf

摘要 随着我国水利水电工程建设事业的迅速发展，以及大型重点工程项目的日益 增多，滑坡治理工程越来越显得突出，一直引起岩土工程部门的高度重视，对于 滑坡治理措施的研究成果也己取得了很大成就。其中预应力锚索抗滑桩是随着锚 索技术在边坡工程上的应用而产生的一种新型抗滑支挡结构，这种技术相对于普 通抗滑桩，其受力状态更加合理，可以减少桩身截面，桩的埋置深度，工程费用 明显得到降低，所以这种结构在滑坡治理中得到了广泛的应用。 本文的主要研究工作如下： 1 通过岩土体与桩锚的相互作用研究，分析了滑坡推力的传递机理、在抗滑 桩前、后的分布形式，对滑坡推力的计算方法进行了总结；对桩间土拱的力学效 应进行了分析，并对最大桩间距的计算公式进行了推导。通过对预应力锚索抗滑 桩协同工作机理的研究，提出改进的桩锚变形协调计算模型，以及相应的变形协 调方程，为锚索拉力的计算提供依据。 2 通过对现有预应力锚索抗滑桩设计计算方法进行分析，针对存在的问题， 提出改进的计算方法，并建立更切合实际的预应力锚索抗滑桩的计算模型，在此 基础上，根据预应力锚索抗滑桩施工顺序过程和受力特点，分两个阶段进行预应 力锚索抗滑桩计算，即张拉阶段和变形稳定阶段，按弹性桩模式和刚性桩模式对 锚索抗滑桩的内力计算公式进行推导。 3 锚索拉力的计算，在锚索预应力抗滑桩设计中占有重要的位置，通过对目 前锚索抗滑桩锚索拉力计算方法的分析，针对存在的问题，基于本文改进的桩锚 变形协调方程，根据预应力锚索抗滑桩的实际受力特点，从锚索抗滑桩预应力张 拉阶段和稳定工作阶段，按弹性桩模式和刚性桩模式给出了锚索抗滑桩锚索拉 力的计算公式。 4 对锚索抗滑桩的设计步骤进行了总结，最后结合工程实例，运用论文提出 的方法对锚索抗滑桩的内力进行计算，并将计算结果与前人方法的分析结果进行 对比分析，从而论证本文提出的方法的合理性。 关键词：滑坡；预应力锚索抗滑桩；滑坡推力；桩间距；变形协调；内力计算 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c t o n s t r u c t i o n ，a sw e l la sl a r g e s c a l ek e yp r o j e c t so ft h eg r o w i n gn u m b e ro fl a n d s l i d e c o n t r o lp r o j e c tb e c o m e sl e s sp r o m i n e n t ，w h i c hh a sb e e na t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et o l a n d s l i d ec o n t r o lm e a s u r e sb yg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t s ，a n d t h er e s u l t s o fr e s e a r c ha b o u tl a n d s l i d ec o n t r o lh a v ea l s ob e e nm a d ef o rav e r yg r e a ta c h i e v e m e n t w h i c h , a n t i s l i d i n gp i l e w i t i lt h ep r e s t r e s s e da n c h o ri sc r e a t e da san e wt y p eo f a n t i s l i d e r e t a i n i n g s t r u c t u r e sw i t ht h e a p p l i c a t i o n s o f a n c h o ri n s l o p e e n g i n e e r i n g t h i st e c h n i q u er e l a t i v et ot h eg e n e r a la n t i s l i d i n gp i l e ，i t sm e c h a n i c a l c o n d i t i o ni sm o r er e a s o n a b l e c a l lr e d u c et h ec r o s s s e c t i o na n de m b e d d e dd e p t ho ft h e p i l e t h ep r o j e c tc o s t sc a nb e e nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ，s os u c hs t r u c t u r ei sw i d e l yu s e d i nt h ef i e l do fr e p a i r i n gl a n d s l i d e t h em a i nr e s e a r c hi nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g h t h ei n t e r a c t i o nr e s e a r c ho fr o c k s 0 i la n dt h ep i l e a n c h o r t h e l a n d s l i d i n gt h r u s tt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n di t sd i s t r i b u t i o no ff o r m sb e f o r ea n d a f t e ra n t i s l i d i n gp i l e si sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e dl a n d s l i d et h r u s tc a l c u l a t i o n m e t h o d s ；d e r i v e df o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h et h r u s to ft h el a n d s l i d e ；m e c h a n i c a l e f f e c t so ft h es o i la r c h i n gb e t w e e np i l e si sa n a l y z e d ，a n dt h eb i g g e s tp i l es p a c i n g f o r m u l aw a sd e r i v e d t h r o u g ht h em e c h a n i s mr e s e a r c ho fp i l e - a n c h o r sc o - o p e r a t i o n a n dp u tf o r w a r da ni m p r o v e dc a l c u l a t i o nm o d e lo fp i l e - a n c h o rd e f o r m a t i o no ft h e c o o r d i n a t i o n ，a sw e l l a st h ec o r r e s p o n d i n gd e f o r m a t i o no ft h ec o o r d i n a t i o no f e q u a t i o n s ，i no r d e rt op r o v i d eab a s i sf o r t h ec a l c u l a t i o no fa n c h o rc a b l et e n s i o n 2 t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o u tt h ee x i s t i n gd e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h 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 dc a b l e s ，a n da i m i n ga t t h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n d p r o p o s e da ni m p r o v e dc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt oe s t a b l i s ha m o r er e a l i s t i cc a l c u l a t i o n m o d e lo ft h ea n t i s l i d i n gp i l e sw i t hp r e s t r e s s e da n c h o r s o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt o t h ec o n s t r u c t i o no r d e ro ft h ea 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 dc a b l e sa n di t sf o r c e c h a r a c t e r i s t i c s 。t h ec a l c u l a t i o no ft h ea 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 dc a b l e si s c a r r i e do u tb yt w o s t a g e ，t h a ti st e n s i o np h a s ea n dt h es t a b i l i z a t i o np h a s e o f d e f o r m a t i o n ， f o r c ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ea 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 d c a b l e si sd e r i v e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt oe l a s t i cp i l em o d e la n dr i g i dp i l em o d e l 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o u tt h ee x i s t i n gc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ec a b l e t e n s i o no nt h ea 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 dc a b l e s ，a n da i m i n ga tt h ee x i s t i n g p r o b l e m s ，b a s e do nt h ei m p r o v e de q u a t i o no ft h ed i s p l a c e m e n to fd e f o r m m i o n c o o r d i n a t i o no ft h ea n c h o r - p i l e ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lf o r c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h 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 dc a b l e s ，f r o mt h ep r e s t r e s s i n gp h a s ea n dt h es t a b i l i t y p h a s e o ft h ea n c h o ra n t i s l i d ep i l e ，t h ec a b l et e n s i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ea n c h o r a n t i 。s l i d ep i l ei sg i v e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt oe l a s t i cp i l em o d e la n dr i g i dp i l e m o d e l 4 t h ed e s i g ns t e p so ft h et h 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 dc a b l e sa r e s u m m a r i z e d a tl a s tc o m b i n e da l le n g i n e e r i n ge x a m p l e ，i n t e r n a lf o r c e so nt h ea n c h o r a n t i s l i d ep i l ei sc a l c u l a t e db yt h em e t h o di nt h i sp a p e r , a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ma r e c o m p a r e dw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t sb yt h em e t h o do ft h ep r e d e c e s s o r , a c c o r d i n g l y d e m o n s t r a t et h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：l a n d s l i d 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 ；l a n d s i d et h r u s t ；p i l e s p a c i n g ；d e f o r m a t i o nc o o r d i n a t i o n ；i n t e r n a lf o r c ec a l c u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位敝作者獬：砩辱 日期： 胗，绰乒月夕日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：硼车 日期力f 1 7 年咱夕日 指导教师签名：二琶簟多 日期：弘，口年月夕日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位敝储躲佛 日期：弦l 矿年毕月夕日 指导教师签名： 日期：帅年够月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 水电是我国能源工业的重点发展方向，随着经济和社会的发展，水电能源开 发布局进一步向西南和西北的大江、大河及高山、峡谷转移，工程规模进一步加 大。规划修建的大坝越来越高，三峡、龙潭、水布垭等的坝高2 0 0 m 左右，小湾、 溪洛渡、锦屏一级拱坝高度达到3 0 0 m 级。随着坝高的增加、地质条件的复杂化， 高坝大库建设带来了一系列的挑战，其中首先遇到的是边坡的稳定性问题，边坡 工程的稳定性直接决定着工程修建的可行性，影响着工程的建设投资和安全运行。 我国曾有几十个水利水电工程在施工中发生过边坡失稳问题，如天生桥二级 水电站厂区高边坡、漫湾水电站左岸坝肩高边坡、安康水电站坝区两岸高边坡、 龙羊峡水电站下游虎山坡边坡等等。为治理这些边坡不但耗去了大量的资金，还拖 延了工期，成为水利水电工程施工中一个比较严峻的问题，有的边坡工程甚至已 经成为制约工程进度和成败的关键。因此，研究水利水电工程高边坡的治理问题 具有十分重要的现实意义。 与此同时随着工程实践和科学技术的高速发展，在边坡治理方面也在不断提 出新的方法和技术手段。2 0 世纪5 0 年代，我国主要用抗滑挡土墙进行边坡处治， 这种结构形式依靠墙身自重来平衡坡体土压力和滑坡下滑力，此种挡土墙的优点 是山坡体破坏少，稳定滑坡收效快。但是据资料统计表明大多数挡土墙在使用中 出现了不同程度的开裂、变形和破坏，说明这种结构形式无论从设计还是施工方 法上，都需要改进和完善，一般来说只能治理小规模的滑坡，而且其结构尺寸往 往很大，在经济上也不很合理。到6 0 年代，抗滑桩被应用到滑坡治理的支挡工程 中。抗滑桩是通过桩身将上部承受的坡体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坡体的下推力，而使边坡保持平衡或稳定心1 。由于这 种支挡结构在工程应用中比挡土墙开挖面小，圬工体积小，施工速度快等优点， 因此至今在滑坡治理工程中得到很广泛的应用。但是从抗滑桩作用过程的受力机 制来看，这种结构是大悬臂受力来平衡滑坡推力，如果滑坡力很大时，就需要增 大抗滑桩的截面面积，同时配筋量也要相应增大，才能充分发挥抗滑治理的效果， 这样往往造成经济上不合理，也会给施工增加难度。8 0 年代预应力锚索抗滑桩作 为一种新型的支挡结构被应用于工程当中，它是在抗滑桩基础上发展起来的1 。 预应力锚索抗滑桩是在桩顶的适当位置施加强劲有力的预应力锚索，锚索的另一 2第一章绪论 端穿过滑坡体后锚固于稳定滑床内，使桩和预应力锚索组成一个联合受力体系。 用锚索拉力来平衡滑坡推力，彻底改变了悬臂桩的受力机制n 1 。由于锚索拉力的 存在，与一般的悬臂式抗滑桩相比，能使桩的受力弯矩大大减小，同时降低了桩 的锚固深度，减小了桩的截面尺寸，施工的费用上也大大减小，施工速度得到了 很大的提高。基于预应力锚索抗滑桩显而易见的优点，所以在水利水电、铁路、 公路、城镇、矿山建设滑坡整治工程中得到了广泛的利用。在三峡库区滑坡中也 大量采用了这种支挡结构。 预应力锚索抗滑桩的优势是显而易见的，然而一旦其结构涉及到超静定问 题，无论得到精确的解析解或数值解都会比较困难。工程实践中往往进行了简化， 例如将锚索预应力作为己知力加载在桩上，并按一般力学方法计算出这些力在滑 动面处的弯矩和剪力，由此计算抗滑桩锚固段的内力分布。实际上在预应力锚索 抗滑桩实施的过程中，在桩体施工完成并对桩的锚索施加预应力时，滑坡推力还 没有完全对桩产生作用，随着滑坡推力逐渐起作用在桩上时，锚索受力还会进一 步增加，同时桩身则经历了向滑坡体内位移转向向滑坡外位移的过程，最终达到 正常使用状态，此时锚索与桩作为一个整体结构共同承受滑坡推力的作用，从施加 预应力到由于滑坡推力的作用得锚索受力进一步增加，锚索经历了弹性拉伸，而 桩身位移则经历了向坡体内位移转为向坡体外位移的过程。显然按照现行的简化 计算，把锚索预应力作为己知力施加在桩上进行分析，并得出桩身的内力分布， 而不把桩一锚结构受力作为动态系统来考虑，这样显然是不恰当的。如何考虑锚索 一桩一岩土体之间的协调变形是建立锚索抗滑桩力学计算模型的关键。 关于桩和锚索的变形协调问题，较多文献也提出了在设计计算时都要考虑这 个问题，但具体怎么考虑做法不一，并且建立的位移变形协调条件和协调方程方 也与锚索抗滑桩的实际受力状态不符。为此本人选取“基于变形协调的预应力锚 索抗滑桩设计计算方法研究”作为论文课题，分析了岩土体与桩锚的相互作用机 理，对预应力锚索抗滑桩协同工作的机理进行研究，根据预应力锚索抗滑桩的施 工顺序和实际受力特点，并建立基于变形协调锚索抗滑桩计算模型，在此基础上 分张拉阶段和工作阶段，给出基于变形协调的锚索抗滑桩的内力计算公式的推导， 求出解析解。为设计计算提供参考，本文研究将具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 预应力锚索抗滑桩研究现状 自2 0 世纪6 0 年代以来抗滑桩应用于滑坡治理的工程当中的同时，国内外学 者从不同角度对其进行了多方面的研究，以前苏联、日本和中国学者为代表。国 外的研究主要侧重于水平推力桩开展了不少的研究啼儿钔，对治理滑坡的抗滑桩研究 第一章绪论 的不多，其实抗滑桩是可以看做水平推力桩的一种特定形式。 对于抗滑桩内力计算模型的确定问题，在对水平推力桩的内力计算中，常用 的方法基本上分为线弹性地基反力法和非线线性地基反力法两大类盯1 。在国内主 要是悬臂梁法和地基系数法，这两种方法均只考虑桩周土处于线弹性阶段。因为 当桩的横向变位较大时，土的非线性将变得非常突出，弹性假定不再适宜，而用 弹塑性分析法，也称复合地基法阳1 ，其中国际上较流国际上较流行的是p - y 曲线 法。p - y 曲线法是根据地基土的实验数据来绘制，m a t l o c k 建议了软粘土p - y 曲线 法绘制方法，r e s s e 建议了硬粘土、砂性土的p - y 曲线绘制方法，在滨河、滨海 的软土地基中，p - y 曲线法已得到较多应用。吴恒力提出了计算推力桩的综合刚 度原理和双参数法口3 ，来确定桩嵌固段的内力，考虑了多种土抗力的分布形式， 常用的“m 法、”k “法、和“c ”法都涵盖在其中，不受桩周土处于线弹性或非 线弹性状态的限制，其缺点则表现在考虑双参数后，问题变得复杂化，且在实际 操作中m 和i n 这两个特定参数到底取何值合适没有统一的标准，极易出现因人 而异的局面。 另外，基于各种数值分析方法和计算机技术发展起来的数值模拟软件，如 a n s y s ，f l a c - 3 d ，a d i n a 等为解决复杂的岩土工程计算问题提供了有效的途径哺1 ， 如b b r a n s b y 瞄 等使用三维有限元方法进行分析时，土按线弹性模型计算，计算结 果与离心模型试验结果较一致。但由于数值计算和桩土性质的复杂性等因素，用 数值模拟的方法进行治理效果的评价，解释桩土相互作用的性状和一般趋势规律 还可以，用于设计则很难，不过这是一种很有发展潜力的方法。 目前我国仍主要采用线弹性地基反力法来分析计算抗滑桩的内力和变位，将 岩土体视为弹性文克勒地基梁模型。文克勒模型的优点是简便且工程经验丰富， 其主要缺点是没有考虑地基的连续性。 随着锚索技术的发展，在滑坡工程中大量使用了锚索工程，锚索与抗滑桩的 结合就产生了锚索抗滑桩。随着锚索抗滑桩在工程中的应用和发展，在抗滑桩理 论和发展现状基础上，许多学者对预应力锚索抗滑桩进行了大量研究，并取得了 丰硕的研究成果。在国外对预应力锚索抗滑桩的研究相对较少。国内由于预应力 锚索抗滑桩在工程建设中的大量投入使用，相应的试验研究，现场测试技术和理 论研究相对较多。国内早期的研究机构主要是铁道部科学研究院西北研究所等铁 道部门，并在修建铁路中使这种技术进行了广泛的应用蚓口刀“羽n 引。 对于预应力锚索抗滑桩的设计计算，在计算锚索拉力时，前苏联学者金布格， 依申柯啪3 开展了锚杆抗滑桩组合结构的计算方法研究工作，提出了用控制桩顶水 4 第一章绪论 平位移的方法来计算锚杆的拉力该方法考虑了桩与桩周岩土的共同作用以及桩的 变形，但把桩顶变形作为己知条件，忽略了锚索的变形与桩的共同作用。王化卿， 余振锡，刘光代等人n 町乜口3 等人将预应力锚索抗滑桩受力图简化为顶端铰支、下 端弹性固结的简支梁式结构，提出由作用于每根桩上的滑坡体推力和桩前滑面以 上岩土抗力或根据经验给定一个预应力值，来计算桩在滑面处的剪力绕，锚索拉 力按1 2 - - 一4 7q o 进行设计，此方法未考虑锚索受力后出现的弹性伸长，与实际 受力情况不符。薄长顺啪1 在衡广复线采用分段计算法和有限差分法，也就是将锚 固段与悬臂段分成两部分进行计算，锚固段作为固端，按一次超静定求解锚索拉 力，解除约束后按弹性地基梁法求解锚固内力，该计算方法在计算拉杆力时未考 虑锚固段的变形与位移，与实际不符。田景贵等妲2 1 取桩端固端处弯矩为零时计算 锚索拉力，未考虑桩身及锚索受力后的变形，这与实际有一定的出入。 前面提出的简化计算方法，可以归为第一类方法，认为锚索提供的拉力就是 所施加的预应力，忽略了锚索在工作状态下内力的改变，即没有考虑桩和锚索的 变形协调问题，这种设计计算方法与单纯的抗滑桩计算相类似，显然是不合理的。 第二类方法，考虑了桩和锚索的变形协调问题。该设计计算方法是把锚索预 应力与滑坡推力作为外荷载，考虑预应力施加后由于滑坡推力大小的变化引起的 锚索拉力的改变，桩、锚在桩身锚索点处变形协调，计算结果更加可靠。这种方 法比第一类方法在理论上较合理，目前应用也比较多。在计算方法上，励国良【2 7 】 提出锚索抗滑桩与滑坡体相互作用的计算，确定滑坡推力及桩前剩余抗滑力后， 再结合桩周土的变形特征及桩顶允许位移来设计锚索拉力。周德培，王建松1 2 4 】建 议将桩、锚固段桩周围岩体、锚索作为一个整体，视作超静定结构，锚索与桩的 连接处按弹性支承，桩按弹性地基梁计算。对于锚索拉力的确定刘小蒯2 5 】建议桩 在滑面处为零的条件下来确定锚索拉力，然后考虑桩和锚索协调变形，计算锚索 的变形协调拉力，施加的锚索预应力值应为前者与后者的增加值。曹兴松，周德 培 4 1 提出对于软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算，建议预应力锚索抗滑桩 的施工顺序、实际受力条件、锚索预应力的主要控制因素等，分阶段进行预应力 锚索抗滑桩设计计算。陈占【2 6 】结合株六复线工程实践，采用分段计算法和地基系 数法，根据岩土体的物理力学性质，考虑锚索与桩变形变形协调条件及锚索预应 力损失，控制桩锚固面处的变形及改善桩身内力分布来设计计算预应力锚索抗滑 桩。李凯玲，门玉明【4 3 j 对锚索一抗滑桩一岩土体相互作用系统的计算方法进行了研 究，提出了在锚索抗滑桩设计计算，考虑锚索的强度外，同时考虑锚索的伸长量， 使其与桩的变形相协调，建立了新的锚索抗滑桩计算理论。黄质宏，郭建强f 5 0 j 等采 用横向变形约束弹性地基梁法设计预应力锚索抗滑桩，按照变形协调原理计算锚 第章绪论 索拉力、抗滑桩的位移和桩身内力。 显然第二类方法较第一种方法合理，预应力锚索抗滑桩的计算的采用多趋向 于后者，但桩、锚具体的变形协调条件不一，有此建立的变形协调方程也不同， 而且对此深入分析的很少。目前预应力锚索抗滑桩的计算中尚存在许多不足，主 要表现在以下几个方面： 预应力锚索抗滑桩的设计计算涉及到桩土锚索之间的作用，有必要对它们相 互作用的机理作进一步的分析。 现有的锚索与桩的变形协调计算模型以及变形协调方程不够合理，需要进一步 的改进。 现有的预应力锚索抗滑桩设计计算方法还不够成熟，需要根据预应力锚索抗滑 桩的实际施工顺序和受力特点，建立其力学计算模型，在此基础上最终得到预应 力锚索抗滑桩内力、变位计算的解析解，为其设计计算理论奠定理论基础。 1 3 本文的研究思路和主要工作 综上所述，国内外学者对预应力锚索抗滑桩这种支挡抗滑结构在设计计算理 论研究方面做了大量的工作，在具体工程实践中也逐渐体现出其优越性。由于锚 索抗滑桩是由锚索和抗滑桩两种不同结构共同组成的有机整体，其结构的受力特 点较单纯的锚索和抗滑桩复杂得多，对于其工作机理及设计计算方法还存在不足 之处。论文主要是针一对目前存在的这些问题而逐步展开的，其基本研究思路是 首先对桩、锚索、岩土的相互作用进行详细的分析，对现有预应力锚索抗滑桩设 计计算中存在的主要问题进行研究，并提出改进的预应力锚索抗滑桩的计算模型 和计算方法，在此基础上对锚索抗滑桩的内力计算公式和锚索拉力计算公式进行 了推导，最后讨论了锚索抗滑桩的程序并结合工程实例验证论文理论的合理性。 针对上述本课题研究的思路，论文的主要内容如下： 通过岩土体与桩锚的相互作用研究，分析了滑坡推力的传递机理、在抗滑 桩前、后的分布形式，推导了滑坡推力的计算公式；对桩间土拱的力学效应进行 了分析，并对最大桩间距的计算公式进行了推导。 通过对预应力锚索抗滑桩协同工作机理的研究，在现有的桩锚变形协调计 算模型的基础上，提出改进的桩锚变形协调计算模型，以及相应的变形协调方程， 为锚索拉力的计算提供依据。 通过对现有预应力锚索抗滑桩设计方法进行分析，提出改进的计算方法， 6第一章绪论 并建立更切合实际的预应力锚索抗滑桩的计算模型，在此基础上对锚索抗滑桩的 内力计算公式进行推导。 基于变形协调的预应力锚索抗滑桩锚索拉力的计算方法的分析，对锚索拉 力的计算方程进行推导。 对锚索抗滑桩的设计步骤进行了总结，最后结合工程实例，运用论文提出 的方法对锚索抗滑桩的内力进行计算，并将计算结果与前人方法的分析结果进行 对比分析，从而论证本文提出的方法的合理性。 第二章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 7 第二章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 2 1 引言 在进行预应力锚索抗滑桩设计过程中，研究岩土体与桩锚的相互作用机理 是最基本的问题之一，是准确而合理进行锚索抗滑桩设计的基础。本章主要分 析岩土体和抗滑桩、锚索之间的相互作用，在岩土体和抗滑桩相互作用分析中， 主要研究了桩间土拱效应、土拱最大桩间距的确定、滑坡推力的计算以及其在 抗滑桩前、后的分布形式；在锚索和岩土体相互作用中主要对锚索锚固加固岩 土体机理进行了分析，并给出了锚索加固力所增加的抗滑阻力增量的计算公式。 2 2 岩土体与桩的相互作用分析 2 2 1 滑坡推力传递的机理分析 进行滑坡推力传递机理的分析，对于确定抗滑桩支挡多大的滑坡推力以及 桩前传递多大滑坡推力提供重要的理论依据，是抗滑桩设计计算的基本内容之 一。关于滑坡推力在滑坡体和桩间的传递机理，目前对研究比较多的是桩间土 拱理论方面的问题。 从长期工程实践和模型试验发现，分散布置的抗滑桩是通过桩间土拱将滑 坡推力传递到桩上，再通过桩传递到下部稳定的岩土层。也就是说抗滑桩之所 以能控制和稳定滑坡，是由于桩在岩土土体中可以形成土拱效应。事实上，在 滑坡处治工程中，当抗滑桩施工完成后，在抗滑桩阻碍坡体位移而使自身产生 变形的同时，相邻桩之间的土体有向坡体外侧移动的趋势1 2 9 】。由于抗滑桩的横向 位移小于坡体的横向位移，造成桩后局部范围内的土体不断挤压桩体而产生不 均匀的土压力，桩间的部分土体因受桩体约束作用的不同而产生不同程度的变 形而形成土拱效应 3 0 】。土拱效应形成后，其能够限制桩间岩土体的滑出，并将 桩后滑坡推力力传递到两侧桩上，此时相邻的两桩就起到了固定拱脚的作用， 桩间岩土体产生了拱圈的功能，滑坡推力作用在拱圈上，这样就产生了如图2 1 所示桩间土拱的力学结构形式。在抗滑桩加固的岩土体滑坡，只要抗滑桩布置 合理，就能形成土拱。土拱能够有效传递滑坡推力能力的发挥，很大程度上取 决于抗滑桩间距的设计，桩间距过小会造成工程造价过高和施工的困难度；桩 间距过大会使桩间土拱不易形成，发生抗滑桩之间岩土体向前滑动，桩的抗滑 8 第三章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 功能不能形成。因此研究抗滑桩加固边坡的土拱效应，准确地确定抗滑桩的间 距不仅具有重要的工程意义，还具有很高的经济价值。下面就从设计合理的的 角度出发，对抗滑桩加固边坡的土拱效应进行力学分析，研究滑坡推力的传递 机理，对合理的最大桩间距计算公式进行推理。 2 2 2 桩间土拱效应的力学分析 滑坡处治工程中的土拱效应问题是一个空间问题，因为空间的模型不易建 立和力系的复杂性，现在人们的研究通常简化为水平拱和竖向拱的问题【3 。滑 坡的产生，主要是由于坡体在自重或其他外部因素的作用下沿着滑坡坡体中的 软弱结构面发生的剪切破坏，当软弱结构面的抗滑能力小于滑坡推力时就会引 起滑坡的发生。在抗滑桩处治边坡工程时，抗滑桩可以阻止滑坡水平向变形的 发展，被抗滑桩直接支护坡体的水平向变形要小于两桩间岩土体的水平变形， 这样被抗滑桩加固的滑坡体在水平方向上形成土拱效应。而在竖直方向上，滑 坡没有明显的竖向变形存在，不具备产生土拱效应的条件。所以对土拱效应分 析主要是针对坡体水平拱而言的，滑坡推力平行于滑动面。 滑坡岩土体中的土拱形成过程。是岩土体调整自身内力分布的过程。土拱效 应主要是利用土体抗压性能好、抗拉能力差的特点，是土体受力变形后自我优化 调整的结果【3 2 1 。因此在滑坡推力均匀分布于桩间坡体的情况下，土拱的形状可 以认为合理拱轴线，在拱轴线每一个截面上只存在压应力，而没有拉应力和截面 弯矩，适合于土体抗压不抗拉的特点。为了便于计算和分析我们假定：在滑面以 上坡体，桩间的土拱坡体虽然具有一定的厚度，但一般相对其高度来说比较小， 在分析时不计土拱自重，土拱效应自桩顶以下均匀一致，将土拱简化为沿桩长方 向的平面应变问题；土质为各向同性，即单位厚度的水平土层内，土质宏观上是 均匀的；滑坡推力水平均匀分布作用于土拱上，如果土拱前存在剩余抗滑力，则 剩余抗滑力如同滑坡推力水平均匀分布作用于土拱上，方向相反。根据以上分析 和假定条件，设土拱跨度为( 即桩间净距) 为l ，其后作用的均布水平荷载( 滑坡推 力和剩余抗滑力的差值) 为q 。土拱能够适应一定变形而不发生破坏，说明该土拱 结构为静定结构拱，即三铰拱。此结构为一对称结构，由于对称性可取半边拱进 行研究，建立如图2 1 所示的坐标系以及桩间土拱力学计算模型，来推导合理的 拱轴线方程和力学计算方程。具体推导过程如下： 由结构力学可知，在拱前缘最高点b 为受力不利点，此处的受力状态为： m b = 0 h 月一匕l 2 + q z 2 ，4 = 0 ( 2 1 ) y = 0 以一q l 2 = 0 ( 2 2 ) 第二章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 9 式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 联立求解可得： 图2 1 桩间土拱的力学计算简图 f i 醇1m e e a n i c sc a l c u l a t i o ns k e t c ho fs o i la r c hb e t w e e na n t i - p i l e 日。：丝 ( 2 3 ) “ 8 一， y 。：丝 ( 2 4 ) “ 2 式中：q 一作用于单位土拱厚度上的滑坡推力和剩余抗滑力的差值； 卜拱矢高；卜桩间静距。 又由于拱上任一截面处弯矩为零，可得方程： h y + q x 2 一圪x = 0 ( 2 5 ) 对式( 2 5 ) 求解，并考虑到式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，得到拱轴线的合理方程为： y ：4 f i ( j l - x ) ( 2 6 ) 0 另外注意到，当土拱处于极限平衡状态时，在均布荷载下拱脚处的受力最大， 所以对拱脚也应进行受力分析。对拱脚处对a 点取一岩土体微元力学分析可知， 沿着拱轴中性线a 点的切线方向即为最大主应力ol 方向，在a 点垂直于拱轴线方 向即为最小主应力03 方向。当a 点处岩土体达到极限抗压强度时，就会产生剪切 破坏，破坏面与最大主应力方向即与拱轴线方向成0 = 4 5 。一( p 2 的夹角。根据实 际情况，在a 点处土体产生极限状态时岩土体将会沿着垂直方向即y 轴方向发生 剪切破坏的趋势；另外由图2 1 可以看出，a 点处拱轴线的切线方向和x 轴夹角大 l o 第三章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 小应为1 3 = 4 5 0 + 矽2 ，所以在a 点处有如下数学关系式 t a i l = t a n ( 4 5 。+ 妇p 2 ) = 丸。o = 4 f l ( 2 7 ) 式中：1 3 一拱脚处的切线方向与x 轴的夹角，9 一土体的内摩擦角，其余符号 意义同前。这样就可得到拱高为： 厂：ltan(45。+cp2)lr( 2 8 ) = 一 lz j 4 将式( 2 8 ) 代入式( 2 3 ) 得到土拱脚处的水平作用力为： 日：兰生一 ( 2 9 ) 4 2 t a n ( 4 5 。+ 缈2 ) 2 2 3 土拱截面强度验算及最大桩间距的确定 由于土拱截面仅受轴力作用，为了保证桩间土拱不因剪切破坏而失去稳定 性，因此验算土拱的截面强度是很有必要的。由于在拱顶和拱脚处截面的前缘 为受力不利状态点，所以应分别对这两个部位岩土土体以微元强度理论进行强 度验算。由材料力学和结构力学可知，莫尔库伦准则表达式为 仃l = 仃3t a n 2 ( 4 5 。+ 伊2 ) + 2 c t a n ( 4 5 。+ 缈2 ) ( 2 1 0 ) 由于在拱顶截面的前缘点b 点的轴力h b = 日月，所以b 点应力状态为： 卟丽斋丽 。2 m ， 【仃3 = 0 把式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 0 ) 可得b 点的最大桩间净距公式为： l ：2 b c t a n 2 ( 4 5 * + 妒2 )( 2 1 2 ) q 在拱角截面的前缘点a 点的应力状态为： 卜辱 旺 【仃3 = 0 把式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 1 3 ) 得0l ，然后把0i 和03 代入式( 2 1 0 ) 式， 可得到a 点最大桩间净距公式l 为： 三：4bcsin(45。+cp2)tan(45+矽2) ( 2 1 4 ) g 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 可得拱脚处最大桩间距公式为： 第二章岩土体与桩锚的相互作用机理分析l l l = l + 口 ( 2 1 5 ) 式中a 为垂直于滑动方向的桩的截面宽度。 以上是对土拱传递滑坡推力的机理进行了分析，并推导了最大桩问距的计算 公式的两种种情况，计算时可取式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 4 ) 的最小值，作为在锚索抗 滑桩处治滑坡设计时最大桩间净距的控制理论依据，进而求出最大桩间距。另外 还要注意，为了考虑桩间距过大时滑坡岩土体发生绕桩滑动的可能性，这时需要 根据极限平衡理论进行桩的绕流阻力验算，即桩的阻滑力验算，以便对最大桩间 距进行有效的控制。 由文献 3 3 、 3 4 可知进行桩的绕流阻力验算，目的是使抗滑桩上作用的滑 坡推力荷载满足要求。根据以上推导的最大桩间距计算公式为控制条件，能保证 岩土体的滑坡推力确实被土拱能有效地传递到抗滑桩体，还应对桩进行绕流阻力 验算。当桩间距为l 时，由抗滑桩桩承担的担滑坡推力不能大于绕流计算的桩阻 滑力。 为了考虑桩间距过大时岩土体发生绕桩滑动的可能性，沈珠江根据极限平衡 理论对此问题进行了分析，将极限平衡状态下计算的桩的绕流阻力作为其最大的 抗滑阻力，即能作用到抗滑桩上的最大滑坡推力荷载，因此无论从桩的结构计算 上确定桩抗滑能力有多大，只要作用到桩上的下滑力达不到此值，则桩的结构设 计就起不到应有的作用。因此，应对桩的抗滑阻力进行计算，除了前述的土拱理 论作用到桩上的滑坡推力荷载计算以外，为了更好地保证抗滑桩发挥其应有的作 用，也应进行桩的绕流阻力计算。 基本假设：土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动； 土层为理想的凝聚材料或m o h r - c o u l o m b 材料； 桩的表面绝对粗糙。 在以上的假定条件下，可以得出矩形桩和圆形桩的绕流阻力公式，对于矩 形截面桩的绕流阻力计算公式为： q 。= ( 仃。+ o r ，) 肚x p ( 万t 柚缈) 一k o a + 2 ( 1 一s i n 缈) t a n 缈e x p 【( 万2 + 伊) t a n 伊】b ) ( 2 1 6 ) 式中：q 。沿桩长方向单位长度的绕流阻力 o 。凝聚压力，其值为c r c = c t a n 缈 ，c 为粘聚力 o 。一垂直压力 k 一主动土压力系数，其值为七。= ( 1 一s i n9 ) ( 1 一s i n 咖 够一土的内摩擦角 如b 一分别为桩垂直于滑动方向的桩的宽度和平行于滑动方向的长度 对于圆形截面桩的绕流阻力计算公式为 1 2 第三章岩土体与桩锚的相互作用机理分析 铲( 竺李 e x p ( 万删【3 t a l l 卿s + ( 2 t a n 2 州) s i n g c = ( c r c + q ) 1 面万寺一 ! e x p 协伽伊) 【3 伽伊c o s + 伊一1 ) s l n + 等笔等s 证卜【3 协t o s i n p - c 2 伽2a p - 1 ，c o s p 一等笔岩c 。s 肛 ( 2 1 7 ) 式中= 7 r 4 + 缈2 ，d 为桩的直径，其余符号意义 若抗滑桩排成一排时，两桩中心之间的临界距： k = l1 + 三t a i l 膨p ( 三t a i l q ，) a + 2 e x p 以t a l l 咖i n 肿 ( 2 1 8 如果两桩中心之间的距离l 超过下列临界间距l c 时，则绕流阻力的计算对 于矩形桩仍采用式( 2 1 6 ) 。但当桩间距再缩小时，阻力将增大，由于前面的计 算公式不再适用，需进行数值计算。采用经验计算公式为： 生：1 + ( 0 4 5 + 1 4 5 s i n 够, ) t a n 2 x ( 1 _ - l - l c ) ( 2 1 9 ) 9 c z 式中：q r _ 桩间距小于临界桩间距时的桩单位长度的绕流阻力。 对于圆形