（水工结构工程专业论文）抗滑桩在滑坡治理中的应用研究.pdf

抗滑桩在滑坡治理中的应用研究 摘要 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施，在世界各国滑坡治理中占有重要的 地位。但长期以来，抗滑桩设计过程中存在的一些问题始终未能得到较好的解 决。该文在前人研究成果的基础上，对抗滑桩在滑坡治理中的应用和设计方法 做了进一步探讨。阐述了抗滑桩的历史和发展情况并深入探讨了抗滑桩的作用 机理、计算参数的选取、设计理论和桩的使用条件等。就目前采用的设计方法 中存在的问题和设计中应注意的事项提出了一些讨论。该课题结合芜湖市城市 防洪青弋江花津桥防洪墙滑坡治理工程的设计实例，在其滑坡工程地质勘察、 土工试验和监测资料的基础上，详细的分析了该工程滑坡产生的原因和原抗滑 桩加固设计上的缺陷，建立了滑坡和抗滑桩的简化力学模型，阐明了抗滑桩的 作用机理。利用极限平衡理论，采用传递系数法，系统地给出了滑坡推力和桩 前剩余抗滑力的计算方法。计算桩身内力时分别利用悬臂桩法、弹性地基框架 和t o m i oi t o 塑性变形理论建立力学模型，并给出了设计中计算参数取得的途径 和具体的计算步骤。同时将竣工后的监测值和理论计算值作了比较，分析了两 者间误差产生的原因和各计算方法的局限性。 关键词：抗滑桩滑坡推力悬臂桩弹性地基框架塑性变形理论 r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no f a n t i - s l i d ep i l e si nt h el a n d s l i d ec u r e a b s t r a c t a n t i s l i d ep i l e sw h i c ha l ea l le f f e c t i v em e a s u l lf o rc o n t r o l l i n gt h el a n d s l i d eh a v ea n i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt r e a t i n gt h el a n d s l i d ei na l lc o u n t r i e so ft h ew o r l d b u tf o rl o n gt i m e s o m ep r o b l e m se x i s t i n gi na n t i s l i d ep i l e sd e s i g np r o c e s sc a n tb er e s o l v e de n t i r e l ya i lt h e t i m e ，s u c ha sh o wt oe s t a b l i s ht h el o c a t i o no fp i l e s ，h o wt oe s t a b l i s ht h ed i s t a n c eb e t w e e n t h ep i l e sb yc a l c u l a t i o na n ds oo n b a s e do no t h e rl l s e 酊c h e r s as e r i e so fs t u d yp r o d u c t s ， t h ea u t h o rs t u d i e dt h a tt h et r e a t i s es t a r t sf r o mt h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o no fa n t i s l i d ep i l e s ， a tt h es a m et i m e d i s c u s sr o u n d l yt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nl a n d s l i d ea n d a n t i s l i d ep i l e sa sw e l la st h em e t h o do fd e s i g na n dc a l c u a t i o n m e a n w h i l e t h ea u t h o r s u m m a r i z e sc e r t a i nr u l e sa n d p u t sf o r w a r ds o m eo p i n i o n sf o rt h ed e s i g n s u c h 勰t h em e t h o d i nt h et r e a t i s eo fd e s i g nw i t hi t sc h a r a c t e r s b a s e do nas u c c e s s f u ld e s i g nf o rs t r e n g t h i n go f l a n d s l i d eo fa nt i f l o o dw a l lb a s el o c a t e da tw u h uh u a j i n gb r i d g e t h ea u t h o ra n a l y z e st h e r e s u l to fl a n d s l i d ea n dt h eb u go ft h el a s t d e s i g nw h i c hw a saf a i l u r e ，a n d b u i l dt h e s i m p l i f i e dm a c h a n i mm o d e lo fa n t i - s l i d ep i l e s f r o mt h em o d e l , t h el a n d s l i d et h r u s ta n d r e m a n e n ts l i d i n gr e s i s t a n c eb e h i n dt h ep i l e sc a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h el i m i te q u i l i b r i u m t h e o r ya n dt o e 伍c i e n to ft r a n s m i s s i o nm e t h o d n 圮i n t e m a lf o r c eo ft h ea n t i - s l i d ep i l ei s c a l c u l a t e dw i t ht h ec a n t i l e v e rp i l em e t h o d ，t h ef r a m eo ne l a s t i cb a s em e t h o da n dt o m i oi t o s p l a s t i c de f o r m a t i o n th e o r yo nt h eb a s eo ft h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r w i t ht h ec o m p a r i s o n o f t h et h e o r e t i cr e s u l ta n dt h ef r a c t u a lm e a s u l ll l s u i t , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ee r r o r sl l a s o n f i n a l l yi th a v eb e e np o i n t e do u tt h a tt h ef a c t o r sw h i c hw e l ln o tc o n s i d e r e da n dt h el i m i t i o n o f c a l c u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：a n t i s l i d ep i l e ，t h r u s t i n gf o r c eo fl a n d s l i d e ，c a n t i l e v e rp i l em e t h o d ，f r a m eo n e l a s t i cp l a s t i cb a s e ，d e f o r m a t i o nt h e o r y 插图清单 图2 - 1 土拱简化计算模型1 6 图2 - 2 土拱交汇处的受压区图1 6 图2 - 3 简化b i s h o p 法图式2 4 图2 - 4j a n b u 法计算滑坡推力简图2 6 图2 - 5 传递系数法图示2 8 图3 - 1 动面附近桩段的工作图式3 3 图3 - 2 桩力的计算图示3 4 图3 3 周土体的塑性状态3 6 图3 q 底边界条件4 0 图3 - 5 刚性桩计算图式4 1 图3 - 6 面处抗力不为零的处理4 5 图4 - 1 堤防抗滑稳定计算简图5 5 图4 _ 21 + 7 1 0 、1 + 8 7 4 断面5 7 图4 - 31 + 7 9 0 断面5 7 图4 - 41 + 6 3 6 断面5 7 图4 5 单桩计算简图5 8 图4 - 6 计算m 值示意图5 9 图4 _ 7 框架计算简图6 0 图4 - 8 桩号1 + 8 7 4 桩身内力与位移6 2 表格清单 表4 - 11 + 7 1 0 、1 + 8 7 4 断面各土层的物理力学指标 表4 - 21 + 6 3 6 断面各土层的物理力学指标 表4 - 31 + 7 9 0 断面各土层的物理力学指标 表4 4 滑动面特征值 表4 - 5 滑动面特征值 表4 - 6 典型断面主要参数及计算成果表 表4 - 7 典型断面主要参数及计算成果表 船昭弱弘弘 的 盯 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些盍堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 躲、峰金期：驴胁s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔兰有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘j 允许论文被查阅和借阅。本人授 权金鹅王些太堂可以将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、正编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：汐) 年f 朋多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：乏芝厶 签字日期：口1 年f 狷n 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师王慧老师致以最诚挚的感谢和深深的敬 意! 在我研究生阶段的学习及论文撰写的过程中，王老师自始至终给予了悉心 的关怀和精心的指导，并对我考博给予极大的鼓励和帮助。桃李不言，下自成 蹊。她严谨的治学态度、渊博的学识、热情谦逊的品格以及对文学，历史的广 泛涉猎和对中国传统文化精髓的独到见解，都使我深受启迪，受益匪浅，不仅 在专业知识上有了极大的进步，而且在人生观、世界观上也深受影响。 感谢王馨梅、黄小平，张龙等同学在学习和生活中给予的帮助和关怀。 最后，要特别感谢我的父母和妻子对我的支持与鼓励，感谢所有在我生活、 学习中支持和帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们! 张景奎 二零零七年十一月 第一章绪论 1 1 问题的提出 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、间歇性滑动的不良地质现象。滑坡 的发生诱因有两种，一是由于自然条件的改变导致的自然滑坡，另一个是由于 人类的经济和建设活动造成的滑坡。由于经济建设的需要，从陆地至海洋、由 平原到山区大量人类工程活动使自然环境改变，导致新生的人工滑坡灾害损失 大于自然滑坡。 目前，滑坡已和地震、火山并称为当今三大地质灾害源。随着国民经济的 发展以及西部大开发战略的实施，交通运输、矿山开采、水利水电等基础设施 的建设正以前所未有的速度发展，因此在开展大规模的工程建设中，经常不可 避免的需要开挖岩土体，形成大量与人类工程活动有关的工程边坡，工程中所 遇到的边坡问题越来越多，而且边坡失稳所造成危害性极大，诸如阻断交通、 拦截河流、摧毁建筑等，危及人民的生命财产安全，所造成的直接与间接经济 损失更是无法估量。因此国家和地方已经投入了大量的人力、物力和财力来进 行这方面的研究和治理。由此可见，对边坡地质灾害进行合理防治的重要性。 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 很大成就，其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速。当削坡、减载、阻水、排 水等措施不足以解决边坡失稳问题时，采用抗滑桩等抗滑支挡结构是国内外公 认的比较有效的工程措施。 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施，在世界各国滑坡治理中占有重要的 地位。工程实践表明，抗滑桩能迅速、安全、经济地解决一些较困难的工程问 题，因此发展较快。抗滑桩的抗滑原理，可以归纳为以下几点：抗滑桩依靠 滑面以下部分的锚固作用和被动抗力来共同平衡作用在桩上的滑坡推力；抗 滑桩桩距在一定范围时，可以借助桩的受荷段与桩背土体及桩两侧的摩阻力形 成土拱效应，使滑体不至于从桩间滑出；抗滑桩承受了桩间距范围之内滑体 所产生的滑坡推力总的来看，抗滑桩具有以下优点：抗滑能力较大，工 程量较小，在滑动面深、滑坡推力大的情况下，较其它的抗滑工程经济、有效； 桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也能与 其它建筑物配合使用；抗滑桩施工方便，所需的设备简单，具有工程进度快、 旌工质量较好、相对安全等优点，施工时可间隔开挖，不致引起滑坡条件的恶 化，施工中如果发现问题也易于补救：开挖桩孔能校核地质情况，检验和修 改原有的设计，使其更符合实际；对整治运营线路上的滑坡和处在缓慢滑动 阶段的滑动特别有利。 基于以上优点，抗滑桩成为滑坡地质灾害治理中一种非常重要的方法。据 统计，迄今为止，它是在滑坡治理中应用得最多的工程结构物。目前随着抗滑 桩日益广泛的应用，虽然国内外在抗滑桩加固整治滑坡方面的实践和理论研究 已取得了很多成果，在抗滑桩治理滑坡机理分析和治理设计方面不断取得进展， 但远未成熟，仍存在着诸多的不足和有待改进的地方设计计算理论采用了许 多假设，没有很好地考虑桩一土问的相互作用，在分析复杂抗滑体系中很难与 实际受力状况相符。 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，是 一个值得进一步研究的问题。同样许多工程的桩身内力或桩顶位移实测结果也 远远小于设计允许值，这些都深刻地表明，目前大多数抗滑桩结构的安全系数 过大，结构的抗滑能力远没有充分发挥，因此现有抗滑桩结构的设计还有待于 进一步改进，合理评价抗滑桩加固防护治理方案至关重要，而且由于抗滑桩整 治工程的耗资经常动辄上百万甚至上千万，耗资巨大，因此如何在安全的基础 上进行经济合理的设计，对国民经济又好又快发展有着重要意义。 1 2 研究现状”1 1 2 1 坡体稳定分析的现状 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 对于土质滑坡和基岩滑坡( 也可称为岩石滑坡) 有不同的稳定性分析方法。此处 所指的滑坡包括边坡( 人工边坡或自然边坡) 失稳。 坡体的稳定性分析方法一般而言有如下几种，即以条分法为基础的极限平 衡分析法( 包括二维和三维) 、基于塑性理论的极限分析法、有限单元法以及地 质类比法，最后一种属于定性分析方法。目前应用最广的还是极限平衡分析方 法，应用最早且目前仍被广泛来用的稳定性分析方法当属瑞典条分法，该法首 先由彼德森( p e r e r s o nke ) 提出，费伦纽斯( f e l l e n i u s w ) 和泰勒( t a y l o r d w ) 进一步发展了这个方法。b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 提出的关于安全系数定义的改变，对条 分法的发展起了非常重要的作用。基于瑞典条分法的基本思想和b i s h o p 法关于 安全系数的定义，出现了多种形式的条分法j a n b u ( 1 9 5 4 ，1 9 5 7 ，1 9 7 2 ) 的“普遍 条分法”，s p e n c e r 法，m o r g e n s t e r n p r i c e ( 1 9 6 5 ) 法等，国内提出的分析固定滑面 的传递系数法得到了广泛的应用。对于基岩滑坡的稳定性分析方法，除了岩体 破碎时的稳定性分析方法土质边坡相同外，一般分为平丽滑坡和空间滑坡进行 分析，基本的分析方法有分块极限平衡法、传递系数法、分块叠加法、水平投 影法、图解法等。 从1 9 8 1 年开始，孙君实根据潘家铮( 1 9 7 7 年) 提出的极小值原理和极大值原 理，利用塑性力学中的塑性极限分析法，建立和发展了一种新型的稳定性分析 理论一模糊极值理论，孙君实的工作是我国在边坡稳定计算方法上的一个突破， 使我国在这方面的研究工作处于世界前列 用有限元法对边坡进行稳定性分析和破坏的渐进性模拟己成为边坡稳定分 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。 许多学者对边坡最危险滑裂面的搜索进行了研究，提出了各种方法。对于 土坡最危险滑弧位置的研究，在国外如泰勒、b o u t r u p a w 等，在国内，成都科 技大学的张天宝( 1 9 8 7 ) 等编制了大量的图表以利计算简便并求得相应的最小安 全系数。对于圆弧形滑裂面，可用“穷举法”进行最危险滑弧的搜索，对于自 由度较多的任意滑裂面，阎中华曾用“黄金分割法”周文通曾用“鲍威尔法” 探讨过圆弧形和圆弧一直线型的最小安全系数，获得满意结果，但研究范围仍 未进入任意形状滑裂面领域。孙君实使用复形法计算具有多个自由度的折线形 滑裂面的最小抗滑稳定安全系数，使这方面的研究工作大大推进了一步。陈祖 煌( 1 9 8 8 ) 提出了用最优化方法来确定边坡最小安全系数，陈庆中( 2 0 0 0 ) 结合有限 元法、极限平衡理论、常微分方程的数值解法和最优控制理论等，提出用于土 坡稳定的最优控制分析法，朱大勇( 1 9 9 7 ) 根据最优控制理论提出了边坡临界滑 动场的概念，并提出了模拟临界滑动场的数值方法。可见，找出坡体的最危险 滑面位置，己经不再是一件非常困难的事情。 综上所述，目前人们己提出的边坡稳定分析方法主要有：极限平衡法、塑 性极限分析法、模糊极值理论法、有限单元法和概率统计法等。由于各方面的 原因，实用中，人们仍习惯采用各种极限平衡法。对大型复杂，用极限平衡法 难以或无法解决的问题，有限单元法将成为主要的方法。边坡稳定分析方法的 臼臻完善为滑坡治理奠定了坚实的理论基础。 1 2 2 抗滑支挡结构物的发展研究现状 欧美国家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，只对小型 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 多年来有了较大 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： 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，在以应用捧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 r a 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1 0 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 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( 加反力梁或锚墩) 。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。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。 6 0 7 0 年代，曾成功的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，施工开挖极意 坍塌。为了解决抗滑挡土墙开挖基础的困难，曾在贵昆线二梯岩滑坡治理中设 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。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，节省坞工和钢材，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。目前锚索的应用有两种情况，第一，锚索与抗滑桩 4 联合形成“锚索抗滑桩”。在抗滑桩的项部加2 - 4 束锚索，增加一个拉力，改 变了原普通抗滑桩的悬臂受力状态，接近简支梁结构受力，使桩的被动受力为 主动受力，因而大大减小了抗滑桩的截面和埋置深度。第二，用锚索单独稳定 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 采用粱( 包括框架粱) 或墩作反力装置给滑体施加一预应力来稳定滑坡。在滑坡 的综合整治过程中，还会将预应力锚索单独加固与锚索抗滑桩( 或普通抗滑桩) 联合使用，用于不同的治理部位从而达到整体加固的目的。 1 2 3 抗滑桩的研究现状 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 的探讨。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，只是由于滑坡体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”被 动桩与( 岩) 土体之间的相互作用是一个十分复杂的课题，迄今为止，国内外对 其研究得还不充分，因此抗滑桩的设计计算研究也一直处于一种不断探索的阶 段。 1 2 3 1 试验研究 1 ) 国外研究现状 国外从二十世纪四十年代开始逐渐采用抗滑桩来整治滑坡，美国、原苏联， 英国、日本，比利时、奥地利、捷克、荷兰、意大利等国均在公路、铁路，水 利滑坡整治中采用抗滑桩，到六十年代用桩整治滑坡已相当普遍。 日本对抗滑桩的研究较多，桩的型式多为钢管桩。国外其他一些国家对滑 坡中的抗滑桩研究较少，对侧向受荷桩研究较多，一般把抗滑桩纳入侧向受荷 桩的范畴【1 】。1 9 7 2 年，b b b r o w s ，f b a g u e l i n ，p o u l o s 等人以弹性理论、塑性理 论对侧向受荷桩进行了深入的研究，把侧向受荷桩分为刚性桩、半刚性桩及柔 性桩，通过试验研究分析了侧向受荷桩的受力状态和土压力分布规律，用弹性 理论的m i n d l i n 方程和地基反力系数法计算侧向受荷桩的位移。1 9 7 7 年， f b a g u e l i n ，r f r a n k y h s a i d 假设岩土体为弹塑性介质，并把“土一桩系统”问 题简化为平面应变问题，对土与桩的共同作用进行了二维有限元研究，研究了 桩的形状、土壤的扰动和塑性变形对桩截面位移的效应，得出上述各项因素仅 对桩周附近的应力与应变有所影响的结论；并把抗滑桩作为一根在半无限弹性 固体中受水平荷载的铅直轴，进行了三维研究 六十年代国外就将有限元分析应用到滑坡整治的抗滑桩设计中。1 9 6 7 年， 美国旧金山波特罗山( p o t r o r oh i l l ) 的一座建于1 9 0 6 年的无筋污工铁路隧道上方 修建公路，由于公路开挖引起地表，地下水及铁路隧道的一定量的移动，整治 处理采用了3 0 座保护隧道的钢筋混凝土捧架，应用平面有限元分析确定滑坡滑 动的原因，研究各种整治方案，将监测数据与有限元分析结果相互对照，为整 治设计提供依据，成为应用有限元分析进行整治设计的成功例子【8 】。 2 ) 国内研究现状 我国使用抗滑桩整治滑坡最早是在二十世纪五十年代修建宝成铁路，对抗 猾桩的理论研究始于六十年代，主要采用了试验研究、理论计算、有限元分析 等方法。 二十世纪六，七十年代铁道部西北研究所对堆积土滑坡中已建抗滑桩桩背 滑坡推力进行了实测，来检验设计滑坡推力的大小和图式，得到了滑坡推力分 布的一些规律。 1 9 7 7 - 1 9 7 8 年铁道部一些单位联合在成昆线狮子山滑坡第一、二根抗滑桩 现场加载试验，研究单根抗滑桩在滑坡推力作用下与土体的工作状态，研究它 在不同外荷作用下产生的位移、内力和土抗力的分布规律以及桩侧摩阻力对桩 的影响等l i ”。 八十年代初，西北研究所进一步对单根抗滑桩受力条件做模型研究，对三 种情况进行模拟：( 1 ) 桩前滑体具有不同的极限抗滑力时抗滑桩的受力条件；( 2 ) 桩锚固深度不同时抗滑桩的受力条件；( 3 ) 桩前滑体的极限抗滑力及桩的埋深固 定时，随着下滑力的增大，桩前滑体的抗滑力、桩身变位、弯距及抗力的发展 变化情况。得到当滑动面以上桩前滑体的极限抗力不能克服时，即虽有滑动面 的存在，但不能真正起作用时，抗滑桩与普通侧向受荷桩无本质区别的结论。 但试验假设桩土为平面应变状态，没有研究群桩的受力性状和桩间距问题【1 2 】 1 9 8 2 年铁道部第二勘察设计院徐良德、尹道成、刘慧明等通过室内模型试 验，对滑体为松散介质、粘性土时，作用在抗滑桩上的下滑力、桩前滑体抗力、 锚固段地层反力的分布规律进行研究，为设计计算提供了一定依据【1 11 31 4 】。 刘宇成、王建华就滑动面软弱夹层对抗滑桩受力状态的影响进行了模型试验研 究。 1 2 3 2 抗滑桩计算的传统理论 1 ) 塑性理论1 2 3 2 72 02 9 】 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，阻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主要包括下述计算过程：滑动面以上土体作 用于阻滑桩上的侧向压力；桩体的稳定分析；土坡的稳定分析该理论的前提 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地增 6 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，推导出作用于阻滑桩上的侧向土压力计算公式，从而用来研究排桩间距、 桩项固定条件、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 o m i ol t o 等人同时还把土体作为粘塑性材料，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，此时假设每个桩捧均远离相邻的排桩，从而 忽略各排桩之间的影响。 由于塑性理论的解都是极限解，并且假定桩是刚性的，所以与实际情况并 不相符。实际上，桩体变形对土压力的影响很大，在土体发生塑性破坏前，桩 往往己达到弯曲破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 2 ) 地基系数法( 经典的粱挠曲理论) 因为桩的横向尺寸与其轴向长度相比要小得多，所以经典的梁挠曲理论是 可以应用的，由此可推出桩的微分方程： d 4 ，、 暮，矗= _ 子= k 缸，- - l ，j ( 1 - 1 ) 1 1 2 式中：西桩的弹性模m - ( t m 2 或k p a ) ； 一桩截面的惯性矩( m 4 ) ； ( 7 i 一桩在深度z 处的位移( m ) ； u s - - - - 无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) ： k 圹一k 8 = f ( z ，u p ，u s ) 是地基系数( t m 3 或p a l m ) ； 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 u e l i n 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。 3 ) 散体极限平衡理论p 1 】 沈珠江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 上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 要包括以下步骤：桩的绕流阻力计算一整体滑动验算、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己达到极限应力状态， 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：土坡恰好将要滑下，桩刚好要折断或推倒，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。 1 2 3 3 抗滑桩的工程计算方法 国外对于承受( 岩) 土体侧向位移的被动桩的研究，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 e n 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 n ( 1 9 6 5 ) 、n i e u ( 1 9 7 1 ) 、o t e o ( 1 9 7 4 ) 等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。s t e w a r t ( 1 9 9 4 ) 等进一步将现有的计算方法归纳 为如下几种：压力法，位移法和有限元单元法。 压力法计算由地面荷载产生、作用于桩上的荷载时，可近似地认为桩是刚 性的，土体侧向位移和水平应力分布用弹性方法计算，桩按等值板桩墙考虑。 位移法必须己知无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移叠加到桩上， 而桩土相互作用则用弹性理论或地基反力计算，位移法能得到桩的弯矩和位移 分布情况 有限单元法分为平面应变分析和三维分析，当平面应变计算桩土相互作用 时，桩用等值的板桩墙替代，其抗弯刚度等于平均抗弯刚度，从而把桩群直接 分成单元网格进行计算 与国外的研究不同，在国内对于抗滑桩的计算研究主要集中于加固岩土体 边坡方面，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，桩与岩土相互作用的力学计算模型一 般采用线弹性w i n k l e r 地基梁模型。这种计算方法与上面提到的压力法类似， 在此我们也将其称为压力法。根据对桩前滑体的考虑方法不同，又可分为两种， 即悬臂桩法和地基系数法。 l 】悬臂桩法p 1 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 1 地基系数法1 1 1 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为己知的设计荷载，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 l e 根据对地基系数的假定条件不同，又可分为“k ”法、“m ”法和混合法等。 “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。 “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一半坚硬 的砂粘土、碎石土和风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加而增 加的地层。 混合法 认为地基系数随深度的增加而增加，但到一定深度后就不再增加，即采用 “m ”法和“k ”法的混合计算。 1 2 3 4 有限元法分析抗滑桩 有限单元法系根据桩的材料和桩周岩、土的试验资料为依据，把桩和岩、 土作为一个共同体，在荷载作用下进行变形和应力分析，并求出桩和岩、土中 各部分在滑坡推力作用下的位移和应力。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一土相互作用问题都是一个可行的途 径，是种“以不变应万变”、形式和途径都较为统一、可编程性好的数值分析方 法。 由于上述方法需通过查表手算或经过查表、计算换算深度、再查表手算等 烦琐的计算过程。对于较复杂的抗滑桩型式，如锚索抗滑桩和钢架抗滑桩等的 计算也很繁琐。而有限单元法对复杂结构，尤其对复杂的边界条件、复杂的地 层条件和复杂的荷载条件等的计算处理都比较方便。并且有限单元法能够考虑 抗滑桩与土体的相互作用。随着计算机技术的迅速发展，近年来越来越多人开 始采用有限元分析桩的受力状态，为桩的设计计算提供了一种新的途径。 1 2 3 5 抗滑桩的设计及桩间距研究现状 在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间 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，两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，应用土拱理论来分析抗滑桩上的荷载也是一条值得探索的途径 成拱效应在土木工程中无处不在，这是由于土、砖石和钢筋混凝土结构的 不均匀变形引起的在堤坝工程、加筋土工程、砖砌体工程、地基一片筏一框 架工程以及基坑边坡工程中均存在着成拱效应问题。 在基坑边坡工程中，由于支护结构的施加，使得基坑或边坡岩土体在支护 结构附近的变形较小，而在远离支护结构处的变形较大，基坑土体或边坡岩土 体内部产生不均匀变形现象，从而可引起岩土体中土拱( 成拱效应) 的形成。对 于基坑中的土拱现象及其作用机理研究较多较为细致深入，对于边坡工程中的 土拱作用，其研究主要集中于抗滑桩( 包括圆形桩和矩形桩) 支护的边坡岩土体 中，由于边坡或滑坡外形和滑面形状的不规则、岩土体间内力分布复杂、坡体 岩性多样等原因，使得其研究远没有基坑工程中的土拱效应研究深入细致。 尽管如此，从理论上讲，在抗滑桩支护的边坡工程中，首先由于抗滑桩的 作用坡体内岩土体存在着不均匀的变形，其次其具备了产生土拱结构的条件即 有承受水平方向推力的固定拱脚( 抗滑桩) 、有一定强度材料制成的拱圈( 岩土 体) 、在拱平面内有压力( 滑坡推力) 作用在拱圈上，因此，在抗滑桩加固的边坡 岩土体中，只要抗滑桩设置合理，就能形成土拱。而且人们通过长期的实践和 大量的模型试验也发现，在分散布置的抗滑桩工程中，土拱效应确实存在，两 桩之间岩土体的滑坡推力主要是通过土拱作用传递到两侧的抗滑桩上，而此滑 坡推力的有效传递在很大程度上依赖于抗滑桩间距的设定，因此，研究抗滑桩 支挡的边坡工程中的土拱作用效应有其理论与现实意义。 根据所查阅的文献资料分析，研究抗滑桩支挡的边坡工程中土拱作用方法 基本可分为三种i ，”“。 第一种方法，土拱在整个桩后滑体中形成，土拱上的推力均匀分布，土拱 的形状考虑为合理拱轴线，土拱的跨度为桩间距的长度，土拱上的滑坡推力全 部作用到抗滑桩上，没有考虑滑坡推力在抗滑桩和桩间岩土体之间的传递过程。 第二种方法，只对桩后的桩净距间的岩土体进行研究，不涉及土拱的形状， 直接将其视为滑坡推力计算中的普通条块，设条块间作用有平均压力，通过分 析土条的平衡微分方程确定平均压力的传递方程，将其视为土拱效应所传递的 压力，进而分析土拱效应问题。 第三种方法，对桩后岩土体的成拱作用不予考虑，只考虑抗滑桩截面间的 成拱作用，拱跨为桩净距，将计算的单宽滑坡推力与拱跨的乘积作用于土拱上， 土拱依靠桩截面两侧的摩阻力保持平衡，通过分析此土拱的受力平衡条件对桩 间距以及土拱特性进行研究。 第一种方法将拱跨考虑为桩间距，土拱在各桩之间连续形成，在实际成拱 过程中，直接位于桩后的土体变形都较桩净距间土体的变形小，土拱的拱脚应 位于桩后变形较小的土体中，土拱作用范围不一定恰好是整个桩间距，即拱跨 可能小于桩间距，将其视为桩间距可能会偏于不安全，而且没有考虑滑坡推力 的传递过程。第二种方法没有考虑土拱的拱形问题，将其视为直线型，从严格 意义上说这不是土拱，所以其分析又过于安全。第三种方法没有考虑桩后岩土 1 0 体的成拱效应和滑坡推力的传递。 针对以上各方法的不足，又有很多学者在此基础上进行了研究。日本建设 省土木研究所用实验证实了滑坡体进入极限平衡状态时的抗滑桩为被动桩，并 应用土拱效应的概念推出了与实验数据吻合良好的圆形桩极限阻力的计算公 式，这个极限阻力既是计算排桩的总抗滑力和确定排桩桩距的基本依据，同时 也是进行抗滑桩应力设计的设计荷载依据，但日本建设省土木研究所并没有给 出任意桩型的抗滑桩极限阻力的计算公式。邹广电等，在日本建设省土木研究 所的研究基础上，对抗滑桩极限阻力的计算公式进行了修正和改进，推得出了 可适用于任意桩型并与实验数据吻合良好的抗滑桩极限阻力的半经验半理论公 式。 1 3 目前研究中存在的问题 在滑坡的整治工程中，抗滑桩已成为一种主要的工程措旌。关于抗滑桩的 计算，由于位移法和有限元法固有的缺陷，目前工程设计计算仍以压力法为主， 而各种边坡稳定性分析方法的完善为用压力法进行抗滑桩的设计计算提供了必 要的前提条件，在找到最危险滑面位置后，根据稳定性分析方法计算抗滑桩上 的作用滑坡推力，从而进行抗滑桩的内力计算，这是计算抗滑桩的最基本的过 程。通过前面的论述，可以看出在抗滑桩的设计中尚存在许多不足，主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 国外的一些研究主要针对软土、堤坝工程中的抗滑桩计算，坡体被认 为是一种理想弹性或塑性材料，作用于抗滑桩上的荷载较难确定，这些经验和 方法适用范围有限虽然提出了一些计算抗滑桩上作用的极限土压力的方法， 但一般而言，抗滑桩支护坡体未必满足这些相应的极限条件，只能作为一种控 制设计的方法进行验算。对于抗滑桩上的荷载，国内根据滑坡推力来计算，是 一种将抗滑桩与滑坡的稳定性相联系的较好方法，但关于滑坡推力的计算常常 不分条件一律采用传递系数法进行计算，这样会使计算出的滑坡推力与实际不 符。 ( 2 ) 无论国外还是国内，对坡体作用于抗滑桩上的滑坡推力传递机理研究 较少。上面提到的抗滑桩上作用的极限土压力的计算方法，只是给出了相应理 想条件下桩的极限荷载，而对于这些荷载传递过程没有研究。用土拱理论研究 抗滑桩间的滑坡推力传递过程是一种有效的方法，现在虽有初步的研究，但均 较为租糙，没有得出土拱作用下滑坡推力在坡体与桩间的传递机制而对于最 大桩间距的确定，目前方法没有全面考虑桩间土拱效应、桩前滑体的稳定以及 桩的可能极限承载能力。 ( 3 ) 现有抗滑桩与滑坡体的相互作用模型基本上全部属于压力法的范畴， 抗滑桩上的荷载数值和分布形式一般根据工程经验确定。不能考虑桩土相对位 移的影响，实际上由于抗滑桩属于被动桩，正是通过桩土的相对变形才将