（岩土工程专业论文）微桩土耦合式抗滑桩计算方法研究.pdf

摘要 微桩一土耦合式抗滑桩计算方法研究 摘要 在铁道、公路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 构效果良好，但是现有的抗滑桩结构都有一个最大的缺点就是没有充分发挥岩土体自身 的强度。 鉴于上述原因，本文提出了一种新型的抗滑桩结构形式微桩土耦合式抗滑桩。 进而对耦合式抗滑桩的单个小桩桩间距进行分析，并对其影响因素进行了分析，接着探 讨了耦合式抗滑桩的布置形式，并对耦合式抗滑桩的抗弯刚度、锚固深度进行了探讨； 然后给出了耦合式抗滑桩结构的力学计算公式，并且推出了适合于耦合式抗滑桩的 桩间距计算公式，通过一个工程实例对桩间距进行验算，结果是符合实际的。并且编制 了m 衄u 心程序，对不同锚固深度下，计算出桩身内力，通过对比分析，得到了最经 济合理的锚固深度。 最后利用岩土工程三维数值计算软件f i p 建立了三维模型并进行了数值计算：通 过对未用承台加固和用承台加固的耦合桩的最大位移、单个耦合式抗滑桩和其等截面单 桩支护滑坡以及两根耦合式抗滑桩和两根矩形桩( 2 3 m ) 支护滑坡的对比分析，评价 耦合式抗滑桩的安全性以及经济适用性，得出了一些有益的结论，可以供实用工程进行 参考。 关键词：桩土相互作用；土拱；耦合式抗滑桩；抗弯刚度；锚固深度0 t h ec a l c u l a t e dm e t h o d ss t u d yo fm i c r 0p i l e s o i lc o u p l i n g - s 1 i d ep i l e s a b s t r a c t n e a n t i s l i d i n gl , , e sa r cw i d d yu s e di nt h er e i n f o r c e m e n ta a g i n e x r i n go fs l o p e sa n d m i t i g a t i o na n dp r e v e n t i o no fn a t u r a lg e o l o g i c a ld i s a s t c l si n d u c e db yl a n d s l i d e s a n di th a s b e e np r o v e dt h a tt h ea n t i s l i d i n gi , e s c f l e e ti sp r e t t yg o o d b u te x i s t i n ga n t i - s l i d ep i l e $ l n l e t u r ea l lh a v eao o l n l n o l ls h o r t c o m i n g ：t h e yd on o tt a k ef u l la d v a n t a g eo ft l a es o i ls l z e n g t l a b c c a l l s eo ft h er e a s o na b o v e ：，t h ep a p e rp m p c 喀e dal l e wk i n do fm i c r op , e - s o i lc o u p l i n g - - s l i d ep i l e s t h e na n a l y s et h e i n d i v i d u a lp i l e ss p a c i n go ft l a ec o u p l i n g - s l i d ep i l c s a n da n a l y s e i t si n f l u c n c ef a c t o r t h e nd i s c u s st l a ca r r a n g e m e n tf o r mo fc o u p l i n g - s l i d ep 丑e s a n da l s og i v e ad i s e , s s i o l lo ft l a ec o u p l i n g - s l i d ep i l e s b e n d i n g - r i g i d i t yo fs e c t i o na n ds t a b i l i z a t i o nd e p t l l a n dt h e ng i v eam e c h a n i c sc o m p u t a t i o no fc o u p l i n g - s l i d ep i l e ss t i u c t l r c ，l n o m o t c dt l a e p i l es p a c i n gf o r m u l a r c s t t l t sc o m p u t e df r o mt y p i c a le x a m p l es h o w st h ef o r m u l ai sr c a s o n a b l c a n dc o r r e c t a n dt h ep a p e ra l s oc o d e sam a t l a b p r o g r a mt oco m p u t et h ep i l e si n t e r n a lf o r c e a n dg e tt h em o s te c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l es t a b i l i z a t i o nd 印t ht h r o u g l lc o n t r a s ta n a l y s i s f i n a l l yt h ep a p e rs e t 叩a3 dm o d e la n da n a l y z et h em o d e lu s i n gal a r g eg c n e r a l 3 d - f e ma n a l y s i ss o f t w a r ef l a r ，t h i 硼g ht h ec o n l z a s ta n a l y s i so ft h ec o u p l i n g - s l i d ep i l 斟 m a xd i s p l a c e m e n t 、s i n g l ec o u p l i n g - s l i d ep i l ca n dt h ep i l ew h o s es e c t i o ni se q u a lt oi t 、t h es l i d e w l a i e l ai ss t r e n g t h e , e x lb yt w oc o u p l i n g - s l i d ep i l e sa n dt w or e c t a n g l el , , c s ( 2 x 3 m ) ，e v a l u a t e s a f e t ya n de c o n o m i c a lo fe o u p l i n g - s l i d ep i l e a b t a i l ls o l n c u s e f u lc o n c l u s i o na n d 啪b eu s e d i np r a c t i c e k e yw o r d s ：p i l 昏s o l ii n t e r a c t i o n ；s o , a r d a l n g ；e o u l ) l m g - s l i d ep i l e s ；b e a i g - r l g i 山t yo r s e c l i o l l ；s t a b i l i z a t i o nd e p t h 主要符号说明 主要符号说明 小桩截面面积； 桩间土截面面积： 耦合式抗滑桩截面面积( = 爿。+ ) ； 小桩直径； 耦合式抗滑桩直径； 土的弹性模量； 混凝土弹性模量； 耦合式抗滑桩的弹性模量； 耦合式抗滑桩截面抗弯惯性矩； 小桩桩问净距； 耦合式抗滑桩桩间净距； 耦合式抗滑桩中心距； 土的内摩擦角； 土的黏聚力； 滑坡体与桩体间的内摩擦角； 滑坡体与桩体问的黏聚力； 桩计算宽度； 桩变形系数； 侧向地基系数； 桩的侧应力； 桩身任意截面的弯距； 桩身任意截面的剪力； 桩长； 受荷段桩身长度； 锚固段桩身长度； 滑坡推力； 剩余抗滑力； 滑坡推力分布力； 剩余抗滑力分布力； 岩石单轴抗压极限强度滑坡推力； 嵌固段围岩最大侧向压力值； 4 盈4 d d e ，e e，工s妒c九旬易口k q坞岛日b垃毋，订知足 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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了谢 意。 本人签名叠! 垂丝 关于论文使用授权的说明 日期b 矽彳 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名叠堡丝导师签名缉蝉醐独墨 华东交通大学 硕士学位论文任务书 研究生姓名李培植学号2 0 0 4 0 19 0 1 2 0 10 3 学院( 系)土木建筑学院 专业岩土工程 专业方向边坡稳定分析 论文题目微桩一土耦合式抗滑桩计算方法研究 要求完成时间2 0 0 7 年4 月1 0 日 国家自然科学基金项目： ( 项 选题来源 目编号：5 0 6 6 8 0 0 2 ) 主要研究任务： 1 、总结了现有抗滑桩的类型以及目前存在的问题； 2 、根据现有的抗滑桩结构的不足，提出一种可充分发挥土体自身强度的耦合式 抗滑桩，并探讨了其合理桩间距、抗弯刚度及锚固深度的选取； 3 、对耦合式抗滑桩进行结构计算分析； 4 、利用岩土工程三维数值计算软件f l a c ”建立了三维模型并对耦合式抗滑桩治 理滑坡的效果进行了数值研究。 接受任务时间 沁年j 珏f 扣 学生签名 伽植 导师签名 狲n 张 日期 纠年6 只g b 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 抗滑桩作为一种支挡结构物，由于其具有抗滑能力强、桩位布置灵活、施工方 便、投资少和治理效果好等优点，所以在滑坡地质灾害治理中得到了广泛的应用。特别 是近年来，在铁路、公路、水电、建筑和煤炭等领域的滑坡治理工程中，抗滑桩得到了 广泛的应用，并且取得了较好的治理效果。 我国用于滑坡整治的抗滑桩数目是巨大的，用抗滑桩来整治滑坡，除个别桩产生破 坏外，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。 近几十年来，随着抗滑桩在滑坡治理工程中的应用，其类型也是多种多样，但它们 都未能把桩土作为一个整体来考虑，几乎忽略了桩问土的作用，或多或少的造成工程 浪费，所以建立一种桩土耦合式抗滑桩是十分有必要的。 1 2 国内外抗滑桩的研究现状 1 a 1 抗滑桩的发展 国外从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，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，捧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。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，小直径 抗滑桩开始应用于一些实际的工程中，如欧美国家和前苏联多用钻孔钢筋混凝土灌注 桩，直径1 0 - 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 m m ，深 2 0 - - 3 0 m 。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。 国内对滑坡灾害的系统研究和治理是从5 0 年代开始的。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、捧水、支挡、减重、反压等治理滑坡的原则和方 法。我国抗滑桩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。 1 2 2 抗滑桩的设计计算研究现状 抗滑结构中的抗滑桩作为治理滑坡的主要措旖，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的性质完全不同，后者中桩基是直接承受荷载并主动向土中传递 2 第一章绪论 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，而被动地承受坡体变形而产生的荷载 作用，所以抗滑桩又被称为“被动桩1 7 - 9 1 。 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措旌，在世界各国滑坡治理中占有重要的地位。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。作为一种在国内外都得 到如此广泛应用的工程结构物，国外从2 0 世纪3 0 年代( 1 9 3 1 年1 1 月1 2 日，美国工程 新闻杂志滑坡和桩的作用) ，国内从2 0 世纪5 0 年代初，开始对其进行相关研究，随 着抗滑桩工程的应用，它的设计理论也随着其日益广泛而成熟的应用得到了相应的发 展。目前抗滑桩设计的方法与边坡稳定性评价方法的发展相适应，可大致分为以下两类： 第一类是与传统的边坡稳定评价的极限平衡方法相配套的设计方法，这类方法主要是进 行平面分析，一般把桩和边坡分开来考虑；第二类是与边坡稳定评价的边界元和有限元 方法相配套的设计方法，这类方法可以进行平面或三维的分析，可以把土桩土作为一 个相互作用的整体体系来考虑。 1 、国内外现有的计算方法 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对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计 算，也提出了许多的方法。归纳起来主要有：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 位移法必须已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，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，桩与岩土体相互作用的力学计算模型一般采用线弹w i n l d 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心】。 悬臂桩法是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。此法出现早，计算简单，在实际工作中应用较多。 第一章绪论 地基系数法是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，在具体的计算时， 根据采用的途径不同，又可分为初参数法、杆件有限单元法和无量纲系数法等不同方法。 有限单元法是根据桩的材料和桩周岩、土的试验资料为依据，把桩和岩、土体作为 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，在国内也有学者进行了研究计算。 无论是国内还是国外，位移法和有限元法的优点是可以较为准确的模拟地基和荷载 条件，位移法的主要缺点是对土体自由时的位移估算不准，而有限元法由于桩土性质的 复杂性等因素而使其应用受到限制，但这是一种很有发展潜力的方法。相对于前两种方 法，在工程中，由于压力法计算简便而得到了广泛的应用。用压力法计算抗滑桩的最大 问题就是作用于桩上的荷载如何确定，对此有许多学者进行了专门的研究。除了上面压 力法中介绍的各种计算方法外，n oi n 。1 2 】和m a t s u i 基于塑性变形理论推导了单排抗滑桩 因土体移动而受到的极限侧向力表达式；s h a s s i o t i s 等根据等的理论分析了抗滑桩 加固土坡的稳定性计算；c r p o t a h o b ( 1 9 9 0 9 根据土体挤压或绕桩流动过程中由于应力 集中形成的塑性区的形状和应力状态，通过积分求解作用于抗滑桩上的极限土压力；沈 珠江( 1 9 9 2 ) 【1 3 j 根据散粒体的极限平衡理论推导了桩的绕流阻力计算公式。这些方法都 是基于理想极限状态的思想得出的，事实上，在工程应用中，抗滑桩与岩土体未必得到 满足要求的极限状态，因此抗滑桩的设计还有待于进一步的完善【1 4 1 2 、抗滑桩的设计和桩间距研究现状 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1 从们通 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 桩间土拱效应是桩土应力迁移的一种现象，即将桩后土体所承受的应力转移至桩体 上，因此，土拱效应可定义为一种剪切应力迁移现象，或定义为将屈服土体所承受 的应力转移至其相邻的土体或被约束的土体。土拱效应在各种岩土结构中都可以见到， 如隧道和基坑支护桩。因此，对于不同的结构中土拱定义有所差嘲 早在1 8 8 4 年，英国科学家r o b e r t s 首次发现了。粮仓效应”“”，粮仓底面所承受 的力在粮食堆积高到一定程度后达到最大值并保持不变，这就是通常所说的土拱效应。 1 8 9 5 年，德国工程师j a n s s e n 用连续介质模型对其进行了定量解释嘲。 1 9 4 3 年，t e r z a g h i 采用活门拱试验验证了土拱效应现象，并于1 9 4 3 年首先将这 种应力转移的现象称之为。土拱效应”删随后在2 0 世纪7 0 年代，也有一些学者研 究了隧道中土拱效应现象。 吴子树“2 1 曾经对土拱的形成机理进行了研究，并就土洞为研究对象研究了拱上土层 4 第一章绪论 的最小厚度及相应的最大跨径，认为击实土内土拱的上覆土层厚度一般不应小于3 m 才 能保证安全承载，但实际上还有土中裂隙、软弱面、非均质等因素影响，以及地面车辆、 行人荷载等外力因素，实际中应该综合考虑这些不利因素 在l i a n g 和z e n g 以及c h e n 和m a r t i n “”等人工作的基础上，张建勋等研究了被动 桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机理主要是土拱效应。采用有限元软件p l a x i s 8 1 ，详细地研究了被动桩中土拱效应的产生机理，分析了导致侧向位移的荷载大小、 土体性质、群桩以及桩上接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩上应力分担比的影 响，分析表明，桩间距是影响土拱效应的最主要因素 到2 0 世纪末2 1 世纪初，在岩土工程领域，与土拱效应有关的实测数据、试验模 型及理论研究越来越多，对以前无人问津的拱体几何参数与力学参数的研究也层出不 穷，但是被动桩与移动土体之间的相互作用是一个十分复杂的课题，迄今国内外对其研 究的还不充分，特别是土坡中的桩土相互作用则更是鲜有报道。因此有必要对被动桩的 土拱效应问题进行深入研究，明确今后的研究方向和途径，推动研究工作的进一步开展。 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、地基片筏框架工程以及基坑边坡 工程中均存在着成拱效应问趔坍 在基坑边坡工程中，由于支护结构的旌加，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【蜘”l ，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( y c 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1 9 】。 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1 9 1 6 1 7 堋。 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 5 第一章绪论 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，只对桩后的桩净距问的岩土体进行研究，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问土体的变形小，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【1 9 2 0 ! 邹广电等1 2 e - 2 1 1 ，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。 抗滑桩的排桩设计和桩距的确定实际上为一整体问题，它将受滑坡的整体形状、滑 裂面深度和形状的变化、滑坡的土质常数及排桩的根数和位置等诸多因素的制约，设计 者如不综合考虑这些因素，是很难设计出一个既合理、又经济的抗滑桩方案和桩距的。 1 3 抗滑桩的类型 在工程实践中，由于滑坡类型、地理地质条件的差异，工程师在抗滑桩的设置方面也 就有许多不同的型式。主要包括单排桩、椅式桩墙、门形、h 形刚排架桩、微型桩群加 锚索、预应力锚索桩等 2 2 - 2 3 1 。 6 第一章绪论 1 3 1 单排桩 单排独立抗滑桩，有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。半埋式为自由段全部或者部分露于地表之上，嵌固段埋入稳定地层中。单排桩的受力 特点类似悬臂梁，其长小于2 0 m ，所抵抗的滑坡推力小于1 5 0 0 k n m 时比较经济。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 1 3 ，因此，其配筋、混凝土方量和挖孔深度均较全埋式节省 1 3 2 椅式桩墙、门形、h 形刚捧架桩 椅式桩墙由内桩、外桩、承台、上墙和拱板五部分组成，其阻滑原理是通过拱板将 滑体的推力传到内外两桩上，然后在传到下面的稳定地层中，刚性承台和上墙将内外两 桩连成一体，因此能承受比较大的滑坡推力和弯矩，尤其在软弱地层中更明显如果地 形条件允许，前排桩还可以采用斜桩，其受力则类似桁架，造价相对更为经济。门形、h 形 刚排架桩的受力特点与椅式桩墙基本相同，门形刚排架连接两桩的是横梁，h 形刚排架 桩内桩向上延长，可以起到收坡的作用。 1 3 3 微型桩群加锚索 微型桩群加锚索是一种轻型抗滑支挡结构由预应力锚索、微型桩和桩顶的钢筋混凝 土压顶组成。其中的微型桩是一种在内部设置了钢筋或者型钢的直径较小的机械钻孔 桩，其功效除了桩本身的强度抗滑以外，还改善了所在的滑体部分的岩土性能。 1 1 4 预应力锚索( 杆) 桩 预应力锚索桩由钢筋混凝土抗滑桩和预应力锚索或锚杆组成。桩的下部嵌入稳定岩 层，桩顶端采用锚杆或锚索锚入稳定岩层并进行张拉，使抗滑桩不再是悬臂梁式受力， 而是形成类似简支梁的受力状态，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，从而变抗滑桩的被动受力方式为主动受力。 1 4 目前研究中存在的问题 在滑坡的整治工程中，抗滑桩己成为一种主要的工程措施。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 计算中尚存在许多不足，主要表现在以下几个方面1 9 1 。 7 第一章绪论 0 ) 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，但均较为粗糙，没有得出土拱作用下滑坡推 力在坡体与桩问的传递机制。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荷载作用到桩上，所以，抗滑桩的 受力与桩土相对变形有着密切的关系，这也是用压力法计算抗滑桩内力的主要缺点之 一 r - 一 ( 4 ) 抗滑桩的内力计算方法中，p o u t m 等将岩土体视为理想的各向同性弹性材料进 行计算，实际工程中的岩土体尤其是破碎的岩体边坡，与理想的弹性体相去甚远，且由 于计算方法复杂而应用较少。将岩土体视为弹性w m k l e r 地基模型的计算方法，由于其 简便而且工程经验丰富而得到了广泛应用，它的主要缺点是没有考虑地基的连续性， w i n k l e r 模型在描述实际土体的连续性态中所固有的缺陷以及弹性连续介质模型在数学 上的复杂性是现有计算方法需要改进的方面。 土拱效应从概念的提出到理论发展己经历了1 0 0 多年的历史，但仍存在一些值 得探讨的问题，比如拱脚的存在形式、拱形及拱体的几何参数以及滑坡参数与土拱效应 的相互作用机理，研究土拱效应对抗滑桩的设计有一定的指导意义。 旧目前抗滑结构的施工技术的研究还存在不足坡体开挖特别是高陡边坡的开挖施 工，开挖坡体的稳定性与施工技术密切相关，采用合理的施工工艺，尽量减少开挖施工 对坡体的扰动，保持坡体的稳定性，才能减少作用于抗滑结构上的荷载。因此加强抗滑 结构的施工方法的研究。才能与其优化设计一致，确保工程的安全稳定。 1 5 本文的主要工作 本文主要通过分析各种类型抗滑桩的不足之处及存在的问题展开论述，具体的研究 思路是：首先阐述现有的抗滑桩的类型及其不足，提出了本文要研究的桩型一耦合式抗 8 第一章绪论 滑桩，接着对其桩间距、抗弯刚度及锚固深度进行探讨，并对影响它们的因素进行讨论； 然后推出了耦合式抗滑桩的结构计算公式，并推出了其桩间距计算公式，并通过了一个 算例对其进行验算，接着用自己编制的m a t l a b 程序，计算桩间距分别为8 、7 m 、6 皿的 抗滑桩的内力，然后计算不同锚固深度桩的内力，进行对比分析；最后利用岩土工程软 件f l a p ，对耦合式抗滑桩治理滑坡的效果进行数值模拟，并将其与等截面的单桩进行 分析与对比，最后通过两根耦合式抗滑桩治理滑坡的效果与两根矩形桩进行对比分析， 得到了一些有用的结论。根据上述研究思路，本文主要工作包括以下内容： 1 、总结了抗滑桩的发展历史、现有抗滑桩的类型以及目前存在的问题。 2 、根据现有的抗滑桩结构的不足，建立一种耦合式抗滑桩，并探讨了耦合式抗滑 桩的桩间距、抗弯刚度、锚固深度的选取。 3 、总结了一般抗滑桩的设计要求，受力分析和计算模型。然后对耦合式抗滑桩进 行结构计算分析，然后通过对土拱效应形成机理的分析，引入了拱轴线成抛物线的假定， 依据抗滑桩被动受力的特点，综合考虑土拱静力平衡条件和强度条件，建立出合理的桩 间距计算公式，并通过实例分析验证，最后对耦合式抗滑桩的锚固深度进行研究，通过 了3 5 中的实例探讨了耦合式抗滑桩的最佳锚固深度 4 、利用岩土工程三维数值计算软件f l a p 建立了三维模型并进行了数值研究：通 过对未用承台加固和用承台加固的耦合桩的最大位移、单个耦合式抗滑桩和其等截面单 桩支护滑坡以及两根耦合式抗滑桩和两根矩形桩( 2 x 3 m ) 支护滑坡的对比分析，评价 耦合式抗滑桩的安全性以及经济适用性。 9 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 当削坡、减载、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【 i ，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，因此发展较快，它的优点有【1 - 刀 ( 1 ) 抗滑能力强，混凝土用量小；在滑坡推力大、滑动面深的情况下，较其他抗滑工 程经济、有效。 ( 2 ) 桩群位置灵活选择，可集中设置在滑坡的前缘附近，也可设在滑体的其它部位； 可单独使用，也可与其它抗滑措施联合使用。 ( 3 ) 施工安全，因工作面小，对滑体稳定性影响小。 ( 4 ) 在运营线路施工，行车不受影响。 ( 5 ) 在施工过程中可以验证地质资料，如发现问题便于补救。 旧采用混凝土薄壁支撑开挖桩孔，不需要特殊的机具设备，施工工期短。 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1 1 棚目前随着抗滑桩日益广泛的 应用，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 和有待改进的地方传统设计计算理论采用了许多假设，没有很好地考虑桩一土间的相 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。 2 1 耦合式抗滑桩的提出： 在边坡开挖工程中，常常将抗滑桩结构设于最下一级坡中，此时抗滑桩多为桩后有 岩土体而桩前没有，即多为悬臂式抗滑桩。这种情况常常使桩身内力分布不尽合理，造 成抗滑桩的锚固段较深，尤其当坡体推力较大时，其问题更加突出，造成桩体受力不合 理。为了改善这种桩身截面较大、锚固段较深的不利状况，目前一般在桩顶端附近设置 锚索而形成预应力锚索桩结构，但此时也可能产生新的问题，如：设置锚索后不仅可能 增加工程造价，而且也增加了旌工难度等。鉴于此情况，可以考虑在最下一级坡设置抗 滑桩时，桩前仍保留部分岩土体，即形成埋入式抗滑桩结构，也就是在最下一级坡顶平 台处设置抗滑桩，这样在桩前便会存在一定的岩土体，可对桩体的非锚固段提供一定抗 力，从而适当改变抗滑桩的受力状况，同时使抗滑工程更加经济合理。 2 1 1 耦合式抗滑桩的结构形式 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 基于上述原因，本文提出了一种耦合式抗滑 桩，它的基本形式如下所述：桩按正六边形布置， 桩顶用承台连接，使其成为一个整体，把它看作 一根大桩。由于承台在轴向基本上不受外力，所 以承台的厚度只要满足构造要求即可，取承台高 度为0 3 1 ，也不需要对承台进行抗冲切验算，根 据本结构的特点，本文承台横截面取为圆形，并取 承台的直径为6 m ，耦合式抗滑桩充分考虑了桩问 土体的抗剪作用，把桩与土体作为一个整体进行 处理。其具体的形式如图2 - 1 所示： 2 1 2 耦合式抗滑桩的适用条件 1 、浅层滑坡； 2 、滑坡的滑动面尚未贯通； 3 、滑坡尚处于蠕变阶段。 币亓习旧 l 鱼j 图2 - 1 耦合桩简图 f i 9 2 1t h es k e t c hm 叩f o rc o u p l i n gp i l e s 2 2 耦合式抗滑桩微型桩间距的确定 抗滑桩实际为桩截面大，桩距较近的捧桩或桩群，其抗滑机理体现于桩、滑体、滑 床三者间相互协调的工作过程中。桩所受到的不平衡推力来自滑体的下滑力，滑体下滑 的瞬间是一种整体式的移动，可以说是滑体挟持桩做整体滑动，好象桩根本不存在一样， 这时，桩与滑体问表现出仅受均衡的土压力作用。一旦桩与滑床出现相对位移的趋势， 滑床就相继提供滑床与桩间的摩阻力以至于桩前锚固段抗力。这时，桩随滑体下滑而表 现出的刚性倾移而受阻从而使桩与滑体间也出现了相对位移的趋势。造成两点后果： 桩后区滑体运动受阻，不断压缩，出现了不均衡的侧压力；桩侧摩阻力、粘着力同 时发挥作用。在桩起阻抗作用的同时，桩前下块基本上不受桩的约束，其逃逸的趋势最 为显著；且桩前，桩后区出现的运动趋势的不协调，使在桩间块体出现了土拱效应，它 分担了一部分滑坡推力，对桩及桩后区的稳定都是一种有利的因素 2 2 1 滑坡推力的传递机理一土拱效应分析 土拱效应的形成机理 土拱效应主要是利用土体抗压性能好、抗拉能力差的特点，这是土体受力变形后的 自我优化调整的结果。在设置抗滑桩后，土体发生了不均匀位移，土体在设桩处位移较 小，在两桩中间位移较大，在这种情况下就会引起桩间土体与桩后土体抗剪能力的发挥 而在土体中形成所谓的“楔紧”作用，即形成土拱效应。土拱效应使介质中的应力状 态发生改变，引起应力重新分布，把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周围稳定介 1 1 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 质中去。综上可知在抗滑桩支护边坡工程中嘲，土拱效应的形成从理论上讲有以下原因， 首先由于抗滑桩作用的坡体那部分岩体存在着不均匀变形：其次是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) ：有一定强度材料组成的拱圈( 岩土 体) ：在拱平面内有压力( 滑坡推力) 作用在拱圈上。 在长期的实践和大量的模型试验中也发现，在分布设置的抗滑桩工程中，土拱效应 确实存在，所以在抗滑桩加固边坡岩体中，只要抗滑桩设置合理，就能形成土拱。桩之 间岩土体的滑坡推力主要通过土拱作用传到两侧的抗滑桩上，而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，但是要形成土拱两桩间的桩间距不能超过某一 “临界值”( 最大值) 经验表明，临界桩间距与滑坡推力、滑体性质及桩截面形状等因 素有关，桩间成拱效应受桩间距的影响，桩间距较小时，桩间土体在桩间形成土拱效应， 土体不致于从桩间滑出，当桩间距增大时，土拱效应减弱，一旦桩距大于某一值时，土 体将从桩问滑出或产生绕桩滑动，使桩起不到有效地遮拦作用，但桩间距太小，则工程 造价高，一般从技术经济角度来说，应该在保证坡体安全的条件下尽可能选择大的桩间 距，桩间距是抗滑桩设计时的一个重要指标。因此，研究抗滑桩在支挡边坡工程中的土 拱作用效应和与其关系密切的桩间距有其理论与现实意义。 2 2 2 考虑土拱效应的桩间距计算方法 1 、计算假定 ( 1 ) 假定土拱上受的荷载是均布荷载，由此可以认为土拱形状为合理拱轴线； ( 2 ) 在单位厚度土层内，宏观上土质是均匀的； ( 3 ) 不考虑土拱本身的自重和抗滑力； ( 4 ) 桩和土拱协调变形，相互影响不计： ( 5 ) 滑坡推力沿桩身长度水平方向均匀分布，取单位厚度按平面问题考虑。 2 、计算模型 土拱效应具有典型的空间三维特征。但是陈慈塬( c h e nc h i e n y u a n ) 通过有限元模 拟抗滑桩与土坡的相互作用，对比三维、二维的桩间土体位移等值线图发现，采用平面 应变已经能较好地模拟桩土相互作用的三维特征。借鉴该方法，抗滑桩的土拱效应可以 简化成二维模型进行分析：以桩后坡体一定深度处的单位厚度土层作为分析对象。取设 桩处的水平设计滑坡推力为拱上荷载，验算土拱的静力平衡条件和跨中截面的强度条件， 即下滑力不能大于桩侧所能提供的摩擦力以及跨中截面应力不超过容许应力 3 、土拱受力分析 土拱跨度即相邻两桩桩问净距为1 ，拱圈厚度为t ，拱矢高为r ，作用于单位高度土拱 上的桩后坡体线分布压力为q ，拱脚处反力分别为f x 与f y ：由结构力学知，在均布荷载 的作用下，拱的合理拱轴线是一条抛物线，拱轴线的每一截面上只存在压力，没有弯矩 和拉力。土拱受力分析如图2 - 2 所示坐标系，其合理的拱轴线方程为： 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 y - 4 r l l 2 g r 一工2 ) ( 2 1 ) f 一6 。c o s 卢 ( 2 - 2 ) 式中：r 为土拱矢度；1 为桩间净距：x 为拱轴线 横坐标：b ，为抗滑桩计算宽度：当截面为圆形时： b p i o 9 掌( d + 1 ) ；，为拱轴线起始切线倾角。 此模型可以看成二铰拱，由结构力学中的知识， 可以得到拱脚反力： e - q l 2 目纠2 p ) ( 2 - 3 ) 图2 - 2 土拱受力分析 h 醴2a n a l y s i s0 fl m r m gs o l la r c h 式中：a 为拱脚横向传力系数。 若令一- r l l ，b = t l l ，则a 可由下式计算： j l , - ( 1 + 5 8 2 5 1 2 a 3 k 2 ) ( 1 + 1 0 8 2 5 1 2 a 3 毛) ( 2 4 ) 式中：k o 。1 + 1 鲋2 ，= i n 【( k o 一钏) ，+ 钏) 】，七2 - 与+ 8 a k o 一般而言，a 的值比较的接近于1 ，为简化计算，可以近似的取为a = 1 。 4 、控制条件 要保证相邻两桩问土拱正常发挥作用，就需要满足桩问的静力平衡条件，即两桩侧 面的摩阻力之和不小于作用在桩间土拱上的压力： 2 ( c t a m 妒+ c b p 1 ) 矿 ( 2 5 ) 式中：、c 。分别为滑坡体与桩体问的内摩擦角和粘聚力，可以通过现场试验或是查表得 到。 由于抗滑桩实际上属于被动承载结构，结合以往文献中的资料，可以假定土拱拱脚 处轴线的起始切向角户- 万，4 + 妒2 ，而将t a n p e i f 一4 r 1 1 代入式( 2 2 ) ，再结合式 ( 2 5 ) 可以得到： ，币2 b 而 t a 万n ( 1 r 丽4 + 妒2 ) 了 2 6 ) 口t 蛆( 石4 + 妒2 ) 一t a n 门 、1 由于土拱跨中截面是最不利截面，所以此处土体应该首先满足强度条件，在合理的 桩间距条件下，土拱应该发挥最大的传力作用，将大部分荷载转移的桩上，此时跨中截面 近似于单向受力状况，根据摩尔一库仑强度准则，在前缘点处的容许应力为：竺! 堡生 l s i n e 从而要求： 豳 第二章耦合式抗滑桩的结构形式 一c ( f 1 ) 墨篇 ( 2 _ 7 ) 即： h 嘭c 群罱 ( 2 - s ) 所以可得桩间中心距s = n d 。 下面探讨桩间净距l 的影响因素： ( 1 ) 1 与d 的关系： r h 式( 2 6 ) 和式b p _ o 9 ( d + 1 ) 可知当其它变量一定时，1 与d 成正比关系，为一 条有截距的直线如图( 2 3 ) ，斜率k 为： 七。可面9 c t a 面n ( a 而1 4 + 面妒1 2 ) 了 5 日t 衄( 石4 + 妒2 )