（岩土工程专业论文）桩锚支护中不同桩长与桩径及锚杆布置的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 夕硼武今一拟 以蜴 枷l 撕磁蕊 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月墨工些太堂 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。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些厶堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒筵王些丕 堂_ 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：弘，年彩月够日 办励幽物 |毛 捣吻， 咖脚 坤彳 桩锚支护中不同桩长与桩径及锚杆布置的研究 摘要 抗滑桩作为一种有效的抗滑支挡结构，在世界各国滑坡治理工程中有着重要的地 位，实践表明，与防治滑坡的传统措施如卸载、挡土墙等相比，抗滑桩能迅速、安全、 经济地解决滑坡问题，且施工简便，效果突出，因而得到迅速发展，深受重视。抗滑 桩包括普通抗滑桩和锚拉抗滑桩。锚拉抗滑桩相对于普通抗滑桩，受力状态更加合理。 如果在桩身适当位置设置预应力锚索后，那么桩身受力状况将大大改善，它的力学模 式是超静定结构。预应力锚索抗滑桩变普通抗滑桩的被动抗滑为主动抗滑结构。但对 于抗滑桩是否充分发挥了抗滑能力，设计是否经济合理，还是有待进一步研究。大多 数工程的桩身内力和桩顶位移的实测值远远小于设计值，所以支护结构的抗滑能力没 有充分发挥，造成工程上的浪费，因而抗滑桩结构的抗滑机理和设计参数还有待进一 步研究，以便为工程实际提供安全、经济合理的支护方式。故此本文主要进行以下几 个方面的工作： ( 1 ) 论述了国内外抗滑桩和锚拉抗滑桩的发展背景和研究现状，已经得出的重 要理论和研究实验方法，并根据本文的内容，重点介绍了锚拉抗滑桩的发展现状和理 论方法，结合本文所使用的a n s y s 数值模拟方法，论述了预应力锚杆( 索) 的数值 仿真模拟发展现状和研究前景。 ( 2 ) 锚杆( 索) 在较大拉拔力作用下，锚固段周围的土体有一部分将进入塑性 状态，基于剪切位移法研究了锚杆( 索) 锚固段荷载传递机理和荷载特性，导出相应 的弹性极限荷载和塑性极限荷载计算公式。将所得公式应用于普通锚杆和预应力锚杆 的受力分析。 ( 3 ) 建立基坑的平面模型和三维仿真模型，并进行初始状态的自重应力模拟，平 面模型模拟获得了基坑的变形图、位移等值线图，和应力等值线图等。得到基坑的最 危险滑动面位置，根据危险滑动面位置，确定预应力锚杆的锚固深度和锚固点位置。 本文通过模拟二维5 种不同工况，分析锚杆的合理锚固位置和合理深度。还模拟对比 单排锚杆和多排锚杆对抗滑桩桩身应力和变形的影响情况，分析得到在本模型中比较 合理的锚杆布置结论。桩长和桩径方面也做了多种工况模拟，并做了图表对比研究。 ( 4 ) 通过三维模型的仿真模拟，得到基坑的三维模型图，并可以得到基坑三维的 变形和位移等直线图，以及2 排预应力锚杆( 索) 相互影响的范围，在该范围中的应 力变化情况和应力重塑情况，根据桩间土的应力重塑范围和大小，判断基坑的稳定性 和安全性，进行优化设计。 关键词：基坑；桩锚支护；a n s y s ；预应力锚索；优化设计 a n a l y s i so na r r a n g e m e n t a n dg e o m e t r i cd e s i g no fp i l e d a n c h o rt i m b e r i n g a b s t r a c t t h ea n t i s l i d ep i l ei sa ne f f i c i e n t 咖a 嘶i na n t i - s l i d i n g ，w h i c hh o l d sa ni m p o r t a n tr o l e i i lt h el a l l d s l i d ec o n ：t r o la l lo v e rt h ew o r l dc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lw a y s ，l i k et h e u n l o a d i n g 锄1 dr e t a i n i n gw a l l ，t h ea n t i s l i d ep i l ec a nh a n d l et h el a n d s l i d ep r o b l e mq u i c k l y , s a f e t ya n de c o n o m i c a l l yt h e c o n s t r u c t i o no fa n t i s l i d ep i l ei sc o n v e n i e n ta n di t se 彘c t1 s p r o m i i l e n t ，w h i c hi so fg r e a tv a l u et h e a n t i s l i d ep i l ei n c l u d e st h ec o m m o na n t i 。s l i d ep 1 j e a 1 1 da n d h o ra n t i s l i d ep i l e ，i nw h i c ht h el a t e ro n eh a sa m o r es o u n ds t r a i n e dc o n d i t i o nt h e m e c h a 血cm o d e lo ft h ec o m m o na n t i s l i d ep i l ei ss i m i l a rt ot h ec a n t i l e v e rb e a mm t h es o i l 田o u l l db a s e do nt h i sc o n c l u s i o n ，t h eb e n d i n gm o m e n t a n ds h e a r i n gf o r c ew i l lb er e l a t i v e l a r g e ，a i l dt h es c a l eo ft h ep i l ea n dt h er e i n f o r c e m e n tw i l la l s ob ec o n s i d e r a b l e 、) | v h e n t h e a i l c h o rr o p e sa r es e tu po nt h ep i l e s ，t h es t r e s si nt h ep i l e sw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d ，w h o s e m e c l l a m cm o d e li sh y p e r s t a t i ci naw o r d ，t h ep r e s t r e s s a n c h o ra n t i 。s l i d ep i l ec h a n g e st h e c o m m o na 埘s l i d ep i l ei n t oa na c t i v es t n j c t u r ew h e t h e r t h er e s i s t a n c eo ft h ea n t i s l i d ep i l e f u l l yd e v e l o p e do ri ti se c o n o m i c a la r et ob el e a r n e dt h ei n t e r n a lf o r c e so f s o m ep r o j e e t s a r ef a rl e s st 1 1 a nt h ed e s i g nv a l u e s ，a n dt h er e s i s t a n c e so fp i l e sa r en o td e v e l o p e d t h i sp a p e r i ss h o w nf r o mt h ea s p e c t sb e l o w ： ( 1 ) p r e s e n t i n gt h ed e v e l o p m e n ta n de x i s t i n g s t a t ei n t h en a t i o na n db o a r d ，a n dt h e e x i s t i n gi m p o r t a n tt h e o r ya n de x p e r i m e n tm e t h o d s ，t h i sp a p e r s h o w sd e v e l o p m e n to fa l l c n o r a n t i s l i d ep i l e w i t ht h en u m e r i c a lm e t h o da n s y s ，t h i sp a p e rg i v e st h ep r o s p e c t o ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f 2 ) w h e nt h ef o r c ea c t i o no nt h ea n c h o rr o p e si sl a r g e ，t h es o i lb e s i d ea n c h o r a g ez o n e m a vb eg o i n gi nt ot h ep l a s t i cs t a t e t h i sp a p e ra n a l y z e st h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m a 1 1 d c b a r a c t e r i s t i co f 廿1 ea n c h o rr o p e st h ee q u a t i o n so ft h el i m i tl o a db o t hu n d e re l a s t i ca n d p l a s t i ca r ep r e s e n t e d f 3 1t h e m o d e l si nt w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a l a r eb u i l tt os i m u l a t et h e d e f o 衄a t i o np a t t e r n ，c o n t o u rm a po fs t r a i na n dt h ec o n t o u rm a po fs t r e s s e s t h em o s t d r o b a b l es l i d i n gs u r f a c ei so b t a i n e d ，w i t hw h i c ht h ed e p t ha n dp o i n to f t h ea n c h o rc a l lb e d e c i d e dt h i sp a p e ri su s i n gf i v ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n st os i m u l a t et h er c a s o m b l e a 1 1 c h o r i n gd e p t ha n dp o s i t i o nb o t ht h es i n g l ea n c h o rr o p e sa n dm u l t i p l ea n c h o rr o p e s a r e g i v e nt oa n a l y z et h ea r r a n g e m e n to fa n c h o r st h el e n g t ha n dd i a m e t e r a r ea l s os n u l a t e d a n dc h a r t e di nt h i sp a p e r ( 4 ) b a s e do nt h es i m u l a t i o ni nt h r e e d i m e n s i o n a l 。t h e3 dm o d e lo f t h ef o u n d a t i o nd i t c hi s p r e s e n t e d ，a n dt h ed e f o r m a t i o np a t t e r n ，c o n t o u rm a po fs t r a i ni so b t a i n e dt h ei n t e r a c t i v eo f t h et w or o w so fa n c h o r sa n dt h es t r e s s sv a r i a t i o na n dr e m o d e l i n ga l es h o w na c c o r d i n gt o t h e s e ，t h ej u d g m e n to fs t a b i l i t ya n ds a f e t ya n dt h eo p t i m a ld e s i g nc a nb eg o t a c c o r d i n g t ot h e s es i m u l a t i o n sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep l i e a l c h o ra n dc o m m o n a n t i - s l i d ep i l e ，t h ep r e s t r e s s - a n c h o ra n t i - s l i d ep i l eh a sa b i g g e ri n t e r v a la n ds m a l l e rd e p t h ， a n dab e t t e rl o a d c a r r y i n gc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：f o u n d a t i o nd i t c h ；p i l e - a n c h o rt i m b e r i n g ；a n a s y s ；p r e s t r e s s - a n c h o r ； o p t i m a ld e s i g n 致谢 本论文是在导师臧德胜教授的悉心指导，在这三年中的学习和生活中，臧老师给 予我无微不至的关怀和指导，在编写论文期间给我提出了很多的宝贵建议和意见。臧 老师渊博的学识、严谨的科学态度和诲人不倦的治学精神在无形之中感染着我，他的 教诲将使我在今后的生活中受益匪浅，并不断指引我前进。在我的论文完成和研究生 生涯即将结束之际，祝老师及家人身体健康、万事如意、阖家幸福。 感谢我的母亲对我的养育之恩，感谢她对我的无私付出，正式她的言传身教使我 懂得做人的道理。她在背后的支持和鼓励，给了我人生路上前进的动力，并使我深刻 地意识到自己肩上的责任，而只有通过自己更努力的学习才是对她最好的回报。在此， 我衷心地祝福我的母亲身体健康。 感谢我的同学和朋友，是他们经常和我讨论问题，并给了我很多宝贵的意见和建 议，使我从中得益。同时感谢0 8 级研究所2 1 班全体同学，非常荣幸地在这样一个充 满阳光的氛围中学习和生活，祝愿每位同学和朋友拥有一个美好的未来。 张海骄 2 0 1 1 - 0 4 2 9 目录 第一章绪论l 1 1 研究目的、背景和意义。l 1 2 研究现状1 1 2 1 抗滑桩研究现状2 1 2 2 边坡稳定性分析研究现状3 1 2 3 锚固工程的研究现状3 1 2 4 锚拉抗滑桩研究现状。4 1 3 本文研究内容及方法。4 第二章锚杆( 索) 荷载传递机理及受力分析6 2 1 锚杆设计6 2 2 普通锚杆( 索) 荷载传递机理7 2 2 1 锚固体受力分析7 2 2 2 弹性分析1 0 2 2 3 塑性分析1 l 2 2 4 锚杆最大承载力p u 计算1 2 2 3 预应力锚杆( 索) 荷载传递机理1 2 2 3 1锚固体周围土体受力分析1 2 2 3 2 弹性分析1 5 2 3 3塑性分析1 6 2 3 4 极限荷载和有效锚固长度计算。1 7 2 4 本章小结1 7 第三章锚索布置和不同桩长与桩径的二维仿真模拟分析及优化设计1 8 3 1 概述1 8 3 2 强度折减法理论。1 9 3 3a n s y s 软件介绍2 0 3 3 1概述2 0 3 3 2a n s y s 在基坑工程中的应用2 0 3 4 建立a n s y s 二维本构模型。2 4 3 5 模拟及数据、图表分析。2 5 3 5 1 土体初始固结和施加建筑荷载的位移模拟2 5 3 5 2 开挖过程中应力释放的模拟2 7 3 5 3a n s y s 模拟锚索不同位置、不同束数情况下的模型仿真分析2 9 3 5 4a n s y s 模拟不同桩长与桩径条件的优化4 0 3 6 结论4 3 第四章a n s y s 三维仿真模拟桩间土和相邻锚索问应力问题。4 5 4 1 模型介绍4 5 4 2 模拟及分析4 8 4 3 抗滑桩和预应力锚索对土体的应力重塑问题5 l 4 4 桩径、土体参数与桩间距的关系5 2 4 5 结论5 4 第五章实例分析5 6 5 1 工程概况和数据收集5 6 5 2 结论分析5 8 第六章结论及建议5 9 参考文献6 1 插图清单 图1 1 抗滑桩和排桩基坑支护实例l 图2 1 普通锚杆和土体剪切应力应变关系曲线8 图2 2 普通锚杆锚固单元体受力图1 0 图2 3 预应力锚杆和土体剪切应力应变关系曲线1 3 图2 4 预应力锚杆锚固单元体受力图1 5 图3 1 无支护时基坑滑动面1 9 图3 2s o l i d 4 5 单元图2 0 图3 3b e a m l8 8 单元几何图2 1 图3 4 杆单元几何图2 2 图3 5 基坑模型图2 5 图3 6 初始沉降图。2 6 图3 7 初始x 方向的位移图2 6 图3 8 初始y 方向的位移图2 6 图3 9 施加建筑荷载沉降图：2 7 图3 1 0 施加建筑荷载u x 2 7 图3 1 1 施加建筑荷载u y 2 7 图3 1 2 施加节点力2 8 图3 1 3 模拟基坑开挖2 8 图3 1 4x 方向的位移等值线图2 8 图3 1 5y 方向的位移等值线图2 9 图3 1 6 工况1 变形图3 0 图3 1 7 工况1 的x 方向位移等值线图3 1 图3 1 8 工况5 的x 方向位移等值线图3 1 图3 1 9 工况1 的y 方向位移等值线图3 l 图3 2 0 工况6 的y 方向位移等值线图3l 图3 2 1 工况1 桩身应力变化图3 2 图3 2 2 工况2 桩身应力变化图3 2 图3 2 3 工况3 桩身应力变化图3 3 图3 2 4 工况4 桩身应力变化图3 3 图3 2 5 工况5 桩身应力变化图3 4 图3 2 6 工况1 锚索应力变化图3 4 图3 2 7 工况2 锚索应力变化图3 5 图3 2 8 工况3 锚索应力变化图3 5 图3 2 9 工况4 锚索应力变化图3 6 图3 3 0 工况5 锚索应力变化图3 6 图3 3l 各工况桩的最大弯矩图3 7 图3 3 2 各工况桩身最大剪力图3 7 图3 3 3 各工况锚索最大轴力图3 8 图3 3 4 二排锚索总位移图3 8 图3 3 5 三排锚索总位移图3 8 图3 3 6 二排锚索x 方向应力图3 9 图3 3 7 三排锚索x 方向应力图3 9 图3 3 8 二排锚索y 方向应力图3 9 图3 3 9 三排锚索y 方向应力图3 9 图3 4 0 二排锚索x 方向位移等值线图3 9 图3 4 1 三排锚索x 方向位移等值线图3 9 图3 4 2 二排锚索y 方向位移等值线图3 9 图3 4 3 三排锚索y 方向位移等值线图3 9 图3 4 4 桩身应力变化图4 0 图3 4 5 工况1 4 1 图3 4 6 工况2 4 1 图3 4 7 工况3 4 1 图3 4 8 工况4 4 1 图3 4 9 工况5 4 2 图3 5 0 不同桩径桩顶位移曲线图4 2 图4 1 基坑模型图4 5 图4 2 基坑轮廓线图4 5 图4 3 耦合加载和施加边界条件图4 6 图4 4b e a m l8 8 单元参数设置4 6 图4 5 工况1 、2 u x 方向位移等值线图4 8 图4 6 工况1 、2 u z 方向位移等值线图4 8 图4 7 工况l 、2s l 应力云图4 9 图4 8 工况1 等效塑性应变图5 0 图4 9 工况1 、2 塑性应力云图5 0 图4 1 0 土体内剪应力云图5 l 图4 1 l 不同桩径的工况l 、3 、5 、8 塑性变形图5 3 图4 1 2 不同桩径和最佳桩间距关系图5 3 图4 1 3 不同土体参数塑性变形图工况6 、5 、3 、1 5 4 图5 1 基坑和检测点布置图5 7 表格清单 表3 1s o l i d 4 5 单元输出定义2 l 表3 2b e h m l 8 8 输出结果表2 2 表3 3l i n k 8 单元输出结果表2 3 表3 4 材料参数2 5 表3 5 各工况参数3 0 表3 6 不同桩长与桩径工况参数4 l 表4 。1 三维模型各工况参数4 5 表4 2 各工况参数5 2 表5 1 场地岩层结构5 6 表5 2 各土层物理力学指标5 6 表5 3 位移对比5 7 第一章绪论 本节介绍了论文的意义和研究背景，其中抗滑桩是治理滑坡的一种重要手段，而 且现在应用也越来越广泛，所以必须引起工程人员的重视，推广和完善理论，了解其 工作原理和关键控制因素，制作规范和如何进一步优化设计等有待更深入的研究。另 外对边坡稳定性分析做了简要介绍，重点介绍锚固工程的研究现状和锚拉桩的研究成 果。提出本论文的研究项目和重点内容。 1 1 研究目的、背景和意义 滑坡是指在一定地形地质条件下，由于各种自然和人为因素破坏了岩( 土) 体的 力学平衡条件，使坡上的不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着岩( 土) 体内部某一 软弱面( 带) 作整体的，缓慢的，间歇滑动的不良地质现象【l j 。抗滑桩作为一种有效 的抗滑支挡结构【2 】，在滑坡治理工程中有着重要的地位，实践表明，抗滑桩能迅速、安 全、经济的解决一些比较困难的工程，因而在国内外均得到了迅速的发展，广泛地为 人们所重视【j j 。 抗滑桩的破坏形式有：( 1 ) 桩埋深不足，锚固力不足，桩被推倒；( 2 ) 桩的内力不 足，桩在滑动面处被剪断，或者是在最大弯矩处被拉断；( 3 ) 桩高出滑面的高度不足 或桩位选择不当，导致滑坡从桩顶以上剪出；( 4 ) 桩间距过大，当滑体呈流塑状时， 滑体土会从桩间流出。 由于桩锚支护结构的受力特征和加固机理有别于传统抗滑桩，而设计单位大多采 用经验法进行设计，治理效果各异，许多问题尚待进一步研究。对于完善这种新型支 挡结构的设计理论，制定相应的设计规范，具有重要的理论和实际意义，并必将产生 巨大的社会经济效 图l 。1 抗滑桩和排桩基坑支护实例 1 2 研究现状 本节讨论抗滑桩的国内外研究现状，了解抗滑桩受力情况，及内力计算方法，从 而确定合适的桩间距，桩深和桩径设计。边坡稳定分析研究方法，因为抗滑桩主要是 抗滑的支护结构，必须考虑边坡或基坑的稳定状态，以及危险滑动面的研究，从而依 据危险滑动面来进行抗滑桩的设计。下面介绍锚固工程的研究现状，论述锚索桩的应 用现状和发展前景。 1 2 1 抗滑桩研究现状 d e b e e r ( 1 9 7 7 ) t 3 】根据抗滑桩与周围土体的相互作用力，将抗滑桩分为主动桩 ( a c t i v e p i l e ) 和被动桩( p a s s i v ep i l e ) 。被动桩的问题比主动桩的问题更复杂，抗滑桩主要 是承受侧向荷载，阻止滑坡的支挡建筑物，是典型的被动桩。抗滑桩类型【4 j ：按施工 方法分，有钻孔桩、挖孔桩和打入桩；按材料分，有钢桩、钢筋混凝土桩和木桩；按 截面形状分，有管形桩、矩形桩和圆形桩；按桩与土的相对刚度分，有弹性桩和刚性 桩；按结构形式分，有排架抗滑桩、椅式桩墙、h 形排架抗滑桩、单排抗滑桩、n 形 钢架桩、预应力锚索抗滑桩等。 f r a n x ( 1 9 4 8 ) ，h e y m a i l ( 1 9 6 1 ) 和w e l l z ( 1 9 7 3 ) 等【5 - 7 】均对被动桩给出了一些定性资料， 土体的位移和桩的破坏有着密不可分的关系：h e y m a n ( 1 9 6 5 ) ，n i c u ( 1 9 7 1 ) ，o t e o ( 1 9 7 4 ， 1 9 7 7 ) 等1 8 。1o 】根据试验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。 p o u l o s h g 等【l l 】以弹塑性理论对被动桩进行了较深入研究，把被动桩分为刚性桩、半 刚性桩和柔性桩，并通过实验研究分析出了侧向受荷桩的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 方程和地基系数法计算侧向受荷桩的位移。s t e w a r t ( 1 9 9 4 ) z j 等对各计算方法进行了归纳，结合此后的研究，大致可分为如下几种：压力法， 位移法，有限单元法，边界元法。 计算抗滑桩的关键问题就是抗滑桩的受力情况，为此，许多学者对抗滑桩的受力 状态进行了研究。除了上面介绍的计算方法，i t o ( 1 9 7 5 ) 等 1 4 】基于塑性变形理论推导出 了单排桩由于土体移动而受到的侧向力计算公式，并应用该式进行了桩和土坡的稳定 性分析( 1 9 7 9 ，1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) 1 6 - 1 7 】，土坡的滑动面f e l l e n i u s 法计算得到，上述方法未 考虑设置抗滑桩后滑面位置可能出现变化的情况。m a t s u i 等f 1 8 】为验证i t o 等提出的作用 于抗滑桩上土压力计算公式，在长6 0c m 、宽3 0c m 、深3 0c m 的钢制模型箱内进行了 一系列模型试验，试验结果表明，作用于桩上的侧向土压力随土体位移增加而增加， 在达到峰值后，粘土的侧向压力基本不随位移再增大，而砂土则稍微有所减少。 h a s s i o t i s 等【2 0 】根据i t o 等的理论分析了抗滑桩加固土坡的稳定性计算。c t p o y a h o b ( 1 9 9 6 ) 2 1 】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 过积分求解得到作用于抗滑桩上的极限土压力。 国内也积极对抗滑桩进行试验研究，通过现场的加载试验，得到一些关键性资料， 为今后的理论研究提供了重要依据。刘昌清【2 2 】针对不同情况，按普通悬臂抗滑桩进行 8 组离心模型试验，通过改变桩间距、基底材料及桩前土体坡度形式来分析不同情况 下抗滑桩的受力及变形情况。目前，一般认为桩所受滑坡推力的分布图式有矩形、梯 形和三角形三种【2 3 1 。林鲁生等【2 4 】认为理想的散体，呈三角形分布，岩石坡按矩形分布， 而沉积年代久，且具有一定胶结的滑体，梯形分布比较符合。文献i l j 建议：当以内摩 擦角为主要抗剪特性的堆积体，推力分布图式可近似按三角形考虑，如果滑体是粘聚 2 力较大的地层时，其推力分布图式可近似按矩形考虑，介于二者之间的，可按梯形分 布。 1 2 2 边坡稳定性分析研究现状 抗滑桩的目的是抗滑，即当边坡出现失稳滑动的时才有必要设置抗滑桩，所以必 须了解边坡稳定性分析方法。 边坡系指具有倾斜坡面的岩土体。由于边坡表面倾斜，在本身重量及其它外力作 用下，整个岩( 土) 体都有从高处向低处滑动的趋势。如果岩( 土) 体内部某一个面上的下 滑力，超过岩( 土) 体抵抗滑动的能力，就会发生滑坡【2 4 1 。 有限元法是目前比较有发展潜力的模拟方法，比如用有限元法模拟边坡破坏的渐 进过程，边坡稳定性分析等，已成为一个新的发展趋向，实践证明，有限单元法对均 质各向同性的坡体的模拟结果较为准确。郑颖人【2 8 】应用有限元强度折减法做了边坡稳 定性分析。 不同的滑动面对边坡稳定性影响很大，所以很多学者对搜索最危险滑动面做了很 多工作，也提出了很多方法。国外如泰勒、b o u t r u p 等 2 5 j 、国内有张天宝( 1 9 7 8 ，1 9 8 7 ) 等 2 6 - 3 0 】编制了大量的图表，计算出最小安全系数。对于圆弧形滑裂面，用“穷举法”搜 索最危险滑弧，而对于自由度较多的任意滑裂面位置，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【3 1 】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 煜( 1 9 8 8 ) 2 6 1 提出了用最优化方法来确定边坡最小安全系数，陈庆中( 1 9 9 7 ，2 0 0 0 ) p 3 ，3 4 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 ，1 9 9 9 ) 3 5 , 3 6 】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。 抗滑桩的设计原则是保证滑坡体有足够的安全系数，合理的桩间距和不产生新的 滑动。但是因为抗滑桩的设置，可能导致滑动面的变化，从而需要重新按上面的方法 来搜索最危险滑动面。 1 2 3 锚固工程的研究现状 工程中常采用锚杆来调动和提高土体自身强度和稳定性，如果采用钢绞线或高强 钢丝束作为杆体，就称为锚索，它们所起的作用即为锚固。 早在1 8 9 0 年，英国北威尔士的煤矿加固工程，最先出现用钢筋加固岩层，1 9 0 5 年 美国矿山中也出现了类似的钢筋加固工程。1 9 1 1 年，美国首先用岩石锚杆支护矿山巷 道。1 9 3 4 年在阿尔及利亚采用锚杆加固坝体，此后锚杆的应用逐渐广泛。7 0 年代英国 干船坞的改建中应用了地锚，纽约世界贸易中心深开挖工程也采用了锚固技术，在捷 克、法国、澳大利亚、巴西、瑞士、意大利、日本等国广泛采用锚杆来维护边坡稳定。 3 1 2 4 锚拉抗滑桩研究现状 1 2 4 1 理论分析研究现状 普通抗滑桩设计计算的传统理论有：散体极限平衡理论 3 7 1 、地基系数法1 、塑性 变形理论【b j 。预应力锚索桩是基于普通抗滑桩的理论，力学模式类似于简支梁或某种 超静定结构，可涉及到超静定问题，很难得到精确的解析解或数值解，所以在工程实 践中往往进行一些简化。预应力锚索抗滑桩的计算包括两部分：锚索设计拉力和抗滑 桩的桩身内力的计算。滑面以下的锚固段可以按弹性地基梁设计，滑面以上的受荷段 按静力结构计算。锚索拉力的处理，有两种方法：一是考虑桩与锚索的变形协调，另 一种方法是简单地在桩身上施加一排固定的锚索拉力，计算桩身内力。第二种方法是 不尽合理的【3 8 】，因为抗滑桩产生变位后，锚索就要拉长，锚索拉力就会增大；而锚索 拉力增大，就会限制桩的变位，因而锚索抗滑桩的受力过程是桩与锚索的变形协调发 展的过程。田景贵，范草原【3 9 】假定滑面上的滑坡推力均匀分布，而土体对桩身的作用 力是线弹性的，锚索预应力作为集中荷载，锚索、桩身及土体在张拉及整个工作阶段 呈线弹性，滑动面也是确定的，采用平面应变问题进行锚索、桩的设计计算。戴自航， 彭振斌，沈蒲生【4 1 】应用有限差分法对预应力锚索桩的内力进行了研究。刘英朴，门 玉明，蔺兴淼【4 2 】应用初参数法对锚索桩的内力进行了研究。 1 2 4 2 数值分析研究现状 j i n o hw o n 等【删及m a r t i nc r 等【4 5 】用f l a c 分析软件对抗滑桩进行了三维模 拟。唐志成，徐良德f 4 2 】采用有限元法对抗滑桩的非线性分析进行了模拟研究。高永涛 4 3 1 等利用f l a c 软件对抗滑桩进行7 - - 维模拟。张友良等【1 4 j 建立了预应力锚索抗的二 维力学模型，桩身采取2 节点4 自由度b e a m 单元，锚索采用l i n k 杆单元来模拟。 刘小丽等晰1 对预应力锚索抗计算中存在的问题，提出了改进的计算方法，并通过实测 内力结果对比，结果表明改进的计算方法由于理论上的合理性，结果更接近实测值。 魏宁等h 7 1 建立了预应力锚索桩的数学模型和杆件有限元计算抗滑桩的计算模型，计算 了出锚索和桩的内力和位移。李双洋等【4 8 】也进行了模拟，预应力锚索用杆单元来模拟， 推导了在桩土相互作用下，用平面梁单元来模拟锚索桩的单元刚度矩阵，编写了相应 的计算程序。蒋新龙，郑明新 4 9 1 编制了二维有限元程序，并对预应力锚索桩结构的变 形和受力进行了模拟分析，计算结果表明在桩的锚固段，锚索预应力和滑床刚度的大 小改变后，可能出现反弯矩。锚固段抗力主要集中在滑动面附近部分。 1 3 本文研究内容及方法 1 、课题研究的主要内容； 1 ) 建立锚拉桩的计算模型，分析锚索内力和应变； 2 ) 用有限元软件模拟不同锚杆布置方式、不同排数对基坑变形和抗滑桩 内力分布的影响。 3 ) 分析不同桩长和桩径、不同锚固深度对支护效果的影响。 4 4 ) 建立三维模型，模拟锚索产生的应力叠加和应力重塑问题，以及对桩间 土的加固作用。 2 、拟解决的问题； 1 ) 研究锚拉桩结构的特点及其边坡支护原理，桩、锚内力计算理论。 2 ) 如何合理选择锚索的长度和锚固深度，及锚索的布置的优化设计。 3 ) 抗滑桩的内力分布规律，如何控制桩顶位移，如何选择合理的桩长和 桩径： 4 ) 锚索和桩相互影响及优化布置。 3 、预期效果； 1 ) 得出锚拉桩支护的作用机理；锚索内力理论计算公式。 2 ) 在不同位置布置锚索，桩身内力和基坑位移变化，以及锚索内力变化规律， 从而了解锚索的合理设计方法； 3 ) 锚杆预应力大小与土体参数，锚拉桩的抗滑能力的关系，总结出一般性结论。 4 ) 通过模拟分析不同桩径控制桩顶位移的能力，有效桩长选择方法。 5 第二章锚杆( 索) 荷载传递机理及受力分析 本章介绍锚杆的设计过程和施工工艺，普通锚杆( 索) 和预应力锚杆( 索) 的受 力机理和内力分析，导出两种锚杆内力计算公式，在弹性或弹塑性条件下，锚杆( 索) 的位移和内力。得到锚杆( 索) 的极限荷载和有效的锚固长度计算公式。公式推导引 用自c o o k erw 1 9 7 9 5 刀。 2 1 锚杆设计 ( 1 ) 设计步骤 在进行设计前，应进行场地调查及工程地质勘查。查明附近建筑物( 基础构造、 有无地下室、地下室结构、形状) 、地下公用设施( 地铁、上下水管道、煤气管道等) 的位置、周围道路、河道等，以免在施工时发生意外事故。 1 ) 确定基坑支护方案，根据基坑开挖深度和土的参数，确定锚杆的层数、 间距、倾角等。 2 ) 计算挡墙或单排抗滑桩所受各层锚杆的水平力。 3 ) 根据锚杆的倾角、间距，计算锚杆轴力。