（道路与铁道工程专业论文）预应力锚索抗滑桩作用机理及优化设计研究.pdf

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， 均己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。 学位论文作者签名： 日期：y f 年莎月f7 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。 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。 指导教师签名：镰谶 瞧浒和节日 牟日 ，i7节 诸循 名年 鹳垆 师7 教 ： 导 期 睁 匪饮日 洲仟 ： 月 名 。 堑易 作刘w 论 ： 位 期 学 日 饭伯 一邓仟 名，少獬易 作“ 文m 捌圳 位 期 摘要 滑坡是一种多发又往往能造成极大危害的地质灾害，而我国是一个滑坡灾害 高发的国家，因此有关滑坡治理的研究具有重要的现实意义。 当前滑坡防治的各个方面都取得了很大成就，其中抗滑桩的应用最为广泛， 预应力锚索抗滑桩是近年较多应用于抗滑工程的一种新型支挡结构，这类结构的 设计理论研究现在仍滞后于工程应用，其设计缺乏相应的规范指导，尤其是在对 系统的全局优化问题的分析研究甚少。本文结合小盐井滑坡为例开展这方面的研 究工作。 首先对预应力锚索抗滑桩与岩土体相互作用进行了研究，依据桩土的相互作 用，推导了适合折线型滑坡的推力计算公式，认为“超载法”推力计算公式适用于抗 滑桩的抗力计算更为合理。 其次引入有限差分法，考虑了桩底的几种约束情况，分别给出了预应力锚索 抗滑桩的计算方法。首次提出了将锁口和护壁纳入到桩身的计算过程中的设想， 并对相应的计算公式进行了修正。 再次建立了以单位桩长工程造价为目标函数的优化模型，同时采用黄金分割 法对该数学模型实现求解，为桩锚系统优化提供了一种新的途径。 最后运用本文的研究成果对小盐井村滑坡进行设计计算，同时与传统的设计 方法的结果进行分析对比，验证了本文理论的正确和合理性，取得了良好的经济 效益。 关键词：预应力锚索抗滑桩：滑坡推力；拱；作用机理；优化设计 a b s t r a c t l a n d s l i d ei sak i n do fg e o l o g i c a ld i s a s t e rt h a ta l w a y so c c u ra n dm a k eh a z a r d , a n d t h e r ei sh i 曲i n c i d e n c eo fs u c hd i s a s t e ri nc h i n a , s ot h es t u d yo nl a n d s l i d ep r e v e n t i o ni s o fg r e a tp r a c t i c a ls i n g n i f i c a n c e a tp r e s e n t , m a n yk i n d so ft h el a n d s l i d ep r e v e n t i o ng o tg r e a td e v e l o p m e n t d , a n d a n t i s l i d ep i l e sh a v eb e e nw i d e l yu s e d t h ep r e - s t r e s s e da n c h o ra n t i - s l i d ep i l ei san e w k i n do fr e t a n i n i n gs t r u c t u r ea p p l i e dt oa n t i - s l i d ep r o j e c ti nt h ey e a r s t h et h e o r e t i c a l s t u d yo nt h es t r u c t u r ed e s i g nl a g st ot h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n t h es l m c t i l r ed e s i g nl a c k t h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r da si t si n s t r u c t i o n , e s p e c i a l l yt h es t u d yo ng l o b a lo p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h ep r e s t r e s s e da n c h o ra n t i - s l i d ep i l es y s t e m t h i sa r t i c ei st od e v e l o pt h e s e q u e s t i o n sb a s eo nx i a o y a n j i n gl a n d s l i d e f i r s t l y , t h et h e s i sr e s e a r c ht h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np r e s t r e s s e da n c h o ra n t i - s l i d ep i l e a n ds l i d e ，i n t e rc o m p u t a n t i o n a lf o r m u l ao ft h es l i d et h r u s tf o r c e a p p l i e d t ot h e p r e - s t r e s s e da n c h o ra n t i s l i d ep i l e t h ea u t h o rt h r o u g hr e a s o n i n ga n a l y s i s ，w h i c h b e l i e v e st h a tt h et h r u s tf o r c ec o m p u t a n t i o n a lf o r m u l am a c h e dt o r e s i s t i n g f o r c e c o m p e n s a t i o nb a s e do nm e t h o di sm o r er e a s o n a b l eu s e dt op r e s t r e s s e da n c h o ra n t i s l i d e p i l e s e c o n d l y , i n t r o d u c et h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d , c o n s i d e rt h es e v e r a lc e n t e rr e s t r a i n t s s i t u a t i o no fp i l e sb o t t o m ，g e tm e t h o do fp r e s t r e s s e da n c h o ra n t i s l i d ep i l e t h e h y p o t h e s i so fc o n s i d e r i n gw a l lp r o t e c t i o ni n l a t e r a le r a t hp r e s s u r ec o m p u t a t i o no f p r e s t r e s s e da n c h o ra n t i - s l i d ep i l ea n di n c l i n e ds e c t i o ni sp r o p o s e df o rt h ef n s tt i m e ，a n d t h ec o r r e l a t e df o r m u l ai sr r e v i s e d t h e s i ss e tu pam a t hm o d e l ，w h o s et a r g e tf u n c t i o ni sc o s to fu n i tl e n g t ho fp i l e i ti s r e s o l v e dt h r o u g hg o l d o ns e c t i o nm e t h o d i tp r o v i d e san e ww a yf o rp i l ea n c h o rs y s t e m o p t i m u m f i n a l l y , i n m g r a t e dw i t hp r a t i c a lp r o j e c t , a n dc o n t r a s tt h er e s u l tt ot h et r a d i t i o n a l m e t h o d s t h i sc o n f i r m st h et h e o r yi nt h et h e s i si sr i g h ta n dr a t i o n a l i t y , t h eo p t i m u m d e s i g nt h e o r yo fp r e s t r e s s e da n c h o ra n t i s l i d ep i l es y s t e mi sp r o m o t e d k e yw o r d s ：p r e - - s t r e s s e da n c h o ra n t i - s l i d ep i l e ；l a n d s l i d et h r u s t ；s o i la r c h i n g ； m e c h a n i s m ；o p t i m u md e s i g n 目录 第一章绪论。1 1 1 研究背景、目的和意义一1 1 2 国内外研究状况一3 1 2 1 边坡稳定性研究现状一3 1 2 2 预应力锚索抗滑桩国外的发展及应用现状5 1 2 3 预应力锚索抗滑桩国内的发展及应用现状6 1 2 4 预应力锚索抗滑桩试验、计算理论和数值模拟的研究现状7 1 3 本文研究思路及主要内容9 第二章预应力锚索抗滑桩与岩土体相互作用机理研究n 2 1 概述1 1 2 2 滑坡的主要类型1 1 2 3 滑带土抗剪强度参数的选择13 2 3 1 粘性滑带土的变形破坏规律一1 4 2 3 2 滑坡不同发育阶段强度参数的选择。1 5 2 3 3 滑带土强度参数的确定15 2 4 滑坡推力传递机理15 2 5 滑坡推力的计算研究1 7 2 5 1 滑坡推力计算的基本方法。1 7 2 5 2 抗滑桩的抗阻力计算一1 9 2 5 3 滑坡推力计算中其他需要说明的问题。1 9 2 6 滑坡推力的分布形式研究2 l 2 7 滑坡推力计算与验算桩前滑体的稳定性2 3 2 7 1 滑坡推力计算2 3 2 7 2 验算桩前滑体稳定性。2 3 2 8 小结2 4 第三章预应力锚索抗滑桩结构的设计计算研究2 5 3 1 概述2 5 3 2 预应力锚索抗滑桩结构的设计及计算2 5 3 2 1 计算的假定条件一2 5 3 2 2 锚索预应力值的确定一2 6 3 2 3 预应力锚索抗滑桩桩身计算的有限差分法3 1 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 第六章 6 1 6 2 致谢 参考 在学 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 滑坡是指斜坡上的岩土体，由于河流冲刷、地下水活动、地震等因素的影响， 在重力因素的作用下让得部分岩土体，沿着一定的软弱带或软弱面，进行整体或 分散的向下滑动的自然灾害现象【l j 。与错落、泥石流、崩塌等一样，它是山区公路 设计中常常碰到的一个自然灾害，与此同时也是全球范围内的三大自然灾害现象 之一，造成严重的后果有中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿、破坏村庄和农田，以 及巨大破坏的经济损失和人员的伤亡问题【2 j 。因此滑坡治理工程已经成为工程研究 的热点问题，滑坡的发生与存在也受到全球大多数国家的关注。 滑坡治理是一项技术繁琐、施工危险、投资巨大的建设项目。经过这么多年 的理论科学研究与实践实例研究，滑坡防治在其国内和国外都取得了比较大的成 就，我国经过5 0 多年防治滑坡的实践，在学习国外先进经验的基础上结合自己的 国情也形成了一整套防治办法，概括起来将其分为绕避滑坡、排水、力学平衡和 滑带土改良四类【3 】。其中改移线路和用桥跨越滑坡属于绕避滑坡；地表排水和地下 排水属于排水；减重反压和支挡工程属于力学平衡；注浆、焙烧和爆破属于滑带 土改良。其中支挡抗滑结构的发展应用最为迅速，当削坡、减载、排水、挡土墙 等工程措施不足以解决问题时，采用抗滑桩能迅速、安全、经济的解决一些困难 的工程。而抗滑桩又包括一般抗滑桩和预应力锚索抗滑桩。 预应力锚索抗滑桩是在一般抗滑桩的基础上发展起来的，其概念是：在普通 抗滑桩的桩顶或桩身的一定位置布置一排或多排与水平方向成一定角度并可施加 强大预应力的锚索，借助锚索提供的锚固作用力以及桩锚固段岩土体提供的抗滑 阻力来共同阻止其滑坡的下滑。相对于一般抗滑桩的结构而言，预应力锚索抗滑 桩结构的受力状态显得更加的合理。一般抗滑桩结构的力学模式相当于悬臂梁在 地层中的锚固，利用此种力学模型计算出来的桩身弯矩、剪力都相对比较大，导 致桩截面尺寸很大，需要相当的钢筋数量。预应力锚索抗滑桩在桩顶或桩身下一 定位置布置一排或多排锚索，大大的改善了桩身的受力状态，让此结构的基本力 学模型变成简支梁或其他的超静定结构。由于增加了预应力锚索这个限制约束， 使得桩顶的位移变小很多，抗滑桩的内力在一定的程度上也变的较小。一句话概 之，在一般抗滑桩桩身上加预应力锚索，使得结构从被动变为主动结构。 对于下面的问题是一个应该深入研究的问题：是不是完全的发挥了抗滑桩的 抗滑阻力以及其设计是不是安全经济合理。在很多实际工程的实测结果中抗滑桩 没 结 滑 对 的 大 得 有 建 、 范 锚 说 法 计 方 设 计。 由于以上各方面的原因，以下是一个必要以及紧迫的工作：重点突出加强设 计方法理论的研究，把其预应力锚索抗滑桩纳入到相应的规范，使得今后在设计 预应力锚索抗滑桩的时候有相同的依据。故本论文主要结合其小盐井村滑坡机 理及治理技术研究课题，开展了此方面的研究工作，在前人已有研究成果的基 上，充分吸收相关行业的研究成果和成功经验，重点对预应力锚索抗滑桩的作 机理及优化设计进行理论研究，同时对滑坡推力设计取值的确定，以及锁口护 在桩身结构计算中的作用给出了其相应的修正公式。对预应力锚索抗滑桩在安 经济合理的情况下进行全面系统的优化设计。 随着国家西部大开发的进一步深入以及各省的“十二五规划”逐步开展，会大量 资越来越多的基础设施项目，如公路、铁路、水利水电、建筑等，在以上项目 建设中必然会遇到更多的滑坡以及高边坡加固问题。对滑坡治理以及边坡加固 行更安全、经济以及合理的设计研究，在抵御滑坡地质灾害以及促进国民经济 益方面起着重要的作用。 第一章绪论 1 2 国内外研究状况 1 2 1 边坡稳定性研究现状 只有在边坡出现失稳的时候才有必要去进行加固处理，这也就是布置抗滑桩 目的所在，所以我们要知道边坡稳定分析方法。 学者对边坡的研究已经有数百年的时间了，故边坡工程研究早就成为一个很 古老的问题了。著名的土压力理论由库伦在1 7 7 3 年发表，滑坡一词是在地质学 原理书中被英国学者赖尔首次提到，并且说明造成滑坡的主要原因是地下水。 因为边坡稳定性研究的实际应用价值是巨大的，所以只要是工程地质的学科都开 展了边坡稳定性这方面的研究。在多年基础设施项目的建设过程中，如工业与民 用建筑工程，道路工程、水利水电工程、铁道工程、矿山工程和国防工程等都进 行了这方面的大量研究，得到了一定的实际经验和科研成果【1 0 】f l l 】。 滑坡主要有以下两种类型：一是自然边坡因为河流冲刷、地壳运动以及人类 活动打破了其环境平衡条件而造成的滑坡，其稳定程度大多数情况下用地质条件 对比法来进行衡量；另外一种则是人工开挖的边坡，在实际施工操作的过程中引 起岩土体内部应力状态的改变，边坡有几个面的应力达到其抗剪强度，破坏了其 原来内部的平衡稳定状态，从而造成滑坡。本文所指的滑坡都是后者。 目前，边坡稳定性评价研究的方法比较多，从分析研究的原理以及理论基础 可划分为以下几种： 力学验算法( 极限平衡法) 力学验算法是一种假设边坡沿某一形状滑动面破坏，基础是条分法，按力学 平衡原理来进行计算并求得其稳定安全系数，此方法力学原理简单并且计算也很 简便。瑞典圆弧法由瑞典p e t t e r s o n ( 1 9 1 6 ) 提出，其中滑动面为圆弧。f e l l e n i u s 等( 1 9 3 6 ) 【l2 j 将滑体分为条状，提出了新的方法即瑞典条分法，此法忽略了岩土 体条体块间的作用力；b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 1 3 1 重新定义了稳定安全系数的概念，同时 考虑了岩土体条块间摩擦力的影响，并形成了更高精度的条分法。在这以后， m o r g e n s t e r n 和p r i c e ( 1 9 6 5 ) 1 4 】，s p e n c e r ( 1 9 6 7 1 9 7 3 ) 1 5 1 ，j a n b u ( 1 9 7 3 ) 1 6 l ，s a r m a ( 1 9 7 3 ) 1 7 1 等分别对岩土条间摩擦力作用点的位置，或力的作用方向做出了各种 假定，并推导出了稳定安全系数的计算公式。边坡稳定力学验算法已趋于完善， 但总体上还存在着这样或那样的问题，对此有些学者又进行了方法的完善。如“ 和w h i t e ( 1 9 8 7 ) 1 8 】提出了一些快速估计临界滑动面的方法；s r b u l o v ( 1 9 8 7 ) 1 9 l 采用对每个岩土条定义，然后计算稳定安全系数，最后推导总体的稳定安全系数。 极限分析法 4 第一章绪论 1 9 5 2 年d r u c k e r 和p r a g e r 【1 2 】最早对边坡稳定性进行了极限分析。陈惠发【垃j 假 设滑动面为其对数螺旋线，根据m o h r - c o u l o m b 破坏准则对各种类型的边坡稳定性 问题进行了极限分析，得出了此类边坡的上限解。1 9 7 7 年潘家铮 2 0 】在重点分析多 种边坡稳定性分析方法之后，得出了极限分析法的两个基本原理即极大值和极小 值原理，相比较弥补了传统分析方法的理论不足，1 9 9 8 年陈祖煜院士【2 l j 提供了其 理论证明。1 9 8 3 ，1 9 8 4 连续2 年孙君实陋】 2 3 1 通过塑性极限分析法，提出了一种新 型的边坡稳定性分析方法即模糊极值理论，与此同时给出了一套数值计算方法。 1 9 9 5 年蔡中民等【2 4 】就抛物线以及双曲线的m o h r - c o u l o m b 破坏准侧的状况，对边 坡的极限荷载做了大量的应用研究。 随机理论分析法 有很多学者对边坡稳定性分析采用随机理论分析方法做过大量的研究【l 引， 1 9 8 2 和1 9 8 7 年c h o w d h u r y 2 5 】【2 6 1 对三维效应的概率分析做过大量的研究；s c a v i a | 2 7 】 等对岩石边坡的破裂破坏进行的研究；国内学者1 9 8 0 和1 9 9 0 年祝玉学等【2 引 2 9 1 、 1 9 8 7 年包承纲等1 3 0 】和1 9 9 6 年陈昌富等【3 1 】对此方法进行许多有意义的研究工作。 数值分析法 利用对地质工程的抽象，同时借助数值分析法来分析不同工况下岩土体边坡 稳定性的课题的方法称为数值分析法1 1 j 【1 2 】。此法的优点是在算在出边坡每一点的 应力同时还能算出其应变位移，这是力学验算法以及极限分析法等不能达到分析 的效果。有限元法、有限差分法、离散法、块体单元法、无单元法、耦合方法等 都是目前工程计算常用的数值分析法。1 9 8 8 年p a s t r e n a c k 等 3 2 】通过把力学验算法 与有限元法结合起来，根据有限元法提供的应力、应变和位移等数据用力学验算 法来计算边坡稳定安全系数；1 9 9 2 年m a t s u i 和s a n l 3 3 在有限元分析中把边坡的破 坏定义为剪应力破坏准则，此法与修正的f e l l e n i u s 法很吻合；2 0 0 2 年郑颖人院士1 3 4 1 应用有限强度折减法对边坡稳定性进行了分析研究。 有很多学者在进行边坡稳定性分析时，都对边坡的最危险滑动面进行了搜索 研究，并提出了很多的解决办法，这是因为滑动面的假设在边坡稳定性分析中计 算得出的结论影响较大。在我国对土质边坡最危险滑动面的研究，1 9 7 8 和1 9 8 7 年 张天宝等【3 4 11 3 5 】为了求得相应的最小稳定安全系数绘制了大量的图表。可以采用 “穷举法”对圆弧形滑动面进行最危险滑面的搜索，阎中华瞰】曾用“黄金分割法”、周 文通曾用“鲍威尔法”探讨研究过圆弧形最小安全系数，同时也取得一定的结果，但 是边坡滑动面的研究范围仍未进入任意形状的领域。1 9 8 8 年陈祖煜院士【3 7 】提出了 用最优化方法来确定最小稳定安全系数，1 9 9 7 和2 0 0 0 年陈庆中【3 8 】【3 9 j 结合有限元 法、力学验算法以及常微分方程的数值解，形成了土坡问题的最优控制分析法。 故目前能利用上述方法能比较快速的找出边坡最危险滑动面的位置。 第一章绪论5 滑坡土体不从桩顶滑出以及从桩间挤出，保证滑坡的设计安全系数达到工程 规定的安全值，不产生新的滑动面是预应力锚索抗滑桩的布设原则。让滑坡的设 计安全系数达到其规定的安全值是最主要的，在施工的过程中可能产生新的滑动 面，这就又要通过上述的边坡分析法重新去搜索最危险的滑动面然后再计算。 1 2 2 预应力锚索抗滑桩国外的发展及应用现状 从1 9 世纪中叶开始，欧美国家就对滑坡自然灾害进行了预防和控制研究。但 早期的时候只能对大中型滑坡采取绕避的措施，同时对小型的滑坡采用反压护坡， 减载，有的可以采用抗滑挡土墙来进行处治，这些都是因为在当时不了解滑坡的 基本性质以及变化规律造成的。一直持续到第二次世界大战后，才真正的开始利 用支挡工程来进行滑坡的处治，这个归因于各国经济不断的快速，并且形成的滑 坡越来越多造成的。与此同时一些大型的滑坡随着技术的发展和应用也开始采用 支挡结构进行治理。在2 0 世纪6 0 - - , 7 0 年代除了以排水为主要治理滑坡措施的同 时，为解决抗滑挡墙施工困难的问题，开发了新型的支挡结构即使滑桩。如在1 9 6 4 年英国铁路某处采用抗滑桩加固了挡土墙滑动的问题，保护了沿线铁路；在1 9 6 7 年美国旧金山某处采用8 0 根钢筋砼灌注桩进行加固在铁路隧道的上部开挖公路导 致的山体滑坡，并在桩顶用联系梁浇筑成一个整体，稳定了滑坡；在1 9 6 8 年比利 时某处铁路由于路基加宽，由于边坡为破碎的片岩，并且在施工中也没注意到此 问题造成了滑坡，通过采用了两排抗滑桩进行了处治，并且在滑坡的附近也用7 0 根抗滑桩进行了加固，最终稳定了其滑坡【加】【4 1 1 。 钢筋砼钻孔灌注桩在欧美国家和前苏联经常采用，桩的钻孔直径为0 8 1 5 m ， 也有直径为0 5 - - 0 8 m 的钻孔，孔深1 5 - 3 5 m ：钻孔钢管桩经常在r 本使用，即在 钻孔直径为为3 5 0 - - - 5 5 0 m m ，深1 5 - - 3 2 m 的钻孔中放入直径为3 2 0 - 4 6 0 m m 的钢 管，钢管壁厚1 5 - - 3 5 m m ，在钢管内外灌入砼，有时在钢管中加放h 型钢为了提 高其抗剪切的能力。抗滑桩的间距一般为2 0 - - 5 0 m ，其中又以2 o 3 0 m 间距的 居多。在国外经常为了增强抗滑桩的抗弯能力采用联系梁将桩连接起来，形成一 个刚架桩。日本在2 0 世纪7 0 年代的后期开始使用挖孔直径为1 5 - 3 5 m 的抗滑桩， 同时支护的材料采用定型波纹钢板 4 0 l 。 2 0 世纪8 0 年代以来除了继续应用小直径抗滑桩的同时，开始采用大直径抗滑 桩来进行大型滑坡的治理。例如在日本的龟之濑滑坡上采用直径6 m ，深4 5 - 6 0 m 的大型抗滑桩来进行治理，其最大的特点是只在滑动面用型钢加强，其他地方均 匀配筋。同时预应力锚索开始在滑坡防治中大量使用，或单独使用，或与桩组成 预应力锚索抗滑桩联合使用；单根锚索的拉力可以达到4 5 0 - 3 5 0 0 k n 不等，其长 度一般为2 5 - 6 5 m ，最长的达l1 5 m 。预应力锚索治理滑坡不需要开挖滑体，也能 6 第一章绪论 进行机械化施工，可节省约5 0 的造价投资与抗滑桩工程相比h o 。 国外对被动桩的研究重点是岩土体变形破坏作用在桩上的状况。特别是对海 港工程、堤坝工程中的被动桩研究很多。他们提出的位移法、压力法以及有限单 元法等只能用来计算承受土体水平位移和桩群的设计。国外在抗滑桩的设计计算 上面的研究主要是针对软土、堤坝，把岩土体认为是一种理想的弹塑性材料，其 岩土体作用于抗滑桩的荷载很难去确定，这些方法以及经验的使用范围都有很大 的局限性。国外对于主动受力抗滑结构的预应力锚索抗滑桩的研究及其匮乏，基 本上没有做实质性的研究。 1 2 3 预应力锚索抗滑桩国内的发展及应用现状 我国对滑坡灾害的研究和处治工作是从5 0 年代开始的。国内的铁路部门是最 先开始应用抗滑桩的，5 0 年代修建铁路用来治理滑坡的钢筋砼桩，也就与目前的 挖孔、钻孔灌注的抗滑桩一样，但主要是用于少数岩石顺层滑坡的治理。在1 9 5 4 年宝成线史家坝隧道口采用混凝土榫桩治理灰岩边坡顺层滑坡。修建成昆铁路对 抗滑桩在我国的应用发展影响是最大的，1 9 6 7 年首次成功的实现了挖孔抗滑桩新 型的支挡结构，相继在成昆沿线滑坡采用大截面的挖孔抗滑桩治理，为滑坡整治 增添了一种切实可行的新手段，目前都已推广到其他的铁路新线以及厂矿并还在 不断的完善以及创新，由普通的抗滑桩一排发展成椅式桩板墙；钢架排桩；h 型排 架抗滑桩等【加j 。 在治理滑坡方面，抗滑桩有其独特鲜明的特点：由于治理滑坡规模的不断增 大以及滑坡推力不断的增加的情况下，桩的截面积尺寸，锚固段的长度及桩的总 长度越来越长，揭露出抗滑桩的不合理受力状态，导致工程材料的大量浪费、施 工进度慢以及施工会变的不安全起来。在这么多年大量应用的同时人们渐渐的认 识到抗滑桩的缺陷：结构属于悬臂受力，主要都是依靠滑动面以下锚固段岩土体 的抗力去平衡滑坡推力，在进行滑坡治理的时候桩的截面积尺寸往往需要很大同 时增加了工程造价。工作技术人员为了改善这种结构的受力状态、减少桩的截面 积尺寸、减小悬臂端长度、增大抵抗弯矩，正在不断努力研究新的抗滑支挡结构。 进去2 0 世纪8 0 年代以来，预应力锚索抗滑桩随着预应力锚固技术的不断发 展，作为一种新型支挡结构用于治理滑坡工程而出现。铁道部西北分院于8 0 年代 研究了在单桩顶或桩身下的一定位置布置预应力锚索，预应力锚索锚固段要进去 滑面以下地层一定的长度，这样就形成了现今预应力锚索抗滑桩。在四川省松藻 矿务局金鸡岩煤矿滑坡、四川省江油松花岭滑坡、成昆线莫洛滑坡、南昆线文佃、 跟龙、册享车站软质岩高边坡及板桃车站软质岩高边坡、川藏公路z n 山龙胆溪 滑坡大量应用了预应力锚索抗滑桩，较一般抗滑桩节省投资约3 5 1 4 。0 1 。 第一章绪论 7 预应力锚索抗滑桩已在地质滑坡灾害治理中作为一种实用有效的支挡工程措 施得到大量广泛的应用。但是其作用机理、布设预应力锚索抗滑桩之后的边坡稳 定分析、锚索预应力的损失仍然是一个值得不断深入研究的课题。 1 2 4 预应力锚索抗滑桩试验、计算理论和数值模拟的研究现状 预应力锚索抗滑桩的设计过程一般包括预应力锚索拉力设计以及抗滑桩桩身 的内力结构设计计算，即是首先确定其滑坡的下滑力，进而计算锚索的预应力设 计值，最后根据计算出来的锚索设计拉力值去计算抗滑桩的内力结构设计。国外 对预应力锚索抗滑桩结构设计研究相对很少，而在国内因为大量应用于实际工程 中，同时相应的室内试验、现场监测以及理论研究较多。 试验研究现状 许东俊【4 2 j 通过钻孔倾斜仪法监测抗滑桩实际的受力状态，用得到的数据对加 固的效果进行评价。 李同吲4 3 】根据建兴滑坡应急方孔挖孔桩位移监测的结果，将滑坡的过程分为 蠕变初始阶段和剧烈蠕动阶段，同时对监测位移作了分析预报。 张玉芳m 】对深圳市黄贝岭滑坡治理工程的预应力锚索做了长期的现场监测， 得到的结果为：预应力锚索拉力随时间的变化分为三个阶段，即锚索预应力迅速 减小阶段、锚索预应力缓慢变化阶段和锚索预应力稳定阶段。锚索预应力缓慢变 化阶段中锚索预应力的增大或减小取决于预应力长期损失和滑坡推力之间作用的 结果。 曾德荣，李霖1 4 5 j 利用模型试验和现场监测得出：预应力锚索改变了抗滑桩的 受力状态，让桩由悬臂变成了一端弹性支承另外一端固定的结构；锚索预应力的 施加，对土体产生了主动的反压力，改变了土压力的分布规律，由三角形分布变 成近似的梯形分布。 曾云华，郑明新【舶】通过室内预应力锚索抗滑桩的模型试验，得出滑坡推力大 致呈矩形分布；锚索的预应力作用让桩前的一部分土受压，受压区的c 、q 值增大， 从而增大抗滑力。 目前，还没有对预应力锚索抗滑桩进行系统的现场试验研究，原因是现场试 验的周期慢长以及费用昂贵。 理论研究现状 塑性变形理论【4 7 1 、地基系数法闭和散体极限平衡理论【4 8 1 都是普通抗滑桩的传 统计算理论。同普通抗滑桩的传统理论一样，预应力锚索抗滑桩的力学模式相当 于简支梁或其它的超静定结构。在工程中常常对超静定问题进行一些简化，因为 想得到超静定结构的解无疑是非常困难的。 第一章绪论 前苏联学者金布格和依申柯h 明提出了控制桩项水平位移的方法来计算锚索 预应力，开展了预应力锚索抗滑桩结构的研究工作，二一 王化卿，李传珠【5 0 】沿用了前苏联学者金布格和依申柯的方法来计算锚索预应 力设计值。介绍了预应力锚索抗滑桩的施工方法。此方法考虑了桩周岩土的共同 作用以及桩的变形，把桩顶位移作为已知条件，没有考虑锚索的变形与桩的共同 作用。 励国副5 1 】采用锚索抗滑桩与滑坡相互作用的计算方法来确定锚索的设计拉 力。同时还介绍一个预应力锚索抗滑桩模型试验的情况，其结果为：在滑动面以 上，桩侧应力图形近似k 型分布，与一般的滑坡推力呈矩形分布差别不大；最大 弯矩点由普通抗滑桩在滑动面附近上移到接近滑体中部位置；桩的靠河侧受拉， 只有当桩顶位移较大时才出现靠山侧受拉的情况。 田景贵，范草原【5 2 】假设土体对桩的作用是线弹性的，滑面上的滑坡推力均匀 分布，预应力作为集中荷载，桩身、锚索在张拉及整个工作阶段呈线弹性，按照 平面应变问题进行桩、锚索的计算，指出该方法中应该进行进一步研究和完善的 问题。 陈占【5 3 】通过分段计算法以及地基系数法，靠悬臂梁绕曲变形理论和弹性地基 梁理论计算预应力锚索抗滑桩的变形与内力，以控制桩滑动处变形及改善桩身内 力分布来计算锚索预应力值及长度。 刘小丽，周德培、杨涛【5 4 】将桩与锚索按弹性受力分析，锚索拉力按弹性支座 考虑，考虑锚索和桩的协调变形，考虑了预应力锚索抗滑桩在工作期间承受滑坡 推力的变化，将锚索、桩及桩锚固段周围岩土作为一个整体，根据作用荷载来进 行锚索预应力值的方法。 杨佑发，刘光华【5 5 】基于地基系数“m k ，法的原理，提出锚索抗滑桩内力计算的 有限差分法，滑动面下桩的内力计算同一般抗滑桩完全相同，滑动面上不同的是 此时的桩顶条件，必须考虑锚索拉力的作用，拉力的求法根据控制桩顶位移法和 经验法。 桂树强【5 6 】将双参数法引入到土抗力模数或地基系数的计算中，贯穿结构计算， 分别按弹性桩和刚性桩的力学模式，将锚索视为弹性铰支座，利用位移变形协调 条件计算锚索的预应力值。 总的看来，预应力锚索抗滑桩结构的计算方法划分两种：第一种，直接把预 应力或锚索设计拉力荷载施加到桩上，不考虑桩、锚变形协调，锚索提供的拉力 是所施加的预应力，在工作过程中值保持不变；第二种，将锚索拉力与滑坡推力 作为桩身荷载，考虑桩、锚变形协调，考虑预应力施加后滑坡推力的变化引起的 锚索拉力的变化，桩、锚在桩身锚固点出变形协调。 第一章绪论9 数值分析研究现状 国内外对抗滑桩的数值分析研究较多，唐志成，徐良俐，7 】对抗滑桩的非线性 用有限元法进行了分析。张友良【5 8 】等用有限元理论建立了预应力锚索抗滑桩的力 学模型，采用2 节点4 自由度梁单元来模拟抗滑桩，采用杆单元来模拟锚索。抗 滑桩对滑动面下桩前土体产生的作用力按弹性地基局部变形理论计算，滑动面上 桩前滑体的抗力，由极限平衡时的滑坡推力曲线确定。刘小丽【5 9 j 提出了预应力锚 索抗滑桩的改进计算方法，对比抗滑桩实测内力结果，结果表明：改进的计算方 法计算结果更接近于实测值是因为理论上的合理性。魏宁i 删用有限元理论建立了 预应力锚索抗滑桩数学模型和杆件有限元计算抗滑桩的模型，计算预应力锚索抗 滑桩的内力并与对普通抗滑桩的计算结果进行了比较。蒋新龙，郑明新【6 l 】对滑坡 治理中预应力锚索抗滑桩结构的变形和受力通过二维有限元程序进行了分析，结 果表明锚固段桩前抗力主要集中在靠近滑动面部分，在锚固段随锚索预应力和滑 床刚度的大小改变可能出现反弯矩。郑颖人院士【6 2 】通过有限元强度折减法研究了 预应力锚索抗滑桩的内力分布，并与其他计算方法进行了比较。 1 3 本文研究思路及主要内容 近些年来出现的一种新型支挡结构形式即预应力锚索抗滑桩，许多学者在理 论研究以及工程实践都做出了一些研究成果，但目前确实还存在不能解决的问题， 如应用于破裂岩体高边坡。当前预应力锚索抗滑桩结构计算的适用性、合理性的 确定桩间距、如何确定锚索预应力值等问题都值得进一步的研究和改进并且不断 的完善。本论文针对上述问题在归纳总结现有研究成果的基础上逐步展开，其基 本研究思路为首先对滑坡体与预应力锚索抗滑桩的作用机理进行了分析，然后建 立了预应力锚索抗滑桩结构的力学模型，并且对现有的设计计算方法存在的主要 问题进行分析研究并提出具体的解决办法，进一步完善其设计理论；然后在这些 设计理论之上运用最优化理论，建立优化模型；本论文最后运用前面得出的研究 成果对实体依托工程项目即小盐井村滑坡进行优化设计，实现从理论成果到具体 实际工程效益的转化。 根据上述的研究路线及思路，本论文的主要内容为： 预应力锚索抗滑桩与边坡岩土体的相互作用机理研究 对滑坡推力在岩土体与预应力锚索抗滑桩之间的传递机理进行研究；对滑坡 推力计算存在的问题和计算方法进行研究；对滑坡推力计算中的设计安全系数的 确定进行了讨论；初步研究分析预应力锚索抗滑桩的作用机理。 预应力锚索抗滑桩结构的设计计算理论研究 绪论 形和内力计算的基础上，将锚索与桩 合，进一步完善其设计计算理论；对 统一的荷载计算方法；讨论了锁口护 锚索抗滑桩的结构成本为目标函数， 索的锚固段长度、抗弯纵筋面积、抗 优化数学模型，并且采用黄金分割法 论运用到实际工程是本文的归属点， 究课题将研究成果运用到该滑坡治 第二章预应力锚索抗滑桩与岩士体相互作用机理研究 l l 第二章预应力锚索抗滑桩与岩土体相互作用机理研究 2 1 概述 抗滑支挡结构与发生滑坡的岩土体之间的相互作用机理是滑坡治理工程中最 基本的问题。安全经济合理进行抗滑支挡结构设计的基础是要把两者的相互作用 分析研究透彻。所以预应力锚索抗滑桩与岩土体之间相互作用机理的问题是本章 的主要研究内容。 通常认为滑坡推力是通过桩与桩周岩土体的相互嵌制作用传递到稳定的地 层，滑坡稳定利用稳定地层的锚固作用被动抗力，上述就是抗滑桩支挡滑坡的基 本原理。，当前抗滑桩的设计计算中利用这种原理考虑桩与滑体的相互作用机理主 要表现为两个方面：一是将滑坡产生的滑坡推力作为抗滑桩承受的外荷载直接作 用在桩上；二是计算结构的内力、变形以及桩周岩土体的反力是在考虑桩与桩周 岩土体的共同作用的前提下。，对于上述两个方面可以进行修正在考虑桩前岩土体 的作用的时候，也即将桩前岩土体的抗力直接作为外荷载作用在桩上，或者是与 滑动面以下的桩周岩土体一样对待进行计算。故上述两个方面对抗滑桩的设计具 有非常重要的意义，现在一般按弹性地基梁理论来对第二方面进行计算，并且计 算理论方法相对比较成熟；，现在滑坡治理工程设计中对于第一个方面主要是对滑 坡推力分布形式做出假设，然后再把其作为外荷载直接作用到抗滑桩上。桩的内 力计算受到桩后荷载的大小和分布形式因素影响很大，所以，滑坡推力的传递机 理及计算和分布规律研究是本章节重点研究的内容。 本章节首先阐述了岩土体滑坡的主要类型，并且在此基础上提出滑带土的抗 剪强度参数该如何选取：其次，利用土拱效应理论研究了滑坡推力传递的机理； 最后，讨论了现有滑坡推力的分布形式以及安全稳定系数的该如何的确定。 2 2 滑坡的主要类型 徐邦栋教授【4 l 】根据国内外的现状对滑坡的分类作了及其深入的分析研究说 明，滑坡最常用的分类方法有1 0 来余种，在各种不同的条件依据不同的地形也可 以有其他更多的分类方法。 本小节主要介绍一些在国内具有代表典型性的滑坡分类方式。最有权威的是 铁路系统数十单位曾于2 0 世纪7 0 年代在铁路沿线滑坡调查的基础上进行的滑坡 分类。这个铁路滑坡分类方案于1 9 7 6 年讨论后进行发表，其目的是为了滑坡防治， 1 2 第二章预应力锚索抗滑桩与岩土体相互作用机理研究 目前已经使用3 0 来年，作用明显。在我国内一般都是按照这种三级分类方案对其 滑坡进行分类命名。 滑坡的三级分类法的分类原则是基于以下几点考虑：便于识别；便于制定合 理的治理措施；符合我国国情并能反映多年来在滑坡研究及防治中积累的知识和 经验；简单明了，以便于更多的人了解和掌握，但是又不失其科学性。 第一级分类的标志是组成滑体的物质，即按形成滑坡的岩、土进行分类。 不同的岩土不仅有这自己的分布规律和地域特点，而且产生滑坡的原因、滑坡外 貌特征、滑坡运动特点也不尽相同，治理方法也有一定的差异，与此同时也很好 识别，故将其作为第一级分类标志。根据第一级标志可以分为6 大类滑坡。 1 ) 粘性土滑坡：多分布在丘陵地带，及盆地边缘，其规模一般不大，且成群 出现，滑带经常位于受水或卸载条件下易于崩解或膨胀的一层中。 2 ) 黄土滑坡：主要由第四世纪各种成因的黄土及黄土类组成。此类滑坡多集 中于黄土高原地区，特别是黄土塬的塬边，其规模往往较大并具有崩塌性。 3 ) 堆填土滑坡：主要是指人工堆填土和弃土中产生的滑坡，。一般来说，此 类滑坡的规模都不是很大。 4 ) 堆积土滑坡：主要是指由坡积、崩积、洪积、残积等各种成因组合而成的 土、石混杂物组成滑体的那种滑坡，常分布在山区河谷两岸的缓坡地段。 5 ) 破碎岩石滑坡：指组成滑坡的岩体主要是因为构造作用而破碎，其中最典 型的为断层破碎带岩体，有的依稀可见原岩外貌的那种滑坡，同时也包括由错落 转化发展而成的破碎岩石滑坡。 6 ) 岩石滑坡：指由第三世纪以前的各种完整岩体组成的滑坡。在岩石滑坡中， 顺层岩石滑坡是最常见的，也是最典型的层面滑坡。 第二季分类标志是主滑动面成因类型，即按主滑段滑动面的成因进行分类。 岩土体内形成主滑地段滑动面的成因和位置对于整治、预防和预测滑坡十分的重 要。大量事实表明绝大多数滑坡主滑动面基本上依附于岩土内既有的各种倾向线 路的软弱结构面发育生成。构成滑面的各个软弱结构面的特征集中在滑动面上抗 剪强度较低，在很大程度决定着滑坡能否发生。 1 ) 堆积面滑坡：第四世纪以来各种成因的堆积作用形成的分界面，包括第四 世纪堆积物与下伏基岩的不整合面；不同时期不同成因的第四系堆积物问的界面； 因风化程度不同而形成的一些非层面界面；人工堆积的岩土与下伏地面间的界面。 2 ) 层面滑坡：由沉淀作用、变质作用和火山喷发所形成的各种岩质分界面， 包括不同时代岩层间的整合面和不整合面；变质岩中的片理面；沉积岩中的层面； 喷出岩与下伏基岩问和不同时期喷出岩之间的分界面。 3 ) 构造面滑坡：地质构造作用形成的各种结构面，以及岩