（岩土工程专业论文）抗滑桩设计与滑坡治理有限元分析.pdf

太原理。1 ：人学硕十研究生学位论文 抗滑桩设计与滑坡治理有限元分析 摘要 滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力或其他自然因素作用下沿一定的软 弱面作整体、缓慢、间歇向下滑动的现象，是一种相当普遍的自然灾害。 由于其出现地域广泛，对人类造成较大的威胁和危害，因此对滑坡的研究 成为一项重要的课题。我国对滑坡灾害的系统研究和治理是从上世纪5 0 年 代开始的，滑坡防治的研究在各方面都取得了很大的成就，其中抗滑支挡 结构的发展尤其迅速。 抗滑桩做为一种抗滑支挡结构物广泛应用于滑坡治理当中，但目前的 抗滑桩设计理论不太成熟，许多假设都不同程度回避了桩一土相互作用的 全面分析。如地基系数法把土体对桩的作用等复杂因素通过w i n k l e r 假定简 化成单纯的地基系数作用于桩上。所以这些设计理论本质上都未能彻底解 决桩一土相互作用力学机制问题。目前的有限元分析对采用抗滑桩治理后 的位移、应变、稳定性的分析很少。本文主要研究了抗滑桩在滑坡治理中 的应用和设计方法，介绍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。对一些普遍 规律进行了总结并对目前采用的设计方法中存在的问题和设计中应注意的 事项提出了一些看法并结合山西离柳焦煤集团新民二矿南山滑坡治理的工 程实例进行以下几个方面的研究： 一、论述抗滑桩的发展及应用现状及其目前常规计算方法。 二、分析滑坡机理及影响边坡稳定的主要因素，对比分析了滑坡治理 t 太原理1 人学硕+ 研究7 e 1 z 何论文 方法的优缺点。 对抗滑桩设计各个环节进行优化。 对抗滑桩进行有限元分析。 五、结合工程实例，将理论应用于工程实际中。 关键词：滑坡，抗滑桩，优化设计，土拱，桩间距，有限元法 i i 太原理i ：人学硕十研究生学仲论文 s l i d e r e s i s t a n tp i l ed e s i g na n dl a n d s l i d e g o v e r n m e n tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a b s t r a c t l a n d s l i d eb e i n gt h a tp o i n t i n gt op h e n o m e n o n d o i n ga ne n t i r e t yf a c et of a c e ， s l i d i n gs l o w ，b l a n kd o w n w a r du n d e rt h ee f f e c ta l o n gc e r t a i nw e a ki ng r a v i t yo r o t h e rn a t u r a lf a c t o rc o m p o s i n gt h es l o p er o c ks o i lb o d y , i so n ek i n do fp r e t t y c o m m o nn a t u r a lc a l a m i t i e s b eb r o a ds i n c et h er e g i o na p p e a r so nt h ep e r s o n ， h a v ec o m p a r a t i v e l yb i gt h r e a to nh u m a n b e i n ga n de n d a n g e r , b e c o m ei m p o r t a n t o n ep r o b l e mt h e r e f o r et ot h er e s e a r c hg o i n gs t e a d i l yd o w n h i l l t h a tt h es y s t e m t ol a n d s l i d ed i s a s t e rs t u d i e sa n da d m i n i s t e r so u rc o u n t r yi st h a tt h ef i f t i e si s o r i g i n a l l yh a v i n gc o m p l i e dw i t hac e n t u r y ，l a n d s l i d ep r e v e n t i o na n dc u r e r e s e a r c hd e v e l o p m e n th a v i n gg o tv e r yb i g a c c o m p l i s h m e n t ，h a v i n gr e s i s t e d a m o n gt h e ms m o o t h l yt ob l o c ks t r u c t u r ei ne v e r ya s p e c ti se s p e c i a l l yp r o m p t r e s i s t s l i p p e r yp o l ec o m p o t h et h i n g i sb r o a df o ro n ek i n dr e s i s t s s m o o t h l yt ob l o c ks t l l l c t u r ea p p l yt og os t e a d i l yd o w n h i l lg o v e m i n gm i d d l e b u t a tp r e s e n tm u l t i a n a l y s i sr e s i s t i n gs m o o t h l yt od e s i g nt h a tt h e o r yi sn o tv e r y m a t u r e ，m a n ya s s u m et h a t s o i li n t e m c t sh a v i n ga v o i d e dap o l et o v a r y i n g d e g r e e s i ft h ef o u n d a t i o nm o d u l u sf o l l o w st h ee f f e c ts o i li se x p e r i e n c e da n d o b s e r v e dt ot h ep o l ew a i t i n gf o rt h ec o m p l i c a t e df a c t o rt ob e c o m et h es i m p l e i i i 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 f o u n d a t i o nm o d u l u se f f e c tb yt h ef a c tt h a tw i n k l e ra s s u m e ss i m p l i f i c a t i o ng o a h e a di nt h ep o l e t h e r e f o r et h e s ed e s i g nt h e o r yf a i lt or e s o l v et h ep o l e s o i l e o a c t i o n sm e c h a n i c sm e c h a n i s mp r o b l e mc o m p l e t e l ye s s e n t i a l l y a tp r e s e n t f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sa n a l y s e sv e r yf e wt oa d o p td i s p l a c e m e n t ，s t r a i n ， s t a b i l i t yr e s i s t i n ga f t e rt h es l i p p e r yp o l eg o v e r n s t h em a i nb o d yo f ab o o k m a i n s t u d yr e s i s t s m o o t hp o l eg os t e a d i l yd o w n h i l la p p l i c a t i o ni ng o v e m i n ga n d d e s i g np r o c e d u r e s ，i n t r o d u c et h a t r e s i s ts m o o t hp o l eh i s t o r ya n dd e v e l o p c o n d i t i o na n dt h o r o u g hi n v e s t i g a t i o na n dd i s c u s s i o nr e s i s ts m o o t hp o l ee f f e c t m e c h a n i s m ，s e c r e t l ys c h e m ea g a i n s tp a r a m e t e rc h o i c e ，d e s i g nt h e o r ya n dp o l e s i g m a t i s mc o n d i t i o na n ds oo n au n i v e r s a ll a wh a sc a r r i e do u ts e v e r a la s p e c t r e s e a r c hs u m m i n gu pa n dc a r r y i n go u tt h ef o l l o w i n go nt h ev i e wd e s i g n i n gt h a t t h ei t e ms h o u l dp a ya t t e n t i o nt oi nh a v i n gp r o b l e ma n dd e s i g n i n gt h a ti nm e t h o d h a sb r o u g h tf o r w a r daf e wa n dt h ep r o j e c te x a m p l eg o v e r n i n gb ea w a yf r o mt w o o r eo fw i l l o wc h a r r e dc o a lc o r p x i nm i nc i t yn a ns h a ng os t e a d i l yd o w n h i l l c o m b i n i n gw i t hs h a n x ia d o p t i n ga tp r e s e n to na f e w ： 1 、c o m m e n tt h a tr e s i s td e v e l o p m e n to fs l i p p e r yp o l ea n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o na p p l y i n ga n dt h e i ra tp r e s e n tr o u t i n er e c k o n i n g 2 、t h el a n d s l i d eh a v i n ga n a l y s e dl a n d s l i d em e c h a n i s ma n dh a v i n ga f f e c t e d s t a b l es i d es l o p em a j o rf a c t o r ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i sg o v e r n se x c e l l e n tm e t h o d s h o r t c o m i n g 3 、r e s i s tt h es l i p p e r yp o l ed e s i g n i n gt h a tt h el i n kc a r r i e so u ta 1 1 o p t i m i z a t i o no n eb yo n e 太原理。人学硕十研究生学何论文 4 、r e s i s tt h es l i p p e r yp o l e c a r r y i n go u tf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s 。 5 、t h eu n i o np r o j e c te x a m p l e ，a p p l i e st h e o r yt oa c t u a lm i d d l eo f p r o j e c t k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ，s l i d e r e s i s t a n tp i l e ，t h eo p t i m i z a t i o ni sd e s i g n e d ， s o i la r c h i n g ，p i l es p a c i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎昱日期：型2 ：sl 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：! 吵导日期：兰夕! 节 导师签名：堡企皇兰 日期： 塑丑：苎! 垒 太原理：人学硕十研究生学位论文 1 1 研究背景及选题依据 第一章绪论 滑坡是一种严重的自然地质灾害，与地震、洪水并列为世界范围内的三大自然灾害 之一。我们有7 0 地域为山区，特别是我国中西部地区山地更多，再加上露天矿产资源 的开发，滑坡灾害发生频繁，是世界是滑坡危害比较严重的国家之一。滑坡常常导致公 路、铁路、水利工程等破坏。滑坡不仅给工程建设增加困难，也严重威胁着人民生命、 财产的安全。当前，越来越多的基础建设工程都会遇到滑坡问题，山区的开发建设、铁 路与高速公路建设、水利工程建设、深基坑的开挖及露天矿山向深部开采所形成的高大 边坡等，使滑坡灾害更为突出。近几十年国内及国际上常发生极具破坏性的地质灾害。 我国是受边坡失稳危害最大的国家之一，近年来发生多起严重的自然边坡失稳和人 工边坡失稳事件，给水利、铁路、公路、矿山带来巨大损失，严重影响了人们的生产、 生活。滑坡可以发生在土质边坡，也可以发生在岩质边坡。发生在土质边坡的形态以剪 切破坏为主，滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的组合型。触发土质边坡失稳的因素多种 多样，我国近年来发生的土坡失稳带来巨大损失，例如：2 0 0 3 年5 月1 1 日，贵州三穗县 台烈镇平溪村发生山体滑坡，总体积超过2 0 万方，造成3 3 人死亡，2 人失踪，1 人受 伤。2 0 0 2 年8 月1 2 日，云南省昭通地区盐津县庙坝乡民政村皮匠沟因暴雨造成山体滑 坡，3 3 人被埋，1 0 人死亡，1 9 人下落不明。1 9 9 1 年9 月2 3 日，云南昭通地区头寨沟 发生滑坡导致2 1 6 人丧生。滑坡分两个阶段，在第一阶段，处于高程2 3 0 0 m 。1 8 7 0 m 的 山体下滑，总计o 2 亿m 3 土体在坡趾处形成高i o o m 的堆积物。这个堆积物随后变成 泥石流，以3 0 m s 的速度沿1 0 0 的坡面冲出3 k m ，停止在山口，将一村庄掩埋。1 9 8 3 年3 月1 7 日甘肃洒勒山滑坡，于1 9 7 9 年起动，当时在北坡发现宽约lo c m 的东西向的 裂缝，自1 9 8 2 年1 0 月至1 2 月开始进入挤压滑移阶段，最终于1 9 8 3 年3 月进入剧变和 滑动阶段，滑坡体积5 0 0 0 m 3 , 摧毁4 个村庄，2 2 7 人死亡。 随着我国国民经济的持续快速发展和西部大开发战略的进一步实施，我国对水利资 源的开发利用进入了前所未有的阶段。而在水工建筑物的建设、运行期间，边坡稳定问 题一直是主要的工程地质问题之一。如由于水库修建及库区移民工程的建设，将改变库 区岸坡原来的工程地质条件，有可能使库岸产生变形甚至失稳滑动，给大坝、库岸以及 1 太原理：人学硕 。研究生? 化论文 下游地区造成严重灾害；由于水电站高边坡施工时容易造成滑坡，因此有些边坡己成为制 约水电站选点、施工进度、投资和安全运行的关键因素；在饱和软牯土上修建堤坝以及江 河崩岸回缩，经常会发生滑坡。因此，人们愈来愈认识到岸坡稳定及其引起的地质灾害 问题已成为制约水利资源开发的重要因素，边坡的稳定性研究对于水工建筑物的建设运 行具有非常重要的意义。 1 2 抗滑桩的发展及应用现状 滑坡治理是一项投资巨大、技术复杂、施工危险而艰巨的抗灾工程。我国是一个滑 坡灾害相当严重的国家，滑坡在长江流域及云贵川等地分布相当广泛。多年来，为确保 人民生命、财产的安全保障经济建设的顺利进行，国家在滑坡防治工作，耗费了大量的 人力、物力和财力，与此同时随着科学技术的高速发展，在滑坡治理力一而也在不断提 出新的方法和技术手段。 建国后的相当长的一段时问内，我国用抗滑挡土墙来治理滑坡，此种挡土墙的优点 是山体破坏少，稳定滑坡收效快。但是据资料统计表明，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理论和施工方法上，都既不经济 也不合理，而且只能治理下滑力不大的中小型滑坡，因此此种方法在很多情况下己经不 能满足社会发展的需要。 7 0 年代以来，出现了抗滑桩这种支挡结构，抗滑桩是借助桩与周围岩土共同作用， 把滑坡推力传递到稳定地层的一种抗滑结构。这种方法是把桩基嵌入滑床或者破裂体之 下，用桩身的抗剪强度阻止滑体滑移，其强度受外部因素的影响较小，而且容易在结构 设计方面得到满足。抗滑桩一般适用于非塑体浅层和中厚层滑坡前缘，利用桩基自身的 强度和地基抗力共同作用来抵抗滑移或倾覆力矩，具有位置灵活、可分散使用、省时省 料、破坏滑体较少、便于施工、易于形成、并能立即产生抗滑作用等特点，抗滑桩正是 由于自身的这些优点，在国内外己被广泛应用于滑坡治理工程中。 l 、几种常见的抗滑桩类型 ( i ) 悬臂式抗滑桩 传统的抗滑桩的工作原理其实是大悬臂受力，用地基抗力、平衡强大的滑坡推力， 故又称悬臂式抗滑桩。事实上，桩基承受侧向荷载的能力非常小，只有垂直荷载的1 1 0 1 1 3 。这是因为两种力对桩产生截然不同的受力机制。在垂直受荷时，桩基能发挥桩 2 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 壁摩阻力和桩端反力的共同作用，而且还充分利用砼的优良抗压性能，在承受侧向荷载 时，桩基是一个受弯构件，而砼的受拉强度非常低。这时强大的滑坡推力往往使桩的直 径和配筋大大增加，且抗滑桩的断面积随着治理滑坡的规模的增大也越来越大，所以在 滑体厚度较厚的土层滑坡中，采用悬臂式抗滑桩就不十分经济。另外，从桩的受力机制 看，悬臂抗滑桩是被动型的受力状态，施工后在滑坡推力的继续作用下发生位移，桩才 能逐渐具备抗滑能力，这对保护滑体上的己有建筑物非常不利。还有，一般悬臂式抗滑 桩，设计者只能利用己有资料的参数进行设计，桩的实有抗滑能力却无法确知和直接验 证。 ( 2 ) 锚杆抗滑桩 9 0 年代初期，曾有人提出锚杆抗滑桩，目的就是为减少悬臂长度，增大抵抗力矩。 而在锚拉桩作为抗滑支挡体系应用在土层滑坡中时，拉杆横向受力问题至今尚末明确解 决，故在实际工程中，在以钢筋为拉杆的锚拉体系曾出现拉杆被剪断或拉杆与立柱的节 点破坏的事故。与此同时，由于滑坡推力很大，锚杆锚固力又受到直径和长度的限制， 使得锚杆抗滑桩无法改变抗滑悬臂受力的状况。 ( 3 ) 预应力锚索结构 预应力锚索抗滑桩，是将桩锚索联合用于抗滑支挡结构，堪称是抗滑支挡结构的 优化组合。桩基嵌固抗滑效果好，支挡面积大，但悬臂能力差；预应力锚索，抗拉性能好。 近1 0 年来，预应力锚索加固技术已广泛应用于建筑结构物加固、边坡治理、大型地下 洞室及深基坑支护等工程。 其原理是在抗滑桩顶部施加强劲有力的预应力锚索，锚索的另一端穿过滑坡体后锚 固于滑床内，使桩一预应力锚索组成一个联合受力体系，用锚索拉力平衡滑坡推力，彻 底改变了一般悬臂式抗滑桩大悬悬臂的受力状态，改变了抗滑桩靠在基岩内的嵌固段的 地基抗力平衡滑坡推力的受力机制，结果使桩的弯矩大大减小，桩径变细、桩的埋置深 度变浅，达到了结构受力合理、降低工程费用、缩短工期的目的。况且，预应力锚索抗 滑桩是主动型的受力状态，施加预应力后，滑体受到反推力，这样就可以立即起到止滑 作用。滑体上的己有建筑物不会因滑坡的作用而继续变形，个别的情况下原有变形裂缝 还会逐渐弥合。与此同时，预应力锚索抗滑桩和钻孔的机械化施工，减轻了劳动强度， 缩短了工期，一般可缩短1 3 左右。而且，预应力锚索抗滑桩由于张拉预应力，它的抗 滑能力是确切可知的，这种设计容易做到经济合理、准确可靠。 3 太原理1 ：人。颐十研究生学忙论文 然而，根据我国近几年来预应力锚索应用情况及腐蚀破坏实例的分析来看，在高拉 应力作用下，预应力筋会出现应力腐蚀，由于在设计、施工和使用中均存在一定的随意 性，各部门各行业的规定也不同。而且岩土锚杆( 索) 所在的特定介质环境和高拉应力特 点，使未经防腐或防腐不当的锚杆( 索) 发生腐蚀，其至导致破坏。 综上所述，以预应力锚索为拉杆的结构，尽管受力上有较大的改善，但锚索与桩之 间的内力分配上是一个难以确定的变数，且锚索在土层滑坡中的防腐蚀问题也难以得到 很好解决，故在土层滑坡中不宜采用锚拉抗滑桩作为抗滑支挡结构。 ( 4 ) 下沉式抗滑桩 下沉式抗滑桩，就是桩顶标高低于滑坡体表面一定深度的悬臂式抗滑桩，由于悬臂 长度减短，相应弯矩值也小，其材料消耗量就比一般抗滑桩要经济。而且，尤其是在下 沉式抗滑桩采用多排布置时，其下沉深度可以随着滑坡高度的变小逐渐变小，分层抵挡 下沉式抗滑桩在较厚的土层滑坡治理中是一项值得推广的技术。但在应用上还存在很多 问题，尽管实际工程中己开始有此方面的应用，下沉式抗滑桩受力分析等资料至今少有 所见，特别是在多排集中布置时，现行规范中还存在着较大的空白，因此还有待于迸一 步去深入研究。 ( 5 ) 其他类型抗滑桩 抗滑键，也称键式抗滑桩。它充分利用岩体的整体特性，使抗滑桩的长度最大限 度地限制在滑面附近，上部采用岩土充填，把滑坡体与滑床栓在一起。这种结构多用于 顺层岩质边坡。 承台式抗滑桩，是将3 4 根抗滑单桩在桩顶用承台联结，共同抗滑承担滑体推 力，这种结构形式的整体性较好。 抗滑刚架桩，是将前后两根桩用一根横梁连结成一整体刚架，共同承受滑坡推力。 桩板墙，由钢筋混凝土抗滑桩和浆砌片石板组成，板墙承受桩间土内的土压力， 并传给抗滑桩，桩的下部嵌入稳定岩层内，承受滑坡推力，阻挡滑体下滑。 椅式桩墙，它用拱板支挡桩间滑体岩土，将滑坡推力传给桩基，桩嵌入稳定岩层， 刚度很大的上墙取代了抗滑桩的悬臂段，这种结构形式的优点是不需配置受力钢筋。 本节重点对滑坡治理中几种常用的方法及其优缺点作了简要介绍，从上可以看出， 当今，在滑坡治理中，挡土墙和锚杆的适用面最狭窄，而且其在经济上和受力上都不是 十分合理；最常用的为预应力锚索和悬臂式抗滑桩，但同时我们也可以看出它们的局限性 4 太原理：j ：人学硕十研究生学位论文 所在；而下沉式抗滑桩作为一种新型的抗滑结构，从多方面可以看出其优越性，可以预见， 下沉式抗滑桩在以后将获得史为广泛的应用。 随着我国基础工程建设项目的迅猛发展，可以预见，结构形式更合理、使用更经济 的抗滑支挡形式将会迅速出现并会得到广泛应用。 1 3 抗滑桩的研究现状 长期以来，抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理 中在国内外自2 0 世纪6 0 年代中较成功地开始使用抗滑桩以来，至今已有4 0 余年的 历史。在6 0 - - 7 0 年代末近1 0 年的时间里，国内抗滑桩较多地应用于铁路滑坡治理中， 并取得了良好的效果【2 】。早期的抗滑桩的设计主要参照桩基的设计推导演变而来。7 0 年 代末以来国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、方法和参数进行了广泛的研纠3 1 。并 结合实际土程进行了现场测试，使得抗滑桩设计理论自8 0 年代初以来逐步完善。随着 对抗滑桩研究的重视，建立在理论分析和试验基础上的计算方法，越来越接近于其实际 受力状况。以下介绍抗滑桩内力的计算方法及其研究进展。 1 3 1 常规计算方法 国内关于抗滑桩内力计算研究成果集中体现在文献【4 】中。已有的计算方法均只考虑 桩周土线弹性阶段如悬臂桩法、地基系数法、矩阵分析法、有限元法等等。当今国际上 流行的非线性弹塑性地基反力法是p y 曲线法吲们。我国学者吴恒立提出的计算推力桩 的综合刚度原理和双参数法1 8 】，可考虑桩周土处于线弹性或非线弹性阶段。然而这两者 均主要适用于桩顶作用有横向荷载或桩的外露部分作用有分布荷载。如某些桥梁桩基、 海洋平台桩基的内力计算。而抗滑桩作用的主动外力一滑坡推力一般为滑动面以上的分 布荷载，是有别于上述桩的。因此，在大量的实际土程中仍是采用考虑桩周土在线弹性 阶段的方法计算。 国外，采用线弹性地基系数法计算抗滑桩内力，常将滑面以上( 受荷段) 按悬臂桩考 虑，按一般静力学方法求解其内力。而滑面以下( 锚固段) 采用有限差分法求解其内力。 国内，大多采用悬臂桩法和地基系数法【4 】。悬臂桩法是最早提出的一种方法，具有 简单实用的优点。该方法因将滑动面以上桩段( 受荷段) 视为悬臂梁，滑动面以下( 锚固段) 视为w i n k l e ：弹性地基梁而得名。悬臂桩法由于对桩的实际受力状况作了偏于安全的简 化，因而对桩的内力计算结果是过于保守的。地基系数法即把整根梁作为弹性地基梁来 5 k 原理l 人学硕 = 研究生学位论文 处理。一般认为，其分析原理较为接近抗滑桩的实际受力状况。由于对地基系数的假定 不同，以上方法又可分为“k ”法、“m ”法、“c ”法、“m k ”法、“双参数法”等。 1 3 2 计算方法的研究进展 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。因此，其计算过程复杂、容易出错，计算效率低、且受计算用表系数截断误差影响 计算结果会有不同程度的误差。为此，岩土土程界为了寻求更为合理的计算模式计算方 法，做了很多尝试9 删。然而，究竟哪种方法最符合抗滑桩的实际受力和变形情况，尚 未定论。尽管国内外用抗滑桩成功地治理了大量的滑坡，但并不意味着设计与计算均与 实际受力和变形情况吻合或趁于实际。往往可能是过于保守设计的结果，使滑坡治理资 金浪费严重。 l 、抗滑桩的实际受力研究 文献 9 】根据我国些抗滑桩模型试验和现场试桩实测试验资料分析结果，针对滑坡 体岩土体性质不同，提出和推导了相应的滑坡推力和土体抗力分布函数，并列成图表。 其与目前国内外习惯采用的分布图式相比，滑坡推力合力作用点均有所降低，而土体抗 力作用点均有所提高，更符合抗滑桩实际受力状况。从而使抗滑桩设计更为经济合理， 提高了滑坡治理设计水平。 文献 1 0 1 对抗滑桩所受的滑坡推力进行了研究，建立了剩余推力法计算滑坡推力的 力学模型。给出了在不同荷载作用下的滑坡剩余推力表达式。运用剩余推力曲线，通过 分析桩前土体的极限平衡，探讨了抗滑桩设计推力的计算方法。并成功的分析了位于湖 北省巴东县境内的长江三峡水库区宋家屋场滑坡。 2 、利用有限差分格式分析桩内力 文献【1 l 】指出了抗滑桩内力计算的传统方法之地基系数法应用于岩体抗滑桩时，存 在一些问题。对此，首先根据刚性抗滑桩的受力和变形特性，推导了地基系数法计算刚 性桩内力的计算公式；其次根据弹性抗滑桩的受力和变形特性，导出了有限差分格式。用 以分析弹性桩全桩的内力。文献 1 2 】进一步研究了这种线弹性计算模式，并用有限差分 法进行全桩的内力分析，推导出了相应的计算公式，编写了计算和图形处理程序。工程 实例计算结果表明，该方法计算结果符合理论分析和我国现场试桩得出的规律。同时与 现有计算方法相比，桩身最大弯矩显著减小，从而可使抗滑桩的潜力大大提高。使抗滑 桩的设计与计算更加合理、经济而有效地治理滑坡。 6 太原理。i ：人学硕十研究生学位论文 文献 1 3 】基于地基系数“m k ”法的原理，提出了锚索抗滑桩当为弹性桩时全桩内力 计算的有限差分法。同时，编写了该法的计算和图形处理程序。并对某滑坡的锚索抗滑 桩进行了设计与计算，得到了比较满息的结果。 3 、利用多段地基系数法分析桩内力 文献 1 4 1 提出了一种多段地基系数法。其最大优点是不仅可以适合地基系数不同的 多层岩土层，而且适合桩身为变截面的抗滑桩的计算。同时计算精度很高。利用该方法 对蔗头山自然山体北段，位于潘田盆地s w 坡的潜在滑坡的抗滑桩进行了设计。在1 9 9 8 年底实施了加固。经过3 a 的滑坡滑移监测，滑体己趋于稳定。消除了滑坡体下方居民 的恐惧感，使社会得到了稳定。 4 、利用双参数法确定地基系数 在大量的土程实践中，确定地基系数k 时存在局限性。传统的k 法、m 法、c 法只 能作为一种经验性的假设。于是提出了双参数法来确定地基系数k 【6 】o 用此地基系数可 以得出桩在任息深度处的位移、转角、弯矩、剪力的解析解。该算法能满足桩在滑面处 的位移、转角和最大弯矩值，与实测值相等。 文献 1 5 1 通过分析运用双参数法，成功治理了位于三峡水库区湖北省株归县水田坝 乡新址规划区北部的水田坝乡下土地岭滑坡。说明运用双参数法确定地基系数k 与传统 方法相比，能有效地提高抗滑桩设计的经济性和安全性。 文献 16 】提出了地基系数按双参数抗力模式表达下的水平梯形分布荷载桩位移和内 力计算的有限差分数值分析方法，并详细推导了桩身位移的差分格式。基于这些公式， 编制了全桩位移、内力及桩侧土抗力的计算和图形处理程序。可适用于滑坡抗滑桩和深 基坑悬臂支护桩的设计计算。 5 、改进的悬臂桩法 文献 1 7 ，1 8 】考虑到由于滑坡推力作用，桩身变位使桩前土体受压，产生弹性压缩 变形。同时在受荷段桩前土体产生抗力，抵制变形。因此，将受荷段视为弹性定向铰支 的悬臂梁。滑动面处桩身可产生位移，以保证桩身位移在滑动面处的连续性。这样，在 内力分析时，可建立统一的坐标系。文 1 7 1 ，【1 8j 分别考虑对悬臂桩的“k 。法和“m ”法 进行改进。在计算滑面以下桩身内力时，滑动面处桩身的位移大小由锚固段计算结果决 定。滑动面以上桩身位移由悬臂梁法计算结果与按锚固段计算的滑面处转角计算的位移 2 者叠加，建立一个统一的坐标系，使其符合抗滑桩实际受力和变形情况。同时文 1 8 】 7 太原理i 人学硕 ：研究生学何沦义 还推导了锚固段的有限差分计算公式；编制了全桩内力计算程序。可适用于滑坡推力和桩 前滑体抗力分布的多种形式以及抗滑桩为刚性桩和弹性桩的情况，同时可得到理想的可 视化计算结果。 6 、有限元法 一般的悬臂梁法在处理复杂地层时一比较繁琐。而且该方法把抗滑桩滑面以上部分 简化成悬臂梁进行计算也会产生误差。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。然而，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。 文献【1 9 】运用杆件有限元法和w i n k l e r 假设建立了用于求解抗滑单桩、预应力锚索 抗滑桩和钢架抗滑桩3 种型式抗滑桩力学模型，开发了相应的计算软件。并己应用在几 个抗滑桩土程设计中。 文献 2 0j 应用有限元数值模拟方法，对采用抗滑桩进行某黄土滑坡体的滑坡治理 效果进行研究。通过二维非线性理论，详细地研究单个桩体的抗滑作用，并通过三维线 弹性理论分析群桩的整体抗滑功能。数值模拟过程中，岩土体采用非线性材料模拟，抗 滑桩采用线弹性材料模拟，滑动面采用一系列接触单元模拟。通过对治理前后岩体的位 移场和应力场的比较分析，得出相邻2 抗滑桩形成一个明显的拱支撑，使得滑体的下滑 位移被抑制。垂直于抗滑桩轴线的各个剖面的应力分布完全相同。说明各个抗滑桩提供 相同的抵抗力。也说明用平面应力模型进行抗滑桩力学分析完全可行。 1 3 3 其它问题的研究进展 关于抗滑桩的实际作用原理及其效果的研究，目前还在不断深入。然而由于岩土体 参数的不确定性以及桩本身的非线性，给这种研究带来了很大的困难。目前主要是通过 一些简化的假定和数值模拟以及试验的方法来对其进行探讨。以下对抗滑桩的5 个主要 的研究方向作了一些论述。 l 、桩土共同作用研究 抗滑桩是一种大截面、侧向受荷桩。在推力作用下，它可以调动起超过桩宽范围相 当大一部分地层的抗力，与之共同抗滑。这种桩、土共同作用的效应，是其他许多被动 承受荷载的支挡结构物，包括抗滑挡土墙在内所没有和难以媲美的【4 0 l 。 文献 2 1 研究了抗滑桩与滑坡体间的相互作用机理。提出了模拟抗滑桩与滑坡体之 8 太原理一 人学硕十研究生学位论文 间相互作用的新方法一极限平衡法和有限单元法相结合的方法。该方法能够很好地解决 滑坡体与抗滑桩相互作用的问题。它考虑了多排抗滑桩对滑坡体的共同作用以及抗滑桩 与滑动面以下土层的相互作用。同时吸收了极限平衡法简便、实用等优点。还给出了加 固后滑坡体安全系数计算和抗滑桩内力计算的流程图。最后用开发的软件计算了一个实 例，得到了很好的结果。 文献 6 】， 2 2 】， 2 3j 中，作者通过多年对推力桩桩一土共同作用的研究，提出了计算 推力桩的综合刚度原理和双参数法以及参数的确定。灵敏地计算了推力桩的非线性全过 程。，它能使推力桩在地面处的绕度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等主要工程指标 的计算值，同时与实测值很好的符合。，它比p - y 曲线法具有更多的优点。用于应用该法 时需要有桩在地面处的绕度，转角、桩身最大弯矩及其所在位置的实测值，以反算综合 刚度和双参数。故推荐应用于有试桩资料的重大桩土程的设计。 文献【2 4 】主要对水平推力桩的受力状态进行了三维空间的研究。木文结合在重庆大 学松林坡进行试桩得到的数据( 主要通过量测荷载作用下地表水平位移) ，初步估计出桩 周土参与桩共同作用的大致范围。研究表明，在水平推力作用下，不仅是桩前土体提供 抗力，桩2 侧一部分土体也由于侧阻力作用参与桩土共同作用。并初步估计出大致范围： 即桩2 侧各影响至3 0 0 ；桩前影响至1 倍桩高处。为今后的深入研究奠定了基础。 2 、基于土拱效应的桩间距确定 关于桩间距的计算，研究中主要有以下特点： 文献 2 5 】， 2 6 j 根据抗滑桩2 侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力这一主导思想，建 立了桩间距的计算公式。即依靠桩侧与土体之间的摩阻力，平衡由土拱传递的滑坡推力 或土压力。 9 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 第二章滑坡机理与防治分析 滑坡是山体变形中数量多、规模大、危害严重、性质比较复杂而又具有一定规律的 自然地质灾害。滑坡产生于特定的工程地质与水文环境，是在以重力为主的自然环境下 或在人类工程活动影响下发生发展的斜坡变形运动。正确认识滑坡产生的机理、发生发 展规律及其内外影响因素，对滑坡防治具有重要的意义。 2 1 滑坡机理分析 滑坡是山体变形中数量多、规模大、危害严复、性质比较复杂而又具有一定规律性 的自然地质灾害。滑坡产生于特定的工程地质与水文环境，是在以重力为主的自然作用 下或在人类工程活动影响下发生发展的斜坡变形运动。正确认识滑坡产生的机理，发生 发展规律及其内外影响因素，对滑坡防治有重要的意义。 滑坡是依附于其内在软弱结构面的地表斜坡岩土体，在一定的地质力学机制下，失 去原有平衡条件而产生以水平位移为主的顺坡移动现象。滑坡机理及滑坡的产生机理， 指发生滑坡的斜坡特定工程地质条件、破坏和滑动方式、表象以及滑动力与抗滑力相互 作用与消长的完整过程，一般还涉及触发滑坡的根本原因、滑速、加速度与最终滑程。 当滑坡达到最终滑程后，滑坡即进入稳定阶段，但如果不平衡因素继续积累，一定 时期后原滑坡体又可合部或大部分沿老滑面再次滑动并可以循回发生。滑坡单一循回过 程分为蠕动、滑移、剧滑以及稳定四个阶段。 2 1 1 滑动机理 滑坡是在一定的地质环境中发生的，其起始必要条件与滑坡工程地质条件密切相 关。一定的机理受控于一定的岩土组合类型、结构类型、斜坡形态以及结构面组合与临 空面的关系。一般来说，相似条件下的滑坡机理大体相同，而小同条件下的滑坡则有所 差异。对具体斜坡而言，是否产生滑坡，则尚需考虑重力以及其他营力作用如何而定。 当某种营力成为斜坡不稳定因素时，滑坡就可能发生。按滑坡发生的初始条件、根本原 因及滑动方式可将其分为以下几种主要滑坡机理 4 0 】。 1 、流变倾覆滑坡机理。流变倾覆滑坡的根本原因是斜坡岩层的流变作用，由于 太原理j ：人学硕i ；i i j f 究生。7 1 节论文 斜坡岩层在自重的恒载持续作用下，变形随时间而增长，强度降低，在一定范围内产生 流变，而致岩层逐渐倾倒、扭曲甚至倒转变形。斜坡岩层的流变过程初期属错落，最终 转变为滑坡。滑动方式是顺向或逆向倾覆错动滑动，错滑面是由层理面、片理面与低倾 角节理面互相组合成的台阶状不连续面。 2 、应力释放平移滑坡机理。应力释放平移滑坡的根本原因是构造残余应力释放。 滑动面为层而或节理面，产状为中低倾角或近水平。由于河流侵蚀或人工开挖，原聚集 于岩体内部的应力释放，岩体普遍回弹、松弛而导致卸荷张裂隙生成。主压应力经坡体 传递于结构软弱面产生切向应力，当总的剪应力超过岩体强度时，最终将导致滑坡的形 成。 3 、震动崩落滑坡机理及震动液化平推滑坡机理。震动崩落滑坡及震动液化平推滑 坡的根本原因是震动( 地震或人土震动) 。其产生的充分条件决定于震动水平惯性力的大 小及作用方向。 4 、潜蚀陷落滑坡机理。这类斜坡中节理发育完好，底部有相互连通的砂砾层，而 在斜坡上部有丰富的地下水补给，斜坡坡脚有排泄区出露，雨水的大量补给或河段水位 暴涨暴落，库区地下回水迅速跌落，以及其他原因导致地下水力梯度增大到足以使细粒 砂土发生潜蚀及液化，在动水压力作用下而最终导致滑坡发生。 5 、高势能飞越滑坡机理。高势能飞越滑坡由于滑体势能大，因而滑体在滑出时具 有很快的速度、并具有较远的滑程，滑体下部分与空气直接摩擦滑动，其土程地质条件 受控于滑体岩土的层状、板片状以及其他延伸性强的节理构造结构而且顺坡倾斜。滑体 在滑脱原始位置时获得很大的加速度，滑体绝大部分甚至全部脱离滑床，越出坡脚外若 干距离。 6 、孔隙水压浮动滑坡机理。孔隙水压浮动滑坡的原因是孔隙水压升高，表现出浮 动的情况。当滑体平时水位低，但遇到降雨或其他因素大量补给后，地下水位上升，同 时斜坡下部岩土是细颗粒的粘质土，由于地下水排泄不畅，造成压力水头升高，孔隙水 压增大，削弱了滑体的抗剪强度，最后导致滑坡形成。 总之，滑坡机理有其相应的发生发展规律，与其地区稳定条件、工程地质条件、水 文地质条件密切相关，并非单一的力学机理。 2 1 2 影响边坡稳定的主要因素 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡 1 2 太原理一i ：人学硕十研究生学位论文 的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括 水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性 起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。本文主要考虑暴雨、地震和人为活动三种最主 要的影响因素。 1 、暴雨作用 我国年降水量从西北向东南逐渐增加，秦岭一淮河一线，年总降水量为8 0 0 毫米。 此线以北降水稀少，为半干旱、干旱区：此线以南雨量丰富，为湿润区。降水量多少决 定了水动力作用的强弱，降雨下渗引起地下水活动状态的变化，它可成为滑坡的直接诱 发因素。因此每到雨季，滑坡频频发生。而且雨量丰富的南方，因灾害性降雨引起的滑 坡较北方明显增多。暴雨来势凶猛，积水不易排除，往往带来严重的地质灾害。例如2 0 0 6 年韶关局部地区普降暴雨，河水暴涨山体滑坡。 2 0 0 6 年6 月2 日1 5 时3 0 分，龙川县麻布岗镇镇政府大楼后山滑坡出现滑动迹象。 2 0 0 2 年1 0 月，该灾害点出现小规模滑动：2 0 0 5 年6 月暴雨期间，滑动加剧，造成镇政 府后山滑坡体上的办公楼严重变形，北端外墙多处开裂，后山出现多条平行半弧形裂缝， 局部土体崩塌；2 0 0 6 年6 月2 日，该滑坡体出现新的活动迹象，位于滑体上的办公楼严 重变形，办公楼墙体多处出现裂缝，最大一条裂缝长3 米，宽1 厘米。该灾害直接威胁 人口2 3 2 8 人。该灾害点形成区为低山、高丘陵地形地貌，镇政府后山标高达 4 6 3 2 旺5 4 0 6 0 m ，相对最大高差为3 2 0 6 0 m ，地形高差的悬殊十分有利于重力作用下不 稳定土体下滑，而位于山体斜坡上堆积的大量松散土体，为山体滑坡提供了丰富物源。 根据调查分析，持续降雨量的叠加滞后作用是诱发山体滑坡的关键。 2 、地震作用 地震是滑坡最主要的触发因素之一。往往在烈度为v i i ( 或震级为6 级) 以上地震 活动地区，尤其在坡度大于2 5 0 的斜坡地带，地震诱发的滑坡灾害特别严重。例如2 0 0 6 年印尼人口稠密的中爪哇省日惹市附近由于强烈地震引发的的山体滑坡。 地震对边坡稳定性的影响表现为累积和触发( 诱发) 等两方面效应。 ( 1 ) 累积效应 边坡中由地震引起的附加力s 的大小，通常以边坡变形体的重量矿与地震振动系数k 之 积表示( $ 女黟。在一般边坡稳定性计算中，将地震附加力考虑为水平指向坡外的力。但 实际上应以垂直与水平地震力的合力的最不利方向为计算依据。总位移量的大小不仅与 1 3 太原理i ：人学硕十研究生学何论文 震动强度有关，也与经历的震动次数有关，频繁的小震对斜坡的累进性破坏起着十分重 要的作用，其累积效果使影响范围内岩体结构松动，结构面强度