（岩土工程专业论文）半坡桩锚固深度的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 半坡桩是指设置在公( 铁) 路路堑边坡或陡斜坡上的抗滑桩，滑面较陡， 尤其是锚固段桩前部分滑面陡倾，易形成一三角体，难以达到桩锚固段半无 限体的要求。近年来，由于受到场地条件、地形、地层岩性等原因的限制， 半坡桩在我国多条高速公路的边坡防护及滑坡治理工程上大量应用。关于半 坡桩结构设计理论研究成果少之又少。鉴于这种国内外的研究现状，因此着 手半坡桩设计理论研究十分必要，也是一项十分前沿、紧迫的任务。 本文对半坡桩工程应用实例进行了调研，包括成功实例和失败的教训， 广泛收集了相关资料。在此基础上提出了半坡桩的设计思想，即增加一定的 桩长，使锚固段所在岩体满足半无限体的要求，从而利用现有的抗滑桩理论 进行设计计算。由此本文重点研究了锚固段的增加值，同时也根据地层条件 研究了半坡桩分类、设桩位置及设桩原则。取得以下结论和成果： ( 1 ) 在分析整理调研资料的基础上，依据半坡桩锚固段桩周地层岩性、 坡体结构等特性，将半坡桩分成四类，并分别阐述了其破坏模式。 ( 2 ) 通过讨论半坡桩设计时的几个关键问题，提出了半坡桩设桩的四条 原则，并引出使得锚固段桩前岩土体近似为半无限体的两种方法：增加锚固 段长度和桩前留宽平台( 滑床宽度) 。 ( 3 ) 通过数值分析提出了确定半坡桩锚固段长度增加值的经验公式，由 此得出了半坡桩锚固段处于密实黏土、软片岩、普通页岩三种岩土体中，随 滑面倾角变化时，锚固段长度增加值胡拟合公式，及随滑面倾角变化时的最 佳平台宽度d 值。 ( 4 ) 参照半坡桩滑面倾斜时桩前岩土体弹塑性区临界高度的现有计算公 式，总结出当滑床为密实黏土、软片岩、普通页岩时，临界高度与滑面倾角 关系曲线根据这些规律对半坡桩锚固段深度进行增加，并与数值分析得出的 拟合公式做了对比分析。 关键词半坡桩；破坏模式；锚固深度增加值；临界高度；弹塑性区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t h e m i s l o p ep i l ei st h ea n t i - s l i d ep i l ew h i c hi ss e t t i n go nt h ec u t t i n gs l o p eo r s h a r pd e c l i n eo ft h er o a d ( r a i l w a yr o a d ) ，t h es l i ps u r f a c ei sv e r ys t e e p ，e s p e c i a l l y t h es l i ps u r f a c eb e f o r ep i l ei se a s yt of o r mt r i a n g l eb o d y , a n c h o r a g es e g m e n ti s h a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n to fh a l f - i n f i n i t yb o d y i nr e c e n ty e a r s ，a st h er e s u l to f s i t ec o n d i t i o n s ，t o p o g r a p h y ，l i t h o l o g ya n do t h e rf a c t o r sl i m i t ，h e m i s l o p ep i l eh a sa m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o ni ns l o p ep r o t e c t i o na n dl a n d s l i d et r e a t m e n te n g i n e e r i n g l i r l et h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v eb e e nd o n eo nt h ed e s i g n i n go fh e m i - s l o p ep i l e i n v i e wo ft h er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，i ti sa nu r g e n tt a s kt or e s e a r c h o nd e s i g nt h e o r yo fh e m i s l o p ep i l e i nt h i sp a p e r ，t h ei n v e s t i g a t i o nr e s e a r c ho f h e m i s l o p ep i l ei sc a r r i e do u t ，t h e r e l e v a n ti n f o r m a t i o n sa r ec o l l e c t e de x t e n s i v e l y , i n c l u d i n gt h ef a i l u r ec a s e sa n d s u c c e s s f u le n g i n e e r i n g s o nt h i sb a s i s ，t h ed e s i g ni d e ao ft h eh e m i s l o p ep i l eh a s b e e nb r o u g h to u t ，n a m e l y , i n c r e a s i n gt h el e n g t ho fp i l ea n c h o r a g es e g m e n tt om e e t t h er e q u i r e m e n to ft h es e m i - i n f i n i t yb o d y ，a n dt h ee x i s t i n gt h e o r i e so fa n t i - s l i d e p i l ed e s i g nc a l c u l a t i o ns h o u l db eu s e do nh e m i s l o p ep i l e t h i sa r t i c l ef o c u s e so n s t u d i n gt h ei n c r e a s ev a l u eo ft h ea n c h o r a g es e g m e n t ，a n dt h eh e m i s l o p ep i l e c a t e g o r y , t h ep r i n c i p l ea n dl o c a t i o no fs e t t i n gu pt h ep i l ea r ea l s od i s c u s s e di n a c c o r d a n c ew i t ht h es t r a t u mc o n d i t i o n s s o m ec o n c l u s i o n sa n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fr e s e a r c hd a t a ，h e m i s l o p ep i l ei sc l a s s i f i e d i n t of o u rc a t e g o r i e si na c c o r d i n gw i t hs t r a t u ml i t h o l o g ya r o u n dt h ea n c h o r a g e s e g m e n t ，p i l es t r u c t u r e ，a n dt h ef a i l u r em o d e o f e a c hc a t e g o r yi sd i s c u s s e d ( 2 ) b yd i s c u s s i n gs e v e r a lk e yp r o b l e m sa b o u th e m i - s l o p ep i l ed e s i g n ，f o u r p r i n c i p l e s o fs e t t i n gu pt h ep i l ea r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h ep i l ea r r a n g i n g p r i n c i p l e s ，t w om e t h o d st om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es e m i i n f i n i t eb o d ya r e a d v i s e d o n ei s i n c r e a s i n gt h el e n g t ho fa n c h o r a g es e g m e n ta n dt h eo t h e ri s d e s i g n i n gap l a t f o r mi nf r o n to fp i l ew i t haw i d t he q u a l i n gt ot h es l i d i n gb e d w i d t h ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i s ，e m p i r i c a l f o r m u l a st o d e t e r m i n et h ei n c r e a s i n gl e n g t ho fa n c h o r a g es e g m e n ta r ed e d u c e d ，f r o mw h i c ht h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 f i t t i n gf o r m u l af o rc o m p u t i n gt h ei n c r e a s i n gl e n g t ho fa n c h o r a g es e g m e n ta h a n d t h ep l a t f o r mw i d t ha da r er e s u l t e di nt h r e et y p e so fs o i lw h i c hi n c l u d ed e n s e c l a y ，s o f ts c h i s ta n d c o m m o ns h a l e ( 4 ) b y r e f e r e n c et ot h ee x i s t i n gf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ec r i t i c a lh e i g h to f t h ee l a s t i c - p l a s t i cz o n ei n 仃o n to ft h ep i l eo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h es l i p p i n gs u r f a c e i si n c l i n e d ，t h ec u r v e sa b o u tt h el a wb e t w e e nc r i t i c a lh e i g h ta n dt h ed i pa n g l eo f t h es l i p p i n gs u r f a c ei nd i f f e r e n ts t r a t aa r ed r a w nr e s p e c t i v e l y t h e nt h el e n g t ho f a n c h o r a g es e g m e n t i si n c r e a s e dg r a d u a l l yo nt h eb a s i so ft h e s el a w s f u r t h e r m o r e ， c o m p a r i s o n sa l em a d eb e t w e e nt h er e s u l t sc a l c u l a t i n gw i t ht h et w ok i n d s o f f o r m u l a s k e y w o r dh e m i s l o p ep i l e ；f a i l u r em o d e ；i n c r e a s i n gv a l u eo fa n c h o r i n gd e p t h ； c r i t i c a lh e i g h t ；e l a s t i c - p l a s t i cz o n e 西南交通大学 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。本人授权西 南交通大学可以将本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、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 叶移 日期川年k 删日 指导老师躲同雠 嗍：砰岁月弓i ) 日 l 7 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的创新点如下： ( 1 ) 依据半坡桩锚固段桩周地层岩性、坡体结构等特性，将半坡桩进行了 分类，并提出了半坡桩的设桩原则； ( 2 ) ( 3 ) 提出了通过增加锚固段长度或平台宽度的半坡桩设计理论方法； 通过数值分析提出了确定半坡桩锚固段长度增加值的经验公式，由此 得出了半坡桩锚固段处于密实黏土、软片岩、普通页岩三种岩土体中， 随滑面倾角变化时，锚固段长度增加值胡拟合公式，及随滑面倾角变 化时的最佳平台宽度a d 值； 移日 斟1 ” 月 名 雠 作冉姓呻 敝 位 期 挚 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景与依据 第1 章绪论 随着我国经济建设的蓬勃发展及西部大开发战略的实施，越来越多的道 路工程向山区延伸，西部地区特殊复杂的地理、地质环境是我国地质灾害的 多发区和重灾区，无论是新线建设或是既有线改造都不可避免地遇到滑( 边) 坡问题，对于滑( 边) 坡的治理，大多采用支挡工程结合排水工程进行，抗 滑桩作为主要支挡工程被广泛采用。由于受地形条件及工程条件的限制，许 多抗滑桩的锚固段难以达到半无限体的条件，即成为半坡桩。 9 0 年代以后，我国高等级公路建设迅猛发展，在线路穿越崇山峻岭的过 程中，不可避免地出现了深路堑，形成的高边坡在其防护及滑坡治理工程上 部分采用了半坡桩，其中有失败的例子，也不乏成功的典范。例如重庆云阳 万州高速公路k 1 5 5 + 4 5 0 + 5 5 0 段滑坡，原设计治理工程为抗滑桩，桩底高 出路基面1 l m ，工程施工完成后，随桩前边坡的开挖，抗滑桩因锚固段岩土 体破坏而倾斜失效；重庆市渝黔高速公路向家坡滑坡，曾多次勘察、多次治 理，究其失败的原因，主要为滑面倾角大、桩锚固深度不足，致使桩前锚固 段岩体破坏。再如云万高速公路k 1 7 8 + 5 1 0 - - - + 6 0 0 段，岩层顺倾，为减少支 挡工程量、降低工程造价，坡面刷方采用顺层清方，坡顶为云阳万州的二 级公路，为确保该公路的安全，在其外侧设置了一排普通抗滑桩，由于该段 地质情况清楚，桩锚固深度合理，抗滑桩施工完成清方后，二级路未出现任 何变形迹象。 由此可以看出，半坡抗滑桩的设置已非常普遍。目前抗滑桩的计算理论 中假定抗滑桩锚固段岩( 土) 体为一半无限体进行计算，但半坡桩锚固段岩 ( 土) 体难以达到半无限体的条件要求，尤其桩前滑床部分为一三角体，其 变形及破坏模式与半无限体的变形及破坏模式相去甚远，如果按一般的抗滑 桩的计算模式进行设计，则偏于不安全，假如将其锚固段从路基面或地面相 对较平缓的位置起算，则可以达到半无限体的要求，然而这种设计计算方法 过于保守，有些情况下( 比如将抗滑桩设于三级以上的坡顶) 又难以达到。 因此根据数值计算及理论计算，结合当前常规抗滑桩的计算理论，找到一种 适合于半坡桩的设计方法，对于指导今后的半坡桩设计施工，节约工程造价 且确保工程的安全可靠是很有必要的。本文就是结合中铁西北科学研究院科 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 技课题半坡桩的合理配置及适用条件的研究，依托实际工点来研究半坡桩 的合理配置。 1 2 抗滑桩的发展概况 岩土工程中，伴随着边坡稳定分析的另一项重要工作就是对失稳边坡或 滑坡进行治理。5 0 年代前，国内外治理滑坡以地表和地下排水工程为主，如 排水沟、地下截水沟、盲洞、支撑渗沟等，辅以削方减重、堆载反压和支挡 工程。支挡工程主要是各种形式的挡土墙。由于重力式抗滑挡土墙治理大型 滑坡常常工程浩大，施工困难，对自然生态环境破坏较大，且因对不稳定边 坡的开挖面大，有时还会使滑坡问题加剧，影响施工安全，这种施工方式甚 至变得不可能实现。与上述抗滑工程如抗滑挡墙、锚杆等相比，抗滑桩具有 抗滑能力强、适用条件广泛、不易恶化滑坡状态、施工安全简便，并能进一步 核实地质条件等突出优点，因此，6 0 - - 7 0 年代，在以应用排水工程和抗滑挡 土墙为主的同时，大力开发并应用悬臂式抗滑桩解决上述问题，如采用了钻 孔钢筋混凝土灌注桩、钻孔钢管桩及大截面挖孔钢筋( 或钢轨) 混凝土抗滑 桩等抗滑支挡结构形式。在治理大、中型滑坡中抗滑桩几乎取代了抗滑挡土 墙。在我国还出现了一些更为合理的新型桩及桩墙结构形式，如排架桩、钢 架桩、椅式桩墙、微型群桩等，但随着滑坡推力的增大，这种桩的断面增大， 嵌岩深度增大，这就暴露出该结构受力的不合理性，进而带来材料的浪费、 施工不便，施工期间人员和工程的安全遭到威胁的可能性增大。8 0 年代以来， 随着锚杆和锚索技术的发展，在滑坡治理中开始大量采用锚杆和锚索，形成 了锚杆( 或锚索) 抗滑桩和锚索( 加反力或锚敦) 单独抗滑结构形式，大大 的节省了滑坡治理工程的投资，因此，预应力锚固抗滑桩和锚索抗滑桩逐渐 成为一种全新的抗滑结构。该结构通常利用钻孔灌注或支模浇筑成桩，在桩 上设置一排或多排锚索，并对其施加张拉力( 预应力) ，将桩通过锚索锚固在 稳定的基岩中，已达阻止边坡滑动的目的。 近年来，由于受到场地条件、地形、地层岩性等原因的限制，半坡桩在 我国多条高速公路的边坡防护及滑坡治理工程上大量应用。与普通抗滑桩相 比，半坡桩最大的特点就是锚固段处在非半无限岩( 土) 体中，变形与破坏 模式与半无限体的变形及破坏模式相差甚远，体现出锚固段长度不足。目前 半坡桩的设计还处于探索阶段，还没有成熟的设计理论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 国内外现状 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防治及边坡 的加固工程中。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3 0 余年的历史。在6 0 年代中至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部门的滑坡治理中，并取得了良好的结果【1 , 2 】。由于抗滑 桩工程本身在滑坡治理中有着重要的作用，因而自6 0 年代我国铁道开始应用 抗滑桩治理滑坡以来，我国及世界专家学者对抗滑桩的设计与内力分析、抗 滑桩的非线性分析、抗滑桩分析中桩的参数选择等方面均进行了研究，并结 合实际工程进行了现场测试，取得了许多重要成果。 铁道部第二勘测设计院进行了模拟滑体为砂粘土的抗滑桩模型试验，实 测了多级荷载下滑坡的下滑力、滑动力、滑动面上下土体抗力等，下滑力基 本上为三角形分布，桩前滑体抗力图形接近抛物线，滑动面以下的抗力为两 个对顶的三角形p 4 j 。 在滑坡推力及桩前滑体抗力的分布上，采用根据滑体的性质和厚度，滑 坡推力分布图形可为矩形、梯形、三角形三种分布【5 6 】。 湖南大学戴自航教授【5 】根据我国一些抗滑桩模型试验和现场试桩资料针 对滑坡体不同岩土性质，提出和推导了相应的滑坡推力和土体抗力分布函数， 结果表明：与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 降低更符合抗滑桩的实际受力状况。 成都铁路局勘测设计所以狮子山滑坡 7 ，8 】为例，将滑坡推力、桩身应力和 桩前抗力的有限元整体分析应用到具有软弱滑带的地质条件复杂滑坡上，得 到桩前抗力在滑动面以上较小，滑动面以下最大，其分布是倒三角形。 对桩与周围岩土介质的作用方面，我国许多学者如潘家铮、刘成宇、罗 一农、龚晓南等进行了多方面的研究外1 】【35 1 ，美国、英国、俄国等许多学者 也曾进行过分析，特别是对土压力与结构物间的作用的研究较多 1 2 , 1 3 。中国 铁道科学研究院西北研究所对单根抗滑桩受力条件进行了研究，用自制的压 力盒测量桩身各点的抗力，并与国外几种计算方法所得出的结果相比较，研 究结果表明随着下滑力的逐渐增大，最初桩前滑体抗滑力的分布图形趋于抛 物线，但克服极限抗滑力后，接见于矩形或梯形；随着下滑力的逐渐增大， 滑动面以下桩两侧的抗力趋于两个三角形，滑动面上下的抗力图形在滑动面 处突变 1 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 此外，中国科学力学研究所王梅等通过对水平荷载作用下群桩荷载模型 试验及结果分析，着重研究群桩相互作用对桩土反力与位移曲线的影响。上 海高桥石化设计院的贾庆天等对桩侧横向抗力系数m 值进行了系统分析研究 【1 5 】 o 抗滑桩工程作为滑坡及边坡治理的支挡工程其计算理论日臻完善，但国 内外几乎没有专门针对半坡桩的设计理论。我国由中铁西北科学研究院王桢 1 6 , 1 8 】等在川藏公路前龙段滑坡机理及整治技术研究中首次引入半坡桩的 概念，该报告提出了一些半坡桩设计和计算方法的参考意见；由王恭先【l7 】等 人编著的边坡与滑坡工程治理一书中提出了在半坡桩桩前留较宽的平台 以解决半坡桩因桩锚固段不足而产生较大变形的问题；杨涛u 9 j 等人结合万梁 高速公路某滑坡断面为例，提出了一系列针对半坡桩在陡缓交界处及滑体上 有重要建筑物时的处理方法；武小菲 2 0 】等人结合川藏公路1 号滑坡的半坡桩 设计，分析了不同桩位的治理效果，对今后的半坡桩设计提供了一定的参考 意义。 1 4 本论文研究的主要内容 鉴于国内外对半坡桩的设计理论比较少，本文主要对高边坡防护及治理 中半坡桩的设计理论进行研究。首先通过搜集各类典型工点资料，对其进行 分类，提出半坡桩设计时几个关键问题的处理办法及设桩原则。然后在传统 抗滑桩设计方法的基础上，通过m i d a s g t s 有限元软件对半坡桩锚固段长 度值进行增加，与文中介绍的半坡桩弹塑性区临界高度进行比较。根据以上 研究思路，本论文的主要内容包括： ( 1 ) 半坡桩的分类及破坏模式的研究分析 首先主要从工程地质角度出发，全面调查、收集设置半坡桩的工程的特 殊工程地质条件，尤其是半坡桩锚固段的地层岩性、坡体结构等资料。根据 收集到的资料，将半坡桩依据其锚固段桩周地层岩性、坡体结构等将半坡桩 进行分类，并阐述各种分类的破坏模式。 ( 2 ) 半坡桩设桩原则的研究分析 通过讨论半坡桩设计时的几个关键问题，提出了半坡桩设桩的四条原则， 并引出使得锚固段桩前岩土体近似为半无限体的两种方法：增加锚固段长度 和桩前留宽平台( 滑床宽度) 。 ( 3 ) 半坡桩锚固段增加值及其最佳平台宽度的有限元数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通过数值分析提出了确定半坡桩锚固段长度增加值的经验公式，由此得 出了半坡桩锚固段处于密实黏土、软片岩、普通页岩三种岩土体中，随滑面 倾角变化时，锚固段长度增加值胡拟合公式，及随滑面倾角变化时的最佳平 台宽度a d 值。 ( 4 ) 理论计算与数值计算的对比分析 参照半坡桩滑面倾斜时桩前岩土体弹塑性区临界高度的现有计算公式， 总结出当滑床为密实黏土、软片岩、普通页岩时，临界高度与滑面倾角关系 曲线，根据这些规律对半坡桩锚固段深度进行增加，并与数值分析得出的拟 合公式做了对比分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章半坡桩的概念及特点 2 1 半坡桩的定义 半坡桩是半坡抗滑桩的简称，顾名思义是指设置在公( 铁) 路路堑边坡 或陡斜坡上的抗滑桩，滑面较陡，尤其是锚固段桩前部分滑面陡倾，易形成 一三角体，难以达到桩锚固段半无限体的要求，按常规抗滑桩计算理论无法 进行设计计算的抗滑桩( 如图2 - 1 a ) 。它与坡脚桩( 如图2 一l b ) 的主要不同 在于：坡脚桩设在坡脚应力集中部位，不仅起到支挡作用，同时对坡脚簿弱 部位进行了加固，桩前岩体处于近似半无限体状态，桩前岩体是稳定的，可 以为桩提供足够的抗力，这从一定程度上抑制了桩的侧向变位。而半坡桩的 桩前岩体( 滑体与滑床) 位于斜坡上，处于欠稳定状态，它不能或者很少对 桩提供抗力，进而有效的制约桩的变位，若桩前滑床部分的岩体不稳，全桩 将倒塌。因此，随着桩位不同，这两种桩的周边条件不同，决定了它们的受 力状态和稳定条件大不一样，半坡桩的抗滑能力较差。 图2 1 a 半坡桩示意图图2 1 b 坡脚桩示意图 归纳总结，普通半坡桩一般都具有以下特点： ( 1 ) 桩设置于斜坡( 边坡) 中部，桩前坡率较陡； ( 2 ) 桩前边坡岩土体破碎，稳定性较差，没有自稳能力，在其受力时， 桩前抗力很小或为零，滑面以上桩身近似悬臂，抗倾覆能力差，桩身变位大； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 3 ) 滑面较陡，尤其是锚固段桩前部分滑面陡倾； ( 4 ) 桩身未深入临空面以下，桩前锚固段土体易形成一三角体，难以按 半无限体来考虑，此时按常规抗滑桩设计不安全。 2 2 形成半坡桩的原因 滑坡是指不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着某一层面或某一软弱条 带滑动的自然现象。既然滑坡是产生在斜坡上，那么作为支挡结构物的抗滑 桩也就避免不了与斜坡发生关系。 通常抗滑桩设计的应遵循下面几个原则： ( 1 ) 通常抗滑桩必须对滑坡起到有效的支挡作用，不能使滑体从桩顶剪 出，即产生所谓的“越顶”现象。故当滑面剪出口位于斜坡上时，抗滑桩必 须也设置到斜坡上，自然而然也就产生了半坡桩。 ( 2 ) 桩身要有足够的稳定性。桩的截面、间距、埋深适当，锚固段的侧壁 应力在容许值之内，而设置在斜坡上的抗滑桩常常在滑面以下某点或某一小 段区域的应力超出了容许值，产生了塑性区，这时我们最好按半坡桩弹塑性 区理论对其锚固段长度进行增加。 ( 3 ) 桩位尽量选在滑床岩层较好的地方，使桩埋设在滑床中比较坚硬的岩 层中，以保证桩的稳定性并减少桩长。 ( 4 ) 桩位尽量选在滑坡推力较小的部位，多利用滑坡反翘段的阻滑能力， 以减少桩的受力并节省投资。 ( 5 ) 在满足条件( 3 ) 的前提下，尽量将桩设置在滑体较浅的部位，以减少 桩长。 从受力上讲，将桩设在坡脚或斜坡上有平台的地方，使桩有所依靠，保 证桩前岩体能提供有效的抗力，有利于桩的稳定。但实际上，受场地条件、 地形、地层岩性、滑面形态与道路、建筑物相对位置的限制，为了满足上述 条件，有时不得不将抗滑桩设在半坡上，以起到更有效的支挡作用。 如后面将介绍的川藏公路前龙段1 # 滑坡，因中层滑带出口较高，自然斜 坡高陡，川藏公路位于滑坡中后部，若在龙胆溪边上( 坡脚挡墙处) 设桩， 滑坡将从桩顶剪出，起不到支挡作用；若将桩设在公路靠山侧，虽然桩前有 平台，但公路以下滑体本身不稳定，同样保证不了公路的安全。所以桩位是 瞻前顾后根据多种条件综合考虑而定的，有时必须设在半坡上，是不得已而 为之。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 半坡桩的分类及其破坏模式 根据已完成设计并施工的各条线路设有半坡桩的典型工点，并尽量广泛 涉猎其它半坡桩工点，收集这些工点的工程地质概况，尤其是半坡桩锚固段 的地层岩性、坡体结构等资料。根据收集到的资料，将半坡桩依据其锚固段 桩周地层岩性等将半坡桩进行分类，具体可分为以下四类： ( 1 ) 锚固段位于类均质体结构中： 表2 - 1 锚固段位于类均质体结构中的相应工点 工点名称边坡病害类型断面形式或工点照片 陵 鼙氢蓬禽黩点一 云南罗平一级 均质黏性土滑坡 蘸鬻露嚣麓豳骚 _ l 公路 霹 黔鬻黪 露 元磨高速公路 k 2 4 3 + 1 0 0 坡残积土滑坡 + 4 l o 右 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 某滑坡治理工 均质黏性土滑坡 程 该段桩锚固段几 弋 乎全位于全风化 云万高速公路 岩层中，岩体风化 k 1 5 5 + 4 5 0 严重，呈碎块石土 + 5 5 0 滑坡 状。该段属切层破 碎岩石滑坡。 当构成锚固段坡体的岩土体近乎均质体，如均质黏性土、类均质黄土、 岩体的全、强风化残积层及人工堆填的类均质土坡等，其变形破坏不受层面 或构造结构面控制，而受坡体内应力分布和变化及土体强度的控制；其破坏 模式一般为“半坡桩”桩前斜坡，由于河流冲刷、开挖等因素，引起斜坡坍 塌、旋转式滑动，使桩前抗力逐渐减小，进而引起抗滑桩倾斜变形( 如图2 2 ) 。 图2 - 2 类均质体结构中的半坡桩示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 ) 锚固段位于近水平层状结构中； 表2 2 锚固段位于近水平层状结构中的相应工点 工点名称边坡病害类型断面形式或工点照片 上层第四系松散 堆积碎石土层，下 某高速公路覆主要为三迭系 k 2 5 3 + 4 0 0 上统( t a y 8 ) 板岩、 k 2 5 3 + 5 6 0 左 页岩、变质砂岩； 滑坡，1 8 2 ，0 0 0 m 3 ， ( 岩石切层滑坡) 当构成锚固段坡体的岩土体位于近水平层状结构中，如软硬岩互层结构、 厚层硬岩下伏软岩的结构。当处于软硬相间的近水平层状结构岩层中，当下 伏岩层由于开挖、冲刷等卸荷作用，上覆岩体裂隙张开，地表水下渗软化底 部岩层，加之风化作用其强度下降产生塑性变形，引起上覆岩体沿其蠕滑， 节理裂隙面逐渐贯通，最后发生切层滑坡致使桩前抗力不足引起桩身变形破 坏。同理，厚层硬岩下伏软岩的结构中，常因发生挤出型滑动降低了桩前抗 力( 如图2 3 ) 。 图2 - 3 近水平层状结构中的半坡桩示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 3 ) 锚固段位于顺倾层状结构中 表2 - 3 锚固段位于顺倾层状结构中的相应工点 工点名称边坡痛害类型断面形式或工点照片 上部覆盖着第四 系残坡积层，局部 ( 路基外侧) 堆积 懑豢氧憝、一 元磨高速公路 、：、一一 索填土体。下伏为 k 2 9 4 + 3 0 0 侏罗系雅期组的 + 6 5 0 左 泥岩夹粉砂岩；滑 坡，3 5 9 ，8 0 0 = 3 ( 岩 。+ 。、一毒- 石顺层滑坡) 岩层以侏罗系中 m 统沙溪庙组砂岩、 泥岩互层为主，产 一。z 荔冬、篇“- 云万高速公路状上陡下缓，砂岩 k 1 7 8 + 5 0 0 层间局部可见泥 + 7 4 0 高边坡化夹层，灰黄色夹 少量桔红色，可 塑软塑。( 岩石 顺层滑坡) 滑坡区上覆第四 j 鹣、尊。 系崩坡积层( 吼) ： 石忠高速公路 以块、碎石土为 月耳岩隧道进 主局部夹有少量 【1 滑坡整治1 ： 角砾土，下伏基岩 为侏罗系f 统珍 程 珠冲组( h ) 泥岩、 砂岩。属于堆积层 、“、。 滑坡。 。；! 。，f l 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 q 过 m 蕊曼 鎏蒌 到i r a , n l h 稿 蓬t ：竺三二$芎蓄 京珠高速 紊 k 1 0 8 + 2 0 3 顺层滑动 鼍鼍 i 。7 女_ i 。t 、迤 + 4 6 6 高边坡 奠_ - 却 l o l1 3 当构成锚固段坡体的岩层或土层层面倾向临空面且倾角大于等于1 0 。 时，如斜坡上堆积着不同时期的黄土层，以及各个地质时代地壳运动造成的 倾向临空面的岩层，特别是软硬相间的岩层。其破坏模式一般为桩前岩土体 发生顺层滑动，导致抗力不足，桩体失稳( 如图2 4 ) 。 图2 - 4 顺层岩石中的半坡桩示意图 ( 4 ) 锚固段位于反倾岩石中的半坡桩； 反倾层状结构指岩层面或片理面倾向山内，倾角的大于1 0 。者。构成坡 体的岩层可以是沉积岩类，但更多的是变质岩类，以薄层状受构造影响强烈 者为多。显然，这类坡体结构易形成切层滑动。其亚类有缓倾角反倾层状结 构和陡倾角反倾层状结构。在治理向家坡滑坡时，就是由于渝黔高速公路施 工开挖，发生倾倒切层滑动，使桩前岩体出现向坡外倾斜、下沉现象( 如图2 5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 _ 4 锚周段位于反倾岩石中的相应工点 工点名称边坡病害类型断面形式或工点照片 一_ _ 一 向家坡滑坡倾倒切层滑动 耋隧蔓遴澎溢畿潮匿瞄强匿 黉s 一7 ”罐 滑坡区出露的主 要为第四系残坡 ； 积层，下伏基岩为 泥盆系罗懦坪组 川藏公路钙质泥岩、钙质砂 前龙段1 # 滑岩组成，岩层反 坡治理工程倾，由于受龙门山 等多期构造影响， 岩石十分破碎，属 于切层破碎岩石 滑坡 图2 5 反倾岩石中的半坡桩示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4 半坡桩几个关键问题的讨论 半坡桩设计中的长度计算、内力计算及配筋方法与一般抗滑桩相同。我 们可以从其破坏模式可以看出，制约工程成败的关键是采取合理的设桩原则。 文献【1 9 】就曾针对具体工点，分析了不同设桩位置的加固效果，及当滑体上部 有重要建筑物时不同的加固效果；王恭先【l7 】也曾在边坡与滑坡工程治理 一书中就桩前留宽平台提出讨论；近年来，在公路工程中由于半坡桩失稳所 产生的滑坡滑动现象时有发生。深圳一汕头高速公路k 1 0 1 滑坡，1 9 9 7 年雨 季，因抗滑桩倾倒使西滑坡重新滑动，埋没线路，中断行车。新建的京珠高 速公路k 4 6 、k 4 8 滑坡，均因锚索抗滑桩设在半坡上，由于桩头变位过大， 导致坡项出现弧状贯通的张拉裂缝，不得不采取补救措施。下文将对半坡桩 合理设桩位置问题展开讨论，对半坡桩合理的设桩原则进行总结。 2 4 1 陡缓交界处的讨论 半坡桩在设置时，在遵循常规抗滑桩设计原则以外，我们可以尽量将桩 设在半坡中的陡缓交界处。如图2 6 图2 - 6 陡缓交界处设桩 文献 1 9 1 以万粱高速公路某滑坡断面为例，进行不同设桩位置的加固效果 分析，为典型的半坡桩工程。图2 - 7 、图2 - 8 为两种不同设桩位置的滑体位移， 图2 9 为两种不同设计方案的桩身内力计算结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 7 设计方案1 滑体位移( m )图2 - 8 设计方案2 滑体位移 m ) ”“协。 柱身位移剪力 穹矩 桩身缸移 方案1 田2 - 9 桩身位移及内力 从以上分析可知，方案2 中的抗滑桩尽管承受了全滑坡体的滑坡推力， 致使其结构内力较大，上部滑体位移较大，对上部滑体的加固效果却稍差。 方案1 的抗滑桩仅承受陡坡地段的滑坡推力，因而其结构内力也较小，其加 固效果却十分明显。虽然最大位移出现在坡体前缘，由于桩后滑体的有效加 同，雨水等致滑因素将不会使滑带岩体软化，闻而实际的滑体位移将小于计 算值，若辅以一定的坡面防护( 如图2 一l o ) 、设置多锚点的预应力锚索桩( 如 图2 - 1 1 ) ，考虑双排或多排桩支挡以保证前缘坡体的稳定性( 如图2 1 2 ) ，则 箍个滑体可以得到良好的加固。 i，0节驰 j、胗i，鼢 阡川nh 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 一1 0图2 - 1 l图2 - 1 2 2 4 2 滑体上有重要建筑物时 半坡桩由于桩前岩体本身的不稳定性，当桩承受来自桩后滑坡推力时， 桩前抗力很小或者为零，滑面以上部分桩体近似于悬臂状态，桩抗倾覆能力 减少，桩身的变位将增大，滑体的移动也会增大，这对严格受变形控制的滑 体上的建筑物来讲是十分不利的。另外，因滑坡的变位必将在滑坡后缘产生 张拉裂缝，为地下水的入浸提供了通道，弱化了滑坡的抗滑能力。严重时， 抗滑桩因变位过大产生倾倒或被剪断，彻底丧失支挡能力。因此，必需对传 统的抗滑桩结构进行改良，新型的预应力桩锚结构就是一种有效的措施。( 如 图2 1 3 ) 图2 1 3 滑体上有重要建筑物时 文献【1 9 】对比分析了滑体上部有重要建筑物时抗滑桩的不同加固效果。图 2 1 4 为一般桩的加固效果，图2 1 5 为预应力锚索桩的加固效果，图2 1 6 为相 应的桩身位移及内力图。由此可见，对于滑体上部有重要建筑物时，如果采 用预应力桩锚结构，能有效的减小上部滑体位移，桩身位移、剪力、弯矩都 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 较比一般桩加固时要小，分布也更为合理。 图2 - 1 4 一般加固效果图2 1 5 预应力锚索桩加固效果 桩身位移剪力弯矩 悬臂桩 桩身位移剪力 弯矩 预锚桩 图2 - 1 6 桩身位移及内力图 2 4 3 桩前留宽平台 其中，图2 1 7 是设桩处不留宽平台的情况，桩的埋深偏浅，特别是桩头 没有锚索的情况，常因边坡下部开挖，爆破振动而引起坡体松弛，甚至局部 滑动，造成半坡桩锚固段不足而变形。一般桩的锚固段是按半无限体考虑的， 而半坡桩桩前滑面以下的三角形岩土体难以形成半无限体的锚固条件。为了 解决此类问题，王恭先等人编著的边坡与滑坡工程治理一书中曾提出了 在半坡桩桩前留较宽的平台d 以解决半坡桩因锚圆段不足而产生较大变形 1 1 1 。如图2 - 1 8 所示，在半坡桩处留一个宽大的平台d ，一般宽为3 5 倍的 桩径，即6 8 m 宽，桩的埋深适当加大，基本可以造成半无限体的锚固条件， 并限制下部边坡开挖的爆破，才可保证半坡桩的作用。 1，、0b旷 “川n卜y 细 。 豇 甜托虬 。 懈y m 门川n9 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 此种方法的确能通过加宽半坡桩桩前平台良好的控制桩身变形，使桩前 岩土体在设计时近似考虑为半无限体状态，但平台宽度a d 的大小受限于坡体 前公( 铁) 路选位，将会发生由于道路位置不允许6 - 一8 m 宽的情况，所以此 种方法局限性较大。为此，我们将在第四章对半坡桩最佳平台宽度进行有限 元数值分析。 图2 - 1 7 设桩处不留宽平台图2 1 8 设桩处留宽平台 2 。4 4 关于锚固段长度增加值的讨论 目前抗滑桩的计算理论中假定抗滑桩锚固段岩( 土) 体为一半无限体进 行计算，但半坡桩锚固段岩( 土) 体难以达到半无限体的条件要求，尤其桩 前锚固段部分为一三角体，其变形及破坏模式与半无限体的变形及破坏模式 相去甚远，如果按一般的抗滑桩的计算模式进行设计，则偏于不安全。除了 通过加宽半坡桩桩前平台，使桩前岩土体在设计时近似考虑为半无限体状态， 另外最直接的办法就是增加锚固段的长度崩，假如将其锚固段从路基面或地 面相对较平缓的位置起算，则可以达到半无限体的要求，然而这种设计计算 方法过于保守，而且容易造成浪费，有些情况下( 如将抗滑桩设于三级以上 的坡顶) 又难以达到，如何选取日的一个合理值，将在后面通过理论计算和 数值模拟计算展开进一步的讨论( 如图2 1 9 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 5 本章小结 图2 1 9 锚固段长度增加示意图 ( 1 ) 本章依据半坡桩锚固段桩周地层岩性、坡体结构等将半坡桩进行分 类，具体分为：a 锚固段位于类均质体结构中b 锚固段位于近水平层状结构中 c 锚固段位于顺倾层状结构中d 锚固段位于反倾岩石中的半坡桩，并分别阐 述了其破坏模式。 ( 2 ) 通过对半坡桩设计时几个关键问题的讨论，提出了半坡桩设桩原则： 在地形、地貌许可时，尽量将桩设置在靠近坡脚处，而设在一级平台 上的抗滑桩一定要埋入到路基面以下足够的深度。 若有多级平台时，将桩设在半坡中的平台上( 条件允许的话留有一定 宽度的平台) 或地形陡缓交界处。如图2 - 2 2 a 、b 若边坡过高过长、坡面较陡，且桩前坡体不稳定时，最好辅以一定的 坡面防护( 如采用框架锚索地梁) 如图2 - 2 2 e ，或考虑双排或多排桩支挡( 如 图2 - 2 2 f ) ，或设置预应力锚索桩、长锚杆加固以保证桩前坡体的稳定性( 如 图2 - 2 2 d ) 。 对滑体上有变形控制较严格的工程结构物，最好采取锚索抗滑桩，增 加桩顶约束减少变位。如图2 - 2 2 c 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 2 2 a图2 - 2 2 b 图2 2 2 d图2 - 2 2 e 图2 - 2 2 c 图2 2 2 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章抗滑桩的传统设计方法 虽然传统的抗滑桩设计方法有不足之处，但它有着较为成熟的设计体系， 并成功地指导了许多抗滑桩项目的建设。首先，我们可以明确的是半坡桩就 属于传统抗滑桩，仅仅是半坡桩的设置位置不同于传统抗滑桩。而半坡桩的 设计方法又是在传统抗滑桩的基础上进行改进设计。本章将主要围绕抗滑桩 这种传统设计方法 4 , 2 8 】展开论述，包括滑坡推力的计算；桩的位置、截面形状 与尺寸及锚固深度、桩身内力计算等，希望对后章节半坡桩的设计计算起到 一定的辅助作用。 3 1 抗滑桩设计步骤 目前，抗滑桩作为滑坡治理的一种有效支档结构，得到了广泛的应用， 但是针对不同的滑坡我们应当设计不同的方案来治理滑坡。对于抗滑桩的使 用，最基本应该满足下述条件。首先，滑坡具有明显的滑动面，滑动面以上 为非塑流性的地层，能够被桩所稳定。其次，滑动面以下为较完整的基岩或 密实的土层，能够提供足够的锚固力，最后，要充分利用桩前地层的被动抗 力，以期效果最显著，工程最经济。 在满足基本条件的情况下，对抗滑桩进行设计，计算步骤如下： 1 首先弄清滑坡的原因、性