（地质工程专业论文）抗滑桩桩身内力分析计算研究.pdf

摘要 抗滑桩是治理滑坡灾害的有效工程措施，据统计，迄今为止，它是滑坡治理中应用 得最多的工程支挡结构物。目前，在治理具有多个滑动面的堆积层滑坡灾害时，对抗滑 桩桩身内力的大小与分布影响较大的滑坡推力，计算时并未考虑不同深度处滑动面层间 的相互作用力，相应地在治理滑坡灾害的过程中滑坡推力的取值，是以坡体最深滑动面 作为滑坡推力的计算基准面，将该滑面以上的全部岩土体看作整体，设计推力的取值是 以此最深滑动面以上整个坡体的推力值作为设计值，对治理的滑坡体只给予一个设计安 全系数。通常情况下，这样做是可行的，结果是安全的，但是这种治理滑坡灾害的方法， 其滑坡推力的计算值较实际偏大，相应地桩身内力也与实际不相符。同样，目前常用的 滑坡推力计算软件在计算推力过程中也只能计算推力是以单一的一种分布形式的情形， 而在治理具有多个滑动面的滑坡过程中，如果考虑滑坡推力是多种分布形式时就无能为 力了。 本文主要内容包括以下几点： ( 1 ) 总结了适用于单一滑动面形式的滑坡推力及抗滑桩桩身内力传统计算方法； ( 2 ) 分析了堆积层滑坡多个滑动面的形成机理，在前人研究的基础上，推导了考虑 堆积层坡体滑动层间相互作用力影响的滑坡推力计算公式，并且考虑滑动层间相互影 响，提出依据浅层滑体与深层滑体受外界影响程度的不同而赋予不同的设计安全系数的 方法。最后应用上述方法对滑坡实例进行分析计算，实例表明由传统查表计算的解析法 计算得桩身内力值要比采用考虑层间相互作用力影响的f l a c 川数值软件计算得到的桩 身内力值大的多。 因此，考虑滑动层问相互作用力影响的桩身内力计算方法，能有效地降低传统方法计 算所得的桩身内力，使其更接近抗滑桩身受力的实际特征，从而也节省了桩结构物的材 料用量。 ( 3 ) 利用岩土工程数值计算软件f l a c 2 d 建立抗滑桩二维平面计算模型，对桩身滑坡 推力的多种分布形式的全桩桩身内力进行计算，得到了桩身剪力与弯矩的数值，通过与 传统查表计算的解析法得到的数值对比，说明传统解析法计算的数值偏大。 关键词：二维数值计算软件f l a c 2 d ，滑坡，多层滑面，滑动面层间相互作用，不同安 全系数，滑坡推力，抗滑桩，桩身内力 a b s t r a c t a n t i - s l i d ep i l e sw h i c ha r ea ne f f e c t i v em e a s u r ef o rt r e a t i n gt h el a n d s l i d ep l a ya n i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt r e a t i n gt h el a n d s l i d ei na l lc o u n t r i e so ft h ew o r l d t h ep r e s e n ts t a t i s t i c s s h o wt h a ta n t i s l i d ep i l e sa r et h em o s te x t e n s i v em e t h o dt ot r e a tl a n d s l i d ei ne n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s a tp r e s e n t ，t h el a n d s l i d eh a sm a n yp l a n eo fs l i d i n g sl i k el a r g e - s c a l ec o l l u v i a l l a n d s i d e ，a f f e c t i n gt h ei n t e r n a lf o r c eo fa n t i s l i p p e r yp i l e ，u s e sl a n d s l i d et h r u s tf o r c e c o m p u t a t i o nb yn om e a n sc o n s i d e r i n gt h em u t u a la c t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n td e p t hp l a c e g l i d es u r f a c el a y e r i nt h ei m p r o v e m e n tp r o c e s so fl a n d s l i d ed i s a s t e r ，t h el a n d s l i d et h r u s tf o r c e i sc o r r e s p o n d i n g l yt o o kt h em o s td a n g e r o u sp l a n eo fs l i d i n g sb a s i so fc a l c u l a t i o nb yt h e d e e p e s tp l a n eo fs l i d i n g s t h ed e s i g no ft h r u s tf o r c er e g a r d i n gt h ee n t i r es l o p ea st h ee n t i r e t h r u s tf o r c eb yt h i sd e e p e s tp l a n eo fs l i d i n g st a k e st h ed e s i g nv a l u e ，o n l yg i v i n gad e s i g nl o a d f a c t o rt ot h ei m p r o v e m e n tl a n d s i d em a s s i nt h eu s u a ls i t u a t i o n ，t h i si sf e a s i b l ea n dt h er e s u l ti s c o n s e r v a t i v ea n ds a f e t y h o w e v e r , t h ek i n do fi m p r o v e m e n tm e t h o do fl a n d s l i d ed i s a s t e r m a k e st h et h r u s tf o r c ea n dt h ei n t e r n a lf o r c eb i g g e rt h a nf a c t s i m i l a r l y , t h ec o m m o ns o f t w a r e o fc o m p u t i n gt h el a n d s l i d et h r u s tf o r c ei nt h er a t e dt h r u s tp r o c e s sc a no n l ya n a l y s i st h e s i t u a t i o no fo n ed i s t r i b u t e df o r ma tp r e s e n t ，b u tw h e nw et r e a t i n gt h es l o p eh a v i n gm a n y p l a n e so fs l i d i n g ，t h ec o n s i d e r a t i o no fm a n yk i n d so fd i s t r i b u t i o nf o r mo ft h el a n d s l i d et h r u s t f o r c ei sh e l p l e s s t h ep r i m ec o n t e n to ft h i sa r t i c l ei n c l u d sf o l l o w i n gs e v e r a lp o i n t s ： ( 1 ) s u m m a r i z i n gt h em e t h o d so fl a n d s l i d et h r u s tf o r c es u i t t i n gf o rm a n yk i n d so fp l a n eo f s l i d i n g sf o r m sa n dt h et r a d i t i o ne n d o g e n i cf o r c ec o m p u t a t i o no fa n t i - s l i p p e r yp i l eb o d y ； ( 2 ) a n a l y z i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o l l u v i a ll a n d s l i d ei n c l u d i n gp l a n eo fs l i d i n g s i n f e r r i n gt h ec o m m o n l yu s e dc o m p u t a t i o nf o r m u l ao fl a n d s l i d et h r u s tf o r c et r a n s m i s s i o n m e t h o do fc o r r e l a t e s ，w h i c hh a sb e e ns u i tf o rc o m p u t a t i o no ft h r u s tf o r c ew h i c ha f f e c t e d m u t u a l l yi nt h ec o n s i d e r a t i o ng l i d el e v e lt ot h ec o l l u v i a ll a n d s l i d ei n c l u d i n gm a n yp l a n eo f s l i d i n g s c o n s i d e r a t i n gg l i d el e v e le f f e c tm u t u a l l y , t h ep a p e rp r o p o s e st h ed i f f e r e n td e s i g n l o a df a c t o rw i t hd i f f e r e n te n t r u s t sb a s e do nt h ei n t e r v a lo ft h eo u t s i d ei n f l u e n c eb e t w e e nt h e s h a l l o wl a y e rs l i p p e r yb o d ya n di n - d e p t hs l i p p e r yb o d y f i n a l l yb yt h ea n a l y s i so fl a n d s l i d e e x a m p l ea p p l y i n gt h ea b o v em e t h o d ，t h ee x a m p l ei n d i c a t e st h a tt h es h e a r i n gf o r c ea n dt h e b e n d i n gm o m e m o fp i l eb o d yb yt h em e t h o do ft h et r a d i t i o n a lt a b l el o o k 。u pc o m p u t a t i o na n d b yt h ef l a c 2 dv a l u es o f t w a r ec o m p u t a t i o nc o m p a r i n gt o i t ss h e a r i n gf o r c ea n db e n d i n g m o m e n tv a l u eo fp i l eb o d ya r eb i g g e r ，b e c a u s et h el a t e rc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e m u t u a la c t i o nl e v e l t h e r e f o r e ，t h em e t h o do fc o n s i d e r i n gt h em u t u a la c t i o no ft h eg l i d el e v e la n a l y s i z i n g t h e p i l eb o d ye n d o g e n i cf o r c e c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e mc o m p a r i n gt o t h et r a d i t i o n a l c o m p u t a t i o nm e t h o d ，a n dc a u s e si t t oc o n f o r mt ot h er e a ls t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i co ft h e a n t i s l i p p e r yp i l e s oi th a sa l s os a v e d t h ei m p r o v e m e n tm a t e r i a la m o u n to ft h el a n d s l i d e ( 3 ) e s t a b l i s h i n gt w o - d i m e n s i o n a ls u r f a c e m o d e lo ft h ea n t i s l i p p e r yp i l eu s i n gt h e f t a c ds o f t w a r es u i t i n gf o rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gv a l u ec o m p u t a t i o n c a r r y y i n go nt h e c o m p u t a t i o no fp i l eb o d ye n d o g e n i cf o r c et ot h el a n d s l i d et h r u s tf o r c ei n c l u d i n gt h ed i f f e r e n t d i s t r i b u t i o nf o r m so ft h ee n t i r ep i l e ，a n do b t a i n n i n gt h es h e a r i n gf o r c ea n dt h eb e n d i n g m o m e n tv a l u eo fp i l eb o d y i te x p l a i n e st h et r a d i t i o n a la n a l y s i sc o m p u t a t i o nv a l u ei sb i g g e r t h ev a l u ec o m p a r i s i o nw h i c ho b t a i n sw i t hc o m p u t a t i o na n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lm e a n k e yw o r d s ：t w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r ef l a c 2 d ：l a n d s l i d e ；m a n ys l i d i n g l a y e r so fl a n d s l i d e ；m u t u a le f f e c ta m o n gg l i d es u r f a c el a y e r s ；t h ed i f f e r e n ts a f e t yc o e f f i c i e n t ； l a n d s l i d et h r u s tf o r c e ；a n t i s l i p p e r yp i l e ；i n t e r n a lf o r c eo fp i l e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三寸良7 习l j沙口7 年s 月3 o e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王可k 7 刮 导师签名：勋i 嘎孱：欠 加7 年r 月；o 日 1 年r 月；9 日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 引言 滑坡是指在一定的地形地质条件下，由于各种自然或人为因素的影响破坏了岩( 土) 体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定岩( 土) 体在重力作用下，沿着山体内部某一软弱 面( 带) 作整体的、缓慢的、间歇性滑动的不良地质现象。滑坡滑坡灾害的发生，往往伴 随中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿和掩埋村镇，给人类带来巨大灾难。随着人口的快速 增长和土地资源的开发利用，边坡问题己成为同地震和火山相并列的全球性三大地质灾 害( 源) 之一【l i 。滑坡问题广泛存在于世界各地，我国、美国、日本、意大利、瑞士、印 度和前捷克斯洛伐克都是滑坡较多，受危害较严重的国家。二十世纪初以来，世界范围 内大型滑坡灾害现象相继发生，1 9 2 5 年美国怀俄明州格罗斯一丈特河谷大滑坡、1 9 6 3 年意大利瓦依昂滑坡、2 0 0 0 年菲律宾马尼拉市郊奎松滑坡等，均给人类造成了巨大损失 2 1 。在我国边坡失稳带来的损失也是相当严重，我国有7 0 的地区，地质地理条件复杂， 滑坡分布尤为广泛，西南、西北，华东、中南和华北的山区、丘陵以及黄土高原地区都 有大量滑坡分布。统计资料表明，我国有新老滑坡约3 0 万处，其中灾害性的约1 5 万 处，每年自然滑坡体积达数百万甚至上亿立方米，损失高达1 0 0 亿元以上【2 1 。因此，对 滑坡灾害的研究与防治一直受人们广泛关注。 1 2 抗滑桩的研究现状 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的各个方面都取得了很大成 就，常用的滑坡防治措施有：坡面排水工程、地下排水工程、减重与反压工程、支挡工 程、滑带土改良工程等等，其中支挡工程中抗滑桩结构的发展和应用尤为迅速和普遍。 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加固中。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 3 4 】： ( 1 ) 抗滑能力强，混凝土用量小；在滑坡推力大、滑动面较深的情况下，较其他抗 滑工程措施更经济、更有效。 ( 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，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。 第一章绪论 ( 5 ) 在施工过程中可以验证地质资料，如发现问题便于补救。 ( 6 ) 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。 1 2 1 抗滑桩的发展 抗滑桩是承受水平荷载力作用为主的结构物，欧美国家从2 0 世纪三十年代就对开 始了滑坡灾害防治的研究。但是由于对滑坡运动规律的认识不深，5 0 年代以前，治理滑 坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程主要是挡土墙；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，为解决抗滑挡土墙施工中的困难问题大力开发应用抗 滑桩工程；欧美国家和前苏联多用钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径为1 0 1 5 m ，深为 2 0 3 0 m ，日本则多用钻孔钢管桩，钻孔直径为4 0 0 5 5 0 r a m ，深为2 0 3 0 m ，孔中放入直径 为3 1 8 5 - 4 5 7 2 m m ，壁厚为l o - 4 0 m m 钢管桩；7 0 年代后期，日本开始用直径1 5 3 5 m 的挖孔抗滑桩；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；日本在大阪府的龟之獭滑坡上采用直径为5 m ，深为5 0 - 6 0 m 的大型 抗滑桩【2 1 。与此同时，锚索在滑坡防治工程中也开始大量使用( 加反力梁或锚墩) ，它与 抗滑桩联合使用【1 1 。我国对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用起步较国外晚，5 0 年代起， 主要学习原苏联的经验，在治理滑坡中优先考虑地表和地下排水工程，支挡结构是各种 形式的挡土墙；6 0 年代中期，在成昆线建设中，研究设计用大截面挖孔钢筋( 钢轨) 混 凝土抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，破坏滑体稳定小，施工方便，很快在铁路内、外 滑坡治理中被广泛应用【引。在治理大、中型滑坡中，几乎取代了抗滑挡土墙。8 0 年代中 后期深入研究了抗滑桩的受力状态和设计理论的同时，又研究开发了排架桩，刚架桩， 椅式桩墙等新的结构形式；8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治工程中开始 大量采用锚索工程【4 】。由于锚索系用高强度钢丝束固于滑体以下滑床中，抗拉力大。预 应力锚索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动小，又是机械化施工， 所以应用前景广阔。 1 2 。2 抗滑桩的设计计算研究现状 1 在抗滑桩加固边坡分析中，桩本身的变形也是设计过程中需要考虑的一个很重要 的方面，其与桩和岩土体的有关参数密切相关。人们根据抗滑桩的变形和破坏模式将其 分为刚性桩、半刚性桩、弹性桩，常将半刚性桩归入弹性桩。 ( 1 ) 刚性桩( 又称短桩) ，当桩很短，桩的相对刚度很大，破坏时桩身不产生绕曲变 只是绕靠近桩底部的一点做刚性转动，全桩长范围内的土都屈服，当锚固段长度不足时 2 长安大学硕十学位论文 桩将随滑体发生移动而破坏。 ( 2 ) 半刚性桩，桩身发生绕曲变形，但桩身位移曲线只发生一个零点，桩侧土的屈 服区随着荷载的增加逐渐向下扩展，桩身最大弯矩也随着上部土抗力的减小而逐渐向下 转移，若桩身强度较低，将破坏：若桩身强度较高，则桩侧土塑性挤出，因桩的变形过 大而破坏：当桩身强度较大时，破坏由变形控制。 ( 3 ) 弹性桩( 又称长桩) ，当桩项自由时，桩身位移和弯矩曲线出现两个以上的零点， 且桩身位移和弯矩随桩身的衰减很快，计算时桩身可认为无限长，破坏状态与半刚性桩 类似。 2 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，可以把土一桩一土 作为一个相互作用的整体体系来考虑【5 i 。 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，桩与岩土相互作用的力学计算模型一般采用线弹性w i n k l 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【6 1 。 悬臂法是将滑动血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 3 第一章绪论 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。 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。 1 3 滑坡推力计算现状 作用于抗滑桩上的荷载有滑坡推力、桩前岩( 土) 体抗力与地震振动荷载等，其中 滑坡推力的计算准确与否对抗滑桩设计影响较大，它直接决定着抗滑桩的设桩位置、桩 身尺寸、桩身配筋等。对于滑坡推力的计算，目前在总体上可以分为两类：一是与支挡 结构物相联系的土拱效应分析理论，一是坡体推力计算过程中不考虑支挡结构物的存 在，即单独进行坡体推力计算。而后者计算时根据滑体条( 块) 间的作用力特征又可分 为两大类型：一是不考虑滑块条间作用力的方法，一是考虑滑块条问作用力的方法。对 于土拱效理论，自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”后1 7 ，该理论就 算正式诞生。1 9 4 3 年t e r z a g h i 通过著名的活动门试验【8 1 ，证实了土力学领域土拱效应 的存在，并在对土拱的应力分布进行描述的基础上得出了土拱效应存在的条件：土体 之间产生不均匀位移或相对位移；作为支撑的拱脚的存在。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【9 1 。并且 有人己将研究成果应用于实践，取得了良好效果【1 0 l 。对坡体推力计算过程中不考虑支挡 结构物的存在的方法，归纳起来主要有瑞典圆弧滑动法、b i s h o p 法( 1 9 5 5 ) ， m o r g e n s t e r n p r i c e 法( 1 9 6 5 ) ，s p e n c e r 法( 1 9 7 3 ) ，b e l l 法( 1 9 6 8 ) ，j a n b u 法、s a r m a 法( 1 9 7 3 ，1 9 7 9 ) 、传递系数法、分块极限平衡法等等【1 1 j 。对于处理单一滑面，即斜坡整 体沿某一潜在软弱面的推力计算中，上述计算方法已成功地应用于实际工程项目中，并 取得了良好效果。对于坡体在沿着某一深层软弱带滑移运动过程中，在滑体内部形成多 个潜在滑移面( 带) 的滑坡，也是自然界较为多见的，如一些大型堆积层滑坡：1 9 8 4 年的新滩滑坡、1 9 9 2 年的昭通滑坡、2 0 0 3 年三峡库区沙镇溪千家坪滑坡等等【1 2 i 。对于 坡体中发育多个滑动面( 带) 的堆积层斜坡，其潜在危险滑动面的搜索研究较多，危险 性滑动面的搜索仍以上述坡体稳定性分析方法为基础进行；而对于多级滑动面的堆积层 滑坡位移与力学特征，国内外学者研究相对较少。文献 1 3 提出假设各滑面的破坏是相 互独立的，利用数理统计的方法分析多滑面滑坡失稳时各滑面岩土参数的选取。文献 1 4 未假定滑面的破坏是相互独立的，利用蒙特一卡罗模拟法分析了边坡稳定性并给出了各 4 长安大学硕士学位论文 滑面失稳时的岩土力学参数。贺可强等人通过研究大型堆积层滑坡多层滑移的规律，提 出双层滑移的物理模型，并在此基础上建立双层滑移的数学模型后定量地确定了第二滑 移面的临界深度【1 5 1 。文献 1 6 通过现场实例研究，观察到多级滑动面的老滑坡中因坡体 含水量的变化引发浅层滑体发生相对蠕滑的现象。杨涛，周德培等人通过室内大型地质 力学实验分析了多级滑坡多层滑移面的运动特征【1 7 1 ，表明各滑面滑移过程中滑动层间存 在相互作用力。贺可强、王思敬等人建立二维极限平衡模型研究了堆积层滑坡受降水影 响的位移动力学特征【1 s l ，王思敬、g r i f f i t h sdv 、l a n epa 等人【” 2 1 1 采用有限元分析软件 分析了多层滑面的滑移过程中坡体位移的变化特征。与上述方法相对应的一个具体滑坡 其推力计算过程中，坡体最深滑动面以上整个滑体给予一个设计安全系数，即不考虑不 同深度处的滑带稳定性实际变化特征。 1 4 目前研究中存在的问题 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地模拟地基和荷载 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。目前研究中 存在的问题可归纳如下： ( 1 ) 对于存在多个滑动面的滑坡推力的计算时，是否考虑滑动层间的相互作用力 的影响，目前还没有形成统一的认识，并得出一个具体的计算公式，所以推力的计算方 法仍在研究中。而我们在设计支挡结构物的过程中，计算滑坡推力时运用上述滑坡稳定 分析方法及相适应的滑体推力计算方法，以主滑带为主计算，进而确定滑坡总的推力设 计值，很少会考虑在次滑带处产生的滑坡推力对整个坡体推力的贡献或影响，以及是否 应该在计算滑坡总的推力时考虑到滑坡的具体特征，对不同深度处的滑体推力分别进行 计算，并且在计算过程中考虑滑动层间的相互作用力的影响，以反映支挡结构物受力的 实际情况。 ( 2 ) 存在多层滑面的多级坡体中，由于浅层岩土体更易受降水和开挖等外界因素 的影响后稳定性相对深层岩土体差【2 l ，所以在治理这样的滑坡灾害时不应该对整个坡体 给予一个设计安全系数，而应陔对受外界因素的影响下更易失稳的岩土层给予较大的安 全系数，对影响较小或不产生任何影响的岩土层给予较小的安全系数。对所处不同深度 的岩土层给予不同的设计安全系数，计算的滑坡推力既符合滑坡变形的实际特征，又符 5 第一章绪论 合支挡结构物的实际受力特征。 ( 3 ) 目前，在工程实际中对桩后滑坡推力的分布形式并未严格按照坡体组成物的 岩性特征，相应地给予推力的不同分布形式，而是当桩后岩土体类型存在多种时取其平 均值的方法给出或以组成物质最多的岩性为准给出。这主要是由于目前实际工程设计 中，桩身内力分析的绝大多数软件均不能考虑同一桩身上滑坡推力存在多种分布形式的 情况或采用人工查表计算时容易产生较大误差等等。由于受计算工具与方法的限制，所 以计算的结果并不是很符合实际情况。f l a c 2 d 数值计算软件可以有效地解决这个计算缺 陷，它可以根据实际情况，同一桩身上的推力采用多种分布形式，桩身内力计算结果将 更符合实际受力特征。 1 5 本文的主要工作 抗滑桩作为治理滑坡的有效工程措施，具有施工方便、速度快、工程量少和投资少 等优点，因而发展迅速。 影响抗滑桩身内力大小与分布的因素较多，其中抗滑桩所承受的滑坡推力是其主要 的影响因素之一。在其他影响因素不变的情况下，滑坡推力的计算准确与否将直接影响 桩身内力是否符合其实际大小与分布情形。因此，对其推力计算方法进行研究与改进是 很有科学意义与实用价值的。目前，对于分析单一滑动面坡体推力的情况，其推力的计 算原理与桩身内力分析与计算方面已有很多研究，并将取得的一些成果已成功地应用于 实际工程项目中；而对于发育多个滑动面的堆积层滑坡，其在坡体推力的计算时并不考 虑滑动层间相互作用力的影响，以滑坡最深滑动面为计算基准面并将该滑面以上的所有 岩土体作为一个整体来计算推力值的大小。但是，在总结前人所做工作的基础上通过本 文研究，得出考虑滑动层间相互作用力影响后计算的滑坡推力要比传统不考虑层间相互 作用力的方法得出的推力值小，有时两者相差会很大。而考虑滑动层间相互作用力影响 计算的滑坡推力更符合滑体推力特征，能更加准确地反映坡体推力的实际特征，由此推 力值计算的桩身内力才更加符合实际情况。 本文首先总结了目前常用的坡体稳定性分析及相应的滑坡推力计算方法；通过分析 具有多个滑动面( 带) 的堆积层滑坡灾害的形成机理，提出在计算滑坡推力时应考虑滑 动层间相互作用力的影响；推导了考虑层间相互作用力影响的适用于多个滑动面的坡体 推力计算公式；通过研究多个滑动面坡体中浅层滑体与深层滑体受降水等自然因素影响 下，滑体的稳定性变化得出在具有多个滑动面( 带) 的滑坡体灾害治理过程中，应对不 同深度处的滑面( 带) ，依据具体情况给予不同的设计安全系数，这样才能更合理、更 6 长安大学硕 二学位论文 准确地确定抗滑支挡结构物上内力的分布特征：考虑滑坡推力的多种分布形式，采用以 有限差分理论为基础的数值分析软件f l a c 2 d ，结合发育多个滑动面( 带) 的向家山滑坡 工程实例进行了桩身内力分析，得到的桩身剪力和弯矩值与不考虑滑体层间相互作用力 影响得到的结果进行了对比。 7 第二章滑坡推力及抗滑桩内力计算分析方法 第二章滑坡推力及抗滑桩内力计算分析方法 2 1 滑坡推力计算方法 计算滑坡或边坡在工程使用年限内，各种荷载作用条件下不同部位，尤其是在设立 抗滑支挡工程建筑物部位的滑坡推力数值，为整治工程设计计算提供定量的依据，这是 滑坡推力计算的主要目的。在现有支挡结构工程的设计中，均将滑坡推力作为抗滑结构 上的外部的已知荷载，因此，滑坡推力计算是支挡结构工程设计的前提条件。 2 1 1未考虑滑块条问力作用的计算方法 对滑动方向某一截面上的滑坡推力的计算，一般有两类做法1 2 2 】，即一是先求出全截 面上的全滑坡总推力，然后按该滑动方向的截面上滑体厚度的不同分配出各段每米宽的 推力大小；一是按平行滑动方向分段，求每段代表断面的每米宽的滑坡推力，从而综合 各段的推力而得出全滑坡的推力。其中后一种方法是当前普遍采用的做法，在计算每米 宽滑动断面的推力时，其两侧为内力而不计算侧向摩阻力。目前按滑带形状大致可归纳 成滑面为单一滑面、滑面为圆弧面、滑面为折线形三种类型【矧。以下分别介绍对应于每 一种滑面类型的滑坡推力计算方法。 1 滑动面为单一平面或可简化为单一平面类型 如图2 1 ，此类型滑坡一般产生于破c 碎岩层组成的坡体上或顺层岩石由于人工 挖坡切脚而产生的顺层面的滑动。由于土 中粘聚力较小( 可采用滑面上的抗剪强度 为综合中值) 而经常出现单一平面型的滑 面。 其稳定系数k o = t a n t a nq 2 1 a 其中为滑动面处的综合内摩擦角 q 为滑动面与水平面的夹角 w 为滑块a a b c 的自重 图2 1 滑动面为单一平面 面 相应地滑块a a b c 作用于a 点的推力为e = w c o sc 1 ( k t a nq t a n ) 2 2 其中k 为设计安全系数，其余符号同上。 2 滑面为一圆弧或可近似为圆弧类型 此类型滑坡多发生于土质边坡内部，尤其多产生于有粘性土及含粘性土较多的堆积 8 长安大学硕十学位论文 土组成的坡体地段。 其稳定系数为 m 迦铲 2 3 其中n 为作用于滑动面( 带) 上的法向应 力之和； t 为作用于滑动面( 带) 上滑动力之和； 2 2 滑面类型为一圆弧 c 1 为沿滑面( 带) 各段单位粘结力c 与滑面长l 乘积的阻力之和； r 为滑动面( 带) 抗滑部分外部结构 为滑动面( 带) 岩土体的内摩擦角。 相应地其坡脚处的滑坡推力为： e 。k 了丁一fnt a n 妒一vc l 一7r 二一l i j 二1 式中k 为设计所需的安全系数。 3 滑面( 带) 由呈折线形连接而成或简化成折线形的平面组成 如图2 3 所示依据滑动面( 带) 及 坡面线特征将滑动面( 带) 划分为若干 段土条，其坡体稳定系数为： 滑面 滑体 2 4 3 滑面 ， k ol 至- 竺竺萼导旱必 2 5 图2 3 滑面( 带) 为折线型 2 ms l n a 其中w i 为每段滑体的自重； 口；为单位宽度每段滑体底面与水平面的夹角； z ；为单位宽度每段滑体底面的长度； c ；、驴i 分别为单位宽度滑动面( 带) 上岩土体的粘聚力与内摩擦角。 因此，在坡脚处的设计滑坡推力为： e = k 咝s i na ，一mc o s a 。t a n 够一c i l i 2 6 其中k 为设计安全系数。 以上计算滑坡推力的三种方法其共同点在于所求推力均为滑体的下滑力增大k 倍与 9 第二章滑坡推力及抗滑桩内力计算分析方法 抗滑力的差，这种方法对于滑面为单一平面类型的滑坡较适用。而对于其它滑面类型的 滑坡就不一定适用，如滑面为圆弧型的滑坡，如2 3 公式中没有考虑条块间力的影响， 并且将抗滑力与下滑力进行简单的代数运算，由于滑面不同位置的抗滑力和下滑力的作 用方向不同，因此，这种代数运算没有明确的物理意义。其次对于滑面形状为折线的滑 动类型而言，这种计算方法( 如图2 3 ) 同样没有考虑条间力的作用，而所得推力数值 只是各分条下滑力的简单叠加。 由于滑坡或边坡失稳破坏的多样性和复杂性，对滑坡或边坡的稳定性评价方法也多 种多样，就滑坡推力的计算而言也没有一种适用于所有情况的万能方法，应该对具体问 题具体分析，鉴于以上计算滑坡推力的方法存在的问题，依据条间力的假设不同，以下 介绍几种计算不同类型滑面的滑坡推力的方法。 2 1 2 考虑滑块条间力作用的计算方法 1 简化b i s h o p 法计算滑坡推力 对于滑面为圆弧( 或接近于圆弧形) 的滑坡或边坡失稳类型，主要计算稳定性的条件 应是整体的力矩平衡，所以宜采用分析圆弧形滑面的稳定性计算方法来计算滑坡推力， 下面用简化b i s h o p 法推求滑坡推力的计算表达式。 ( 1 ) 简化b i s h o p 法简介1 2 4 】 毕肖普考虑了条间力的作用，如2 4 图所示，e ；及x 。分别表示法向及切向条简 力，w ；为土条自重，q ；为水平地震作用力， n 。、t 。分别为土条底部的总法向力( 包括 有效法向立及孔隙应力) 和切向力，其余 符号见图所示 根据土条垂直方向力的平衡条件有 彬+ x f x f “一is i n a f 一jc o sf = 0 2 7 互2 i c l t , + ( f - u i l ) 百t a n t p i 其中结合摩尔一库仑强度准则得土条底部总法向力为 m 州+ c x i - x i + ，一半+ 半，去 1 0 图2 4 毕肖普法计算简图 2 8 2 9 长安火学硕士学位论文 其中m ，c o s a i + 警挚 2 加 在极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应当为零，此时条间力的作用相互抵消， 因此有彬t 一l 尺+ q 岛= o 2 1 1 毕肖普假定各土条之间的切向力均略去不计，所以x i - x 。+ 。= o ，并且由图有x i = r s i nq 。， 将2 8 式与2 9 式代入2 1 1 可得土坡安全系数为 罗土【c + 假一u i b i ) t a n q 口i 。】 繇；! 旦吐一 n , - 12 a n 昌一 1 ” 彬s i n q + q 素 ( 2 ) 滑坡推力计算 用简化b i s h o p 法分析加桩后坡体的稳定性时，考虑桩在滑面处的剪力使坡体增加 的抗滑力矩，稳定性表达式可推导如下 在( 2 1 1 ) 式中加入桩底切向力对坡体的稳定力矩作用，可知稳定系数为 y 土【c + 似一u i b i ) t a n q 口i 】 k ；二旦l 一 2 1 3 a n 昌一 厶工) 彬s i r l 口i + q f 素一q c o s c 3 i 帅，鲨兰坐罢e 一1 , 型 2 。4 其中k 为设计安全系数 当考虑桩前滑体抗力时，其滑坡推力为 e = q + f 2 1 5 其中f 为桩前滑体抗力。 2 j a n b u 法计算滑坡推力【冽 当滑面为连续的曲面或滑面由不规则( 较陡) 折线段组成且滑体间无明显错动时，可 采用j a n b u 法计算滑坡推力，具体公式如下。条块的受力如图2 5 所示，列出力和力矩 的平衡条件为 水平方向平衡方程 e i + 1 = e f + u f f 一1 + o f + n is i n ( z f + u fs i n ( 一u f f + 1 一s fc o sf 2 1 6 竖直方向平衡方程 第二章滑坡推力及抗滑桩内力计算分析方法 互+ 1 = 互+ s fs i na f + fc o sf + u ic o s o t f 一彬 对沿重力与底面作用力均通过的0 点的力矩平衡方程为 7 7 。a 2 x + 互了a x + q f z ，+ e , ( a h ，+ ) + 。如巨+ ，吃+ - 玑 图2 5j a n b u 法条块受力筒图 由m o h r - c o u l o u m b 准则得底面的极限平衡条件为 s i = ! 兰堕+ k c o s t g l i 其中c i 、垆i 分别为滑动面上岩土体的粘聚力与内摩擦角； q i 为除渗透压力外的水平地震作用力。 整理上面计算式可得： e i + 1 = 巨+ 阢j 一1 + q j 一玑+ 1 + u fs i n a j 一 互