（岩土工程专业论文）抗滑桩支护结构中桩后土拱效应研究与应用.pdf

抗滑桩支护结构中桩后土拱效应研究与应用 作者简介：宋保强，男，1 9 7 8 年8 月生，2 0 0 4 年从师于任光明教授，于2 0 0 7 年7 月毕业于成都理工大学岩土工程专业。 摘要 目前大多数的抗滑桩设计与计算是通过单桩的受力分析而推广到排桩的，未 考虑土拱效应对滑体的阻挡作用，其设计方案偏于安全。造成了很大的浪费。造 成这种现象的原因主要是对抗滑桩桩后土拱效应的产生机理尚未完全弄清楚。为 此，本文，围绕抗滑桩桩后土拱效应产生的机理和土拱效应的影响因素等问题， 开张了比较深入的研究。 本文的主要工作内容包括一下几点： ( 1 ) 对红茶楼滑坡稳定性分析，提出滑坡支护方案。 ( 2 ) 桩后土拱效应的二维数值分析与探讨，分析不同桩截面、不同桩间距、 不同土体参数等因素对桩后土拱效应的影响程度等问题。 ( 3 ) 结合抗滑桩设计的解析法和红茶楼滑坡的实际情况，给出模拟红茶楼 滑坡加抗滑桩后的三维模拟方案，进行抗滑桩与周围岩土体相互作用的三维数值 模拟分析与探讨，分析桩与周围岩土体受力特性，桩和周围岩土体的交形与应力 变化趋势，群桩共同作用下土拱效应等问题。分析结果表明：抗滑桩的支挡作用， 土拱效应是主要作用机理：不同滑体深度的土拱效应表现形式不同，不同推力下 的土拱效应表现形式也不同；粘聚力高的滑体，有利于提高抗滑桩的加固效果， 当粘聚力超过2 0 k p a 以后，提高幅度减小；较高的滑体内摩擦角有利于提高抗滑 桩的加固效果，当内摩擦角超过3 0 。时，影响减小；桩距增加会造成最大位移和 桩土相对位移的增大，增加到一定程度会造成桩间土挤出量过大，从而使得抗滑 桩支挡失效。 ( 4 ) 结合三维模拟结果设置滑坡治理方案和抗滑桩结构设计，并对滑坡治 理效果进行监测，由监测资料分析抗滑桩的变形特点及滑坡体的总体变形趋势。 ( 5 ) 对设计结果、数值模拟结果和监测数据三者对比分析，验证抗滑桩设 计中参考考虑土拱效应对滑体的阻挡作用时的三维数值模拟结果的可行性。 关键词：抗滑桩土拱效应桩间距三维数值模拟 s o i l a r c he f f e c t i o nl o c a t e db e h i n dp i l ei s r e s e a r c h e da n da p p l i e di nt h es u p p o s i n gs t r u c t u r e o ft h ea n t i s l i d i n gp i l e i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：s o n gb a o q i a n g ，m a l e , w h ow a sb o r no na u g u s to f1 9 7 8 w a su n d e rt h eg u i d a n c eo fp r o f r e n gg u a n g m i n gs i n c e2 0 0 4 h em a j o r si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga n d w i l lb eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya tj u l yo f 2 0 0 7 a b s t r a c t n o w , m o s to fa n t i s l i d i n gp i l e sd e s i g n a t i o na n dc o m p u t a t i o na r eb a s e do nt h e s o l ea n t i - s l i d i n gp i l e ss t r e s s , r e g a r d l e s so f t h eo b s t r u c t i o nf r o ms o i l a r c he f f e e t 。a n d t h ed e s i g nm e t h o df c l c u s e do nt h es a f e t y , i t sw a s t e f u lm o r em a t e r r i a l 。1 1 l e r ea r e s o m er e a s o n , b u tt h em o s tc o n t r i b u t i o ni st h a tt h et h e o r yo ft h em e c h a n i s mo f a n t i - s l i d i n gp i l e sa c t i o n so ns o i l a r c he f f e c ti sn o tc l e a r 。 s o t i l i sa r t i c l er e s e a r c h e d d e e p l ya b o u tt h em e c h a n i s mo fa n t i s l i d i n gp i l e sa c t i o n so ns o i l a r c he f f e c t ，t h e i m p a c tf a c t o r so f s o i l a r c he f f e c ta n ds oo n 。 n l em a i nc o n t e n ti nt h i sa r t i c l e ： ( 1 ) a n a l v s e dt h es l i d es t a b i l i t yo ft h er e dt e a b r o u g h tf o r w a r dad e s i g n p r o j e c t 。 ( 2 ) a n a l y s e da n dd i s c u s s e dt w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n go f s o i l a r c h e r i e c t s a n a l y s e dt h ei m p a c t i o nd e g r e e so fd i f f e r e n tp i l e s s e c t i o a s 。d i s c u s s e dt h e d i 毹r e n ts p a c e sb e t w e e np i l e sa n dd i f f e r e n tl a n d sf a c t o r so ne f f e c t so fa n t i - s l i d i n g p i l e s 。 ( 3 ) c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y s i so f a n t i s l i d i n gp i l ea n dt h ef a c t so f r e dt e a b u i l d i n g d e s i g n e dt h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n go fs i m u l a t i o nt h er e d t e ab u i l d i n gs l o p eb ya d d i n ga n t i s l i d i n gp i l e a n a l y s e dt h ei n t e r a c t i o no f a n t i - s l i d i n g p i l ew i t ht h es u r r o u n d i n gr o c k sb yt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n g ，a n a l y s e d t h ec h a r a c t e r so fa n t i s l i d i n gp i l ea n ds u r r o u n d i n gr o c k s d e f o r m a t i o nt r e n do f a n t i - s l i d i n gp i l ea n ds u r r o u n d i n gr o c k sa n ds l r e s st r e n d t h ee f f e c t so fp i l eg r o u p so n t h es o i l a r c h 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r et h es u s t e n l a t i o n e f f e c to f a n t i - s l i d i n gp i l e sa n dt h ec a r t h - a r c he f f e e t 。t 1 1 ee a r t h a r c he f f e c t sb e h a v i o r s w i l lb ea f f e c t e db yt h ed i f f e r e n ts l i d i n gd e p t ha n dt h r u s t 。h i g hc o h e s i o ns l i d i n gb o d y w i l li n c r e a s e sa n t i s l i d i n gp i l e s r e i n f o r c e m e n t 。t h ei n c r e a s e de x t e n tw i l ld e c l i n e w h e nt h ec o h e , ；i o ne x c e e d s2 0 i ( p a 。i n c r e a s e sa n t i - s l i d i n gp i l e s 。r e i n f o r c e m e n tw i l ib e i n c r e a s e db yl a r g ea n g l eo fi n t e r n a lf i i c t i o ns l i d i n gb o d y 。b u tw h e nt h ea n g l e e x c e e d s3 0 ，t h ei n c r e a s e de x t e n tw i l ld e c l i n e 。 t h ei n c r e a s eo fp i l es p a c i n gw i l l i n c r e a s et h el a r g e s td i s p l a c e m e n ta n dt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h ep i l ea n d e a r t h a r i s ee x c e s ss o i lt h a tb e t w e e np i l e sb e i n ge x t r u d e da n dm a k et h ea n t i - s l i d i n g p i l e si n v a l i dw h e nt h ee x t e n te x c e e d st h er e q u i r e m e n t 。 ( 4 ) d e s i g n e dt h ec o n s t r u c t i o no f a n t i s l i d i n gp i l ea n dt h ew a yo f a n t i s l i d i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n g t h e nm o n i t o r e dt h e i i e f f e c t so ft h ea n t i s l i d i n gw a y ，f i n a l l y , w ec a ng e tt h ec h a r a c t e r so ft h ed i s t o r a t i o n a b o u tt h ea n t i - s l i d i n gp i l ea n dt h eg e n e r a lt r e n d so f t h es l o p ed e f o r m a t i o n 。 ( 5 ) c o m p a r e d w i t hd a t a sw h i c hi so u re x p e c t e d ，t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l m o d e l i n ga n dt h em o n i t o r e dr e s u l t s ，t h ef e a s i b i l i t yo f d e s i g na n t i s l i d i n gp i l ei sp r o v e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l i n g0fs o i l 。a r c h e 丘j c t 。 k e y w o r d s ：a n t i s l i d i n gp i l e ，s o i l a r c he f f e c t ，p i l es p a c i n g ，t h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e l i n g 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注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 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。 学位论文作者导师签名： 例 学位论文作者签名：珲耳豁轰 刎年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解感壑堡王太堂有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡工太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据厍进行检索，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) 学位论文作者签名：屎缎 d 7 年月f 同 第1 章前言 1 1 引言 第1 章前言 桩是一种垂直或微斜埋置于土中，横截面尺寸比其长度小得多的细长构件。 桩与连接桩项的承台组成深基础，简称为桩基。桩基础作为各类土木建筑的最主 要基础类型之一，越来越受到岩土工程界的重视。在过去相当长的时期内，人们 对桩承受轴向荷载作用时的工作性状研究的较多，而对桩承受侧向荷载作用时的 性状研究得较少。由于在路桥、海洋石油钻采平台、岸坡码头和边坡抗滑结构中， 桩常常被利用来承受水平荷载，这就促使了对水平受荷桩的研究。d eb e e r 1 9 7 7 ! l 】 根据桩基与周围土体的相互作用，可将水平受荷桩分为两类： ( 1 ) 桩基直接承受外荷载并主动向土中传递应力，称为“主动桩” ( 2 ) 桩基并不直接承受外荷载，而是由桩周土体在自重或外荷作用下发生变 形或运动而受到影响，称之为“被动桩”。 显然，在主动桩中桩上的荷载是因，而它相对于士的变形或运动是果；对于 被动桩，土体运动是因，而在桩身上引起的荷载是果。由于被动桩的作用荷载难 以确定，它比主动桩问题复杂得多；在被动桩中，虽说土体运动是因，但它受到 桩的形状、数量和布置等因素的制约，因而须将桩土体系当作整体考虑，研究桩 土相互作用就显得格外重要。 对于被动桩，打桩、堆载和开挖作用都可能导致桩周土体产生较大的水平位 移而使桩身受到侧向荷载的作用。人们常利用桩的侧向承载能力来加固边坡，增 加边坡的稳定性，这类桩称为抗滑桩，属于典型的被动桩。在我国每年施工的抗 滑桩超过上力- 根投资达数亿元【2 】( 王化卿，廖正环，1 9 9 6 ) 。在抗滑桩设计中， 到目前为止，尚未形成为人们普遍接受的抗滑桩设计的确定性方法，容易引起抗 滑桩设计不当的问题，造成花费过大或达不到应有的加固效果。在大多数设计抗 滑桩中，需要根据土坡的稳定状况确定抗滑桩的桩距、桩径、加固位置、加固桩 排数等，在验算土坡加固后的稳定性时还要验算土坡中桩的稳定性，但均未考虑 土拱效应对滑体的阻挡作用。 在岩土工程中，土拱效应是广泛存在的，它是土体中应力转移的一种现象j 。 这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的，如地下管道、盾构等结构的 应力集中和扩散现象。2 0 世纪末以来，在岩土工程领域，有关土拱效应的实测 数据、模型试验以及理论研究越来越多，并开始将土拱理论应用于实践，指导工 程设计也取得了较好的效果。土拱概念的提出到迄今己经历了1 0 0 多年的历史， 但仍存在很多值得探讨的问题，特别是理论研究还有待深入开展。 成都理r = 大学硕士学位论文 在大量的滑坡防治工程中可发现，抗滑桩间的土体也会形成类似桥梁拱圈的 作用，这种现象通常被称为桩间土拱。土体受到滑坡推力作用后，会将推力的一 部分传递到相邻的抗滑桩。 目前大多数的抗滑桩设计与计算是通过单桩的受力分析而推广到排桩的，未 考虑土拱效应对滑体的阻挡作用，其设计方案偏于安全，造成了很大的浪费。造 成这种现象的原因主要是对抗滑桩桩后土拱效应的产生机理尚未完全弄清楚。因 此，对于抗滑桩桩后土拱效应产生机理的研究很有必要。 因此，本文针对抗滑桩加固设计中未考虑土拱效应对滑体的阻挡作用现状， 来探讨抗滑桩设计中考虑土拱效应对滑体的阻挡作用时的新方法，结合一个滑坡 治理实例。对滑坡进行稳定性评价，提出抗滑桩的加固方案；并针对桩后土拱的 形成、存在形式及在抗滑桩加固边坡中的作用，进行理论研究、数值分析，通过 对抗滑桩加固边坡的三维数值模拟，分析抗滑桩的变形大小和桩周岩土体的塑性 破坏区，对抗滑桩设计提出参考意见。一个具体的滑坡实例概况如下： 凉山州红茶楼滑坡坐落在一个古滑坡上，处于拉莫色德沟左岸红茶楼附近， 一条2 级公路从滑坡体中下部通过，滑坡体有多级台阶。滑坡后缘出现多条拉裂 缝和拉裂深沟，滑坡体段的公路沉降拉裂严重，近两年以每年3 0 5 0 c m 速度下 沉，公路旁的原挡土墙严重损坏，滑坡前缘发生了小型的土质滑动，该滑坡体 平面形态呈不规则的长条形，滑动方向总体为n w 3 4 0 。，滑坡纵向长度2 0 0 左 右m ，横向宽度1 3 0 1 8 0 m ，滑体厚1 0 4 0 m ，平均厚度大于3 0 m ；前缘高程 一般1 8 9 0 1 9 1 0 m 左右，后缘高程达1 9 9 0 2 0 0 0 m ，滑坡体积约4 5 5 5 万一。 由于滑坡体地处拉莫色德沟左岸，滑坡体前缘坡度较大，坡体主要为第四系的 覆盖层，厚度很不均匀，且坡体上有公路通过，地质环境条件极为脆弱，地质条件 复杂，给滑坡的治理带来了很大的困难。针对此滑坡设计了多种治理方案，以抗滑 桩支挡结构为主，削方减载、挡土墙，坡面植草、排水沟、泄水孔等综合治措施。 2 0 0 5 年末，针对此红茶楼滑坡进行了先期的治理，坡体前缘布置了1 # - - - 2 5 # 抗滑桩。在治理过程中发现在主滑坡西侧出现了次级滑坡，且主滑坡的滑动面有 所加深，根据以上问题采取动态变更设汁。考虑上拱效应对滑体的阻挡作用，利 用f l a e 软件进行加固效果数值模拟分析，为抗滑桩设计提供参考意见。滑坡概 貌和先期抗滑桩布置位置如图1 1 、图1 - - 2 。 圉l l 滑坡概貌图1 2 主滑坡抗滑桩位置展示图片 2 第1 章前言 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 抗滑桩的研究现状 抗滑桩支挡技术用于滑坡灾害治理最早始于上个世纪六十年代。抗滑桩能有 效提高滑体的抗滑能力，改善滑坡的稳定性，早年在日本和欧美等地应用的较为 普遍。在我国，抗滑桩最早用于铁路滑坡的治理，经过几十年的发展，现在已成 为一种常用的滑坡灾害治理技术，被广泛用于各种滑坡工程的加固治理设计中。 几十年来，许多学者都对抗滑桩做过大量的研究。从己有的文献报道来看， 抗滑桩研究的内容主要包括：桩一土相互作用机制研究：土体位移对桩侧向 作用的影响；桩侧土压力的分布模式；桩间土的土拱效应；抗滑桩的极限 抗力；考虑桩土相互作用的边坡稳定性分析；桩的设计计算理论研究。 从研究的方法看，主要可分为三类：试验研究，包括室内物理模型试验和 现场原位测试；理论分析，通过建立各种数学物理模型，研究土体移动对桩的 影响；数值模拟研究，主要采用有限元方法，建立分析研究的二维或三维有限 元模型，综合研究桩土相互作用条件下，桩身变形和内力分布，桩周土体的应力 分布和变形响应等规律。下面就以上一些内容，对有代表性的一些研究成果，分 类作简单综述。 ( 1 ) 国外研究现状 早在1 8 8 4 年，英国科学家罗伯茨首次观察到粮仓底面所承受的力在粮食堆 积高度约大于2 倍底面直径后达到饱和而不再增加，这种“粮仓效应l jj ，在1 8 9 5 年被德国工程师詹森( ( j a n s e n 调连续介质模型对其进行了定量解释，加入由纵向 压力产生的横向壁压力系数来考虑颗粒与仓壁之问的摩擦力，当颗粒系受到纵向 压力时，其应力易于改向，倾向于横向分布， 这就是“成拱效应”，成拱效应是颗粒物质 系的独特行为，拱一旦形成可以承受很大的 负载而不崩塌1 4 卜【6 j o t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 通过 活板门试验解释了压力从屈服土体向刚性 边界传递的现象，这种压力的传递被称“为 土拱效应1 7 l ”象。以后许多学者用解析、或 数值方法对活板门试验进行了广泛的解释 国外从二十世纪四十年代开始逐渐采 用抗滑桩来整治滑坡，美国、原苏联、英国、 图i - - 3活塞门试验简图 日本、比利时、奥地利、捷克、荷 兰、意大利等国均在公路、铁路、t 水利滑坡整治中采用抗滑桩，到六十年代用桩 整治滑坡已相当普遍。r 本对抗滑桩的研究较多，桩的型式多为钢管桩。国外其 成都理：亡大学硕士学位论文 他一些国家对滑坡中的抗滑桩研究较少，对侧向受荷桩研究较多，一般把抗滑桩 纳入侧向受荷桩的范畴忆 六十年代国外就将有限元分析应用到滑坡整治的抗滑桩设计中。1 9 6 7 年， 美国旧金山波特罗l l l ( p o t r o r oh i l l ) 的一座建于1 9 0 6 年的无筋污工铁路隧道上方 修建公路，由于公路开挖引起地表、地下水及铁路隧道的一定量的移动，整治处 理采用了3 0 座保护隧道的钢筋混凝土排架，应用平面有限元分析确定滑坡滑动 的原因，研究各种整治方案，将监测数据与有限元分析结果相互对照，为整治设 计提供依据，成为应用有限元分析进行整治设计的成功例子。 l o we ta l ( 1 9 9 4 ) 认为士拱是堤防桩上形成的梁帽区竖向剪力的减小等。在抗 滑桩加固岩体的工程中，土拱有竖向( 土发生竖向运动) 和水平( 土发生水平动) 运动所产生。对于抗滑桩，由于土体是以水平向的滑动为主，所以水平向土拱将 是主要的，竖向土拱可忽略不计，对计算结果影响不大。 ( 2 ) 国内研究现状 我国使用抗滑桩整治滑坡最早是在二十世纪五十年代修建宝成铁路，对抗滑 桩的理论研究始于六十年代，主要采用了试验研究、理论计算、有限元分析等方 法。 二十世纪六、七十年代铁道部西北研究所对堆积土滑坡中已建抗滑桩桩背滑 坡推力进行了实测，来检验设计滑坡推力的大小，得到了滑坡推力分布的一些规 律。 1 9 7 7 1 9 7 8 年铁道部一些单位联合在成昆线狮子山滑坡第一、二根抗滑桩现 场加载试验，研究单根抗滑桩在滑坡推力作用下与土体的工作状态，研究它在不 同外荷作用下产生的位移、内力和土抗力的分布规律以及桩侧摩阻力对桩的影响 等。 八十年代初，西北研究所进一步对单根抗滑桩受力条件做模型研究，对三种 情况进行模拟：( i ) 桩前滑体具有不同的极限抗滑力时抗滑桩的受力条件；( 2 ) 桩 锚固深度不同时抗滑桩的受力条件；( 3 ) 桩前滑体的极限抗滑力及桩的埋深固定 时，随着下滑力的增大，桩前滑体的抗滑力、桩身变位、弯距及抗力的发展变化 情况。得到当滑动面以上桩前滑体的极限抗力不能克服时，即虽有滑动面的存在， 但不能真讵起作用时，抗滑桩与普通侧向受荷桩无本质区别的结论。但试验假设 桩土为平面应变状态，没有研究群桩的受力性状和桩自j 距问题1 9 】。 1 2 2 桩与岩土体相互作用的受力研究 i t o | o l 和m a t s u i ( 1 9 7 5 ) 考虑桩士相互作用，从单桩出发，根据土体塑性变形 理论，提出了抗滑桩由移动土体产生的桩侧作用力的计算方法。该方法考虑了桩 4 第1 章前言 径、桩间距和土性参数对桩侧作用力的影响。计算得到的实际是抗滑桩的极限侧 向力。当土体相对于桩产生移动时，作用在桩上的侧向力由零逐渐增大到极限值 p ( z ) ，将p ( z ) 沿土层深度方向积分，即可得出桩上所受的总的极限侧向作用力。 上述的计算方法是在假设桩为刚性的情况下得到的，但可推广到弹性桩的情况。 l t o 等( 1 9 8 1 ) 指出，由于假设桩周土体变形很小，所以可以认为桩变形的影响可以 忽略不计。因此，上述的计算方法对于刚性桩和弹性桩都适用。一系列的现场试 验和室内模型试验( i t o 等，1 9 8 2 ) 表明，上述计算方法的计算结果与实际抗滑桩上 的实测值非常吻合。在桩项自由的情况下吻合的较好，在桩顶受约束的情况下更 为准确。 李仁平【1 ( 2 0 0 1 ) 在i t o 的理论基础上，研究了软土地基中被动桩与土体相互 作用问题。文中提出滑动面以上部分塑性流动区桩土相互作用的力学模型可采用 双曲线模型；对于粘性土，可采用更简单的理想弹塑性模型来计算桩侧土压力。 室内模型资料表明，采用双曲线模型比采用线弹性模型更符合实际情况；对于粘 性土，采用理想弹塑性模型也较适宜。滑动面以下部分弹性区的力学模型作者认 为可采用线弹性模型，即采用w m k l e r 地基模型假定。 现有的抗滑桩设计方法一般只按照桩的折断计算抗滑阻力，而未考虑桩间距 过大时发生土体绕桩滑动的可能。沈珠江i ”1 ( 1 9 9 0 ) 提出，完整的抗滑桩极限设计 方法应当包括各种可能的破坏验算，即应当包括土坡整体滑动验算，土体绕桩滑 动验算和毁桩滑动验算。他利用散体极限平衡理论推导了土体沿水平方法绕桩滑 动时桩身受到的绕流阻力公式，并在此基础上提出了抗滑桩的具体设计步骤。 于清杨i b ( 2 0 0 2 ) 提出采用有限元方法分析抗滑桩与围岩间作用力的实际分 布特征，特别是其非线性特征。研究了滑体物理力学参数变化、滑体岩性改变、 滑体分层和滑坡体结构类型不同时滑坡推力和剩余下滑力的分布特征、给出了不 同条件下滑坡推力和剩余下滑力的分布特征、分布曲线及数学回归方程。 从上面的文献调查可以看出，用传统的不平衡推力传递系数法计算滑坡推力 最为简单，但是忽略了桩土相互作用的问题。i t o 和沈珠江的方法在理论上较为完 善，但由于计算公式复杂，很难被工程设计人员所接受。有限元法为考虑桩土相 互作用的抗滑桩分析提供了有力工具。用有限元方法分析滑坡推力和桩前土体抗 力，首先要解决如何模拟桩土作用接触问题，有限元模型的合理参数选择等问题。 1 2 3 桩间土体土拱效应研究 在边坡工程中，当抗滑桩施工完成后，在抗滑桩阻碍滑体位移而使自身产生 变形的同时，相邻桩之问的土体有向坡外侧移动的趋势。在桩前土体开挖完成后， 这种趋势就会进步发展。由于抗滑桩的横向位移小于坡体的横向位移，造成桩 成都理工大学硕士学位论文 后局部范围内的士体不断挤压桩体而产生不均匀的土压力，桩间的部分土体因受 桩体约束作用的不同而产生不同程度的剥落。在靠近桩体处的土体剥落较少，而 在远离桩体处的剥落较大，造成滑坡土体在相邻两桩之间的不同位置有不同的位 移，在设桩处位移较小，在两桩中间位移较大。在这种情况下就会引起桩问土体 与桩后土体抗剪能力的发挥而在土体中形成所谓的“楔紧”作用l l ”，即形成土拱 效应。 国内外很多学者都对土体的土拱效应进行过研究。土拱效应的研究很大一部 分是利用土拱理论探索作用在地下结构上的土压力问题。如隧道衬砌荷载问题、 挡土墙和基坑围护桩【1 5 】的土压力问题等。边坡工程中，土拱效应的研究主要用来 分析抗滑桩的合理桩间距问题。 b o s s c h e r 等( 1 9 8 6 ) 通过室内模型试验模拟砂性土边坡中的土拱效应。试验发 现桩间距是影响桩间士拱效应最重要的因素，桩间距越小，土拱效应就越明显， 也就是说有更多的荷载从土体传递到桩上。试验数据显示，当桩间距为3 倍桩径 时，荷载转移的比例约为3 0 。 a d a c h i 等( 1 9 8 9 ) 将拱区定义为等边三角形。k e l l o g g ( 1 9 8 9 ) 认为在不同的工程 实践中，拱区还可以是其他形状，例如抛物线形、半球形、圆顶形等。 o n o 等( 1 9 9 3 ) 假定土为刚塑性，且满足m o h r - c o u l o m b 屈服条件，将问题简 化为平面问题状态，对挡土墙后土体及隧道周围土体进行了土拱效应分析，并将 所得结果与试验结果进行了对比分析。 吴子树町等( 1 9 9 5 ) 结合土工离心模型试验、理论分析和实地调查，综合研究 了土拱效应的形成机理及存在条件；分析了土中成拱洞室的稳定性，推导了土中 洞室的上覆土厚度及相应的最大跨径公式，计算所得的结果与试验成果相一致。 尤昌龙1 2 7 1 ( 1 9 9 6 ) 通过对加筋土拱受力特性的分析，得出了加筋土中的拱形。 认为加筋土承载能力提高的原因在于加筋土结构具有空问效应，柔性大质量小的 加筋可产生很大的变形，根据土拱效应理论，土中压力在这里将产生重新分配， 从而使得土介质受到的荷载增大。 c h e n t l 6 1 等( 1 9 9 7 ) 通过一系列模型试验对群桩效应进行了研究。试验结果表明； 当桩间距大于或等于8 倍桩径时，将不存在群桩效应。a d a c h i 等( 1 9 8 9 ) 关于土拱 效应的模型试验也得到了相近的结论：桩间土拱效应的极限桩间距为8 倍桩径。 胡敏云1 2 8 1f 1 9 9 8 ) 应用土拱原理对桩侧的土压力进行计算分析，将问隔布桩的 护壁桩桩侧土压力分为直接土压力和问接土压力两部分。用小主应力拱的概念对 直接土压力进行分析，用水平面上的大主应力拱分析桩周土体产生的间接土压 力，并在分析护壁桩变形的基础上，对基坑底面以下桩段上作用的土压力作出了 假设。通过控制桩| 1 日j 士体允许剥落范围，提出了日j 隔布桩时护壁桩间距确定方法。 6 第l 章前言 叶晓明( 1 9 9 9 ) 根据卸载拱原理推导出了柱板结构挡土墙墙板上的土压力计 算公式，计算结果表明，作用在板上的侧压力并不随埋深线性增长，此结论与工 程实际情况较为一致，作者还对计算公式中有关参数进行了分析，指出有关参数 对土压力的影响范围。 王成华等1 1 。”r ( 2 0 0 1 ) 从方形桩桩间土拱形成的原理、力学特性论证入手，较 全面地分析了桩问土拱的受力，变形、力的传递和土拱破坏瞬间的最大桩间距， 并建立了最大桩问距的平面计算模型。 c h e n 等( ( 2 0 0 2 ) 认为从土到桩的应力转移可用桩的荷载一位移曲线和土拱效 应来解释，参数改变对桩土相互作用的影响也可用拱现象的改变来解释。用有限 差分法程序f l a c 对桩周土拱效应进行了研究，结果发现土拱的形成和拱区的形 状是桩的排列方式、桩土相对位移、桩形状、桩土接触面摩擦特性以及土的剪胀 角的函数。 朱碧堂等【2 钉( 2 0 0 2 ) 采用拱形梁法对基坑开挖和支护中土层拱效应作了初步 的理论分析，推导出了支护排桩的最大间距的理论公式。并从理论上证明了在支 护桩间采用板墙等柔性支护的情况下，土拱能有效地减小板墙上的土压力，将相 应的土压力转移到支护桩上。 贾海莉等【1 7 叫9 1 ( 2 0 0 3 ) 提出了岩土工程领域土拱理论中几个值得探讨的问 题，如拱脚的存在形式、拱形、拱体几何参数及微观特性等。根据土拱的不同形 成机制，指出拱脚的存在形式有直接拱脚、摩擦拱脚、土体拱脚及二异拱脚四种。 作者还结合工程实践对拱形和拱体的几何参数提出了初步见解。 冯君等口川( ( 2 0 0 3 ) 从方形桩问土拱形成的机理、力学特性入手，将广泛应用 于隧道工程的普氏系数引入抗滑桩最大桩间距的计算分析中，并根据桩间土拱的 静力平衡，建立了相应的计算模型，给出了相应的抗滑桩间距解，并结合算例蜕 明该计算模型计算出的抗滑桩问距比较符合工程实际。 安关峰d o l ( ( 2 0 0 4 ) 以某地铁车站深基坑为例，采用土拱理论对深基坑进行支 护优化设计分析，并计算基坑的位移和稳定，计算结果表明，采用土拱理论进行 设计的深基坑疏桩支护安全可靠。 周德培等1 2 。1 ( 2 0 0 4 ) 在对边坡工程抗滑桩间土拱效应分析的基础上，提出应以 桩问静力平衡条件、跨中截面强度条件以及拱脚处截面强度条件共同控制来确定 拄间距，得到了较为合理的桩间距的计算公式；定量地说明了在其它因素不变的 情况下，桩l b j 距随桩后体粘聚力或内摩擦角的增大而增大，却随着桩后坡体推 力的增大而减小。 张建勋等【2 刁f 2 0 0 4 ) 认为被动桩对侧向位移的土层起到遮挡作用的机理主要 是土拱效应，并采用有限元软件p l a x i s ，对被动桩中土拱效应的产生机理进行了 成都理工大学硕士学位论文 研究，分析了导致侧向位移的荷载大小、土体性质、群桩以及桩土接触面性质等 影响因素对土拱效应性态和桩土应力分担比的影响，分析表明，桩间距是影响土 拱效应的最主要因素。 张建华等1 2 3 1 ( 2 0 0 4 ) 通过对抗滑桩结构的力学分析，建立了抗滑桩结构的有限 差分模型。计算结果表明，当桩间距适当时，桩后土体将产生土拱效应。同时分 析了土拱产生的机理和产生的条件，对抗滑桩间距的设计有一定的参考价值。 从已有的研究看，很多学者都注意到了抗滑桩桩间的土拱效应问题，但是目 前的研究尚未深入，对于土拱的发育机制、土拱的形状和存在条件以及与桩间距、 土体、桩周土体参数对桩问土拱的存在影响程度等问题尚有待于进一步深入研究。 1 3 论文研究内容、研究思路 1 3 1 论文内容 ( 1 ) 对红茶楼滑坡稳定性分析，提出滑坡支护方案。 ( 2 ) 桩后土拱效应的二维数值分析与探讨，分析不同桩截面、不同桩间距、 不同土体参数等因索对桩后土拱效应的影响程度等问题。 ( 3 ) 结合抗滑桩设计的解析法和红茶楼滑坡的实际情况，给出模拟红茶楼 滑坡加抗滑桩后的三维模拟方案，进行抗滑桩与周围岩土体相互作用的三维数值 模拟分析与探讨，分析桩与周围岩土体特性，桩和周围岩土体的变形与应力变化 趋势，群桩共同作用下土拱效应等问题。 ( 4 ) 结合三维模拟结果设置滑坡治理方案和抗滑桩结构设计，并对滑坡治 理效果进行监测，由监测资料分析抗滑桩的变形特点及滑坡体的总体变形趋势。 ( 5 ) 对设计结果、数值模拟结果和监测数据三者对比分析，验证抗滑桩设 计中参考考虑土拱效应对滑体的阻挡作用时的三维数值模拟结果的可行性。 1 3 2 论文研究思路 本论文的研究将建立在广泛收集阅读国内外科研资料的基础上，以作者攻读 硕士学伉期间参与的科研丁作为基础。以一个具体的边坡工程灾害的调查和治理 实践为背景，从边坡工程灾害发育机制和防治技术的角度，重点研究了桩后土拱 形成的机理及存在形式，并有针对性的研究了桩、土共同作用、桩闻土拱在不同 条件下的变化规律、桩与周围岩土体的受力规律。 以桩土相互作用中的桩后土拱效应为主线，首先分析红茶楼滑坡的稳定性， 提出滑坡支护方案，为了能更好的考虑抗滑桩设计中各种影响因素，考虑土拱效 3 第1 章前言 应对滑体的阻挡作用，提出一个利用常规的抗滑桩设计的解析法结合三维的数值 模拟方法的抗滑桩设计思路。然后对桩后土拱的形成机理、土拱的受力进行理论 分析，对土拱效应对滑坡稳定性的影响程度以及桩问岩土体的变形特征等问题进 行探讨；而后结合理论分析的结果对土拱效应进行数值模拟分析，综合分析桩后 土拱的发育规律，研究土拱的形状及其主要影响因素的变化规律，并对几种主要 设计参数对土拱效应的影响规律作了讨论；对给出实例三维模拟，分析抗滑桩受 力特性以及群桩作用下的土拱效应问题。最后通过对设计结果、数值模拟结果和 监测数据三者对比分析，验证抗滑桩设计中参考考虑土拱效应对滑体的阻挡作用 时的三维数值模拟结果的可行性。 9 成都理工大学硕士学位论文 第2 章滑坡的基本特征及稳定性分析 2 1 地质条件概况 2 1 1 自然地质概况 红茶楼滑坡位于四川省凉山州境内，区内地势总体为南高北低，呈三级阶梯 状分布，地形起伏切割较为强烈，南东部是黄茅埂山脉，其最高峰海拔高程 3 6 0 7 m ，北西为美姑河谷海拔高程1 7 8 0 m ，相对高差较大。 区内属金沙江水系。美姑河是金沙江左岸的一级支流，发源于摸罗瓮觉，流 向在勘查区由南北转为近东西向，在雷波县境内汇入金沙江，全长1 3 6 k i n ，河 面宽5 1 9 m ，最枯流量5 7 m 3 s ，最大洪峰流量8 0 0m 3 s ( 1 9 6 6 8 2 9 ) ，具有山区 河流特征，对岸坡的冲刷侧蚀作用明显。 该地区一带属高原性气候区，干湿季节分明，垂直变化显著，据县气象站资 料，多年平均降水量为8 2 0 7 m m ，县城年均气温1 1 4 c ，每年5 1 0 月为雨季， 1 1 月至昱年4 月为干季节，其中雨季降水量约为全年降水量的9 1 ，既有暴雨， 也有绵雨，历年日最大降水量为1 1 0 3 m m ，时最大降水量是3 6 3 m m 。年降雨集 中在6 8 月。 2 1 2 地层岩性 调查区出露的基岩地层主为三叠系雷口坡组及白果湾组地层。雷口坡组的岩 性为灰深灰色中厚一厚层状、少数薄层状的角砾状白云岩、泥质白云岩等；白 果湾组为灰深灰色含砾砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩、粘土岩及煤线等组成。 台面及山r 沟) 坡面覆盖有厚度不均的第四系滑坡堆积( q “) 、残坡积( q “) 、 洪积( q p l ) 和人工堆积( q 8 ) 物发育。 ( 1 ) 雷口坡组( t 1 ) 主要分布在县城台地之上，南东侧的冲沟中也有零星出露，由灰深灰色角 砾状白云岩、厌岩、砂屑灰岩( 白云岩) ，纹层状泥质白云岩，膏盐角砾岩组成 的基本层序构成，单层厚一般在o 1 0 5 0 m ，具层理及龟裂构造，厚度1 0 6 1 2 0 m 。该地层的岩性、厚度较为稳定，雷口坡组的砾屑灰岩与下覆地层嘉陵江 组顶部的灰深灰色厚2 0 4 0 c m 的粘土岩接触。 根据钻探揭露，雷口坡组丰要为灰深灰色角砾状白云岩和泥质白云岩，单 层厚一般在0 1 0 5 0 m ，岩石普遍破碎，岩心多呈碎块状。 l o 第2 章滑坡的基本特征及稳定性分析 ( 2 ) 白果湾组( t b ) 广泛分布于县城南的斜坡地带，厚4 5 0 5 5 7 m 。中下部由灰深厌色含砾 砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩、粘土岩及煤线组成，发育大型槽状交错层理，为 曲流河岸后沼泽环境沉积。顶部具粒序层理，砂岩极为发育，为三角洲环境沉 积。 底部以灰褐色石英质砂砾岩与下覆雷1 2 1 坡组( t 1 ) 星平行不整合接触，接触 面凹凸不平，发育o 4 m 厚的黄褐色铁质风化壳。 根据区域工程地质钡9 绘结合钻孔资料，白果湾组下部主要是细粒长石石英砂 岩、粉砂岩，单层厚多在o 2 o 4 m ；上部为深灰色粘土岩失粉砂岩。岩层普遍 较破碎，砂岩多呈碎块状，粘土岩中则产生一些小褶皱。 ( 3 ) 第四系 广泛分布于县城区和县城南部、西部的边坡体之上，按成因类型分为滑坡堆 积( q 捌) 、残坡积( q 吲) 、洪积( q p l ) 三种。 滑坡堆积物( q d a ) 根据地面调查结合钻孔资料，区内滑坡堆积物主要分布在拉莫色德沟两岸和 环城路边坡地带，厚度一般5 1 0 m ，个别地段可达到1 7 m ，以块碎石为主，干? 湿，松散稍密，块碎石粒径多在3 1 2 c m ，个别达3 0 5 0 c m ，含量占6 0 ， 呈棱角状，在城南滑坡中，块碎石成份主要为长石石砂岩、粉砂岩，而在农贸市 场、粮食局滑坡中块碎石不仅有砂岩，还有白云岩，充填物则是与块碎石成份相 同的泥、砂。 在城南滑坡堆积物中，滑坡体中后部大部分地段仍保留了一定的层状结构特 征，地层层序基本可辩。 残坡积物( q “) 广泛分布于县城区和南部的斜坡之上，厚度一般为o 5 3 m ，局部可达到5 m ， 由未固结的块碎石土组成，干稍湿，松散稍密，碎石颗粒大小在3 1 2 c m ， 呈棱角状，在白果湾组( t b ) 分布区多为强风化的砂岩、粉砂岩，而在雷口坡组 ( t 1 ) 分布区则多是强风化的白云岩，粒间充填物一般为泥质，透水性较差。 洪积( q p l ) 根据钻孔揭露和地表工程地质测绘，洪积堆积物主要分布在县城区和拉莫色 德沟之中，厚度多在5 2 5 m ，在拉莫色德沟下游呈现出洪积扇地貌特征，由一 套未固结的块碎石组成，结构松散中密，干湿，颗粒呈棱角状次棱角状， 在主沟的块碎石大小多在5 2 0 c m ，占6 5 ，在支沟的碎石则只有2 5 c m ，占 5 0 ，粒问充填物多为角砾和砂，透水性较强。 在拉莫色德沟下游与美姑河交汇地带，洪积物在地貌