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文档简介

a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in engineering mechanics analysis of anti slide pile with prestressed cable structure system graduate student cao jianlong major structural engineering supervisor prof zhang guodong china three gorges university yichang 443002 p r china may 2014 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 三峡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已在文中以明 确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 学位论文作者签名 日 期 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii 内 容 摘 要 预应力锚索抗滑桩在防护工程中应用越来越广泛 但由于桩土相互作用的复杂 性 目前设计计算理论研究却滞后于工程应用 本文在分析桩 锚 土三者相互作用机 理的基础上 通过采用土体抗剪强度折减的非线性有限元法 对预应力锚索抗滑桩结 构体系在整个作用过程中的受力特性进行了分析 主要工作如下 首先 通过分析整个结构体系中岩土体与抗滑桩 岩土体与预应力锚索 抗滑桩 与预应力锚索的相互作用关系 初步确定预应力锚索抗滑桩的作用机理 综合分析了 预应力锚索抗滑桩的理论 试验和数值模拟研究现状 结合锚索抗滑桩的实际受力特 点 指出了现阶段锚索抗滑桩计算模型中存在的主要问题 其次 介绍预应力锚索抗滑桩结构体系在有限元数值模拟计算中各结构材料采用 的本构模型 模型单元的选择以及桩土接触的处理 通过实例对比分析了预应力锚索 抗滑桩结构体系在 abaqus 和 flac 有限单元法下的内力分析情况 验证了运用 abaqus 计算的合理性 同时 通过 abaqus 对普通抗滑桩和预应力锚索抗滑桩结 构体系的内力进行对比分析 阐明了预应力锚索抗滑桩的优越性 再次 运用大型有限元计算软件 abaqus 模拟预应力锚索抗滑桩的施工过程和 边坡滑动过程中桩 土相互作用 通过计算分析得到了预应力锚索抗滑桩在各过程中 的受力特性和桩 土相互作用的一些规律 为锚索抗滑桩结构设计 强度校核和稳定 性校核提供理论依据 同时也提出了预应力锚索抗滑桩计算分析的一种新方法 最后 通过单因素变动法来探讨不同条件下桩 土相互作用的异同 明确预应力 锚索抗滑桩对各个影响因素的敏感程度 为工程中预应力锚索抗滑桩的设计和优化提 供了一些有意义的参考 关键词关键词 预应力锚索抗滑桩预应力锚索抗滑桩 桩土相互作用桩土相互作用 非线性有限元非线性有限元法法 强度折减强度折减 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iii abstract the anti slide pile with prestressed cable is used more and more widely in protection engineering however due to the complexity of pile soil interaction its design theory lags behind engineering application on the basis of the analysis of pile anchor soil interaction mechanism the force characteristic of prestressed anchor pile in the whole course of action is analyzed by using nonlinear fem on intensity discount in this paper the following parts are included in detail firstly the mechanism of prestressed anchor pile is identified initially by analyzing the interaction between rock soil mass and pile rock soil mass and prestressed anchor pile and prestressed anchor a synthesize analysis is carried outon the research situation of the anti slide piles with pre stressed anchor cables coirlbined with its mechanical feature and application scope it is pointed out the main problems incurrent project designing secondly the selection of material constitutive model element type and pile soil contact are described when using finite element numerical simulation through comparative analysis of the examples in the abaqus and flac the reasonableness of calculated using abaqus is verified meanwhile the internal forces of general anti slide pile and prestressed anchor pile structural systems were analyzed to clarify the superiority of prestressed anchor pile using abaqus thirdly using abaqus simulates the interaction between pile and earth during the construction processe of the anti slide pile with prestressed cable and the process of landslides according to calculating and analysis educes the force characteristics in each process and the laws of the interaction between pile and earth providing a theoretical basis for anchor cable andstabilizing pile structure design strength check and stability check a new kind of method of calculation andanalysis for stabilizing pile with anchor cable is put forward in the paper finally using single factor alteration method to discuss the similarities and differences of the interaction in different terms according to analysis the sensitivity degree that stabilizing pile with anchorcable does each influent factor is made certain providing some useful references forthe design and optimization of stabilizing pile with anchor cable in the project key words anti slide pile with prestressed cable pile soil interaction nonlinear finite element method strength reduction 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iv 目 录 引言 1 1 绪论 2 1 1 选题背景及研究意义 2 1 2 预应力锚索抗滑桩的发展及应用 3 1 3 预应力锚索抗滑桩结构体系的计算方法研究现状 4 1 4 本文的研究方法 内容 7 2 预应力锚索抗滑桩的力学计算模型分析 8 2 1 预应力锚索抗滑桩作用机理 8 2 2 预应力锚索抗滑桩力学计算模型 17 2 3 改进的预应力锚索抗滑桩力学计算模型 20 2 4 改进的锚索桩力学计算模型实力对比分析 22 2 5 本章小结 23 3 预应力锚索抗滑桩结构体系有限元分析 24 3 1 概述 24 3 2 有限元模型的建立 24 3 3 运用 abaqus 模拟预应力锚索抗滑桩的算例分析 28 3 4 本章小结 30 4 预应力锚索抗滑桩结构体系受力特性实例分析 31 4 1 引言 31 4 2 工程实例 31 4 3 本章小结 42 5 预应力锚索抗滑桩结构体系受力特性影响因素分析 44 5 1 引言 44 5 2 预应力锚索抗滑桩单因素变动分析 44 5 3 本章小结 51 6 结论及展望 52 6 1 结论 52 6 2 展望 53 参考文献 55 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 v 后记 59 附录 60 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 引 言 预应力锚索抗滑桩结构体系是20世纪80年代开始应用及发展起来的一种新型支 挡结构 多年来的广泛应用使其在防护结构工程中占有重要的地位 相对于普通抗滑 桩结构而言 预应力锚索抗滑桩结构的受力状态显得更加的合理 目前 通过试验研究 数值模拟等手段 对滑坡推力传递机理 桩 锚加固岩土 体的力学机理 桩 土 锚 土相互作用力学模型等关键问题研究较多 分别对抗滑桩 和锚索的计算方法及优化设计研究也较多 并取得了一些理论成果 但针对桩 锚 土 三者的相互作用 建立预应力锚索抗滑桩的力学计算模型的研究较少 而建立预应力 锚索抗滑桩力学计算模型的关键问题 集中在桩与锚索的协同作用方面 桩 锚作为 共同抵抗滑坡推力的组合支挡结构 其协同作用理应包括变形协调和受力协调两方 面 对桩 锚的变形协调问题 较多文献提出在设计计算中要考虑这一问题 但具体 怎样考虑 做法不一 而且深入分析的很少 对桩 锚的受力协调问题 一般将其混 同于变形协调问题中 还没有专门进行研究过 锚索一端嵌固于桩上 两者之间的变 形势必协调 进而使锚索拉力 桩身内力得到调整 这一点已得到普遍的认同 本文在深入了解现行规范和设计方法的基础上 分析现在常规的预应力锚索抗滑 桩设计的理论基础和方法 并找出其不足 提出较为切合实际的预应力锚索抗滑桩力 学计算模型 用数值模拟方法模拟预应力锚索抗滑桩的施工过程和边坡滑动过程 对 上述过程中桩 土相互作用进行分析计算 并通过单因素变动法来探讨不同条件下桩 土相互作用的异同 明确预应力锚索抗滑桩对各个影响因素的敏感程度 为工程中预 应力锚索抗滑桩的设计和优化提供一些有意义的参考 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 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 阻止滑坡的下滑 相对于一般抗滑桩结构而言 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一端锚固于地层中的悬臂梁结构 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 使得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 使得结构从被动受力结构变为主动受力结构 我国幅员辽阔 地形地貌复杂 其中山区约占全国陆地面积的 2 3 地质灾害频 发 在铁路 公路 水利水电等滑坡治理工程中 1 预应力锚索抗滑桩被广泛的大量 应用 成功的解决了一些边坡稳定性方面的问题 同时在其设计理论方面也取得了比 较丰富的经验和成果 但是其设计方法在目前来说还尚不成熟 当前还没有任何一种 方法得到设计人员的公认 其工程应用远远超前于设计理论研究 在 建筑边坡工程 技术规范 gb50330 2002 公路路基设计规范 jtgd30 2004 铁路路基 支挡结构设计规范 tb10025 2006 建筑地基基础设计规范 gb50007 2011 等我国相关行业标准的设计规范中 2 3 4 5 还没有预应力锚索抗滑桩这个新型的结构 更不用去提其对计算方法及原则有详细的规定和说明 近年来 随着研究的不断深入 设计计算方法已有很大的改进 但是仍然还谈不上对预应力锚索抗滑桩进行全面系统 的优化设计 预应力锚索抗滑桩的设计计算理论由于涉及到桩 锚 土三者的共同作用 力学计 算模型变得复杂很多 因而 要得到较为精确的解析解或数值解比较困难 对此 工 程实践中往往进行简化 一般将抗滑桩和锚索作为独立的支护结构来考虑 在设计中 采用一些简便的组合计算 例如将锚索预应力作为己知力加在桩上 按普通抗滑桩进 行桩身内力计算 或是简单的考虑桩 锚在桩身锚索点处变形的协调 尽管预应力锚 索抗滑桩越来越多的应用在实际工程中 但对预应力锚索抗滑桩的作用机理的研究仍 然处于探索阶段 其设计计算尚不成熟 实际上 桩锚组合结构从预应力的施加到滑 坡推力的逐步施加 锚索经历了弹性拉伸 而桩身位移则经历了向坡体内位移转为向 坡体外位移的过程 即随着工作环境的变化 桩 锚受力是动态变化的 两者不仅变 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 形协调 而且共同分担滑坡推力 预应力锚索抗滑桩的内力计算方面 一般采用桩 土为线弹性 winkler 地基梁模型的力学计算模型 考虑受荷段桩前土的作用方式不同 又具体分为悬臂梁法和地基系数法两类 不同的桩土力学计算模型和边界条件的解析 解分别有相应的一套公式 查表或手工计算十分繁琐 且存在系数截断误差 容易出 现人为错误 施加任意排预应力锚索后 考虑桩 锚变形和受力的协调 使计算更加 复杂 预应力锚索抗滑桩的设计方面 因为桩和锚索的设计参数很多 进行桩锚的设 计需要不断的调整设计参数 以满足地基强度校核和桩身位移控制的基本要求 另外 考虑桩锚组合结构的优化设计 桩锚的多个设计参数相互影响关联 经常要试算确定 综上所述 尽管预应力锚索抗滑桩越来越多的应用到了实际工程中 但对预应力 锚索抗滑桩的作用机理的研究却仍然处于探索阶段 为此 本人选取预应力锚索抗滑 桩结构体系受力特性分析作为论文课题 在深入了解现行规范和设计方法的基础上 分析现在常规的预应力锚索抗滑桩设计的理论基础和方法特点并找出其不足 提出了 较为切合实际的预应力锚索抗滑桩力学计算模型 并用数值模拟方法模拟预应力锚索 抗滑桩的施工过程和边坡滑动过程 对上述过程中桩 土相互作用进行分析计算 探 讨预应力锚索抗滑桩在各过程中的受力特性和桩 土相互作用的一些规律 为预应力 锚索抗滑桩结构设计 强度校核 稳定性校核和单桩抗滑力的确定提供理论依据 同 时也提出了预应力锚索抗滑桩计算分析的一种新方法 最后 通过单因素变动法来探 讨不同预应力锚索锚固长度 锚索数 锚固预应力大小 桩身锚固深度等因素下桩 土相互作用的异同 明确锚索抗滑桩对各个影响因素的敏感程度 为工程中预应力锚 索抗滑桩的设计和优化提供了一些有意义的参考 1 2 预应力锚索抗滑桩的发展及应用 预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩的基础上发展起来的 国外从三十年代 1931 年 11 月 12 日美国工程新闻杂志 滑坡和桩的作用 国内从 20 世纪 50 年代初开 始将抗滑桩应用于工程中 60 70 年代 在以应用排水工程和抗滑挡土墙为主的同 时 大力开发应用抗滑桩工程以解决抗滑挡土墙施工中的困难 6 如欧美国家和前苏 联 我国的川黔铁路 湘黔铁路和襄渝铁路均采用了抗滑桩整治滑坡 分别采用了钻 孔钢筋混凝土灌注桩 钻孔钢管桩 人力和机械相结合等不同形式 奥地利公路部门 率先将锚索和抗滑桩结合起来整治滑坡 70 年代中后期 大直径的挖孔抗滑桩开始 在工程中应用 并在 80 年代得到广泛应用 进入八十年代以来 随着预应力锚固技术的发展 预应力锚索抗滑桩作为滑坡整 治工程中的一种新型结构而问世 铁道部科学研究院于 80 年代研究在单桩顶或桩顶 下一定位置设置一排或多排预应力锚索 锚固于滑面以下稳定地层 形成预应力锚索 抗滑桩 预应力锚索抗滑桩先后在四川省松藻矿务局金鸡岩煤矿滑坡 四川省江油松 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 花岭滑坡 成昆线莫洛滑坡 南昆线文佃 根龙 册亨车站软质岩高边坡及板桃车站 软质岩高边坡 川藏公路二朗山龙胆溪滑坡上成功地使用 较普通抗滑桩节省投资约 40 7 8 预应力锚索抗滑桩施加预应力 变普通抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗滑结 构 随着约束的增加 桩的位移控制相对容易 桩身内力也在一定程度上大大降低 设计的桩身截面尺寸及桩长也大大减小 所以预应力锚索抗滑桩在铁路 公路及水利 水电的边坡整治工程中以及各种类型的滑坡治理中都得到了广泛的应用 9 10 11 预应力锚索抗滑桩作为一种实用有效的支挡工程措施己在地质灾害治理中得到 广泛的应用 然而其锚固机理 加固后的稳定性分析 设计与计算方法及锚索的预应 力损失仍然是一个有待深入研究的课题 因而 开展预应力锚索抗滑桩的研究具有一 定的现实意义 1 3 预应力锚索抗滑桩结构体系的计算方法研究现状 1 3 1 预应力锚索抗滑桩结构体系理论分析研究现状 普通抗滑桩设计计算的传统理论主要有 塑性变形理论 12 地基系数法 13 和散 体极限平衡理论 14 预应力锚索抗滑桩也是基于普通抗滑桩的传统理论 其力学模式 类似于简支梁或其它超静定结构 然而一旦其结构涉及到超静定问题 无论得到精确 的解析解或数值解都会比较困难 工程实践中往往进行一些简化 前苏联学者金布格 和依申柯 15 提出了控制桩顶水平位移的方法来计算锚索的预应力 开展了预应力锚索 抗滑桩结构的研究工作 王化卿 李传珠 16 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 田景贵 范草原 17 假定土体对桩身的作用力是线弹性的 滑面上的滑坡 推力按均匀分布 预应力作为一集中荷载 桩身 锚索及土体在张拉及整个工作阶段 呈线弹性 滑动面是确定的 按照平面应变问题进行桩 锚索的设计计算 最后指出 了该方法中应该进行进一步研究和完善的一些问题 刘小丽 周德培 杨涛 18 将桩和 锚索按弹性受力进行分析 锚索拉力按弹性支座考虑 考虑了锚索与桩的变形相协调 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 提出将锚索 桩及桩锚固 段周围岩土作为一个整体 根据长期作用荷载来进行锚索预应力值计算的方法 陈占 19 采用分段计算法和地基系数法 根据悬臂梁挠曲变形理论和弹性地基梁理论 计算 预应力锚索抗滑桩锚索与桩变形协调时桩的变形与内力 以控制桩锚固面处变形及改 善桩身内力分布来计算桩径 锚索预应力值及锚索长度 桂树强 20 将双参数法引入到 土抗力模数或地基系数的计算中 并贯穿到整个结构计算中 分别按刚性桩和弹性桩 的物理模式 将锚索视为弹性铰支座 利用抗滑桩和锚索位移变形协调条件 计算出 锚索的设计拉力及桩身的内力分布 周德培 王建松 21 将桩 锚索视为一个整体 锚 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 索与桩的连接处按弹性支承 桩按弹性地基梁计算 按变形协调原理推导出预应力锚 索抗滑桩的内力计算公式 杨佑发 刘光华 22 基于地基系数 m k 法的原理 提出 进行锚索抗滑桩全桩内力计算的有限差分法 其基本原理同悬臂桩法 滑动面以下锚 索桩的内力计算与普通桩完全相同 滑动面以上不同的只是此时的桩顶条件有所不 同 必须考虑锚索拉力的作用 拉力的求法根据悬臂桩中所提供的控制桩顶位移法和 经验法 晏鄂川 23 指出现行桩锚结构变形协调条件是在锚索施加预应力后桩身向坡体 内变形十分微小而忽略不计的条件下推导的 与许多工程实例中桩锚结构的实际受力 状态不一致 对变形协调方程提出改进 改变原有方法中抗滑桩滑面处位移和转角的 计算方法和第j排锚索对桩身i点处位移贡献的计算形式 总的来说 对于锚索拉力一般采用两种方法处理 一种方法是简单地在桩上施加 一固定的锚索拉力 再来计算桩身内力 另一种方法是考虑桩与锚索变形协调 锚索 拉力按弹性支座考虑 第一种方法是不尽合理的 因为桩受滑坡推力后产生变位 锚 索要拉长 锚索拉力增大 相反锚索拉力增大 却要限制桩的变位 因而锚索抗滑桩 的受力过程也是桩与锚索变形协调发展的过程 1 3 2 预应力锚索抗滑桩结构体系试验研究现状 对于普通抗滑桩 国内外学者作了一些试验研究 matsui 等 24 为验证 ito 等 25 提出的作用于抗滑桩上土压力计算公式 在长 60cm 宽 30cm 深 30cm 的钢制模型 箱内进行了一系列模型试验 对于预应力锚索抗滑桩 曾德荣 李霖 26 通过模型试验和现场监测研究 得出 预应力锚索改变了桩的力学模型 使桩由悬臂改变成了 弹性 简支 或一端弹性支 承另一端固定的结构 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 由悬臂桩的三角形分布改变为近似的梯形分布 张玉芳 27 等对深 圳市黄贝岭滑坡治理工程的预应力锚索抗滑桩进行了长期的现场监测 由测试结果分 析得出 锚索拉力随时间的变化可分为三个阶段 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的稳定阶段 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 曾云华 郑明新 28 通过室内预应力锚索抗滑桩的模型试验 得出滑坡推力对抗滑桩的作用大致呈矩形 分布 锚索的预应力作用 使桩前的一部分土体受压 该受压区的c 值增大 从 而增大抗滑力 谢庆华 29 对预应力锚索抗滑桩支挡结构进行现场实验测试 通过测试 研究桩身应力分布图和锚索受力规律 得到预应力锚索抗滑桩的受力特点 在临路侧 桩身应力随桩深深度增加 大致呈抛物线形 表现为受压区 而在背路侧桩身应力是 先增大后减小 桩身应力随时间的增加都是先增加后减小 最后趋于平缓 而锚索拉 力呈迅速减小 缓慢变化和相对稳定三个阶段 蒋宗全 30 对多锚点桩支挡结构进行了 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 现场测试 通过测试锚索应力 抗滑桩内力和变形 得到其受力特征 锚索桩预应力 相比锚索墩 梁 无缓慢损失阶段 并且锚索桩预应力总损失 9 3 要优于锚索梁 17 和锚索墩 23 锚索抗滑桩桩身变形呈 弓形 中间大 两端小 并且 在有锚索处桩的变位有 束腰 异常外 位移量和弯矩减小 李寻昌 31 对锚杆抗滑桩 结构桩侧地层抗力分布形式进行了室内模型试验 结果表明 作用在锚杆抗滑桩上的 滑坡推力主要依靠锚杆的锚拉力和抗滑桩前滑面以下的地层抗力共同来平衡 地层抗 力主要分布在桩前滑面以下部分 这与普通抗滑桩的地层抗力主要分布在桩前一侧的 模式是不同的 并且抗力分布形式与桩的刚度有关 1 3 3 预应力锚索抗滑桩结构体系数值模拟研究现状 国内外对抗滑桩的数值模拟研究较多 唐志成 徐良德 32 采用有限元法进行了抗 滑桩的非线性分析 高永涛 33 等利用 flac 软件进行了抗滑桩的二维模拟 jinoh won 等 34 及 gr martin 等 35 采用 flac 软件进行了抗滑桩的三维模拟 预应力锚索抗滑 桩结构相对于普通抗滑桩复杂 进行数值模拟相对困难 国内外的研究资料较少 张 友良等 36 根据有限元理论和 winkler 假设建立了预应力锚索抗滑桩的力学模型 抗滑 桩桩身一般采取 2 节点 4 自由度梁单元 锚索采用杆单元来模拟 抗滑桩对滑动面以 下桩前土体产生的作用力按弹性地基局部变形理论计算 滑动面以上桩前滑体的抗 力 由极限平稳时的滑坡推力曲线或由桩前被动土压力确定 刘小丽等 37 针对现有预 应力锚索抗滑桩计算中存在的问题 提出了改进计算方法 根据预应力锚索抗滑桩的 实际施工过程和受力条件分阶段计算 特别在第一阶段计算预应力作用下抗滑桩的内 力时考虑了桩后滑面以上岩土体的反力作用 通过算例对现有计算方法和改进计算方 法的计算结果进行分析比较 并通过与抗滑桩实测内力结果的对比 分析结果表明 改进计算方法由于理论上的合理性使其计算结果更接近实测值 这对预应力锚索抗滑 桩在滑坡整治工程中的合理设计具有重要意义 魏宁等 38 根据有限元理论和 winkler 假设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计算模型 计算了 预应力锚索抗滑桩的内力和位移 并对普通抗滑桩和预应力锚索抗滑桩的计算结果进 行了比较 李双洋 39 等抗滑桩采用 2 结点 4 个自由度的平面梁单元 不计轴力 来模 拟 预应力锚索可通过平面铰结杆单元来模拟 推导了桩土相互作用下 用平面梁单 元模拟锚索抗滑桩的单元刚度矩阵 并编写了相应的计算机程序 戴自航等 40 基于地 基系数法原理 采用有限差分法进行预应力锚固抗滑桩的设计计算 包括确定锚索或 锚杆设计拉力 对全桩位移和内力的分析与计算 并对预应力锚固抗滑桩内力计算精 度的影响因素进行了讨论 蒋新龙 郑明新 41 将土体和桩体单元采用四节点四边形单 元 土体与抗滑桩的接触及滑体与滑床之间的滑带或夹层 采用有厚度的 goodman 单元 同时引入 desai 薄层单元的控制嵌入方法 材料遵循 drucker prager 屈服准则 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 应变硬化参数为零 满足相关联的流动法则 编制二维有限元程序对滑坡防治工程中 预应力锚索抗滑桩结构的变形和受力进行分析 计算结果表明 锚固段桩前滑床抗力 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 42 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 4 本文的研究方法 内容 在总结前人研究成果的基础上 本文运用理论分析 数值模拟以及结合实际工程 探讨了预应力锚索抗滑桩的受力特性 具体研究内容为以下几个方面 1 通过分析整个预应力锚索抗滑桩结构体系中岩土体与抗滑桩 岩土体与预应 力锚索 抗滑桩与预应力锚索的相互作用关系 初步确定预应力锚索抗滑桩与土体相 互作用机理 综合分析了预应力锚索抗滑桩的理论 试验和数值模拟研究现状 结合 预应力锚索抗滑桩的实际受力特点 指出现阶段预应力锚索抗滑桩计算模型中存在的 主要问题 2 针对现有力学计算模型假定处理的不足 改进桩锚变形协调条件 考虑桩锚 受力协调以及预应力施加后桩锚共同作用对桩后土体产生的预加固作用 得到改进的 预应力锚索抗滑桩计算模型 3 运用有限元方法模拟预应力锚索抗滑桩和岩土体的相互作用 介绍预应力锚 索抗滑桩结构体系在有限元数值模拟计算中各结构材料采用的本构模型 模型单元的 选择以及桩土接触的处理 建立比较切合实际的有限元计算模型 通过实例对比分析 预应力锚索抗滑桩结构体系在 abaqus 和 flac 有限单元法下的内力分析情况 验 证运用 abaqus 计算的合理性 同时 通过 abaqus 对普通抗滑桩和预应力锚索 抗滑桩结构体系的内力进行对比分析 阐明预应力锚索抗滑桩的优越性 4 运用土体强度折减非线性有限元法模拟预应力锚索抗滑桩的施工过程和边坡 滑动过程 对上述过程中桩 土相互作用进行分析计算 探讨桩 土相互作用的一些规 律 为锚索抗滑桩结构设计 强度校核 稳定性校核提供理论依据 同时提出锚索抗 滑桩计算分析的一种新方法 5 最后 通过单因素变动法来探讨在不同预应力锚索锚固长度 锚固角度 锚 索数 锚固预应力大小 桩身锚固深度等因素下桩 土相互作用的异同 明确预应力 锚索抗滑桩对各个影响因素的敏感程度 为工程中预应力锚索抗滑桩的设计和优化提 供了一些有意义的参考 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 2 预应力锚索抗滑桩的力学计算模型分析 预应力锚索抗滑桩是一种将被动受力的抗滑桩和主动受力的锚索相结合的新型 防治措施 预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩的基础上发展起来的 故在其现有的力 学计算模型中 继承了普通抗滑桩的计算方法 但是 鉴于二者结构上的差别 在计 算方法上又有很大的不同 主要体现在两个方面 一方面 桩 锚 土三者相互作用 共同承担滑坡推力 使得结构更为复杂 另一方面 由于在桩顶施加了锚索预应力使 抗滑桩有向桩后土体运动的趋势 对桩后土体产生挤压和加固 力学性能得到改善 同时也使滑坡推力的分布形式变得更为复杂 本章将从分析预应力锚索抗滑桩结构体 系中岩土体和抗滑桩 岩土体与锚索 抗滑桩与锚索的相互作用 明确预应力锚索抗 滑桩的作用机理出发 探讨预应力锚索抗滑桩的力学计算模型 2 1 预应力锚索抗滑桩作用机理 预应力锚索抗滑桩结构体系由预应力锚索 混凝土抗滑桩以及桩周岩土体构成 其相互作用就涉及到岩土体与抗滑桩 岩土体与预应力锚索 抗滑桩与预应力锚索的 相互作用问题 2 1 1 岩土体与抗滑桩相互作用 抗滑桩加固滑坡是利用其锚固段的地基岩土体的侧向抗力来抵抗滑坡的推力的 属于横向受力桩 其工作原理就是利用抗滑桩将滑坡推力传递到锚固段稳定的地层 中 依靠岩层侧向约束力来平衡外部荷载 从而达到滑坡治理的目的 基于上述抗滑桩支挡结构体系的支挡原理 桩土相互作用主要考虑以下两方面 第一 外荷载的确定 即桩后滑坡推力和桩前抗力作用在桩上的大小及分布形式 第 二 力学计算模型的确定 即用何种贴合实际的力学简化模型来计算桩身的内力 变 形以及桩周岩土体的侧压力 2 1 1 1 桩所承受的外荷载的确定 目前 一般利用土拱理论分析滑坡推力在坡体和桩间的传递 土拱效应的存在最 早于 1943 年在太沙基著名的活动门试验 43 中被证实 太沙基提出土拱效应是土体 在推力作用下 产生不均匀的应力与变形而引起的土中应力的重新自我调整和优化的 结果 土拱效应产生的机理为 44 在抗滑桩施工后 由于开挖的扰动 滑坡体会产生向 下滑的趋势 抗滑桩在抵抗这种下滑趋势的同时也会产生变形 从而使桩间土体由于 受到抗滑桩的阻挡而产生一个向坡体外侧移动的趋势 开挖结束后 桩前岩土体由于 没有有效的支撑 变形会继续增大 鉴于桩端锚固和桩体材料的自身稳定性 抗滑桩 的横向变形将明显小于岩土体 此时 桩后局部岩土体对桩产生挤压 进一步导致岩 土体内部受压不均匀 在抗滑桩间距内的岩土体会失去桩的支撑作用而产生不同程度 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 上向下剥落 其中离桩体越远处剥落愈多 这样坡体产生的滑坡推力并不是直接作用 在桩上 而是通过桩间没有剥落的岩土体形成的土拱传递到桩 这样就形成了土拱效 应 6 如图 2 1 即为桩间土拱效应示意图 其中 桩间距内的两桩即为土拱的两个 拱脚 土拱效应的形成有其一定的条件 目前对其传力分析的研究比较多 45 一般认为 土拱效应的形成有三个必要的条件 第一 有保持拱效应的应力状态控制 即滑坡体 在桩间的岩土体有足够的抗滑移和抗压缩强度 第二 桩前滑体稳定性起控制作用 如果桩前岩土体失去稳定 则土拱受力也将失去平衡 第三 桩的绕流阻力需控制在 一定范围 若作用在抗滑桩上的最大滑坡推力超出桩所能承受的最大绕流阻力 则土 拱效应将消失 上述条件也是对桩间距控制的条件 所以 合理的桩间距能获得较好 的土拱效应 提高抗滑桩的抗滑性能 r x f l i 图图 2 1 桩间土拱效应桩间土拱效应 滑坡推力和桩前抗力的分布形式是外荷载的确定的另一个重要方面 二者不同的 分布形式对抗滑桩结构的内力计算有较大的影响 铁路路基支挡结构设计规范 tb10025 2001 指出 滑坡推力分布形式和作用点主要与滑坡体结构和支挡结构物 的受力变形有关 根据不同的滑体性质分为三角形 矩形 抛物线形和梯形等 46 从国内外学者所做的原位实验和模型试验 47 48 总结出以下结论 1 当滑体为粘土 时 滑坡推力分布形式基本上为抛物线 合力的作用点在滑面以上 0 25 1 h 0 33 1 h 1 h 为滑面以上的桩长 处 2 当滑坡体为松散介质 如砂土 时 滑坡推力分布基本为 抛物线分布 合力的作用点在滑面以上 0 35 1 h 0 4 1 h之间 3 当滑坡体为较完整的岩 石时 滑坡推力基本呈矩形分布 合力的作用点在滑裂面以上 0 5 1 h左右 4 当滑坡 体为碎石粘土的堆积层时 滑坡推力近似于梯形分布 合力的作用点在滑面以上 0 35 1 h左右 根据抗滑桩的现场实测资料和模型试验 戴自航 49 针对不同的滑坡岩土类别 总 结出相应的滑坡推力和桩前土抗力的分布函数 如表 2 1 所示 其中e e 分别表示 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 传递至抗滑桩位置处的滑坡推力和桩前土抗力 1 h表示滑裂面以上桩的长度 q zp z 分别表示为滑坡推力和桩前土体抗力沿桩身的分布集度 且假设滑坡推 力的桩前土抗力的合力作用点分别位于桩顶以下 0101 zkhzkh 和处 表表 2 1 滑坡推力和桩前土抗力的分布函数滑坡推力和桩前土抗力的分布函数 郑颖人院士等 50 采用有限元强度折减法 对抗滑桩所承受的滑坡推力大小 桩身 内力以及锚索最优锚固力进行了直接计算 计算图形显示抗滑桩上的水平应力也就是 滑坡推力分布接近抛物线分布或弓形分布 计算结果和现场实测结果比较吻合 而与 传统的假定分布形式有一定的出入 同时 算例表明 当桩后填土为倾斜时 桩前土 压力呈弓形分布 综合上述分析结果 对于普通抗滑桩的滑坡推力和桩前抗力分布形式和合力的作 用点与滑体性质 滑面形状 滑体位移以及桩产生位移后的变形有关 而这些因素中 最主要的是滑体 滑面的岩土性状和桩的受力变形 根据这些因素的不同可将滑坡推 力和桩前抗力分的分布形式分为矩形 三角形 抛物线形 梯形以及倒梯形 对于预 应力锚索抗滑桩 它是在普通抗滑桩的基础上在桩顶施加了有强大预应力的锚索 由 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 此抗滑桩对桩后土体会产生挤压 从而滑坡推力有可能在一定程度上增大 同时 正 是由于这种挤压作用又会使滑体和滑面之间的摩擦作用力增大 从而是滑坡推力有所 减小 因此 这种受力状态的改变也将导致滑坡推力和土抗力在分布形式上有别于普 通抗滑桩 根据对普通抗滑桩滑坡推力和桩前抗力分布形式的研究 考虑预应力锚索 的对整个体系的影响 结合理论和现场监测结果的分析和研究 目前可以初步的确定 预应力锚索抗滑桩上的滑坡推力主要可以简化为矩形 梯形和抛物线三种分布形式 并且以后两种分布形式为主 基本上不会出现普通抗滑桩中的三角形分布形式 而桩 前土体抗力以三角形和梯形两种分布形式为主 2 1 1 2 桩土相互作用的力学计算模型 1 弹性桩与刚性桩的区分 抗滑桩在受滑坡推力后或多或少的会产生一定的变形 也就是桩在岩土体中的相 对位置会发生改变而偏离原来的位置 桩的这种变形可分为两种 一种是桩在岩土体 中的相对位置发生了变化 同时桩的轴线也发生了改变 不再保持为原来的线型 这 种变形形式的桩称为 弹性桩 另一种是桩在岩土体中的相对位置发生改变 而桩 的轴线始终保持为原来的线型 此时桩就像刚体一样只作平面运动 这种变形形式的 桩称为 刚性桩 通常在进行桩的内力计算前 可以通过以下规定判定弹性桩和刚 性桩 13 1 按k法计算 当1 0h 属弹性桩 1 0h 属刚性桩 2 按m法计算 当2 5h 属弹性桩 2 5h 属刚性桩 式中 h为滑动面以下桩长 分别为两种方法下桩的变形系数 单位为 m 1 按下式计算 1 51 4 pp mbkb eiei 2 1 式中 k为k法的地基的弹性系数 3 kn m m为m法的地基系数的比例系数 kn m p b 为桩的计算宽度 e为桩的弹性模量 kpa 为i桩的截面惯性矩 4 m 2 弹性桩的力学模型 由于抗滑桩主要为横向受力桩 竖向位移小 因此在这里仅考虑桩身所受水平方 向的地基反力 而忽略桩身竖向摩阻力 假定桩后滑坡推力分布荷载用 p y 表示 其为深度y的函数 桩身土体抗力用 q x y表示 其为深度y和桩身该点的水平位移 x的函数 桩身及桩单元受力分析如图 2 2 所示 图 2 2 即为弹性桩受力示意图 图 2 3 所示为坐标系及与材料力学一致的内力 变位的正方向 根据材料力学知识可得 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 桩身各物理量 截面转角 弯矩m 剪力q及挠曲微分方程如下关系式 dx dy 2 2 2 2 d x mei dy 2 3 3 3 dmd x qei dydy 2 4 4 4 d x p yq x yei dy 2 5 图图 2 2 弹性桩受力示意图弹性桩受力示意图 图图 2 3 变形和内力正方向图变形和内力正方向图 目前桩土相互作用的力学模型中应用比较广泛的是取基于线弹性winkler地基梁 模型的线弹性地基反力法的力学计算模型 线弹性地基反力法假定桩身始终处于弹性 状态并服从虎克定律 桩的位移与桩的长度比较很微小且服从力的叠加原理 此时 土体抗力集度表示为 xbkyxq p 2 6 式中 k 土的抗力模数 即桩的某处使土发生单位位移时 土作用在该处单位面积 上的抗力 3 kn m p b 桩的计算宽度 对矩形桩 p bbl b为桩的实际宽度 对圆形桩 0 9 p bdl d为桩的实际桩径 目前对土的抗力模数k常采用以下三种假设 1 地基系数为常数 不随深度变化 的k法 适用于较完整的硬质岩层 未扰 动的硬粘土或性质相近的半岩质地层 2 地基系数随深度呈直线性变化的 m 法 kmy 适用于一半硬塑一半坚硬的 砂粘土 碎石土和风化破碎成土状的软质岩层 以及密实度随深度增加而增加的地层 3 地基系数随覆盖土层深度的增加而增加 但到一定深度后就不再增加 即采 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 用 k 法和 m 法的混合法计算 根据对桩前滑体所产生的作用看法不同 又可分为悬臂梁法和地基系数法 桩身 与土相互作用的力学模型建立后 根据桩顶 桩底的边界条件就可求解桩身内力和变 位 桩顶一般是自由的 即弯矩和剪力为零 桩底支承条件一般根据桩身周围岩土体 条件和锚固深度的不同 分别采用自由支承 铰支承和固定支承三种形式 3 刚性桩的力学模型 刚性桩在岩土体中的相对位置发生改变时桩的轴线始终保持为原来的线型 不考 虑桩身的挠曲变形 桩就像刚体一样只作平面运动 由于桩身的直线转动 且锚固段 一般考虑为自由端情况 故刚性桩的计算比较简单 桩土之间的相互作用考虑为线弹 性地基反力法 土抗力集度 q x y的计算和弹性桩的做法一致 即采用公式 2 6 计算 地基系数k的取值参考经验值 可查公路 铁路 桥梁相关规范手册 桩土力学模型建立后 取抗滑桩为分离体 建立静力平衡方程 即可求解桩身的 转角 和桩身的零位移点的深度 0 y 继而根据悬臂梁的力学模式建立静力平衡方程 求出桩身内力和变形 2 1 2 岩土体与锚索相互作用 锚索体系是一种新型而且很有效的锚固技术 它主要是通过锚固段胶结体和锚固 段的锚索之间的粘结力 外锚头的固定作用 胶结体自身的承载力以及周围岩体和胶 结体之间的粘结力 最终通过锚索将拉力传递到被加固的岩土体上 由此可见 预锚 体系是一个不可分割的 共同工作的整体 如图 2 4 为预应力锚索示意图 它主要由锚头 杆体和锚固体三部分组成 锚头 位于锚固体的外露端 通过它实现对锚索施加预应力 并最终将锚固力传递给锚固端 的岩土体 起到对滑体的加固作用 预应力锚固技术最大的优点就是 能够充分的利 用锚固段岩土体的自身强度和自身承载能力 大大减轻了结构的自重 节省工程材料 故预应力锚索是高效和经济的加固技术 图图 2 4 预应力锚索示意图预应力锚索示意图 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 根据以上预应力锚索加固岩土体的作用机理 预应力锚索体系的破坏形式主要 有 锚索断裂破坏 锚索与胶结体间的结合面破坏 胶结体内部破坏 胶结体与岩体 之间的结合面破坏 被加固岩体发生破坏 滑体滑体 滑床滑床 滑动带滑动带 锚索锚索 f w n pt 图图 2 5 预应力锚索加固边坡示意图预应力锚索加固边坡示意图 如图 2 5 为预应力锚索加固滑体示意图 锚索承载力设计值 t p 设计锚固力 的 确定 51 s i nt a nc o s t f p 2 7 式中 t p 锚索设计锚固力 f 滑坡推力设计值 锚索与滑面相交处滑面倾角 15 30 锚索与水平面夹角 锚固角 以下倾角为宜 一般为 设锚索段滑面的内摩擦角 折减系数 0 1与边坡岩性及加固厚度有关 在之间取值 岩性越松散 值越低 式中正负号按锚索下倾时取 上倾时取 设计锚固力 t p应小于容许锚 固力 a p a p查有关规范确定 其中 由预应力设计锚固力 t p所增加的抗滑力增量 f p为 t a n ft nt v ppp 2 8 式中 tntv pp 分别

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