预应力锚索抗滑桩的内力计算研究及工程应用优秀毕业论文.pdf

分类号tu3密级 u d c 硕 士 学 位 论 文 预应力锚索抗滑桩的内力计算研究及 工程应用 学 位 申 请 人 万诚 学科专业 结构工程 指导教师 王志俭副教授 王民教授 二 一二年五月 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in engineering calculation of internal forces and application in engineering of the anti slide pile with prestress anchor graduate student wan cheng major structure engineering supervisor associate prof wang zhijian china three gorges university yichang 443002 p r china may 2012 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 i 三峡大学硕士论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士论文 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 硕士论文作者签名 日期 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 ii 内内 容容 摘摘 要要 预应力锚索抗滑桩是一种常用的抗滑支档结构 在滑坡治理工程中运用广泛 它和其它的普通抗滑桩相比 受力状态更为合理 并且可以进行主动加固 同时在 控制桩身的位移方面更为有效 但是它的理论研究却大大落后于工程上的应用 其 内力计算方法和设计方法均不成熟 因此 对预应力锚索抗滑桩的内力计算方法的 研究和结构优化研究具有重要应用价值和工程意义 本文对预应力锚索抗滑桩的内力计算进行研究 在确定桩的力学计算模型后 再对预应力锚索抗滑桩的预应力大小进行求解 预应力锚索抗滑桩受力情况比较复 杂 在张拉阶段 运营阶段锚索和抗滑桩所受的内力均在变化 通过对预应力锚索 抗滑桩的受力分析 得出锚索设计预应力的设计值 采用 flac 3d 软件对预应力锚 索抗滑桩的结构受力进行模拟 研究了锚索预应力大小 作用位置得出锚索的最优 作用点数目 最后在研究桩的锚固深度时 发现与稳定地层的强度 滑坡推力 桩 的刚度 桩的截面和间距 以及和是否考虑桩前滑体的抗力等因素有关 通过求解 桩的横向容许承载力最终确定桩的最优嵌固深度 通过研究 得出结果如下 1 运用预应力锚索抗滑桩实际受力分为两个阶段的结论 即第一个阶段是抗滑 桩施工完毕后至预应力锚索张拉到设计值的阶段 第二阶段为锚索张拉完成后滑坡 推力开始对抗滑桩作用的阶段 最终总结出合理的计算模型 同时运用变形协调原 理 给出了合理的锚索预应力值 2 用 flac 3d 对预应力锚索抗滑桩进行计算 得出预应力锚索抗滑桩在不同预 应力大小和不同锚索的锚固位置时的桩身弯矩值 证明预应力锚索的预应力大小和 锚索的锚固位置对预应力锚索抗滑桩的影响是十分明显的 通过求 m 值 即锚索拉 力水平分力与桩需抵抗滑坡水平推力的比值 算出 16 种 m 值情况下的桩身弯矩 并分别进行单桩综合造价比较 确定了 m 的最佳取值范围 3 在通过求解横向容许承载力在确定桩的最优嵌固深度时 得出用极限平衡法 所解出的嵌固深度稍小于真实值 而弹性楔体法所得嵌固深度则稍大于真实值 从 安全方面考虑 在确定嵌固深度时使用弹性楔体法 关关键键词词 预预应应力力锚锚索索抗抗滑滑桩桩嵌嵌固固深深度度 横横向向容容许许承承载载力力弹弹性性楔楔体体法法 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 iii abstract prestress anchored anti slide pile is a new type of sliding a file structure the landslide was widely used in engineering it and ordinary than anti slide pile stress state is more rational in control of pile body displacement and stress distribution on a more effective but it is greatly the study of the theory of the behind of engineering application and lack of specific regulations in the practical engineering design units are generally formulated according to own the calculation method and practical experience to carry out the design of the summary this will cause major engineering investment and material enormous waste therefore the prestress anchored anti slide pile of internal force calculation method of research and structure optimization is very necessary based on the related theory of prestress anchored anti slide pile in determining the pile after mechanics calculation model and then the prestress anchored anti slide pile prestressed size by prestress anchored anti slide pile stress the situation is more complex in tension stage operation stage anchor cable and by the internal force are anti slide pile in change through to the prestress anchored anti slide pile force analysis design of prestressed anchor cable that design value and then the flac 3d software to the prestress anchored anti slide pile structure is simulated stress it is concluded that the role of anchor the optimization method the last of the pile in the anchorage depth and found that the strength of the strata and stability and the stiffness of pile the landslide thrust of the pile the cross section and spacing and whether and how to consider before sliding resistance pile body related to such factors anchor a shallow poor stability anchor is too deep construction difficulties and deep to achieve a certain depth of pile provides the sliding resistance will no longer increases the design of pile is not economic through solving the pile bearing capacity of the transverse allow pile the size and two former resistance finally determined the different aspects of the optimal embedded solid depth through the study the results are as follows 1 prestress anchored anti slide pile actual bearing is divided into two stages the first stage is the anti slide pile after the completion of the construction of prestressed anchor to tension to the design of the values of the stage the second stage for anchor cable tension after the completion of the thrusting force began to the stage effect anti slide pile combining with the two stages and sum up the reasonable calculation model at the same time using deformation coordination principle given the reasonable prestress value 2 by flac 3 d prestress anchored anti slide pile are calculated prestress anchored 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 iv anti slide pile in different size and different prestressed anchor position when the value of the pile body bending moment proof of prestressed anchor prestress size and anchor position to the influence of prestress anchored anti slide pile is quite clear through the o m value namely the anchor cable tension level component and pile resistance level to the ratio of the landslide thrust work out of 16 m value of pile body bending moment and the single pile are comprehensive cost comparison determined the best value range of m 3 in the solution of optimal embedded depth of solid it is concluded that the bearing capacity of foundation horizontal allow method of the embedded depth of solid solution for the practical the lower limit of depth and flexible wedge body method embedded depth is fixed income real depth limit from safety into consideration determine the embedded depth in solid when using the elastic wedge body method key words the anti slide pile with prestress anchorthe built in depthtorizontal allow bearing capacity the method of elastic wedge 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 目 录 引 言 1 1 绪论 2 1 1预应力锚索抗滑桩研究的意义 2 1 2预应力锚索抗滑桩的研究现状 4 1 3本文主要研究内容 6 1 4研究思路及技术路线 7 2 预应力锚索抗滑桩的内力计算方法 9 2 1 概述 9 2 2 计算的基本假定 9 2 3预应力锚索抗滑桩计算的力学模型的确定 9 2 4锚索预应力值的计算 11 2 5桩身内力计算 14 3 预应力锚索对抗滑桩内力的影响 20 3 1 前言 20 3 2基于 flac3d的锚索结构计算 20 3 3预应力锚索的的位置对桩身弯矩的影响 22 3 4预应力锚索的预应力大小对桩身弯矩的影响 25 3 5结论 32 4 预应力锚索抗滑桩的嵌固深度研究 33 4 1前言 33 4 2地基的地基横向容许承载力 33 4 3算例 43 4 4结论 44 5 预应力锚索抗滑桩的工程计算实例 45 5 1工程概况 45 5 2滑坡的基础资料 45 5 3安全系数和滑坡推力计算 46 5 4预应力锚拉抗滑桩设计 49 5 5结论 54 6 结论与展望 55 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 6 1结论 55 6 2展望 55 参 考 文 献 56 后记 60 附录 61 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 1 引 言 滑坡是一种影响很大的自然灾害 随着人类社会的进步 人们对抗自然灾害的 能力在不断提升 人们运用抗滑桩来治理滑坡的例子就有很多 尤其是近些年在治 理大中型滑坡上 抗滑桩的运用极为广泛 而预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩基 础上发展起来的一种新型抗滑结构 它是在普通抗滑桩的基础上 增加了预应力锚 索的结构设置 相对于普通抗滑桩 预应力锚索抗滑桩改变了传统的悬臂梁受力模 式 大大减小了桩身的内力 嵌固深度和桩的横截面积 降低了造价 有着十分明 显的经济效益 改变了受力机制 传统抗滑桩是被动式的 只有在滑体发生位移 后 滑坡推力作用在桩上 使桩产生抵抗力矩时才能阻止滑坡体的进一步滑动 而 预应力锚索抗滑桩则为主动式受力结构 预先通过锚索给滑体施加了一个预应力提 高了滑体的稳定性 起到了优化结构 节省材料的作用 但是预应力锚索抗滑桩的 设计规范缺乏 人们一般是按照工程经验来进行设计 因此尽管优于普通抗滑桩 但是并没有做到最佳的优化 还是在设计的时候非常保守 往往桩身设计过宽 埋 深过深 依然造成了材料的浪费 本文首先从预应力锚索抗滑桩的内力计算研究出 发 得出预应力锚索抗滑桩的基本力学模型 运用变形协调原理来求解锚索的预应 力 然后运用桩前抗力不能大于桩前横向容许应力的原理来求解装的最小嵌固深 度 最后将所研究的内容投入到工程实例中进行验证 证明对预应力锚索抗滑桩的 研究还是很有意义的 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 预应力锚索抗滑桩研究的意义 滑坡这种地质灾害每年都造成极大的危害 它是指斜坡上的土体或者岩体 受 河流冲刷 地下水活动 地震及人工切坡等因素影响 在重力作用下 沿着一定的 软弱面或者软弱带 整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象 1 7 滑坡给人民群 众的生活和生命安全造成了巨大的危害 我国滑坡分布区域广泛 特别是 2008 年三 峡水库蓄水运行后的地质灾害明显增多 首先 三峡水库蓄水到 175 米后 每年水 位还在 145 米至 175 米之间上下波动 30 米左右 对库岸稳定产生影响 其次 全世 界很少有人口密度如此高的大型库区 三峡库区包括移民就地后靠人口 加上原有 人口已接近千万 而三峡库区的沿江城市也和全国一样 城市化发展进程加快 人 口增长速度也很快 已经突破了开工建设时拟定的中 长远发展规划目标 那么对 滑坡的治理力度不断加大 所以为了有效地治理滑坡 采取合适的防护措施是非常 有必要的 因此关于滑坡的防治和研究一直以来都没有间断过 国内外岩土工程界 投入了大量的人力物力对滑坡防治方面进行研究 8 获得了很多有意义的成果 并 且都成功运用于工程实践当中 9 12 其中抗滑支挡结构的发展十分迅速 包括挡土墙 抗滑桩 预应力锚索等 4 我国在滑坡治理方面使用的抗滑桩数量很多 充分说明抗滑结构用于支挡加固边坡 和治理滑坡的有效性 抗滑桩已经发展成为一种成熟的滑坡治理工程技术 借助于 桩身的受力段以及桩背土体与桩两侧的摩阻力形成土拱效应以稳定滑体 它的作用 机理是利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力通过抗滑桩传递给下部稳定 岩土体中 从而稳定和平衡坡体 达到治理滑坡的目的 13 抗滑桩相对于其它加固 设施的主要优点是 1 采用混凝土或钢筋混凝土进行支护 相对于一般的木质结构和砌体结构更加 安全 2 在滑坡推力大 滑动面深的情况下 能够克服抗滑挡墙等结构难以克服的困 难 3 抗滑桩可以设置在滑坡体最有利于抗滑的部位 可以进行集中布置以抵抗整 个滑体 或分级布置以支撑各级滑体 4 通过开挖桩孔 进行岩体采样 直接校核地质情况 进而检验和修改原设 计 使之更加切合实际 发现问题可以进行及时补救 5 可以沿桩身根据弯矩大小合理布置钢筋 合理进行变径 因此在相同条件 下 比其它抗滑支挡结构要经济 可以间隔的同时施工 工作面多 施工不易恶化 滑坡状态 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 3 从上面可以看出普通抗滑桩的很多优点 但是由于结构本身的原因 桩需嵌入 地层足够的深度 从而保证桩前有足够的被动土压力 这不仅增加了施工的难度 而且还增加工程造价 抗滑桩是一种悬臂结构 14 这种结构很容易在桩身锚固端形 成极大的弯矩峰值 它对于中小型滑坡 滑坡推力小于 2000kn m 时 具有良好的 技术经济指标 当滑体较厚 滑坡推力较大时 抗滑桩的断面尺寸以及埋深增大 存在工程造价高的缺点 因此预应力锚索抗滑桩是在普通抗滑桩基础上发展出来的 一种新的抗滑结构 它很好的弥补了普通抗滑桩的很多缺点 预应力锚索抗滑桩是 在普通抗滑桩的桩顶或桩身一定位置设置一排或多排预 应力锚索 14 组成的桩 锚支挡体系共同阻挡滑坡的下滑 其结构形式如图 1 1 图图 1 1 预预应应力力锚锚索索抗抗滑滑桩桩示示意意图图 相对于普通抗滑桩 预应力锚索抗滑桩改变了传统的悬臂梁受力模式 大大减 小了桩身的内力 嵌固深度和桩的横截面积 降低了造价 有着十分明显的经济效 益 改变了受力机制 传统抗滑桩是被动式的 只有在滑体发生位移后 滑坡推力 作用在桩上 使桩产生抵抗力矩时才能阻止滑坡体的进一步滑动 而预应力锚索抗 滑桩则为主动式受力结构 15 20 预先通过锚索给滑体施加了一个预应力提高了滑体 的稳定性 如何使预应力锚索抗滑结构更加科学合理 是一直在研究的问题 由于预应力 锚索抗滑桩设计方法还不成熟 为确保安全 工程中通常偏于保守 造成了资源的 浪费 因此结构设计优化 是预应力锚索抗滑桩研究的重要内容 锚索抗滑桩虽然 已被应用于滑坡整治工程 但其设计理论的研究却远落后于其实际工程应用 在现 行国家标准或行业规范里对预应力锚索抗滑桩的设计计算方法还没有做出具体的规 定和说明 目前在工程实践中 通常把预应力锚索作为作用在抗滑桩上的已知荷载 进行简化设计 21 26 其中关于预应力锚索抗滑桩锚索的数量 锚固位置 嵌固深度 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 4 等重要的设计参数一般根据工程经验选取 由于缺乏理论依据 尽管设计时偏于保 守 仍可能出现一些安全事故 所以 对预应力锚索抗滑桩内力计算研究是十分必 要 本文就此问题进行探讨 1 2 预应力锚索抗滑桩的研究现状 1 2 1 发展及应用现状 采用抗滑桩来治理滑坡 国外从 20世纪 30年代就开始了 而国内始于 20世纪 50 年代 我国最早应用抗滑桩是五十年代修建成的宝成铁路 1965 在川黔线楚米铺 堆积层滑坡采用沉井及打入式管桩 不易打入基岩 1966 年成昆线铁路沙北 1 号滑 坡及甘洛车站 2 号滑坡中首次采用钢筋混凝土挖孔桩来加固稳定大型 复杂的甘洛 2 号 沙北 1号滑坡 同时建立了一套相应的设计 计算方法 甘洛 2号 沙北 1号 滑坡是采用桩 墙结合 上锚下挡 整治滑坡 全面考虑了构件的抗弯 抗剪等作用 的 设在滑坡中部的抗滑桩 承受很大一部分推力 为滑坡治理提供了一种切实可 行的新手段 与原来制定的框架明洞方案 抗滑挡土墙方案相比较 既利于施工 又节省用料 充分显示了抗滑桩在多方面的优越性 深受现场欢迎 80 年代后 锚索技术的发展促使锚索抗滑桩的诞生 它是在抗滑桩的顶部增加 锚索 提供了拉力 使原来的普通抗滑桩的受力状态得到改变 增强了受力的合理 性 国内早起的研究是一科学研究院西北研究所等铁路部门的研究机构为代表 在 铁路中将这一技术最早应用和推广 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 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 1 2 2预应力锚索抗滑桩的计算方法研究 普通抗滑桩设计计算的传统理论主要有 塑性变形理论 25 地基系数法 26 和散体 极限平衡理论 27 预应力锚索桩也是基于普通抗滑桩的传统理论 其力学模式类似 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 5 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 预应力锚索抗滑桩 的结构计算一般包括两部分 锚索设计拉力计算及抗滑桩的桩身内力计算 滑面以 上受荷段一般按静力结构计算 滑面以下的锚固段按弹性地基梁设计 预应力锚索 桩所承受的荷载通常是采用传递系数法对滑坡体进行分析后得到抗滑桩所在位置的 剩余推力 该推力就成为抗滑桩的设计荷载 按桩 中一中 的滑体推力进行计 算 可依据具体情况将其简化为三角形 矩形或梯形分布荷载作用于滑面以上的桩 体上 不考虑桩与周围岩土的相互作用以及桩底反力作用 滑动面位置在整个工作 过程中不会改变 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 28 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 田景贵 范草原 29 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 陈占 31 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 32 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 33 将桩 锚索视为一个整体 锚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桩的内力计算公式 杨佑发 刘光 华 34 基于地基系数 m 一 k 法的原理 34 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 综上所述 预应力锚索抗滑桩作为一种有效地支挡工程措施已经在地质灾害治 理中得到广泛的应用 然而其设计与计算方法仍然是一个亟待深入研究的课题 还 需进一步对其进行改良 建立合理的力学与数学模型 并最终得到其内力分布的解 析解 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 6 1 2 3 预应力锚索抗滑桩的锚固深度研究 关于嵌固深度的确定在国内外研究甚少 现有文献少见有关论述 目前关于抗 滑桩嵌固深度的分析方法主要是采用工程地质对比法 即通过对现有的实际工程进 行大量调查研究 结合拟设计项目地质条件来确定嵌固深度 抗滑桩设计时 一般 的规定嵌固深度为桩长的 1 2 1 4 35 这种方法在工程实践中证明是比较可靠 但 缺乏理论依据 总的来说关于抗滑桩嵌固深度尤其是锚索抗滑桩的嵌固深度研究还 处于探索阶段 目前 对抗滑桩嵌固深度作过研究和论述的有 铁道部第二勘测设计院 1982 年 编写的 抗滑桩设计与计算 主张悬臂桩嵌固深度主要从控制嵌固段桩周地层的强 度来考虑 即要求桩体传递到滑动面以下地层的侧壁应力不大于桩前岩土体的侧向 抗压强度 对于一般土层或严重风化破碎岩层 抗滑桩在滑坡推力的作用下 桩体 转动位移 桩周岩土体处于极限状态 桩前岩土体产生被动抗力 桩后岩土体产生 主动压力 桩身某点对地层的侧壁压应力不应大于该点被动抗力和主动压力之差 抗滑桩设计与计算 同时还指出 悬臂抗滑桩常用的嵌固深度 对于土质或 软质岩层约为 1 3 1 2 桩长 对于完整 较坚硬的岩层可以采用 1 4 桩长 实用 桩基工程手册 认为 关于抗滑桩的嵌固深度 现有的计算方法出入也较大 一般 认为滑动面以上桩长与嵌固深度大致相等 对土层及软质岩约为桩长的 1 3 1 2 完整 较坚硬岩层约为 1 4 l 3 此外有不少学者通过统计和计算分析发现当抗滑桩的嵌固深度大于最小嵌固深 度以后 再增加嵌固深度则对抗滑桩身位移 剪力以及力矩的影响不大 桩身最大 位移随着嵌固深度的增加其减少量很小 最后趋向于一个定值 也就是说再增加的 嵌固长度对桩的安全以及经济等方面意义不大 成都理工大学郭竞宇对支护桩嵌固深度在优化分析的基础上引入了 破坏概 率 的方法 使可靠度和安全系数有了一个综合分析的量 把以前可靠度的定性分 析向定量分析前进了一步 他在满足抗倾覆 抗隆起 抗滑移的基础上先求解出一 个最小嵌固深度 然后逐步增加支护结构嵌固深度使得整体稳定性破坏概率满足工 程的要求 1 3 本文主要研究内容 本论文针对现阶段预应力锚索抗滑桩研究中的一些不足之处 利用 flac 等有 限差分软件进行受力模拟 并且结合现有的理论在总结前人经验的基础上进行本论 文的研究工作 主要研究内容如下 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 7 1 预应力锚拉抗滑桩的整体受力分析及锚索的结构优化 预应力锚索抗滑桩受 力情况比较复杂 在张拉阶段 运营阶段锚索和抗滑桩所受的内力均在变化 通过 对预应力锚索抗滑桩的受力分析 提出对锚索锚固力 设计预应力以及锚索的作用 点的优化方法 2 桩的锚固深度和地基强度校核 桩的锚固深度 与稳定地层的强度 滑坡推 力 桩的刚度 桩的截面和间距 以及是否和如何考虑桩前滑体的抗力等因素有 关 锚固过浅 稳定性差锚固过深 施工困难 而且桩深达到一定的深度 提供的 抗滑力将不再增大 桩的设计就很不经济 目前工程上多从控制锚固段桩周地层的 强度 即通过地基强度校核来考虑桩的锚固深度 即要求桩的侧壁压应力 不大于 地层的侧向容许抗压强度 以此来控制调整桩的锚固深度 1 4 研究思路及技术路线 本文运用变形协调原理对预应力锚索抗滑桩的受力状态进行分析 得出锚索锚 固力 设计预应力的大小 使用 flac 有限差分软件模拟锚索受力状态 得出锚索 的最优锚固位置及最优锚点数量 根据弹性力学理论得出桩前土体中任一点的位移 和应力后 结合桩身的变形和内力 得出抗滑桩与周围岩土体的相互作用机理 然 后通过求解桩的横向容许承载力 桩前抗力大小两个不同方面最终确定桩的最优嵌 固深度 技术路线如图 1 2所示 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 8 图图 1 2 技技术术路路线线框框图图 预应力锚索抗滑桩的设计 桩的内力计算锚索对抗滑桩内力的影响桩的嵌固深度 锚固位置对桩身弯矩影响 预应力大小对桩身弯矩影响 预应力大小的计算 运用极限平衡法 运用弹性楔体法 桩身内力的计算 结合工程实例 研究结论 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 9 2 预应力锚索抗滑桩的内力计算方法 2 1 概述 预应力锚索抗滑桩和普通抗滑桩是不相同的 它是在抗滑桩基础上加上预应力 锚索而发展起来的一种新型的抗滑支挡结构 塑性变形理论和散体极限平衡理论 地基系数法这几个理论是普通抗滑桩的计算理论 19 预应力锚索抗滑桩在计算上和 普通抗滑桩有相似之处 其计算理论基于前者 由于预应力锚索抗滑桩受力复杂 所以将其结构进行简化 得出简单而有效的力学模型 在对预应力锚索抗滑桩进行 设计计算时 一般分为两个计算方面 即锚索的设计计算和抗滑桩的桩身的设计计 算 第一个方面是指锚索预应力和承载力的计算 而第二个方面则主要指桩的内力 及变形 区别与普通抗滑桩的是 在计算时要把锚索和抗滑桩联系起来 看作一个整 体 22 即在计算过程中 必须要考虑到锚索和桩的协调变形 而不是把他们分开来 计算 2 2 计算的基本假定 预应力锚索抗滑桩的受力和桩前岩土体的情况十分复杂 为了使计算和设计能 够顺利进行 则需要对其结构及相关的计算条件进行基本的假定 其基本假定如 下 1 滑坡滑动面保持不变 抗滑桩所受的滑坡推力按桩 中 中 的推力来计 算 不考虑桩周岩土体的摩擦力影响 2 桩和锚索按照弹性受力来分析 3 要考虑桩和锚索的变形协调 4 假定桩与桩周岩土体结合紧密 保持预应力大小不变 锚索不松弛 2 3 预应力锚索抗滑桩计算的力学模型的确定 2 3 1 抗滑桩通常的计算模型 在现行工程计算中 常常采用 winkler 弹性地基梁理论来计算预应力锚索抗滑 桩 其中根据是否考虑桩与锚索的变形协调分为两种计算方法 方法二合理 所用 使用第二种方法 在运用第二种方法的时候 用一般静力结构计算滑面以上的桩身部分 用 winkler 弹性地基梁来计算滑动面以下桩身部分 但根据实际情况可以得知 预应力 锚索抗滑桩受到预应力锚索作用时 桩后岩土体会对滑动面上部分有力的作用 因 此该视为弹性地基梁 所以这种方法忽略了桩后岩土体对桩的力的作用 仅仅将滑 动面上部桩视为悬臂梁结构来计算 如图 2 2 所以这种方法也存在问题 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 10 图图 2 1 方方法法 2 中中锚锚索索预预应应力力下下的的计计算算模模型型 2 3 2 抗滑桩改进的计算模型 为了使预应力锚索抗滑桩的计算更加符合抗滑桩实际的受力情况 综合前人研 究的成果 30 特提出新的计算模型 分两个阶段对预应力锚索抗滑桩进行计算 在 第 i 个阶段 抗滑桩工程竣工 预应力锚索开始工作 并且张拉到设计值 第 ii 个 阶段是在锚索张拉完毕后 滑坡推力开始对抗滑桩作用的阶段 在 i 阶段中 锚索作为一种主动施力结构 抗滑桩是被动受力的 锚索预应力 可以视为一个已知的集中荷载 所以 锚索预应力对滑面以上桩段作用时 抗滑桩 产生挠曲变形并且使其后岩土体受压 产生对桩有反力作用 因此可将此时的桩视 为弹性地基梁 如图 2 3 所示 此时抗滑桩滑面上下都受到岩土体的作用 则将其 上下都视为弹性地基梁模型 根据此模型可计算出预应力作用下抗滑桩的内力 图图 2 2 第第 i 阶阶段段抗抗滑滑桩桩的的计计算算模模型型 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 11 在 ii 阶段中 锚索已经张拉完毕 并且滑坡推力开始作用到抗滑桩上 通过 上述的研究 先求出锚索拉力下桩后岩土体的应力分布 a 取值为正 再通过实际 资料推算出原有滑坡推力 b 取值为负 将 a 和 b 进行叠加得出 c 那么 c 即为修 正后的滑坡推力 经过修正滑坡推力 得出预应力锚索抗滑桩在第 ii 阶段的力学计 算模型 如图 2 4 图图 2 4 第第二二阶阶段段抗抗滑滑桩桩的的计计算算模模型型 经过上述的修正 通过对第一阶段的受力进行计算 即可得出预应力锚索对桩 后滑坡推力的修正 然后将第二阶段的计算结果与第一阶段的相互叠加 便可最终 得出结构的内力 通过这种方法求解出结构内力后 便可以进行计算 得出桩的内 力和锚索的预应力 2 4 锚索预应力值的计算 本文采用变形协调原理 将桩简化为弹性地基梁模型 并且受横向变形受约 束 其计算简图如下 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 12 图图 2 5 锚锚索索结结构构示示意意图图 根据图 2 5 得出弯矩和剪力的 计算公式 0 1 n jj j mmr l 2 1 n 0 1 j j qqr 2 2 式中m 岩土体对桩的作用力在 o点的弯矩 q 岩土体对桩的作用力在 o点的剪力 n 桩上锚索的数目 rj 锚索拉力在作用点 j 处的拉力 lj j 点距 o点的距离 i 为每根锚索的伸长量 fi是桩在该锚索所在位置的位移 由变形协调的原 理可知 他们是相等的 从而来建立位移的平衡方程 ifi 2 3 00 1 n iiiq j fxlij 2 4 iiio irr 2 5 式中各值为 0 x 0 分别为 o点处抗滑桩的位移和转角 iq 滑坡推力和锚索拉力 j r作用在i点的桩的位移 io r 抗滑桩第 i 根锚索的预应力值 i 抗滑桩第 i 根锚索的柔度系数 其中 i i gs l ne a 2 6 i l 锚索的长度 s a 单根锚索的横截面积 g e 锚索弹性模量 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 13 n 每孔锚索束数 将滑坡推力定义为梯形分布 图 2 5 在滑坡推力作用下 i 点处桩的位移为 i j 第 j 根锚索拉力 j r作用在桩上第 i 点的位移系数 根据结构力学的有关公式计 算得 当 j i 时 3 3 1 23 1 6 jj i j i ll y eil 2 7 当 j i 时 2 3 23 6 jj i j i ll y eil 2 8 根据地基系数法 可以来确定 0 x和 0 00 012 32 qm x eiei 2 9 00 023 32 qm eiei 2 10 式子中 1 2 3 桩无纲量系数 e 桩的弹性模量 i 桩的截面惯性矩 桩变形系数 3122 0000 3232 ii xll ql m eieieiei 2 11 让 12 32 ii al eiei 2 12 32 32 ii bl eiei 2 13 式子 2 11便可以简化为 0000ii xlaqbm 2 14 整理后 将上述代入式 2 3 111 nnn ijijjijjijiiio jjj a qrb mr lrrr 令 ijiijij ab l 2 15 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 14 jiiiqiio caqbmr 2 16 得出 1 n ijjiii j rrc 2 17 通过对 2 17求解 可以得出各排锚索的最终拉力 j r k j d r d 2 18 式中 1111211 2122222 12 jn jn nnnjnnn d mmmm 11121 1 11 1 1 2 1 22 1 2 12 1 1 jjn jjn k nnn jnn jnnn c c d mmmmmm c 2 5 桩身内力计算 2 5 1 弹性桩的内力计算 根据抗滑桩与周围岩土体的相对刚度 可将抗滑桩分为弹性桩和刚性桩 具体 的划分标准如下 按照 k 法计算时 1 0 4 4 kb ei 2 19 2 h 1 0时 为刚性桩 当 2 h 1 0时 为弹性桩 式中 k 地基弹性系数 桩的变形系数 m 1 ei 桩的抗弯刚度 0 b 桩的计算宽度 2 h 滑动面下桩长 按照 m 法计算时 1 05 mb ei 2 20 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 15 2 h 2 5时 为刚性桩 当 2 h 2 5时 为弹性桩 式中 m 地基由高度变形的比例系数 其他符号同上 常规的桩身内力计算方法有很多 根据地基系数的不同有 m1 m2 法 m k 法 c 法 双参数法等 本文主要讨论基于 m1 m2 法的内力计算方法 建立抗滑桩的挠曲线微分方程 4 0121 4 1 d xy eib myxbqb qq dyh 2 21 用等量分段h 1 h为滑动面上桩长 将桩长离散化 见图 2 6 图图 2 6 桩桩身身的的绕绕曲曲线线差差分分示示意意图图 得出任意节点差分方程 21120121 4 1 464 nnnnnn einh xxxxxb mnhxbqb qq hh 2 20 推出 4 05 21121 121 1 4 6 4 nnnnn b mnhbh xxxxxq hqq nh eieih 2 23 假定桩顶的弯矩和剪力为固定值 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 16 则弯矩 2 2 t d x eim dy 110 2 2 t ei xxxm h 2 101 2 t m h xxx ei 2 24 剪力 2112 3 22 2 t ei xxxxq h 3 2112 2 22 t q h xxxx ei 2 25 其中 0 tt mq 令式 2 23 中 n 0 将 2 24 和 2 25 代入 2 23 中 42 1 012 2 2 tt bq hh xxxmq h eiei 2 26 令 2 111 2 1 t m h abc ei 42 1 000 2 1 2 tt bq hh abcmq h eiei 则 2 24 和 2 25 可表示为 1101 11001020 xa xb xcxa xb xc 同理可以写出 12nnnnnn xa xb xc 2 27 11111nnnnnn xaxbxc 2 28 22122nnnnnn xaxbxc 2 29 将 2 28 2 29 代入 2 23 中 整理得 5 0 212121112 46 44 nnnnnnnnnn b mnh aabaxabbxx ei 4 1 1212121 1 4 nnnn bh q hqq nhaccc eih 2 30 上式中 令 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 17 5 0 2121 46 nnnnn b mnh daaba ei 211 44 1 nnnnnnn aabbdbd 4 1 121211 1 4 nnnnn bh cq hqq nhaccd eih 则 2 30 可以写成 2 27 的形式 在滑动面下的桩身挠曲线的微分方程 4 0 4 0 d x eikb x dy 2 31 将桩从上到下分段 h 任意节点处的控制差分方程 21120 4 464 0 nnnnnn ei xxxxxkb hx h 2 32 推出 4 0 2112 4 6 40 nnnnn kb h xxxxx ei 2 33 根据桩底的三种边界条件 即桩底分别为固定端 铰支端 自由端 将其统一 后得出 12nnnnn xa xb x 2 34 1111nnnnn xaxbx 2 35 2212nnnnn xaxbx 2 36 将 2 35 和 2 36 代入 2 33 得 4 0 121221112 46 44 0 iiiiiiiiii kb h a aabxabbxx ei 2 37 令 4 0 1212 46 niiii kb h ca aab ei 211 44 niiin aabbc 1 nn bc 则根据桩的滑动面处位移 弯矩和转角的连续性的条件 综合上述式子 可得 出方程 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 18 11 1 1 2112 2 1 1 2 11 1 1 22 22 22 aa aaaa aaaaaaaa aaaaaa xx xxxx xxxxxxxx xxxxxx 2 38 12 11111 22122 aaaaaa aaaaaa aaaaaa xa xb xc xaxbxc xaxbxc 2 39 1 2 1 1 1 1 2 2 1 2 aaaaa aaaaa aaaaa xa xb x xaxbx xaxbx 2 40 由上式可算出滑动面处和附件的节点的位移 依次迭代出所有节点的位移 节 点的转角可由式子 1 1 2 aa a xx h 2 41 调动 n的值可以得出 a 精确的值 最终得出以下式子 滑动面上 1 11 2 2112 3 2 22 2 nnaa nnnn nnnnn mnh xxhnh ei mxxx h ei qxxxx h 2 42 滑动面下 11 2 2112 3 2 22 2 nn nnnn nnnnn kx ei mxxx h ei qxxxx h 2 43 2 5 2 刚性桩的内力计算 刚性桩同样遵从变形协调原理 由此得出的最终锚索拉力的方程为 1 sec n ijjiiii j rrc 2 44 三三峡峡大大学学硕硕士士学学位位论论文文 19 根据公式 0 1 cos n jj j qqr 和 0 cos n jjj j mmr l 可以得出 0 m 0 q 0 x 的值 在滑动面上的桩身内力的求法与弹性桩是一样的 下面介绍滑动面以下的桩身 内力求法 侧向应力 1 0 n x xxmx 剪力 xox qqe 1 1 0 000 0 12 x s n x xx eb xxmx dxbmx ss 则 1 0 00 12 s xox xx qqeqbmx ss