成都会议2010 基于有限元强度折减法的抗滑桩设计计算新方法

基于有限元强度折减法的抗滑桩设计计算新方法 重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院 教授 郑颖人 介绍几个实用问题 三种安全系数定义1 强度储备安全系数 边坡体的垂直条分和受力分析 2 超载安全系数 破坏时强度比实际强度低几倍 减少抗滑力 3 只增大下滑力不增大抗滑力 表2滑坡推力计算结果 增大下滑力安全系数为传递系数法显示解 国内外常用稳定分析方法的比较与分析 结论 建议采用Morgenstern Price法 Sarma法 Spencer法严格Janbu法常不收敛 一般不采用采用简化Bishop法 用于圆弧滑面 采用不平衡推力法隐式解 用于非圆弧滑面 3 关于不平衡推力法显示解 显示解较隐式解多作了一个假设 令传递系数中安全系数为1 不需迭代计算方便计算安全系数误差较大 有时很大 偏于危险计算滑坡推力偏大 是当前滑坡计算中安全系数低的原因安全系数1 15相当于1 25 1 3结论 不采用显示解 2004年后颁布规范 大部分已修改 滑面形成示意图 三种方法的稳定系数曲线 滑面倾角越大 隐式解与显示解误差增大 计算简图 倾角大于10度作修正修正办法 作圆弧 增加条分 有限元极限分析法经典极限分析法适用工程设计但适应性差有限元法适应性广 但无法算安全系数有限元极限分析法 既适用于工程设计 且适应性广特别适用于岩土工程设计 边 滑 坡 地基 隧道 有限元极限分析法的原理两种安全系数定义强度储备安全系数 边坡体的垂直条分和受力分析 超载安全系数 两种有限元极限分析法 有限元强度折减法不断降低岩土C 值 直到破坏 有限元增量加载法 超载法 不断增加荷载 直到破坏 一 有限元极限分析法在抗滑桩设计中的应用 抗滑桩的优点 抗滑能力强 施工方便 桩位灵活 费用较低抗滑桩设计中存在的问题 1 无法计算桩前抗力 假设为0或剩余抗滑力 2 无法计算推力分布规律3 不能进行桩长设计4 不能计算埋入式抗滑桩的推力与抗力5 不能计算多排抗滑桩与抗滑桩间距6 不能对锚拉桩 斜撑桩进行优化 1 滑坡推力与桩前抗力的计算 重庆市奉节县内分界梁隧道出口处滑坡 断面 抗滑桩的截面尺寸为2 4m 3 6m 表1材料物理力学参数 采用实体单元模拟或梁单元模拟桩 表2不同方法的滑坡推力与桩前抗力 1 三种算法 滑坡推力基本一致 2 实体单元法与梁单元法抗力与实际推力相近 不平衡推力法相差大 3 推荐采用实体单元法 桩前抗力与桩变形有关 与桩刚度有关 刚度对抗力有较大影响 表3抗滑桩不同截面尺寸时的桩前抗力 表4抗滑桩不同弹性模量时的桩前抗力 2推力与抗力的分布规律 计算机可显示滑面以上桩后推力与桩前抗力的水平应力分布 图5推力分布图6抗力分布 3抗滑桩合理桩长的确定桩长设计存在的问题 1 桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定 2 桩长延伸到地面是否必要会不会造成浪费 桩长与滑面的关系 边坡示意图 算例 用有限元强度折减法滑坡体的安全系数1 02 极限平衡法算得滑坡体安全系数1 04 桩位于公路下方 桩长与滑坡体滑动面位置的关系 桩长变化与滑动面的位置 桩位于公路下方 桩长7 11m时 滑面通过桩顶沿剪出口滑出 不同桩长下滑面位置 桩位于公路下方 桩长13m时 出现两处滑动面 一处沿桩顶滑出 另一处沿公路内侧滑出桩长15m时 滑动面位置与桩长为13m时相同 桩增长至坡面时 滑动面的位置仍与13m时相同 桩长变化与滑动面的位置 桩位于公路上方 桩长为7 9m时 滑动面通过桩顶并经剪出口滑出 桩长为11 13 15 17m时形成次级滑动面 沿次级滑动面在公路内侧滑出 桩长大于17m直至地面时 滑动面沿桩顶滑出随桩长增长 滑动面逐渐上移 2 3桩的长度与滑坡体安全系数的相互关系 桩长与稳定安全系数有关 桩长变短 滑动面不断下移 稳定安全系数逐渐降低 当稳定安全系数低于设计中规定的安全系数时 桩的安全储备不足 当桩长缩短 使桩的稳定安全系数达到设计规定安全系数 即为沉埋桩的合理桩长 桩长 桩的位置与边坡安全系数之间的关系 桩长 桩的位置与边坡安全系数之间的关系 4埋入式抗滑桩滑坡推力与抗力计算 抗滑桩在同一安全系数下 桩长缩短 桩身抗滑段所受滑坡推力比全长桩低 桩顶滑体自身可承担一部分滑坡推力 桩长与内力关系 桩身剪力 桩身弯矩 埋入桩桩体的锚固段的剪力比全长桩的剪力降低 锚固段的最大剪力为全长桩的51 9 埋入桩的弯距比全长桩降低的幅度较大 桩的最大弯距只是全长桩的48 8 模型尺寸 3 5 2 8 2 02米模型桩长 2 2米 1 8米 1 5米 1 2米 抗滑桩室内模型试验 模型计算与数值计算比较 当试验加载到某一荷载时 计算结果与试验结果同时发生破坏 试验获得的破坏面与计算获得的破坏面相同 沉埋桩顶上土体所受推力 试验与计算基本相同 沉埋桩所受的推力 试验与计算基本相同 推力分布也相同 沉埋桩所受的桩前抗力 试验与计算基本相同 抗力分布也相同 云阳分界梁隧道出口段滑坡1 工程概况两条隧道通过滑坡地段 平面布置图 合理桩长的确定 断 地质剖面图 有限元模型 隧洞开挖考虑隧洞顶上6米 两侧各3米土体松动 强度下降 可见桩长为24m时滑坡的稳定性已经达到了设计安全系数的要求 合理桩长下滑动面位置滑动面位于隧道上方 桩上推力计算与推力分布 这一推力已以考虑了桩前抗力 是桩后推力与桩前抗力之差 桩长为24m时的推力分布近似为矩形 桩内力的计算 4 结论 埋入式抗滑桩与全长抗滑桩的比较比值桩长缩短22m47 8 推力减少725K m 84 弯矩减少123400KN m64 桩体积减少 估算 490m370 已应用于云阳 武隆 奉节 石柱四个工地 投资额2 5亿 本工程埋入式抗滑桩与全长抗滑桩的比较比值桩长缩短22m47 8 推力减少725K m16 弯矩减少123400KN m36 桩体积减少 估算 450m365 验证支挡结构上所受的推力 用有限元法确定桩的推力分布 计算桩的弯矩 剪力等内力 对桩锚结构内力进行优化 5抗滑桩内力计算及优化设计 崇遵高速公路高工天滑坡稳定性分析 采用抗滑桩加预应力锚索支挡措施 两排锚索 每排3根 锚索锚固力800kN 岩土体采用8节点平面单元 抗滑桩用梁单元BEAM3单元模拟 计算采用的力学参数 预应力锚索通过施加集中力的方法来模拟 两个节点上施加一对相向的集中力 设计锚固力 开挖前的计算结果 安全系数1 08 滑动面如下 开挖后不支挡时安全系数为0 63 滑动面如下图 滑坡推力大小 在滑坡的坡脚上方 坡高三分之一处 施加一个水平力 然后计算滑坡的稳定性 如果此时的安全系数刚好为1 0 说明此时施加的水平力刚好等于滑坡水平推力 用边坡稳定分析条分法计算滑坡推力 抗滑桩水平推力分布 有限元 常规假定 三角形 矩形 梯形 抗滑桩弯矩和剪力没有施加锚固力时抗滑桩的最大弯矩为48100kN m 最大剪力6560kN 只设置抗滑桩时桩的弯矩分布 只设置抗滑桩时桩的剪力分布 设置预应力锚索后的桩的最大弯矩 11900kN m 最大剪力2650kN 只设置抗滑桩时桩的弯矩分布 设置预应力锚索后桩的剪力分布 不同方法计算结果比较 传统方法中采用不同的滑坡推力分布 计算结果有很大的差别 锚固力优化不同锚固力时桩的内力 不同锚固力时桩的弯矩分布 支挡后的滑动面及其安全系数强度折减系数为1 39 1 2 不会越顶 用于元磨高速 渝黔高速 福宁高速三条高速 六个工点 攀枝花机场13 滑坡成因 重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院 教授 郑颖人 图3 112 滑坡全貌图 2008年十月三日 攀枝花机场东侧北端入口约800米位置 滑坡后缘陡坎距跑道轴线75米 滑前100米 滑体前后缘长达600米 南北宽约400米 厚度40米 总方量500万立方 滑面为粉质粘土和风化 软化泥岩 图3 2滑坡分区图 区滑坡南侧排水沟被滑体掩覆 填筑体高边坡变形带张拉裂缝 图3 6滑前边坡地质剖面图 一根抗滑桩 三根抗滑键承受5000KN m截面3x2 5m 1是滑坡的基本原因是由于滑面处于泥岩上 一是泥岩上原有滑带土 粉质粘土 未全部清除 二是填土下长期泡水 碳质泥岩软化 强度逐渐丧失 三是使桩与抗滑键埋入段 碳质泥岩软化 逐渐失效 使桩与抗滑键完全倾倒或折断 桩前两根抗滑键 滑坡后未探到桩体 表明抗滑键倾倒后一起滑走 第三根抗滑桩 滑坡后探到桩体 表明桩折断 滑坡成因分析 2坡体填土下部有滞水 泥岩渗透性差 水积在上部 使滑面和泥岩软化 3地震与降水的影响 滑坡后缘填土沉降现象明显 起始于2008 8 30日 该地区发生6 1地震后 场站工作人员发现坡口部分填土约有20公分的下沉 使填土与桩埋入段有所损伤 雨季雨水渗入填土裂隙 降低强度 增加静水与动水压力 P140 160高填筑体监测点位移量变化趋势图 由监测报告 6月20日滑坡进入加速变形阶段 8月15日起加速变形进一步加剧 进入临滑段 9月24日后未监测