关于桩锚体系边坡支护结构CAD辅助设计系统的分析与研究

1、关于桩锚体系边坡支护结构CAD辅助设计系统的分析与研究论文导读：桩锚支护结构体系由竖桩(立柱)、锚杆、面板、连梁、压顶组成，目前在设计过程中以手工计算和手工绘图为主，本文以四川地区为背景，主要介绍在Windows系统下用VC+与AutoCAD接口技术，研制桩锚式边坡支护结构CAD系统的方法和技术。通过有限元分析计算，可以得到桩、挡墙(板)上任意一点处的变形、位移、内力以及锚杆所受的水平拉力，为立柱、压顶梁、连续梁、挡板、锚杆设计计算提供了依据。关键词：桩锚体系，有限元分析，CAD系统0.引言滑坡是一种自然地质现象，也是一种山地灾害。当滑动面深度小于5m时，可用抗滑挡墙进行支护。对于坡体厚度在于

2、8m的滑坡，假设采用抗滑挡墙，往往由于挡墙的墙体过大，或场地缺乏，或施工困难等等受到限制。此时可采用桩锚结构体系，它可以在场地内分散布置，分级支挡，不受场地限制，具有对滑坡体破坏小，施工快速平安等优点，已在国内外得到广泛应用。桩锚支护结构体系由竖桩(立柱)、锚杆、面板、连梁、压顶组成，目前在设计过程中以手工计算和手工绘图为主，本文以四川地区为背景，主要介绍在Windows系统下用VC+与AutoCAD接口技术，研制桩锚式边坡支护结构CAD系统的方法和技术。1边坡滑坡下滑力的计算计算滑坡推力时，最通用的方法是：计算滑坡下滑推力时，不管是地下水位以上或地下水位以下部位，均取滑坡体的饱和重度；当为计

3、算滑动面上的摩擦阻力，而计算滑坡滑动面上的正压力时，地下水位以上局部取饱和重度，地下水位以下取浮重度。其计算公式如下：式中第块滑体的剩余下滑力第块滑体的剩余下滑力，当为负值时，按0计算传递系数滑坡推力平安分项系数，对于一级滑坡取1.25，二级滑坡取1.15，三级滑坡取1.05第块滑体的重力第块滑体中地下水的总重力第块滑体在地下水位下的体积水的重度第块滑体上、下两侧的总静水压力第块滑体及第块滑体滑动面的倾角第块滑体的粘聚力和内摩擦角标准值第块滑体滑动面的长度如抗滑桩前沿滑坡体处于稳定状态，宜考虑前沿滑坡体的抗力作用。从坡脚的最后一块算起。(见图一)按传递系数法进行计算2.岩土压力的计算影响桩锚支

4、护体系中桩、挡板侧向压力的因素非常复杂，如岩土力学性质、水文地质环境条件、墙高、支护结构形式、位移方向大小、施工方案、锚杆情况等。同时挡墙、锚杆和地基之间存在着复杂的相互作用，精确计算岩土压力难度很大。本文以四川地区常见的土质边坡与岩体边坡支护为出发点，对土质边坡和碎体岩石边坡采用修正经典土压力理论公式，对块状岩体边坡的侧压力计算采用楔形体破坏模式的极限平衡分析方法。2.1 土质边坡和碎体边坡的岩土侧压力计算按平面滑裂面假定图1，主动土压力合力标准值可按下式计算：式中： 主动土压力合力标准值KN/M； 主动土压力系数；地表均布荷载标准值 (KN/M2 )； 土的内摩擦角 () ；C 土的粘聚力

5、 (KPa)； 填土外表与水平面的夹角()；支挡结构墙背与水平面的夹角()； 土体重度KN/M；挡土墙高度M； 土对挡土墙背的摩擦角()。对于高大边坡，出现发挥主动土压力所需的位移量通常是不允许的，上述土压力理论计算值小于实际土压力值，因此按下式进行修正：修正的土压力标准值(KPa)；土压力增大系数。土压力按库仑或朗肯方法的三角形分布与实际情况出入较大，在保持不变的条件下按图2分布形状进行调整。 ； =H1/H ； =1-； 土压力水平分力强度标准值KPa ； 调整系数，一般取0.20.5；修正土压力水平分力标准值KN。2.2 块状岩体边坡沿优势面交线下滑，优势面倾角不同，摩擦系数和粘聚力不同

6、的条件下，按楔形体极限平衡分析：下滑力抗滑力式中 Q岩体重量 KN 交线倾角()、两组优势面面积 M、两组优势面粘聚力KPa；、两组优势面摩擦系数当时平安；当时，力差值由支护结构承当。3.桩锚式支护结构有限元静力分析3.1 受力平衡方程的建立用有限元方法对抗滑桩挡墙进行内力分析时，首先将其离散化，划分成有限个平行四面体，同时建立直角坐标系，确定单元模型，建立各节点上外力与内力的平衡方程，从而建立了根本未知量和外荷载之间的关系。令抗滑桩挡墙所划分出的各单元的节点，位移为：作用在节点上的荷载为：用K表示总体刚度矩阵，那么平衡方程可表示为：通过有限元分析计算，可以得到桩、挡墙(板)上任意一点处的变形

7、、位移、内力以及锚杆所受的水平拉力，为立柱、压顶梁、连续梁、挡板、锚杆设计计算提供了依据。3.2 锚杆配筋计算式中： 、锚杆水平拉力、轴向拉力标准值，KN。 锚杆倾角建筑边坡重要性系数 锚杆抗拉强度设计值， KPa锚筋抗拉工作系数，永久性锚杆取0.69,临时性锚杆取0.92荷载分项系数按锚固体与地层之间、锚杆钢筋与锚固砂浆间的粘结分别考虑：(1) (2)式中：锚固段长度，m ； 锚固体与地层的粘结工作条件系数 ；钢筋与砂浆间的粘结强度工作条件系数；地层与锚固体的粘结强度特征值，KPa ； 锚固体直径，m；锚筋与砂浆间的锚固长度，m ；钢筋与砂浆间的粘结强度设计值，Kpa。锚杆的锚固段长度取上述

8、二式的最大值，自由段长度按外锚头至潜在滑裂面的长度计算，锚杆总长度为锚固段、自由段和外锚段的长度之和。3.3 桩与挡板配筋计算根据有限元静力分析算得的各控制截面内力如竖桩与锚杆交点处截面的剪力、弯距，跨中弯矩，按钢筋砼正截面受弯和斜截面受剪承载力计算截面配筋：竖桩(立柱)必须插入稳定地层中一定的深度，才能使桩端部满足固端的要求，对岩石地基，桩的埋置深度可按下式计算：式中：竖桩传给根底的力矩，KN-M； 竖桩传给根底水平推力值，KN ；根底侧面的最大应力值，Kpa； 桩埋置深度，m 根底的宽度，m；岩质地基承载力设计值，Kpa； 4.桩锚式支护结构CAD系统的前后处理一个CAD系统的研究过程中，

9、数据前后处理是一个重要的问题，本系统的前处理主要有，结构有限元分析中单元网格的划分，节点与单元自动编号；局部坐标与整体坐标关系的处理，根本原始数据的输入与再编辑。论文参考。在交互式输入阶段，采用界面友好的对话框，设定所需的根本参数，如：边坡的重要性系数、高度、岩土的力学性质及水文地质条件、锚杆的直径、钢筋等级、桩及挡板的砼标号等。在开发中用VC+6.0系统编制交互输入程序，采用表格填表方式进行数据的交互式输入，包括根本的数据表、参数表、钢筋率表都采用弹出菜单方式进行。在系统的后处理中，将有限元分析的结果以数据文件形式存盘并可再编辑，以图形方式直观显示。在计算机绘图之前，将支护结构的构件配筋以图

10、形方式显示并可进行修改。图形程序直接采用VC+屏幕作图方式的语句和命令来完成，以弹出窗口形式显示图形。5.桩锚式支护结构CAD系统程序的研制本系统为边坡支护桩锚式边坡支护结构计算机辅助设计系统。在程序设计中，采用模块化、集成化技术。其功能程序模块包括土压力计算，结构有限元分析，构件强度计算，集成化技术。包括由主菜单界面统一协调前处理、结构有限元分析、后处理、构件设计计算、施工图成图、数据与图形编辑等程序模块等。所有模块工作由主菜单人机交互界面统一调度协调地工作，具有方便、灵活操作的特点。系统设计主要框图见图3。 图3 系统主框图6.施工图成图与计算机绘图在结构CAD软件的开发中，施工图自动成图是一个非常重要的过程。本系统在Windows视窗系统下，采用Visual C+语言与Auto CAD的接口技术来完成计算机对施工图的自动成图,构件设计过程中的结果与整体结构。由C+语言程序完成对Auto CAD的*DXF文件接口数据的写入来到达施工图自动成图。成图以后系统可按要求进入Auto CAD