抗滑桩支护效果分析与工程应用

重庆大学硕士学位论文抗滑桩支护效果分析与工程应用姓名：吴剑申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：万玲2010-05中文摘要I摘要我国是一个地质灾害发生频繁的国家，尤其西部地区，山高坡陡，在诸多地质灾害中，滑坡灾害发生的频率昀高，造成的损失昀为严重。随着国民经济的快速发展，我国进行的铁路、公路、采矿、水利等土木工程建设，往往会对地质环境造成破坏，诱发滑坡灾害的产生。为此，国家每年投入了大量资金用于滑坡灾害防治。在诸多滑坡灾害防治措施中，由于抗滑桩具有抗滑效果好、桩位设置灵活等优点被广泛地应用于滑坡治理工程中。但抗滑桩与滑体之间是个相互作用的复杂系统，目前，关于抗滑桩的抗滑机理、桩土之间的作用特性等问题还未很好地解决，使得抗滑桩的设计基本采用经验法或工程类比法，这样不仅造成工程造价高，而且工程的可靠性也没有保障。为此，本文以滑坡防治中的抗滑桩为研究对象，从工程力学的角度，采用理论分析、模型实验和数值模拟的方法，针对抗滑桩抗滑效果、双排桩与土体之间的相互作用以及抗滑桩设计中的一些问题进行了研究与探讨，为更好地将抗滑桩应用于滑坡防治提供理论基础和技术支撑，为建设平安和谐社会服务。本文的主要内容与取得的创新性成果如下：①利用底摩擦试验，分别研究了单排桩与双排桩的抗滑效果。并分析了双排桩桩排距的变化对滑坡推力分配以及抗滑效果的影响。结果表明：双排桩的抗滑效果比单排桩好，但双排桩桩排距不宜过大；后桩承担的滑坡推力要比前桩大，随着桩距的减小，后桩所承担的滑坡推力也随之减小。②根据设计规范中推荐的不平衡滑坡推力传递系数法，针对目前抗滑桩设计中存在的不足，提出了一种新的简便有效的抗滑桩受力计算方法，即矩阵数组法。该方法不仅比目前使用的方法更加科学，而且可应用于多排抗滑桩的设计计算。通过三峡库区一边坡工程案例的分析，对该方法进行了检验，结果很好。③针对上述案例，应用ABAQUS有限元分析软件对其进行了数值模拟分析，先是求解其稳定系数，结果显示，有限元法与不平衡滑坡推力传递系数法两者的计算结果十分接近；之后，采用抗滑桩对此边坡工程进行加固计算，结果表明采用抗滑桩支护后，边坡的稳定系数可以达到1.20，满足规范要求。昀后，对抗滑桩内力进行求解，结果显示有限元法求得的剪力分布与m法的略有不同，但昀大剪力值的大小比较接近。关键词：抗滑桩，滑坡防治，岩土工程，底摩擦试验，有限单元法英文摘要IIIABSTRACTGeologicalhazardsfrequentlyoccurinChina.SinceWesternChinaisamountainousregion,landslideisthemostcommongeologicalhazardinthisareaandofsignificantdamage.Withthedevelopmentofnationaleconomy,theconstructionofrailways,roads,mining,waterconservancyandcivilengineeringoftenplaysadetrimentalroleeffectontheenvironment,evenresultsinlandslides.Govornmentinvestsahugeamountofmoneyforlandslidecontroleveryyear.Anti-slidingpilesareabletocontrollandsideseffectivelyandconveniently,sowidelyusedingeotechnicalengineering.However,soil-pilessystemiscomplexandtheinteractionmechanismbetweenthemisstillunsolved.Therefore,piledesignisoftenbasedonexperience,whicheithercostsalotorisunsafe.Inthispaper,combinedwiththeoreticalanalysis,experimentsandnumericalmethodareemployedtostudytheoutcomesoflandslidecontrolusingpiles,theinteractioninpilegroupsandpiledesign.Themaincontentsandachievementsofthisarticleareasfollows:①Basefrictionexperimentwasconductedtoanalyzetheperformanceofpilesandthemechanismofdoublerowsofpiles.Theinfluenceofrowdistancewasalsoconsidered.Resultsshow:doublerowsofpileshavebetteroutcomesinlandslidecontrol.Butlongrowdistanceisinadvisableinpiledesign.Whenthepilerowdistancedecreased,thestabilizingforceofpileinbackrowbecamesmaller.Butthestabilizingforceofpileinbackrowisbiggerthanfrontrowinallcases.②Consideringthedeficiencyoftraditionalcalculationmethodsofstabilizingforce,anewefficientmethodnamedmatrixmethodwaspresented.Thismethodisbasedonimbalancethrustforcemethodandwasprovedmorerational.Matrixmethodcanbeusedtodeterminethebestlocationwherestabilizingforceisthesmallestforbothonerowandmultiplerowsofpiles.Thismethodwasthenverifiedinanengineeringexample.③ABAQUSwasemployedtoanalyzethesameslopeinstep2.Resultsshow:thesafetyfactorobtainedbyfiniteelementmethod(FEM)issimilarwithimbalancethrustforcemethod.Anti-slidingpilesupportisabletoraisethesafetyfactorofthisslopeto1.20.Thoughthedistributionsofsheersareslightlydifferent,themaximumsheersofthepilecalculatedbyFEMisalmostthesameasmmethod.Keywords:anti-slidingpile,landslidecontrol,geotechnicalengineering,basefrictionexperiment,finiteelementmethod3抗滑桩与滑坡体相互作用的实验研究91绪论1.1课题研究背景及意义我国是一个地质灾害发生频繁的国家，尤其西部地区，山高坡陡，在诸多地质灾害中，滑坡灾害发生的次数昀多，造成的损失昀为严重。如2004年，在全国所发生中等规模以上地质灾害875起中，滑坡占了572起，崩塌181起，泥石流77起，地面塌陷25起，地裂缝13起（图1.1）（摘自：中国地质环境监测信息网，）。图1.12004年不同地质灾害类型发生情况Fig1.1Differentgeologichazardtypesin2004根据2008年国土资源部、水利部、地矿部地质灾害勘察规范，滑坡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。俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等。从工程力学的角度分析，滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。在工程建设过程中，会遇到许许多多的自然边坡或人工边坡，边坡的稳定性不仅会影响到工程本身建设，而且会涉及到国家的利益，人民的财产安全甚至生命安全。而滑坡则是边坡失稳破坏的昀主要的形式，造成的损失也是昀严重的。如1963年北意大利的Vaiont水库左岸边坡发生滑坡，使得25000万立方米的滑体以28m/s的速度下滑到水库，形成250多米高的涌浪，造成下游2500多人丧生；1982年四川云阳城东长江北岸发生巨大滑坡，滑体达1500立方米，造成严重的河道堵塞，经济损失巨大；1989年7月10日，华莹市溪口镇因边坡块石崩塌形成的滑坡、泥石流造成222人死亡；1994年宜宾市兴文县久庆镇，因工程建设切坡脚，诱发滑坡，导致地面沉降1%滑坡66%地面裂缝2%地面塌陷3%泥石流9%崩塌20%重庆大学硕士学位论文10楼房倒塌，造成村民48人死亡，40人受伤；1998年美姑县乐约乡特大滑坡，导致150余人失踪；1999年，古蔺县滑坡、泥石流灾害死亡41人；2001年5月1日重庆市武隆县县城江北四段发生山体滑坡，造成一栋9层居民楼房垮塌，死亡79人，阻断了319国道，几辆停靠在路边的汽车也被掩埋在滑体中[1]。抗滑桩是滑坡治理工程中昀常用的一种工程措施。抗滑桩与其它的滑坡防治措施相比，具有开挖面小、圬工体积小、施工速度快等优点，因而得到广泛的应用。抗滑桩不仅适用于整治深层的大型滑坡，对于浅层和中厚层的滑坡也可采用抗滑桩进行加固治理。在缺少石料的地区，对于尚在活动的滑坡体，采用抗滑桩效果则更为明显。针对滑坡推力较大的大型滑坡，单排抗滑桩常常无法满足滑坡防治的要求，因而常常采用双排桩或多排抗滑桩。如杭金衢高速公路K103滑坡、三峡库区巴东县红石包滑坡均是采用双排抗滑桩进行边坡治理[2]。然而，双排桩的受力更复杂，目前的设计计算基本采用经验方法。综观抗滑桩的应用历程，尽管它已成为国内外滑坡治理的一项主要工程措施，但抗滑桩的设计理论和计算方法，基本是参照桥梁桩基的设计推导演变过来的，至今没有完全一致的认识[3-4]。在边坡失稳时，抗滑桩的受力情况十分复杂，目前尚无成熟的分析计算方法。由此带来的问题是：抗滑支挡建筑物的效果比较好，但它的造价较高，投资巨大，如一根大型抗滑桩造价达数十万元，治理一个大型滑坡需投入数百万乃至上千万元[5]。因此，针对桩结构与滑体之间的相互作用机理、抗滑桩受力计算方法、设桩位置的优化选择等，广泛开展实验研究与理论分析，不仅具有较大的理论意义，可为抗滑桩的设计提供理论基础，使滑坡防治达到预期效果，而且具有较高的实用价值，可以减少工程投资，在经济上达到昀优，为建设平安和谐社会服务。1.2国内外研究现状抗滑桩是滑坡防治的一种工程构筑物，它设置于滑坡体的适当部位，有的桩身完全埋置在地面下，有的露出地面。无论是前者还是后者，桩身的下段均必须埋置在滑动面以下稳定地层内，并达到一定的深度。抗滑桩是凭借桩与土的共同作用，把滑坡推力传递到稳定的岩层中，利用稳定岩层的锚固作用，来平衡滑坡推力，使滑体保持稳定状态。抗滑桩具有抗滑效果好、设桩位置灵活、施工简单等优点，在国内外的滑坡防治中，被广泛的应用[6]。同时，国内外许多科研人员也投入了大量精力针对抗滑桩的相关问题开展研究工作，并取得了许多科研成果。下面就抗滑桩的受力计算、设桩位置的选择、桩的埋深以及双排桩方面的研究现状进行综述。3抗滑桩与滑坡体相互作用的实验研究111.2.1抗滑桩的受力计算、设桩