樁—土—邊坡相互作用數(shù)值分析及阻滑樁簡化設(shè)計方法研究.pdf

1、作為一種有效工程措施，阻滑樁在邊坡加固工程、滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治中得到了廣泛應(yīng)用。然而由于問題的復(fù)雜性，關(guān)于阻滑樁加固土坡的工作機理、樁—土相互作用規(guī)律仍沒有徹底解決，阻滑樁設(shè)計理論與計算方法目前還處于半經(jīng)驗半理論的不成熟階段，落后于工程實踐，因此急需開展深入而系統(tǒng)的理論分析與數(shù)值計算等方面的研究，發(fā)展與完善相應(yīng)的阻滑樁工程實用設(shè)計方法。一方面，隨著高速鐵路與公路的大規(guī)模建設(shè)，許多工程可能穿越滑坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的潛在不良地質(zhì)體，此時鐵路與公路

2、兩側(cè)邊坡的安全性及其滑坡治理是工程建設(shè)中的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，阻滑樁技術(shù)得到了較多的應(yīng)用。另一方面，隨著城市土地資源的匱乏，許多高層建(構(gòu))筑物與高聳結(jié)構(gòu)物不得不直接修建在臨近邊坡或在山坡頂面上等復(fù)雜地質(zhì)條件下，此時樁基不僅用于加固邊坡，而且同時作為建筑物的基礎(chǔ)，具有承重和阻滑雙重功能，又兼有抵抗風(fēng)荷載、地震慣性力所引起的水平荷載與力矩的瞬時或循環(huán)作用，受力較為復(fù)雜。在這種水平荷載、豎向荷載與力矩等各種分量的組合作用下，樁—土—邊坡相互作

3、用機理、荷載傳遞規(guī)律、邊坡失穩(wěn)機制尚不十分明確，有待于開展更深入的探索。為此，本文圍繞阻滑樁加固土坡研究中所存在的主要問題及組合荷載模式下承重阻滑樁—土—邊坡體系的變形與穩(wěn)定性等方面進行了比較系統(tǒng)而深入的研究，論文的主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括如下幾個方面： 1.自動搜索安全系數(shù)與失穩(wěn)機構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性有限元分析模型及邊坡失穩(wěn)判據(jù) 以大型通用有限元分析軟件ABAQUS作為平臺，通過二次開發(fā)建立了能夠自動搜索安全系數(shù)與

4、相應(yīng)失穩(wěn)機構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性有限元分析模型。通過充分的變動參數(shù)對比計算與分析，對于目前所采用的有限元數(shù)值計算迭代不收斂、超過某一幅值的等效塑性應(yīng)變分布帶相互連通、邊坡坡腳至坡頂塑性區(qū)貫通、坡面特征點位移陡增或強度折減系數(shù)與坡頂特征點水平位移之間關(guān)系曲線的斜率達到某一固定值等4種邊坡失穩(wěn)判據(jù)，探討了其內(nèi)在聯(lián)系及其適用性，指出迭代不收斂判據(jù)較少依賴于研究者的經(jīng)驗，易于數(shù)值實現(xiàn)自動搜索等過程，具有較廣泛的適用性與一般性。進而以這種判據(jù)為基礎(chǔ)，分別

5、針對成層黏性土邊坡、多級邊坡、路堤邊坡及超載作用下的邊坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析。在此基礎(chǔ)上，探討了有限單元類型、有限元模型中網(wǎng)格密度、土的破壞準則、剪脹性與變形參數(shù)等對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。最后論證了ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破壞準則與傳統(tǒng)Mohr-Coulomb破壞準則的一致性。 2.阻滑樁、承重阻滑樁及組合荷載模式下承重阻滑樁—土坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析 在邊坡穩(wěn)定的強度折減彈塑性有限元數(shù)值分析的基礎(chǔ)上

6、，將迭代不收斂判據(jù)推廣至阻滑樁加固土坡、承重阻滑樁及組合荷載模式下承重阻滑樁—土坡的穩(wěn)定性數(shù)值分析中。結(jié)合典型算例的對比分析驗證了這一判據(jù)的有效性，考慮到樁—土接觸問題的復(fù)雜性，在以不收斂作為判據(jù)的同時參考坡面特征點位移突變這一輔助判據(jù)，以確保不收斂判據(jù)所得穩(wěn)定性結(jié)果的合理性。在此基礎(chǔ)上，通過對比計算與分析系統(tǒng)地考察了設(shè)樁位置、樁徑、樁的嵌入深度、樁頭約束條件與樁的抗彎剛度等對阻滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的影響，并對樁側(cè)接觸力的分布形態(tài)及變化規(guī)

7、律進行了探討，以期為阻滑樁加固土坡的簡化設(shè)計提供參考依據(jù)。最后，針對豎向荷載與水平荷載等不同組合情況，探討了荷載組合方式對樁—土—邊坡體系穩(wěn)定性的影響。 3.基于強度折減技術(shù)的復(fù)雜土坡穩(wěn)定性分析上限解法 目前工程上多采用極限平衡法進行土坡的穩(wěn)定性分析，而根據(jù)極限分析的概念，極限平衡法所獲得的解答既不是真實解的上限也不是真實解的下限。這里基于極限分析上限定理與土的抗剪強度折減系數(shù)概念，建立了一般土坡穩(wěn)定的極限平衡狀態(tài)方程，

8、以此為基礎(chǔ)確定了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的潛在破壞模式。針對多個算例，通過數(shù)值計算并將計算結(jié)果與極限平衡法、有限元法進行了對比，驗證了所發(fā)展的上限解法的可行性。在此基礎(chǔ)上，進一步地考慮土的非均質(zhì)和各向異性效應(yīng)，針對坡頂作用有超載、土坡中超孔隙水壓力、地震慣性力等復(fù)雜情況，采用所建議的極限分析上限解法對土坡穩(wěn)定性進行了計算與分析。 4.樁側(cè)有效土壓力的上限解法及阻滑樁樁位的優(yōu)化設(shè)計 基于有限元數(shù)值分析所獲得的樁側(cè)接觸力分布模

9、式，結(jié)合工程經(jīng)驗及現(xiàn)有研究成果，對阻滑樁樁側(cè)受力狀態(tài)與受力模式進行了分析。基于設(shè)計安全系數(shù)，利用極限分析上限定理與強度折減技術(shù)，建立了土坡加固中阻滑樁樁側(cè)有效土壓力的上限解法，其中考慮了坡頂超載、土的非均質(zhì)和各向異性、土坡中超孔隙水壓力、地震慣性荷載等因素，由此確定了樁側(cè)極限有效土壓力。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所獲得的樁側(cè)無量綱極限有效土壓力，討論了阻滑樁樁位的優(yōu)化布置，并針對臨界滑動面位置及加固力有關(guān)影響因素進行了分析與討論。 5.阻

10、滑樁樁周土體側(cè)向容許承載力的下限解法及基樁的錨固深度檢算 運用塑性極限分析下限定理，針對黏性土質(zhì)邊坡作用有表面超載與地震慣性荷載等復(fù)雜情況，建立了阻滑樁樁周土的側(cè)向容許承載力下限解法；針對土的內(nèi)摩擦角φ、邊坡坡角α及無量綱黏聚力c/γz、無量綱超載集度q/γz或水平地震加速度系數(shù)kh等參數(shù)不同組合情況，通過數(shù)值計算以圖表形式給出了主動和被動土壓力系數(shù)，并探討了各個參數(shù)對綜合主動土壓力系數(shù)與被動土壓力系數(shù)的影響。在工程設(shè)計中可以利

11、用由此所得到的綜合主動與被動土壓力系數(shù)值進行阻滑樁樁周土體側(cè)向容許承載力計算，進而利用彈性樁或剛性樁錨固深度公式求解阻滑樁的錨固深度，為阻滑樁的錨固設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，探討了邊坡坡角、土性參數(shù)、計算深度等對阻滑樁樁周土側(cè)向容許承載力的影響，進而對于滑動面上、下兩層土質(zhì)不同時，建議了樁周土側(cè)向容許承載力的修正算式，以期為層狀土坡中阻滑樁錨固深度的合理確定提供參考依據(jù)。 6.土坡加固中阻滑樁簡化設(shè)計及樁—土—邊坡相互作用