（岩土工程专业论文）边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究.pdf

南京水利科学研究院博士学位论文 内容提要 本文通过室内试验、现场试验、离心模型试验以及三维数值模拟等手段对稳 定计算中土体强度指标、边坡变形破坏发生机制及抗滑桩与土体相互作用进行了 研究。具体研究成果如下： ( 1 ) 目前有关规范中三轴固结不排水指标的定义与边坡破坏的现场实际及 有效应力原理存在一定的矛盾，建议采用对应的剪前固结应力即t a i l 伊矗= ，盯。 进行定义。不同应力路径条件下三轴固结不排水试验表明，按常规方法整理出来 的三轴固结不排水强度指标特别是内摩擦角的差异很大，而采用新方法( 对应固 结应力) 整理出来的强度指标则基本相同，这说明土体在固结完成后，其强度是 唯一的。 ( 2 ) 提出了堤防工程在不同工况下的离心机试验的模拟技术及应用离心模 型试验获取稳定安全系数的方法，并成功进行了一个堤防工程的变形破坏机制研 究。 ( 3 ) 不同特性与工况下抗滑桩与土体相互作用的数值分析与离心模型试验 研究表明：采用简化b i s h o p 法计算得到的滑动面不能反映抗滑桩加固边坡的破 坏机理，抗滑桩设置在边坡中部和减小桩间距有利于提高边坡稳定安全系数，而 此时抗滑桩在边坡临界破坏时的挠度、最大弯矩和最大剪力相对较大：桩头固定、 铰接与桩头自由、平移相比，所加固边坡的整体水平位移及边坡临界破坏时抗滑 桩的最大弯矩相对较小，而稳定安全系数则较大，因此在进行抗滑桩设计时应尽 量选择桩头固定与铰接的型式，或对桩头进行锚固以改善抗滑桩的受力特性，提 高边坡的稳定安全性状。 ( 4 ) 在使用相同材料的情况下，使用“小直径、密间距”的抗滑桩比使用 “大直径、大间距”的抗滑桩更能有效提高边坡的稳定安全性能，而在相同的桩 间距( d ud ) 情况下，使用大直径的抗滑桩则更能有效提高边坡的稳定安全性 能：当桩间距( d 1 d ) 与桩径( d ) 相同时，增大抗滑桩模量可以提高边坡稳定 安全系数，而在保持抗滑桩抗弯刚度( e p i p ) 及桩间距( d 1 d ) 相同的情况下， 增大抗滑桩直径比增加桩体模量能更有效提高边坡稳定安全系数。 ( 5 ) 采用双排抗滑桩明显高于相对应单排桩的加固效果，在边坡临界破坏时 南京水利科学研究院博士学位论文 双排桩中的挠度、最大弯矩与最大剪力也比对应单排桩中的大，双排桩设置在边 坡中部比设置在坡项、坡脚附近位置能更有效提高加固效果。 南京水利科学研究院博士学位论文 l a b o r a t o r yt e s t s ，f i e l dt e s t s ，c e n t r i f u g em o d e lt e s t sa n d3 df i n i t ee l e m e n tm e t h o d a r ec a r r i e do u tt os t u d yt h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fs o i li ns t a b i l i t ya n a l y s i s ，s l o p e d e f o r m a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er e i n f o r c e dp i l e sa n dt h es o i l s t h em a i n w o r k sa n dc o n c u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n v e n t i o n a ld e f i n i t i o n ( c r i t e r i o nm e t h o d ) o fs h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r s o fs o i lf r o mt r i a x i a lc ut e s ta r en o tc o n s i s t e n tw i t ht h ep r i n c i p l eo fe f f e c t i v es t r e s sa n d c a s eh i s t o r y i ti sm o r er e a s o n a b l et od e f i n et h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e ro fs o i l si n t r i a x i a lc ut e s tw i t hc o n s o l i d a t i o np r e s s u r e ，t h a ti s ，t a i l 纸= 7 f o - 。( n e wm e t h o d ) f r o md i f f e r e n ts t r e s sp a t ht r i a x i a lc ut e s t s w ef i n dt h a tt h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r s o b t a i n e df r o mt h ec r i t e r i o nm e t h o da r eo b v i o u s l yd i f f e r e n t ，b u tt h e ya r ea l m o s ts a m e f r o mt h en e wm e t h o d ( 2 ) t h ep r o c e d u r eo fs e l e c t i n gm a t e r i a l ，m o d e lc o n s t r u c t i o n ，t e s tt e c h n o l o g yi n t h ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s t sf o rt h el e v e ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e d d e f o r m a t i o na n d f a i l u r em e c h a n i s mo fl e v e ep r o j e c tb 1 es t u d i e db ym e a l l so fc e n t r i f u g em o d e lt e s t s u s i n ga b o v e dt e s tm e t h o d ( 3 ) a f t e ra n a l y s i z i n gt h er e s u l t so fs s r f e ma n dc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ，s o m e c o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h a t , t h ed e p t ho fs l i ps u r f a c ei m p l i e st h a tt h eb i s h o p s s i m p l i e dm e t h o dc a n n o ti n d i c a t et h et r u ef a i l u r em e c h a n i s mf o rt h es l o p e sr e i n f o r c e d w i t hp i l e s t h er a t eo fs a f e t yf a c t o r sd e c r e a s e sw i t ht h ep i l es p a c i n gd e c r e a s i n g ，a n d t h es a l t yf a c t o ro ft h es l o p e si st h el a r g e s tw h e nt h er e i n f o r c e dp i l e sa r ci n s t a l l e di nt h e m i d d l eo ft h es l o p e s ，r e g a r d l e s so fp i l eh e a dc o n f i n i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h ed e f l e c t i o n ， m a x i m u mb e n d i n gm o m e n ta n ds h e a rf o r c ei nt h er e i n f o r c e dp i l e si nt h ec r i t i c a l c o l l a p s ea l et h eb i g g e s tm e a n t i m e t h e 丘x e da n dh i n g e dh e a dc o n d i t i o no ft h ep i l e s r e s u l t si ns m a l l e rb e n d i n gm o m e n ti nt h ep i l e st h a nt h a ti nu n r o t a t e da n df r e eh e a d c o n d i t i o n t h e r e f o r et h er e s t r a i n e dp i l eh e a dc o n d i t i o ni sr e c o m m e n d e di nt h ed e s i g n ( 4 ) a tt h es a m em a t e r i a lq u a n t i t yo fr e i n f o r c e dp i l e s ，t h es m a l l e rt h ed i a m e t e ra n d s p a c i n ga r e ，t h eb i g g e r t h es a f e t yf a c t o r sa r e w h e nt h ed 1 d ( d ti st h e 南京水利科学研究院博士学位论文 c e n t e r - t o c e n t e rs p a c i n gb e t w e e nt h ep r i e s ，a n ddi st h ed i a m e t e ro ft h ep i l e s ) i st h e s a m e , t h eb i g g e rr e i n f o r c e dp i l e sd i a m e t e ri s ，t h eb i g g e rt h es a f e t yf a c t o ri s w h e nt h e d 1 da n dd 躺t h es a m e , t h es a f e t yf a c t o r so fg l o b a ls l o p ei n c r e a s ew i t ht h ep i l e m o d u l u s w i t ht h eb e n d i n gs i f f n e s s ( e p l p ) o fp i l e sa r es a m e ，i ti sm o r ee f f e c t i v e 幻 i n c r e a s et h ep i l ed i a m e t e ri nc o m p a r i s o nw i t h i n c r e a s i n gp i l m o d u l u s ( 5 ) b i g g e rs a f e t yf a c t o r sc a nb eo b t a i n e dw i t ht w or o w so fp i l e st h a no n er o wa t t h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n ，a n dt h ed e f l e c t i o n ，m a x i m u mb e n d i n gm o m e n ta n ds h e a r f o r c ei nt h ep i l e si nt w or o w sa r eb i g g e rt h a nt h o s ei no n er o wa tt h es a m ep o s i t i o n i t i sm o r ee f f e c t i v et os e tt w or o w so fp i l e si nm i d d l eo ft h es l o p et h a ni nt h et o ea n d s h o u l d e ro ft h es l o p e i y 南京水利科学研究院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 边坡变形破坏是工程建设与自然界中一种普遍的现象，在道路、堤坝、码头 填筑或基坑开挖等形成的边坡中，如果施工控制不当会引起土体侧向变形，变形 过大将导致滑坡，造成严重的工程事故；对于已经建成的堤防、道路或山体斜坡 等，在遭遇暴雨、洪水、地震或长期风化作用时也会造成边坡的变形、破坏与坍 塌。由此可见，边坡变形破坏是一种常见、多发并能造成严重人员伤亡与财产损 失的工程与地质灾害现象。 边坡变形破坏特性一般因坡体材料的不同而不同，岩质边坡自变形开始至破 坏失稳，其间的变形量一般都很小，或者说一旦超过允许的变形量即会发生破坏 失稳，而土质边坡自变形开始至破坏失稳，其问的变形量很大，有时变形量达到 一定程度后也不一定导致整体性的失稳，边坡变形破坏的这两种形式可定义为边 坡变形的两种工作性状，一种是边坡的破坏失稳状态，一种是边坡的变形失效状 态。前者是指边坡变形或其他因素使土体强度发生破坏，这就是通常说的滑坡， 后者是指边坡土体的变形过大，危及上部或周边建筑物的正常使用，典型的是基 坑的过大变形对周边建筑物的影响。 经过多年的工程实践与理论研究，国内外在边坡工程研究方面取得了很大的 成就，但研究成果主要集中在边坡稳定分析方法以及滑坡治理方面，目前常用的 边坡稳定分析是建立于摩尔一库仑经典理论基础上的，但这种理论难以反映边坡 的变形破坏过程以及滑坡体的特性，有专家估计用这种理论指导滑坡治理工程其 浪费可达工程总造价的3 0 以上【“。边坡变形是边坡产生破坏的首要前提，特别 是人工边坡更具有这种特性，要对这些边坡灾害进行有效的防治，掌握边坡变形 破坏的发生机制对进一步采取相应治理措施十分重要。 在边坡稳定与治理设计计算中，土体强度指标是计算分析的核心，其对计算 结果的影响要远超过计算方法的影响，对于同一个边坡采用不同强度指标得到的 安全系数有时相差可达1 倍左右 2 1 ，这表明在选择土体强度指标进行计算时不 能掉以轻心。因此，要有效地防治和治理边坡破坏而导致的灾害，就必须对边坡 高长胜；边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 变形破坏的演化机制以及稳定计算中土体强度指标问题进一步深入研究 3 1 1 4 1 5 1 1 6 1 ，从而可以更好地进行灾害防治与控制。 要阻止边坡变形破坏的发生与发展，在多数情况下设置抗滑支挡结构是必要 的，多年来人们对边坡滑坡的防治研究一直都比较关注，目前在滑坡治理方法中， 抗滑桩仍然是较为有效可靠而且应用最多的边坡加固方法【1 7 】。d eb e e r ( 1 9 7 7 ) 【8 】根据桩与周围土体的相互作用，将桩分为二类：一类是直接承受外荷载并主动 向土中传递应力的桩，称为“主动桩”，另一类是不直接承受外荷载，只是由于 桩周土体在自重和外荷作用下产生水平运动而桩受到影响，称为“被动桩”。在 主动桩中，桩承受荷载使桩向土中移动，桩上荷载是因，因桩作用而使土体发生 变形是果；但在被动桩中，由于土的移动而对桩加载，土体相对于桩的移动是因， 土体移动使桩体引起的荷载是果，抗滑桩是典型的被动桩。就目前的研究成果来 看，承受横向荷载的主动桩计算方法已很成熟，而在被动桩的受力分析中，桩上 所承受的荷载不仅与移动土体的变形及强度特性有关，还与桩的变形及抗弯能力 有关，因此，必须将抗滑桩与土体作为一个整体来考虑才能全面研究抗滑桩加固 边坡的作用机理与特性。由于抗滑桩因边坡土体移动产生的桩侧荷载难以准确确 定，在设计时还要根据边坡情况确定抗滑桩位置、桩径、桩间距、桩排数、桩深 度以及抗滑桩与边坡稳定的相互协调问题。因此，抗滑桩加固边坡的问题要比承 受侧向载荷的主动桩要复杂得多。 由此可见，抗滑桩与边坡土体之间的相互作用是一个十分复杂的课题，虽然 众多学者对此开展了大量的研究，但迄今为止尚未形成为工程界普遍接受的抗滑 桩加固边坡设计的确定性方法【1 】【9 】。基于以上原因，对抗滑桩与土体相互作用问 题的进一步研究是十分必要的【1 0 】【1 1 1 。 随着我国经济社会的发展，更多的公路、铁路及水电等基础建设项目将陆续 展开，这将会遇到更多的边坡变形破坏与治理工程。因此，研究边坡变形破坏特 性及如何设置合理、经济的抗滑桩结构，具有重要的学术意义和工程实用价值。 2 南京水利科学研究院博士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 稳定计算中土体强度指标研究现状 自然形成的山坡、海岸、河岸和人工填筑或开挖形成的堤坝、路堤或基坑等 边坡之所以能保持一定的坡度或直立状态，是因为土体本身具有一定的强度，在 没有外部支护的情况下，各种土工边坡的坡度或直立高度是有一定限度的，这种 限度是由土体本身强度所决定，如超过这个限度边坡就会发生滑动或坍塌。因此 在边坡稳定计算设计中，土体的强度指标是计算和研究边坡稳定的一个最关键指 标。由于土质边坡和岩质边坡有着不同的变形特征与稳定分析方法，本文主要以 土质边坡为对象开展研究工作。 目前进行边坡稳定性计算分析方法可归纳为三类：一是极限平衡法如瑞典条 分法、简化毕肖普法、简布法( j a n b u ) 等；二是数值分析法如有限元、差分、 边界元等；三是概率法。无论采用何种边坡稳定计算分析方法，土体强度指标的 选择对稳定计算的结果影响最大。土体强度指标测定与选用的准确与否对安全系 数的影响比计算方法本身要大的多，j o h n s o ns j ( 1 9 7 4 ) 吲曾进行过比较，对 同一土坡按简化b i s h o p 法计算，采用不同试验取得的强度指标能够使土坝竣工 期的安全系数在1 1 1 9 之间进行变化，其误差大大超过了计算方法本身所带来 的误差。 卢肇钧( 1 9 8 9 ) 【1 3 1 对土体的变形破坏机理的复杂性和问题进行分析时指出， 应力路径对土体的强度指标影响很大：不变，增加d 1 ，得到的强度指标为： c = 1 8 k p a ，0 = 2 7 5 0 ，而0 1 不变，减小，得到的强度指标为：c = 6 k p a ，忙3 2 5 0 ， 可见只有满足相应应力路径的强度指标才能使设计计算符合实际情况。 l a d d ( 1 9 9 1 ) 2 1 认为稳定问题按排水条件可以分为三类：( 1 ) 不排水稳定问 题，相当于快速加载破坏，一般采用快剪或不排水( u u ) 强度指标，以总应力 法进行分析；( 2 ) 排水的稳定问题，十分缓慢地加载，土体在外荷作用下完全固 结后的排水破坏，一般采用慢剪或排水( c d ) 强度指标，以有效应力法进行分 析；( 3 ) 部分排水的稳定问题，是不排水与排水两种极端问题的中间状况，相当 于外荷作用下土体部分固结或完全固结情况下的不排水破坏，一般采用固结不排 水( c u ) 强度。 高长胜：边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 魏汝龙( 1 9 9 3 ) 嗣通过研究将上述稳定问题和强度指标分类分别对应于总应 力法、有效应力法和固结应力法，而不仅仅是总应力法和有效应力法两种情况， 从原位土不排水的强度形成机理及其变化规律看，这三种分类要更为合理，同时 魏汝龙等( 1 9 8 9 1 1 2 1 ，1 9 9 3 1 6 】，1 9 9 8 1 4 1 ，2 0 0 0 t 1 5 1 ，2 0 0 1l 1 6 】) 还对稳定计算中的强 度指标问题、固结不排水强度指标的测试整理方法以及取值等问题进行了系统分 析，并指出目前的三轴固结不排水指标的定义与边坡破坏的现场实际及有效应力 原理存在一定的矛盾，并建议采用对应的固结应力来定义t a n 缈。- - - - t ，仃。 h d d ( 1 9 9 1 ) 嘲通过工程实例的计算结果表明，采用不同强度指标得到的安全 系数往往会相差达1 倍左右，对于这样大的偏差应该引起重视，在确定稳定计算 中土体强度指标时不能掉以轻心。 张季如等( 2 0 0 0 ) 【1 刀通过对不同条件下土坡稳定性的分析认为要根据不同的 载荷条件如挖方、填方等应力选择合适的土体抗剪强度指标。 李兆平等( 2 0 0 0 ) d s 通过对基坑开挖作用对土体强度指标的影响研究，认为 开挖对土体内摩擦角影响较大，由于开挖使土体强度变化造成边坡稳定系数从 1 1 6 8 降到1 0 2 5 。 汪益敏等( 2 0 0 1 ) 【删分析了不同排水条件下，土体抗剪强度指标对边坡稳定 安全系数的影响，并通过计算实例说明，在进行稳定计算时选用适当的土体强度 指标是十分必要的。 1 2 2 边坡变形破坏研究现状 边坡问题一直是众多学者研究的热点，但研究成果多集中稳定分析计算方法 与灾害治理防治方面，对边坡的变形破坏特性则研究的相对较少。 边坡变形是边坡稳定状态最直观的反映，并可以用来判定边坡的稳定状态， 目前边坡变形稳定性的判定方法主要包含两个方面的内容，一是最大位移判定依 据，二是位移变化速率依据，前者是确定边坡变形失稳的临界变形值，后者则是 根据变形速率确定临界变形速率，通常取急剧变化的拐点作为临界速率。 卢肇钧( 1 9 8 9 ) 【1 3 】对土体变形破坏机理的复杂性和问题进行分析，认为土体 变形破坏影响因素主要有5 个方面：应力、应变、孔隙水、加荷速率与受力时间 以及土的各向异性，只有全面掌握边坡变形破坏的影响因素才能发现边坡变形破 4 南京水利科学研究院博士学位论文 坏的发生机制。 罗伯特( 1 9 8 9 ) 1 2 0 ! 认为滑坡的发生与从深部蠕变到加速滑动作用的过渡有关， 这种过渡是由边坡土体中的剪应力变化、孔隙水压力变化和极限状态面的移动引 起的，通过对坡脚土体的变形速率监测得出了一种预测边坡变形失稳的方法，并 可确定滑坡时土体蠕变的破坏时间。 刘爱华等( 1 9 9 4 ) t 2 1 】认为在目前边坡稳定分析中没有考虑边坡的变形与位移， 明显是不符合实际情况，提出了平面坡体的渐进破坏模型，并应用模型对边坡的 变形破坏进行了可行性对比研究。 彭先孚等( 1 9 9 5 ) 【2 2 】对万县豆芽棚的边坡变形特征进行了观察和研究，认为 在坡体受到暴雨或洪水时，变形会加剧，最后对此边坡进行了排水和抗滑桩加固， 加固工作完成后，边坡的变形得到了很好的控制，位移基本趋于零。 陈守义( 1 9 9 6 ) 【2 3 】从土的应力应变特性探讨了滑坡发生的机理，认为土体边 坡的滑坡按发育过程可分为突然失稳型、渐进破坏型两种，前者指在边坡失稳前 没有任何先兆，滑坡的过程非常短，多发生在边坡受力状况突然改变的情况，如 洪水猛涨、水位骤降和强烈地震，突然滑坡的破坏点也是由局部到整体的过程， 只不过这个过程经历的时间极短，不易为人们察觉。渐进破坏是指边坡在变形发 展过程中表现出比较明显的渐进破坏过程，在发生滑坡以前边坡表面会出现局部 的破坏，如裂缝、隆起等，从局部破坏到滑坡要经历漫长的时间，大多数的自然 边坡和人工边坡滑坡都属于渐进破坏，其重要因素是由于土体抗剪强度的逐渐降 低，如风化、吸水与应变软化等造成，滑坡发生的过程与土体的应力应变特性具 有十分密切的关系。 p c y a n g 等( 1 9 9 6 ) 1 2 4 1 从土体的应力应变关系推出了流变模型，该模型 可以较好地滑坡土体随时间的变化关系，并可以用来预测蠕变滑坡的变形。 黄运飞等( 1 9 9 7 ) 瞄1 通过分析基坑土体的变形破坏与基坑失稳的相互关系， 认为土体的大变形或破坏不等于基坑失稳。而基坑一旦失稳必将伴随土体变形； 另一方面基坑土体的变形破坏是渐进的，分级序完成的，在边坡不同位置的土体 其变形破坏是有差异的，破坏总是从一点突破随后扩展。导致整个基坑破坏，因 此在边坡的加固的重点应放在边坡的突破点上。 朱伟等人( 1 9 9 9 ) 脚j 通过两个大型河堤渗透试验的结果对河堤的渗透破坏机 高长胜，边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 理进行了分析研究认为，在雨水、洪水渗透时，河堤的变形决口是从局部到整体 特征进行发展，表现为由渐变到突变的特征。 王庚荪( 2 0 0 0 ) 2 7 1 研究了边坡的渐进变形破坏对边坡稳定性的影响，提出了 新的接触面单元来模拟滑动面上的接触摩擦状态来模拟边坡的渐进破坏过程和 进行稳定性分析，计算结果边坡考虑边坡渐进破坏过程所求的稳定安全系数比不 考虑渐进破坏的有限元得到的安全系数要小5 - 1 0 。 由于边坡变形破坏大多都是在坡体自重以及与自重有关的其他因素引起的， 而离心模型试验具有能再现应力场以及与自重有关变形过程的独特优势，因而采 用离心机模型试验研究边坡工程受到越来越多的重视。 早期的边坡离心模型试验 2 8 1 主要是为了研究边坡在实际条件下的变形稳定 性，为工程设计与施工提供可靠的依据，后来 2 5 1 1 2 9 1 3 0 】【3 1 】贝0 主要是研究边坡形状、 材料以及加载因素等对边坡变形稳定性的影响以及滑坡发生的机理。 m a r k ，c c e m p e r l i n e 等人( 1 9 8 8 ) 1 2 9 对无粘性土中陡坡坡角开展了9 组离心 模型试验，具体研究了土摩擦角、边坡坡度、坡角位置、坡角宽度等因素影响下 的坡脚极限承载力，并与数值分析方法进行对比分析，而且还用模型的模拟验证 了模拟的有效性。 m y o n g 等人( 1 9 8 9 ) 【3 0 j 通过一系列不同尺寸、不同加速度的离心模型研究了 土质边坡的变形稳定性，发现不管模型尺寸如何均可以得到相同的临界高度，还 与有限元和极限分析法进行了对比，发现模型与计算的破坏面基本相同。 d e b o r a h 等人( 1 9 9 1 ) j 对6 5 个边坡变形稳定试验进行了研究，发现在高 度为2 5 4 m m 的边坡模型中，宽高比为2 1 5 的边坡是最不稳定的。 t k i l l l u r a 等人( 1 9 9 1 ) 【3 2 】利用离心模型试验分别研究亚粘土和砂的混合物 筑堤在5 0 9 的恒定加速度下以及碎煤块筑堤在三种不同的加速度下由于降雨而 造成边坡的变形破坏形式，发现在混合物筑堤中在模型试验的浸润线超过设定的 滑移面后沿滑移面破坏，而在碎煤块筑堤中是在地下水流出后在坡脚部分发生破 坏的，同时模型还研究了筑堤坡角、坡体材料的初始条件以及降雨强度对边坡变 形稳定性的影响。 6 南京水利科学研究院博士学位论文 1 2 3 抗滑桩与土体相互作用研究现状 引起土体侧向位移而对桩体产生荷载的原因主要有两个：一是开挖、堆载或 地面其他荷载作用，另一个为边坡土体变形或滑动引起，对于承受土体侧向位移 的被动桩，国内外多侧重研究土体或边坡变形作用在桩体上的情况，尤其是在港 口码头、堤坝等工程中承受软土侧向变形的被动桩研究的较多，但是从桩土相互 作用机理以及桩的受力特性的计算方法来看，两者是基本相同的。下面通过室内 试验、现场试验以及设计计算方法等几方面对抗滑桩与土体的相互作用研究现状 进行总结。 ( 1 ) 室内试验研究 日本的m a t s u i 等( 1 9 8 2 ) 【3 3 】在长6 0 c m ，宽3 0 e m ，深3 0 c m 的钢制型箱内 采用三种粘土和一种砂土研究不同桩径和桩距时，作用在抗滑桩上土压力随土体 位移的变化情况，试验结果表明，作用于抗滑桩上侧向土压力随土体位移增加而 增加，达到峰值后，对于粘土材料桩所受的侧向土压力基本不再随位移的增大而 增大，而对于砂土侧稍微有所减少，模型试验结果与和m a t s u i ( 1 9 7 5 ) t 3 4 1 提出 的塑性变形理论值吻合得较好。 李同田( 1 9 8 5 ) m 】在长6 米，宽0 8 米，高1 米的钢质模型槽中采用砂和土进 行码头桩基的抗滑稳定试验。在坡顶用千斤顶加荷通过加荷架和加荷板进行加 载，进行了岸坡中无桩和有一根或多根桩时的试验，并测记了边坡破坏时所加的 荷载、滑动面的轨迹和位置、桩的位移等。 马骥( 1 9 8 6 ) p 6 】针对目前抗滑桩设计中常用的计算公式和桩的锚固深度等问 题，模拟现场抗滑桩的实际受力情况进行单桩模型试验。在不同荷载、不同埋深 和不同桩前极限抗力条件下，测出了单桩各点的变位、弯矩和桩周抗力及它们的 变化值，测试结果与计算值比较接近。试验结果表明，滑动面的存在和起作用与 否，决定了抗滑桩的受力条件，当滑动力小于滑动面以上桩前滑体的极限抗滑力， 抗滑桩与普通地基中的侧向受荷的主动桩无本质的区别。 徐良德等人( 1 9 8 8 1 3 7 1 ，1 9 9 0 1 3 8 】) 通过室内模型试验采用石英砂和砂粘土为边 坡材料研究了排架抗滑桩与双排单桩的桩前抗滑力的分布情况，得到如下几点有 价值的结论：( a ) 排架抗滑桩与单排双桩相比具有受力均匀、稳定性好，可以采 用较小截面和锚固深度浅的优点；( b ) 滑体下滑力基本为三角形分布，合力的重 7 高长胜：边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 心约在滑动面以上o 2 6h 处( h 为滑动面以上桩长) ，这比目前设计时采用值要 低，建议在设计抗滑桩时，可适当降低下滑力的重心高度，使抗滑桩设计更加经 济合理；( c ) 当桩间距较大时，相当大的一部分下滑力从桩间溜走，与通过桩传 至桩前滑体的下滑力一起推动该滑体向前移动。因此在抗滑桩设计时，桩间距过 大对滑体稳定性不利；( d ) 滑动面以下的抗力为两个对顶的三角形，桩底弯矩为0 ， 这与抗滑桩的现场破坏试验是一致的，也与目前抗滑桩设计采用的图形相似。 魏汝龙等人( 1 9 9 1 3 9 1 ，1 9 9 3m ) 结合实际工程采用离心模型试验和室内大 型砂槽试验对岸坡变形对码头桩基的影响进行系统研究，优化了原设计方案，并 有以下结论：( a ) 在码头桩平台下设置叉桩加斜顶桩可以明显减少码头的外向位 移，对土体的遮挡作用比较明显；( b ) 桩基组合型式和桩台约束情况对岸坡土体 的位移和桩基应力和变形有重要影响，桩台自由时，直桩对岸坡变形遮挡作用不 大，叉桩及桩台约束对岸坡变形遮挡作用比较明显，遮挡作用大时，桩的弯矩也 相应增加。 熊治文( 2 0 0 0 ) 4 q 通过模型试验对深埋式抗滑桩的受力分布规律进行研究， 给出深埋式抗滑桩的受力特点、适用条件，并认为深埋式比全埋式抗滑桩更经济 合理。 ( 2 ) 现场试验研究 早期f r a n x 等人( 1 9 4 8 ) 【4 2 】，h e y m a n ( 1 9 6 5 ) 【4 3 】，l e u s s i n k 等人( 1 9 6 9 ) 4 4 1 ，d eb e e r 等人( 1 9 7 2 ) 【4 5 】，p o u l o s ( 1 9 7 3 ) m 和w e n z ( 1 9 7 3 ) 【4 刀，等都曾对承 受土体水平运动的桩的现场试验作过报道。这些试验结果表明：软粘土地基流动 土作用于桩的侧压力很大，足以使大尺寸的桩变形甚至毁坏。 i n g o l d ( 1 9 7 7 ) 嗍报道了一个现场试验结果，桩位于己施工完成后4 个月的 土堤坡脚，桩的弯矩和位移侧量了1 3 个月，桩的弯矩虽然不大，但仍在明显增 大。不幸的是没有测量软土层底部的弯矩，由于桩进入硬土层，最大弯矩可能在 该处。 b i g o t 等( 1 9 7 7 ) 4 9 1 报道了在法国进行的现场试验。桩位于土堤坡脚处，土 堤分级施工，桩的位移、桩影响范围外土体自由水平位移用测斜管测量，桩的弯 矩1 米间隔测一点，实测弯矩与从实测土体位移分布计算的弯矩非常接近。 魏汝龙等( 1 9 9 1 ) 5 0 1 对后方回填和堆货引起高桩码头位移和结构损坏的情 8 南京水利科学研究院博士学位论文 况进行了现场监测，观测结果表明，对于高桩码头来说，岸坡影响在施工初期以 水平变形为主，而经过一段时间后，岸坡的差异沉降就逐渐变成了控制码头结构 的主要因素。 朱彦鹏等( 1 9 9 9 ) s q 通过现场试验对基坑开挖中的悬臂式支护桩的受力特 性进行研究，结果表明按常规的设计设计的支护桩强度远未充分发挥，桩的实际 弯矩也远小于设计弯矩，造成浪费。 戴自航( 2 0 0 2 ) 5 2 1 根据我国一些抗滑桩模型试验和现场测试资料的分析，提 出了相应的滑坡推力和土体抗力分布函数，并列成图表，以供查用。 ( 3 ) 设计计算研究 迄今为止，人们对被动桩的计算已经提出了许多方法，p o u l o s ( 1 9 8 8 ) 5 3 1 从 土工的角度对相关计算方法进行了分类，s t e w a r t ( 1 9 9 4 ) i s 4 、魏汝龙( 1 9 9 5 ) 【5 5 】和 王年香( 1 9 9 8 ) 5 6 1 进一步对被动桩的计算方法做了总结，根据前人研究成果，将 相关设计计算归纳成如下几种： ( a ) 经验法 经验法是在室内或现场试验观测资料的基础上进行总结而来的，h e y m a n 等 人( 1 9 6 1 ) 1 5 7 1 和d eb e e r ( 1 9 7 2 ) 【4 5 1 都曾在现场观测基础上提出土体侧向位移作 用下桩基所受压力的计算方法，由于这些方法是纯经验性质，有些假设过于简单， 甚至很不合理，从而导致计算值与实测值之间有较大偏差，实际中应慎重使用。 ( b ) 压力法 用压力法计算抗滑桩的最大问题是如何确定由土体移动而作用于桩上的侧 向压力，然后进一步计算确定桩身弯矩和位移，许多学者对此进行了专门研究。 b e g e m a n n 等人( 1 9 7 2 ) 【5 研假定桩是刚性的，土体侧向位移和水平应力分布 用弹性方法计算，而不考虑桩的作用，提出了一个由地面荷载产生的作用于桩上 侧向土压力的计算方法。 d eb e e r 等人( 1 9 7 2 ) h 5 1 提出跟据边坡安全系数大于1 6 时出确定桩上的最大 弯矩和桩侧土压力的计算方法，该法假设当安全系数小于1 6 时，极限土压力才 出现，可能会引起较大误差，严格意义来说只当安全系数等于l 时才完全正确。 t s e h e b o t a r i o f f ( 1 9 7 3 ) 【5 川假定作用于软土层内桩上侧土压力呈三角形分布，并 根据现场试验资料来确定土压力的最大值，进而可以计算出桩身最大弯矩。 9 高长胜：边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 目前国内比较常用的设计计算方法为推力传递系数法嗍【6 ，该方法做了许 多简化和假设，回避了桩土相互作用问题。 在应用压力法进行抗滑桩设计计算时，必须要正确理解桩的阻滑机理和桩土 相互作用，以上方法都回避了桩土相互作用，假设过于简单，用于设计计算会带 来严重的偏差。实际上考虑桩土作用比较完整的是t o m i oi t o 等( 1 9 7 5 3 4 ， 1 9 7 9 1 6 2 1 ，1 9 8 1 1 6 3 1 ，1 9 8 2 6 q ) 提出了塑性变形理论法，以及沈珠江院士( 1 9 6 1 6 s ， 1 9 9 2 e 1 ) 根据散粒体极限平衡理论提出的比较完整的散粒体极限平衡理论法。下 面对这两种计算理论与设计计算方法进行重点介绍。 l 塑性变形理论法】 t o m i oi t o 等( 1 9 7 5 ) 根据塑性变形理论从单排桩角度提出了移动土体产生 的极限侧压力计算公式，该公式考虑了桩径、桩间距和土性参数对侧压力的影响。 圈1 - 1桩周土体的塑性状态 对照图1 - l ，i t o m i o 作了以下主要假定： ( 1 ) 当土层变形时，沿着a e b 和a e b 出现两个滑动面，其中e b 和e b ，线 与x 轴的交角等于z 4 + ( h 2 ： ( 2 ) 土层只在桩周土区a e b b e a i 中变为塑性，服从m o l l r - c o u l o m b 屈服准 则，土层可用内摩擦角妒和粘聚力c 的塑性体表示； ( 3 ) 在深度方向上，土层处于平面应变条件； ( 4 ) 即使有摩擦力作用在a e b 和a r e b 面上，土体a e b b q 3 a 的应力分布与 无摩擦力时相同； 1 0 南京水利科学研究院博士学位论文 ( 5 ) 桩是刚性的。 ( 6 ) 假设a a 上面上作用力为主动土压力； ( 7 ) 在考虑塑性区a e b be a7 的应力分量时作用在a e b ( a e b ) 面上的 剪应力忽略不计。 然后根据塑性区a e b b e a 7 力的平衡条件，认为作用于平面b b7 和平面 从上侧向力之差就是x 轴方向上单位厚度土层作用在桩上的侧向力p ( z ) ； p c z ，= 鲥 瓦茜 e 文号手以劬妒t a n ( 詈+ 署) 一2 彬2 t a n 伊一，) + 西9 1 一c d 1 器一z 。：彬“) + 筹 一e x p ( 旦斧虬t a n 文詈+ 勒 一见 ( 1 - 1 ) 对于= 0 的软土，有 p c z ，= 啦【s h 鲁+ 号手t a n 韵+ 芦c q 一岛， c ，彩 式中坼= t a n 2 ( ；+ 詈) ，爿= d 1 ( d 1 d 2 ) 叫2 “”一“，9 1 = 2 t a n 伊+ 2 彬2 + 坼“2 ， 9 2 = n i , 2 t a a q + n o - 1 ，c 为土的内聚力，妒中为土的内摩擦角，d 1 为桩中心距， d ，是桩净间距，是土体容重，z 表示到地表的深度。 当土体相对于桩产生移动时，作用在桩上的侧向力由零逐渐增大到极限值 p ，将p ( z ) 沿土层深度积分，即可得出桩上所受的总的极限侧向力只。尽管上 面两方程是在假设桩为刚性的情况下得到的，但仍可推广到弹性桩的情况，这是 因为：根据上述对地层的假定，桩周附近士体变形很小故桩变形产生的影响可以 忽略( t o m i o ，1 9 8 1 ) 。一系列野外试验及室内模型试验( t o m i o ，1 9 8 2 ) 表明，计算结 果与实际抗滑桩上的实测值相比，即使在桩顶自由的情况下也能吻合，在桩顶受 约束的情况下更为准确。 由于极限侧压力只并非总能发挥出来，t o m i o ( 1 9 8 2 ) 后来又提出了侧向作用 力动员因子的概念，进一步完善了他的理论。当桩土相对位移由零逐渐增加 时，侧压力也由零逐渐增加到极限侧压力只，桩身实际受到的侧压力应为 高长胜：边坡变形破坏及抗滑桩与土体相互作用研究 a 。p ( ：) ，称为侧向作用力动员因子，一般介于o 1 o 之间。 【散粒体极限平衡理论法1 国内现有的抗滑桩设计方法往往只按桩的折断计算抗滑阻力，而未考虑土 体绕桩滑动的可能。沈珠江( 1 9 6 1 1 6 5 1 ，1 9 9 2 蛔) 提出，完整的抗滑桩极限设计 方法应当包括各种可能的破坏验算，即应当包括土坡整体滑动验算，土体绕桩滑 动验算和毁桩滑动验算。 沈珠江( 1 9 6 1 ) 利用散粒体极限平衡理论推导了土体沿水平方向绕桩滑动桩 身受到的绕流阻力公式，假设土层无限广阔并沿水平向对垂直桩作相对运动，且 桩的侧面绝对粗糙，针对圆形桩或矩形桩，根据不同的土体参数指标，得到单位 桩长上的绕流阻力公式如下： ( 1 ) q o = 0 ，矩形桩 最= ( 2 + x ) c a + 2 c b 1 - 3 ) 式中a 桩体垂直于流向宽度，b 一顺流方向宽度 ( 2 ) 伊= o ，圆形桩 最242耐(1-4) 式中d 为桩径。 ( 3 ) 伊0 ，矩形桩 咒= ! 兰旦竖j 挚一! 兰里【= i ；去昙羔型 口+ 2 6 t a n 卉c p 。+ 吒，。， 其中吒2 “t a a q o ，风是一个未定值，早先曾取为散粒体绕流前作用于桩体上的 静止侧压力，但这样背流面压力可能会小于主动土压力，后来沈珠江( 1 9 9 2 ) 【6 6 】 根据背流面土压力等于主动土压力的原则进行修正，得 只= ( c r y + 吒) 肚硕，r t a n 力一j 1 0 k + 2 6 ( 1 一s i n 力e x p 2 + 力t a n 纠t a n 妒 ( 1 - 6 、 盯，为竖向土压力。 ( 4 ) 伊o ，圆形桩 在背面压力为主动土压力的假设下，圆桩的阻力公式为： 1 2 南京水利科学研究院博士学位论文 只= 譬掣 e x p ( 万t a n q o 3 t a n 矿血 + ( 2 t a n 2 伊一1 ) c o s + ( 1 + 4 t a n ：p ) c o s t 1 + 3 t a n 妒c o s 1 一鳓n 伊 ( 1 - 7 ) 一( 2 t a n 2 p 一1 ) s i n 一( 1 + 4 t a n ：妒) s i n z l 十s m p 其中：= ，r 4 一矽2 ( c ) 位移法 采用位移法分析桩土相互作用更为合理，但使用位移法进行计算分析时必须 要先知道无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移叠加到桩上，按弹性理论 或地基反力法计算出抗滑桩的弯矩和位移分布情况。 m a r c h e ( 1 9 7 3 ) 【6 7 】，b o u r g e s 等( 1 9 8 0 ) 【6 8 】基于p - y 曲线利用有限差分法分析 了桩的变形和弯矩沿桩身的变化。 p o u l o s ( 1 9 7 3 ) m 在假定桩周土体为理想弹塑性体，其应力和变形满足弹性 半无限体内作用有水平力的m i n d l i n 解答，利用有限差分法进行求解，土体变形 模量和屈服应力沿深度线性变化，而土中的桩被简化为简单的弹性梁，满足梁的 挠曲微分方程，该法考虑了土体连续性和性状随深度变化问题。他还得出了单桩 的各种计算图式，如考虑桩的刚度、边界条件、土的屈服，并