（岩土工程专业论文）昔格达岩层中抗滑桩的承载力计算方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 昔格达滑坡是西攀高速公路沿线主要不良地质现象之一，对其治理大多数采 用抗滑桩，锚固段均在昔格达岩层中。昔格达岩层的性质类似极软岩，现行各规 范对极软岩中的抗滑桩未育明确完整的计算方法，也未发现此方面的专门研究文 献，为了了解昔格达岩层中桩一土之间的相互作用机理，提高该地层中抗滑桩的 理论设计水平，本文结合工程实例，通过现场静载试验来对永郎地区昔格达岩层 中桩土间的相互作用机理展开分析，以此来寻求当昔格达岩层作为滑床时其地 基抗力系数按何种形式分布比较接近实际。另外文中对滑坡推力的分布规律进行 了总结，结合几根工程桩的实测资料，提出了永郎地区滑坡推力的分布形式。主 要研究工作如下： 1 对永郎工点两根试桩的现场水平静载试验进行了介绍，并对试验结果进行 了整理和分析。根据规范推荐的“m ”法和常数法对两根试桩的水平承载特性进 行了分析，得到m 值、k 值随荷载的变化规律，并结合规范为昔格达岩层中的抗 滑桩设计提供一个合适的m 值、k 值。将通过理论计算得到的桩身内力与实测桩 身内力进行比较，通过对比建议当昔格达岩层作为锚固地层时，其地基抗力系数 宜按三角形分布。 2 根据滑体、滑带的土工参数对各种工况下滑坡的稳定性进行了评价。鉴于 永郎地区滑坡体主要组成成分是含砾低液限粘土，滑坡推力的分布形式未知，本 文对各种类型滑坡的推力分布形式进行了总结，并结合静载试验成果对工程桩进 行理论计算，对各种推力分布形式下的桩身变位与内力进行了总结，并相互比较， 总结规律。将理论计算的桩身位移与实测的桩身位移进行比较，通过对比建议永 郎地区抗渭桩受荷段滑坡推力按下式分布： 摊卜等a 等z 关键词：昔格达；抗滑桩：水平静载试验；“m ”法；常数法；抗力系数：滑坡推 力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t x i g e d al a n d s l i d ei so n eo ft h em o s ta d v e r s eg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n sa l o n gt h e x i c h a n g p a n z h i h u as p e e d w a y t h ea n t i - s l i d ep i l e ，a n c h o rp a r to fw h i c hi si nx i g e d a r o c k ，i sw i d e l yu s e di nl a n d s l i d e sg o v e r n a n c e t h en a t u r eo fx i g e d ar o c ki ss i m i l a rt o v e r ys o f tr o c k ，b u tw eh a v en o tw o r k e do u tac l e a ra n dc o m p l e t em e t h o dt oc a l c u l a t e a n t i s l i d ep i l el o c a t e di nv e r ys o f tr o c ki nt h ep r e s e n tn o r m s ，a n dc a nn o tf i n dt h e s p e c i a l i z e dr e s e a r c h l i t e r a t u r ei nt h i sf i e l d i no r d e rt of i n do u tt h ei n t e r a c t i o n m e c h a n i s mb e t w e e np i l ea n ds o i li nx i g e d ar o c ka n de n h a n c et h ed e s i g nl e v e l f o r a n t i s l i d ep i l el o c a t e di nt h i ss t r a t u m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o n m e c h a n i s mv i al a t e r a ls t a t i cl o a dt e s ti nv o n g l a n ga r e a d o i n gt h i sw o r ki st os e e ka m o r ef a c t u a ld i s t r i b u t e df o r ma b o u tf o u n d a t i o nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tw h e nx i g e d a r o c ka sas l i d eb e d f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed i s t r i b u t e dr u l eo ft h e l a n d s l i d et h r u s ta n dp r o p o s e st h ed i s t r i b u t e df o r mo ft h el a n d s l i d et h r u s ti ny o n g l a n g a r e ab ym e a s u r i n gd a t a so fs e v e r a le n g i n e e r i 峰p i l e s t h em a i nj o b si nt h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： 1 s i t u a t i o n sa b o u tt w ot e s tp i l e s ss c e n eo fl a t e r a ls t a t i cl o a dt e s ta r ei n t r o d u c e d ， c o l l e c t i o na n da n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h et e s ta r em a d e t h e “m ”m e t h o da n dt h e c o n s t a n tm e t h o dr e c o m m e n d e d b y t h en o r m sa r eu s e di n a n a l y z i n g l a t e r a l l o a d b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt w o t e s tp i l e s ，b yd o i n gs ow ec a nf i n dh o wma n dk c h a n g ew h e nt h el o a dc h a n g e s 。a n dar e a s o n a b l e 柳a n dka r ep r o p o s e di nl i g h to f n o r m sf o rt h ed e s i g no fa n t i s l i d ep i l ei nx i g e d ar o c k w h e nx i g e d ar o c kw o r k e da s a n c h o rs t r a t u m ，c o m p a r i n gt h er e s u l to fp i l e si n t e r n a lf o r c e sb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n w i t ht h em e a s u r e di nr e a l i t y ，i ti sa d v i s e dt h a tt h es t a t e - o ff o u n d a t i o nr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n ti st r i a n g u l a r 2 t h es t a b i l i t yo ft h el a n d s l i d ei se v a l u a t e du n d e rv a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h es o i lp a r a m e t e r so fs l i d eb o d ya n ds l i d eb e l t i nv i e wo ft h em a i n c o m p o n e n to fs l i d eb o d yi ny o n g l a n ga r e ai sl o wl i q u i dc l a yw i t hg r a v e l ，t h e d i s t r i b u t e df o r mo fl a n d s l i d et h r u s ti sn o tk n o w n ，s oi nt h i sp a p e rt h ev a r i o u st y p e so f d i s t r i b u t e df o r ma b o u tt h i sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h e e n g i n e e r i n gp i l ei sl a u n c h e di nc o m b i n a t i o nw i t hs t a t i cl o a dt e s tr e s u l t s f u r t h e r m o r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 】l 页 ih ep a p e rs u m m a r i z e st h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ep i l e su n d e rv a r i o u ss t a t eo f t h r u s t ，c o m p a r e st h er e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o nw i t he a c ho t h e ra n ds u m su pt h el a w c a r r y i n go nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l to ft h ep i l e s d i s p l a c e m e n ta n dt h em e a s u r e dr e s u l to fp i l e sd i s p l a c e m e n t ，t h ef o l l o w i n ge q u a t i o ni s s u g g e s t e da st h ed i s t r i b u t e df o r mo fl a n d s l i d et h r u s ti ny o n g l a n ga r e a ： q ( z ) l 等 等z k e y w o r d ：x i g e d a ：a n t i s l i d ep i l e ；l a t e r a ls t a t i cl o a dt e s t ；锄m e t h o d ：c o n s t a n t m e t h o d ：r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ：l a n d s l i d et h r u s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 论文选题来源 第1 章绪论 滑坡，是指位于斜坡及边坡上的岩土体在自重或( 及) 外动力作用下沿坡 向下发生的整体性较强的运动形式及过程；同时，“滑坡”也指正在变形中的岸 坡，崩、滑堆积体。滑坡对人类工程建设的危害是世界性的，在我因可见规模 巨大，每年体积达数百万甚至上亿立方米的自然滑坡。山区修建水库、电站、 道路和工厂等形成的大量开挖山坡，也可产生新滑坡或导致老滑坡复活，给世 界各国造成的经济损失估计每年可达数十亿美元，整治费用惊人。另外，工程 不能及时发挥效益或使用被中断，期间损失更大。滑坡治理是一个复杂的岩土 工程问题，虽然到目前为止，国内外在整治滑坡方面己取得了许多成功的经验， 在滑坡机理分析和治理设计方面不断取得进展，但远未成熟，存在的技术问题 仍较多。在我国，对大多数滑坡的治理是成功的，只有少数由于设计错误和人 为因素等原因而失败，但这并不意味着我国滑坡治理水平就很高，很多滑坡治 理之所以成功，是保守设计的结果。安全储备太大，而不是理性分析研究的结 果。 本论文根据交通部西部交通科研项目“昔格达地层公路修建技术研究”子 课题“昔格达地层中抗滑桩的工作性能研究”的相关要求来展开研究。 国道主干线1 0 8 线西昌至攀技花高速公路是交通部规划的八条西部大通道 之一的甘肃兰州至云南磨憨口岸公路的重要组成部分，是四川省高速公路网的 主干线之一，也是四川省通往云南昆明的主要通道。线路通过的大部分地段与 有“地质博物馆”之称的成昆铁路平行，但垭口到攀枝花段( 3 0 k m ) 偏离成昆 铁路。线路的大部分路段位于7 8 度高地震烈度区，地形陡峻，地质条件十分 复杂。公路沿线气候潮湿，雨量充沛，岩体的风化和卸荷作用强烈，致使岩体 破碎，山体稳定性较差，各种不良地质现象广泛发育。西攀路的主要路段位于 攀西地质梯度带断裂形成的断层谷( 安宁河谷) ，由于地形、地质条件、成昆铁 路、原1 0 8 国道、北京至昆明的光纤通信干道等的限制，线路选择的余地十分 狭小。尽管在初步设计选线时注意到现存的地质灾害地段，并进行了有效的绕 避但仍有不可绕避的大型滑坡1 3 处，大中型泥石流沟2 1 处，高陡边坡( 高 度大于3 0 米) 5 0 多处，高填方数十处。特别是沿线1 0 0 多公里广泛出露有迢 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 水极易氨j 解、软化的昔格达组地层，已有的研究表明该岩层j 自构疏松，具有崩 解性，力学强度低，具有不等的膨胀性。 昔格达岩层是一套由粉砂岩、泥岩和页岩构成的半成岩地层，正常时产状 平缓，倾角2 。1 0 。，具有良好的层理，微层理和韵律。该地层对水的敏感性 特别高，干时坚硬，遇水迅速崩解，几乎完全丧失强度。它似岩非岩，似土非 土，极易发生滑坡，故称为易滑地层，据相关资料统计，昔格达组中滑坡密度 之大在我国所有易滑地层中名列i i 茅。据相关资料，截至1 9 7 9 年，建设中的渡 口市共发生滑坡4 0 余处，全部集中于昔格达组中；在汉源县流沙河沿岸和富林、 大树等地，昔格达组出露面积4 8 平方公里。发生滑坡共计4 8 处，给当地城市 建设、农业生产和人民的生命财产造成重大损失。修建成昆铁路米易一金江段 时，为了避免昔格达滑坡群，在小高桥至丙谷间不得不改变设计而跨河设桥， 线路被迫改至安宁河对岸，成昆铁路建成后，此段仍发生营格达滑坡1 8 处，中 断行车多日，造成严重经济损失。 昔格达滑坡是西攀高速公路沿线主要不良地质现象之一，除了在选线设计 时考虑绕避外，无法绕避的则采用工程措施柬保证其稳定，而抗滑桩是目前滑 坡治理普遍采用的有效的工程措施。西攀路昔格达滑坡治理大多数采用抗滑桩， 初步设计抗滑桩治理滑坡路段有1 5 段，4 5 0 根，计8 0 0 0 米长，锚固段均在昔 格达地层中，依据地勘资料并参照铁路部门以往得出的经验资料取值计算，较 普遍的出现了锚固段偏长，桩截面尺寸偏大的现象，大幅度的增加了工程造价。 现行各规范对极软岩中的抗滑桩未有明确完整的计算方法，也未发现此方 面的专门研究文献。为了保证西攀路的行车安全和设计的科学合理性，为了降 低工程造价，也为类似地层中抗滑桩的设计与施工提供依据和积累资料，西南 交通大学与四川省交通厅公路规划勘察设计研究院、西攀高速公路开发股份有 限公司、成都路桥集团公司等单位相互合作，在西攀公路的永郎施工段布置科 研点。本论文结合现场两根试验桩的水平加载试验资料，来分析昔格达土层的 地基抗力系数沿深度的分布规律；根据抗滑桩的理论计算方法，结合静载试验 成果对工程桩进行理论计算，将其结果与工程桩的实测资料进行对比分析，以 此来研究实际抗滑桩上滑坡推力的作用规律、桩的受力，变形等，从而为桩身 的结构设计进行优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国、内外对抗滑桩研究的历史及现状综述 早在1 9 世纪中叶欧建国家就已经丌始了对滑坡灾害防治的研究，但是早期 由于人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避， 只对小型滑坡采取削坡减载、反压以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程更是优 先考虑的措施。直到二次世界大战后，随着各国经济的发展和国土开发利用， 遇到的滑坡越来越多，人为支挡工程彳真j 下开始，5 0 年来有了较大的发展和提 高，些大型的滑坡采用支挡工程来治理。支挡工程的发展大概可分为三个阶 段： ( 1 ) 5 0 年代前，治理滑坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程主要 是挡土墙。 ( 2 ) 6 0 一7 0 年代，在应用排水工程和抗滑挡土墙为主的同时，大力开发应 用抗滑桩工程以解决抗滑挡土墙施工中的困难，欧美国家和前苏联多用钻孔钢 筋混凝土灌注桩，直径1 0 1 5 m ，深2 0 - 3 0m 。日本则多采用钻孔钢管桩，钻 孔直径4 0 0 - 5 0 0 m m ，深2 0 - 3 0 m ，孔中放入直径3 1 8 5 4 5 7 2 m m ，壁厚1 0 - - 4 0 r a m 的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，为了增加桩的抗剪断能力，有时在 钢管中再放入h 型钢。桩间距1 5 4 0 m ，而以2 o 一2 5 m 者屠多。为了增加桩 的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台联接，形成刚架受力。 也有少数用打入桩的。7 0 年代后期，在同本歼始应用直径1 5 - 3 5 m 的挖孔抗 滑桩。 ( 3 ) 8 0 年代以来，在小直径抗滑桩应用的同时，治理大型滑坡的大直径挖 孔抗滑桩开始使用。如日本在大阪府的龟之濑滑坡上采用直径5 m 、深5 0 - 6 0 m 的大型抗滑桩。桩身周围均匀椎筋，只在滑动面附近用型钢加强桩的抗剪断能 力。与此同时，抗滑支挡结构的另一个特点是锚索工程在滑坡防治中大量使用， 或与抗滑桩联合使用，或锚索单独使用( 加反力梁或锚墩 ，单根锚索承受的拉 力5 0 0 3 0 0 0 k n 不等，长度一般3 0 6 0 m ，长的达1 2 0 m 。由于锚索工程不歼挖 滑坡体，又麓机械化施工，所以目前被广泛应用我国对滑坡灾害的系统研究和 治理起步较晚，是5 0 年代初才开始的。但却在社会主义建设中已防治了数以千 计的各种类型的滑坡，结合我国国情研究丌发了一系列有效的防治办法，总结 出绕避、排水、支挡、减重、反压等浩理滑坡的原则和方法。其中尤以铁道部 门遇到和防治的滑坡最多，研究的更为系统和深入，这是和山区铁路建设的特 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 点和安全运输的要求分不开的。 抗滑支挡建筑物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑坡工程中首先考 虑使用的措施。同时，又由于它一般造价较高，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资数百万元乃至数千万元，因此，人 们对抗滑支挡建筑物的结构形式、使用条件、设计理论、施工方法等就给予了 更多的关注和研究。我国对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用起步虽较国外晚， 但由于建设中治理滑坡的需要，其发展过程基本上与国外同步，也分三个阶段： ( 1 ) 5 0 年代起，主要学习原苏联的经验，在治理滑坡中首先考虑地表和地 下排水工程，如地面截、排水沟，地下截水盲沟、盲洞、支撑渗沟等，辅以减 重、反压和支挡工程。支挡工程主要是各种形式的挡土墙。用重力式抗滑挡土 墙治理大型边坡大型滑坡常常工程量浩大，旌工困难，虽然总结了“分段跳槽 开挖基坑”的旄工经验，有时还会造成加速滑动，危及施工安全。 ( 2 ) 6 0 7 0 年代，曾成功的应用支撑盲沟加小抗滑挡土墙取得疏水和支挡 滑坡的双重效果，但深盲沟施工开挖也相当困难，因为地下水发育，施工开挖 极易坍塌。为了解决抗滑挡土墙歼挖基础的困难，曾在贵昆线二梯岩滑坡治理 中采用深井式抗滑挡土墙，但施工也不容易。 6 0 年代中期，在成昆线建设中，研究用大截面开挖钢筋( 或钢轨) 混凝土 抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，对滑坡体稳定性的破坏小，施工方便，很快 在铁路内、外滑坡治理中被广泛应用，在治理大、中型滑坡中几乎取代了抗滑 挡土墙。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使治理大型滑坡有了可能。已 使用的抗滑桩截面有l 2 m x 2 o m ，1 8 2 4 m ，2 o m x 2 0 m ，2 o m 3 ，o m ，3 o m x 4 o m ，3 o m 5 o m ，3 5 m 7 o m ，长度一般1 5 3 5 m ，大者达5 0 m 以上。 7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩的受力状态和设计理论的同时，又研究 开发了排架桩、刚架桩，椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗滑桩的受力状态， 节省圬工和钢材。但由于施工要求高于单桩，至今应用不广。 ( 3 ) 8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中开始大量采用锚索 工程。由于锚索系用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大，预应 力锚索使一般支挡结构物由被动受力变为主动受力，对滑体扰动小，又能机械 化施工，所以应用前景广阔。目前锚索的应用有两种情况： 锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”。在抗滑桩顶部加2 - 4 束锚索， 增加一个拉力，改变了原普通抗滑桩的悬臂受力状态，上端接近简支梁受力， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 加预应力使桩由被动受力变为主动受力，因而大大减小了抗滑桩的截面和埋置 深度。 用锚索单独稳定滑坡。即在滑坡体上设置若干排锚索，锚固于滑动面以 下的稳定地层中，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加预应力来稳定滑坡。 1 3抗滑桩的设计计算理论 1 3 1 传统理论 1 塑性理论 t o m i oi t o 等人提出了塑性变形理论，后逐步形成一套比较实用的设计计算 方法。其主导思想是，抗滑桩的设计不仅要保证全部桩发挥作用时土体的稳定， 而且还要保证每根桩本身的稳定。主要包括下述计算过程：滑动面以上土体作 用于抗滑桩上的侧向压力；桩体的稳定分析，土坡的稳定分析。该理论的前提 假设是：随着滑动土体的位移增长，作用于桩上的侧向土压力从零开始逐渐地 增大直到桩周土体强度达到极限值；假定土体已经滑动，滑动面上的抗剪强 度尚未降低；桩周土体为塑性体；桩为刚性材料。然后根据桩周土体的塑性变 形状态，推导出作用于抗滑桩上的侧向土压力计算公式，从而用来研究排桩间 距、桩顶固定条件、桩在滑动面以上的长度、直径和剐度等因素对边坡稳定性 的影响。此外t o m i oi t o 等人同时还把土体作为b i n 曲a m 型粘塑性材料，进而 推导作用于桩体上的侧向土压力，提出了塑性流动理论，僵由于该理论中一个 对计算结果影响很大的重要参数塑性粘滞系数难以精确估计，用该套理论 计算的结果往往与实测值和试验都不符，因此并没有形成具有实用价值的设计 计算方法。塑性理论方法也被用于多排桩的设计计算，此时假设每个排桩均远 离相邻的排桩，从而忽略各排桩之间的影响。 由于塑性理论的解都是极限解并且缎定桩是刚性的，所以与实际情况并不 相符。实际上，桩体变形对土压力的影响很大，在土体发生塑性破坏前，桩往 往已达到弯曲破坏，因此土压力的理论计算值总是高于实测值。 2 地基系数法 因为桩的横向尺寸与其轴向长度相比要小很多，所以经典的梁挠曲理论是 可以应用的，由此可以推出桩的微分方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 e p ，i 子= k 0 p 一“，) ( 1 - 1 ) 坛 式中：。桩的弹性模量( k p a ) ； ，桩截面的埙性矩( m 4 ) ； h 广_ 无桩时( 不考虑相互作用) 求得土体在该处的位移( m ) i k b - f ( z ，“。，“，) 是地基系数( k p a m ) 。 p o u l o s 的研究结果表明，用这种方法计算时，桩体最大弯矩理论值偏高， 而桩头反力值却偏低。b a g u e l i n 于1 9 7 6 年也进行了类似的研究，发现土体水平 位移的计算值往往比实测值小得多，只有代入实测的土体位移值，才可得到满 意的结果，丽这是相当困难的。该方法的另一个局限是仅适用于单桩的情况。 3 散体极限平衡理论法 沈珠江1 9 9 0 年提出了不仅考虑了土坡与桩的整体滑动计算，而且还包括了 土体绕桩滑动计算的散体极限平衡理论。基于这套理论建立的设计计算方法主 要包括以下步骤：桩的绕流阻力计算整体滑动验算、绕桩滑动验算，以及 桩的破坏验算。 极限设计的原则是假定参与工作的各部件都己达到极限应力状态，各自发 挥了最大的承载力，然后按安全系数对其折减。就抗滑桩来说。极限状态应当 是土坡恰好将要滑下，桩刚好要折断或倾倒，而桩间土又恰好要绕桩流动。因 此上述的各步计算都是在这种特定状态下进行的。 1 3 2 抗滑桩的工程计算方法简介 目前国内计算抗滑桩，一般是将地基土视为弹性介质，应用弹性地基梁的 计算原理以捷克学者温克勒提出的“弹性地基”的假说作为计算的理论基础。 由于对滑动面以上桩前滑体所产生的作用看法不同，因而桩的计算方法不 同，大体上可归纳成两种。 1 悬臂桩法 将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑力或 被动土压力视为已知外力。并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在滑 动面以上桩身的设计荷载，然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段 的桩侧应力以及桩身各截面的变位、内力。桩的计算图式，相当于锚固在滑动 面以下的悬臂结构，故称为悬臂桩设计法。此法出现旱，计算简单，在实际中 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 应用较多。该方法为本论文所采用。 2 地基系数法 将滑动面以上桩身所承受的滑坡推力作为已知的设计荷载，然后根掘滑动 面上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地基上的梁来计算，因而对滑动 面的存在及影响没有考虑。这样做，只有刍求出的桩前土体弹性抗力小于或等 于桩前土体实际具有的剩余抗滑力时才可以，否则不合理，应改用换算地基系 数重新计算，直至桩前土体弹性抗力等于或近似等于桩i ；i 土体实际剩余抗力为 止。 根据对地基系数的假定条件不同，又可分为常数法、“m ”法和混合法三 种。 ( 1 ) 常数法 认为地基系数k 为一常数，不随深度的增加而增加。该法适用于较完整的 硬质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。 ( 2 ) “m ”法 认为地基系数随深度的增加成比例增加。该法适合用于一般硬塑一半擎硬 的砂粘土、碎石土和风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加而增 加的地层。 ( 3 ) 混合法 认为地基系数随深度的增加而增加。但到一定深度后就不再增加，即采用 “m ”法和常数法的混合计算。 。 根据国外的文献资料来看，一般对侧向受力桩进行研究较多，而对滑坡中 抗滑桩的研究资料较少，一般把抗滑桩纳入侧向受力桩的范畴。 1 3 3 有限元法分析抗滑桩 有限元法作为普适性较好，模型化能力强的数值方法，对于任何复杂程度 的桩一土相互作用问题都是一个可行的途径，是一种“以不变应万变”、形式和 途径都较为统一、可编程性好的数值分析方法。 随着计算机技术的迅速发展，近年来越来越多人开始采用有限元分析桩的 受力状态，为桩的设计计算提供了一种新的途径。目前采用有限元分析的一个 总的特点是：根据极限平衡法求得滑坡推力，然后假定滑坡推力的形式作用于 桩上，用有限元分析桩在此分布力作用下与桩前土体的相互作用。此方法来考 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 虑到土体应力应变特性和桩与滑面以上的桩后土体f b j 的相互作用等因素。 1 4本论文的主要研究内容 本篇论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对现场两根试桩水平静载试验数据进行理论分析，根据“m ”法和常 数法的相应计算公式，求出m 值、| 值随荷载的变化规律。结合现有规范，提 出适合于昔格达岩层作为滑床时的地基抗力系数的比例系数州值或地基抗力系 数k 值。当桩身在弹性范围内工作时，将各级荷载下得到的理论弯矩值与实测 弯矩值进行比较，从而提出当昔格达地层作为滑床时，其地基抗力系数的分布 模式。 ( 2 ) 根据收集到的资料对现有滑坡进行稳定性评价，计算出滑坡推力，在 滑坡推力的形式不明确的条件下，本论文分别按梯形分布与抛物线分布考虑， 结合静载试验得到的结论对工程桩进行计算，总结理论计算结果的特点。对多 根工程桩的观测资料进行整理分析，对现有工程桩的稳定性进行评价。将理论 计算结果与工程桩的实测结果进行对比分析，提出比较适合于永郎地区抗滑桩 工作时其受荷段滑坡推力的分布形式。进行这部分的计算时，滑坡断面图、桩 身尺寸、桩长、锚固段深度以及桩间距等关键资料都以设计采用的为准。 ( 3 ) 根据理论计算出的桩身内力值按混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 进行昔格达岩层中抗滑桩的桩身结构承载力设计，进行配筋计算， 并将配筋结果与设计的配筋量进行比较，从而使昔格达岩层中抗滑桩的设计能 更加合理、经济。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章现场静载试验与成果分析 2 1试验场地 本次试验的工点结合工程情况选在西攀高速公路c 4 合同段永郎互通式滑 坡工点，该滑坡位于永郎互通式a 匝道右侧，为两个滑坡组成的古滑坡，主滑 方向纵长约1 7 5 米，后部宽8 0 米，中部宽1 4 0 米，体积约1 5 3 0 0 0 立方米，主 滑方向1 6 2 。，滑体主要由含砾低液限粘土组成，平均厚6 5 米，滑床为昔格达 组细砂岩夹泥质粉砂岩，为典型的昔格达滑坡。本次试验主要研究人工挖孔灌 注桩的抗滑承载往能，本试验共设置2 根静载试验桩，分剐以b 8 ，b 1 0 两根工 程抗滑桩作为反力支座，桩的截面形式为矩形，截面尺寸设计为8 0 c m x l 2 0 c m ， 桩长为1 2 m ，桩身入土长度确定为l l m 。另外，在同一场地中对三根工程抗滑桩 b 6 、b l l 、b 1 7 进行长期观测，其中b 1 1 桩身内布置测斜管和钢筋计，以观测 桩体在滑坡推力的长期作用下的水平位移及其内力分布情况；b 6 、b 1 7 桩身内 仅布置测斜管。试验场地的平面布置图如图2 - 1 所示。 附：1 b 型抗滑桩2 一观测桩b 6 卜观测桩b l l 4 一观测桩b 1 7 5 挡士墙卜试桩17 叫式桩2 图2 - 1 场地平面布置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2场地工程地质概况 2 1 1 地形地貌 场地位于安宁河右岸的冰水及山前坡洪积扇后缘的斜坡上，罗乜沟左侧。 场地内斜坡坡面成圈椅状横坡由北倾南，坡角上陡下缓，变化在2 0 - - 3 0 度间， 呈多级台阶式分布，局部为2 0 5 o m 的陡坎，东侧发育一条小沟，现坡面多 为旱地和建有少量农房。 斜坡下坡洪积扇长8 0 0 m ，宽1 5 0 - - 4 0 0 m ，横坡由北西缓倾南东，坡角变 化在3 7 度间，为水田旱地，局部为1 3 m 高的陡坎，后缘农舍密布，现已 拆除。 场地内斜坡地面商程变化在1 3 1 0 - - 1 2 2 5 m 间，相对高差约8 5 r n ，地表出露 含砾低液限粘土，在罗乜沟左岸沟壁出露昔格达地层积扇地面高程变化在1 2 2 5 1 2 0 0 间，相对高差约2 5 m ，地表出露含小块石低液限粘土。场地属侵蚀堆积 地貌地形。拟建公路以路堑形式顺坡角走向通过场地。 2 2 2 地层岩性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 置嚣嚣 麓i 掣*k舞一崭碟一：j一 塾副瓯堕l 一匠殂植-艰匣鼠里中土一司一一)一 犀疆0锺蜂；罔倒舞彘牡簟堪团验搽勰困一盥目一f 嚣蛛最略重r=： 一 释馥$篙瓣圃n j i u事每薯盯：掣囵；。网心 蠕蝴球磷目溉m*叭豫匡 蝉辱鼍蛘察端精甜峰目蠊匡 lg嚣田刨警嚣鬻蓍蜮引到啦辱蒜棠琳#卅*自rm”倒 雎嚣斟堞蟮崔嚣端甜罐礤瑶p口一 露 豇 3 矗互 量 曼萋曼墨曼萋 墨 墨 鸯萎 曼 量 量 量塞 匦建疑攀餐黉裂一蛾蛰酃鬟察寸h函 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 质分别富集，夹细纱岩薄层。 泥质粉沙岩、细砂岩岩质极软，能捏碎，其中泥质粉沙岩强度略高于细砂 岩，脱水时易沿层理面丌裂。 昔格达组地层( n q 。) 钻探揭露厚度大于3 1 0 0 m ，岩石强风化带厚约5 0 1 3 5 m 。 2 2 3 岩土体工程地质特征 滑坡区岩土体经过工程地质钻探揭露主要为昔格达的基岩和松散土两个类 型，按结构和物理力学性质划分为两个岩性组合类型。 ( 1 ) 昔格达基岩建造类型的基本特征 滑坡区可分为软、硬相臼】层状细砂层和泥质粉砂岩不等厚互层及泥岩岩组， 由于组成物质不同，岩层的结构、构造有所区别，不同岩性的力学性质也有差 异。基岩主要力学参数统计见表2 1 。 表2 - 1 岩石试验成果统计表 块体密度 抗压强度 标天然 天然饱和 | 客酢m m p am p a ， 频数333 细弱 平均值21 6 71 0 7 砂风 标准箨o 0 20 2 5 2o 1 1 5 岩化 变异系数o 0 10 1 5 1 0 1 0 8 ( 2 ) 松散土类的基本特征 由残坡积、洪坡积、冰水堆积、滑坡堆积物组成，主要物质成分为含砾低 液限粘土。物理力学性质见表2 2 、2 - 3 。 在天然状态下，含砾低液限粘土中低液限粘土呈硬可塑状，结构较松散， 而在饱和状态下呈软塑流塑状，强度大大降低。 由于松散土岩性软弱，未胶结，在外动力作用下易沿软弱面产生滑动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3水平静载试验方案 2 3 1 加载系统设计 本次试验的最大加载能力设计为2 0 0 0 k n ，加载系统由一个5 0 0 吨级的千斤 顶和千斤顶后的传力柱组成，以工程抗滑桩作为反力支座，在实际的加载过程 中，采用的是两个2 0 0 吨级的千斤顶，加载系统的布置详见图2 5 、2 - 6 。 r 一8 8 0 0 一一一基准装蜓堂钢) 一j ； 试桩l ( 2 ) _ 4 塑9 箍萱 ! ：螽惫0 勉毽i 坳漩二j ! ： 誉_ r 专专羔，i ! 、一橡胶肇一7 l 基准琏! 塑铟帮p l 一一一一一2 0 0 0 一瑶。韭，- 0 图2 - 5加载系统平面布置图单位( r a m ) 西南交通大拳硕士研究生学位论文第1 8 页 比例尺1 ：l o o 蚀瞳】2 q q 传力柱 球铰 、千斤顶- o i l l o 是。 t 墨p 7 ，i r一，一， t 一。一 。 、钢板“ 昔格达地层表面 橡腔垫 及力柱 试桩1 ( 2 ) 抗滑桩8 8 ( b l o ) 一o o o n f 一 2 3 2 测试系统 图2 - 6 加载系统立面布置图 单位( r a m ) 用s p 8 a 型位移数显仪量测试桩在荷载作用下的泥面处的位移，在靠近基 准梁一侧的桩面上对称地安装2 组位移传感器和2 组机械式百分表，百分表用 以校核位移传感器的读数，位移传感器和百分表用磁性表座固定在基准梁上， 根据现场情况利用工字钢架设相应的基准梁，其布置如图2 - 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 7现场测试情况 2 3 3 静载试验 本试验采用慢速维持荷载法：此法是国内外最常用的一种方法，试验时， 按一定要求将荷载分级，逐级加载，每级荷载下地面处桩身水平位移增量达到 某一规定的相对稳定标准，再加下一级荷载，直到破坏，或达到规定的终止试 验条件时，停止加载，然后分级卸载到零一一。 各试桩的静载试验在成桩后混凝土达到能承受设计要求荷载以后进行。本 次试验执行公路桥涵施工技术规范( j t j0 4 1 2 0 0 0 ) 标准，并参考建筑基 桩检测技术规范( j g j l 0 6 2 0 0 3 ) ，采用单循环加载试验方法，分级加载，加载 级数预定为1 0 级。 加载和卸载过程： 1 ) 每级荷载施加后的第一个小时内每隔1 5 分钟、第二个小时内每隔3 0 分钟、以后每小时测读一次地面处桩身的水平位移量，直至位移稳定后再施加 下一级荷载。整个桩身应力、桩身水平位移及桩侧土抗力的测量待每级荷载作 用下水平位移稳定后同步进行； 2 ) 位移稳定标准：一小时的水平位移增量不超过0 1 m m ，并连续出现两 次； 3 ) 卸载过程：加载过程中止后进行卸载。每一级卸载量为加载量的两倍， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 即进行隔级卸载，每级荷载卸下后立即测读一次地面处桩身水平位移，以后隔 3 0 分钟测读一次位移，读两次后进行下一次卸载。全部卸载完毕后隔3 小时 再读一次位移。 终止加载条件： 当出现下列情况之一时终止加载： 1 ) 桩身折断： 2 ) 水平位移总量超过6 0 m m ； 3 ) 出现可能威胁反力系统安全的迹象时。 现场静载试验自2 0 0 5 年1 2 月1 8 日开始，至2 0 0 5 年1 2 月2 4 只结束，图 2 8 是现场试验时的照片。 图2 - 8现场加载情况 2 4 静载试验主要成果分析 2 4 1 试验目的 目前在抗滑桩的设计中，对于锚固段的计算，地基抗力系数的分布形式常 采用三角形分布或矩形分布，即所谓的“所”法和常数法。当地层为较完整的 岩层和硬黏土时，地基系数应为常数k ：当为硬塑半干硬的砂黏土、碎石土 或风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加而增加的地层时，其地 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 基系数一般为三角形分布。针对昔格达这种软岩地层，其地基抗力系数的分布 究竟采用何种分布形式，以及相应的m 值或k 值取多少合适，目i i i 尚不清楚。 因此本静载试验的主要目的其一就是拟提出一个比较适合昔格达地层的m 值 ( 对“，l ”法) 或k 值( 对常数法) ，以供在以后的设计中使用：其二就是将通 过理论计算得到的桩身内力( 主要是弯矩) 分布与实测的桩身内力( 通过预埋 的钢筋计元件测得) 进行比较，以此来寻求永郎地区昔格达地层作为锚固段时 其地基抗力系数的分布形式。 2 4 2 现场水平位移记录与临界荷载判定 本试验采用单循环连续加载法，其荷载作用点的位移可取荷载稳定时间内 的最后一次读数，试桩的荷载位移之间的相关测试数据列出于表2 4 ，表2 ，5 中。 表2 - 41 号试桩水平静载试验数据 级荷载p 历时r a i n地面处位移s r a m 备注 数，k n 本级累计本级 累计 14 2 0 51 2 01 2 0 0 2 3 50 2 3 5 28 2 3 51 2 02 4 0 0 5 5 50 7 9 0 31 2 2 6 51 2 03 6 0 0 8 3 01 6 2 0 41 6 2 9 4 1 2 04 8 00 9 8 52 6 0 5 52 0 3 2 41 2 0 6 0 01 1 4 53 7 5 0 62 4 3 5 4 1 5 07 5 01 5 9 55 3 4 5 72 8 3 8 32 4 09 9 0 2 5 0 07 8 4 5 83 2 4 1 34 51 0 3 51 5 8 09 4 2 5 92 2 3 3 96 01 0 9 50 1 0 59 3 2开始卸载 1 01 6 2 9 46 01 1 5 5- 0 8 4 5 8 4 7 5 l l 8 2 3 56 01 2 1 52 4 7 06 0 0 5 1 2o 1 8 01 3 9 53 6 8 02 3 2 5 卸载后的同弹率= 7 5 3 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 级荷载p历时m i n 地面处位移s m m 备注 数，k n本级累计本级累计 1 2 1 9 1 1 2 01 2 0 0 0 3 50 0 3 5 2 4 2 0 5 1 2 02 4 0 o 0 5 50 0 9 0 3 6 2 2 o1 8 0 4 2 0 0 1 8 00 2 7 0 41 0 2 5 o 1 8 0 6 0 0 o 4 7 50 7 4 5 51 2 2 6 5 2 2 0 8 2 00 2 9 i 0 3 5 61 4 2 8 0 1 3 0 9 5 0o 2 2 51 2 6 0 7 1 7 3 0 2 2 9 01 2 4 00 8 5 52 1 1 5 8 2 0 3 2 4 9 0 1 3 3 00 7 1 02 8 2 5 92 3 3 4 61 8 01 5 1 0o 8 7 03 6 9 5 1 02 6 3 6 92 1 01 7 2 01 3 7 55 0 7 0 1 12 9 3 9 11 9 51 9 1 51 4 2 06 4 9 0 1 23 2 4 1 33 6 02 2 7 52 7 4 59 2 3 5 1 3 3 5 4 3 ，5 3 0 02 5 7 54 3 1 51 3 5 5 0 1 4 3 7 9 5 4 1 2 02 6 9 51 1 5