（岩土工程专业论文）抗滑桩桩间土拱效应及其有限元模拟研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究粘性土和无粘性土中抗滑桩桩间土拱成拱机理，在此基础上分析 抗滑桩桩间土拱效应，并进一步确定抗滑桩的临界桩间距计算方法。在理论分析基 础上采有限元方法研究土拱的成拱机理，土性参数、桩土之间接触面的粗糙程度、 桩间距等因素对桩间土拱形成的影响。主要内容包括如下四个方面： 1 根据大小主应力拱理论和颗粒物质理论分析粘性土和无粘性土中的抗滑桩 桩间土体成拱机理，进一步分析土体中抗滑桩桩间土拱的类型。最后应用数值模拟 的方法分析了桩间士拱的形成机理，并进一步说明上述理论分析的正确性。 2 在总结根据土拱理论研究抗滑桩桩间土拱效应的基础上，分析粘性土中设置 抗滑桩桩间土拱效应。应用土拱理论中的拱形梁法对拱脚的作用位置、拱的形状、 土拱的破坏条件等方面进行深入的研究，并得到合理的结论，并根据上述结论提出 粘性土中抗滑桩临界桩间距的确定方法。 3 在工程实践中，在无粘性土中设置抗滑桩，桩间土体一般无法形成大主应力 拱，主要以小主应力拱的形态存在，目前对这方面的研究还很少看到。本文拟针对 抗滑桩间的小主应力拱的形状，受力机理，以及滑坡力的转移机理进行研究，并进 一步得到抗滑桩的临界桩间距的计算方法。 4 针对粘性士和无粘性土中，采用不同的本构模型，对抗滑桩间的土拱效应进 行了大量的数值模拟，研究了各种因素对桩问土拱的影响。并把数值模拟结论和前 面的理论分析进行了对比，得到了一致的结果，进一步证明了理论分析的正确性。 关键词：抗滑桩、土拱效应、大主应力拱、小主应力拱、颗粒物质、临界桩间距、 有限元分析 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , t h em e c h a n i co fs o i la r c hb e t w e e na n t i s l i d ep i l e si nd i f f e r e n tg r o u n d w i l lb ea n a l y s e d , a n db a s e do nt h i s ，t h es o i la r c he f f e c ti nd i f f e r e n tg r o u n dw i l lb e r e a e a r c h e da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fc r i t i c a ls p a c eb e t w e e np i l e sw i l lb ed e c i d e d b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，t h em e c h a n i co ff o r m i n gs o i la r c h , p a r a m e t e r so fs o i la n dt h e r o u g h n e s so fi n t e r f a c eb e t w e e ns o i la r o u n dp i l e sw i l lb ei n v e s t i g a t e db ym e a 1 l so ft h e f e m t h ec h i e f l yc e n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a e e o r d i n gt ot h em e c h a n i co fb i ga n ds m a l lp r i m a r ys t r e s sa r c ha n dp a r t i c u l a t e m a t t e rt h e o r y , t h es o i la r c hm e c h a n i co f a n t i s l i d ep i l e si nd i f f e r e n te a r t hi sd o n e , a n dt h e n , w es t u d yt h es o i la r c hs t y l e so fa n t i s l i d ep i l e si nd i f f e r e n tg r o u n d l a s t , t h em e c h a n i co f s o i la r c hb e t w e e np i l e si ss i m u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i ts h o w st h a tt h ea n a l y s i s a b e v ei sc o r r e c t 2 o nt h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c ho ft h es o i la r c hb e t w e e na n t i - s l i d ep i l e s ，t h e s o i la r c he f f e c to fs e t t i n ga n t i - s l i d ep i l e si nc l a ys o i li ss t u d i e d b yu $ eo ft h ee f f e c t l o c a t i o no fa r c h e db e a mt os p 衄i ns o i la r c ht h e o r y , t h es h a p ef oa r c ha n dd a m a g e c o n d i t i o no fs o i la r c ha n ds oo n , t h er e a s o n a b l er e s u l ti so b t a i n e d ，a n do nt h eb a s i so ft h e r e s u l t , i tc a np r o p o s et h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fc r i t i c a ls p a c eb e t w e e na n t i s l i e dp i l e si n c l a ys o i l ， 3 i nr e a le n g i n e e r i n g , i tc a n tf o r mt h eb i gp r i m a r ys t r e s sa r c ho fs o i lb e t w e e np i l e s w h e nm o u n t i n gt h ea n t i - s l i d ep i l e si nn o n - v i s c o u ss o i l ，a n di ta p p e a r st ob es m a l lp r i m a r y s t r e s s 。l i t t l er e s e a r c hh a sb e e n d o n ef o rt l l i sf i e l d ，t h i sp a p e rw i l ld os o m er e s e a r c ha i m i n g a tt h es m a l lp r i m a r ys t r e s sa r c hs h a p eo fa i t i - s l i d ep i l e s b e a r i n gm e c h a n i c sa n dt r a n s f b f m e c h a n i c so fl a n d s l i d ef o r c e l a s t ，t h ec a l u c a t i o nm e t h o do fe r i t e r i c a lp i l es p a c eo f a n t i - s l i d ei sg a i n e di nn o n - v i s c o n ss o i l 4 h it h i sp a p e r , d i f f e r e n tc o n s t i t u t i v em o d e l sa r eu s e df o rd i f f e r e n ts o i lt os i m u l a t e t h es o i la r c he f f e c to fa n t i s l i d ep i l e si nl a r g en u m b e r , a n dt h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sf a c t o r s t os o i la r c hb e t w e e np i l e si sw o r k e d i ts h o w st h a tt h et h e o r ya n a l y s i si sc o r r e c tb y c o m p a r i n gt h es i m u l a t e dr e s u l t sw i t i it h et h e o r ya n a l y s i sa b o v e , a n dt h ec o n c l u s i o n sf r o m t h es i m u l a t i o na n dt h et h e o r ya r eu n i f o r m k e yw o r d s ：a n t i s l i d ep i l e s ，s o i la r c h i n g ，m a j o rp r i n c i p a ls t r e s sa r c h i n g ，m i n o r p r i n c i p a ls t r e s sa r c h i n g ，g r a n u l a r ，c r i t i c a lp i l es p a c i n g ，f e a 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年弓月咖 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代城市建设的迅速发展和人口的高速增长，土地资源越来越紧张。人类 不得不开挖山体，利用有限的切坡地面进行各种工程建设和房屋开发，这势必带来 岩土边坡稳定问题。由于不合理的开发利用及防护不当，经常出现大量的天然或人 工边坡滑塌失稳，造成人员和财产的重大损失【“2 】。如何有效地防治滑坡灾害，又能 充分地利用有限的土地资源，抗滑桩加固边坡逐渐受到岩土工程界的广泛关注【3 胡， 但其工作机理与设计方法仍有待更深入的研究。与传统的抗滑挡墙、锚杆等加固或 支护方式相比，抗滑桩具有适用范围广、抗滑能力强、施工安全简便、速度快、工 程量小、投资少、不会进一步恶化滑坡环境且能有效核实地质条件并及时调整设计 方案等优点。国内外自在2 0 世纪7 0 年代开始将抗滑桩应用于铁路部门的滑坡加固 中以来，取得了良好的工程效果【6 - 刀；进几十年来，抗滑桩已经在国内外滑坡防治工 程中大量使用，效果很好 a l 。目前关于抗滑桩的承载特性、桩一土相互作用机理、 荷载传递规律、以及桩间距的确定等方面尚存在争议，迄今为止也没有取得统一的 分析理论与设计方法，有待于开展深入研究。当前大多数的抗滑桩设计与计算是通 过单桩的受力分析而推及排桩的【9 】，通过单桩受力分析而设计的抗滑桩( 包括抗滑桩 的间距、锚固深度、桩的截面形状和强度等) 尽管与抗滑桩的实际工作状态有一定出 入，但仍然是可行的，其设计方案偏于安全；但这不能充分反映抗滑桩的实际工作 状态，抗滑桩实际上是通过桩排在起作用，而从节约原材料、减少工程量的角度来 讲，这显然是欠妥的。造成这种现象的原因主要是对抗滑桩周边的土拱效应的产生 机理尚未完全弄清楚。 在滑坡土体中设置抗滑桩，桩间土体可以形成土拱来阻止桩后土体从桩问滑出， 进而起到抗滑作用。土拱的形成与否，决定着抗滑桩是否发挥作用，充分利用土拱 效应，对经济合理设置抗滑桩的排列间距具有重要意义。最大跨度的土体成拱作用 可以充分发挥土体的自承载能力，并成为确定桩间距的合理经济参考p 1 4 1 。迄今为 止，国内外学者对这方面做了大量的工作，并将研究成果付诸实践，对工程设计进 行指导、优化，并取得了良好的效果。由于用试验的方法测定抗滑桩桩间土拱形成 非常难以实现，大部分学者转而寻求数值模拟的方法进行研究。尤其是随着大型的 商业数值模拟软件的成熟，用数值模拟的方法研究土拱理论及其在工程中的应用得 到了很大的发展。数值模拟的结果有助于我们更透彻的了解抗滑桩的工作机理，并 对比理论研究，使我们对抗滑桩的桩土相互作用机理、荷载传递规律有更加明确的 认识 1 5 2 0 】。因此，开展抗滑桩桩间土拱效应的研究，采用土拱理论和数值模拟的方 第一章绪论 法分析抗滑桩的桩土相互作用机理、荷载传递规律、以及疏桩桩间距的确定，将为 抗滑桩的设计与使用提供技术储备，具有重要的科学意义；同时在工程设计与建设 中具有重要的实际应用价值。 1 2 土拱效应研究现状 要想研究抗滑桩桩间土拱效应，透彻的分析桩间土拱效应的形成机理，以及桩 土之间的作用形式，有必要首先了解土拱效应的研究现状以及前人在此领域的研究 成果。土拱效应，也就是“粮仓现象”，它和结构上的拱形建筑有着本质区别，结构 拱是先有拱，后受力，而土拱本质上是土体内部的一种应力迁移现象，把应力由屈 服部分的土体转移到相邻的未屈服的土体或周围稳定的介质中 2 h 。由于土体的不均 匀位移形成了土拱，土拱的形成改变了介质中的应力状态，引起应力重新分布，把 作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周围稳定介质中去。 1 2 1 土拱效应的发现及其土拱存在的条件 1 9 4 3 年口】，t e r z a g h i 通过著名的活动门试验证实了土力学领域中土拱效应的存 在，并指出“无论是在现场还是在实验室中，土中的土拱都是一种普遍的现象”，并 得出了土拱效应存在的条件：( 1 ) 土体之间产生不均匀位移或相对位移；( 2 ) 作为支 撑的拱脚的存在。贾海莉等【z 3 j 认为，除了上述两个条件，土拱效应的存在还应满足 第3 个条件：拱体形成处土体中的剪应力小于其抗剪强度。吴子树等【2 4 】研究了粘性 土中的土拱形成机理和存在条件，指出土拱的形成是由于土中的不均匀位移，使士 颗粒间产生互相“楔紧”的作用所致。土拱的形成与土的粘结力c 、摩擦角由、容 重y 等因素有关。当土层处于低压实度或含水量较大时，工程中不能考虑土拱效应 的作用。 1 2 2 土拱的形状 h a n d y 2 5 应用摩尔圆分析了土体中主应力方向变化后，指出土拱的形状就像悬挂 于两个固定拱脚之间的悬链线。在1 9 8 9 年，k h a r r o p - w i l lj a m s 2 6 】指出拱的形状也 可以近似用圆形拟合。贾海莉等1 2 3 】认为，土拱效应中的“土拱”不同于日常生活中 肉眼能够看到的拱形结构。土拱的形成是土体在力的作用下产生不均匀位移，调动 自身抗剪强度以抵抗外力的结果，即所谓先有力，后有拱。土体自发形成土拱，必 然应使其最大限度地发挥效益，因此，土拱的拱形及结构一定是最合理的，结构力 学上称这种拱形为“合理拱轴线”。事实上，上述的结论都有其合理性，h a n d y 主要 分析的是无粘性土中的小主应力拱的拱轴线，而贾海莉等分析的是粘性土中的大主 应力拱的拱轴线，详细的论述在本文后面还会涉及到。 1 2 3 大小主应力拱理论 2 第一章绪论 由于土拱是土体内部应力自我调整的结果，所以土拱的拱轴线必然是土体主应 力连成的曲线【2 3 2 7 2 町，根据土拱的主应力分布形式，现在主要有两种主应力理论。 下面对两种土应力理论做简要介绍。 1 2 3 i 小主应力拱理论 h a n d y ”】在分析了前人的理论与试验的基础上，在1 9 8 5 年指出，在无粘性土中， 土拱中的应力分布和我们日常见到的结构拱是不同的。在结构拱中，大主应力是连 续的，小主应力是不连续的，即所谓的大主应力拱；而土拱中的应力分布恰恰相反， 小主应力是连续的，称之为小主应力拱。并把m o h r 圆引入到土拱分析中，用来说明 小土应力拱的形成。小主应力拱的形式及边界处土压力形式如图1 1 所示： o h c 2 p o l 日m p 忻 z 三2 、 彳p b 妊n篆l 、一 心 c e n t e 黔o l 妙 p c ( a ) 用摩尔圆表示边界处的土压力 ( b ) 小主应力拱轴线 图1 1 ：小主应力拱应力分析图 1 2 3 2 大主应力拱理论 胡敏云等【2 7 2 8 1 在分析护壁桩桩间土拱效应时，提出桩间土体可以形成类似于结 构拱的大主应力拱，指出拱的形状可以用圆形来近似模拟，并用m o h r 圆分析了边界 处的土压力，大主应力拱的形式及边界处的土压力形式如图1 2 所示。 0 l _ p z 气 彳弧 ； p b 一 遗 j vo h0 l 一 、 p c ( a ) 用摩尔圆表示边界处的土压力 ( b ) 大主应力拱轴线 图1 2 ：大主应力拱应力分析图 3 肭 o 力i妯划_i一浏一 声 厦 赤一 第一章绪论 朱碧堂掣2 9 删也在总结前人理论和联系实际工程的基础上，提出了大主应力拱 理论，并把土拱简化成拱形梁，进而由桩土之间静力平衡条件进行桩土之间的受力 分析，并把此种方法称做拱形梁法。在之后的大部分研究土拱理论的学者，大都是 在此基础上再做进一步理论研究的。 1 2 4 颗粒物质理论在研究土拱效应中的应用 颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。例如：自然界中沙石、 土壤、浮冰、积雪等。物理学中讨论的颗粒物质一般指粒径尺寸d lui d 的颗粒组 成的宏观体系。当颗粒尺度小于1 | lm 时，热运动即布朗运动会有重要影响f 3 l 】。由 于颗粒物质理论可以用来分析无粘性土中的土拱效应，所以下面对颗粒物质做简要 的介绍。 1 2 4 1 颗粒物质的定义及其理论对研究土拱效应的可用性 离散颗粒材料集合的研究及其工程应用是近年来由多学科交叉发展起来的- - f - j 新兴学科，它由大量的基础科学和许多相关的应用技术组成。颗粒系统不同于连续 介质材料，有许多独特的性质，其研究具有重大的基础科学意义和工程应用背景【3 2 3 3 。当今，颗粒材料研究已受到了越来越多科学家的关注，颗粒材料研究及工程应 用研究正在悄然成为新的国际科研热点领域之一，经过研究者们的努力，人们对颗 粒材料体现的丰富多彩的现象已有了初步的认识，得到了一些规律。在岩土工程中， 人们常采用离散颗粒材料的一些鲜为人知的特性解决某些工程问题。文献 3 4 详细的 研究了颗粒物质在岩土力学中的应用，指出运用颗粒物质理论去掌握微细应力传递、 变形破坏规律，研究颗粒之间和颗粒与孔隙及外界之间各种作用力的相互影响，可 以为岩土工程出现的问题给予更科学的解释并加以解决，也有助于岩土工程材料以 及土体固结、流变机理的深入研究。 岩土工程中主要把土体分为粘性土和无粘性土，我国土工规程一般将颗粒粒径 大于7 5u1 t i 的土颗粒定义为无粘性土【”】，而由上文可知物理学把颗粒尺度大于1 肛 m 的物质定义为颗粒物质，由此我们可以把无粘性土归入颗粒物质范畴之内，并把 颗粒物质理论应用在无粘性土工程中土拱效应的分析中。而在粘性土中，由于粘性 土颗粒极度微小，颗粒之间的微观作用起主要作用，所以无法用颗粒物质理论进行 解释。这也说明了粘性土和无粘性土中土拱成拱机理必然是不一样的。 1 2 4 2 颗粒物质理论的简介 颗粒物质即不同于固体物质，也和流体物质有很大的区别。颗粒物质的主要共 性是：相互作用以摩擦为主；由温度引起的热运动在体系描述中可以忽略不 计；颗粒体系为能量耗散系。所以有一些异乎寻常的静态和动态特性，在这里不 一一介绍，主要介绍和本文有关的成拱现象和粮仓效应两种特性。 ( 1 ) 成拱现象p 叫：颗粒物质的一个重要特性是它的成拱现象。拱一旦形成可以 4 第一章绪论 承担很大的荷载而不崩塌，导致颗粒流堵塞。形成拱的条件取决于管子的直径和颗 粒大小的比值、颗粒间以及颗粒与管壁间的摩擦力的大小以及颗粒排列的紧密程度。 ( 2 ) 粮仓效应【圳：颗粒物体系与流体的一个极重要的不同之处是，其底面积受 力大小与体系的应力分布相关。而体系的应力分布与系统的形成情况紧密相关，系 统的形成条件决定了颗粒排列状态及其排列的紧密度，当颗粒体受纵向压力时，其 应力易于改向。倾向于横向分布，这是颗粒体系与均匀固体不同的特性。1 9 8 4 年， 英国科学家罗伯次茨( i r o b e r t s ) 首次观察到：粮仓地面所承受的力在粮食堆积高 度约大于两倍地面直径后，达到饱和不在增加。1 8 9 5 年，j a n s s e n 最早用连续介质 模型对这种现象给出了理论解释。由于本文主要应用此模型解决桩土相互作用问题， 在本文后面会做详细的介绍。物理学上把颗粒物质这一现象称为粮仓效应。 1 2 5 土拱理论在工程界的应用 土拱效应从发现至今已经有1 0 0 多年的历史，但是直到上个世纪中叶才逐步应 用到工程设计中。现在已经逐渐引起工程界的重视，b e l y a k o v 掣3 7 4 5 】f 艮多学者逐渐 把土拱理论应用到工程实践中。 国内土拱效应在工程中应用的研究起步比较晚，直到8 0 年代后期才开始引起工 程界的重视。1 9 8 6 年，黄泽恩m 】应用土拱理论分析了泥浆槽在短槽挖掘时的稳定性 问题。杨雪强f 4 7 4 8 】等总结了土拱理论在堤坝工程、加筋土工程、砖砌体工程、地基 片筏框架工程、边坡工程中的应用，并且探讨了群桩中的成拱效应。 1 3 抗滑桩中的土拱效应研究历史及现状 前人在大量滑坡防治工程实践中发现，抗滑桩桩间的土体会形成类似隧洞项和 桥梁拱圈的作用机理，我们把这种抗滑桩桩间土体的成拱效应称为桩间土拱。桩间 土拱受到滑坡推力作用后，立即将推力的大部份传递( 分摊) 到相邻两抗滑桩上，这 就是抗滑桩设计的原理和依据4 9 1 。很多学者从土拱理论、试验和数值模拟三个方面 对桩间土拱展开研究，并由土拱理论出发开展桩间距确定方法的研究。 1 3 1 理论研究 如前文所述，抗滑桩主要依靠土体在桩间形成土拱来阻止桩后土体从桩间滑出， 进而起到抗滑作用。w a n g 和y e n l 5 0 最早从土拱效应出发应用理论分析的方法分析了 无限土坡中的抗滑桩，并且得到一些重要的结果： 1 ) 最大的平均的拱的压力等于土坡在此处的滑坡力； 2 ) 当其它的条件都不变的时候，土的c 和妒值越大，土拱效应越明显； 3 ) 存在临界桩间距，一旦抗滑桩设置的桩间距大于临界桩间距，桩问就不会产 生土拱效应； 5 第一章绪论 4 ) 在无粘性土和粘性土中都会存在土拱效应。 很多学者根据上述结论，从土拱理论出发展开对桩间土拱的研究，主要集中在 以下几个问题：1 桩间土拱的形成、影响因素与几何形态；2 桩间土拱的受力与抗 滑特性；3 桩间土拱变形破坏；4 临界桩桩间距的确定。并且取得了一定的成果， 在下面分别就这些方面进行论述。 1 3 1 1 桩间土拱的形成、影响因素与几何形态 1 ) 桩阃土拱的形成：抗滑桩实际为桩截面很大，桩距较近的排桩或桩群，其抗 滑机理体现于桩、滑体、滑床三者间相互协调的工作过程中。桩所受到的不平衡推 力来自滑体的下滑，滑体下滑的瞬间是一种整体式的移动，可以说是滑体挟持桩做 整体滑动，好象桩根本不存在一样，这时，桩与滑体问表现出仅受均衡的土压力作 用。一旦桩与滑床出现相对位移的趋势，滑床就相继提供滑床与桩间的摩阻力以至 于桩前锚固段抗力。这时，桩随滑体下滑而表现出的刚性倾移而受阻，从而使桩与 滑体间也出现了相对位移的趋势。造成两点后果：桩后区滑体运动受阻，不断压 缩，出现了不均衡的侧压力；桩侧摩阻力、粘着力同时发挥作用。在桩起了阻抗 作用的同时，桩前下块基本上不受桩的约束，其逃逸的趋势最为显著；且桩前，桩 后区出现的运动趋势的不协调，使在桩间块体出现了土拱效应，它分担了一部分滑坡 推力，对桩及桩后区的稳定都是一种有利的因素【9 】。 2 ) 对桩间土拱形成的影响因素：抗滑桩桩间土体具有形成土拱的条件，土拱效 应是土体变形后受力的自我优化调整的结果，当土体的内摩擦角口、c 越大，土拱效 应越明显；桩间距越大，土拱效应越不明显；桩土之间的界面越粗糙，拱效应越 明显；土体蠕变特性使桩间土拱效应远比正常土层的桩间土拱效应要弱得多【1 8 - 5 ”。 3 ) 土拱的几何形态：当前学者主要还是假定桩间形成大主应力拱，在做进一步 分析的，如图1 3 所示。 图1 3 ：抗滑桩桩土相互作用示意图 桩间土拱主要的几何形态有圆形和抛物线形两种假设。胡敏云【2 8 1 在分析桩间土 拱效应时，假设桩间土拱的形状为圆形；而贾海莉等【2 3 5 2 】认为，土拱的形状应该为 合理拱轴线，在许多情况下，假定拱后荷载是均匀分布的，此时合理的拱轴线为抛 物线。 6 第一章绪论 1 3 1 2 桩间土拱的受力与抗滑特性 当桩间土拱形成时，其受力如图1 4 所示【5 3 】。由图可知，土拱前方首先受到来 自上部传来的滑坡推力p 的作用；由于滑坡推力的作用，使得土拱后侧受到土拱下 方土体抗力p 的作用，方向与滑坡推力方向相反；土拱接受滑坡推力后，要克服土 拱下方土体抗力p 和土拱本身沿滑动面的抗滑力，它们作用后的合力才是沿土拱传 递的有效推力f ，也就是在设桩处抗滑桩所受到的滑坡推力；抗滑桩侧受到有效推 力作用后，同时产生桩侧摩阻力t 。 图1 4 桩间土拱受力示意图 当设置抗滑桩后，桩间存在土拱效应，并形成桩间土拱。由于土拱本身允许的 压缩滑动变形较小，则利用土拱下方土体抗力作为支撑就更小。滑坡推力作用在土 拱后，通过土拱把推力传递到两侧的抗滑桩上，并通过抗滑桩的抗滑能力对边坡起 到支挡、稳定的作用。只有当土拱破坏时，土拱下方土体反力才会被充分利用p 】。 现在假设抗滑桩间距恰好小到土拱作用可以充分发挥，滑坡推力通过土拱传递到两 侧的抗滑桩上，这时桩间土体传递给桩前下块岩土体的滑坡推力就为零，也就是说， 这时土拱下方土体抗力对桩间土体的作用可以忽略不计。 1 3 1 3 桩间土拱变形破坏 土的破坏主要是由于剪切引起的，剪切破坏是土体破坏的重要特点 5 4 1 ，由此可 知土拱的主要破坏形式是剪切破坏。当土拱没有发生破坏时，最有可能发生破坏的是 拱项处截面和拱脚处截面，则此两截面处土体在其临界状态下最大、最小主应力应该 满足m o h r c o u l o m 破坏准则【5 3 】： q 叫拼卜罢 + 2 c t a n 4 5 0 + 纠 ， 也有学群8 1 认为土拱的最不利截面是跨中截面，在该截面上的最不利点是下缘 点。 1 3 1 4 临界桩问距的确定 人们通过长期实践和模型试验发现，分散布置的抗滑桩是通过桩问土拱将滑坡 推力传递到桩上，在通过桩传递到下部稳定地层中。因此抗滑桩成功与否的关键问 7 第一章绪论 题，应当首推桩问土拱能否形成，也就是说两桩之间最大间距多少时可以形成土拱 并保持其稳定? 这个“最大间距”也叫做“临界间距”。嗍 确定桩的间距，是抗滑桩设计的一个重要内容。桩间距过大，桩间土体就会从 桩间滑出，起不到预期的工程效益；桩间距取的太小，又造成工程上的投资浪费， 因此合理桩间距的确定，已成为工程设计的关键问题之- - ”】。文献 3 】对桩间距的选 取是这样论述的：确定桩的间距，是抗滑桩设计的一个重要内容。这个问题受到滑 坡推力大小、桩型及断面尺寸、桩的长度和锚固深度、锚固段地层强度、土体的密 实度和强度、施工条件等诸多因素影响，目前尚无很成熟的计算方法。合适的桩间 距应该使桩间滑体具有足够的稳定性，在下滑力作用下，不致从桩间挤出。实际工 作中，一般是以桩间土体与两桩侧面所产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力为控制 条件进行估算。这种方法没有考虑桩间土拱作用，显然过于保守，估算结果一般很 小，往往低于经验值。 很多学者由土拱理论出发，在对桩间土拱形状、土拱结构、拱脚内力和土拱强 度等方面进行分析的基础上，推导临界桩间距的理论解。主要有以下三个方法进行 推导： ( 1 ) 单纯的土拱理论法：胡敏云等口7 2 8 1 和朱碧堂等瞄9 3 川根据拱形梁法对桩后 土层拱效应作了初步的理论分析，推导出了最大桩间距计算。张晨【5 6 】根据同样的方 法，得到了相似的结论。 ( 2 ) 和其它条件结合土拱理论法：如王士川等【9 】在潘家铮的上限解的基础上， 给出了抗滑桩的下限解。王成华等【l0 】从桩间土拱形成原理、力学特性论证入手，建 立了粘性土中方桩( 包括矩形桩) 最大桩间距平面计算模型。冯君等【l l 】使用普氏( 苏 联学者m m 普洛托季雅可诺夫) 理论，对抗滑桩的桩间土拱的形态、力学特性进行 分析，并根据桩间土拱的静力平衡，给出相应粘性土坡中抗滑桩的桩间距解。 ( 3 ) 把土体的强度做控制条件建立桩间距的理论解：周德培等【1 2 】根据桩间静力 平衡条件和土拱强度共同控制的情况下，得到了粘土中的抗滑桩桩间距计算公式。 贾海莉掣5 2 1 根据拱土体强度作为控制条件，建立了土中的最大桩间距的计算公式。 王乾坤【5 l l 在分析了桩间土拱力学特性的基础上，提出了由以桩间土体的m o h r c o u l o m b 破坏准则、土体的力学平衡和桩间土体的绕流阻力计算共同控制来确定临 晃桩间距的方法。 临界桩间距受桩间桩间土拱控制，很多学者在这方面做了大量的工作，但是分 歧也比较大，至今还很难取得一致的结论；临界桩间距随桩后土体的粘聚力c 和内 摩擦角由的增大而增大，随桩后滑坡推力q 的增大而减小【l o 5 3 】；临界桩距一般不是 设计桩距，而且实践中发现，对于大型滑坡，控制设计桩距的往往不是临界桩距的 问题，而是桩前土压力强度问题。但是临界桩距问题仍然是设计者要考虑的首要问 题，搞清楚这个问题对于抗滑桩工程的安全和经济有重大意义f 8 】。 第一章绪论 1 3 2 试验和数值模拟研究 1 3 2 1 试验研究 由于抗滑桩桩间土体成拱的复杂性，以及直接测量土拱形成不易实现，目前试 验方面的报道不多。 在1 9 8 3 年，b o s s c h e r 等【3 9 】在分析了前人理论的基础上，在砂性土边坡中做了 水平向的活动门试验。试验考虑了桩间距、桩径、土的密实度以及土与基础之间的 摩擦系数( 1 ( o ) 四个变量对土拱形成的影响，通过试验指出在松砂中也可以形成土 拱，并且在松砂中转移到桩上的应力比预期的要大得多，并得到了不同间距的情况 下荷载的转移比例，并给出了相应的曲线。p i e t e ra v e r m e e r 等【1 5 】为了验证数值模 拟的正确性，在科隆铁路开挖过程中通过拆除支护桩间设置的支护木条，监测到桩 后土压力大部分通过土拱转移到桩上，桩间支护上的土压力不是直线分布，而是三角 形分布，间接验证了土拱的形成。 1 3 2 2 数值模拟研究 由于用试验的方法测定抗滑桩桩间土拱形成非常难以实现，大部分学者转而寻 求数值模拟的方法进行研究。尤其是随着大型的商业数值模拟软件的成熟，用数值 模拟的方法研究土拱理论及其在工程中的应用得到了很大的发展。现在对桩间土拱 进行数值模拟，主要是采用平面应变分析，但是也有部分学者采用3 d 进行分析，下 面对这两方面做简要介绍： ( 1 ) 平面应变分析 平面应变是把地表下一定深度的单位厚度土层作为分析对象，并假定：该单 位厚度土层的位移限定在水平方向；假定桩体水平位移为零，即桩体在水平向被 约束。 p i e t e ra y e r m e e r 掣”】用有限元方法模拟了桩后土体应力一位移关系，模拟结 果显示桩间土形成了非常明显的土拱。同时分析了桩间支挡木条的受力分布，指出 桩间木条的受力分布即使按三角形分布考虑也是过于保守，并和现场试验做了对比， 得出了一致的结果。c - y c h e n g r m a r t i n 掣1 6 叫9 l 详细地研究了抗滑桩中土 拱效应的产生机理，分析了导致侧向位移的荷载大小、土体性质、群桩以及桩土接 触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土应力分担比的影响。得到以下结论： 当桩间距为3 8 倍桩径时，桩间土拱效应才会存在。随着桩间距加大，桩 的荷载分担比越来越小； 土体内摩擦角和粘聚力越大，土拱效应越明显，桩的荷载分担比呈增长趋势， 当土体粘聚力较小时，这种规律更为明显； 无论是砂性土还是粘性土，桩的界面越粗糙，土拱的效应越明显； 土体蠕变特性使桩间土拱效应远比正常土层的桩间土拱效应要弱得多； 当行间距在2 8 倍桩径时，双排桩行间距才对拱效应有影响。 9 第一章绪论 ( 2 ) 3 d 分析 t h e nc h i e n - y u a n l 2 0 通过有限元模拟抗滑杭与土坡的相互作用，对比二维、三维 的桩问土体位移等值线图发现，采用平而应变模拟己经能较好地模拟桩一土相互作 用的三维特征，以及桩间土拱效应。 从前人的成果可以看出，数值模拟的方法可以很好的模拟桩间土拱效应，是一 种行之有效的办法。并且采用平面应变分析已经能较好的模拟桩间土拱效应。在本 文中也将应用数值模拟的方法分析桩间土拱效应，并和理论分析的结果互相验证。 1 4 主要存在的问题 由于应用土拱理论解释抗滑桩工作机理的复杂性，桩一土之间相互作用机理等 问题尚未搞清楚，使用土拱理论确定抗滑桩临界桩问距的计算方法目前尚不成熟， 还存在很大的争议，仍需补充与完善，使其更接近于实际。目前存在的主要问题包 括下列方面： ( 1 ) 从现有的理论分析可以看出，大部分学者对于粘性土和无粘性土中的抗滑 桩间的土拱效应并没有明确区分，只是笼统的假设桩间可以形成大主应力拱进行讨 论，实际上这两者的土拱形成机理是不同的。而且由于无粘性土中土拱形成类型和 日常见到的拱结构类型出入比较大，现在国内对无粘性土中士拱成拱机理的分析， 还很少看到。 ( 2 ) 在粘性土中设置抗滑桩，桩间可以形成稳定的大主应力拱，依靠形成的土 拱阻挡桩间土体从桩间滑出。很多学者对此做了大量的研究，但是对于拱脚的作用 位置、拱的形状、土拱的破坏条件以及临界桩间距的确定还没有得到统一的结论。 有必要做进一步的分析，以便得到更加合理的结论。 ( 3 ) 在无粘性土中设置抗滑桩，当桩间距设置比较小时，桩间是可以形成稳定 的大主应力拱，已经有人做过相关的研究；但是，当桩间距较大时，假定桩间形成 稳定的大主应力拱是不合适的。由无粘性土的土拱理论可知，此时桩间土体会形成 小主应力拱。那么当桩问土体以小主应力拱存在时，桩土之间如何作用，荷载如何 从土体转移到相邻的桩上，抗滑桩如何发挥抗滑、桩间距如何确定，目前还没有人 做这方面的研究，有待做进一步的分析。 1 5 本文主要的研究内容及技术路线 1 5 1 本文主要研究的内容 本文研究重点分析粘性土和无粘性土中抗滑桩桩间的土拱成拱机理，并在此基 础上分析土体中抗滑桩桩间的土拱效应，并进一步确定抗滑桩的临界桩间距计算方 1 0 第一章绪论 法。在理论分析基础上采用通用大型非线性有限元软件a b q u s 建立抗滑桩土拱效应的 计算模型，用以研究土拱的成拱机理、土性参数、桩土之间接触面的粗糙程度、桩 间距等因素对桩间土拱形成的影响。主要内容包括如下方面： ( 1 ) 粘性土和无粘性土中的抗滑桩桩间土拱的成拱机理的研究 根据大小主应力拱拱理论的研究成果和颗粒物质理论分析粘性和无粘性土 中的抗滑桩桩间土体成拱机理，进一步分析土体中抗滑桩桩间土拱的类型。最后应 用数值模拟的方法分析了桩间土拱的形成机理，并进一步说明上述理论分析的正确 性。 ( 2 ) 粘性土中抗滑桩桩间的土拱效应 在总结前人理论研究的基础上，应用土拱理论中的拱形梁法对拱脚的作用位 置、拱的形状、土拱的破坏条件等方面进行深入的研究，并得到合理的结论，并根 据上述结论提出粘性土中抗滑桩临界桩间距的确定方法。 ( 3 ) 无粘性土中抗滑桩桩问的土拱效应 在工程实践中，在无粘性土中设置抗滑桩，一般无法形成大主应力拱，主要以 小主应力拱的形态存在，目前对这方面的研究还很少看到。本文拟针对抗滑桩桩间 的小主应力拱的形状，受力机理，以及滑坡力的转移机理进行研究，并进一步得到 抗滑桩的临界桩间距的计算方法。 ( 4 ) 有限元模拟 针对粘性土和无粘性土，采用不同的本构模型，对抗滑桩l 日j 的土拱效应进行 了大量的数值模拟。主要研究的内容为：土的c 、中值、膨胀角1 l ，等土性参数对土 拱形成的影响；桩土之间接触面的粗糙程度对土拱形成的影响；桩间距对土拱 形成的影响。并对比理论研究的结果，使之相互进行验证。由于摩尔一库仑模型能 够很好的模拟粘性土体，所以粘性土的本构模型采用摩尔一库仑模型；由于a b q u s 中的广义d p 模型可以很好的模拟散粒体材料，所以土的本构模型采用广义d p 模 型。 1 5 2 研究采用的技术路线 本文针对无粘性土和粘性土中抗滑桩桩间土拱效应及临界桩日j 距的确定方法进 行了比较全面而深入的探讨，所采用的技术路线如图1 5 所示： 第一章绪论 图1 5 论文采用的技术路线 1 2 夕 ) 第二章抗滑桩桩问土拱形成机理分析 第二章抗滑桩桩间土拱形成机理分析 2 1 引言 从上一章的介绍可知，抗滑桩桩问土体可以形成土拱，抗滑桩主要依靠土拱效 应阻挡桩间土体从桩间滑出，进而起到抗滑的效应，这已经被大量的工程实践所证 实。对于抗滑桩桩间土拱效应形成机理的研究，近年来已逐渐引起人们的注意，但 是针对不同土性的对比研究还没有见到。虽然粘性土和无粘性土中都可以形成土拱 5 0 1 ，但是对于粘性土和无粘性土中的土拱而言，其形成机理是不同的【，而且形成 的土拱类型也是不同的。 由于土体性质的不同，桩间土拱的形成机理也不同，把不同土体性质中的抗滑 桩桩间的土拱效应放在一起笼统进行分析显然是不合适的。为了明确不同土体性质 中抗滑桩的桩土之间作用机理，并进一步确定抗滑桩l 隘界桩间距，有必要展开不同 土体性质中抗滑桩桩间士拱形成机理分析。所以本章分别从理论分析和数值模拟两 方面分别对粘性土和无粘性土中的抗滑桩桩间土拱形成机理展开研究。 2 2 粘性土中设置抗滑桩桩间土拱形成机理 对于在粘性土中设置抗滑桩，当条件合适时，桩间可以形成大主应力拱，这已 被工程实践和理论分析所证实。t e r z a g h i l 2 2 1 通过活动门试验得出了土拱效应存在的 条件：( 1 ) 土体之间产生不均匀位移或相对位移；( 2 ) 作为支撑的拱脚的存在。贾海 莉等 2 3 1 在分析粘性土中桩间土拱效应时指出，除了上述两个条件，土拱效应的存在 还应满足第3 个条件：拱体形成处土体中的剪应力小于其抗剪强度。吴子树掣“】研 究了粘土中的土拱形成机理和存在条件，指出土拱的形成与土的粘结力c 、摩擦角 巾、容重y 等因素有关。当土层处于低压实度或含水量较大时，工程中不能考虑土 拱效应的作用。王成华【lo 】指出桩间土体有足够的抗压缩、滑移变形强度才能形成桩 间土拱。对于在粘性土中设置抗滑桩，并不是所有的土体都可以形成稳定的土拱， 淤泥质软土和处于流动状态( 含水量很高) 且较均质的粘性土无法形成稳定的土拱。 2 2 1 抗滑桩桩问土拱形成过程及其分析的基本假设 土层中拱作用的产生跟拱结构物不一样，拱结构是把材料制成拱形状，在荷载 作用下即发挥其承受压力的作用，而土拱有其自身的形成过程。由于土体具有颗粒 间的粘结力与摩阻力，所以具有形成土拱的作用。在荷载或自身重力的作用下，土 体产生压缩或沉降，当土中存在着洞穴、软弱材料或边界条件不一致时，将产生不 第二章抗滑桩桩间土拱形成机理分析 均匀位移，由于位移的不均一性，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是就 在一定范围的土层中产生“拱效应”。【2 4 】 2 2 1 1 抗滑桩桩间土拱形成过程 对于抗滑桩而言，在设置抗滑桩之前，滑坡体己经达到了一种稳定的平衡状态， 在设置抗滑桩的过程中，我们也可以假定桩身并不承受荷载，也就是说抗滑桩的设 置并没有改变滑坡体的受力状态，此时的下滑力p 可以认为是零。当滑坡体的条件 改变之后，滑坡体有了下滑的趋势，这时可以认为下滑力由零增加到p o ，在下滑力 的做用下，土体必然会有一个位移，由于抗滑桩可以有效的阻止水平向变形的发展， 被抗滑桩直接支护的坡体的水平变形要小于两桩之间土体的水平变形，因此有抗滑 桩支护的滑坡体具备形成水平方向拱的条件【57 1 。在条件适合的情况下，抗滑桩桩问 土体可以形成土拱，进而把土体上的荷载转移到桩上【2 2 2 3 1 。虽然桩后坡体在一定高 度范围内自上而下均有土拱效应，但对于桩体作用最直接且最有意义的则为桩体在 滑面以上范围内的土拱，土拱在桩顶及其以下的部分应为主要的研究对象，所以这 里就取这一部分土拱进行分析并建立计算模型。 2 2 1 2 理论分析的基本假设 ( 1 ) 桩及桩间土体共同承受其后滑坡推力的作用，应是一空间问题，为研究简 便，将其简化于一单位厚度的水平土层上进行，化空间问题为平面问趔3 】； ( 2 ) 根据实际工程需要，抗滑桩可布置单排或多排，此处只讨论单排抗滑桩的 情况； ( 3 ) 土质为横观各向同性，即在单位厚度的水平土层内，宏观上土质是均匀的； ( 4 ) 假定桩后作用的滑坡推力为水平方向，而与水平方向成一角度者总可投影 到水平方向； (