边坡支挡与防护(共11页)

1、抗滑桩在边坡支挡和加固(ji )中的应用及基于(jy)强度折减法有限元模拟(mn)20世纪80年代中期以前，我国公路建设主要以低等级为主，深挖高填施工较少，公路建设投资不大，因而公路边坡稳定问题较少，边坡支挡工程不作为道路建设的主体工程，在公路工程建设中对边坡的防护常常被忽视。进入90年代以后，我国大量修筑高等级公路，遇到大量的高填深挖路基，边坡稳定问题日渐突出。90年代初期，边坡防护与加固仍主要沿用低等级公路的边坡工程技术会借鉴铁道部门的经验来实施局部处理，由于在边坡处治时缺乏综合考虑，为工程埋下隐患。90年代后期，我国公路建设进入了前所未有的高速发展阶段，吸取前期公路建设的经验教训，高等级

2、公路边坡的综合治理受到重视。各地结合当地工程实践开展了一系列公路路基边坡防护和加固技术研究，公路边坡工程理论与实践取得了很大的进展。1边坡稳定性研究的发展方向边坡稳定性研究由来已久，早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的，该方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究，但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际情况差别较大。1959年法国Malpasset坝左岸坝肩岩体的崩溃及1963年意大利Vajont坝上游左岸的库岸边坡滑坡等，使人们清醒地认识到了边坡破坏的力学机理研究的不足，从而促进了边坡稳定性研

3、究向前迈进了一大步。以弹塑性理论为基础和改进的极限平衡法应用为主的多种方法应运而生，特别是1967年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡的稳定性创造了条件，并使其过渡到数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模式机制和作用过程研究成为可能。然而(rn r)建立在极限平衡理论基础之上的各种稳定性方法没有考虑土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展(fzhn)过程，没有考虑土体与支挡结构(jigu)的共同作用及其变形协调，在求解安全系数时通常需要假定滑移面为折线、圆弧、对数螺旋线等。而有限单元法克服了传统分析法的不足，不仅满足力的平衡条件，而且考虑了土体应力、变形关系和

4、支挡结构的作用，能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布，模拟出边坡的实际滑动面。另外强度折减法的提出使得人们可以通过有限元分析直接获得一个安全系数，不仅保持了有限元在模拟复杂问题上的优点，而且概念明确，结果直观，在工程中得到了越来越多的应用。2.抗滑桩在边坡加固和支挡中的应用抗滑桩是埋设于滑面上、下岩体中阻止滑体移动的桩形结构物。抗滑桩埋入滑面以下的部分称为锚固段，埋置于滑面以上的部分称为受力段。抗滑桩的受力段承受滑坡推力作用，传递到锚固段，在滑床的桩周地层反力嵌住桩身。如过桩的强度能够承受这些推力和反力，也就可以阻止桩背滑体的滑动。抗滑桩按制作材料分，有混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩；按断面

5、形式分，有圆桩、管桩、方桩和“H”形桩；按布置方式分，有密排式、间隔式、单排式和多排式；按施工方法分，有打入式、钻孔式、挖孔式等。2.1 作用原理作用于桩体上的滑坡推力，一部分由桩体传至桩前滑体，由桩前滑动面向上的抗滑力平衡；另一部分由桩体传至滑动面以下岩体中，因而桩前滑坡推力减小，滑体稳定性提高。即利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力借桩传递而下作用于桩周的岩土上。抗滑桩能迅速、安全、经济地解决一些比较困难的工程，因此发展较快。2.2 优缺点抗滑桩的优点主要表现在以下几个方面：1.抗滑能力(nngl)大，污工数量(shling)小，在滑坡(hup)推力大。2.桩位灵活，可以在滑坡中最有

6、利于抗滑的部位，单独使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单元体，对滑坡起到分而治之的功效。3.抗滑桩可以根据弯距沿桩长变化合理布设钢筋，因此较打入的管桩经济。4.施工方便，设备简单，具有工程速度快，施工质量好，比较安全等优点。施工时可以间隔开挖，不至于引起滑坡条件的恶化，因此对整治通车路线上的滑坡和处在缓慢滑动阶段特别有效。5.开挖桩孔能校对地质情况，检验和修改原有的设计，使其符合实际。缺点则表现为，抗滑桩是大悬臂受力，主要靠滑动面以下的的桩身所受的地基反力来平衡滑坡推力，受力机制不合理，需要的桩长截面大，材料消耗多，工程造价高。2.3 抗滑桩的适用性抗滑桩适用于裂隙不太发育、完整

7、性较好的缓倾斜中厚岩体、滑动面较单一倾角较小的滑坡，同时要求有一个明显的滑动面，滑面以下为完整的基岩（或密实的基础）能提供足够的抗力，不适用于软塑体滑坡。抗滑桩已是一种很成熟的滑坡加固方法。它成排布置，借助桩的受力段及桩背土体与桩两侧的摩阻力而形成的土拱效应以稳定滑体，不使其从桩间滑出，它的作用机理是利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力借桩传递而下作用于桩周的岩土上。如果在桩的上部加上锚索，将一部分下滑力转移到锚索上，由锚索承担，这样就可以减少埋于滑床中桩的传递作用于桩周岩体的滑坡推力，桩埋入滑床中的深度相对减小，并使原来的悬臂抗滑桩，变成了一端近似铰接另一端近似弹性固端的一种梁式结构。

8、预应力锚索抗滑桩结构主要由抗滑桩、预应力锚索、锚具等组成。位于滑面以下稳定基岩内的锚索称锚固段，其余为张拉段。对锚索施加预应力后，通过锚具将其与抗滑桩相连接，它的另一端穿过滑坡体后锚固于滑床内，从而使抗滑桩和预应力锚索组成一个联合受力的体系。用锚索拉力和桩体共同平衡滑坡推力，彻底改变了一般抗滑桩大悬臂受力的受力机理，改变了抗滑桩单一靠嵌固段地基抗力，平衡滑坡推力。这样的作用结果使得内弯矩大大尖小，桩径变细，桩的埋置深度变浅，达到了结构受力合理、节省投资、节约材料、缩短工期的目的。从桩的受力机制看，普通悬臂抗滑桩是“被动”的受力状态，施工后在滑坡推力的继续作用(zuyng)下发生位移，桩才能(c

9、inng)逐渐具备抗滑能力(nngl)，这对保护滑体上的已有建筑物非常不利，而预应力锚索抗滑桩是“主动”型。施加预应力后，滑体受到反推力，这样就可以立即起到止滑的作用。滑体上已有建筑物不在继续变形，个别情况下原有变形裂缝还会逐渐弥合。2.4抗滑桩的桩体构造1、抗滑桩截面形状宜采用矩形，桩的截面尺寸应根据滑坡推力大小、桩间距、锚固段地基横向容许强度等因素确定，桩最小边宽度不应小于1.25。在主滑方向不确定的情况下，可采用圆形截面。2、桩身混凝土的强度等级不应低于C20。当地下水有侵蚀性时，水泥应按有关规定选用。3、抗滑桩井口应设置锁口，桩井位于土和风化破碎的岩层时宜设置护壁 ，锁口和护壁混凝土强

10、度等级不应低于C15。4、抗滑桩纵向受力钢筋直径不应小于16mm。净距不宜小于120mm，困难情况下可适当减少，但不得小于80mm。当用束筋时，每束不宜多于3根。当配置单排钢筋有困难时，可设置2排或3排。受力钢筋混凝土保护层厚度不应小于60mm。5、纵向受力钢筋的截断点应按国家标准混凝土结构设计规范（GB50010）计算。6、抗滑桩内不宜设置斜筋，可采用调整箍筋的直径、间距和桩身截面尺寸等措施，满足斜截面的抗剪强度。7、箍筋宜采用封闭式，直径不宜小于14mm，间距不应大于500mm。8、抗滑桩的两侧和受压边，应适当配置纵向构造钢筋，其间距宜为400mm500mm，直径不宜小于12mm。桩的受压

11、边两侧，应配置架立钢筋，其直径不宜小于16mm。当桩身较长时，纵向构造钢筋和架立筋的直径应加粗。3. 基于(jy)强度折减法抗滑桩有限元分析3.1边坡稳定性有限元分析的强度(qingd)折减法强度(qingd)折减法最早由ZienKiewicz等提出，后被许多学者广泛采用。强度折减法提出了一个强度折减系数，其定义为：在外载荷保持不变的情况下，边坡内土体所能够提供的最大抗剪强度与外载荷在边坡内所产生的世界剪应力之比。在极限情况下，外载荷所产生的实际剪应力和抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这

12、种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数Fs，又称为强度储备安全系数，与极限平衡法中所给出的稳定安全系数在概念上是一致的。本文采用理想弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则。折减后的抗剪强度参数可分别表达为：cm=cFrm=arctantanFr试中，c和是土体所能够提供的抗剪强度；cm和m是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度；Fr是强度折减系数。用强度折减法有限元分析边坡的稳定性，采用解的不收敛作为破坏准则。在指定的收敛准则下算法不能收敛，即表示应力分布不能满足土体的破坏准则和总体平衡要求，意味着出现破坏。在Abaqus中实现强度折减法的具体步骤为：1）定义一个场

13、变量，通常取为强度折减系数Fr。2）定义随场变量变化的材料参数模型。3）在分析开始指定场变量的大小，并对模型施加重力荷载，建立平衡应力状态。4）在后续的分析步中线性增加场变量Fr，计算终止（数值不收敛）后对结果进行处理，按照失稳评价标准确定安全系数。3.2抗滑桩强度(qingd)折减法实例分析有如(yur)图1所示均质边坡，土体容重为=20kNm3，粘聚力c=12.38kPa，摩擦角=20。，不考虑土的剪胀效应(xioyng)，弹性模量为100MPa，泊松比为0.3。图1 模型示意图土体采用四节点平面应变单元模拟，模型见图2。约束条件：限定模型两侧的水平位移和模型底部两个方向的位移。图2 边坡

14、平面模型在自身重力作用下边坡的位移矢量图、塑性区和位移等值线云图分别如图3、图4和图5所示。图3 极限平衡状态(zhungti)下位移矢量图图4 极限平衡(pnghng)状态下塑性区图5 极限(jxin)平衡状态下位移等值线云图 以数值计算不收敛作为土坡稳定的评价标准，由场变量随x方向位移变化曲线（如图6所示）可以得到该边坡的安全系数，为0.99。图6 场变量随x方向位移(wiy)变化曲线3.3抗滑桩对边坡稳定性的影响(yngxing) 针对滑坡灾害的防治人们提出(t ch)不同的理论和方法，其中抗滑桩由于成本低，并且能有效阻止土体的滑动变形，被人们广泛的采用。基于极限平衡法的边坡稳定性分析法

15、无法给出桩土相互作用的应力分布和变形特点。采用数值方法对抗滑桩-边坡系统的稳定性分析，可对边坡土体和抗滑桩分别进行单元离散，用弹塑性对其进行应力和应变分析，反映桩土之间相互作用的真实机理，是一个耦合的计算方法。为了研究抗滑桩的打入角度对边坡稳定的影响，在Abaqus中对其进行模拟，为了简便，假定抗滑桩为钢材，弹性模量为2.09E5MPa，泊松比为0.3，桩土见竖向摩擦系数为0.51。桩径为0.8m，长度为8m。对桩竖向垂直打入和沿边坡面垂直打入两种方式进行数值计算，分别得到边坡的稳定系数，并结合塑性变形区进行对比。 边坡平面(pngmin)模型 极限平衡(pnghng)状态下位移矢量图 极限(

16、jxin)平衡状态下塑性区 极限平衡状态下位移等值线云图 场变量随x方向(fngxing)位移变化曲线通过对比可以(ky)看到虽然沿着斜坡面垂直打入的桩对于(duy)土体塑性区的产生有良好的抑制作用，但是土体整体的变形与竖直打入的抗滑桩效果相比明显加大，而且对于坡脚的土体不能起到良好的控制变形的效果，因此认为竖直打入抗滑桩效果要好。4.结论本文对边坡的稳定性分析进行了简单的回顾，并且重点介绍了抗滑桩这种常见的支护手段。同时利用Abaqus内置的场变量实现了强度折减法，并且成功的对简单的边坡进行稳定分析，得到其安全系数。同时充分利用了有限元方法在分析桩土共同作用的应力应变分布特点的优势，对抗滑桩

17、打入角度进行了数值分析，得到相应的结果，对于实际工程应用具有一定的指导价值。 （1）对边坡进行稳定性分析时，有限元法克服了传统极限平衡法的许多不足之处，不仅能得到比较符合实际情况的边坡应力、变形分布及发展趋势，而且还能确定实际滑移面。（2）边坡稳定性分析的强度折减有限元法是将岩体实际的强度参数除以折减系数，再代入有限元程序中进行分析，当达到极限平衡时，此时的折减系数即为边坡的稳定性安全系数。这种方法物理概念清晰、物理意义明确，经工程应用验证，可用于边坡稳定性分析。（3）通过对抗滑桩两种不同角度打入土体数值计算结果对比，发现数值打入的抗滑桩效果要明显好于沿着边坡面垂直打入的抗滑桩，对于工程实践有

18、一定的指导价值。5.参考文献1.张锐.迟世春.林皋基于强度折减法的边坡失稳判断准则期刊论文-人民黄河 2008(4)2.庄晓莹.蔡永昌.朱合华锚固边坡稳定性分析有限元模型及锚固效应的探讨期刊论文-岩土工程学报 2008(7)3.王钊.陆士强强度(qingd)和变形参数的变化对土工有限元计算的影响期刊论文-岩土力学(l xu) 2005(12)4.冉辉桥基荷载作用(zuyng)下的边坡稳定性计算分析与设计优化期刊论文-中国科技财富 2010(14)5.唐芬.郑颖人基于双安全系数的边坡稳定性分析期刊论文-公路交通科技 2008(11)6.唐芬.郑颖人边坡渐进破坏双折减系数法的机理分析期刊论文-地下

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