抗滑桩的设计方法与边坡稳定评价方法的发展

抗滑桩的设计方法与边坡稳定评价方法的发展

1抗滑桩设计方法与边坡稳定性评价方法的发展相适应抗滑桩作为控制倾斜过程的有效工程措施，在世界各国的倾斜过程管理中发挥着重要作用。迄今为止,它是在滑坡治理中应用得最多的工程结构物。国外从20世纪30年代(1931年11月12日,美国工程新闻杂志《滑坡和桩的作用》)、国内从20世纪50年代初开始在工程中应用以来,它的设计理论也随着其广泛的应用得到了相应的发展。目前,抗滑桩设计方法与边坡稳定性评价方法的发展相适应,可大致分为以下二类:第一类是与传统的边坡稳定评价的极限平衡方法相配套的设计方法。这类方法主要是进行平面分析,一般把桩和边坡分开考虑。第二类是与边坡稳定评价的边界元和有限元方法相配套的设计方法。这类方法可进行平面或三维分析,把土-桩-土作为一个相互作用的整体体系来考虑。2研究2.1抗滑桩与滑坡体相互作用的分析方法传统的抗滑桩设计方法主要和传统的边坡稳定极限平衡方法相适应,方法一般用一些简化的方式来考虑抗滑桩和滑坡体的相互作用,主要包括抗滑桩所承受的不平衡下滑力的大小和分布、桩前抗力的大小和分布、桩的内力计算、合理的桩间距四个方面。2.1.1传递系数法条我国的抗滑桩设计,多用刚体极限平衡法中的传递系数法来计算抗滑桩所受边坡的作用力。潘家铮(1980年)提出在边坡原始情况下用传递系数法计算的各分条的下滑力绘制天然下滑力曲线、用达到设计要求的安全系数时边坡的下滑力绘制的设计下滑力曲线,用两条曲线在抗滑桩所在位置处的差值作为桩所承受的滑坡推力值。贺建清、张家生(1999年)等则提出采用达到设计的安全系数情况下两条不平衡下滑力曲线之间的差值,一条曲线是在该安全系数下用传递系数法从上至下计算得到的,该曲线同前述潘家铮方法的第二条曲线,另一条曲线是在同一安全系数下假定出口处下滑力为零由下至上计算而得到的。作者同时指出,合理的抗滑桩放置位置应在两曲线差值最小处。林峰、黄润秋(2000年)提出用改进Janbu法计算桩所受的下滑力,并认为传递系数法只考虑条块平动趋势,所求推力往往偏小,只考虑了条块上力的平衡未考虑力矩的平衡,如果要考虑力矩平衡则条间合力作用点常不能保证在坡体内,存在不足之处,而改进Janbu法考虑了计算结果的合理性要求,在计算时作了相应的假定。林鲁生等(2001年)认为桩所受的滑力可按公式(1)直接计算得到,即式中ΔR——单位宽度上的滑坡推力;FD——沿临界破坏面的滑力之和;FT——需要的安全系数;Fa——实际安全系数。Ito和Matsui在1975年基于刚性桩分析得出的计算抗滑桩所受下滑力的公式在国外抗滑桩设计中得到了广泛的应用。另外,在国内常用的传递系数法中,计算桩所受的下滑力大小时,人们普遍认为应该考虑桩身变形产生的传力作用,即考虑传力系数ξ。蒋中明等认为抗滑桩的传力系数与下滑力的大小无关,仅与桩的几何特性相关,随桩的柔度的增加而增加,随其截面尺寸的增大而减小,但当其尺寸增大到一定程度后,传力系数趋向于一定值;并认为引入传力系数可以减小桩的设计荷载从而减小桩的配筋量可达10%～30%。2.1.2桩前滑动面处的滑力文献指出,抗滑桩受到滑坡推力作用后,通过抗滑桩将滑坡推力传递到滑动面以下桩周的岩、土中,此时桩下部的岩、土因受力而产生变形,当应力与应变成正比例增加时属弹性阶段;超过弹性极限状态后应力增加不多而变形骤增时,属塑性阶段;当应力不再增大而变形不止时则达到破坏阶段。当变形在弹性阶段时,滑床中桩前、后的岩、土抗力按弹性抗力计算;当变形处于塑性阶段,抗力近似地等于该地层的地基系数乘以相应的与变形方向一致的岩、土在弹性极限状态时的压缩变形值,或用该地层的侧向允许承载力代替;如桩身的岩、土处于塑性变形阶段的范围较大或岩体很松散时,则全桩可用极限平衡办法计算滑床内桩周岩、土的抗力值。由于滑动面的存在,滑动面处的抗剪强度比滑体和滑床小得多,滑体易沿该面滑动,而使桩前滑动面以上的滑体不能充分发挥其弹性抗力,因此桩前滑动面处的剩余抗滑力常是桩前滑体所能提供抗力的控制值。若桩前滑动面以上的滑体可能滑走(根据计算无剩余抗滑力),则桩上部受荷段假定无抗力作用;若桩前滑动面以上的滑体基本稳定(有剩余抗滑力),则桩上部受荷段假定有抗力作用,但此假定抗力不应大于桩前滑体的剩余抗滑力或被动土压力。上述提到的桩前抗力大小的考虑方法,在我国的抗滑桩设计中得到广泛的应用,即桩前滑动面以上土体不滑走时,桩前抗力由桩前土体剩余抗滑力、被动土压力或弹性抗力中小者决定;可能滑走时,则此抗力计为零。在计算桩周岩、土的抗力时通常忽略桩间岩土的摩擦力,但王文灿等认为该力无论从理论上还是实践上分析都是不能忽视的。而王化卿、李传珠等则认为对于大断面的抗滑桩,垂直于滑坡推力方向桩周的摩阻力也是不容忽视的。2.1.3对于土体抗力分布图式目前,一般认为滑坡推力的分布图式有三角形、矩形和梯形三种。林鲁生等认为真正的散体呈三角形分布,岩石滑坡按矩形分布,对沉积年代久、具有一定胶结的滑体,梯形分布比较符合。有锚索的刚性抗滑桩按梯形计算,而弹性桩则应按抛物线分布。文献建议:当滑体是粘聚力较大的地层时,其推力分布图式可近似按矩形考虑;如果是以内摩擦角为主要抗剪特性的推积体,推力分布图式可近似按三角形考虑;介于二者之间的,可按梯形分布。对滑动面以上土体抗力的分布图式,一般均按三角形考虑。徐良德等对滑体为松散介质时桩前滑体抗力的分布作了实验分析,认为当滑体为松散介质时,下滑力基本上为三角形,合力重心约在滑动面以上0.3h处;而桩前滑体抗力图形接近抛物线形,合力重心在滑动面以上0.45h左右;滑面以下的抗力图形为两个对顶的三角形。后来徐良德等又对滑体为黏性土时桩前滑体抗力的分布作了实验分析,认为当滑体为砂黏土时,下滑力基本上为三角形,合力重心约在滑动面以上0.26h(滑动面以上桩长)处;而桩前滑体抗力图形接近抛物线形,合力重心约在滑动面以上0.6h处;滑面以下的抗力图形亦为两个对顶的三角形。戴自航在分析试验和抗滑试桩实测资料结果的基础上,针对滑坡体不同的岩土体类型,建立了相应的滑坡推力和土体抗力的分布函数模型,并列成了图表。2.1.4改进算法的计算公式和应用说明在我国抗滑桩的工程设计中,一般把抗滑桩分成两部分,滑面以上用悬臂梁进行计算,滑面以下按地基梁计算。有的则整个桩体都按弹性地基梁计算。按弹性地基梁计算桩身内力和变位时根据对地基系数的假定的不同,分为“K”法、“m”法、“C”法以及它们的组合法,如“m-K”法。对这些方法,文献中提供了其相应的计算公式和查表计算表格。戴自航、彭振斌给出了“K”法、“m”法、“m-K”法的差分求解格式,杨佑发等也给出了“m-K”法、“K-K”法的差分求解格式。为了使地基系数取值更符合实际,吴恒立提出了双参数法,它通过在地基反力系数的表达式中增加参数来模拟桩的非线性过程。张友良等提出用杆件有限元法来计算抗滑桩的内力,把抗滑桩用若干个杆单元来模拟,可有效地解决复杂结构、复杂边界条件、复杂地层条件及复杂的荷载条件给计算所带来的困难。2.1.5桩间距的上限解和下限解对于合理的桩间距的确定目前工程上还没有很成熟的方法,通常是以经验值来控制,并用桩间土体与桩侧两面所产生的摩阻力不小于桩间滑坡推力作为控制条件进行间距的校核。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,应按稳定土体的拱作用理论和塑性土体中的塑性理论来决定。潘家铮基于桩间土体通过桩以后传给桩前下块的推力不超出下块剩余抗滑力的思想,给出了抗滑桩桩间距的上限解公式。王士川、陈立新在上限解的基础上,考虑土拱作用及桩断面间土体的摩阻力及粘着力的前提下对桩间块体进行稳定分析,得出了抗滑桩桩间距的下限解公式。下限解的基本思想是,抗滑桩的间距恰好小到土拱作用充分发挥。王成华等通过对桩间土拱的形成及力学特性的分析,提出了最大桩间距的估算模型。常保平通过对桩间土拱的结构分析、拱脚内力分析和土拱强度分析,建立了能综合反映滑坡推力、滑体和桩截面形状及尺寸影响的抗滑桩临界间距计算方法。B.K.Low等,W.及C.Y.Chen和G.R.Martin对桩间土拱的形成机制及力学特性作了详细的讨论。2.1.6基于极限下的滑桩设计在探讨了上面的几个问题后,将解决以上问题的方法进行组合就能构成一套整体的抗滑桩设计思路。刘光代、戴自航和彭振斌对我国抗滑桩设计中常用的思路和设计步骤作了描述。佴磊等编制了从滑坡推力计算至桩结构设计的全套应用程序,从而使用传统方法进行抗滑桩的分析更快捷、更准确。邹广电、陈生水综合应用以上抗滑桩的极限承载理论和绕流阻力概念,通过由点到面、由面到空间的方式和三道安全系数的设立,建立了一套抗滑桩整体设计方法,该方法最终将抗滑桩设计归结为一个特殊的优化数值模型,应用非数值并行算法中的模拟退火算法对其进行了求解。Ito和Matsui中用Ito公式求解作用在桩上的下滑力,把桩视为弹性地基梁用差分法求解其内力,在抗滑力矩中计入桩的作用力矩来考虑桩加固后的边坡稳定安全系数。在该法中桩和边坡的安全系数分开计算,并要求分别达到要求。S.Hassiotis等提出的方法与Ito和Matsui方法只在计算边坡安全系数时使用方法不同,他们认为Ito和Matsui方法不能反映加桩后最危险滑面位置的变化而改用了摩擦圆法,但摩擦圆法只能用于均质土坡。以上的这些理论均基于极限平衡条件下的假定,大体上都采用了弹性理论作为分析手段。陈立新、王士川对应用这些方法时如何与弹塑性理论相结合进行了讨论。2.2增质法的应用H.G.Poulos等人对边界元法作了详细的研究。在边界元法中把土视作弹性连续体,抗滑桩用弹性梁来模拟,土和桩的接触面用接触面单元模拟,把土-桩-土体系看作一个相互作用的整体来分析其内部的受力和整体的安全系数。不足之处是本方法作的是弹性范围内的分析,用增量法分析时,一旦单元的应力超过屈服极限时,该单元便不再承力,水平应力增量变为0。该法只适用于均质土的情况,而滑坡体的土质往往是多种多样的,这给该法的应用和推广带来了困难和限制。Lee.C.Y,Hull.T.S和Poulos.H.G用边界元方法与Bishop法结合进行加桩后的边坡稳定分析,用边界元方法分析边坡和桩的相互作用及桩的内力,用Bishop法计算边坡的稳定安全系数。2.3有限元方法分析有限元法是计算分析加桩滑坡体的有效的数值模拟方法,它把土-桩-土作为一个整体体系进行分析,有效而方便准确地考虑了桩-土的相互作用。它不仅可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题,而且可以方便地考虑边坡岩土体的非均质和不连续性,给出岩土体和桩的应力、应变大小和分布,可以近似地根据应力、应变规律去分析边坡及抗滑桩的变形破坏机制。高同用平面有限单元法对狮子山滑坡与抗滑桩进行了整体分析,分析结果说明,采用有限元法进行分析是可行的,特别是对地质情况复杂、有多层软弱带的情况,其它方法计算有困难时,有限元方法有明显的优越性。另外,有限元方法还可对抗滑建筑物进行全过程分析,使设计者对抗滑建筑物的破坏过程能有更充分的认识。李克才、池淑兰用三维非线性有限元方法对成昆线狮子山2号破坏试桩进行了分析,分析结果表明,桩身内力和变位计算与实测吻合较好,说明用此方法进行分析是可行的。廖能斌、燕柳斌用平面非线性有限元法对防洪堤抗滑桩进行了内力分析,防洪堤抗滑桩既有主动桩也有被动桩的受力点,他认为由于传统的考虑极限平衡的计算方法的假定不合理性,导致了计算结果与有限元计算成果有较大的出入,传统法计算结果比有限元计算的结构内力大50%以上。FEICAIandKEIZOUGAI提出了三维弹塑性有限元强度折减法,该法可以在无需假定的情况下得出加桩前后边坡的安全系数,滑面可以不是圆弧面,也可以不连续。作者用该法的计算结果与Ito和Matsui方法的计算结果进行了比较,认为两种方法在桩顶为自由端的情况下计算结果吻合较好,但由于Ito和Matsui方法无法考虑桩顶为铰支端等情况,因此对于这些情况,两种方法无法进行比较。通过对一些经典算例的计算分析,作者认为该法是可靠的。2.4基于边界元法和有限元法的抗滑桩设计方法通过以上的论述可知,基于极限平衡理论的抗滑桩设计方法虽然在这些年得到了不断的发展,但由于它将一个整体受力和作用的土-桩-土分开来考虑,因此要考虑桩土的相互作用必须作一些人为的假定,这些人为假定是否正确合理成为决定计算是否符合实际的关键问题,也成为制约此方法进一步发展的瓶颈。岩、土性质的多样性及桩的结构形式的不同,为正确合理地假定桩土相互作用带来了困难。虽然基于极限平衡理论的抗滑桩设计方法由于其理论和计算的简单易操作,近些年在工程实际中得到了广泛的应用,但于由它存在不可突破的瓶颈,随着计算手段和能力的不断进步终将被其它更好的设计方法所取代。边界元法可以将土-桩-土体系看作一个相互作用的整体来分析其内部的受力和整体的安全系数,但只能进行弹性范围内的分析,并且只能假定岩、土体为均质的;而岩、土体一般情况下均为非均质、非弹性体,因此边界元法用于分析岩