抗滑桩与围岩相互作用力的非线性分布规律研究

抗滑桩与围岩相互作用力的非线性分布规律研究

0抗滑桩的滑坡性随着我国城市、交通、采矿、环境保护等行业的快速发展，滑坡治理已成为一项越来越重要的工程。而抗滑桩工程则由于抗滑桩具有适应性强,特别适用于滑面较深的大型滑坡、对滑坡稳定性和地质环境干扰小、可多桩同时施工、工期短、抗滑能力强等多方面的突出优点,成为滑坡地质灾害治理中的一种主要方法。抗滑桩自20世纪60年代在我国铁路部门应用以来,至今仍在滑坡治理中发挥着重要作用。在抗滑桩设计中一个最基本、也是最重要的问题是抗滑桩在滑坡体推动下,桩身与周围岩土体(以下简称围岩)之间作用力的分布特征。特别是滑坡推力的分布对抗滑桩的内力分析及结构设计影响极大,将决定抗滑桩的造价,并对设计的安全性与合理性产生重大影响。目前,由于桩与围岩间作用力的分布特征不清,而仅采用线性分布的假定,导致设计的抗滑桩不是抗力不足,就是趋于保守。本文将针对这一问题,提出采用有限元方法分析抗滑桩与围岩间作用力的实际分布特征,从而探讨出一种研究抗滑桩与围岩间作用力的合理方法。1侧膨胀力1.1围岩侧向膨胀力的分布形态侧向膨胀力(lateralswellingforce)指抗滑桩抑制了围岩在重力作用下的侧向应变而产生的力,记作σl。侧向膨胀力的分布形态主要受到围岩物理力学参数、围岩内部结构及其空间几何形态的影响。抗滑桩两侧(滑坡推力侧与剩余抗滑力侧)围岩的规模及几何形态差异很大,因而两侧侧向膨胀力大小不同。1.2弹性模量对围岩弹性模量的影响侧向膨胀力与围岩的容重、泊松比及弹性模量(如围岩是土体时,则采用变形模量)关系密切。图1～图3分别表示抗滑桩上某一深度点侧向膨胀力与容重、泊松比及弹性模量的关系曲线。由图可见,侧向膨胀力与容重γ及μ/(1-μ)呈线性关系,而与弹性模量E呈非线性关系。当然,还存在其他的影响因素。但前期研究工作表明,在所有弹塑物理力学参数中,此三项因素的影响最为显著。如果考虑的弹塑性力学参数太多,往往会顾此失彼,给研究工作带来难以克服的困难,而且不利于成果在实际工作的推广与应用。因而侧向膨胀力的非线性分布形式为式中:γ为围岩容重,单位:kN/m3;μ为围岩泊松比;y为抗滑桩上的点到地面的距离,单位:m;A、B是非线性的两个特征参数。因为弹性模量对侧向膨胀力的非线性分布有着重要的影响,所以A与B都应与弹性模量有着某种相关关系。弹性模量对于侧向膨胀力非线性分布的影响就完全体现在对A与B的影响上。研究A、B与围岩弹性模量E相互关系步骤如下:①选取如图4所示的具有代表性的滑坡体作为研究的地质模型。模型结构参数为:整个模型左边高25m,右边高52m,长160m,厚1m;抗滑桩为2m×3m方桩,长13m;滑动带倾角10°,厚0.6m。经滑坡稳定性验算,该滑坡模型用抗滑桩治理后稳定,不会发生抗滑桩跃顶滑坡和底部滑坡。②将该地质模型剖分成有限单元,如图5所示。该有限元模型共有675个结点,710个单元。左右两边为水平向约束,底边为水平与竖直两向约束。③选取弹塑物理力学参数,如表1所示。围岩弹性模量首先取值为1000MPa、2000MPa,此后以2000MPa递增,直到28000MPa。④计算出围岩弹性模量取不同值时各单元中心应力,并用绕节点平均法得到抗滑桩与围岩接触面上相应结点侧向膨胀力。⑤将侧向膨胀力σl与相应结点的埋深y进行回归。第⑤步所得回归方程可统一表示成如下形式:ln(σl)=Cln(y)+D。(2)ln(σl)=Cln(y)+D。(2)其中C、D都与围岩的弹性模量有关。在有限元计算过程中,围岩容重为18kN/m3,泊松比为0.25,因而式(1)变形为σl=6AyB。(3)σl=6AyB。(3)比较(2)与(3)得A=16eD,(4)B=C。(5)A=16eD,(4)B=C。(5)抗滑桩两侧的坡体形态及规模有很大差异,所以两侧侧向膨胀力的大小有所差异。围岩弹性模量取值相同时,抗滑桩两侧的A不相等、B也不相等就是两侧差异的体现。表2列出了不同弹性模量对应的A与B的值。根据表2,得到在抗滑桩两侧A与B随弹性模量变化的关系曲线及其对应的相关方程,如图6至图9所示,图中R表示相关系数。在抗滑桩两侧A都与弹性模量呈线性增加关系,在剩余抗滑力侧比在滑坡推力侧增加速度快;B与弹性模量则呈线性减小关系,在剩余抗滑力侧比在滑坡推力侧减小的速度快。2等腰大加固2.1均布推力研究滑体作用于抗滑桩上的滑坡推力的分布形式因受坡体形态、滑体的结构及抗滑桩材料力学性能影响,所以十分复杂。通常假定其为三角形分布形式或矩形分布形式。矩形分布形式在实际工作中应用最为广泛,因而在研究过程中,滑坡推力的分布采用矩形的分布形式,即滑坡推力均匀的分布于抗滑桩悬臂段,并将此均布力称为均布推力(uniformlydistributingpush),记为σp。均布推力必然导致抗滑桩锚固段与围岩间相互作用力的变化。中国铁道科学研究院西北研究所研究表明,滑坡推力引起的锚固段与围岩间相互作用力的分布形式为两对顶三角形,如图10所示。此分布形式与经典弹性力学所得的解析解相符,然而难以找到两个对顶三角形顶点的位置所在。很难应用到实际的抗滑工程之中。将抗滑桩锚固段某侧所受的压应力对锚固段顶点产生的弯矩等效地转化成整个锚固段上均匀分布力对该顶点所产生的弯矩,此均匀分布力就叫做该侧的等效锚固力(equivalentlyanchoringforce),记作σd。为了研究计算简便,假定在锚固段任意一个结点上下1/2单元范围之内的应力分布是均匀的,并且就等于该结点的应力。根据等效锚固力的定义,可以得图11所示的锚固段左侧的等效锚固力的计算公式为2.2均布推力传递系数锚固比(anchoringratio)是抗滑桩锚固段的长度与抗滑桩全长的比值。锚固比是影响等效锚固力的重要因素。在滑坡推力相同的情况下,锚固比越大(也就是锚固段相对于全桩越长),等效锚固力就越小。研究结果表明:当锚固比不变时,均布推力与锚固段两侧的等效锚固力呈正比关系,于是可得下式:σd=kσp。(7)σd=kσp。(7)其中k称为均布推力传递系数(transfercoefficientofuniformlydistributingpush),其大小由锚固比决定。研究均布推力传递系数与锚固比的关系时,采取的步骤如下:①建立地质模型。此地质模型与研究侧向膨胀力时的地质模型不同之处在于:此地质模型用滑体所产生的均匀分布的滑坡推力代替了滑体,并将此均布推力作为应力边界条件。②将该地质模型剖分成有限单元。③选取弹塑物理力学参数。为了消除侧向膨胀力的影响,将整个研究体视为纯弹塑性体,即容重为零。其它弹塑性物理力学参数的取值见表3。④当锚固比为1/3及均布推力的取值为0.1MPa、0.2MPa直到0.9MPa时,计算抗滑桩锚固段两侧等效锚固力,从而得到锚固比为1/3时的均布推力传递系数。⑤重复步骤④,分别计算出当锚固比为5/13、3/7、7/15、1/2时,锚固段两侧的均布推力传递系数,计算结果见表4。从表4可以看出:在锚固段两侧,均布推力传递系数均随着锚固比的增大而减小;当锚固比相同时,滑坡推力侧的均布推力传递系数比剩余抗滑力侧的小。2.3抗滑桩锚固段变形力的计算通过以上关于侧向膨胀力与等效锚固力的分析可知,抗滑桩与围岩间相互作用力的分布形式是非线性的。在抗滑桩与围岩接触面的各个部分,均可将抗滑桩与围岩间作用力的分布形式表示为σ=Aμ1−μγyB+λ。(8)σ=Aμ1-μγyB+λ。(8)其中σ表示抗滑桩与围岩间相互作用力。在抗滑桩与围岩接触面的各个部分,λ所代表的意义有所不同,如图12所示。图12中,A、C、E和G区分别表示抗滑桩不同部分所受围岩施加的侧向膨胀力。λ在B区表示均布推力;λ在D区表示在滑坡推力侧抗滑桩锚固段所受的等效锚固力;λ在F区表示在剩余抗滑力侧抗滑桩锚固段所受的等效锚固力。侧向膨胀力的大小由弹性模量、泊松比、容重及深度共同决定。等效锚固力的大小由锚固比及均布推力共同决定。3抗滑桩锚固段支护作用综上所述,可以得出如下结论:(1)抗滑桩与围岩间的相互作用力由侧向膨胀力与等