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滑坡治理中抗滑桩桩位分析
资讯类型:行业新闻 加入时间:2009年7月13日10:5
 
滑坡治理中抗滑桩桩位分析
   雷文杰1,郑颖人2,冯夏庭1
   (1.中国科学院岩土力学重点实验室,武汉430071;2.中国人民解放军后勤工程学院军事土木工程系,重庆400041)
   摘要:采用有限元强度折减法对单排桩、桩间距为4 m的抗滑桩在不同设桩位置加固滑坡进行数值模拟,研究发现不同的桩位影响滑坡的稳定安全系数、滑动面的位置和形状。桩位不同决定了是桩后土体还是桩前土体滑落。桩位选择的一个重要原则是加固后滑坡体的稳定安全系数必须大于设计要求的安全系数,否则就会出现桩端越顶破坏或桩前土体滑落。斜坡在同一稳定安全系数下,桩位不同时抗滑桩所受的滑坡推力、桩的内力(剪力、弯矩)和桩的挠度不同。抗滑桩位于斜坡中部时,桩身长度较长,推力和内力大,是不合理的桩位;但桩身挠度大,提供的桩前抗力也大。按常规方法与按有限元法计算桩前无土体的悬臂桩桩上推力是相近的。把桩视作埋入滑坡体中的梁单元,按有限元法算出的推力比较小,因为它已经充分考虑了桩前土体的抗力。
   关键词:抗滑桩;滑坡治理;有限元极限分析;桩土相互作用
   中图分类号:U 213.1+52.1文献标识码:A
   1前言
   抗滑桩的施工过程对滑坡岩土体扰动很小,而且可以有效地支挡、加固斜坡,因而广泛地应用于各种边坡、滑坡的工程治理。计算抗滑桩加固滑坡的方法大体分为两类:一是考虑桩土相互作用[1~2],在计算抗滑桩受周围土体作用时考虑抗滑桩与周围岩土体之间的力与变形的相互协调;另一种方法是桩土分开考虑[3~4],一般采用先求出处在给定安全系数时设桩位置的剩余下滑力,并将其作为滑坡推力,然后比较桩前土体剩余下滑力、被动土压力,并取二者的小值作为桩前土体的抗滑力。
   针对滑坡治理中的抗滑桩的桩位进行分析,以确保桩位选择使滑坡工程治理达到安全可靠、经济合理的目的。本文采用有限元强度折减法对单排桩、桩间距为4 m的抗滑桩在斜坡6个不同的设桩位置进行数值模拟,研究抗滑桩桩位与斜坡的稳定安全系数、滑动面的位置和形状的关系;抗滑桩处于不同位置、滑坡的稳定安全系数同为1.15时(设计要求的安全系数)计算抗滑桩的滑坡推力、抗滑桩的内力和挠度,并采用Spencer法计算斜坡稳定安全系数同为1.15时不同设桩位置桩后的滑坡推力,并与有限元法计算悬臂桩的滑坡推力作比较,来验算有限元强度折减法计算滑坡推力结果的可靠性;在这个基础上计算抗滑桩的滑坡推力、内力(剪力、弯距)、抗滑桩的挠度,为选择安全可靠、经济合理的设桩位置提供依据。
   2  分析方法
   
   3计算结果与分析
   3.1抗滑桩加固滑坡体的极限状态稳定性分析
   3.1.1桩位与滑动面的位置和形状的关系
   为了弄清抗滑桩埋设不同的桩位对滑坡稳定性的影响,首先应弄清不同设桩位置滑面的变化情况。
   滑坡模型为重庆市三峡库区滑坡堆积体的一个典型断面,岩土体材料参数见表1。斜坡由3部分组成:滑体、滑带和滑床(见图2)。
   
    可认为滑体和滑带是理想弹塑性材料,而滑床为强度很高的稳定层。若将组成滑坡岩土体的密度和塑性材料的凝聚力扩大4倍,而其他参数不变,则岩土体重力和摩擦力都扩大了4倍,滑面以上岩土体抗滑力和下滑力都扩大了4倍,这样有限元分析的相当于4 m厚度的滑坡体。运用有限元强度折减法计算斜坡在重力场作用下安全系数(1.03),与Spencer法计算的结果(1.011)很接近,与勘察报告中提供的安全系数(1.04)也很接近。这说明该方法计算结果的精确度很高。
   沿坡面将抗滑桩埋设在斜坡不同的位置(见图3),其中斜坡脚处为坐标原点,x向表示距坡脚的水平距离,该斜坡水平最大宽度为129.5 m。数值模拟的结果可以发现桩设在不同位置斜坡滑动面的位置和形态是变化的。抗滑桩设在靠近斜坡趾部时,滑体沿桩的顶部滑出(即出现越顶破坏),并在沿江公路内侧产生次级滑动面;当设桩的位置向斜坡中部移动直到公路内侧面时,滑动面位置大体相同,桩后滑体都是沿着公路内侧面滑出;桩位再向斜坡中部移动直到桩位于58.97 m处时,滑体仍沿桩顶滑出,上述4种设桩情况其破坏都是桩后土体滑落。
   
   桩位从斜坡中部向上部移动,斜坡滑动面的位置和形态亦发生明显的变化:桩位在69.65 m时,一方面斜坡上部滑体从抗滑桩桩顶滑出;另一方面桩前岩土体从桩顶并沿桩身贯通至整个滑带;当桩位于处89.46 m时,桩后岩土体没有出现次级滑动面,桩前岩土体从桩顶沿桩身贯通至整个滑带。后两种桩位情况,其破坏主要为桩前土体滑落。可见桩的埋设位置影响桩前后岩土体的稳定性,并改变滑动面的位置和形态。
   3.1.2桩位与滑坡稳定安全系数之间的关系
   滑坡体稳定性的影响因素很多,如坡面的几何形状、滑体与滑带的强度、坡体所处的情况(孔隙水的变化、周期荷载的作用)等。
   本文采用有限元强度折减法,考虑桩土相互作用分析,研究滑坡受抗滑桩加固后安全系数的变化规律,计算结果见图3和表2,图中Lx为设桩位置距坡脚的水平距离,L为斜坡坡顶距坡脚的水平距离。从表2、图3中可以看出,所有设桩位置都是有效的,因为斜坡加固后的稳定安全系数都大于1.15,斜坡是稳定的。设桩位置在斜坡中部时滑坡的稳定安全系数最高,桩位在58.97 m,69.65 m时斜坡稳定安全系数为1.345,1.35,桩位位于斜坡两端时斜坡稳定安全系数为1.2左右,这说明桩位不同,滑坡可达到的稳定安全系数有所差别,但只有滑坡治理后的稳定安全系数大于设计安全系数的设桩位置才是有效的。
   为验证桩位于69.65 m,89.46 m处桩前土体的局部稳定性,运用Spencer法计算桩前土体的局部稳定安全系数。经计算桩位于69.65 m,89.46 m处局部稳定系数分别为1.843,1.232(见图5),高于整体稳定安全系数,这验证了该处桩前土体是稳定的。
   
   3.2不同桩位抗滑桩的推力与内力
   3.2.1不同桩位抗滑桩的推力
   抗滑桩设计不仅要保证坡体稳定,还要达到经济合理的目的,即要求桩的长度短以及桩所受的推力与内力小。抗滑桩对桩后土体可提供的抗滑力(亦称为桩后滑坡推力)计算方法多种多样,本文采用的方法是极限平衡法中的Spencer法和有限元强度折减法。
   抗滑桩的载荷分布形式通常有三角形、矩形等,三角形载荷分布集中力(A1)作用位置为滑面以上三分之一桩长处,矩形载荷分布集中力(A2)作用位置为滑面以上二分之一桩长处。将设桩位置的桩前部分临空,滑面以上岩土体的强度设定为滑坡治理需达到的安全系数(Fos=1.15)时的强度,然后在设桩位置条带的中部或三分之一处施加一集中力P,边坡的稳定系数为1,反算集中力P,计算得到的集中力P即为抗滑桩对桩后滑面以上岩土体的抗力,即桩后岩土体的滑坡推力(见图6),计算结果见表3。由表3看出,集中力施加的位置不同,其滑坡推力差异不大。
   
   有限元法计算分为两种情况:一是抗滑桩为桩前无土体的悬臂桩,计算Fos=1.15时设桩位置的滑坡推力B1;另一种情况是桩前有土体,Fos=1.15时的滑坡推力为B2。其计算方法是将设桩位置的水平应力沿滑面以上桩长积分,得一集中力,此力即为滑坡推力(结果见表3)。比较Spencer法悬臂桩所受的滑坡推力A1或A2和有限元法计算悬臂桩的滑坡推力B1结果,发现有限元法与Spencer计算的滑坡推力很接近,误差不超过10%,这说明有限元法可用于滑坡推力的计算;对于桩前有土体时,常规的极限平衡法(如Spencer法)不能考虑桩土相互作用,计算抗滑桩所受的滑坡推力为桩后滑坡推力减去桩前可提供的抗力,对于桩前抗力取土体剩余下滑力、被动土压力二者的小值,实际设计中难以操作,而将桩所受滑坡推力取悬臂桩的滑坡推力,这样设计偏于保守。有限元法可以考虑桩土相互作用,可以直接计算桩土相互作用时的滑坡推力B2;B2的计算结果与滑面处桩所受的剪力相近,这符合一般力学规律。推力B2小于B1,因为B2考虑了桩前土体的剩余推力。另外抗滑桩位于边坡两端时,滑坡推力B2与悬臂桩的滑坡推力(A1或A2)或B1相差不大,而桩位于边坡中部时则相差较大,这说明抗滑桩位于斜坡中部时桩前土体提供的抗力较大。
   由表3可见,桩位于斜坡中部时,桩的长度长,推力大,这种桩位虽然有效,但不经济。桩位于斜坡最前面,桩长短,推力最小,因而是最佳桩位,符合一般桩位选择的原则。从力学角度看,桩位设在89.46 m处也是较优的桩位,该处桩长短,推力和内力也较小。但目前工程师们很少会把桩位选在这一位置,这是值得思考的地方。
   3.2.2抗滑桩的内力分布
   抗滑桩的最大剪力、最大弯距及桩的挠度见表4及图6~8。由表4和图6、7可看出,桩位于斜坡中部时,内力最大,桩长度长,因而不是合理的桩位。
   从图8可以看出,随着桩位靠近斜坡中部时抗滑桩的挠度逐渐增大,远离斜坡中部时桩的挠度逐渐降低,结合表3滑坡推力的计算结果进行分析,可以发现,桩前土体的抗力与抗滑桩的挠度具有一定的关系。抗滑桩的挠度愈大,桩前土体抗力也愈大,这一道理是显而易见的。
   P=28 260 kN
   
   4  结论与展望
   (1)抗滑桩加固对于桩位的选择首先要考虑滑坡治理的安全可靠,即坡体有足够的稳定性,坡体的稳定安全系数必须大于滑坡治理中设计要求的安全系数;抗滑桩的设计也要考虑经济上的合理性,即桩长度短及所受滑坡推力越小越好。
   (2)抗滑桩的位置影响滑坡的位置和滑动面的形状。一般情况下,抗滑桩位于斜坡中部时斜坡的安全系数最高,靠近两端时斜坡的安全系数变化规律相同。桩位的变化也会引起斜坡滑动面的形态变化,当抗滑桩位于斜坡中下部时,滑动面为在桩顶或斜坡上部某位置越顶滑出;当抗滑桩位于斜坡上部时,滑动面沿桩前土体滑出。有限元法可以针对实际情况进行相应的分析,得出抗滑桩处于不同位置时加固的效果,从而选择安全可靠、经济合理的桩位;而常规的极限平衡法不能作出相应的分析。
   (3)采用常规方法计算滑坡推力与按桩前无土体的悬臂桩的有限元方法计算出的滑坡推力是一致的,但后者考虑了桩土共同作用。把桩视作埋入体的梁单元按有限元法算出的推力要小,它充分考虑了桩前土体的抗力,并能考虑桩土相互作用,是一种比较合理的计算方法。
   (4)如果受抗滑桩加固后斜坡的安全系数相同、桩位于斜坡中部时所受的滑坡推力、内力最大,从经济角度出发,在中部设置抗滑桩是不合理的。


文章来自:滑模机械网
文章作者:信息一部
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