双排抗滑桩结构的工程计算研究及其参数的影响分析

【摘要】 伴随着山区城镇经济的发展和工程建设的需要,边坡稳定性方面的安全保障显得越来越急迫而重要,作为主要加固措施的常规抗滑桩却由于地形的局限或承载能力的不足,往往不能满足工程的要求。双排抗滑桩作为一种较为新型的支挡形式,利用其自身框架结构的优势已经逐渐在边坡和基坑工程中被广泛采用,也取得了良好的效果,但是现阶段对于其作用机理的研究仍模糊不定,尤其是解析计算模式和结构参数影响的分析不足很大程度地局限了这种高性价比支挡结构的推广。为了增强其理论支撑、优化其结构设计,本文采用解析和模拟两种不同的方式,结合前人的研究成果,分别对实用计算模式、设计参数影响两大方面进行了探讨和研究,主要工作内容和成果简述如下：工程解析计算方面,本文总结了双排抗滑桩工程中结构计算的常见方式,通过分析其各自的基本原理和不足之处,利用合理的假定推导出了一种适合一般较稳定岩土边坡的普通双排抗滑桩的简洁计算公式,并通过试算结果与监测数据的对照使其得到了有效性验证。结构参数分析方面,本文模拟了双排桩设计中各类主要结构参数的变动对桩身实际内力和位移的影响,根据模拟结果进行对比分析,得出了排距、前后桩长比值设置等方面的优化设计建议,同样,通过对边坡稳定性安全系数的比较验证了结论的实效性。 

第一章绪论

1.1课题提出的背景与研究意义
根据政策要求，原则上将琐区现有优质耕地的80%以上划为永久基本农田，同时8度以下坡度的土地应是重点保护区域[2]。这样一来，无论是新城开发还是旧城改造必将修建大量的建筑和道路，由此导致的许多高陆边坡出现也是难以避免的。而对于山地面积占据94%的云南省[3]来说，由于受地形地貌的影响，对于如此浩大的边坡工程，其安全性能方面的考虑是不容小视的。在边坡工程中，对于滑坡的防止和治理措施主要有放坡、排水和支挡等方式[4]，而作为支挡措施中常用的抗滑桩因具有工期较短、适应性强、抗滑力强、可多桩同时施工、对地质环境及边坡稳定性的干扰小等等多方面的突出优点[5]，而成为了深基坑支护、高陆边坡处理尤其是大型滑坡治理中的一种重要手段。但是，当桩后的推力较大时，大量实践表明采用传统的单排桩将不能达到控制变形的要求[6]，此时不妨沿滑动方向布置成若干排的桩，桩排之间在桩顶用冠梁相互连接，由不同桩排共同分担滑坡推力，这样可以使得结构所受的内力分配更为合理。试验证明，多排桩共同作用来加固滑坡的效果，比传统单排桩具有明显的改善[7]。但是考虑到结构材料的经济性和山区地形的适用性限制，本文研究选择了双排抗滑桩，旨在为其于实际工程中的应用推广增加一些理论支撑。
………..

1.2双排抗滑桩的研究现状
双排抗滑桩支挡结构是近些年发展起来的一种较为新型的支挡形式，它是在滑坡地段的适当位置先设置前、后两排平行的钢筋混凝土桩，再在桩顶用冠梁（或称连梁、圈梁）把这两排桩连结起来，形成的一种整体框架式的空间结构[8]，其典型图（图1.1)如下所示：除了上述最常见的门架式双排桩外，h型和加铺索等新体系也在逐渐地发展成熟，对于一些土质较完好的地域为了节省工程造价，普通双排桩（即无冠梁形式）也得到不少的运用。截至目前，虽然在实际工程中双排桩结构己被大量采用，但桩身内力计算部分却仍没有统一的规范，对于前后排桩所承担的推力大小及分布的形式，不同设计者所采用的假定也互不相同，导致最终得出的结果差异颇大理论研究的不足导致其实际工程应用时存在着不少的隐患。以下便是双排抗滑桩结构国内外应用的历程和一些主要的研究成果。
………..

第二章双排抗滑被分析方法探讨

2.1引言
双排抗滑柱支护结构与单排悬臂桩相比，最大的优势就是它具有较大的侧向抗弯刚度，因而能更加有效地限制桩身和滑坡的侧向变形。在传统分析方法中，支挡结构上的土压力分布形式是假定的，不同的假定计算出来的内力结果差异很大，这也表明土体和支挡结构的受力是分别考虑的；实际上，滑坡推力或主动土压力通过桩土接触作用于后排桩时，必然使其具有滑坡向的移动趋势，这将导致桩排之间土的变形和抗力作用的产生，继而通过能量的传递再对前排桩产生作用。本章通过对几种双排桩主流解析计算模式的原理介绍和各自优缺点的分析，扬长避短为下一章实用计算模式的改进打下基础；另外，对于后续章节中结构参数优化后支护效果的体现，本章归纳了现阶段的几种主要评价方式并进行了合理的分析和选用。
…………

2.2双排被的解析计算模式分析
由于桩间土受压变形后存在作用机理尚不明确的土拱效应，双排桩结构内力和位移的解析计算模式与传统单排桩有很大的不同，研究者一般需要依据相关理论或试验结果做出合理假定，再进行试算论证，，以下是对几个主流模式的探讨。双排抗滑桩解析计算模式与实际结果的误差主要萌生在其基本假定的设置是否周全合理上，如土体比例系数法仅考虑了滑坡推力对桩身前后产生的主、被动土压力而忽略了土体变形后的抗力作用；等效抗弯刚度法将桩体和土体刚度等效换算，这应该是建立在土体刚度为不随深度变化且与支护结构差距较小的条件下才行；刚塑性分析法过分重视了边界条件的改变从而夸大了桩间土的影响效果；修正系数法方式经典，但需要依靠原本不够充足可靠的折减经验系数。由此看出，合理的解析计算模式应该考虑到：1) 土体压缩变形后的弹賛效应不能忽略。2)桩身与土体的材质不同其刚度不能等效。3)滑动破裂面发生了改变但应该存在极限范围。4)不应过分依靠人为拟定的参数。满足这些条件才能使得双排桩结构的计算结果尽可能的接近实际。抗滑桩设置的目的就是为了提高边坡的稳定性，目前的评价方式基本上都是基于应力或位移监测数据的简单分析，一般认为只要数据变化不大就判断滑坡是稳定的且抗滑桩起到了较好的支护效果。但是抗滑桩结构会不会因为安全储备不足在突加外力作用下产生安全隐患，或者因为设计的安全储备过大而造成不必要的资金浪费，却是没法通过这种监测的手段来判断的。
……….

第三章双排抗滑桩结构工程计算研究......... 23
3.1 引言........ 23
3.2计算模式的优化改进........ 23
3.2.1改进模式的提出........ 23
3.2.2主要公式的推导........ 29
3.3工程实况简介........ 33
3.4改进模式的试算与验证........ 37
3.5本章小结 ........41
第四章双排抗滑桩结构参数影响分析........ 43
4.1引言........43
4.2双排桩结构模型的建立 ........43
4.3模型计算结果的分析与验证........ 48
4.4结构参数的影响分析........ 50
4.5结构参数优化后的支护效果评价........ 61
4.6本章小结........ 63
第五章研究结论与展望........ 65
5.1主要结论 ........65
5.2不足与展望 ........65

第四章双排抗滑被结构参数影响分析

4.1引言
对于抗滑桩的计算分析，一般都是需要综合考虑土体、结构、桩土接触面等方面的协同作用，由上章可知，解析法只能用于求解边界形状简单、介质力学性质单一并且荷载作用较规范的简单问题，而对于介质为非均勻、非线性、各向异性或者荷载复杂的情况下，内力解析解的求得往往需要很多理想化的假定条件，甚至是根本达不到的。而实际中，施工开挖、温度变化、混凝土收缩徐变等因素都会使得支护结构上的内力不断变化，同时导致其变形也具有一定的不确定性，由于土拱效应的作用，这个变形反过来又会对结构产生不小的影响，这就使得理论设计与实际情况存在误差。但是对于现代技术而言，采用有限元理论结合某种合适的土体本构模型，即通过数值分析的方式在一定范围内是可以实现对结构的应力场和位移场有个比较客观的了解的。为了得到门架式双排抗滑桩设计参数的合理取值，本章通过美国Itasca公司研发的三维快速拉格朗日分析软件FLAC3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)对双排抗滑桩结构依据实际工况进行模拟，先对其计算结果进行分析验证模型的有效；再采取单因素变化法对几类主要结构参数分别进行试验，观察其各自变化时对整体结构工作性能产生的影响（主要是桩身的弯矩和位移）并得到相应结论；最后通过是否釆用了结论优化的两种情况的支护效果（即稳定系数）进行比较，验证结论的可靠，为实际工程的设计应用增添依据和参考。

结论

双排抗滑桩因其侧向刚度大、施工方便以及较好的经济性能等优势而非常适合应用于滑坡治理或边坡加固等工程中，但现阶段由于对桩土作用机理仍不清楚，计算模式也未达到认可统一，各种因素影响的不确定性导致其设计往往具有很强的主观盲目性。本文从经典方法的优缺点分析入手，利用微分学、弹性地基梁法等原理对普通双排桩的内力计算模式进行了改进和推导，得到了一种简洁可用的矩阵公式；此外，针对具有实用推广意义的门架式双排桩，本文利用数值软件对其排距、桩长、桩间土、冠梁等影响支护效果的主要参数分别进行了研究分析，得到了一些可参考的设计建议，具体成果如下所述：
(1)通过分析双排桩几类常见解析计算模式的优缺点，总结出了工程计算中应该考虑到的方面，经过假定和推导得到了简洁的内力和位移的计算公式，并将试算结果与实测数据进行对比，验证了该模式一定范围内是有效可行的。
(2)排距是影响门架式双排桩结构支护效果最重要的因素之一，在一定范围内，增大排距能够显著地减小结构的最大位移，同时也导致前后排桩协同作用的减弱和拉锚作用的增强，桩径lm左右时研究得到的排距推荐值为2-4倍桩径。
(3)前后排桩的相对长度也是影响双排桩结构支护效果的主因之一，当前排桩相对后排桩较短时非常不利于整体结构的稳定，研究得到的推荐比例为1:1~1.2:1。
(4)冠梁尺寸、桩间土刚度等都是影响双排桩结构支护效果的因素之一，研究表明：它们不仅对整个体系的支护效果有着不同程度的影响，相互之间也存在互为影响的作用，设计时需要不断试算、综合考虑。
…………
参考文献（略）