边坡抗滑桩的一种简化设计方法

　　摘要：抗滑桩目前被广泛应用于边坡加固工程，特别当边坡滑动面确定，滑动面下覆地层强度较好时，更能体现它的优越性。但是，抗滑桩的设计方法并不成熟，特别是在土体在桩周或者桩间移动时桩－土的相互作用机制等认识还不是太清楚。为此，本文将从桩－土相互作用机制来分析桩的破坏原因，以期推广抗滑桩设计的新方法、新成果。
　　关键词：边坡，抗滑桩，简化设计
　　抗滑桩目前被广泛应用于边坡加固工程[1]，特别当边坡滑动面确定，滑动面下覆地层强度较好时，更能体现它的优越性。目前在日本、欧洲等地得到了广泛的应用。Ito和Matsui（1975）等人研究了各种几何参数对桩所受的滑坡推力的影响，他们的研究成果为抗滑桩的设计奠定了理论基础。近年来，许多学者在土体的移动对桩的影响等方面做了很多工作（Poulos，1995；chen，1997；Guerpillion，1999），他们的研究推动了抗滑桩在工程实践中的广泛应用，但是，抗滑桩的设计方法并不成熟，特别是在土体在桩周或者桩间移动时桩－土的相互作用机制等认识还不是太清楚。为此，本文将从Poulos等人研究的桩－土相互作用机制来分析桩的破坏原因，以期推广抗滑桩设计的新方法、新成果。
　　
　　1桩－土间相互作用机制分析
　　对于通过抗滑桩来加固的边坡，桩的失稳主要受三个因素的影响：土体强度、桩强度及其位置关系。如果桩还受到其他外力的作用，则这部分外力必须考虑。土体失稳主要有三种方式（Poulos，1999）：
　　（1）“流动模式”
　　在浅层滑动中较为常见，不稳定土体在桩周围发生塑性流动而失稳。
　　（2）“短桩模式”
　　即滑裂面较深，而桩基嵌入稳定层的深度太浅，滑体与桩一起运动而失稳。
　　（3）“中间模式”
　　沿桩身稳定层与不稳定层中的土体强度均影响着边坡的稳定性。
　　除了以上三种土体的破坏方式以外，还要考虑桩自身的强度。由于桩自身被剪断的可能性很小，不难推测“长桩”的失稳方式为沿桩身的一个或者几个部位由于其弯矩达到了屈服值，而最终发展成为所谓的“塑性铰结”。故在这种情况下，抗弯强度可视为桩是否发生破坏的标准。即使桩可以承受其他荷载，但桩身已经发生永久性破坏。
　　Poulos等人通过钢管桩试验得出了上述三种模式下破坏的一些结论：
　　（1）在滑动面处桩所受到的剪力最大；
　　（2）对“流动模式”来说，桩所受的最大弯矩一般出现在滑面以下的稳定土层中，且桩的位移比土体的位移要小的多。
　　（3）对“短桩模式”来说，最大弯矩出现在滑面上部的不稳定土层中，桩与土的位移差不多。
　　（4）对“中间模式”来说，最大弯矩在滑面上、下部均有可能出现，桩端位移远大于土体的位移。
　　
　　2抗滑桩的受力分析
　　一般来说，如果桩所受到的滑坡推力、边坡安全系数和土体位移的关系能够确定，即可预测抗滑桩加固后边坡的位移状况，当土体的位移一定时，抗滑桩所受到的滑坡推力越大，边坡失稳的概率越小。通过桩－土相互作用分析，可以得到土体位移与桩所受到的外力的变化过程，采用这种方法确定桩所受的外力适用性更广，克服了仅考虑单一粘聚力和极限状态下确定桩所受的极限抗剪力方法的局限性。Poulos（1973）和Lee（1991）等人用边界元法对此问题进行过分析研究。
　　在该问题中，抗滑桩被简化为一个简单的弹性梁，而土体被视为弹性的连续介质，如图2.1所示。抗滑桩的每个离散单元的侧向位移与其抗弯刚度和桩－土作用的水平应力有关，而相应的土体单元的侧向应力与土体的模量、桩－土作用应力及地表处土的位移有关。显然，当桩－土作用时的侧向应力一定时，考虑到土体内幼局部的塑性变形，因而适用与非线性方法。
　　
　　鉴于在每个离散单元处桩与土的水平位移的协调性，当桩－土的界面保持弹性状态时，有如下方程：
　　，
　　式中：为桩弯曲的有限差分系数矩阵；为土体位移系数逆矩阵；
　　为无量纲挠曲系数；为桩离散单元数；
　　为地表处土的水平位移增量；为桩的挠曲系数；
　　为沿桩身方向土的平均杨氏模量；为桩的嵌入深度。
　　此外，桩的力矩平衡方程及边界条件，也可以用位移方程表示。对上述位移增量方程进行求解后，就可以根据桩的挠曲方程求得压力增量值，与初始的压力相叠加，即可得到桩－土的总压力。由于土的非线性行为对其周边桩的影响很大，因而桩所受到的弯矩不能超过其屈服值。
　　
　　3抗滑桩的简化设计方法
　　此方法是基于极限平衡基本理论，按照此理论，桩－土相互之间按弹性抗力的作用模式不一定能真实地反映实际情况。此简化方法的基本思想是把抗滑桩当作一个悬臂梁，一点都不考虑桩后土体对抗滑桩的支撑作用。如果在边坡破坏时，桩周围土体对桩的作用的合力为，其水平线的夹角为。那么，桩将反过来给边坡提供一个的抗滑力，将这个抗滑力加到滑坡体上，即可算出边坡所增加的安全系数。值可以按经验设为之间，将抗滑桩当作一个偏心受压的悬臂结构，那么在知道桩的截面和配筋的条件下，根据钢筋混凝土理论，即可确定这个极限承载力
　　4算例
　　4.1基本条件
　　设计抗滑桩截面为：，桩长为，，，，，Ⅱ级钢筋，Ⅱ级钢筋，混凝土
　　4.2计算步骤
　　（1）校核
　　，故设计抗滑桩为适筋混凝土构件。
　　（2）受压混凝土面积计算。
　　对于适筋混凝土构件，破坏时受拉区混凝土早已开裂，全部拉力由受拉钢筋承担，钢筋拉应力达到屈服极限，假设受压区混凝土的应力在整个受压面上均匀分布，其合力点至受拉钢筋合力点的距离（内力偶力臂）为，受压钢筋合力点至受拉钢筋合力点的距离为。根据力的平衡关系可得如下关系式：
　　
　　则。
　　（3）计算抗弯力矩
　　根据几何关系求得：，可以认为受拉钢筋变形已足够大，应力已达到设计强度，按下式计算出抗弯力矩：
　　则抗弯力矩。按下式计算抗剪力：
　　
　　不考虑箍筋和斜筋，则。
　　（4）计算抗滑桩提供的抗力
　　设抗弯力矩的外力作用在桩的二分点，由于抗滑桩长为，所以力臂为。故按抗弯力矩计，可以提供的外力，因，故取，抗滑桩提供的抗力。
　　5结论
　　此方法简便实用，和很多有限元等分析方法相比，虽然结果有点保守，但工作量和复杂程度要小的多，特别适合设计人员使用和作为验算方法使用。
　　
　　参考文献：
　　【1】交通部第二公路勘察设计院.路基[M].北京：人民交通出版社，2000
　　【2】 JTJ267-98,港口工程混凝土结构设计规范【S】北京：人民交通出版社，1999
　　【3】JTJ290-98,重力式码头设计与施工规范【S】北京：人民交通出版社，1999

《边坡抗滑桩的一种简化设计方法》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 边坡抗滑桩的一种简化设计方法

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-16116