锚拉抗滑桩设计计算理论和试验研究

论文摘要

抗滑桩尤其是锚拉抗滑桩是处治大型滑坡行之有效的支挡结构。而锚拉抗滑桩作为一种新的抗滑支挡结构,其设计计算理论远滞后于工程应用,加强对桩锚抗滑支挡结构设计计算理论和试验研究,具有重要的理论和实际意义。为此,本文结合教育部博士点基金（20050532021）、交通部西部项目（200631880237）和湖南省建设科技项目（2006012）,通过室内模型试验和理论分析较系统地研究了锚杆、普通抗滑桩和锚拉抗滑桩的受力和承载特性,主要研究工作和成果如下:（1）考虑锚杆锚固段周围土体在较大拉拔力作用下有一部分可能进入塑性状态的情形,采用三折线模型模拟土体的剪切应力应变关系,基于剪切位移法研究了锚杆锚固段荷载传递机理和承载特性,导出了相应的弹性极限荷载和塑性极限荷载计算公式,并得到了锚固段剪应力和轴力计算公式。将所得公式分别应用于拉力型和压力型锚杆的受力分析,获得了一些可供工程设计参考的有益的结论。（2）针对抗滑桩设置后边坡最危险滑动面有可能发生变化的情形,以边坡最小稳定安全系数作为目标函数,基于自适应遗传算法（AGA）提出了抗滑桩支护边坡任意滑动面全局优化搜索算法,并编制计算程序。算例计算结果对于普通边坡所得滑动面和稳定安全系数,与已有结果较为接近,表明本文提出的算法可行;进一步对普通边坡和抗滑桩加固边坡的计算表明,由于抗滑桩的设置边坡最危险滑动面会发生变化。（3）引入半解析半数值的加权残值法,采用适应性较广的B样条函数作为试函数,提出了一种计算抗滑桩内力的新方法,得到了计算抗滑桩内力位移的加权残值解,编制了计算程序。此方法对抗滑桩全桩内力统一计算求解,克服了已有方法将抗滑桩分推力段和锚固段分别进行计算的缺陷,且桩周土地基系数可采用双参数法表示。将提出的方法应用于验证算例和计算实例,结果表明对于双参数地基加权残值解效果良好;同时针对抗滑桩加固后边坡最危险滑动面变化的情形,根据抗滑桩加固前和加固后搜索到的滑面分别对抗滑桩内力进行计算,结果表明两者差别较大,若不考虑滑动面位置变化对抗滑桩进行设计是不合理的。（4）总结并改进已有锚拉抗滑桩锚索设计拉力和预应力计算方法,将加权残值法引入到锚拉抗滑桩的计算,针对锚索作用于桩身的三种不同情形,考虑锚索与桩身的位移协调,提出基于加权残值法锚拉抗滑桩内力位移计算新方法。详细探讨预应力锚索抗滑桩计算过程,编制了计算程序。实例分析表明计算结果与已有结果吻合较好且计算效率高,提出的算法可行;进一步计算表明随着锚索设计拉力的增大,桩身的最大剪力值减小,最大负弯矩增大,最大正弯矩减小。采用桩身最大正负弯矩大致相等的方法（方法五）进行设计,所得弯矩最利于桩身配筋,但其施工难度可能增大,对于具体实例需综合比较各种因素采用合适设计方法。（5）自行设计并完成了普通抗滑桩和锚拉抗滑桩室内模型试验,获得了一系列试验数据,研究了土坡中抗滑桩滑坡推力、桩前土体抗力及桩身内力等分布规律,并利用加权残值法对模型试验中抗滑桩和锚拉抗滑桩进行计算,结果表明加权残值法计算值与试验实测值吻合良好,从试验上验证了本文提出的基于加权残值法计算抗滑桩和锚拉抗滑桩算法的可靠性。（6）引入统一强度理论分析抗滑桩周围土体应力状态,提出了抗滑桩和锚拉抗滑桩合理锚固深度和桩间距计算新方法。实例分析表明计算结果与已有结果差别很小,算法可行。分析了中主应力对计算结果的影响,反应中主应力影响的参数b越小,安全储备越高,b取0时统一强度理论即为Mohr-Coulomb强度理论。对比分析普通抗滑桩和锚拉抗滑桩的锚固深度和桩间距值,可知由于锚索的施加,锚拉抗滑桩锚固深度减小,桩间距增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的、背景和意义
• 1.2 抗滑桩发展概况
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 抗滑桩研究现状
• 1.3.2 边坡稳定性分析研究现状
• 1.3.3 锚固工程研究现状
• 1.3.4 锚拉抗滑桩研究现状
• 1.4 本文研究的内容及方法
• 第2章 锚杆（索）荷载传递机理及受力分析
• 2.1 概述
• 2.2 剪切位移法
• 2.3 拉力型锚杆（索）传荷载递机理
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 锚固体界面土体受力分析
• 2.3.3 弹性分析
• 2.3.4 弹塑性分析
• u 计算'>2.3.5 锚杆最大承载力P_u计算
• 2.3.6 算例
• 2.4 压力型锚杆（索）传递机理
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 界面土体受力分析
• 2.4.3 弹性分析
• 2.4.4 弹塑性分析
• 2.4.5 极限荷载和有效锚固长度计算
• 2.4.6 算例
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于 AGA 抗滑桩加固边坡稳定性分析
• 3.1 概述
• 3.2 遗传算法及其改进
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 简单遗传算法
• 3.2.3 自适应遗传算法
• 3.3 边坡稳定性分析改进MORGENSTERN -PRICE 法
• 3.3.1 公式推导
• 3.3.2 计算步骤
• 3.3.3 通用条分法的衍化
• 3.4 基于 AGA 抗滑桩加固边坡稳定性分析
• 3.4.1 边坡稳定性分析任意滑动面优化模型
• 3.4.2 抗滑桩加固边坡稳定性分析
• 3.5 计算实例
• 3.5.1 计算实例一
• 3.5.2 计算实例二
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于加权残值法抗滑桩内力计算
• 4.1 加权残值法基本原理
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 加权残值法的分类
• 4.1.3 加权残值法的试函数
• 4.1.4 五次B 样条函数作为试函数的最小二乘配点法
• 4.2 现有抗滑桩内力计算方法
• 4.2.1 极限地基反力法
• 4.2.2 弹性地基反力法
• 4.2.3 复合地基反力法
• 4.3 基于加权残值法抗滑桩内力计算方法
• 4.4 抗滑桩内力计算程序
• 4.4.1 抗滑桩Matlab 计算程序框图
• 4.4.2 程序主要模块的介绍
• 4.5 实例分析
• 4.5.1 验证算例
• 4.5.2 计算实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于加权残值法预应力锚索抗滑桩设计计算
• 5.1 现有锚拉抗滑桩计算方法
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 锚索设计拉力和预应力的计算
• 5.1.3 锚索抗滑桩的设计计算方法
• 5.2 加权残值法用于锚拉抗滑桩的计算
• 5.2.1 单根锚索作用于桩顶
• 5.2.2 单根锚索作用于桩身
• 5.2.3 桩身作用多根锚索
• 5.3 预应力锚索抗滑桩计算程序
• 5.3.1 预应力锚索抗滑桩Matlab 程序框图
• 5.3.2 程序说明
• 5.4 计算实例
• 5.4.1 实例一
• 5.4.2 实例二
• 5.4.3 实例三
• 5.5 本章小结
• 第6章 锚拉抗滑桩室内模型试验研究
• 6.1 试验目的及内容
• 6.2 模型试验设计
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 模型槽设计
• 6.3 试验材料准备和参数量测
• 6.3.1 桩材选择与参数量测
• 6.3.2 土体材料选择与参数量测
• 6.4 土体填埋及设备就位
• 6.5 分级加载试验
• 6.6 分级加载结束之后的后续工作
• 6.7 试验结果分析
• 6.7.1 桩侧土压力分布规律
• 6.7.2 位移分布规律
• 6.7.3 桩身弯矩分布规律
• 6.7.4 计算值与实测值对比分析
• 6.8 本章小结
• 第7章 基于统一强度理论锚拉抗滑桩合理锚固深度和桩间距的确定
• 7.1 统一强度理论简介
• 7.1.1 概述
• 7.1.2 统一强度理论的一般表达式
• 7.1.3 统一强度理论其他表达形式
• 7.1.4 统一强度理论特例及其π平面极限曲线
• 7.2 基于统一强度理论抗滑桩合理锚固深度的确定
• 7.2.1 概述
• 7.2.2 基于统一强度理论桩侧土容许承载力的计算
• 7.2.3 抗滑桩锚固深度确定
• 7.2.4 锚拉抗滑桩锚固深度的确定
• 7.2.5 计算实例
• 7.3 基于统一强度理论锚拉抗滑桩合理桩间距的确定
• 7.3.1 概述
• 7.3.2 桩间土拱的形成及其力学特性
• 7.3.3 受力分析
• 7.3.4 计算实例
• 7.4 本章小结
• 结论及建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间论文、科研及获奖情况