微型组合抗滑桩工作机理分析及优化设计研究

论文摘要

抗滑桩是目前滑坡治理工程中常用的一项重要措施,一般采用的抗滑桩都是通过增大桩身截面尺寸来增加桩的刚度与强度,从而达到抗滑的目的。随着科学技术的发展,对滑坡的加固措施向复合型、轻型化、小型化和机械化施工方向发展,微型抗滑桩应运而生,在抢险工程或中小型滑坡中有所采用。然而,微型抗滑桩的抗滑机理、设计方法及工程效果评价等研究仍处于探索阶段,对此进行研究具有重要的理论意义和实用价值。通过研究微型抗滑桩的国内外研究现状,以“白石洞滑坡”治理工程为例,系统地研究了白石洞滑坡的工程地质条件及稳定性,结合工程的特殊性,采用微型组合抗滑桩给出了滑坡治理的设计方案,并讨论了微型桩治理滑坡的一般问题,如选择合理的微型抗滑桩类型、桩的布置形式、桩间距的选取、锚固深度等问题。针对设计方案,通过数值分析软件MIDAS/GTS建立模型,分析微型抗滑桩的抗滑机理及讨论桩排距和锚固长度对边坡稳定性的影响,并分析说明微型组合桩中联系梁的重要性。获得的主要研究成果和结论如下:(1)利用MIDAS/GTS软件以左侧滑坡加固为基础建立数值分析模型,分析微型抗滑桩的抗滑机理。通过分析得到,微型抗滑桩加固滑坡后,其水平方向位移最大值发生在桩加固台阶处;边坡最大塑性变形发生在微型桩加固滑坡台阶的后缘,难以形成贯通面;微型抗滑桩受到的最大剪力及弯矩发生在滑面附近,微型桩的破坏模式为发生在滑面附近的以剪切与弯曲相结合的破坏;微型抗滑桩在加固边坡时,承受的轴力主要为压力,集中在锚固段,当桩顶产生较大位移时,桩才会受到拉力作用,文章中表明,当桩排距为1.2m时,滑坡水平位移达到4cm时,桩受到的拉力为13.26kN;受到的滑坡推力主要以梯形分布,其抗力主要以矩形分布。由机理分析得到的受力模式,为建立微型抗滑桩的设计计算理论奠定了基础。(2)通过讨论桩排距对边坡稳定性的影响得到,桩排距小于0.8m边坡失稳;当桩排距L小于1m或大于1m时,桩的最大弯矩与剪力都发生在顶部,联系梁的弯矩及压力增大,易破坏;当0.9m<L﹤1.1m时,桩受压力不断增大,其桩只承受压力;当L<0.9m或者L>1.1m时,桩顶会受到拉力作用,这是因为桩顶位移增大所产生的;(3)利用计算得到桩的锚固深度,从而得到桩长。通过比较锚固深度与桩长,得到当锚固深度为桩长的1/2~1/3时,对滑坡的稳定性影响不再增大;当锚固深度小于桩长的1/3时,滑坡的稳定性随锚固深度减小而降低;当锚固深度越大,其桩受到的轴力也逐渐增大,其具体的取值应在桩长的1/2~1/3范围内根据桩的受力选择一个合理值。(4)通过对比分析有无联系梁两种情况下坡体的稳定性及微型桩的受力得到,有联系梁的情况下,桩的最大剪力及最大弯矩均比无联系梁情况小;由于联系梁的作用,桩顶受到的压力减小,从而联系梁承受拉力作用,如果没有联系梁的,则桩顶只受压力作用,发生弯曲变形;联系梁纵梁受拉力作用,横梁受压力作用,且数值上纵梁所受的轴力远大于横梁,对设计起到指导作用。(5)根据微型抗滑桩结构参数的敏感性分析,优化设计方案,对该工程而言,桩排距L=1.0m,锚固长度H=6m的设计方案最为合适。对比滑坡加固前后的稳定性得到,加固前边坡的最大位移发生在坡面剪出口处,加固后其整体最大位移发生在坡体后缘,其位移明显减小;从塑性变形上分析,加固前最大塑性变形区位于坡面剪出口,加固后微型桩加固台阶的后缘发生最大塑性变形,说明微型抗滑桩起到了加固滑坡的作用。微型组合抗滑桩在滑坡治理工程中仍处于尝试阶段,应针对不同学者提出的抗滑机理及计算方法通过数值模拟与物理模拟试验来进行验证,更重要的是利用现场的大型试验和项目完工后的监测的结果来分析桩的抗滑机理,从而制定出一套完整的微型组合抗滑桩设计方法及规范。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微型抗滑桩的试验研究
• 1.2.1.1 物理模型试验
• 1.2.1.2 数值模型试验
• 1.2.2 微型抗滑桩的设计计算研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 白石洞滑坡工程地质条件及稳定性评价
• 2.1 工程概况
• 2.2 区域地质条件
• 2.2.1 自然地理
• 2.2.2 气象、水文条件
• 2.2.3 地质构造
• 2.2.4 地震
• 2.3 工程地质条件
• 2.3.1 地形地貌
• 2.3.2 地层岩性
• 2.4 滑坡工程地质特征
• 2.4.1 滑坡地形地貌及形态
• 2.4.2 滑体的构成与特征
• 2.4.3 滑动面（带）的构成与特征
• 2.4.4 滑坡变形破坏与成因分析
• 2.5 滑坡稳定性评价
• 2.5.1 稳定性定性分析
• 2.5.2 基于强度理论的刚体极限平衡法计算分析
• 2.5.2.1 极限平衡法简介及计算原理
• 2.5.2.2 计算剖面选取
• 2.5.2.3 计算参数选取
• 2.5.2.4 计算结果及分析
• 第3章 微型组合桩治理滑坡的初步设计
• 3.1 路基设计及滑坡推力计算
• 3.1.1 线路左侧滑坡稳定性计算
• 3.1.2 线路右侧滑坡稳定性计算
• 3.2 微型桩治理滑坡的一般问题
• 3.2.1 选择合适的微型桩类型
• 3.2.2 微型桩的布置形式
• 3.2.3 微型桩桩间距的选取
• 3.2.4 微型桩的锚固深度问题
• 3.3 微型组合桩结构的设计
• 3.3.1 微型组合抗滑桩的设计步骤
• 3.3.2 微型组合抗滑桩的设计计算
• 3.3.2.1 设计内容
• 3.3.2.2 微型桩的设计计算
• 第4章 微型组合桩抗滑机理的数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 MIDAS/GTS 软件介绍
• 4.2.1 MIDAS/GTS 程序基本特点
• 4.2.2 MIDAS/GTS 求解问题一般步骤
• 4.2.2.1 生成分析数据
• 4.2.2.2 建立几何模型
• 4.2.2.3 划分网格
• 4.2.2.4 设定分析条件
• 4.2.2.5 分析
• 4.2.2.6 查看结果
• 4.2.3 MIDAS/GTS 边坡稳定分析理论
• 4.3 单元类型的分析理论
• 4.3.1 实体单元分析理论
• 4.3.1.1 一般事项
• 4.3.1.2 有限元方程
• 4.3.2 梁单元的分析理论
• 4.3.2.1 一般事项
• 4.3.2.2 有限元方程
• 4.4 本构模型
• 4.4.1 莫尔-库伦准则
• 4.4.2 线弹性模型
• 4.5 数值模型的建立与求解
• 4.5.1 边坡模型
• 4.5.2 微型组合桩抗滑结构模型
• 4.5.3 模型网格划分
• 4.5.4 加载求解
• 4.5.5 计算结果分析
• 4.5.5.1 坡体变形及塑性区分布特征
• 4.5.5.2 微型桩桩受力分析
• 第5章 优化设计方案及微型组合桩抗滑效果评价
• 5.1 概述
• 5.2 微型组合桩设计参数的敏感性分析
• 5.2.1 桩排距对边坡稳定性的影响
• 5.2.2 桩锚固深度对边坡稳定性的影响
• 5.3 微型组合桩联系梁的作用效果分析
• 5.3.1 有无联系梁两种情况下边坡的稳定性分析
• 5.3.2 有无联系梁两种情况下桩的受力分析
• 5.3.3 联系梁的受力分析
• 5.4 基于 MIDAS/GTS 软件边坡加固前后的稳定性对比分析
• 5.4.1 边坡加固前的稳定性分析
• 5.4.1.1 建立模型
• 5.4.1.2 模型计算结果及分析
• 5.4.2 微型桩加固边坡后的稳定性分析
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果