随着我国经济的高速发展，基础设施建设投入力度加大，由工程引起的滑坡灾害问题日趋严重，滑坡治理方法的研究备受关注。抗滑桩是滑坡地质灾害治理中一种主要的方法，它具有适应性强、对滑坡稳定性和地质环境干扰小、抗滑能力强等诸多优点。抗滑桩本身是受弯构件，若仅靠增加截面尺寸来增加刚度，不仅给施工带来困难，而且对整治施工中滑坡的稳定也非常不利。因此，开展提高抗滑桩刚度与强度的研究以及土拱效应、地层摩阻力、土体抗力对抗滑桩的影响是当前的研究热点。　　 目前对抗滑桩结构受力的研究，主要采用平面内受力分析的方法，仅考虑力在二维方向的作用，对平面外力的作用往往忽略不计。基于这样的研究方式，通常将滑坡体和抗滑桩简单地分开考虑，不考虑滑坡体和抗滑桩之间的协调变形，把滑坡体和抗滑桩之间的相互作用简化为刚体之间力的相互作用，这些假设实质上回避了桩—梁—土之间相互作用及桩间土拱效应对滑坡体产生的影响。　　 本文在总结分析国内外有关研究的基础上，提出了一种基于空间协同作用的框架式抗滑桩(Anti-Sliding Piles Based on Spatial Framework Structure，以下简称S-ASP)力学分析模型，该模型综合考虑桩—梁—土之间相互作用及桩间土拱效应，运用空间协同分析机理对框架式抗滑桩结构的内力和变形规律进行分析，全面地分析框架式抗滑桩的受力特性。　　 一、论文的主要研究工作　　 1.对国内外抗滑桩设计理论与方法、数值分析计算方法、模型试验与现场实测、土拱效应等方面的研究现状及发展水平进行了综合分析，探讨了当前抗滑桩研究成果的优缺点及局限性，运用空间协同分析的机理和技术，提出了一种新的基于桩—梁—土间的空间相互作用的抗滑桩分析设计方法(S-ASP方法)。　　 2.以平衡协调原理、土拱效应及Winkler地基梁理论为基础，运用空间协同分析的方法和技术，针对具有空间整体结构特性的群桩，提出了框架式抗滑桩的力学受力分析模型(S-ASP力学模型)；运用数学解析的方法，对S-ASP力学模型进行解析分析，建立了相应的数学解析模型，并给出了线性求解方程组，奠定了S-ASP方法理论分析的基础；应用MATLAB工具，采用两阶段的求解方式，结合三峡库区巴东红石包滑坡应用实例，对S-ASP数学模型进行求解。首先计算梁及桩顶的内力，再通过弹性地基梁方程计算桩身内力，最后得到框架式抗滑桩的理论计算结果。计算结果分析表明，纵横向框架梁将前后桩连接成了空间整体结构，共同承受滑坡推力的作用，前后桩桩底反力形成的力矩，对桩的稳定也起到很大的作用。　　 3.采用有限元分析的方法技术，对S-ASP力学模型进行数值模拟，建立S-ASP的数值分析模型，并针对巴东红石包滑坡实例运用ANSYS进行求解，从而获得S-ASP的数值模拟结果，为S-ASP模型的正确性证明提供了有力的依据。首先采用总应力法对S-ASP力学模型进行分析，考虑到桩梁和滑体、滑床各自所具有的材料特性，将桩梁视为线弹性材料，将滑体和滑床视为弹塑性材料。再根据Drucker-Prager弹塑性模型，在不考虑土体的应力历史，以及施工引起土体初始位移场和应力场的情形下，设置桩和土、土和基岩、桩与基岩之间的接触面单元，制定接触分离的判断准则，并通过三轴试验得到土体的强度指标。最后，从应力场、位移场和框架桩应力位移三方面分别对有限元计算结果进行了分析。结果分析表明，S-ASP力学模型的数学解与数值模拟值具有很好的一致性，从而进一步验证了S-ASP力学分析模型的可行性。　　 4.针对三峡库区巴东红石包滑坡工程实例，进行室内模型试验研究，并将试验结果与基于S-ASP力学分析模型的计算结果进行分析对比，从而充分地证明了S-ASP模型的正确性。首先根据试验原型，运用相似理论，在几何相似、材料特性相似、荷载相似、载荷施加、边界条件相似等方面建立了试验相似关系，并以此为依据建立了红石包滑坡工程实例的试验结构模型。随后对试验模型的桩梁、滑体以及滑床相似材料进行配置。为保证试验的准确性，采用室内制样技术，用土的密度和压缩模量作为控制指标，对滑体试样进行配合比及力学特性试验，通过高压固结法和直剪法测试土样物理性能指标，采用最小二乘法求解滑体的强度参数(Φ)值和C值；考虑到巴东红石包滑坡工程实例的地质条件，选用C20混凝土作为滑床材料，并运用立方体抗压试验，确定了桩梁的试验材料。再综合考虑试验条件的影响因素，设计并实现了试验模型。最后，从土压力、桩梁内力、桩顶位移和滑体位移四个方面进行试验测试，通过多次采集法获取相应的试验数据，并通过土压力测试系统、DH3815N和DH3818N应变数据采集仪对采集数据进行分析处理，从而获取在滑坡推力及桩梁岩土体共同作用下红石包滑坡工程实例中框架式抗滑桩的受力特性及变形规律。　　 5.对上述计算结果和试验结果进行了对比分析研究，从而验证S-ASP模型的合理可行性，为框架式抗滑桩的设计提供科学依据。为进行合理的分析对比，在试验中对试验体中的模拟滑坡推力逐渐加大，直至其最大值。再通过观察框架式抗滑桩从受荷到破坏的全过程，研究框架式抗滑桩在非线性力协同作用下的渐近受力变化过程，采集整个变化过程中抗滑桩各组件的受力值，并以直观的图表展现出来。试验观察结果表明，当滑坡推力达到一定值后，整个框架式抗滑桩的构架形成了一个受空间协同交互作用的框架整体，从而充分地论证S-ASP理论的合理性、正确性。试验结果数据分析表明，S-ASP模型计算结果与试验结果在变形趋势方面具有高度的一致性，S-ASP模型可以作为一种有效地计算框架式抗滑桩受力特性的技术方法。　　 6.针对三峡库区巴东红石包滑坡实例，在框架式抗滑桩的设计中，采用了S-ASP方法进行桩梁设计，给出了抗滑桩、梁和节点区的结构施工图，以使S-ASP理论方法在实际工程中得到应用。　　 二、论文的研究成果　　 1.S-ASP较之传统的双排抗滑桩具有更好的协同支挡作用。数值模拟和模型试验结果表明：S-ASP的前后排桩节点区为刚性连接，桩顶顶部弯矩不为零，桩梁变形协调一致；前后桩桩底反力形成力矩，增大了桩的受力宽度，提高了双排桩的承载能力。从而说明S-ASP的各杆件无论从纵向和横向都对滑坡推力产生了良好的协同交互支挡作用，能够承受较大的滑坡推力。　　 2.S-ASP较之传统的双排抗滑桩具有更好的等效连拱支挡作用。数值模拟和模型试验结果表明：桩间土拱效应使得相邻两桩间隔处形成一种拱支撑，而S-ASP杆件间的协同交互作用又使得抗滑桩间隔处土体所承担的水平应力和桩所承担的应力几乎相同，从而使框架式抗滑桩间的土拱和桩产生了等效连拱支挡作用，呈现出一种更为强大的拱支撑效应，有效地抑制了滑体的下滑位移。　　 3.S-ASP具有很好的刚度和稳定性。在室内模型试验中，我们将滑坡推力增大到设计值，出现了桩后滑体向上隆起(土体从桩后剪出)及滑体出现裂缝的现象。此时，尽管滑坡体己被破坏，而框架式抗滑桩却未出现明显裂缝等破坏征兆。这表明框架式抗滑桩的刚度大、稳定性强。其原因在于当载荷逐渐增大的滑坡体向框架桩压去时，后排桩承担了较大的滑坡推力，挡住了推力板后的土体，滑体在载荷不断增加的过程中一部分向前移动、另一部分向两侧移动，其余部分只能朝薄弱处上部隆起。　　 4.结果分析表明，S-ASP具有受力均匀，承载力大，稳定性好，弯矩小，位移小，可以采用较小的桩身截面等特点，因此适用于大中型滑坡的治理工程，工程适用性更广，是值得推广的加固支挡结构。　　 5.S-ASP理论分析和试验分析结果对抗滑桩工程设计具有指导性的现实意义。首先，桩高度—弯矩分布规律的结果数据分析表明，框架式抗滑桩桩身最大值弯矩和最大值剪力均位于滑动面处，且后排桩最大弯矩和最大剪力值均大于前排桩，因此在抗滑桩结构设计时，其主要的纵向受力钢筋应按滑动面处最大弯矩值计算，抗剪设计应取滑动面处最大剪力值，以确保桩身具有良好的抗弯、抗剪性能，同时在框架式抗滑桩设计时对前后排桩的处理应有所不同。其次，从纵向框架梁弯矩变化规律数据分析中可以看出，由于纵向框架梁在轴力和弯矩的共同作用下主要承受压应力，而梁在前排桩节点附近的上部局部受拉，因此应在此处考虑增大配筋率避免混凝土的局部破坏。最后，从横向框架梁弯矩变化规律数据分析中可以看出，横向框架梁主要承受轴向拉应力，因此应配置适当的钢筋增加截面的抗拉性，避免混凝土开裂，横向框架梁(联系梁)的设置提高了抗滑桩的整体稳定性。　　 三、论文的主要创新点　　 1.从空间协同交互的角度，综合考虑桩梁土各组件对框架式抗滑桩所产生的各种组合效应，提出了一种新的基于空间协同作用的框架式抗滑桩(S-ASP)设计方法，较之目前所采用的基于平面结构、独立考虑土拱效应的抗滑桩受力分析方法更进了一步。　　 2.采用平衡协调原理、土拱效应及弹性地基梁理论，提出了S-ASP的受力分析模型、数学解析模型，以及相应的数学解析方程组，奠定了S-ASP方法的理论基础。　　 3.通过数值模拟和模型试验，提出了框架式抗滑桩的土压力、桩梁内力、桩项位移和滑体滑床位移的求解方法。数学解析解、数值模拟和模型试验数据的对比分析结果充分论证了S-ASP理论的合理性和正确性。