抗滑桩—护壁—滑体相互作用的数值试验研究

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抗滑桩作为防治滑坡的一种工程建筑物,在各国滑坡以及边坡治理工程中得到广泛的应用。抗滑桩工程中桩-护壁-滑体相互作用机理、荷载传递规律尚不十分明确,也没有相应的分析理论与设计方法。在国内设计时更多地参照桩基规范与桩基工程手册中有关竖向受荷桩、水平受荷桩和被动桩的要求。抗滑桩加固边坡的设计理论与计算方法还远远落后于工程实践,尤其在抗滑桩的设计工程中没有考虑护壁结构存在对桩土相互作用的影响。深入开展抗滑桩加固边坡桩体-护壁-滑体相互作用和接触机理的研究就成为抗滑桩工程中急需研究的课题。为此,本文通过深入总结抗滑桩和护壁结构的基本要素、施工过程及设计理论,结合抗滑桩受力状态及马家沟滑坡岩土体试验数据,建立抗滑桩、护壁结构和滑体相互作用数值计算模型,采用有限差分和有限单元法对桩体-护壁-滑体相互作用,护壁结构对桩、护壁和滑体相互作用影响,抗滑桩土拱效应影响因素三个方面进行了深入研究,提出符合实际情况的抗滑桩、护壁和滑体相互作用机理,为滑坡的治理以及长期安全性评价提供科学依据。主要的研究成果如下:(1)总结抗滑的基本要素及设计计算理论,主要分析了抗滑桩的受力状态、人工挖孔抗滑桩的基本原理和施工过程,建立了有无护壁结构的数值计算模型。(2)总结不同滑移量下桩体与滑体协调变形过程规律以及桩体前后两侧不同距离的滑体滑床土体应力位移特征。桩土相互作用规律的主要为:①随着滑体滑移量增大,抗滑桩抗滑效果的发挥是一个渐变的过程:②在滑体滑移过程中,桩体克服本身材料强度产生水平位移并发生挠曲变形;③滑体滑移过程中,离桩体距离越小,滑面对滑体滑床中土体应力状态的影响减弱,桩周附近土体与桩体挠曲变形协调一致,并受桩体挠曲变形的影响。(3)总结不同滑体滑移量下桩体、护壁和滑体协调变形过程规律以及桩体前后两侧不同距离的滑体滑床土体应力位移特征。研究结果表明:①在滑体滑移过程中,护壁结构与桩体协同变形,共同承担滑体下滑力作用,将其传递到嵌固端滑床土体中,利用稳定土体的锚固作用平衡滑体的下滑力作用;②护壁结构内力分布规律与桩体内力分布规律一致,随滑体滑移量的增加含护壁结构的抗滑桩抗滑能力的发挥同样是一个渐变的过程;③随着滑体滑移量的增大,与无护壁结构桩体弯矩分布规律不同,护壁结构及含护壁桩体的弯矩呈现先增大后减小的趋势,且其弯矩方向一致,桩体及护壁结构在桩体后侧受拉,桩体前侧受压,桩体与护壁结构共同承担滑体及桩周岩土体抗力;④护壁结构的存在改变了桩体的内力分布规律,与无护壁结构桩体相比,含护壁结构桩体弯矩最大值、剪力最大值均有所减小,且含护壁结构桩体整体位移小于无护壁结构桩体,降低了工程对桩体强度的要求。(4)确定抗滑桩、护壁结构的强度变化范围,建立桩体强度、护壁强度变化的数值计算模型,另外提出护壁结构外壁形态参数并对桩体护壁外壁与桩周岩土接触部位进行了概化,建立考虑桩体护壁外围形态的桩土作用数值计算模型,然后采用数值计算软件对上述问题进行了数值模拟研究,主要从桩体、护壁结构内力及变形过程分析桩体护壁强度变化对桩、护壁和滑体相互作用的影响,从桩后桩间土体位移及应力分析外壁形态对桩土作用的影响。研究结果表明:①在护壁强度不变的条件下,随桩体强度的增大,护壁及桩体自身的剪力、弯矩均减小;桩体护壁结构变形随随桩体强度的增大由弹性体变形特征向刚体偏转特征转变;②桩体强度不变,随护壁强度增大,桩体及护壁自身的建立、弯矩均减小,护壁及桩体的变形随护壁强度增大同样出现由弹性体变形特征向刚体偏转特征转变的趋势:③土拱效应的发挥,桩周土体的应力、变形与抗滑桩护壁外壁的形态有关;④通过对不同护壁形态下桩土作用的数值试验研究,得出桩间桩后土拱为土拱效应的不同阶段,共同起到抗滑的作用,实际工程中应当考虑桩间桩后土拱的共同效用。(5)模拟真实受力状态抗滑桩桩土作用,采用有限差分程序FALC3D建立抗滑桩土拱效应数值试验计算模型,主要从滑体土体主应力、水平位移以及桩间土体中心线上土体应力分布特征三个方面研究抗滑桩土拱效应敏感参数。研究结果说明:①分别对抗滑桩土拱效应的作用机理、发展变化规律以及沿深度变化三个问题进行了相关研究,主要通过分析滑体土体主应力、水平位移以及桩间土体中心线上土体应力分布特征三个方面的变化规律,总结抗滑桩土拱效应的发展变化特征;②得出滑床土体的弹性模量对土拱效应起到增强作用,内摩擦角、粘聚力、泊松比对土拱效应起到减弱作用,四种参数对土拱效应的影响均存在极值,即超过极值影响减弱;③分析了滑面强度对抗滑桩土拱效应的影响,得出滑面强度参数对抗滑桩土拱效应起到减弱的作用,且参数存在极值,超过极值滑面强度参数对土拱效应的影响减弱。
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