梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩研究

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近年来,三峡水库岸坡连续出现大规模滑坡,较大程度上是由于受库水周期性浸泡造成库岸边坡失稳所引发,而目前采用的常规性抗滑桩结构对治理水毁新生滑坡的效果并不理想。为此,本论文以国家自然科学基金“灰岩地区危岩座滑破坏与解体机制研究”(项目编号:51378521)、重庆市科委重点项目“三峡水库运行期间类土质岸坡破坏机制研究”(项目编号:CSTC2013JJB005)以及已授权的团队发明专利“等腰梯形断面竖向预应力抗滑桩”(专利编号:CN104878770A)为依托,通过理论分析、模型试验等方法,对适用于治理水库岸坡大型滑坡灾害的梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩新技术进行了系统的研究,取得主要研究成果如下:(1)分析了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩为刚性或弹性模式时的受力特性,分别推导了在抛物线荷载作用下,梯形桩受荷段和嵌固段的内力及变形计算方法,并分析了内力和变形的相关影响因素;同时,提出了梯形扩散角的计算方法,推导了梯形抗滑桩的计算宽度公式。(2)分析了梯形抗滑桩结构尺寸的取值范围,确定了梯形桩体截面分区线的计算方法,提出了梯形断面竖向预应力抗滑桩的两种竖向预应力结构布置形式,并分别推导了结构配筋量和配筋率等相关计算公式;同时,构建了锚索顶端和底端以及声测管等关键构造技术。(3)通过室内模型和三维仿真模型试验,分析了梯形断面竖向预应力抗滑桩的力学性能和破坏形态,提出了桩侧角度变化对桩间土拱效应的影响规律,确定了梯形抗滑桩的安全系数取值范围,推导了破坏面的计算关系式。同时,采用了参数一致的普通抗滑桩模型试验,并将其结果与梯形桩进行对比分析。(4)提出了梯形断面竖向预应力抗滑桩的“双土拱”存在理论和破坏机理,分析了不同桩侧角度对“双土拱”的影响特征,建立了“双土拱”计算模型并推导了合理桩间距计算公式;同时,分析了桩侧角度的设计取值范围,揭示了桩侧角度对桩间距的影响规律,并确定了充分发挥“双土拱效应”的最优角度取值。(5)采取了双排梯形桩和双排普通桩的两种群桩设计,将其应用于三峡库区滑坡治理工程中,并对两种设计的应用成效和工程经济作对比分析,进一步分析了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩的实用性和经济价值。主要创新点如下:(1)梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩是治理水库岸坡大型滑坡灾害的新技术,是具有独立知识产权的新型受力结构,在以往的研究中尚未对梯形竖向预应力结构进行研究,本文是基于水毁滑坡治理展开的新技术研究。(2)提出了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩“双土拱”理论,并对“双土拱”受荷特性和传力机理加以分析,论证了“双土拱”的存在条件、破坏机理、合理桩间距等关键技术问题。(3)采用了室内模型破坏性试验和三维土拱效应模型试验与理论结合的分析方法,揭示了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩的变形和破坏规律,并分析了梯形抗滑桩的桩间土拱效应影响规律。(4)构建了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩的计算和设计方法,解决了梯形抗滑桩的受力计算和结构设计等方面的核心技术问题。
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