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滑坡是一种多发的又常能造成极大危害的斜坡地质灾害。降雨、地震、人为的削坡、修建堤坝、地下工程的开挖、水库蓄水等原因是导致滑坡的重要原因,于是对滑坡进行研究成为学者们的重要课题。经过多年的工程实践和理论研究,滑坡防治的研究各个方面都取得了很大成就,其中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速。
预应力锚索抗滑桩是一种新型的抗滑支挡结构,在工程实践中得到了广泛的应用。然而,由于桩锚体系与滑坡体之间相互作用的复杂性,对预应力锚索抗滑桩的作用机理的研究仍然处于探索阶段,其力学计算模型、计算方法还存在一些问题。
论文首先总结了桩、锚、土之间相互作用的研究成果,针对现有的预应力锚索抗滑桩的力学计算模型中存在的主要问题:桩锚变形协调、桩锚受力协调问题进行了探讨,并建立了其合理的力学计算模型。然后,对预应力锚索抗滑桩的设计进行研究,引用较成熟的抗滑桩设计计算方面的研究成果,对预应力锚索抗滑桩力学计算模型进行求解,着重对锚拉桩桩身变形进行求解,并与实际监测资料进行对比研究。
滑坡推力的传递机理是确定抗滑桩支挡多大的滑坡推力,以及对桩前滑体传递多大推力的理论基础,是抗滑桩设计计算的依据。目前,一般利用土拱理论分析滑坡推力在坡体和桩间的传递。在滑坡推力均匀分布于桩间岩土体的假定下,可以认为土拱的形状为合理拱轴线,合理拱轴线的每一截面上只存在压力,没有弯矩和拉力,适合于土体抗压不抗拉的特点。本文由结构力学中的两铰拱理论,推导出拱轴线的合理方程。
由于作用在抗滑桩上的荷载分布形式对结构的内力计算影响较大,因此,研究滑坡推力在抗滑桩上的具体作用分布形式有较大的现实意义。影响滑坡推力分布形式的因素很多,包括滑坡的类型、部位、地层性质、变形情况及地基系数等因素,所以,滑坡推力分布形式的确定是很困难的,只能根据实践经验、一些实测结果和模型试验分析成果经验性的给出。
对于锚拉桩桩后岩土体的推力计算,有些学者认为锚索预应力会对桩后土体产生了预加固力,进而对滑坡的推力产生一定的影响。预应力使桩后土体的确受到预加固力,但是桩后滑坡推力大小是由桩后滑面的粘聚力、摩擦角、滑体的容重、地下水等因素决定的,与预加固力没有关系。预加固力的作用,仅仅是限制了预应力施加阶段桩身的变形,对桩身变形稳定阶段的力学计算模型没有影响,滑坡推力不应折减。
对桩、锚相互作用进行了分析,并指出其力学计算的不合理。考虑到在锚索预应力施加阶段,桩已经发生了变形,提出了改进的桩锚协调变形条件。根据桩锚变形协调条件原理对现行方法进行一定的补充。通过分阶段研究桩土锚三者之间相互作用的过程,第一次对锚索预应力作用在桩上产生的变形进行分析,对现行桩锚变形协调条件进行两点的改进:
(1)在变形协调公式中滑动面桩身的位移转角应该是在桩土锚相互作用过程中第二阶段即从锚索施加预应力之后到滑体的推力全部作用在桩锚体系上达到稳定状态时的阶段产生的。应将现行公式中的X0+φ0Li替换成ΔX+ΔφLi。
(2)在公式中第j排锚索对i点桩身位移的贡献Δij也是在第二阶段产生的,在这一阶段锚索上的力由预应力状态转变到锚索正常工作状态,产生了一个增量ΔRj,正是这个增量产生了约束抵消了桩身在土压力作用下产生的向坡体外的部分变形:而现行的方法中是用锚索工作状态时的拉力Rj来抵消桩身向坡体外的变形。Rj产生的变形由两部分组成,一部分是锚索预应力Rj0,产生的变形x’,另一部分是锚索上拉力增量产生的变形。也就是说现行方法中的Δij包含了锚索预应力对桩身变形的贡献,这是不对的。应改成Δij=(Rj-Rj0)δij。
以巴东红石包滑坡为例,运用现行和改进两种方法进行对比研究。因为实例中锚拉桩为刚性桩,而这两种理论是在弹性桩的基础上得到的,因此文中对公式进行了相应的调整,使之适用于刚性桩的条件。结果表明改进方法计算的桩身位移较现行方法要大一些,但两种理论计算方法的结果与实际值的差值相差不多,并不能看出那种理论更加合理,但改进方法针对现有方法中没有考虑锚索预应力对转角的方面进行了改进,是对变形协调理论的有益补充。