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在滑坡治理工程中,预应力锚索抗滑桩因其能使普通抗滑桩的结构受力更加合理,在条件允许情况下,可以减小桩身截面尺寸,减短桩长,加快施工进度,降低工程造价,节约投资。从而得到了广泛应用。目前理论上还没有提出有效的对预应力锚索抗滑桩加固效果的评价方法;同时锚索抗滑桩各设计参数的优化设计有待进一步研究。
本文结合工程实例三峡库区巴东县谭家坪滑坡白水沟次级滑坡,利用FLAC3D强度折减法对预应力锚拉桩加同前后的滑坡稳定性进行计算分析,并探讨其可行性和实用性;运用FLAC3D数值模拟技术,对预应力锚拉抗滑桩的受力变形特征、加固效果进行评价并对其设计参数进行经济合理的优化设计分析;从安全稳定和经济合理两个方面总结预应力锚拉桩优化设计的规律。结论如下:
1.针对滑坡加固前后的稳定性和变形特征,利用FLAC3D数值模拟技术,对预应力锚索抗滑桩应用于该滑坡的加固效果进行三维、二维数值模拟分析对比,利用基于FLAC3D强度折减法计算了滑坡的三维、二维稳定性系数,分析结果表明:
(1)FLAC3D数值模拟技术适用于滑坡的稳定性评价与加固效果分析。从典型工程实例的分析成果来看,FLAC3D强度折减法适用于滑动面已知的滑坡三维稳定性评价。
(2)基于FLAC3D强度折减法滑坡稳定性系数计算程序适用于滑坡稳定性的计算。天然状态下,谭家坪滑坡白水沟次级滑坡处于稳定状态,仅后缘可能会发生局部失稳。计算结果与对滑坡的地质调查分析一致,说明所建立模型及参数取值是基本符合实际的。
(3)利用FLAC3D强度折减法对滑坡稳定性进行分析时,三维分析克服了二维难以模拟滑坡复杂的地质、地形等实际条件的不足,得到比较符合实际情况的滑坡的应力、变形分布及发展趋势,而且还能确定实际滑移面、主滑方向和滑体在不同部位的相对稳定性,获得与极限平衡法基本一致的稳定性系数。天然状态下,由于滑坡的三维效应,利用三维FLAC3D强度折减法计算所得滑坡稳定性系数略高于二维。利用二维FLAC3D强度折减法计算的滑坡稳定性系数略高于传统极限平衡法。
(4)天然状态下,滑体加固后,稳定性系数得到较大提高。地表位移减小,塑性区变小,潜在滑动带被锚索、桩体截断,说明预应力锚索抗滑桩起到了加固滑体、阻止大变形和滑动产生的效果。
2.利用FLAC3D数值模拟技术,针对抗滑桩的设计以及预应力锚索的设计,通过建立对桩截面尺寸、桩嵌固深度、桩间距、锚索预应力值、锚固角、锚固长度等设计参数变化的数值模型,模拟分析滑体的稳定性和变形特征、桩身位移、受力状况等,采用单因素法,对各设计参数进行优化设计,找出最经济、合理的设计方案,得到以下结论:
(1)桩截面尺寸增大时,滑体的整体加固效果显著增强,抗滑桩的弯距剪力也随之增大。最优桩截面尺寸应选取构造宽度并满足滑坡加固效果条件下,使抗滑桩弯距剪力最小。结合刚体极限平衡法,综合确定其最优化的截面尺寸为2.0m×3.0m。
(2)桩嵌同段长度增大时,滑体的整体加固效果几乎不变,局部轻微变弱。考虑经济合理的因素,在工程治理中,嵌固段长度在满足嵌固力和规范要求的情况下尽量取最小值。文中选取最优嵌固段长度为5m。
(3)预应力的施加使得桩身在相同的土压力作用下桩内外两侧的弯矩大大减小,有利于设计减小桩截面尺寸和桩嵌固深度的减小。通过对相同条件下施加了不同锚索预应力的抗滑桩进行计算,根据桩身位移和受力状态得出到锚索预应力为总的剩余下滑力的30%左右时,桩身两侧所受的剪力和弯距较为均匀,此时该预应力为抗滑桩的最优锚索预应力。桩顶施加过大的预应力不能减少桩顶位移,反而会增加桩顶的反向位移和桩身的剪力和弯距。
(4)当锚索锚同段长度增加时,锚索内力增加到一定值后逐渐趋于稳定,但抗滑桩的最大剪力,最大弯距随之增大,说明增加内锚固段长度并非增加锚固力的最佳途径。本文确定的锚固长度为7m。
(5)锚索的最优安装角度与滑动面的倾角、内摩擦角有关,在锚索具有足够安全储备系数下,应充分发挥锚索的抗拉强度,本文模拟得最优安装角为32°。
(6)利用三维FLAC3D数值模拟技术可以有效地分析矩形抗滑桩桩间的土拱效应问题。对抗滑桩在受荷段所受土拱效应进行研究,并分析影响抗滑桩桩土相互作用的因素。得出抗滑桩桩间土体土拱效应能得到充分发挥的桩间距为2倍到3倍桩宽(桩径)。桩间距较小时,桩的荷载分担比较高;随着桩间距加大,桩的荷载分担比越来越小,土拱效应也变得不明显。可推断,当抗滑桩间距增大到某一量值时,土拱效应消失。因此,设计时应确保在桩间距小于临界值情况下选择最大值。