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《中国地质大学》 2008年
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预应力锚索抗滑桩作用机理的数值模拟研究

杨彪  
【摘要】: 预应力锚索抗滑桩是一种采用锚索和桩共同受力来抵抗滑坡推力的复合受力结构。它能变一般抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗滑结构,改变悬臂式抗滑桩不合理的受力状态,在滑坡治理工程中得到了广泛的应用。但由于锚索桩体系与滑坡体之间的相互作用的复杂性,目前预应力锚索抗滑桩作用机理的研究仍然处于探索阶段。在工程的实际设计中,锚索和抗滑桩的选用只是一些经验值,在前人的研究中一般也只是将锚索和抗滑桩作为独立的支护结构加以考虑,在设计中也只是采用一些简便的组合计算,而未能考虑桩锚体系的共同作用对结构内力分布的影响。合理的设计应该是综合考虑预应力锚索与抗滑桩的荷载分配,不同的刚度、强度对结构整体的承载能力的影响,考虑锚索与抗滑桩的共同作用,使它们同时达到极限状态及同时破坏。 本文首先综合分析了预应力锚索抗滑桩的研究现状,结合锚索抗滑桩的受力特点和适用范围,指出现阶段工程设计中存在的主要问题。在总结桩、锚、土之间相互作用的研究成果的基础上,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—桩锚变形协调和桩锚受力协调问题进行了探讨,建立了与实际桩锚工作体系更为吻合的预应力锚索抗滑桩的力学计算模型。在考虑锚索受力和变形的前提条件下,建立了锚索与抗滑桩相互作用时锚索抗滑桩的内力计算理论。最后,以三峡库区巴东县谭家坪白岩沟滑坡治理工程的实例,建立ANSYS有限元模型,采用数值模拟方法对不同桩截面和锚索排数组合的预应力锚索抗滑桩共同作用的机理和效果进行模拟分析,得到它们之间的最优组合,在保证工程安全的前提下使锚索和抗滑桩达到合理的受力状态,为设计施工提供依据。 论文主要取得了如下结论和成果: 1.对桩、锚相互作用进行了分析,提出了改进的桩锚协调变形条件。分析目前常见的三种桩锚协调变形条件,并指出其力学计算的问题,考虑到锚索预应力施加阶段,桩已发生了变形,提出了改进的桩锚协调变形条件,建立了相应的协调变形方程:Δi=(f_i-f′_i)·cosθ_i 改进的协调变形方程考虑了桩在施工阶段的变形,更符合桩、锚的实际受力状态,锚索拉力的储备更合理、安全。 2.本文通过分析预加固力对预应力锚索抗滑桩的力学计算模型的影响,认识到在预应力锚索抗滑桩的设计中,要考虑由预应力引起的预加固作用,不能只进行简单的折减或扣除,而应该采用合适的分布函数计算出桩身各处的应力集度后在总的应力图形中予以扣除,从而使力学模型更符合结构的实际受力情况。 3.在预应力锚索抗滑桩设计中,选择合适的力学计算模型具有重要的作用。选用考虑桩锚受力协调的力学模型,桩和锚索共同承担滑坡推力设计值,锚索既直接发挥抗滑力,又对桩施加拉力,限制桩身变形,从而能够确保结构发挥其全部作用并降低工程造价。 4.将桩锚固段桩周岩土及锚索系统作为一个整体,视为超静定结构,桩可简化为受横向变形约束的弹性地基梁,根据位移变形协调原理,按地基系数法确定锚索拉力及桩身内力。 5.具体工程的模拟优化分析表明:预应力锚索抗滑桩的设计中要根据滑坡推力的大小选择适宜的桩截面和锚索排数。桩截面的增大和锚索排数的增加均能有效的控制滑坡位移,但若为了“安全”起见而选用过大截面的抗滑桩,只能使抗滑桩的位移略有减小而无其它的益处;若安设过多排数的锚索或施加过大的锚固力,将使抗滑桩承受巨大的被动土压力而处于受力不合理甚至危险状态。 6.运用ANSYS大型有限元通用软件能较真实的模拟锚索抗滑桩的工作情况,并能方便的进行相关参数的优化设计,是在目前相关规范还不完善的情况下较为快速准确的进行预应力锚索抗滑桩设计的可行途径。 7.以三峡库区巴东县白岩沟滑坡为工程实例,结合ANSYS对其进行优化设计,以验证、分析本文改进的力学模型。与其它模型的比较结果显示:改进的预应力锚索抗滑桩力学计算模型,因考虑桩锚的受力协调,大大降低了桩锚承载力设计值,从而有效的节约了工程投资。 8.在预应力锚索抗滑桩设计中,增大桩截面和增加锚索排数及预应力值都能有效控制桩身位移。但两者相比较而言,采用大截面抗滑桩能够取得更好的效果。在设置多排预应力锚索时,各排的预应力值可不同,建议上排预应力值略小于下排的,这样可使得各排锚索在工作状态下的应力水平大致相当。这一结论对于刚性桩尤为重要。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TU476

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【引证文献】
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【同被引文献】
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