锚拉抗滑桩设计计算理论和试验研究

【摘要】： 抗滑桩尤其是锚拉抗滑桩是处治大型滑坡行之有效的支挡结构。而锚拉抗滑桩作为一种新的抗滑支挡结构,其设计计算理论远滞后于工程应用,加强对桩锚抗滑支挡结构设计计算理论和试验研究,具有重要的理论和实际意义。为此,本文结合教育部博士点基金(20050532021)、交通部西部项目(200631880237)和湖南省建设科技项目(2006012),通过室内模型试验和理论分析较系统地研究了锚杆、普通抗滑桩和锚拉抗滑桩的受力和承载特性,主要研究工作和成果如下: (1)考虑锚杆锚固段周围土体在较大拉拔力作用下有一部分可能进入塑性状态的情形,采用三折线模型模拟土体的剪切应力应变关系,基于剪切位移法研究了锚杆锚固段荷载传递机理和承载特性,导出了相应的弹性极限荷载和塑性极限荷载计算公式,并得到了锚固段剪应力和轴力计算公式。将所得公式分别应用于拉力型和压力型锚杆的受力分析,获得了一些可供工程设计参考的有益的结论。 (2)针对抗滑桩设置后边坡最危险滑动面有可能发生变化的情形,以边坡最小稳定安全系数作为目标函数,基于自适应遗传算法(AGA)提出了抗滑桩支护边坡任意滑动面全局优化搜索算法,并编制计算程序。算例计算结果对于普通边坡所得滑动面和稳定安全系数,与已有结果较为接近,表明本文提出的算法可行;进一步对普通边坡和抗滑桩加固边坡的计算表明,由于抗滑桩的设置边坡最危险滑动面会发生变化。 (3)引入半解析半数值的加权残值法,采用适应性较广的B样条函数作为试函数,提出了一种计算抗滑桩内力的新方法,得到了计算抗滑桩内力位移的加权残值解,编制了计算程序。此方法对抗滑桩全桩内力统一计算求解,克服了已有方法将抗滑桩分推力段和锚固段分别进行计算的缺陷,且桩周土地基系数可采用双参数法表示。将提出的方法应用于验证算例和计算实例,结果表明对于双参数地基加权残值解效果良好;同时针对抗滑桩加固后边坡最危险滑动面变化的情形,根据抗滑桩加固前和加固后搜索到的滑面分别对抗滑桩内力进行计算,结果表明两者差别较大,若不考虑滑动面位置变化对抗滑桩进行设计是不合理的。 (4)总结并改进已有锚拉抗滑桩锚索设计拉力和预应力计算方法,将加权残值法引入到锚拉抗滑桩的计算,针对锚索作用于桩身的三种不同情形,考虑锚索与桩身的位移协调,提出基于加权残值法锚拉抗滑桩内力位移计算新方法。详细探讨预应力锚索抗滑桩计算过程,编制了计算程序。实例分析表明计算结果与已有结果吻合较好且计算效率高,提出的算法可行;进一步计算表明随着锚索设计拉力的增大,桩身的最大剪力值减小,最大负弯矩增大,最大正弯矩减小。采用桩身最大正负弯矩大致相等的方法(方法五)进行设计,所得弯矩最利于桩身配筋,但其施工难度可能增大,对于具体实例需综合比较各种因素采用合适设计方法。 (5)自行设计并完成了普通抗滑桩和锚拉抗滑桩室内模型试验,获得了一系列试验数据,研究了土坡中抗滑桩滑坡推力、桩前土体抗力及桩身内力等分布规律,并利用加权残值法对模型试验中抗滑桩和锚拉抗滑桩进行计算,结果表明加权残值法计算值与试验实测值吻合良好,从试验上验证了本文提出的基于加权残值法计算抗滑桩和锚拉抗滑桩算法的可靠性。 (6)引入统一强度理论分析抗滑桩周围土体应力状态,提出了抗滑桩和锚拉抗滑桩合理锚固深度和桩间距计算新方法。实例分析表明计算结果与已有结果差别很小,算法可行。分析了中主应力对计算结果的影响,反应中主应力影响的参数b越小,安全储备越高,b取0时统一强度理论即为Mohr-Coulomb强度理论。对比分析普通抗滑桩和锚拉抗滑桩的锚固深度和桩间距值,可知由于锚索的施加,锚拉抗滑桩锚固深度减小,桩间距增大。