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新型桩锚结构设计计算理论研究

刘小丽  
【摘要】: 抗滑桩尤其是预应力锚索抗滑桩和预应力锚索地梁(包括单梁和框架梁)是近年来较多地应用于抗滑工程的新型桩锚结构,这些结构的设计理论研究大大滞后于工程应用,其设计计算缺乏相应的规范作指导,存在的问题较多。鉴于这些新型抗滑结构在工程中的大量应用,加强设计理论研究,制定相应规范,是一项十分紧迫的工作。本文结合西部交通建设科技项目,开展了这方面的研究。 论文首先对抗滑桩的相关设计计算理论进行了研究,包括抗滑桩与边坡岩土体的相互作用,抗滑桩的力学计算模型以及预应力锚索抗滑桩的内力计算方法;其次对预应力锚索地梁的受力状态、计算模型以及设计方法进行了分析研究;最后结合工程实例和地质力学模型试验对相关结论进行了分析比较、验证。通过研究,主要取得了以下结论和成果。 (1)提出滑坡推力计算的基本原则,即滑坡推力的计算方法应尽量与该滑坡的稳定性分析方法保持一致,这样计算的滑坡推力才能和相应的稳定系数对应。针对现有滑坡推力计算方法单一、适用性差的特点,将常见的各种类型滑坡按滑动面形式分为5种类型,根据滑坡稳定分析中各极限平衡法的适用条件,分别给出了这5种滑动面形式的滑坡推力计算表达式。 (2)应用土拱理论分析了滑坡推力在抗滑桩和桩间岩土体之间的传递机理,建立了滑坡推力的传递机制模型,得出了抗滑桩上滑坡推力荷载的计算公式。根据岩土体抗压性好、抗拉性差的特点,将桩间土拱的拱形视为合理拱轴线方程,通过分析土拱的力学平衡条件,得出桩间滑坡推力的传递模型,并由此得到抗滑桩上的滑坡推力计算公式,现有抗滑桩上滑坡推力的计算公式只是本文公式的特例。同时根据土拱的应力状态,得出土拱体存在的必要条件,由此给出最大桩间距的确定条件,这些条件既保证了桩间岩土体抗滑能力的充分发挥,又能保证抗滑桩整治工程设计的安全。 (3)建立了滑坡体与抗滑桩相互作用的位移模型。与现有抗滑桩与坡体相互作用的计算模型相比,该模型不是对桩后滑坡推力分布做出假定,而是根据滑体的位移特性,将滑体位移视为系统允许的某种形式,通过桩与其后滑体的相对变形来计算滑坡推力的分布。文中以线弹性Winkler地基上的抗滑桩为对象,得出了桩后滑体系统位移为平动时抗滑桩求解的微分方程式,编 第I!页 西南交通大学博士研究生学位论文 制了结构计算有限元程序。 (4)对抗滑桩的力学计算模型进行了研究,建立了包括弹性双参数地基 模型、弹塑性地基模型上抗滑桩计算的具体有限元计算格式,编制了程序; 同时应用建立的抗滑桩与坡体相互作用的位移模型,对双排桩之间的相互作 用进行了初步分析。 (5)提出了改进的预应力锚索抗滑桩计算新方法,编制了计算程序。该 法指出在计算锚索预应力作用下的抗滑桩内力时,应考虑抗滑桩后滑坡岩土 体的地基反力作用,而这一点恰是现有计算方法中所没有考虑的,研究表明, 改进方法的计算结果更接近于锚索抗滑桩的实际受力状态。根据预应力锚索 抗滑桩计算的新方法,对锚索预应力值的确定给出了详细的理论分析和有限 元计算过程。根据锚索抗滑桩的受力特点提出了设计计算的动态方法。 (6)给出了包括线弹性 Winkler地基模型、双参数线弹性地基模型以及 各向同性弹性半空间体地基模型上预应力锚索(框架)地梁有限元力学计算模 型,该模型能同时考虑地梁与岩土体的协调变形,各锚索预应力之间的相互 影响,并据此编制了计算程序;考虑到锚索地梁的工作特点,提出了锚索地 梁的极限状态设计思想,在充分发挥锚索承载力的同时保证了地梁的安全,声 给出了其具体计算过程和有限元程序。这些都是现有计算方法所不能考虑的。 (7)运用本文相关研究成果对既有例题、工程实例进行了计算结果对比 分析,验证了其正确性和合理性,同时也提出了其中需要进一步研究改进的 方面。通过大型室内地质力学模型试验,对抗滑结构(锚索抗滑桩和锚索框 架地梁)的内力特征进行了研究,用本文的相应设计计算理论和现有计算理 论分别对模型试验中的抗滑结构进行了计算,与实测结果的对比分析表明了 本文计算方法的可行性。 本论文的创新之处在于,用土拱理论建立了滑坡推力在抗滑桩与坡体之 间的传递机制模型,并山此得到了作用于抗滑桩上的滑坡推力计算式以及最 大桩间距的确定条件式;建立了抗滑桩与滑坡体相互作用的位移模型,该模 型能考虑桩与坡体相互作用过程中二者相对位移的影响,避免了人为假设滑 坡推力分布形式的缺陷,给出了其适用条件和计算过程:提出了预应力锚索 抗滑桩的改进计算方法,使得预应力锚索抗滑桩的计算理论更加完善,通过 实例验证了该方法的适用性和合理性;在预应力锚索地梁力学计算模型研究 一 的基础上,提出了预应力锚索地梁极限状态设计的新思想,给出了该设计方 法的实现途径并编制了有限元计算程序,为锚索地梁合理而安全的设计提供 了一种新思路。


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