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黏性土滑坡渐进破坏机理与桩土相互作用离心模型试验研究

薛德敏  
【摘要】:随着线路工程、机场、水利矿山等基础设施建设区域向更为复杂的艰险山区不断拓展,工程滑坡灾害频发,处治滑坡的抗滑桩工程屡见不鲜。一般而言,滑坡的变形破坏具有渐进破坏特征,这一过程与整治滑坡的抗滑桩之间的相互作用非常复杂。当前学术界普遍采用物理模拟和数值模拟方法来研究渐进破坏滑坡机理和桩土相互作用,而相关的理论分析和计算方法仍在不断探索中,仍需要更深入的研究。本文以“概化离心模型试验现象和数据分析→理论方法建立和理论公式推导→理论与试验结果检验分析→典型工程案例应用分析”为研究思路,以未加桩和加桩黏性土滑坡为研究对象,以离心模型试验和理论分析为研究手段,对黏性土滑坡渐进破坏机理和桩土相互作用进行深入研究。取得的主要研究成果如下:(1)通过黏性土滑坡的离心模型试验,再现了破裂面的初始形成、发展至贯通全过程,揭示出空间上破裂面土体抗剪强度随剪应变差异性弱化是滑坡渐进变形破坏的根本原因。据此试验现象,利用剪切位移与抗剪强度参数的“三段式”线性关系,基于变形协调提出了一种新的考虑位移与破裂面土体抗剪强度参数关系的滑坡动态稳定性评价方法,即修正传递系数显示解法。该方法中确立了残余强度和残值剪切位移的计算公式,获得了滑坡渐进变形破坏全过程中破裂面土体抗剪强度参数的空间变化特征,使得滑坡稳定性计算结果的物理意义更加明确,而且更加符合实际,从而有助于提高滑坡监测预警结果的准确性和可靠性。(2)考虑桩后坡面倾角的影响,依据莫尔-库伦强度理论,建立了黏性土滑坡内抗滑桩桩后线性破裂面倾角计算公式;依据最大主应力旋转理论,采用莫尔圆坐标平移方法,推导和建立了基于竖向土拱效应的抗滑桩桩间主动土压力系数和桩间主动土压力解析式,然后以桩间主动土压力为边界条件修正了基于水平土拱效应的Ito桩后侧向土压力解析式;与离心试验实测结果和前人结果相比,本文理论解更接近于离心试验实测结果,证明了本文理论解的正确性。本文计算方法可为单排桩桩后推力设计提供理论依据。进一步参数分析表明:抗滑桩桩后侧向土压力随桩间距增大而减小,随桩宽增大而增大,随桩后坡面倾角增大而显著增大,随桩土界面粗糙度增大而增大,由此建议了在抗滑桩工程设计中1)应在滑坡中心剖面附近采用较小桩间距,而在坡体两侧采用较大桩间距;2)可以适当加大桩宽,减少桩数;3)应适当放缓桩后坡面坡度;4)可以适当增大桩土界面的粗糙度。(3)建立了有限桩排间距和半无限桩排间距两种情况下桩顶无连梁的双排桩受力分析模型。考虑了排间土体抗力的影响,结合修正的Ito塑性理论、Winkler弹性地基梁理论和土体强度理论,推导和建立了有限桩排间距下基于竖向土拱效应的前后两排桩桩间非极限主动土压力系数和桩间非极限主动土压力解析式;然后建立了基于桩后竖向土拱效应和水平土拱效应的前后两排桩桩后非极限侧向土压力解析式。半无限桩排间距下前后排桩桩后侧向土压力解析式和单排桩一致。本文理论解与离心试验实测值对比结果表明两者土压力分布形式较为相似,数值误差为1.08%~12.2%,一定程度上说明了本文理论计算方法的合理性和适用性。本文理论计算方法可以为桩顶无连梁的双排桩桩后滑坡推力的合理分配设计提供理论依据。(4)考虑桩-桩的变形和受力协调,提出了通过设定前排与后排桩桩后侧向土压力比、桩身位移比、双排桩桩后侧向土压力和与单桩桩后极限侧向土压力比、滑坡安全系数Fs四个指标的阈值来综合确定桩顶无连梁的双排桩合理桩排间距的方法。该方法以滑坡安全系数Fs大于1.0为充分必要条件,通过图解方式获得了离心模型对应的原型土坡中双排桩合理桩排间距为6~22 m。(5)考虑变形和桩土相互作用的影响,基于本文提出的修正传递系数显示解法,建立了单排或桩顶无连梁的多排抗滑桩工程后效应评价方法。典型抗滑桩工程实例研究结果表明:攀枝花机场填筑体滑坡前、中、后三排抗滑桩滑坡推力分担比为1:0.26:2.96,桩排受力差异大,彼此协同抗滑能力差,单桩受力远大于设计值,在滑坡蠕滑变形→匀速变形→加速变形→临界变形演化过程中滑坡安全系数Fs逐渐减小;八渡次级滑坡第一、第二、第三排抗滑桩滑坡推力分担比为1:1.18:1.09,桩排受力较为一致,单桩受力小于设计值,考虑抗滑桩设计抗力贡献的次级滑坡安全系数F_s为1.105,与设计安全系数1.1基本一致。上述两个案例分析结果与现场情况一致,说明运用本文方法检验单排或桩顶无连梁的多排抗滑桩桩后设计滑坡推力的合理性以及量化加桩后的滑坡动态稳定性是可行的。


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