抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的数值模拟

在路堤荷载作用下,斜坡软弱地基易产生侧向变形过大、滑塌失稳等病害。路堤下坡脚处采用钢筋混凝土抗滑桩,以有效限制地基侧向变形,是斜坡软弱地基路堤的核心设计原则。采用三维快速拉格朗日有限差分法,经与室内土工离心模型试验成果对比、校核,建立抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的精细化数值分析模型,研究抗滑桩桩距、桩长、桩身弹性模量、桩身横截面尺寸及桩位等设计参数对其内力、变位的影响。研究表明：下坡脚处实施抗滑桩可显著约束斜坡软弱地基侧向变形;需综合考虑桩身受力、经济性、施工等因素确定合理的桩距;桩长应深入滑移面以下,但随着桩长的增长,加固效果增长不明显;随着桩身弹性模量、桩身横截面尺寸的增加,抗滑桩的加固效果得到一定提高;抗滑桩宜设置在下坡侧路堤边坡的中部。     

抗滑桩加固边坡三维数值分析中的几个问题

就当前抗滑桩加固边坡三维数值分析中存在的几个问题,开展了有针对性的研究。利用考虑桩-土-边坡相互作用的强度折减有限元程序,结合典型边坡算例,深入探讨了抗滑桩-边坡体系的计算模型尺度、设桩位置、桩间距（S）与桩径（D）之比（S/D）、桩长与桩底接触模式等因素对边坡稳定安全系数及临界滑动面的影响,以及不同桩头约束下抗滑桩内力分布等。研究表明,单桩取半、单桩、双桩取半、双桩、单桩加双桩取半5种尺度计算模型所得边坡的安全系数并无差异,模型尺度为0.5S时的计算工作量最小;抗滑桩加固于边坡中部可获得最大的安全系数,坡顶或坡脚处安全系数略高于无桩状态,总体上其安全系数与设桩位置的变化曲线近似为一抛物曲线;边坡安全系数随S/D的增加而减小,其最优的比值宜为S/D =2～6,此时桩间存在土拱效应;均质土坡中抗滑桩锚固深度宜为2/5桩长;其结果可为抗滑桩工程设计及规范修订提供参考。     

门架式抗滑桩设计参数优化与桩体变形分析

近年来,因门架式抗滑桩具有较高的能效比,可以更为经济地实现有效加固,因而在大型滑坡地质灾害的治理中被广泛使用。门架式抗滑桩的设计参数选取是实际工程中的难点,因此本文采用数值模拟的方法对其设计参数的选取进行了优化研究。首先,对门架式抗滑桩的加固机理进行了阐述,详细分析了桩土的耦合作用。然后,基于加固后边坡稳定性的变化以及潜在滑移面的形态演变,对桩的设计参数进行了优化分析。在此基础上考虑到门架式抗滑桩的显著特点是在联系梁作用下桩体结构的受力协调,本文重点量化分析了分级堆载情况下门架式抗滑桩体结构的受力协调性,特别是利用荷载分担比来量化分析前后排桩的受力协调性,根据其在不同设计参数下的变化规律,得出桩体最佳桩间距和桩排距范围分别是3D~5D和3D~4D(D为桩径);最后,建立了最佳桩体设计参数条件下桩顶位移与堆载之间关系的指数函数方程。这一研究将为门式抗滑桩的设计与变形控制提供理论依据。     

门架式抗滑桩设计参数优化与桩体变形分析

近年来,因门架式抗滑桩具有较高的能效比,可以更为经济地实现有效加固,因而在大型滑坡地质灾害的治理中被广泛使用。门架式抗滑桩的设计参数选取是实际工程中的难点,因此本文采用数值模拟的方法对其设计参数的选取进行了优化研究。首先,对门架式抗滑桩的加固机理进行了阐述,详细分析了桩土的耦合作用。然后,基于加固后边坡稳定性的变化以及潜在滑移面的形态演变,对桩的设计参数进行了优化分析。在此基础上考虑到门架式抗滑桩的显著特点是在联系梁作用下桩体结构的受力协调,本文重点量化分析了分级堆载情况下门架式抗滑桩体结构的受力协调性,特别是利用荷载分担比来量化分析前后排桩的受力协调性,根据其在不同设计参数下的变化规律,得出桩体最佳桩间距和桩排距范围分别是3D~5D和3D~4D（D为桩径）;最后,建立了最佳桩体设计参数条件下桩顶位移与堆载之间关系的指数函数方程。这一研究将为门式抗滑桩的设计与变形控制提供理论依据。     

地面超载条件下土体侧移模式及对邻近桩基影响分析

建立了三维数值模型,进行堆载-弹塑性地基-桩基共同作用有限元数值分析。在地面超载条件下,对自由场土体的侧向位移模式进行了探讨,得出了土体侧向变形规律。在此基础上,对堆载作用下邻近桩基的力学性状进行了分析,包括不同堆载大小、不同堆载距离和不同桩间距等情况下桩基的侧向变形和弯矩的变化规律。分析结果表明：随着堆载的增加,桩基的变形和弯矩都有显著的增长,桩基逐渐弯曲。在同样条件下,增加桩的刚度,桩身弯矩迅速减小,桩身刚度很大时,会发生整体侧移。桩间距和堆载距离对桩身弯矩和变形有重要影响,随着桩间距和堆载距离的增大,桩身的变形和弯矩都将减小。     

钢管抗滑短桩受力特性物理模型试验研究

为研究钢管抗滑短桩加固滑坡体的受力特性,在中国地质调查局地质灾害防治技术中心完成了4组不同桩长的钢管抗滑短桩加固碎石土滑坡的室内物理模型试验。测试堆载施加的滑坡推力作用下桩后、前土压力和桩身应变,观察滑体前缘变形破坏形态,分析滑坡推力、桩前土体抗力和桩身弯矩的分布规律试验。结果表明,滑坡推力的分布和桩前土体抗力和桩身弯矩是“S”型分布,确定了抗滑短桩的危险截面。对比分析桩长变化钢管抗滑短桩的受力特性,初步拟定钢管短桩能发挥抗滑效果的桩长下限值,即钢管抗滑短桩位于滑体中的长度应不小于滑体厚度的2/3。     

预应力锚索修复变形抗滑桩模型试验与数值模拟分析

为了验证锚索预应力修复加固变形抗滑桩机制,在大型野外模型试验的基础上,对模型试验进行了数值分析。数值分析结果表明,数值模拟与模型试验结果较为吻合,预应力锚索的施加可有效控制变形抗滑桩桩顶位移,降低桩身弯矩,提高抗滑桩承载能力,从而达到加固变形抗滑桩的目的,验证了锚索预应力修复加固变形抗滑桩机制。讨论结果表明:采用锚索预应力修复加固变形抗滑桩存在预应力上限值,此上限值随滑坡推力的增加三次抛物线降低,随桩顶位移的增大负指数降低,随距桩顶位置增加近似线性降低;在滑坡推力作用下,桩后土压力为正三角形分布,在预应力锚索修复荷载作用下,呈现为折线型分布。研究成果对于变形抗滑桩的修复加固工程设计具有指导意义。     

边坡抗滑桩加固的三维有限元计算

本文以王山村滑坡为研究对象,围绕其工程中静力抗滑稳定问题,通过室内试验对影响王山村滑坡稳定性的地质构造、场地工程条件等内在因素进行分析评价。在此基础上,利用大型商业软件ABAQUS对边坡抗滑桩加固模型进行有限元计算分析。通过对加固在边坡模型底部、中部及上部3个常见桩位稳定性系数的计算,得到了3个桩位的稳定性系数。计算结果表明：加固在模型中部桩位的安全系数最高,为1.58。为综合考虑静力作用下坡脚应力集中及动力作用下的坡顶加速度放大效应,设计了加固在边坡中点附近的上部桩位和下部桩位,并分别对其稳定性进行求解,计算结果显示两种桩位都具有较高的安全系数,分别为1.35和1.56。最后通过对模型坡面上5种桩位安全系数的对比,验证了上部桩及下部桩的可行性,可作为工程实践的参考方案。     

悬臂抗滑桩加固边坡地震动力响应模型试验研究

为研究悬臂抗滑桩加固边坡的地震响应和抗滑桩桩身弯矩分布规律,利用北京工业大学结构实验室的大型振动台进行悬臂抗滑桩加固边坡模型的振动试验。在试验过程中,输入汶川地震重华镇波,记录边坡不同位置加速度的时程变化,并作对比分析,采集抗滑桩桩身的应变,用于分析桩身弯矩分布。结果表明,地震过程中边坡内部加速度自下而上逐渐放大,边坡顶部放大效果达到最大;悬臂抗滑桩的加固效应和桩间土体成拱作用使附近土体的动力响应受到限制;抗滑桩的嵌固端与悬臂部分分界面随着地震波的输入应变急剧增大,而悬臂部分随着高度增加应变减小,反映了悬臂抗滑桩弯矩的“凸”形分布规律。     

微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡模型试验

南水北调工程中大量膨胀土边坡因其内部的长大缓倾裂隙而发生滑动,其抢险与加固工程中微型桩取得了较好的应用效果。研究微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡的加固机制及其参数影响,对此类工程的微型桩加固设计具有重要意义。以微型桩加固膨胀土边坡的实际工程为背景,采取对边坡滑体沿裂隙面平行方向施加推力的方式,开展了不同缓倾裂隙面角度的未加桩边坡推移破坏试验,并以桩长、排间距和桩位为影响参数,进行了微型桩加固长大缓倾裂隙土边坡的参数影响模型试验,对边坡的位移特征以及微型桩的受力特性与加固效应进行了分析。结果表明：微型桩对于缓倾裂隙边坡具有较好的抗滑加固效果,能够将抗滑阻力维持在较高的水平。微型桩能提供的抗滑阻力随桩长（锚固比）增加而增加,但提升效率随桩长增加而减小。建议布置在边坡上1/3处的微型桩锚固比取值为0.5,布置在边坡下1/3处的微型桩锚固比取值不小于0.65。桩身弯矩与剪力均呈反S形分布,最大值均位于裂隙面附近。双排桩使得边坡抵抗破坏的韧性增强,当排距为200 mm(10倍桩径)时,前后排桩协调较好,均能较为充分地发挥抗滑作用,对边坡抗滑推力提升较大。     

抗滑桩预加固边坡的能量分析方法

基于强度折减技术和岩土塑性极限分析理论,考虑抗滑桩预加固岩土边坡的加固效应,从功能平衡原理探讨了岩土边坡抗滑桩加固位置、桩长和多抗滑桩共同加固边坡的分析方法。假定机动容许的对数螺旋线速度机构,推导了抗滑桩预加固边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用内点迭代方法对安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,算例对比验证了方法和程序的正确性。分析了单抗滑桩加固措施条件下的边坡局部稳定性特性,并由此推导了多抗滑桩加固边坡的稳定性分析算式。研究表明,抗滑桩设置位置改变对边坡安全系数、临界滑裂面位置和桩长均有显著影响,抗滑桩加固边坡的最优设置位置应位于边坡中下部区域     

锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性模型试验与数值模拟研究

为研究锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性及其联合抗滑机制,开展了分级推力荷载作用下锚索抗滑桩加固滑坡的室内物理模型试验,分析了模型滑坡从加载到破坏过程中桩顶位移、桩身前后土压力、桩身弯矩、锚索轴力和滑体深部水平位移的变化规律。并采用数值模拟进行对比分析,两者所得结果吻合较好。结果表明:(1)桩顶位移、桩身弯矩及锚索轴力随推力荷载的变化曲线均呈现明显的三阶段特征,对应的桩-锚荷载分担比呈先增大、后减小和最后趋于稳定的规律。(2)桩前滑体抗力呈抛物线型分布,且抗力值较小;桩后滑体推力呈上大下小的抛物线型分布,合力作用点约位于滑面以上0.5h_1处(h_1为受荷段长度)。(3)桩身最大弯矩点始终位于滑面以下2 cm处,表明桩前滑床并未发生破坏。(4)由桩身实测弯矩计算得到的桩身荷载分布表明,桩体抗力主要由桩前滑面以下滑床提供,且呈倒三角形分布。(5)锚索的设置能够有效限制桩身变形,同时在工程中更应该注意锚索失效问题。该研究成果可为堆积型滑坡治理中锚索抗滑桩的合理设计提供试验基础。     

地震作用下不同支护结构对滑坡加固效果研究

滑坡是地震触发最常见和最严重的次生灾害,会造成巨大的财产损失,甚至是人员伤亡。因此,地震作用下,边坡的稳定性分析及加固措施的有效性成为工程地质领域重要研究课题之一。本文以巧家县白泥沟滑坡为例,依托二维有限差分程序FLAC,模拟滑坡在不同支护结构下的加固效果。该滑坡属于巨型厚层基岩滑坡,下滑力巨大,因此采用双排抗滑桩、锚索抗滑桩和锚索及连续桩键结构3种支护方式。结果表明：双排抗滑桩能分担坡体下滑力,但抗滑桩所承受的下滑力依旧较大,导致桩身顶端出现推动周围土体下滑的现象;锚索抗滑桩和锚索支护能提供较大的抗滑力,减小边坡的下滑趋势,锚索中施加预应力能有效抑制桩顶位移,提高桩身承载能力;连续桩键结构的内力分配合理,具有较好的整体性,这种整体性能明显提高抗滑能力。3种支护结构中,连续桩键结构对边坡加固效果最好。     

基于复合抗滑桩模型加固边坡稳定性分析

数值分析方法能够同时考虑抗滑桩的受力行为及加固边坡稳定性,是研究抗滑桩加固边坡稳定性的重要手段。但在数值模拟计算中,尚未形成一种建模易、精度高和计算快的抗滑桩数值模拟模型。因此,提出一种复合单元抗滑桩模型,基于该模型系统研究抗滑桩顶部自由和固定约束条件下,不同桩位、间距等设计参数对抗滑桩加固边坡效果的影响以及抗滑桩潜在失效模式,研究结果表明,复合单元抗滑桩模型可以真实地模拟桩的力学性能,计算精度高且计算结果不受单元网格疏密的影响。抗滑桩布置在边坡中部时,加固边坡安全系数最大,越靠近边坡两端,加固边坡安全系数越小。当桩间距S≤3D时,边坡潜在滑面被分为两个独立部分,桩间土形成明显应力拱,当桩间距S≥4D时,桩间中心土体塑性剪切带完全贯通,桩间土体形成反向应力拱。桩顶自由和固定约束时,抗滑桩分别布置在边坡中部(Lx/L=0.5)和边坡中下部(Lx/L=0.3)时,抗滑桩易发生弯曲破坏。研究结果对抗滑桩加固边坡工程设计具有指导意义。     

地震作用下抗滑桩—预应力锚索框架组合结构受力机制

为了解抗滑桩—预应力锚索框架组合结构在地震作用下的受力机制,基于四川省东北部某滑坡治理工程,采用MIDAS/GTS有限元程序建立抗滑桩—预应力锚索框架数值模型,利用位移时程曲线法对加固边坡进行稳定安全系数计算,而后输入不同峰值地震加速度（peak ground accelerations,PGA）的Wolong地震波,分析了加固边坡的加速度响应、桩锚结构内力变化以及荷载分担规律.研究结果表明,加固边坡的稳定安全系数满足规范要求,在地震作用下其上部存在潜在浅层滑面,中部和下部存在潜在深层滑面,与静力条件下加固边坡的潜在滑面分布不同,这是加速度高程放大效应所致;随着输入地震波PGA增大,加速度高程放大效应明显加强,且抗滑桩桩身弯矩和剪力增大,但其最大值出现位置不变,桩身正、负弯矩最大值分别位于距桩顶约0.7L和0.4L处,最大正、负剪力分别位于距桩顶约0.9L和0.7L处,实际工程中需注意防范抗滑桩在滑面附近发生破坏;同时随着输入地震波PGA增大,桩锚承担的荷载逐渐增大,但抗滑桩分担的下滑力比例增大,而锚索分担的下滑力比例减小,故实际工程设计中不应固定桩锚荷载分担比例.      

库水位波动条件下不同桩位抗滑桩抗滑稳定性研究

水库滑坡抗滑桩治理设计工作中,桩位的合理选择直接关系到工程安全和造价。以张桓候庙园区东侧滑坡为例,在分析滑坡地质条件的基础上,依据三峡水库实际运行条件进行不同桩位滑坡变形规律及稳定性变化规律的GeoStudio数值模拟研究。结果表明：①库水位上升时,滑坡前缘位移减小,后缘位移增大。滑坡前缘在水位下降和最低水位时出现位移极大值;滑坡后缘在水位上升和最高水位时出现位移极大值。②对滑坡后缘位移最有效的控制桩位为位于地面高程175 m的下滑段接近滑坡最大推力区域的桩位Ⅰ,对前缘和中部位移最有效的控制桩位是位于距滑坡剪出口130 m阻滑段的桩位Ⅱ,最优桩位是桩位Ⅱ。考虑水位波动的影响,提出了对现有抗滑桩设计的设计安全系数修正方法,为水库滑坡抗滑桩设计提供参考。     

坡顶面复合荷载刚性短桩工程设计要素分析

位于斜坡顶面的复合受荷桩,除受水平及竖向荷载共同作用产生的交叉影响外,还需考虑边坡效应,其承载力特性存在多种影响因素相互交叉作用,复杂程度远高于水平地面受荷桩。本文采用三维有限元软件对坡顶复合受荷桩进行多方面的数值模拟分析,研究发现同级荷载下随复合荷载加载角度增加其极限承载力呈先减小后增大的规律;竖向荷载对桩身水平位移的影响大于其对内力的影响;桩周均布土压力增大将使得桩身位移及内力随之增大;随临坡距增加边坡的影响作用将减小。     

堤防填筑工程淤泥质地基施工技术研究

针对辽宁省某水电站堤防填筑工程淤泥质地基的施工难点,为有效解决上游引河堤防边坡稳定性与下游过湿场地挖填施工技术控制,研究分析了淤泥质地基施工技术。在此基础上依据工程经验和相关研究,提出了上游水泥搅拌桩联合应用抗滑桩与抗滑强加固软基技术,下游堤防堆载预压与龙沟降水联合加固技术,通过对比分析、归纳与总结该项技术在实际工程中的应用效果,可为其他水利工程不同工况下的施工技术提供一定决策依据与参考。     

桩及桩板墙加固路基边坡的对比室内模型试验研究

设计了尺寸相似比为1:25的室内试验模型,对两组不同支护方式下预设滑面的边坡模型进行逐级水平推移式加载,对比分析了在横向荷载作用下抗滑桩及桩板式挡墙（后置式挡土板）两种支护结构的受力及变形特点（考虑深层滑坡）。研究发现:边坡-支护结构系统的破坏明显分为3个阶段,即滑体土压密阶段、支护结构主要变形阶段及支护结构失效阶段;距桩顶14cm的同一水平位置桩后土压力传递效率较低,与距加载板位置远近成反比,呈指数变化规律;抗滑桩仍是两种支护结构的主要受力构件,挡土板延长了模型破坏的主要变形阶段,加固效果显著;桩板支护结构较抗滑桩支护多承受一级荷载（0.5kN）,承载力提高了14.29%;挡土板优化了桩后土压力的分布形式,使作用在整个桩背侧土压力合力的作用点更靠近锚固端,有利于抵抗桩身的挠曲变形。本研究可为这两种边坡支护结构形式的选择提供参考。     

土钉加固黏性土坡加载的离心模型试验研究

进行了不同坡度土钉加固边坡坡顶加载的离心模型试验,观测了土坡的破坏过程并测量土坡的位移场,研究了土钉加固黏性土坡的承载力、变形和破坏规律以及坡角对其破坏规律的影响。试验结果表明,坡顶荷载的增加引起土坡变形的增加,变形的集中产生和发展导致滑裂面的形成并使土坡发生破坏。土钉变形规律受加载阶段和加载底板的综合影响,坡顶荷载越大,接近坡顶的土钉弯曲挠度越大,钉土间的相互作用越强。土坡的坡角越大,承载力越低,土体呈现出更显著的向坡面位移的趋势。