Stability analysis of slopes reinforced with piles

In this paper, the kinematic approach of limit analysis is used to analyse the stability of earth slopes reinforced with piles. First, the case of slope without piles is considered and a procedure is developed to calculate the safety factor for the slope. Results are compared with those obtained using both the limit equilibrium method and more complex upper and lower bound limit analysis solutions. Then, the stability of slopes reinforced with piles is analysed. Expressions are derived allowing the force needed to increase the safety factor to a desired value and the most suitable location of piles within the slope to be evaluated. A study is carried out to illustrate the effect of piles on slope stability.     

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。     

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     

考虑非均质各向异性效应的阻滑桩加固土坡稳定性分析

基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减系数概念,考虑土的强度分布的非均质性与各向异性, 建立了土坡的极限平衡状态方程,由此确定土坡的稳定安全系数及其相应的潜在破坏模式。对于在给定的荷载条件下不能满足抗滑稳定性要求的土坡,考虑采用阻滑桩加固方式,根据桩侧有效土压力的合理分布模式确定桩体与滑动面相交的截面上等效抗滑力和抗滑力矩,考虑土的强度非均质性与各向异性的条件,利用极限分析上限定理建立阻滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,将桩侧土压力作为目标函数,运用数学规划方法确定极限平衡状态时的临界桩侧有效土压力。通过大量的变动参数对比计算,探讨了土的强度的非均质性与各向异性等因素对阻滑桩桩侧极限抗力及最优加固位置的影响。     

基于土拱效应的抗滑桩与护壁桩的桩间距分析

抗滑桩与护壁桩分别在滑坡治理和基坑支护中发挥着巨大的作用 ,其实施正是利用了土中的成拱效应 ,然而传统桩的设计虽考虑土拱效应的存在 ,但桩间距确定理论与方法并未建立起来。本文首先基于土体的极限平衡条件对滑坡推力作用下的土体中的成拱作用进行研究 ,得出了抗滑桩的最大桩间距公式 ,并以某一具体工程为例 ,对该最大桩间距的物理意义和可用性进行了讨论。在此基础上 ,给出了在考虑土拱效应的情况下合理桩间距的确定方法 ,并以此为据 ,对边坡加固设计提出一些建议.     

土坡悬臂式抗滑桩一种抗震设计计算方法

在强震动力作用下,边坡常会产生较大的永久位移,且抗滑桩锚固段顶端前侧局部地层易进入塑性屈服状态,这在传统的悬臂式抗滑桩抗震设计计算中没有给予充分考虑。基于Nemark滑块位移法和极限分析原理,提出了考虑边坡设计安全系数和地震永久位移的作用于抗滑桩上设计滑坡推力的计算方法;同时,根据锚固段地层进入塑性屈服状态的情况提出把锚固段分为塑性区锚固段和弹性区锚固段分别计算,前者按极限地层反力法采用悬臂梁模型计算,后者按照弹性地基梁模型计算,在两者界面处需满足桩体内力和变形以及地层反力的连续条件。结合一土质边坡工程算例,给出了所提出的悬臂式抗滑桩抗震设计三段分析法的具体计算过程和结果,进一步表明所提出的方法具有技术合理性和经济性。     

滑坡治理中抗滑桩桩位分析

采用有限元强度折减法对单排桩、桩间距为4 m的抗滑桩在不同设桩位置加固滑坡进行数值模拟,研究发现不同的桩位影响滑坡的稳定安全系数、滑动面的位置和形状。桩位不同决定了是桩后土体还是桩前土体滑落。桩位选择的一个重要原则是加固后滑坡体的稳定安全系数必须大于设计要求的安全系数,否则就会出现桩端越顶破坏或桩前土体滑落。斜坡在同一稳定安全系数下,桩位不同时抗滑桩所受的滑坡推力、桩的内力（剪力、弯矩）和桩的挠度不同。抗滑桩位于斜坡中部时,桩身长度较长,推力和内力大,是不合理的桩位;但桩身挠度大,提供的桩前抗力也大。按常规方法与按有限元法计算桩前无土体的悬臂桩桩上推力是相近的。把桩视作埋入滑坡体中的梁单元,按有限元法算出的推力比较小,因为它已经充分考虑了桩前土体的抗力。     

抗滑桩处理路堤滑坡的数值模拟

采用数值模拟技术分析了抗滑桩处理路堤滑坡的作用机理。分析方法采用强度折减法,桩土相互作用采用0厚度的弹塑性接触面单元模拟。给出了桩间距、桩的位置对抗滑桩处理效果的影响以及各种情况下桩的性状,结果表明：最大安全系数时的桩的布置位置与滑动形式有关,对于路堤滑坡而言,布置于坡脚处可以满足安全要求;适当减小桩间距可以提高路堤的稳定性,有利于土拱效应的发挥。     

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.      

阻滑桩加固土坡稳定性分析的上限解法

从极限分析机动学方法出发,利用土的抗剪强度折减系数概念,建立了土坡的极限平衡状态方程,由此确定土坡的临界稳定安全系数及其相应的潜在破坏模式.对于典型问题,通过与现有极限平衡解和有限元数值解的对比分析,验证了这种上限解法的合理性.进而对于在给定的荷载条件下不能满足抗滑稳定性要求的土坡,考虑采用阻滑桩加固方式,根据桩侧有效土压力的合理分布模式确定桩体与滑动面相交的截面上等效抗滑力和抗滑力矩,利用极限分析上限定理建立了阻滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,将桩侧土压力作为目标函数,运用数学规划方法确定了极限平衡状态时的临界桩侧土压力,以此为土坡加固中阻滑桩设计提供依据.通过数值计算与分析探讨了阻滑桩加固位置的优化布置等问题.     

Analytic hierarchy process for assessing factors influencing the stability of soil slopes reinforced with piles

Changes in the stability of slopes reinforced with piles involve a complex interaction process between piles, soil, hydrogeological conditions and the engineering geological environment. Correlation analysis between each influencing factor will contribute to a better overall understanding of the main influencing factors. This is of great significance for disaster prevention and the optimization of soil slopes reinforced with piles. The 17 factors influencing the stability of soil slopes reinforced with piles were analyzed in this study, and the weighting of each influencing factor was determined using the analytic hierarchy process along with the experiences of various experts and the author’s experience. The results showed that: (1) soil rheological characteristics and physical and mechanical soil properties have the maximum weighting on the stability of soil slopes reinforced with piles; that is, they are the most important factors influencing the stability of soil slopes reinforced with piles; (2) embedded pile depth or pile anchoring depth and the pile position have the second greatest weighting; (3) rainfall, pile sectional dimensions and pile spacing, are also important factors. Each of these factors was not weighted less than 0.059.     

基于M-P法的抗滑桩支护边坡稳定性分析

为评价采用抗滑桩支护后的边坡稳定性,从设计和验算两个角度着手,基于Morgenstern-Price（M-P）法建立了抗滑桩支护边坡的分析模型,进而得到了抗滑桩下滑力和边坡安全系数的表达式;通过引入自适应遗传优化算法,建立边坡稳定性分析优化模型,搜索采用抗滑桩支护边坡的非圆弧最危险滑动面;从确定安全系数求抗滑桩所受下滑力和确定抗滑桩抗力求边坡最小安全系数两种情况出发,探讨了抗滑桩位置对边坡稳定性的影响。结果表明：该方法可搜索出更加符合实际情况的边坡非圆弧最危险滑动面,并且能够得到抗滑桩的下滑力或边坡的最小安全系数,相同条件下抗滑桩应设置在边坡中部较为适合,才能最大发挥抗滑桩的加固作用。     

Progressive failure behavior of pile-reinforced clay slopes under surface load conditions

Stabilizing piles are widely used to improve stability level of slopes to avoid landslides. In this paper, the full failure process of clay slopes reinforced using stabilizing piles was produced using serialized centrifuge model tests under surface loading conditions. The strength of pile material and the pile location closer to the slope top were both indicated to have a positive influence on the limit bearing capacity of the reinforced slope on the basis of test observations. The displacement field over the reinforced slope was measured during loading and used to capture a significant progressive failure caused by the surface loading. Local failure started near the inner edge of the load plate and expanded in a downward direction to produce a final slip surface. The pile exhibited a bending failure coupled with the progressive failure of the slope. The failure mechanism could be illustrated with the deformation localization in the slope that developed prior to the slip surface. The surface load exhibited a significant spreading behavior within the slope according to the displacement distribution of the slope.     

A calculation method for the embedded depth of stabilizing piles in reinforced slopes

Embedded stabilizing piles are a significant optimization measure for traditional piles used to reinforce slopes or landslides. The determination of the embedded depth of the pile top is essential for engineering design. On the basis of the potential overtop-sliding failure mechanism for a piled slope, the corresponding overall slip surface is assumed to consist of the upper part from the original slip surface of the landslide, and the lower part occurs in the local slide mass upslope of the piles. The imbalanced thrust force method is used to determine the thrust force of the upper slide mass, and a variational calculus method within the framework of limit equilibrium for the lower slide mass is provided to calculate its limit resistance. According to the equilibrium relationship between the thrust force and the limit resistance under a design factor of safety of the piled slope, a closed-form solution to the piled-slope stability is specifically derived. It can quantitatively exhibit the influences of some important factors, including the embedded depth on the factor of safety and the corresponding slip surface of the slope. The analysis results of some practical examples show that the factor of safety decreases nonlinearly as the embedded depth increases. The proposed method can be applied in practical engineering.     

考虑桩间土体抗滑作用的单排抗滑桩受力计算方法

为了充分考虑桩间距范围内滑体对抗滑桩受力的影响,从单排抗滑桩加固边坡的整体稳定角度出发,在采用传递系数法分析指定设计安全系数情况下抗滑桩的内力时,提出对一个桩间距范围内的加固坡体进行整体分析,将抗滑桩所在部位单独划分条块,该条块包括桩体受荷段及其两侧桩间距范围内的滑体。推导了与此分析模型相应的桩体受荷段底端内力计算公式,并给出了在滑坡推力线性分布条件下作用于受荷段的净滑坡推力计算表达式。分析结果显示,在不考虑与完全考虑受荷段两侧桩间距范围内滑体抗力作用时,得到是桩体内力及位移的上、下边界值。实例分析进一步表明,理论分析与数值模拟结果具有良好的一致性。所提出的方法比传统方法更有利于抗滑桩设计的经济性。     

抗滑桩加固边坡稳定性影响因素的参数分析

抗滑桩加固是滑坡治理的常用方法。本文采用强度折减有限元法分析了影响抗滑桩加固边坡稳定性的若干因素,计算了边坡抗滑桩在坡顶分级堆载过程中的桩身弯矩、剪力、位移和边坡安全系数,揭示了桩位、桩长等因素对抗滑桩加固边坡稳定状态的影响规律,获得了最优桩位及临界桩长等抗滑桩优化设计要素,为排桩的优化设计提供参考依据。并对抗滑桩在坡顶分级堆载下的桩身受力、变形特性及规律进行了分析。发现桩头水平位移在坡顶分级堆载下以指数函数形式发展,并建立了变形预测数学模型,为桩身变形控制提供了参考依据。     

黄土高边坡土钉-预加固桩复合支护体系性状分析

土钉-预加固桩复合支护技术已在基坑及边坡工程中取得了大量应用,但在黄土高边坡开挖中的应用相对较少。基于详细的现场监测数据并辅以有限元数值计算,分析了边坡开挖过程中支护体系受力及变形随时间和空间的变化规律。结果表明：预加固桩的水平位移随着时间的推移与开挖深度的增加呈增大趋势,并最终趋于稳定,同时,桩身剪力及弯矩亦随开挖的进行而不断增大;剪力最大值的位置不断下移,说明边坡的潜在滑动面有不断向下扩展的趋势。与深基坑支护桩的土压力分布相比,土钉-预加固桩复合支护体系中桩后土压力随开挖呈不断减小的趋势,但桩前土压力随着开挖深度的增加,有增有减。随着施工开挖深度的增加,土钉所测得的应力有着明显的增大,说明土钉对抑制坡体变形起到了一定作用。在预加固桩的影响下,桩上方坡体的最危险破裂面为圆弧状,其剪出口位于预加固桩桩顶处。开挖深度较浅时,土钉对整体稳定性的贡献较大,而随着开挖深度的变大,预加固桩的加固效果开始占主导地位。     

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。     

盾构施工对大型立交桥超长桩工作性状的影响

盾构近距离穿越大型立交桥超长桩基础会对桩基础及上部桥梁结构产生不利影响。通过对盾构近距离侧穿超长桩基础过程进行数值模拟,研究了不同深度处盾构掘进对超长桩承载性状、变形和内力的影响。研究表明：盾构近距侧穿超长桩会导致桩身出现较大变形及内力,且隧道轴线与超长桩处于不同相对位置时会对桩的特性产生不同影响。其他条件不变时,盾构从桩身上部的近距离穿越,将引起桩身最大的横向水平位移;盾构从桩身中部近距离穿越则将引起桩身产生沿盾构掘进方向的最大的水平位移;盾构从桩端附近穿越时将引起桩身产生最大的竖向位移;盾构从桩身中下部穿越时将引起桩身产生最大的附加轴力。桩身侧阻在隧道轴线附近呈“S”型,同时桩身轴力最大值也出现在隧道轴线附近。盾构导致桩身产生纵向和横向变形延伸至桥面高度的变形量相当可观。当盾构穿越高架桥梁基础时应该严格控制桩顶水平位移。     

考虑基岩层面影响的水平受荷嵌岩桩模型试验研究

西南地区常见碎石土-基岩斜坡地基,在此类地基上的嵌岩桩基础,其上覆土层、嵌固段基岩多为倾斜。然而岩石试样中结构面倾角改变时,岩石试样的强度也随之发生变化。故当嵌固段基岩存在层面且层面具有倾角时,往往对桩基的水平承载特性影响很大,所以基岩层面是影响嵌岩桩水平承载性能的主要因素之一。本文采用物理模型试验,通过改变嵌固段基岩层面倾角,得出嵌固段基岩不同层面倾角对于桩顶位移,桩身内力的发展规律,进而研究其对水平受荷嵌岩桩承载性能的影响。试验结果表明:在碎石土-层状基岩斜坡地基场地中,嵌固段基岩存在层面会降低嵌岩桩水平承载性能。相对于完整基岩,嵌固段层状基岩存在水平层面时,临界荷载下降了17%、最大弯矩值下降了23%、最大剪力值下降了37.5%;而嵌固段基层层面为倾斜时,嵌岩桩水平承载性能下降的更多,且层面倾角为逆向30°时比顺向30°更加不利于嵌岩桩的水平受荷;桩身最大弯矩点与最大剪力点位置随嵌固段层状基岩倾角变化影响比较小,最大弯矩点位置几乎没有变化,最大剪力点位置在嵌固段基岩层面为顺向30°与逆向30°时下降了1倍桩径。该项研究可为在不同层面倾角下的层状岩体斜坡地基上受水平荷载的嵌岩桩设计作一定的指导。