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.     

悬臂式抗滑桩加固黏土边坡地震永久位移算法

为了有效地确定悬臂式抗滑桩加固的黏土边坡地震永久位移,基于极限分析上限定理,针对圆弧滑动式土坡破坏模式,通过对设置抗滑桩条件下土坡进行外力功率和内能耗散率的计算,按严格力学定义推导出坡体在地震作用下的安全系数,进而导出与安全系数相对应的边坡地震屈服加速度计算公式,并结合Newmark滑块位移法对边坡产生的转动加速度进行二次积分,推导出与边坡设计安全系数密切相关的坡体地震永久位移的详细计算公式。以5.12汶川地震卧龙测站东向地震波为例,通过对一算例边坡进行分析,给出了边坡永久位移时程曲线以及不同设计安全系数与永久位移的关系,分析了算法与Ambraseys算法的结果,验证了所提计算方法的有效性,并得到不同设计安全系数时边坡土体黏聚力和内摩擦角对坡体永久位移的影响规律。研究结果表明,坡体永久位移随着设计安全系数的增加逐渐呈指数函数式减小变化,在较低设计安全系数下,坡体永久位移受土体抗剪强度参数影响较为敏感,随着设计安全系数的提高,这种敏感性则逐渐降低。     

Uncoupled analysis of stabilizing piles in weathered slopes

This paper describes a simplified numerical approach for analyzing the slope/pile system subjected to lateral soil movements. The lateral one-row pile response above and below the critical surface is computed by using load transfer approach. The response of groups was analyzed by developing interaction factors obtained from a three-dimensional nonlinear finite element study. An uncoupled analysis was performed for stabilizing piles in slope in which the pile response and slope stability are considered separately. The non-linear characteristics of the soil–pile interaction in the stabilizing piles are modeled by hyperbolic load transfer curves. The Bishop's simplified method of slope stability analysis is extended to incorporate the soil-pile interaction and evaluate the safety factor of the reinforced slope. Numerical study is performed to illustrate the major influencing parameters on the pile-slope stability problem. Through comparative studies, it has been found that the factor of safety in slope is much more conservative for an uncoupled analysis than for a coupled analysis based on three-dimensional finite element analysis.     

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     

Optimization design of stabilizing piles in slopes considering spatial variability

Acta Geotechnica - Although advances in piling equipment and technologies have extended the global use of stabilizing piles (to stabilize slope or landslide), the design of stabilizing piles...     

Optimum design of nailed soil slopes

In this paper, a generalized method of computer based optimum design of soil-nailed slopes is reported. A limit equilibrium formulation satisfying overall and internal equilibrium and considering the effect of tensile resistance of the reinforcement has been used in computing the stability of nailed slopes. The quantity of steel requirement for raising the factor of safety to a desired value is estimated. The location, size (length and diameter) and orientation of the nails and the location and shape of the critical shear surface have been treated as variables. The solutions have been isolated by formulating the problem as one of non-linear programming. The applicability of the developed method has been verified by comparing the predicted failure surfaces with those observed in model tests as well as in the field and also reported theoretical results.     

预应力锚索抗滑桩治理滑坡应用研究

预应力锚索抗滑桩与普通抗滑桩相比,其受力状态更加合理。从将预应力锚索抗滑桩作为支程支挡结构的地质与物理模型出发,建立了力学与数学模型,得到该模型的内力分布的解析解,为其结构设计奠定了基础。将双参数法引入到土抗力模数或地基系数的计算并贯穿到整个结构计算中。分别按刚性桩和弹性桩两种物理模式,将锚索视为弹性绞支座,利用抗滑桩和锚索位移变形协调条件,计算出锚索的设计拉力及桩身的内力分布。结合三峡工程库区地质灾害治理的一个工程进行了应用,并将其与采用普通抗滑桩进行了技术与经济对比分析后,体现出这种抗滑结构的优越性。     

双排抗滑桩上滑坡推力近似解析方法

双排抗滑桩是加固大型滑坡的常用工程措施之一,在实际工程设计计算中的关键环节在于简单且合理地确定作用于前后排桩上的滑坡推力。将抗滑桩受荷段前侧坡体视为水平向的温克勒（Winkler）地基,基于弹性地基梁模型,并充分考虑桩体受荷段与锚固段的变形连续性,通过迭代算法确定出后排抗滑桩受荷段前侧坡体抗力,进而可对排间坡体采用传递系数法计算出前排桩桩后滑坡推力,给出了相关的理论计算公式。通过室内模型试验验证了所提方法的合理性,并针对一大型基覆式滑坡实例,具体计算出了前后排桩上的设计滑坡推力荷载。所提计算方法可为实际工程的简化设计提供参考。     

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.     

再论悬臂式抗滑桩合理桩间距的计算方法

为了进一步合理确定悬臂式抗滑桩桩间距,在对以往关于开挖边坡抗滑桩桩间距分析模型缺陷讨论的基础上,提出在抗滑桩桩后局部所形成的拱脚处,两侧土拱在此交汇形成的是倒梯形受压区。在计算确定悬臂式抗滑桩桩间距时,除满足桩间静力平衡条件、土拱跨中及拱脚处的强度条件等基本控制条件外,还需满足桩计算宽度条件、桩土变形协调条件等附加条件,得到了确定桩间净距的方程组,通过迭代试算可以求解。依托一工程实例,定量地说明了在其他因素不变的情况下,桩间净距随桩后土体黏聚力或内摩擦角的增大而非线性增大,且桩间净距受黏聚力的影响更为敏感,同时桩间净距随着桩后坡体推力的增大而呈非线性减小。所提出的方法除可用于黏性土外,还可用于无黏性土。     

越顶破坏模式下沉埋桩受荷段及沉埋段推力算法

滑坡推力的确定对于抗滑桩设计极其重要,沉埋桩作为对传统抗滑桩的优化,其受荷段推力的研究目前主要借助于模型试验和数值模拟,缺乏深入的理论分析。为了建立沉埋桩后侧受荷段及桩顶沉埋段滑坡推力计算方法,针对沉埋桩加固的基岩-覆盖层式滑坡,基于潜在越顶破坏模式,由桩顶位置将越顶滑面分为顶部、底部两段,其中,顶部滑面上水平方向合力即为沉埋段推力,可由积分求得,底部滑面上各个方向的力求解方法与此类似;在此基础上,利用刚体极限平衡理论对底部滑面与桩受荷段所围滑体进行受力分析,进而可得受荷段推力计算公式。实例分析表明：理论算法所得沉埋段与受荷段推力值与FLAC3D结果非常接近,其中,受荷段推力、沉埋段推力、设桩位置处总推力随沉埋比的增大而分别非线性减小、增大、减小;沉埋比位于0~0.67范围内时,沉埋段与受荷段推力之比由0缓慢增大到0.30~0.50,随着沉埋比增大到0.8,该比值急剧增大到1.47~2.12;一般沉埋深度下,沉埋段推力小于受荷段推力。沉埋桩推力的理论研究对于桩体内力优化、沉埋深度确定具有重要的现实意义,将有助于该桩型的进一步推广应用。     

考虑土拱效应的抗滑桩桩间挡土板压力计算方法

为合理计算抗滑桩桩间挡土板的内力与变形,采用弹性力学理论分析了桩间土拱效应,计算确定出土拱的平面形态呈中间凸起而两侧略微凹陷的曲线特征,在此基础上,引入Drucker-Prager强度准则以考虑中间主应力影响分析三维土拱效应,通过桩间土体的屈服函数分析确定了沿竖向变化的水平土拱矢高,进而计算出因桩间局部塌落拱的产生而作用于挡土板上的土压力,并按空间土压力分布模式与矩形简支板模型计算挡土板。实例分析结果表明,本文方法和数值模拟得到的沿深度方向土拱矢高值较为接近;本文方法与规范方法计算得到的板体最大弯矩值相近,其误差不超过3%。     

基于裂隙水压力的岩体边坡锚杆加固设计法

基于岩体塑性极限平衡理论,从能量功率角度探讨了一般岩体边坡能量安全系数的合理取值,在假设新的合理的岩体裂隙水压力分布的基础上,提出了锚杆加固基于裂隙水压力的岩体边坡新的设计方法,并给出了工程设计算例,为锚杆加固岩体边坡设计提供了简便易行的新方法。     

抗滑桩全桩计算的有限差分法

有限差分法求解分析抗滑桩(或预应力锚索抗滑桩)常采用Winkle弹性地基梁法。在对有限差分法分析的基础上,文章改进了有限差分法求解抗滑桩全桩内力和变形的计算方法。对全桩整体采用有限差分方法求解其内力,避免了将桩身分为受荷段和锚固段及利用滑面处连续条件求解的复杂过程。该方法对滑坡推力与地基系数取值,可依据实际情况假定为广义形式来模拟土体对抗滑桩的作用工况。能很好地求解预应力锚索作用于桩身或桩身设多道锚索工况下的锚索拉力值。并利用Excel对该方法编程,能便捷地计算抗滑桩内力。分析计算结果,当差分节点单元长度适当时,计算结果能够较好地满足工程应用。对比有限元计算分析结果,相同节点单元长度下两者计算相差较小,且节点长度越小,越接近有限元结果。     

基于可靠性理论抗滑桩设计体系的研究

抗滑桩设计的常规方法是建立在定值基础上的,未能考虑计算参数的随机性与变异性,故在抗滑桩设计中存在局限性：一是不能给出抗滑桩设计的边坡安全度;二是设计中过分保守,造成浪费。可靠性分析法考虑了计算参数的随机性,用严格的概率来度量边坡的安全度,弥补了上述传统抗滑桩设计中存在的不足。基于可靠性分析法,以传统边坡稳定性计算公式为基础,建立了抗滑桩设计的边坡稳定性评价模型,并且运用蒙特卡罗法,采用单参数敏感性分析方法,分析抗滑桩设计各参数对边坡安全系数及可靠性指标的影响。结果表明,岩土体抗剪强度参数、岩土体重度、抗滑桩直径等因素对可靠性指标影响较明显,边坡安全系数对岩土体重度、抗滑桩有效长度、抗滑桩直径等随机变量较敏感。     

峰值强度与残余强度对边坡加固的影响研究

现有的边坡加固方案中,基本上都是用岩土的峰值强度来确定边坡的临界滑面和锚固长度。实际上,边坡出现滑动后,滑面保持残余变形和抵抗外部载荷的能力出现了衰减,滑面上的强度只是残余强度,采用一种混合方法进行边坡加固,即用峰值强度来确定边坡的临界滑面,用残余强度来确定锚固长度。研究表明,采用混合方法对边坡进行加固可以提高边坡加固工程的安全性,具有较大的实际意义。     

考虑边坡内孔隙水压力效应的抗滑桩简化分析方法

将塑性极限分析上限定理与抗剪强度折减技术相结合,建立了考虑孔隙水压力效应的抗滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,采用数学优化方法求解桩侧极限有效土压力及相应的潜在破坏模式,其中水对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力当作外力荷载做功,进一步地,基于获得的桩侧无量纲极限有效土压力,建立了抗滑桩的挠曲微分方程,采用有限差分法求解桩身的反应。在此基础上,针对典型算例边坡进行变动参数计算与对比分析,探讨了孔隙水压力对抗滑桩加固力与最优加固位置的影响。     

边坡土体侧移模式对抗滑桩影响分析

在开挖、降雨或地震等外部因素作用下,边坡土体很容易进入局部或瞬态大变形乃至失稳滑动,使抗滑桩产生附加位移及弯矩。基于两阶段分析方法,采用Winkler模型模拟抗滑单桩与土之间的相互作用,建立单桩水平位移控制方程组,根据内力与位移的连续条件得到考虑不同土体侧移模式下求解桩身响应的矩阵解析表达式,并采用现场监测数据及Poulos弹性理论进行验证,证明该方法是合理可行的,并通过参数分析土体侧移对抗滑桩水平承载性状的影响程度。分析结果表明,土体侧移模式包括最大侧移值、分布形状及重心、侧移势等,对抗滑桩的挠度和弯矩均有显著影响,在工程设计中应予以充分重视。     

树根桩加固边坡的稳定性分析与评价

参考树根桩应用于托换工程的设计计算方法,根据树根桩的实际特征,详细地推导了树根桩加固边坡后树根桩与土均质化复合“土体”的本构模型,研究了树根桩应用于边坡加固后的应力场、位移场的变化及边坡的稳定性情况。最后,比较了两种本构模型在评价边坡稳定性方面的优缺点,得出采用复合本构模型评价树根桩加固边坡的稳定性是完全可行的。