大型滑坡抗滑桩-桩板结构受力变形研究

在复杂艰险山区修建无砟轨道路基时,现有常规抗滑桩或桩板结构等均难以同时解决大型滑坡区潜在滑移和沉降控制问题。为适应无砟轨道路基通过大型滑坡区的需要,创新设计了抗滑桩-桩板结构,并结合贵阳至广州高速铁路建设,开展了大型滑坡抗滑桩-桩板结构现场监测试验。结果表明:抗滑桩和桩板结构基桩的最大侧向位移均位于桩顶,沿深度方向侧向位移先缓慢衰减再加速衰减;滑面附近侧向约束作用的差异,往往会导致桩身侧向位移发生突变;抗滑桩和基桩的桩身弯矩均呈先增大至峰值点再减小的趋势,沿桩深方向具有单峰曲线变化特征;雨季降水作用导致桩身弯矩增加,旱季蒸发作用导致桩身弯矩减小;结构系统中抗滑桩充分发挥了承担滑坡推力控制滑体稳定的作用,基桩则主要用于承担竖向荷载控制路基沉降,承担的滑坡推力较小。抗滑桩-桩板结构可作为滑坡区无砟轨道路基通过的加固型式,对今后类似复杂艰险山区高速铁路修建具有重要的参考价值。     

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。     

三排微型桩加固碎石土滑坡物理模型试验研究

通过3组不同桩间距下三排微型桩加固碎石土滑坡室内模型试验,研究微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律。试验结果表明:滑坡推力和桩身弯矩沿桩埋深方向呈自上而下逐渐增大趋势;桩间距为5d时,微型桩群与桩间土体协同作用效果最理想,桩顶位移最小,滑坡推力在排桩间分布最合理,其传递系数α,β分别在（0.54,0.71）和（0.27,0.49）间取值,桩群能承受的滑坡推力最大,抗滑效果越好。     

基于能量损失的抗滑桩损伤模型及其应用

抗滑桩承受荷载的过程伴随着桩身结构的损伤累积,为了获得抗滑桩损伤演化情况,基于Najar损伤理论推导了随应变变化的损伤因子表达式,建立了抗滑桩受拉、压荷载作用下的混凝土损伤模型。将该损伤模型嵌入至Abaqus/CAE模拟程序自带的混凝土塑性损伤模型中,分析了二郎山1#滑坡抗滑桩损伤情况,得出如下结论,采用文中构建的拉、压损伤模型模拟得出的桩顶水平位移为30.3cm,与现场观测的桩后裂缝宽度数据相吻合,得出滑坡推力增大是导致二郎山1#滑坡抗滑桩产生大变形的直接原因;抗滑桩在产生大位移过程中受压损伤值较小,桩身未发生压破坏;抗滑桩在产生大位移过程中靠近滑坡一侧滑面位置的拉损伤较为严重,并产生了拉破坏,损伤区域达到截面面积的3/4,是抗滑桩工程修复亟需关注的位置。      

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。     

嵌岩桩抗滑特性的物理模型试验研究

进行嵌岩桩与滑坡体相互作用的框架式滑坡物理模型试验,根据微型土压力盒和电阻应变计的监测数据,分别研究滑坡推力作用下模型桩的受力特征、桩身弯矩分布规律及模型变形破坏模式。试验结果表明,嵌岩桩加固后的滑坡,桩后推力随深度的增加呈抛物线型分布形式,合力作用点约在滑动面以上模型桩自由段的1/2处;嵌岩模型桩有明显的抗滑特性,承担了大部分桩后推力,传递至桩前土压力值较小且稳定;模型桩的桩身弯矩分布形式不同于普通抗滑桩弯矩分布形式,自由段埋深0~15 cm范围内为主要弯矩承受区域,最大弯矩截面位于滑面上模型桩自由段1/3处,滑动面处桩身弯矩绝对值较小;滑坡模型在沿滑面推力加载作用下发生桩后滑体越桩滑动破坏。该试验成果为嵌岩桩的抗滑特性研究提供了科学依据,可为该类型抗滑桩设计提供一定的指导性建议。     

双排微型桩加固碎石土滑坡物理模型试验研究

通过3组不同桩间距下双排微型桩加固碎石土滑坡室内模型试验,研究微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律。试验结果表明:双排微型桩承受的滑坡推力主要集中在滑面以上1/3桩身范围内,桩身最大弯矩位于滑面附近,且桩群均以第一排桩达到其弹性受力极限而失效;桩间距为5d时,微型桩群对桩间土的遮蔽阻挡效果最好,桩群能承受的滑坡推力最大,且桩顶位移最小,滑坡推力在排桩间分布最合理,其传递系数α在（0.5,0.7）间取值。     

全埋式抗滑桩倾覆破坏的室内模型试验研究

基于室内推桩模型试验研究全埋式抗滑桩的倾覆破坏及受力变形特征：在满足各试验相似关系的前提下,建立室内模型试验池,观察模型桩从受荷到倾覆破坏的全过程。布设土压力盒、钢筋应变片、混凝土应变片及百分表,采用多通道动态测试系统,对桩身应变、钢筋应变、桩顶位移与土压力进行全方位的动态监测,分析模型桩的受力特性。研究结果表明,在滑坡推力作用下,桩顶水平位移与荷载之间大致呈现三折线关系,而且在锚固深度不够的情况下,桩的破坏形式为整体的刚性转动（倾覆破坏）。对土压力监测结果以及反推的桩身弯矩表明,桩身土压力分布曲线表现为上下小、中间大的近似抛物线分布,桩身最大土压力出现在桩中部;各级荷载作用下,桩身最大弯矩值出现在滑面处,桩顶及桩底弯矩值较小。     

折线型滑面滑坡桩排推力分布规律研究

大型滑坡多排、埋入式抗滑桩设计中,需要明确桩排间距、桩顶埋深不同时各排桩分担的滑坡推力的大小及桩身推力分布形式。采用室内模型试验方法,研究滑面形态为折线形、后陡前缓的折线型滑坡在滑面位置已知情况下各排抗滑桩分担的滑坡推力,并总结出折线型滑坡在桩排间距不同时各排桩分担滑坡推力的规律。同时采用有限元强度折减法对桩顶埋深改变时（前排桩不变）桩身推力分布形式的一般规律进行了分析,提出折线型滑坡桩排间距、桩顶埋深的变化能有效改善前、后排桩分担滑坡推力的比例。研究结论对于更加安全、经济地进行多排、埋入式抗滑桩加固大型滑坡的设计具有一定指导意义。     

弧形间隔排桩-桩顶拱梁空间抗滑结构理论研究

为充分利用地形、地质结构和混凝土的材料特性,优化直线排桩的不利受力状态和提高其整体稳定性,提出了弧形间隔排桩-桩顶拱梁新型空间抗滑结构,即根据滑坡地形及地质条件弧形布设抗滑桩,桩顶设置连系梁,连系梁两端设置抗力桩,形成空间结构以抵抗滑坡推力。以抗滑桩与连系梁之间的作用力为冗力,分别建立了连系梁和抗滑桩的计算模型,并对连系梁的内力和抗滑桩的位移进行了理论分析,根据连系梁与抗滑桩连接处的位移协调条件,建立了力法典型方程求解冗力。最终得出了连系梁的弯矩、剪力和轴力以及抗滑桩的位移、内力理论计算公式。通过算例分析并与悬臂桩及直线排桩-桩顶连系梁抗滑结构比较,结果表明：空间抗滑结构中弧形连系梁的内力分布更加合理,弧形连系梁对抗滑桩的位移约束效果明显。     

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。     

多次分段注浆钢花管单桩抗滑性能模型试验研究

采用现场原型试验,从滑坡推力、桩身土压力、桩身弯矩等方面研究了多次分段注浆钢花管单桩的抗滑性能,分析了多次分段注浆钢花管注浆效果和破坏模式。试验结果表明：采用多次分段控制注浆技术,钢花管周边形成“树根状”水泥柱复合抗滑体,这种结构可以有效提高桩周土体抗剪强度,有效地增强了钢花管单桩结构的抗滑性能。6.0 m桩长的多次分段注浆钢花管,与常规钢花管相比,单桩水平抗滑力提高了35 kN,其水平承载力相比常规钢花管提高约50.72%,更好地阻止了滑坡的产生,钢花管在滑坡推力作用下发生弯曲破坏,最大弯矩值出现在滑面附近,因此,建议在结构设计中加强滑面附近的桩体配筋设计,以增强滑面附近的抗弯破坏能力,从而达到更好的抗滑效果。     

考虑土拱效应的悬臂式抗滑桩最大桩间距确定

合理桩间距的确定是抗滑桩设计的重要内容之一。认为抗滑桩的抗滑能力主要来自桩身迎荷面的阻滑能力和桩侧的阻滑能力这两个方面。在假定抗滑桩这两方面的阻滑能力均充分发挥的基础上,从桩侧摩阻力与桩后土拱极限剪切作用厚度范围内的摩阻力与拱后滑坡推力之间的静力平衡条件出发,基于Mohr-Coulomb强度准则,简化摩阻力的分布形式,建立悬臂式抗滑桩桩间距的计算公式。在此基础上,进一步研究了滑坡体的黏聚力、滑坡推力及抗滑桩的截面尺寸等因素对桩间距的影响。参数分析结果表明：桩侧阻滑能力在整个抗滑桩的抗滑能力中占有重要比例,且主要受桩侧面宽度控制;滑坡土体的黏聚力、内摩擦角,桩截面宽度等因素对抗滑桩最大桩间距具有较大程度影响。     

悬臂式抗滑桩模型试验研究

作为治理滑坡的重要手段之一的抗滑桩,由于岩土体介质的特殊性,桩后滑坡推力、土体抗力及桩身变形破坏模式与理论计算存在较大差异。通过悬臂式抗滑桩加固滑坡的模型试验,对滑体进行逐级加载,测得桩后滑坡推力、桩前土体抗力和桩体的应变,研究滑坡推力分布、土体抗力的变化情况、桩身变形破坏模式。试验结果表明,对于悬臂式抗滑桩可分为分离段和接触段两部分,滑坡推力逐渐向接触段集中;桩前土体抗力主要在桩前25 cm以上,随着深度增加,抗力逐渐减小;悬臂式抗滑桩为折断破坏形式,破坏点的位置在滑面以下25 cm处。模型破坏主要是由于桩前土体发生屈服,从而使桩顶部位移过大,致使桩身因折断破坏而失效,最终滑坡模型失稳。其结果可为实际工程提供借鉴。     

抗滑短桩加固滑坡体模型试验三维数值模拟分析

为解决抗滑短桩加固滑坡体理论研究不满足工程应用需要的现状,本文采用基于快速拉格朗日算法的FLAC3D软件,对桩长变化的抗滑短桩加固碎石土滑坡全过程进行三维有限元模拟,通过分析滑体位移、应力、抗滑短桩位移和桩身弯矩的变化规律,研究抗滑短桩的受力变形特性及桩土相互作用机理。研究表明:经抗滑短桩加固后的滑坡,稳定性显著提高;随着桩长增加,桩后应力分布越均匀,抗滑短桩与桩周土体的整体性越好,滑体最大位移逐渐减小,有效抑制滑体位移;当桩长小于60 cm时,滑体出现"越顶"现象,在楔形体前缘顶部形成了贯通滑动面,且发生较小范围的失稳破坏;当桩体自由段与滑体厚度比值为0.52~0.59时,加固效果最理想。研究结果对抗滑短桩加固滑坡体的抗滑机理予以补充。     

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。     

预应力锚索抗滑桩工程效果的数值计算评价

针对目前桩土接触问题及滑坡治理后预应力锚索抗滑桩的受力效果进行评价研究成果还很少,结合现场勘查与工程设计,根据预应力锚索抗滑桩中桩土相互作用特征,引入接触单元并编制有限元程序进行计算。根据抗滑桩锚固段的受力分布、桩体弯矩、位移及预应力因素对预应力锚索抗滑桩抗滑效果进行评价,提出预应力锚索抗滑桩的最佳预应力值,对工程设计具有一定的指导意义。     

基于有限差分原理的预应力锚索抗滑桩改进计算方法

针对现有预应力锚索抗滑桩计算模型及其相应计算理论存在的问题,基于有限差分法的原理,提出了改进的锚索桩计算模型并进行了详细的理论推导。根据实际的施工和受力过程,该模型包括预应力施加和滑坡推力作用两个阶段,通过滑坡推力分布形式的改进和桩锚协调变形方程的修正来真实反映预应力锚索抗滑桩的主动式受力特点。同时利用Matlab编制成相应的计算程序进行算例验证,并同目前普遍采用的计算理论进行对比分析。结果表明,该改进计算方法及其相应的计算程序充分考虑了预应力施加这一锚索桩特有的过程所带来的影响,且在计算中不必将锚索拉力等效为在桩顶处施加的剪力和弯矩。另外还可对桩前滑面以上存在任意厚度滑体和任意复杂地基条件的情况进行合理地设计计算,相对于目前已有的计算理论,该改进方法更加合理、可靠。