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。     

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。     

L型抗滑桩加固土坡特性的离心模型试验与有限元模拟研究

L型抗滑桩在传统等截面抗滑桩的基础上加入横段,有效提高桩的稳定性和加固边坡效果。本文采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了L型抗滑桩加固土坡的变形特征与桩土相互作用。基于离心模型试验得到了L型抗滑桩加固土坡的位移场,并采用有限元软件对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的土坡荷载位移曲线吻合程度较高,水平位移分布趋势基本一致。模拟结果表明,L型抗滑桩的加固效果明显优于传统等截面抗滑桩,土坡位移减小约25%,桩转角减小约70%。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,分析了L型抗滑桩对土坡的加固效果及桩-土相互作用。横段上下侧的土压力分布相差很大,差距最大时上侧土压力仅为下侧土压力的20%左右。L型抗滑桩横段与土的摩擦力分布存在极小值,竖直段抗滑桩可以改变土坡位移场,使得内侧位移分布存在极大值。坡体受力变形分析结果表明,抗滑桩导致土坡出现土拱效应,L型抗滑桩的横段会进一步增强土拱效应,形成应力重分布,使横段所受土压力增大,提高抗滑桩的稳定性。     

桩端后注浆超长灌注桩桩侧极限摩阻力计算方法

目前超长灌注桩普遍应用于大型桥梁、超高层建筑工程中,且常采用桩端后注浆技术,但其桩侧极限摩阻力的确定尚未有切合其实际特点的方法。大量现场实测数据反分析表明,采用 法计算时,存在桩侧土压力大于土层静止土压力的现象。在探讨桩侧土压力增大机制的基础上,对 法进行改进,建立了桩侧土压力确定方法,并给出了桩侧土压力系数的取值公式。工程实例计算结果与试桩实测结果比较分析表明,所建立的桩端后注浆超长灌注桩桩侧极限摩阻力计算方法具有合理性与可行性。     

砂土中单桩抗拔极限承载力的计算

桩侧极限摩阻力是砂土中单桩抗拔极限承载力的主要组成部分,作为计算桩侧极限摩阻力的关键参数--土侧压力系数K的取值合理与否直接影响到单桩抗拔极限承载力计算的准确度。首先,基于密砂和松砂中的桩在上拔破坏时桩侧土压力分别呈被动和主动状态,同时考虑桩侧摩阻力和桩身表面粗糙度的影响,分别推导了不同相对密实度砂土中的土侧压力系数。然后,利用所得到的土侧压力系数并考虑桩侧单位摩阻力发挥的临界深度,按沿桩-土界面发生圆柱状剪切破坏模式建立了砂土中单桩抗拔极限承载力的计算方法。最后,利用该方法对已有的抗拔桩试验结果进行分析和比较,结果表明计算值与实测值吻合较好。     

抗拔桩极限平衡方程及其应用

将抗拔桩侧阻力分解为与桩侧正压力不相关的桩-土黏结强度 、与桩侧有效正压力成正比的摩擦力 两部分,采用摩擦定律计算摩擦力 。基于轴对称条件,假定土体为半无限弹性体,以Mindlin公式积分计算分析极限平衡状态下桩-土共同作用,依据平面应变条件下柱状孔扩张的弹性力学解建立桩-土界面位移协调方程,推导出抗拔桩极限平衡方程,给出了求解方法及计算参数确定方法。该方程能反映桩与土的材料特性、桩体尺寸、桩顶埋深、群桩效应、卸荷效应等多因素对抗拔桩极限承载力的影响。结合海上风电大直径超长抗拔钢管桩足尺试验进行验证。对比分析结果表明,该方法计算的抗拔极限承载力与实测值接近,计算精度远高于现行规范推荐方法,其结果可为工程应用及抗拔桩承载力机制研究提供参考。     

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。     

土坡稳定极限分析上限法中的多解性分析

土坡稳定极限分析上限法中采用了完全塑性区假定,即假定土坡内存在一个处处位于屈服面上的滑动体。将滑动体内部条块界面上的强度发挥系数视为优化变量,利用功能平衡方程得到了对于给定滑动面的多个安全系数,基于和声算法和潘家铮极值原理选择其中最大的安全系数作为该滑动面的抗滑稳定安全系数,利用该方法对于两个典型土坡算例进行了分析,将其结果与常规极限分析上限法结果进行了比较,给出了完全塑性区假定对计算结果的影响。     

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。     

3种模式下钻孔灌注桩桩-土剪切特性现场试验研究

不同的桩-土剪切模式对桩-土剪切位移量的大小和桩侧摩阻力的发挥有重要影响。对抗压桩、顶拔桩和负摩擦桩等3种模式的6根钻孔灌注桩的剪切特性进行了现场加载试验与长期监测。通过对不同桩型的桩身应变、桩顶位移和桩周土沉降等试验资料的系统分析,建立了"侧阻-位移"曲线确定各模式桩-土剪切位移量和不同深度的极限侧阻力。根据不同桩-土剪切模式极限侧阻力的发挥特征,分析了桩-土相对运动方向、剪切边界约束条件、剪切位移量、加载速率和剪切历时等5个因素对极限侧阻力发挥的不同影响。讨论了利用现场顶拔桩试验结果对桩负摩阻力增大段的极限负摩阻力进行预测的可行性,供同行参考借鉴。     

复杂荷载条件下边坡稳定性的上限极限分析

基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减技术,考虑边坡顶面超载、坡体内孔隙水压力与地震惯性力等复杂荷载,建立了边坡稳定的极限平衡状态方程,采用优化方法求解边坡稳定安全系数及相应的潜在破坏模式。其中水与地震对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力与地震惯性力当作外力荷载做功,将强度折减系数作为评价边坡稳定性的定量指标。通过典型算例的对比分析,验证了方法的合理性,并探讨了孔隙水压力、地震加速度系数对边坡稳定性的影响。     

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。     

层状岩体边坡动态稳定性拟静力上限分析

将强度折减技术与极限分析上限定理结合,利用安全系数Fs评定指标对层状岩体边坡进行稳定性上限分析,与已有研究成果进行了对比分析,并较为详细地分析了相关参数对层状岩体坡体安全系数和潜在破裂面的影响。分析结果表明,与同类计算方法的对比可以证明表明文中方法的正确性;边坡安全系数和破坏范围受边坡坡度、岩体重度、边坡高度、动载效应系数和岩层倾角的控制;当岩层倾角处于一定范围时,层状岩体边坡发生顺层失稳的可能性最大,工程中需特别注意。     

Kinematic analysis of pile behavior for improvement of slope stability in fractured and saturated Hoek–Brown rock masses

Because of a multitude of steep slopes being constructed adjacent to roadways, there is greater concern of landslide occurrence, particularly in instances where poor geomaterials are present. Installation of piles along the slope is one commonly adopted method. This paper presents the assessment of the stability of a rock slope with stabilizing piles based on kinematic analysis. The pile effect is introduced with a resultant lateral force and a moment. Upper bound solutions of the pile's lateral force are derived with a log‐spiral rotational failure mechanism. The slope performance based on the bearing capacity of surcharge loading is also discussed with consideration of pore water pressure. In order to substantiate the derived theoretical solutions, numerical analysis with optimization technique is carried out. Results demonstrate that rock materials with high quality are conducive to ensure slope stability. Reduced lateral force on the pile is produced with lower rock weight, slope height, and surcharge loading. Finally, the safety factor and stability coefficient are discussed to complete the evaluation of the slope stability. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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.     

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.     

下沉式抗滑桩与普通抗滑桩内力分析比较

通过将一组下沉式模型实验数据按照比例扩大到实际大小,建立计算模型,再利用地基系数法计算出桩身上的最大剪应力和最大弯矩。然后把模型中的下沉式抗滑桩换成普通抗滑桩,重新计算。通过比较计算结果,可以发现下沉式抗滑桩所独有的优越性,同时就这种特殊抗滑桩的适用性提出一些看法。