边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金项目()作者简介:孙剑平()男 教授 硕士 主要从事深基坑支护等方面的研究.:.通讯作者:./.边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究孙剑平 张潇丽何天武吴圣智 孟祥旭(.山东建筑大学 土木工程学院 山东 济南 .山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司 山东 济南)摘要:在滑坡治理工程中倾斜微型桩群可以提高边坡稳定性研究倾斜微型桩的受力特点可为实际工程中微型桩的设计提供参考依据 基于有限元强度折减法分别对竖直和倾斜微型桩群支护下的边坡进行了模拟分析探讨了微型桩倾斜角度对其受力特点的影响 结果表明:倾斜微型桩
2、群比竖直微型桩群具有更好的支护效果竖直微型桩群与倾斜微型桩群抗滑机制不同前者在抵抗滑坡推力时表现为三排桩协同受力各排微型桩受力与变形一致而后者在支护过程中形成一个刚架结构其中迎土侧微型桩倾斜将受到的部分水平推力通过连梁传递至背土侧微型桩背土侧微型桩则借助倾斜角度为迎土侧微型桩提供支撑以抑制桩体与土体的整体滑移从而提高了边坡的稳定性关键词:倾斜微型桩边坡加固抗滑机理倾斜角度承载机制中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:山 东 建 筑 大 学 学 报 年 引言滑坡是指岩体或土体在自身重力下发生整体下滑的一种自然灾害在公路建设、山体加固和其他安全防治工程中边坡的治理始终是一个不容忽视的环
3、节 目前在边坡的治理中常用的方法主要有注浆加固、挡墙加固、抗滑桩加固、锚杆加固、土钉加固、预应力锚索加固以及预应力锚索抗滑桩组合加固等 微型桩作为一种小直径桩早期主要用于地基处理和加固工程中由于微型桩具有施工机具小、桩位布置灵活、施工速度快、振动小、适应性强、对环境影响小等优点近年来已逐渐应用到边坡加固、基坑支护及滑坡治理中微型桩最早是由 提出的许多国家早已展开了微型桩的试验和研究并取得了一系列研究成果 微型桩加固边坡的内力计算方法和桩间距的选取等问题已有了详细介绍钢管群桩的力学性能和受力特点也有了相关说明并已提出钢管桩结构的设计方法目前国内微型桩主要应用于建筑物纠倾加固和基坑支护工程中关于微
4、型桩边坡治理的研究较少近年来许多学者逐渐开始对边坡加固中的微型桩开展试验研究及理论分析孙书伟等通过模型试验对比了单排抗滑桩和竖向微型桩群的受力特性结果表明微型桩群与抗滑桩一样都具有良好的承载力在工程中可考虑采用微型桩群代替抗滑桩辛建平等通过对比单排和三排竖直微型抗滑桩在黏性土坡中的加固效果得到三排微型桩比单排微型桩具有更好的加固效果的结论另外辛建平等还通过数值模拟的方法发现岩质边坡、土质边坡和岩土混合边坡中竖直微型抗滑桩抗滑机制和破坏形式的不同岩土混合边坡桩体主要在滑面处和滑面以上分别发生弯剪破坏和弯曲破坏岩质边坡桩体主要发生滑带处错动引起的剪切破坏土质边坡桩体主要在滑带两侧发生弯曲破坏胡毅夫
5、等对比了设置和不设置连梁时的双排竖直微型桩的支护效果发现设置连梁后的微型桩结构具有更高的承载力孙书伟等通过试验研究了连梁连接下双排竖直微型桩的相关模型发现迎土侧微型桩所受滑坡推力大于背土侧微型桩在滑动面以上微型桩所受下滑力近似为梯形分布而滑动面以下的下滑力近似为三角形分布闫金凯等、朱怀银通过模型试验和数值模拟也得出了与此相同的结论 以上试验研究和理论分析均是针对竖直的抗滑微型桩没有考虑倾斜微型桩的受力情况及分布规律郑刚等发现在进行基坑支护时桩身会产生一定倾斜但不会降低桩的支护效果反而能够减小桩的水平位移王洋等等将倾斜微型桩用于边坡工程中依托广大线(广通至大理铁路线)扩能改造工程检测了“八”字形
6、微型桩组合抗滑结构的轴力研究了该种桩型在开挖卸载条件下的受力机制林旺照等研究了向同一方向倾斜的微型桩群加固边坡的安全性发现将微型桩设置在边坡中下位置加固效果最好微型桩的最优倾斜角度为 既往研究虽明确了倾斜微型桩可以提升其承载能力但未能给出边坡加固中倾斜角度对微型桩承载能力的影响机制 对此文章采用有限元软件模拟探讨了竖直微型桩和倾斜微型桩在受力模式、破坏特征和抗滑机理等方面的异同为滑坡治理中的微型桩设计提供了参考 土质边坡试验模拟验证.模型建立为精确对比倾斜微型桩群和竖直微型桩群的受力模式选取材料参数明确、研究思路清晰、且适用于研究微型桩受力特点的土质边坡进行模拟验证利用 有限元软件模拟得出微型
7、桩的弯矩变化规律对比模拟与模型试验的结果以说明研究方法的有效性 是世界上计算功能最强的非线性有限元分析软件之一包含非常丰富的单元类型能够较好地模拟大多数典型的工程材料可以解决许多实际工程中的复杂问题 对于类似桩土相互作用的岩土工程问题只需设置好相关问题的结构尺寸、材料参数、边界条件、荷载工况等便可进行计算分析得到其高精度解 根据文献中模型试验参数建立如下有限元模型:几何尺寸为.其桩长为.、桩径为 沿推力方向分别为、桩 模型尺寸如图()所示为了简化建模和计算过程因模型具有对称性故取半结构进行分析桩和土体的各项参数与原模型试验中材料参数取值相同土夯实后的密度为./桩顶采用 连系梁连接具体计算模型参
8、数见表 土体采用弹塑性摩尔库伦模型桩采用理想弹性材料桩与土之间采用摩擦连接摩擦系数.(为内摩擦角()单 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 元类型为八节点六面体单元()计算中采用减缩积分以避免沙漏现象网格划分如图()所示图 文献模型示意图表 模型参数表材料弹性模量/泊松比 黏聚力/内摩擦角/()密度/()滑床.滑带.滑体.桩.模型采用强度折减法分析强度折减公式可由式()和()表示为()()式中 为强度折减后土体的黏聚力 为强度折减前土体的黏聚力为强度折减系数为强度折减后土体的内摩擦角 通过不断增加强度折减系数 对边坡的黏聚力 和内摩擦角 值的折减相应降低边坡的抗剪强度直至边坡失
9、稳最终导出微型桩内力.结果分析 模拟所得的微型桩弯矩及模型试验所得的弯矩如图 所示通过对比可以发现模拟所得弯矩的变化规律与试验基本一致 在设置滑弧面的情况下三排微型桩所受弯矩较为均匀且沿桩深度都呈“”形滑弧面以上产生的弯矩大于滑弧面以下弯矩的反弯点近似位于滑弧面处模型试验和 模拟所得微型桩最大弯矩对比见表 桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.图 弯矩结果对比图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年表 试验与模拟结果最大弯矩对比表桩号试验结果/()模拟结果/()误差/.由此
10、可知该方法的数值模拟值与辛建平等采用模型试验所得的弯矩变化规律基本一致且其误差均时边坡安全系数较 和 时略有减小但仍大于微型桩倾角为(竖直微型桩)时的安全系数图 安全系数随倾角变化关系图 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 .桩身弯矩分析为研究微型桩倾角对桩身弯矩的影响将桩身倾角为 的微型桩的桩身弯矩绘出如图 所示可知:()无论竖直还是倾斜的微型桩桩身弯矩均为反“”形分布桩身弯矩反弯点位于桩身中间位置当倾角在 范围内时所有微型桩滑弧面以上的弯矩均大于滑弧面以下的弯矩()微型桩所受弯矩随两侧微型桩倾角增大而增大 微型桩倾角为 时的最大弯矩为 而微型桩倾角为时的最大弯矩达到了 其比
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