详情

原文传递桩锚结构设计理论及安全性评价

论文题名：	桩锚结构设计理论及安全性评价
关键词：	边坡;抗滑桩;锚固段;蠕变耦合;稳定性;风险;锚索地梁;可靠度
摘要：	桩锚结构是边坡治理工程措施之一，它是在抗滑桩和锚索应用的基础上发展起来的。其基本概念借助于锚索所提供的锚固力和抗滑桩所提供的阻滑力并由二者组成的桩一锚支挡体系共同阻挡边坡的下滑，在当前工程中使用日益广泛，但其设计计算理论研究远远滞后于工程应用，特别是在长期稳定性和工程结构安全性评价方面的研究工作做得很少。因此，加强设计理论研究，是一项十分紧迫的工作。有鉴于此，本论文结合《京珠高速公路粤境北段路堑高边坡病害预防及防治措施研究》，《川藏公路前龙段滑坡机理与整治技术研究》等科研项目，在前人已有研究成果的基础上，充分吸收相关行业的研究成果和成功经验，结合典型边坡工程的实际情况，从研究坡体压力出发，分析当前桩锚结构设计理论，对其设计方法进行改进，结合锚索锚固机理的研究，进行桩锚结构长期稳定性分析和工程结构安全性评价，以期求得较为符合实际的计算分析理论，满足工程实际的需要，更好的为工程建设服务。通过较详细的分析和研究，主要取得了如下结论与成果： (1)坡体与桩锚结构物之间的相互作用机制，研究了抗滑桩土拱力学效应，分析了桩土应力分担比，讨论了坡体压力、土体性质以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态的影响。据此，提出了一种考虑土拱效应折减的桩土相互作用的位移模型，与现有计算模型相比，该模型能考虑滑坡推力随桩体变形、桩周岩土体变形而不断调整自身的分布，且将土拱效应引入到力学计算模型中，得出了桩后滑体系统位移为平动时抗滑桩求解的微分方程式，较之将滑坡推力设定为一固定的分布形式的现有计算方法，更符合工程实际。 (2)考虑到工程实际中锚固段的黏结应力为非均匀分布，提出按照锚固段黏结剪应力非均匀分布的理想弹塑性模型的锚索设计理论进行该问题的分析。给出了锚索与浆体之间，以及围岩与浆体之间的黏结受力区长度解析公式，并进行了算例分析。 (3)总结了9种影响预应力损失的主要因素，即锚索材料松弛、地层岩土蠕变、锚头夹具回缩、张拉系统摩阻、混凝土收缩与蠕变、爆破与地震作用、张拉顺序、设计荷载以及雨水入渗。针对不同影响因素的特性规律，提出应力补偿措施。 (4)确定锚索预应力时，先按照设计经验假定锚索拉力Ri之初值，代入公式(4-9)右边，从而求出新的Ri值，再将所求出的Ri值重新代入(4-9)式右边，又可求得Ri之第二次迭代值，重复以上步骤，直至前后两次求出的Ri值满足如I\|TJn一Ri(．-0J\|≤0．05R加相关精度要求即可停止迭代。最终求得的Rjn值即为考虑锚索与桩变形协调时，锚索中所产生的拉力值。 (5)预应力锚索框架型地梁计算时宜拆成单片梁的形式分别计算，根据岩石边坡的力学特点，应分锚索张拉阶段和工作阶段分别计算地梁内力，并在此基础上综合比较分析，进行合理结构设计。笔者认为对于张拉阶段宜按Winkler地基模型计算纵梁内力，按连续梁法计算横梁内力以使计算简化：对于工作阶段在有条件时宜按winkler地基模型计算纵梁内力，否则按连续梁法计算纵梁内力，最好能作二者的计算比较：对于横梁则按连续梁法进行计算。 (6)考虑了坡体蠕变影响与锚固应力松弛的相互作用，着重考虑了坡体蠕变与桩锚结构松弛之间的耦合关系，对此建立了理论模型，采用弹簧和柏格斯(Burgers)并联模型进行耦合蠕变分析，进而推导求得锚索预应力长期变化公式。通过与已有文献中介绍的试验结果和工程实例印证，验证了其公式的合理性。 (7)从提高拉力型预应力锚索锚固效应的工程措施出发，讨论了二次劈裂注浆的加固机理，从工程实用的角度给出其相应的劈裂注浆锚固力计算式。探讨了二次劈裂注浆锚索的设计参数。 (8)从安全系数出发，讨论了支挡边坡的安全系数问题，结合工程实例证明：采用六种极限平衡方法计算出的安全系数有一定的差距，建议对锚固路堑边坡，当采用Janbu法、Fellenius法进行稳定性计算时，安全系数可取小一些，采用L2，当采用町shop法、Morgenstern-Price法、spencer法和GLE法进行稳定性计算时，建议安全系数取大些，可采用L3。并且强调对边坡局部稳定问题的重视是安全性设计的基本要求。 (9)采用正交数值试验法，基于极限平衡法进行了不同因素组合条件的稳定性研究。K98+560路堑边坡稳定计算参数的敏感性由大到小为：内摩擦角、粘聚力、重度、锚索间排距、桩间排距、预应力大小、锚固段长度依次递减。岩土体的抗剪强度指标是影响边坡稳定的最重要参数，其参数变化对边坡的稳定性影响最大。同时强调工程设计中应充分重视支挡结构参数的选取，但是依靠增加锚索锚固段长度来提高稳定性意义不大。 (10)通过多因素可靠度边坡风险分析，考虑到各风险之间的依赖性，提出在考虑多因素的基础上确定边坡的可靠度计算公式，建立起综合风险评价指标，使边坡分析的动力学、静力学与可靠度理论获得有机结合。并结合工程实践，进行了计算演算。最后指出，定量多因素风险分析的结果可以作为决策工具或传统设计的补充，在相当程度上可给决策者提供更多辅助评价信息。本论文的创新之处在于，探讨当前各学者提出的桩锚设计理论，将桩锚加固坡体从工程力学计算提高到风险设计这一系统平台，对于其长期稳定性和风险评价指标的建立进行了提高，使计算结果提高了置信程度，将风险分析与确定性分析结合考虑，共同作为决策依据。建立起综合风险评价指标，使边坡分析的动力学、静力学与可靠度理论获得有机结合。
作者：	夏雄
专业：	岩土工程
导师：	周德培
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文