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原文传递桩—土—边坡相互作用数值分析及阻滑桩简化设计方法研究

论文题名：	桩—土—边坡相互作用数值分析及阻滑桩简化设计方法研究
关键词：	边坡加固;阻滑桩;承重阻滑桩;桩土边坡体系;组合荷载;强度折减技术;弹塑性有限元法
摘要：	作为一种有效工程措施，阻滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防治中得到了广泛应用。然而由于问题的复杂性，关于阻滑桩加固土坡的工作机理、桩—土相互作用规律仍没有彻底解决，阻滑桩设计理论与计算方法目前还处于半经验半理论的不成熟阶段，落后于工程实践，因此急需开展深入而系统的理论分析与数值计算等方面的研究，发展与完善相应的阻滑桩工程实用设计方法。一方面，随着高速铁路与公路的大规模建设，许多工程可能穿越滑坡地质灾害多发的潜在不良地质体，此时铁路与公路两侧边坡的安全性及其滑坡治理是工程建设中的一个关键技术问题，阻滑桩技术得到了较多的应用。另一方面，随着城市土地资源的匮乏，许多高层建(构)筑物与高耸结构物不得不直接修建在临近边坡或在山坡顶面上等复杂地质条件下，此时桩基不仅用于加固边坡，而且同时作为建筑物的基础，具有承重和阻滑双重功能，又兼有抵抗风荷载、地震惯性力所引起的水平荷载与力矩的瞬时或循环作用，受力较为复杂。在这种水平荷载、竖向荷载与力矩等各种分量的组合作用下，桩—土—边坡相互作用机理、荷载传递规律、边坡失稳机制尚不十分明确，有待于开展更深入的探索。为此，本文围绕阻滑桩加固土坡研究中所存在的主要问题及组合荷载模式下承重阻滑桩—土—边坡体系的变形与稳定性等方面进行了比较系统而深入的研究，论文的主要研究内容及所取得的研究成果包括如下几个方面： 1.自动搜索安全系数与失稳机构的边坡稳定性有限元分析模型及边坡失稳判据以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台，通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机构的边坡稳定性有限元分析模型。通过充分的变动参数对比计算与分析，对于目前所采用的有限元数值计算迭代不收敛、超过某一幅值的等效塑性应变分布带相互连通、边坡坡脚至坡顶塑性区贯通、坡面特征点位移陡增或强度折减系数与坡顶特征点水平位移之间关系曲线的斜率达到某一固定值等4种边坡失稳判据，探讨了其内在联系及其适用性，指出迭代不收敛判据较少依赖于研究者的经验，易于数值实现自动搜索等过程，具有较广泛的适用性与一般性。进而以这种判据为基础，分别针对成层黏性土边坡、多级边坡、路堤边坡及超载作用下的边坡稳定性进行了数值分析。在此基础上，探讨了有限单元类型、有限元模型中网格密度、土的破坏准则、剪胀性与变形参数等对边坡稳定安全系数的影响。最后论证了ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破坏准则与传统Mohr-Coulomb破坏准则的一致性。 2.阻滑桩、承重阻滑桩及组合荷载模式下承重阻滑桩—土坡稳定性的数值分析在边坡稳定的强度折减弹塑性有限元数值分析的基础上，将迭代不收敛判据推广至阻滑桩加固土坡、承重阻滑桩及组合荷载模式下承重阻滑桩—土坡的稳定性数值分析中。结合典型算例的对比分析验证了这一判据的有效性，考虑到桩—土接触问题的复杂性，在以不收敛作为判据的同时参考坡面特征点位移突变这一辅助判据，以确保不收敛判据所得稳定性结果的合理性。在此基础上，通过对比计算与分析系统地考察了设桩位置、桩径、桩的嵌入深度、桩头约束条件与桩的抗弯刚度等对阻滑桩加固边坡稳定性的影响，并对桩侧接触力的分布形态及变化规律进行了探讨，以期为阻滑桩加固土坡的简化设计提供参考依据。最后，针对竖向荷载与水平荷载等不同组合情况，探讨了荷载组合方式对桩—土—边坡体系稳定性的影响。 3.基于强度折减技术的复杂土坡稳定性分析上限解法目前工程上多采用极限平衡法进行土坡的稳定性分析，而根据极限分析的概念，极限平衡法所获得的解答既不是真实解的上限也不是真实解的下限。这里基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减系数概念，建立了一般土坡稳定的极限平衡状态方程，以此为基础确定了土坡稳定安全系数及相应的潜在破坏模式。针对多个算例，通过数值计算并将计算结果与极限平衡法、有限元法进行了对比，验证了所发展的上限解法的可行性。在此基础上，进一步地考虑土的非均质和各向异性效应，针对坡顶作用有超载、土坡中超孔隙水压力、地震惯性力等复杂情况，采用所建议的极限分析上限解法对土坡稳定性进行了计算与分析。 4.桩侧有效土压力的上限解法及阻滑桩桩位的优化设计基于有限元数值分析所获得的桩侧接触力分布模式，结合工程经验及现有研究成果，对阻滑桩桩侧受力状态与受力模式进行了分析。基于设计安全系数，利用极限分析上限定理与强度折减技术，建立了土坡加固中阻滑桩桩侧有效土压力的上限解法，其中考虑了坡顶超载、土的非均质和各向异性、土坡中超孔隙水压力、地震惯性荷载等因素，由此确定了桩侧极限有效土压力。在此基础上，根据所获得的桩侧无量纲极限有效土压力，讨论了阻滑桩桩位的优化布置，并针对临界滑动面位置及加固力有关影响因素进行了分析与讨论。 5.阻滑桩桩周土体侧向容许承载力的下限解法及基桩的锚固深度检算运用塑性极限分析下限定理，针对黏性土质边坡作用有表面超载与地震惯性荷载等复杂情况，建立了阻滑桩桩周土的侧向容许承载力下限解法；针对土的内摩擦角φ、边坡坡角α及无量纲黏聚力c/γz、无量纲超载集度q/γz或水平地震加速度系数kh等参数不同组合情况，通过数值计算以图表形式给出了主动和被动土压力系数，并探讨了各个参数对综合主动土压力系数与被动土压力系数的影响。在工程设计中可以利用由此所得到的综合主动与被动土压力系数值进行阻滑桩桩周土体侧向容许承载力计算，进而利用弹性桩或刚性桩锚固深度公式求解阻滑桩的锚固深度，为阻滑桩的锚固设计提供了科学依据。在此基础上，探讨了边坡坡角、土性参数、计算深度等对阻滑桩桩周土侧向容许承载力的影响，进而对于滑动面上、下两层土质不同时，建议了桩周土侧向容许承载力的修正算式，以期为层状土坡中阻滑桩锚固深度的合理确定提供参考依据。 6.土坡加固中阻滑桩简化设计及桩—土—边坡相互作用分析的解耦方法基于上述所获得的桩侧无量纲极限有效土压力，对于阻滑桩挠曲微分方程建立了以有限差分为基础的数值解法，进而发展了阻滑桩的简化设计方法。将这种桩基设计方法与阻滑桩加固土坡稳定性数值分析方法、阻滑桩锚固深度检验性核算方法相结合，建立了阻滑桩—土—边坡相互作用体系的解耦分析方法。在此基础上，将该方法应用于大窑湾港区某车场边坡治理工程中的阻滑灌注桩设计。
作者：	年廷凯
专业：	岩土工程
导师：	栾茂田
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文