CN105045977A - 一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，对称布置两根抗滑桩，在抗滑桩桩顶中心部位加设一排预应力锚索，在中层滑面上布置4排锚索，短边为受力面，植入与实体抗滑桩耦合的二维无质量、无厚度的梁单元，并在桩土之间以及软弱层和潜在滑裂面层设置了三维Goodman接触单元，抗滑桩采用C25混凝土，在建立实体边坡及实体抗滑桩时，采用摩尔-库仑本构模型，一维桁架及植入式桁架均采用线弹性本构模型来模拟。本发明的有益效果是提供了研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，通过数学建模结合实际得到了实际工程中抗滑桩最佳埋设点。
Description
技术领域
本发明属于建筑技术领域，涉及一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法。
背景技术
在工程实践中经常采用抗滑桩和预应力锚索加固边坡，而加固边坡涉及的一个关键问题是抗滑桩最优埋设部位的确定。目前，对最优桩位的设计和研究屡见于文献中，Hassiotis[1,2]、Ito等[3]认为，抗滑桩埋设在边坡的中上部，坡体整体稳定性更好，也更能发挥桩的支护效果；而Cai和Ugai等[4]采用三维弹塑性强度折减分析，认为抗滑桩埋设滑坡体中部能得到较大的安全系数；Lee[5]对于均质粘性土坡进行研究，确定抗滑桩埋设于坡顶或坡脚位置更能提高坡体的稳定性；戴自航等[6]、Ausilio等[7]认为抗滑桩应埋设于边坡下部，坡体则整体稳定。
抗滑桩是目前加固边坡常用的一种支护方式，其中抗滑桩最优埋设部位的确定是一个关键问题。采用强度折减法对某边坡安全系数及水平位移随不同桩位变化进行对比研究。研究表明：抗滑桩埋设于坡底时，安全系数及水平位移最小，未能充分发挥抗滑桩的支护作用；埋设于边坡中部时，边坡安全系数及水平位移都达到最大值，是最佳埋设部位。研究结果对边(滑)坡治理工程中，抗滑桩设桩位置的确定具有重要意义。
边坡工程概况；选定某沿海高速公路K21+060～K21+466标段，该标段位于构造剥蚀的丘陵地区，其右侧滑坡区域为一突出山脊，山体植被茂盛，自然坡率较缓，区域内汇水面积较大。该公路于2005年底建成通车，高速公路以挖方路堑的形式通过此段，在路线的右侧形成了较高的人工边坡，边坡高度约为50m，实际高程约为90m。因高速公路建设而切割山丘坡脚形成长406m，高约50m的人工边坡，呈“M”型。人工边坡的开挖改变了自然坡体地表水流向及地下水的渗流方向，使人工边坡成为地表水及地下水的优势排泄面。
从现场统计结果看，坡体后缘地表水下灌达40t/h，造成坡体失稳。由于坡体在地下水的作用下，其物理力学参数已严重降低，并发生了较大变形，严重影响了沿海高速公路的正常运营。因此，地表水及地下水的治理成为该边坡稳定先决条件，边坡综合治理势在必行。根据破坏情况，我们提出了“以桩为主，桩锚结合，锚为辅”的综合治理设计思路。
目前对于抗滑桩位的研究还处于数据采集和经验分析阶段，没有相关的三维模型进行最优抗滑桩位的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，解决了对于最优抗滑桩位无法用数学模型进行分析的问题。
本发明所采用的技术方案是对称布置两根抗滑桩，在抗滑桩桩顶中心部位加设一排预应力锚索，在中层滑面上布置4排锚索，边坡模型的尺寸为170m×88m×12m，抗滑桩桩长为19m，采用2m×3m的矩形截面，并且短边为受力面，相邻桩中轴线间距为4m；植入与实体抗滑桩耦合的二维无质量、无厚度的梁单元，并在桩土之间以及软弱层和潜在滑裂面层设置了三维Goodman接触单元，三者的接触面参数统一取值，法向刚度模量＝100000kN/m3；切向刚度模量＝100000kN/m3；粘聚力c＝100kPa；内摩擦角抗滑桩采用C25混凝土，弹性模量E＝25000Mpa，泊松比μ＝0.1667，天然重度γ＝26KN/m3；在建立实体边坡及实体抗滑桩时，采用摩尔-库仑本构模型，一维桁架及植入式桁架均采用线弹性本构模型来模拟。
本发明的有益效果是提供了研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，通过数学建模结合实际得到了实际工程中抗滑桩最佳埋设点。
附图说明
图1是三维边坡有限元模型；
图2为不同Lx/L对应边坡安全系数曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，其模型建立步骤：
对称布置两根抗滑桩，在抗滑桩桩顶中心部位加设一排预应力锚索，在中层滑面上布置4排锚索。边坡模型的尺寸为170m(长)×88m(高)×12m(宽)，抗滑桩桩长为19m，采用2m×3m的矩形截面，并且短边为受力面，相邻桩中轴线间距为4m。
植入与实体抗滑桩耦合的二维无质量、无厚度的梁单元，并在桩土之间以及软弱层和潜在滑裂面层设置了三维Goodman接触单元，三者的接触面参数统一取值，法向刚度模量＝100000kN/m3；切向刚度模量＝100000kN/m3；粘聚力c＝100kPa；内摩擦角抗滑桩采用C25混凝土，弹性模量E＝25000Mpa，泊松比μ＝0.1667，天然重度γ＝26KN/m3。
在建立实体边坡及实体抗滑桩时，采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb，M-C)本构模型，一维桁架及植入式桁架均采用线弹性本构模型来模拟。各土层物理力学参数相关参数见表1。
表1土层参数表
为了更真实的模拟实际工程中的抗滑桩布置，在二维边坡模型的基础上沿法向方向拓展12m，拓展后所得的原边坡模型共有43084个节点，18088个单元，施加边界条件如下：边面无任何约束；两侧边界左右添加DX，前后边界添加DY；底部边界添加DX、DY、DZ。具体三维边坡模型如图1所示。
抗滑桩桩位的布置：在一级～五级边坡平台位置处，分别布置相同尺寸的抗滑桩，采用原边坡模型横断面剖面图，通过有限元强度折减法对单根桩布置在边坡5个不同位置进行了数值模拟。假定以边坡坡底处为起始点，抗滑桩布置位置离坡底水平距离为Lx，边坡地面长为L＝170m，研究抗滑桩桩位Lx/L与边坡水平位移及安全系数之间的关系，以安全系数为优化目标函数，得出最佳埋设桩位方案。
数值模拟结果分析：锚索自由段采用直径为0.1m的圆截面一维植入桁架单元模拟，采用两点集中法，在自由段两端施加一对大小反向的集中力，锚固段则选用直径为0.13m的圆截面一维桁架单元。文中采用单因素法只对抗滑桩不同桩位模拟所得结果进行分析，不同桩位Lx/L对应的边坡水平位移可知：
1)当抗滑桩埋设于坡底，即Lx/L≤0.25时，抗滑桩与滑列带以上坡体的接触面最小，抗滑桩的支护效应，近似于无任何支护结构时的边坡破坏状态；
2)当抗滑桩埋设于靠近坡脚脚趾处，即0.25<Lx/L≤0.50时，抗滑桩嵌入滑裂面土层以下土体的深度加长，抗滑桩桩身部位与滑裂面相交，有效的抑制了滑列带的延伸。
3)当抗滑桩埋设于坡顶，即Lx/L>0.50时，桩身部位可能脱离滑列带层，只能一定程度上抑制桩体受力面靠山侧的土体水平位移，对提高边坡安全系数并不十分明显。结合以上各边坡安全系数和水平位移云图得出相应的变化曲线图(图2)。
由图2可知，对不同桩位而言，边坡安全系数随桩位Lx/L的增加先逐渐增大，桩埋设于边坡坡底位置Lx/L＝0.10处时，安全系数K＝1.2125接近于无任何支护结构时的边坡稳定系数，且因抗滑桩的阻挡作用小，滑动面以上坡体的水平位移接近于天然状态下的边坡位移，此时的抗滑桩支护作用并不十分明显。当桩埋设于边坡四级台位置Lx/L＝0.48处时，安全系数K＝1.8375达到最大值，主要是因为桩阻挡了坡体的下滑，且与滑动面以上土体的接触面积较大，承担的坡体下滑推力最大，在桩的材料参数不变情况下，导致滑动面土体上拱，加大了坡体的水平位移。
基于强度折减法对三维边坡模型的最优抗滑桩桩位的相关分析，得出以下结论：
(1)当抗滑桩埋设于靠近坡脚脚趾处，0.25<Lx/L≤0.50时，边坡安全系数随抗滑桩嵌入滑列带土体深度的增加逐渐增大；
(2)当抗滑桩埋设于边坡中间部位时，边坡安全系数达到最大值，此时的抗滑桩支护性能得到充分发挥，实际工程中应优先选取边坡中间部位为抗滑桩最佳埋设点；
(3)当抗滑桩埋设于边坡中间部位时，抗滑桩与滑动面以上土体的接触面积较大，承担的坡体下滑推力最大，在桩的材料参数不变情况下，导致滑动面以上土体上拱，边坡水平位移达最大值；
(4)当抗滑桩埋设于边坡坡顶部位时，抗滑桩有可能未与滑列带相交，一定程度上降低了抗滑桩的支护性能，且边坡的安全系数及水平位移受抗滑桩与滑列带相交部位影响较大。
基于三维边坡模型的模拟，通过对抗滑桩埋设研究，在实际工程中，在桩的材料参数不变情况下，应优先选取边坡中间部位为抗滑桩最佳埋设点。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
参考文献:
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[2]HassiotisS,ChameauJL,GunaratneM.Designmethodforstabilizationofslopeswithpiles[J].JournalofGeotechnicalandGeo-environmentalEngineering,ASCE,1999,125(10)：913-914.
[3]ItoT.,MatsuiT&HongW.P.Designmethodforstabilizingpilesagainstlandslideonerowofpiles[J].SoilsandFoundations,1981,21(1):21～37
[4]CaiF,UgaiK.Numericalanalysisofthestabilityofaslopereinforcedwithpiles[J].SoilsandFoundations,2000,40(1)：73-84.
[5]LeeCY,HullTS,PollousHG,Simplifiedpileslopestabilityanalysis[J].ComputersandGeotechnics,1985,17：1-16.
[6]戴自航,彭振斌.土体滑坡体治理的合理设计与计算[J].中南工业大学学报,200031(2)：98-101.
[7]AusilioE,ConteE,DenteG.Stabilityanalysisofslopesreinforcedwithpiles[J].ComputersandGeotechnics,2001,(28)：591-611。
Claims (1)
1.一种研究抗滑桩位的三维边坡模型建立方法，其特征在于：对称布置两根抗滑桩，在抗滑桩桩顶中心部位加设一排预应力锚索，在中层滑面上布置4排锚索，边坡模型的尺寸为170m×88m×12m，抗滑桩桩长为19m，采用2m×3m的矩形截面，并且短边为受力面，相邻桩中轴线间距为4m；植入与实体抗滑桩耦合的二维无质量、无厚度的梁单元，并在桩土之间以及软弱层和潜在滑裂面层设置了三维Goodman接触单元，三者的接触面参数统一取值，法向刚度模量＝100000kN/m3；切向刚度模量＝100000kN/m3；粘聚力c＝100kPa；内摩擦角；抗滑桩采用C25混凝土，弹性模量E＝25000Mpa，泊松比μ＝0.1667，天然重度γ＝26KN/m3；在建立实体边坡及实体抗滑桩时，采用摩尔-库仑本构模型，一维桁架及植入式桁架均采用线弹性本构模型来模拟。
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