CN111597626A - 一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，包括以下步骤：S1.获取滑坡区域岩土体物理力学参数；S2.构建滑坡几何模型：获取滑坡表面地形，内部地层界面的几何信息，选取一个滑坡典型剖面作为稳定计算的二维模型，即滑坡的几何模型；S3.计算滑坡稳定安全系数；S4.寻找抗滑桩加固后的潜在滑动面；S5.计算所有潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力；S6.计算所有潜在滑动面不同土条块后部对应的剩余抗滑力；S7.确定抗滑桩设桩范围；S8.计算不同桩位情况下的抗滑桩设计推力值。本发明有效提高了抗滑桩设计的可靠程度，避免了桩位设置不当导致的滑坡破坏，以及设计推力偏小难以到达设计安全系数的问题。

Description

一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法

技术领域

本发明涉及滑坡防治，特别是涉及一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法。

背景技术

抗滑桩是一种应用广泛的滑坡治理支挡结构物，在抗滑桩设计时常面临如何确定合理的抗滑桩桩位及设计荷载的问题。GB50330—2013建筑边坡工程技术规范及SL386—2016水利水电工程边坡设计规范中均推荐使用剩余推力法计算抗滑桩设计推力值。一般的计算步骤包括：通过假定一系列可能的滑动面，并使用剩余推力法计算出各假定滑动面对应的抗滑稳定安全系数，搜索出安全系数的最小值，其对应的滑动面为最危险滑动面，即滑坡失稳时将先此滑动面滑动；再将边坡稳定系数设计值回代剩余推力法公式，计算出最危险滑动面对应的滑坡剩余下滑力，并将其作为抗滑桩的设计推力值。

有研究(李扬波等，土质边坡最大滑坡推力滑动面研究，中外公路，2014)指出最危险滑动面并不代表是有最大滑坡推力的滑动面，将最危险滑动面的剩余下滑力作为设计推力值并不合适。当抗滑桩承受滑坡体的推力时，滑体内的应力场发生了变化，因此滑坡前的最危险滑动面并不一定为加固后的最危险滑动面，该条件下加固边坡无法达到设计安全系数值。同时抗滑桩布设的位置变化时，对应的设计推力也发生变化，寻找到一个设计推力值较小的桩位也可以为工程带来一定的经济效益。特别地，当抗滑桩桩位设置不当时，可能导致整个工程的失效，比如，当抗滑桩位置设置过于靠近滑体前部，可能在桩的后部发生次级滑坡，即越顶破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，有效提高了抗滑桩设计的可靠程度，避免了桩位设置不当导致的滑坡破坏，以及设计推力偏小难以到达设计安全系数的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，包括以下步骤:

S1.获取滑坡区域岩土体物理力学参数，所述物理力学参数包括滑坡区域岩土体的内摩擦角、粘聚力和密度；

S2.构建滑坡几何模型：获取滑坡表面地形，内部地层界面的几何信息，选取一个滑坡典型剖面作为稳定计算的二维模型，即滑坡的几何模型；

S3.计算滑坡稳定安全系数：通过假定一系列滑动面进行搜索，使用剩余推力法计算所有滑动面的安全系数，找出其中最小值及对应的最危险滑动面；若计算得到的安全系数FS小于设计值FS_d，则需要对边坡进行加固；

S4.寻找抗滑桩加固后的潜在滑动面：潜在滑动面定义为安全系数小于设计安全系数的滑动面，重新选择滑动面搜索范围，找出所有小于设计安全系数的潜在滑动面的所在区域，并记录对应的潜在滑动面的位置，假定共计有m个不满足设计安全系数的潜在滑动面；

S5.计算所有潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力：将设计的安全系数FS_d代入P_i＝P_i+1×ψ_i-1-T_i ^S+T_i ^R/FS_d←，在i＝1,2,…,n时依次计算剩余下滑力P_i，即潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力。

S6.计算所有潜在滑动面不同土条块后部对应的剩余抗滑力：

将设计的安全系数FS_d带入如下公式中：

Q_i＝Q_i+1×ψ_i+1-T_i ^S+T_i ^R/FS_d

在i＝n,n-1,…,1时依次计算剩余抗滑力Q_i；

式中，

当i＝n时，取Q_i+1＝0；

当第i个条块的剩余抗滑力Q_i<0时，停止计算，取条块1，条块2，…,条块i的剩余抗滑力Q₁,Q₂,…,Q_i为0。

S7.确定抗滑桩设桩范围；

S8.计算不同桩位情况下的抗滑桩设计推力值。

其中，所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.设所述的滑动面为圆弧型滑动面或复合型滑动面：

对于土质边坡滑动面假定为圆弧形，滑动面由3个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角；

对与表层土下部基岩的混合型边坡，滑动面假定为复合型，复合型由剪入段圆弧，剪出段圆弧和中间段折线土岩分层面三段组成，滑动面由5个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角，D圆弧形剪入段与土岩分层面的相交位置，E圆弧形剪出段与土岩分层面的相交位置；

S302.滑动面搜索：

假定剪入口范围区间为[a，b]，a为剪入点位置的横坐标最小值，b为剪入点位置的横坐标最大值，单位m；剪出口范围区间[c，d]，c为剪出点位置的横坐标最小值，d为剪出点位置的横坐标最大值，单位m；圆弧圆心角区间范围[e，f]，e为滑弧圆心角对应的最小值，f为滑弧圆心角对应的最大值，单位度，最小圆心角e>0°，最大圆心角f计算方式如下：

分别设置搜索的剪入点、剪出点、圆心角数量为i，j，k，则将[a，b]，[c，d]，[e，f]平均划分为(i-1)，(j-1)，(k-1)个区间，则一共搜索l＝i×j×k个滑动面；

S303.某一特定滑动面安全系数计算，首先将滑动面以上的滑体沿垂直方向分割为n个土条，再按剩余推力法计算安全系数，计算公式如下：

P_i＝P_i+1×ψ_i-1-T_i ^S+T_i ^R/FS

其中：P_i为第i个土条向下传递给第n+1个土条的推力，当i＝0时，P_i为0，若计算的P_i值小于0，则取P_i＝0；

T_i ^S为第i个土条沿滑动方向的下滑力，T_i ^S＝W_isinα_i；

T_i ^S为第i个土条沿滑动方向的下滑力，

ψ_i-1为剩余下滑力传递系数，

FS为安全系数；W_i为第i个土条的的重量；α_i为第i个土条的底坡角度；

为第i个土条的底部土层的内摩擦角；c_i为第i个土条的底部土层的粘聚力；

当计算到最后一个土条的剩余下滑力P_n为0时，对应的FS即为该滑动面的安全系数；

S304.同理，按照步骤S303分别计算出所有滑动面的安全系数，找出其中最小值及对应的最危险滑动面；若计算得到的安全系数FS小于设计值FS_d，则需要对边坡进行加固。

其中，所述步骤S7包括：

对某一潜在滑动面而言，设桩范围为Q_i>0的区间内，对所有m个潜在滑动面，设桩范围为各个潜在滑动面设桩范围区间的交集，若该交集不存在，应考虑设置多排抗滑桩。

所述步骤S8包括：

在步骤S7中确定抗滑桩设桩范围后，计算该区间内不同位置处m个潜在滑动面的剩余下滑力与剩余抗滑力的差值，取m个差值中的最大值作为该位置处的抗滑桩设计推力，最终得到一条设计推力随桩位变化的曲线。

本发明的有益效果是：本发明有效提高了抗滑桩设计的可靠程度，可避免桩位设置不当导致的滑坡破坏，以及设计推力偏小难以到达设计安全系数的缺陷；同时可根据得到设计推力随桩位变化的曲线，帮助设计人员选择较小的设计推力值。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为实施例中最危险滑动面搜索结果示意图；

图3为实施例中抗滑桩设计推力桩位变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，包括以下步骤:

S1.获取滑坡区域岩土体物理力学参数，所述物理力学参数包括滑坡区域岩土体的内摩擦角、粘聚力和密度，通过现场测试或实验室测试的方式获取；

S2.构建滑坡几何模型：通过现场勘察获取滑坡表面地形，内部地层界面的几何信息，选取一个滑坡典型剖面作为稳定计算的二维模型，即滑坡的几何模型；

S3.计算滑坡稳定安全系数：通过假定一系列滑动面进行搜索，使用剩余推力法计算所有滑动面的安全系数，找出其中最小值及对应的最危险滑动面；若计算得到的安全系数FS小于设计值FS_d，则需要对边坡进行加固；

所述的滑动面为圆弧型滑动面或复合型滑动面。对于土质边坡滑动面假定为圆弧形，滑动面由3个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角。对与表层土下部基岩的混合型边坡，滑动面假定为复合型，复合型由剪入段圆弧，剪出段圆弧和中间段折线土岩分层面三段组成，滑动面由5个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角，D圆弧形剪入段与土岩分层面的相交位置，D圆弧形剪出段与土岩分层面的相交位置。

所述的滑动面搜索方案为，假定剪入口范围区间为[a，b]，a为剪入点位置的横坐标最小值，b为剪入点位置的横坐标最大值，单位m；剪出口范围区间[c，d]，c为剪出点位置的横坐标最小值，d为剪出点位置的横坐标最大值，单位m；圆弧圆心角区间范围[e，f]，e为滑弧圆心角对应的最小值，f为滑弧圆心角对应的最大值，单位度，最小圆心角e>0°，最大圆心角f计算方式如下：

分别设置搜索的剪入点，剪出点，圆心角的数量i，j，k，则将[a，b]，[c，d]，[e，f]平均划分为(i-1)，(j-1)，(k-1)个区间，则一共搜索l＝i×j×k个滑动面。

所述的某一特定滑动面安全系数计算，首先将滑动面以上的滑体沿垂直方向分割为n个土条，再按剩余推力法计算安全系数，计算公式如下：

P_i＝P_i+1×ψ_i-1-T_i ^S+T_i ^R/FS

其中：P_i为第i个土条向下传递给第n+1个土条的推力，当i＝0时，P_i为0，若计算的P_i值小于0，则取P_i＝0；

T_i ^S为第i个土条沿滑动方向的下滑力，T_i ^S＝W_isinα_i；

T_i ^S为第i个土条沿滑动方向的下滑力，

ψ_i-1为剩余下滑力传递系数，

FS为安全系数；

W_i为第i个土条的的重量；

α_i为第i个土条的底坡角度；

为第i个土条的底部土层的内摩擦角；

c_i为第i个土条的底部土层的粘聚力；

当计算到最后一个土条的剩余下滑力P_n为0时，对应的FS即为该滑动面的安全系数。FS的求解可使用试算法或迭代法求解。

S4.寻找抗滑桩加固后的潜在滑动面：潜在滑动面定义为安全系数小于设计安全系数的滑动面：加固后的最危险滑动面并不是加固前安全系数最小的滑动面，但是这些潜在滑面与加固后的最危险滑动面之间存在联系。我们认为加固后的最危险滑动面包含于加固前小于设计安全系数的众多潜在滑动面之中。步骤S3中已经在一系列潜在滑动面中找到了安全系数最小的滑动面，但这些潜在滑动面不一定包含了所有小于设计安全系数的滑动面，因此重新选择滑动面搜索范围，找出所有潜在滑动面的所在区域，并记录对应的潜在滑动面的位置，设共计有m个不满足设计安全系数的潜在滑动面；

S5.计算所有潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力：将设计的安全系数FS_d代入P_i＝P_i+1×ψ_i-1-T_i ^S+T_i ^R/FS_d，在i＝1,2,…,n时依次计算剩余下滑力P_i，即潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力。

S6.计算所有潜在滑动面不同土条块后部对应的剩余抗滑力：

所述步骤S6中，将设计的安全系数FS_d带入如下公式中：

Q_i＝Q_i+1×ψ_i+1-T_i ^S+T_i ^R/FS_d

在i＝n,n-1,…,1时依次计算剩余抗滑力Q_i；

式中，

当i＝n时，取Q_i+1＝0；

当第i个条块的剩余抗滑力Q_i<0时，停止计算，取条块1，条块2，…,条块i的剩余抗滑力Q₁,Q₂,…,Q_i为0。

S7.确定抗滑桩设桩范围：对某一潜在滑动面而言，可以设桩范围为Q_i>0的区间内，而对所有m个潜在滑动面而言，合理的设桩范围应该为各个潜在滑动面设桩范围区间的交集，若该交集不存在，应考虑设置多排抗滑桩；

S8.计算不同桩位情况下的抗滑桩设计推力值：由步骤S7得到的最终设桩范围区间后，计算该区间内不同位置处m个潜在滑动面的剩余下滑力与剩余抗滑力的差值，取m个差值中的最大值作为该位置处的抗滑桩设计推力。最终得到一条设计推力随桩位变化的曲线。

在本申请的实施例中，以某均质土坡为例，叙述抗滑桩桩位及设计推力确定步骤。该土坡模型如图2所示，模型中的坐标皆以m为单位。通过现场实验或室内实验测得土体的内摩擦角为8°，粘聚力为20kPa，密度为16KN/m³。在此假定该边坡的稳定性安全系数设计值要求为1.1。

(1)按图1所示流程，接下来使用剩余推力法计算出该边坡的稳定安全系数为0.89(土条划分数目统一为100)，滑动面的剪入点为(30.5，40)，剪出点为(80.02，20)，与坡脚转折处重合，圆弧型滑动面的半径为40.28m，圆心坐标为(66.55，57.96)。显然目前状态下的边坡难以满足安全系数1.1的要求，需要采取抗滑桩对其进行加固，使加固后的边坡满足安全要求；

(2)找出安全系数小于设计安全系数1.1的潜在滑动面。经验表明，安全系数小于某一固定值的滑动面处于一连续的弧形带状区域范围内。安全系数小于1.1的潜在滑动面有无数条，在滑动面搜索时只需找出这一带状区域即可。由第(1)步可知，这一区域分布在最危险滑动面剪入口/剪出口两侧，故设剪入口，剪出口搜索范围分别为[25,35]，[60,85]，经验证这一范围包含所有安全系数小于1.1的潜在滑动面所在区域。滑弧圆心角对应的最小值设置为40°，最大值由公式(1)确定。剪入口，剪出口，圆心角区间分别设置30个搜索值，则共计搜索有27000个滑动面。计算这27000个滑动面对应的安全系数，共计有14479个滑动面的安全系数小于设计值1.1；

(3)计算所有潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力。将设计安全系数1.1代入式(2)，从1到100依次计算剩余下滑力P_i；

(4)计算所有潜在滑动面不同土条块后部对应的剩余抗滑力。将设计的安全系数1.1代入式(3)，从100到1依次计算剩余抗滑力Q_i；

(5)确定抗滑桩设桩范围。对14479个潜在滑动面的设桩范围取交集，得到该边坡的合理设桩范围为[46.4,67.5]，该交集区间存在，说明设置单排抗滑桩是可行的。另外发现该区间的右端点67.5大于剪出口搜索区间的左端点60，说明剪出口搜索区间的设置是合理的。如果在计算中发现得到的设桩区间的右端点与剪出口搜索区间左端点相同，应将剪出口搜索范围继续扩大；

(6)计算不同桩位情况下的抗滑桩设计推力值。由第(5)得到的最终设桩范围区间后，计算该区间内不同位置处14479个潜在滑动面的剩余下滑力与剩余抗滑力的差值，取14479个差值中的最大值作为该位置处的抗滑桩设计推力。最终得到的抗滑桩设计推力桩位变化曲线如图3所示。实线为本文方法计算得到的设计推力曲线，虚线为安加固前最危险滑动面计算得到的设计推力曲线，可以发现本方法计算得到的设计推力较大，同时本方法计算得到的设桩范围要更小，说明按加固前最危险滑动面计算的设计推力和设桩范围进行设计并不安全。另外可以看出设计推力随着抗滑桩位置向边坡前端移动而减小，对该边坡而言抗滑桩设置在合理设桩区间的右端可能会更加经济。

综上，本发明有效提高了抗滑桩设计的可靠程度，可避免桩位设置不当导致的滑坡破坏，以及设计推力偏小难以到达设计安全系数的缺陷。同时可根据得到设计推力随桩位变化的曲线，帮助设计人员选择较小的设计推力值，能够带来较好的经济效益。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：包括以下步骤:

S1.获取滑坡区域岩土体物理力学参数，所述物理力学参数包括滑坡区域岩土体的内摩擦角、粘聚力和密度；

S2.构建滑坡几何模型：获取滑坡表面地形，内部地层界面的几何信息，选取一个滑坡典型剖面作为稳定计算的二维模型，即滑坡的几何模型；

S3.计算滑坡稳定安全系数：通过假定一系列滑动面进行搜索，使用剩余推力法计算所有滑动面的安全系数，找出其中最小值及对应的最危险滑动面；在计算得到的安全系数小于设计值时，则需要对边坡进行加固；

S4.寻找抗滑桩加固后的潜在滑动面，潜在滑动面定义为安全系数小于设计安全系数的滑动面：找出所有小于设计安全系数的潜在滑动面的所在区域，并记录对应的潜在滑动面的位置，设共计有m个不满足设计安全系数的潜在滑动面；

S5.计算所有潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力；

S6.计算所有潜在滑动面不同土条块后部对应的剩余抗滑力；

S7.确定抗滑桩设桩范围；

S8.计算不同桩位情况下的抗滑桩设计推力值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.设所述的滑动面为圆弧型滑动面或复合型滑动面：

对于土质边坡滑动面假定为圆弧形，滑动面由3个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角；

对与表层土下部基岩的混合型边坡，滑动面假定为复合型，复合型由剪入段圆弧，剪出段圆弧和中间段折线土岩分层面三段组成，滑动面由5个量确定：A剪入口位置，B剪出口位置，C剪入口剪出口两点弦对应的圆心角，D圆弧形剪入段与土岩分层面的相交位置，E圆弧形剪出段与土岩分层面的相交位置；

S302.对滑动面进行搜索：

假定剪入口范围区间为[a，b]，a为剪入点位置的横坐标最小值，b为剪入点位置的横坐标最大值，单位m；剪出口范围区间[c，d]，c为剪出点位置的横坐标最小值，d为剪出点位置的横坐标最大值，单位m；圆弧圆心角区间范围[e，f]，e为滑弧圆心角对应的最小值，f为滑弧圆心角对应的最大值，单位度，最小圆心角e>0°，最大圆心角f计算方式如下：

分别设置搜索的剪入点、剪出点、圆心角数量为i，j，k，则将[a，b]，[c，d]，[e，f]平均划分为(i-1)，(j-1)，(k-1)个区间，则一共搜索l＝i×j×k个滑动面；

S303.某一特定滑动面安全系数计算，首先将滑动面以上的滑体沿垂直方向分割为n个土条，再按剩余推力法计算安全系数，计算公式如下：

P_i＝P_i+1×ψ_i-1-T_i ^S+T_i ^RFS

其中：P_i为第i个土条向下传递给第n+1个土条的推力，当i＝0时，P_i为0，若计算的P_i值小于0，则取P_i＝0；

T_i ^s为第i个土条沿滑动方向的下滑力，T_i ^s＝W_isinα_i；

T_i ^s为第i个土条沿滑动方向的下滑力，

ψ_i-1为剩余下滑力传递系数，

FS为安全系数；W_i为第i个土条的的重量；α_i为第i个土条的底坡角度；

为第i个土条的底部土层的内摩擦角；c_i为第i个土条的底部土层的粘聚力；

当计算到最后一个土条的剩余下滑力P_n为0时，对应的FS即为该滑动面的安全系数；

S304.同理，按照步骤S303分别计算出所有滑动面的安全系数，找出其中最小值及对应的最危险滑动面；若计算得到的安全系数FS小于设计值FS_d，则需要对边坡进行加固。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：所述步骤S5中，将设计安全系数FS_d代入

在i＝1，2，...，n时依次计算剩余下滑力P_i，即潜在滑动面不同土条块前部对应的剩余下滑力。

4.根据权利要求1所述的一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：所述步骤S6中，将设计的安全系数FS_d带入如下公式中：

Q_i＝Q_i+1×ψ_i+1-T_i ^S+T_i ^R/FS_d

在i＝n，n-1，...，1时依次计算剩余抗滑力Q_i；

式中，

当i＝n时，取Q_i+1＝0；

当第i个条块的剩余抗滑力Q_i＜0时，停止计算，取条块1，条块2，...，条块i的剩余抗滑力Q₁，Q₂，...，Q_i为0。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：所述步骤S7包括：

对某一潜在滑动面而言，设桩范围为Q_i＞0的区间内，对所有m个潜在滑动面，设桩范围为各个潜在滑动面设桩范围区间的交集，若该交集不存在，应考虑设置多排抗滑桩。

6.根据权利要求1所述的一种考虑多滑动面的单排抗滑桩桩位及设计推力确定方法，其特征在于：所述步骤S8包括：

在步骤S7中确定抗滑桩设桩范围后，计算该区间内不同位置处m个潜在滑动面的剩余下滑力与剩余抗滑力的差值，取m个差值中的最大值作为该位置处的抗滑桩设计推力。

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