CN115310179A - 一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法。其步骤为：首先，基于预应力钢绞线抗滑桩的抗弯刚度三折线模型及其材料参数对抗滑桩进行四点弯计算，获得抗滑桩在不同阶段的参数表；其次，基于四点弯计算获得钢绞线应变与桩身弯矩的对应表；然后，根据抗滑桩弯矩和剪力之间的关系得到抗滑桩桩身剪力分布；最后，根据抗滑桩剪力和滑坡推力之间的关系，获得抗滑桩在变形过程中受到的滑坡推力的大小及其沿抗滑桩深度的分布。本发明具有严格的理论基础，根据监测得到的钢绞线应变可以实时获得桩身弯矩和滑坡推力，为滑坡预警提供依据。

Description

一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法
技术领域
本发明涉及抗滑桩加固滑坡技术领域，特别是指一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法。
背景技术
滑坡推力的大小和分布形式是影响抗滑桩设计和滑坡预警的关键因素。目前，在抗滑桩的结构设计中，滑坡推力的确定一般采用传递系数法进行计算，而滑坡推力的分布则是根据工程地质情况进行假设，在对滑坡推力的分布形式进行假设时，不同的规范和不同的方法之间会产生一定的误差，进而对抗滑桩的内力计算和结构设计产生影响。与此同时，滑坡推力的大小和分布在地灾监测中是一项十分重要的工作。因此，如何快速准确获取滑坡推力的大小及其真实分布，对抗滑桩工作状态评估和边坡预警具有重要的指导意义。
发明内容
针对上述背景技术中的论述，本发明提出了一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法。运用提出的方法，基于工程中监测得到的钢绞线应变，可以对作用在抗滑桩上的实时滑坡推力进行反算确定，并以实时滑坡推力为基础对滑坡的运动状态进行判断，进而对滑坡预警提供依据。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：基于平截面假定建立预应力钢绞线抗滑桩抗弯刚度三折线模型，所述三折线模型分别对应未开裂阶段、开裂后到钢筋屈服前阶段和钢筋屈服后阶段；
步骤二：基于预应力钢绞线抗滑桩的抗弯刚度三折线模型及其材料参数对抗滑桩进行四点弯计算，获得抗滑桩在不同阶段的临界状态参数表；
步骤三：以不同阶段临界状态为参考确定各阶段计算荷载的增量，基于四点弯计算获得不同荷载作用下，抗滑桩中钢绞线应变与桩身弯矩的对应关系表，并基于钢绞线应变获得抗滑桩桩身弯矩分布；
步骤四：根据抗滑桩弯矩和剪力之间的关系获得抗滑桩桩身剪力分布；
步骤五：抗滑桩剪力和滑坡推力之间的关系获得抗滑桩在变形过程中受到的滑坡推力大小及其沿抗滑桩深度的分布。
进一步地，所述基于平截面假定建立的预应力钢绞线抗滑桩抗弯刚度三折线模型为：
Figure BDA0003767782340000021
其中，(EI)1、(EI)2和(EI)3为抗滑桩未开裂阶段(第一阶段)、开裂后到钢筋屈服前(第二阶段)和钢筋屈服后(第三阶段)的抗弯刚度，αcj、αsj和αpj分别表示第j阶段中混凝土、钢筋和钢绞线的抗弯刚度，是和中和轴位置有关的系数。
进一步地，所述αcj、αsj和αpj的计算公式为：
Figure BDA0003767782340000022
Figure BDA0003767782340000023
Figure BDA0003767782340000031
其中，Ec、Es、Ep分别表示混凝土、钢筋和钢绞线的弹性模量，As、Ap分别表示钢筋和钢绞线的截面面积，b、h分别为抗滑桩横截面的宽度和高度，as、ap为受拉区普通钢筋合力点、预应力钢绞线合力点至受拉区边缘的距离，as′为受压区普通钢筋合力点至受压区边缘的距离，c为中性轴到抗滑桩截面顶部的距离，y0表示混凝土裂缝尖端的纵坐标，γ表示钢绞线轴线与水平线的夹角。
进一步地，所述抗滑桩的弯矩和剪力之间的关系为：
Figure BDA0003767782340000032
其中，Q(zi)为抗滑桩布设第i个应变传感器处的剪力，M(zi)为抗滑桩布设应变传感器处的弯矩，zi为沿钢绞线布设的第i个应变传感器的位置，li为抗滑桩第i分段的长度。
进一步地，所述抗滑桩桩身荷载集度为：
Figure BDA0003767782340000033
其中，q(zi)为抗滑桩桩身荷载集度。
进一步地，桩身荷载分布集度即为作用在抗滑桩桩身上的滑坡推力与桩前土体抗力差值的分布函数，基于滑坡推力的分布集度就可以获得作用在抗滑桩上的滑坡推力的大小和分布。
与现有技术相比。本技术方案能产生的有效效果：
1.采用本技术方案，可以通过抗滑桩中的钢绞线应变获得抗滑桩在服役阶段的实时弯矩Mt，然后基于
Figure BDA0003767782340000034
(M0为抗滑桩的设计弯矩)对抗滑桩抗弯承载能力发挥程度进行判断，进而可以基于此对是否需要对加固措施进行实时修改做出判断。
2.工程中，可以将本技术方案运用到滑坡预警中。运用本技术方案，基于工程中监测的钢绞线应变，可以确定作用在抗滑桩上的实时滑坡推力，并以实时滑坡推力为基础对滑坡的运动状态进行判断，进而为滑坡预警提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为抗弯刚度三折线模型。
图2为模型试验三维示意图。
图3为预应力钢绞线抗滑桩配筋图。
图4为钢绞线上光栅布置图。
图5为土压力盒布置图。
图6为抗滑桩分段示意图。
图7为滑坡推力试验结果与模型计算结果对比。
具体实施方式
下面将结合作者开展的桩–土相互作用物理模型试验对本发明进行验证。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，基于平截面假定建立预应力钢绞线抗滑桩抗弯刚度三折线模型，三折线模型分别对应未开裂阶段、开裂后到钢筋屈服前阶段和钢筋屈服后阶段。该模型考虑了抗滑桩中混凝土、非预应力钢筋和预应力钢绞线之间的协同受力机理，也充分考虑了预应力对试件的影响。三折线模型如下：
Figure BDA0003767782340000051
其中，(EI)1、(EI)2和(EI)3为抗滑桩未开裂阶段(第一阶段)、开裂后到钢筋屈服前(第二阶段)和钢筋屈服后(第三阶段)的抗弯刚度，αcj、αsj和αpj分别表示第j阶段中混凝土、钢筋和钢绞线的抗弯刚度，是和中和轴位置有关的系数。
进一步地，所述αcj、αsj和αpj的计算公式为：
Figure BDA0003767782340000052
Figure BDA0003767782340000053
Figure BDA0003767782340000054
其中，Ec、Es、Ep分别表示混凝土、钢筋和钢绞线的弹性模量，As、Ap分别表示钢筋和钢绞线的截面面积，b、h分别为抗滑桩横截面的宽度和高度，as、ap为受拉区普通钢筋合力点、预应力钢绞线合力点至受拉区边缘的距离，as′为受压区普通钢筋合力点至受压区边缘的距离，c为中性轴到抗滑桩截面顶部的距离，y0表示混凝土裂缝尖端的纵坐标，γ表示钢绞线轴线与水平线的夹角
如图2所示，模型试验中，共放置了4根1300mm长的预应力钢绞线抗滑桩，截面尺寸为150×200mm2，锚固段长度为650mm，桩顶的约束条件为自由，桩底的约束条件为固定端。
模型试验中，预应力钢绞线抗滑桩中混凝土采用C30，预应力钢绞线采用的是极限强度标准值为1860MPa的1×7型的Φs15.2钢绞线，弹性模量为Esteel＝190～210GPa。抗滑桩中钢筋规格为HRB400级钢筋，钢筋直径8mm，受压区钢筋直径为10mm。箍筋采用直径6mm的HPB300级钢筋，双肢箍，间距为150mm。预应力钢绞线抗滑桩的配筋如图3所示。
在抗滑桩中的钢绞线不同高度上粘贴4个测量光栅，布置位置如图4所示。除此之外，还在抗滑桩桩侧不同高度布置了两排土压力盒，用于监测桩侧土压力，土压力盒布置图如图5所示。
在桩–土相互作用试验中，基于光纤监测技术获得了钢绞线应变沿桩身的分布，所以在计算滑坡推力时，如图6所示，先基于光纤光栅传感器的布置将抗滑桩受荷段分段。通过钢绞线不同高度上布置的光纤光栅传感器可以获得钢绞线在抗滑桩变形过程中沿抗滑桩深度的应变分布，进而根据抗滑桩试件变形参数与桩身弯矩对应表获得抗滑桩弯矩沿抗滑桩深度的分布，然后式(1)～式(2)获得作用在抗滑桩上的滑坡推力沿抗滑桩深度的分布集度，再对其进行累加获得滑坡推力的大小和分布。
Figure BDA0003767782340000061
Figure BDA0003767782340000062
其中，Q(zi)为抗滑桩布设第i个应变传感器处的剪力，M(zi)为抗滑桩布设应变传感器处的弯矩，zi为沿钢绞线布设的第i个应变传感器的位置，li为抗滑桩第i分段的长度。q(zi)为抗滑桩桩身荷载集度。
预应力钢绞线抗滑桩试件中混凝土、钢筋和钢绞线的材料参数见表1。
表1物理模型试验中的抗滑桩材料参数表
Figure BDA0003767782340000071
注：这里的混凝土采用的是C30，但实测抗压强度为34.7MPa。试件中施加的预应力为1.44t。
表中，ft为混凝土抗拉强度，fy为钢筋抗拉强度设计值，fpy为钢绞线抗拉强度设计值，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，Fp为试件中施加的预应力。根据本技术方案，可以求出抗滑桩在四点弯试验中三个阶段的临界弯矩以及相应的曲率和中和轴位置等信息，具体见表2。
参考表2中不同阶段的临界状态，确定各个阶段计算荷载增量，获得抗滑桩变形参数在不同荷载下对应的弯矩，如表3所示。在桩–土相互作用试验中，基于光纤监测技术获得了钢绞线应变沿抗滑桩深度的分布，所以对照表3中的钢绞线应变就可以获得对应此钢绞线应变状态下的桩身弯矩，对于表中没有列出的数据采用线性插值的方法确定。
表2物理模型试验中的抗滑桩试样临界状态参数表
Figure BDA0003767782340000072
表3抗滑桩试件钢绞线应变与桩身弯矩对应表
Figure BDA0003767782340000081
以抗滑桩在荷载为140kN、160kN和180kN时的状态为例进行验算。根据桩-土相互作用中的试验结果可以获得抗滑桩中的钢绞线不同荷载作用下的钢绞线应变，如表4所示，然后根据表3中抗滑桩变形参数和桩身弯矩的对应关系线性插值获得对应高度处的桩身弯矩，也如表4所示。
表4抗滑桩钢绞线应变和弯矩分布表
Figure BDA0003767782340000082
Figure BDA0003767782340000091
根据抗滑桩的弯矩和式(1)可以获得抗滑桩的剪力沿抗滑桩深度的分布，然后根据式(2)计算滑坡推力，并绘制滑坡推力在不同荷载下沿抗滑桩深度的分布如图7所示，最后将物理模型试验中桩后土压力盒测得的各高度处滑坡推力也绘制于图7中。
通过对比基于滑坡推力计算方法计算的滑坡推力(模型)和试验得到的滑坡推力(试验)分布可知，计算方法计算的滑坡推力分布和试验实测推力分布较为一致，可以用来计算滑坡推力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基于平截面假定建立预应力钢绞线抗滑桩抗弯刚度三折线模型，所述三折线模型分别对应未开裂阶段、开裂后到钢筋屈服前阶段和钢筋屈服后阶段；
步骤二：基于预应力钢绞线抗滑桩的抗弯刚度三折线模型及其材料参数对抗滑桩进行四点弯计算，获得抗滑桩在不同阶段的临界状态参数表；
步骤三：以不同阶段临界状态为参考确定各阶段计算荷载的增量，基于四点弯计算获得不同荷载作用下，抗滑桩中钢绞线应变与桩身弯矩的对应关系表，并基于钢绞线应变获得抗滑桩桩身弯矩分布；
步骤四：根据抗滑桩弯矩和剪力之间的关系获得抗滑桩桩身剪力分布；
步骤五：根据抗滑桩剪力和滑坡推力之间的关系获得抗滑桩在变形过程中受到的滑坡推力大小及其沿抗滑桩深度的分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，所述基于平截面假定建立的预应力钢绞线抗滑桩抗弯刚度三折线模型为：
Figure FDA0003767782330000011
其中，(EI)1、(EI)2和(EI)3分别为未开裂阶段即第一阶段、开裂后到钢筋屈服前即第二阶段和钢筋屈服后即第三阶段的抗弯刚度，αcj、αsj和αpj分别表示第j阶段中混凝土、钢筋和钢绞线的抗弯刚度，是和中和轴位置有关的系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，αcj、αsj和αpj的计算公式为：
Figure FDA0003767782330000021
Figure FDA0003767782330000022
Figure FDA0003767782330000023
其中，Ec、Es、Ep分别表示混凝土、钢筋和钢绞线的弹性模量，As、Ap分别表示钢筋和钢绞线的截面面积，b、h分别为抗滑桩横截面的宽度和高度，as、ap为受拉区普通钢筋合力点、预应力钢绞线合力点至受拉区边缘的距离，as′为受压区普通钢筋合力点至受压区边缘的距离，c为中性轴到抗滑桩截面顶部的距离，y0表示混凝土裂缝尖端的纵坐标，γ表示钢绞线轴线与水平线的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，所述抗滑桩的弯矩和剪力之间的关系为：
Figure FDA0003767782330000024
其中，Q(zi)为抗滑桩布设第i个应变传感器处的剪力，M(zi)为抗滑桩布设应变传感器处的弯矩，zi为沿钢绞线布设的第i个应变传感器的位置，li为抗滑桩第i分段的长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，所述抗滑桩桩身荷载集度的表达式为：
Figure FDA0003767782330000025
其中，q(zi)为抗滑桩桩身荷载集度。
6.基于权利要求5所述的一种基于钢绞线应变的滑坡推力确定方法，其特征在于，所述的桩身荷载分布集度即为作用在抗滑桩桩身上的滑坡推力与桩前土体抗力差值的分布函数，基于滑坡推力的分布集度就可以获得作用在抗滑桩上的滑坡推力的大小和分布。
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