基于有限元強度折減法的抗滑樁設(shè)計計算新方法

基于有限元強度折減法的

抗滑樁設(shè)計計算新方法

教授

介紹幾個實用問題：１三種安全系數(shù)定義1)強度儲備安全系數(shù)

邊坡體的垂直條分和受力分析2)超載安全系數(shù)破壞時強度比實際強度低幾倍減少抗滑力3)只增大下滑力不增大抗滑力方法坡角/(°)303540455090Spencer法1.551.411.31.21.120.64強度儲備安全系數(shù)有限元強度折減1.561.421.311.211.120.65強度儲備安全系數(shù)增大重力荷載的超載儲備安全系數(shù)

2.842.061.651.41.210.55表2滑坡推力計算結(jié)果增大下滑力安全系數(shù)為傳遞系數(shù)法顯示解２國內(nèi)外常用穩(wěn)定分析方法的比較與分析

編號計算方法算例邊坡1算例邊坡2FF1非嚴(yán)格解法瑞典法1.28032簡化Bishop法1.49693簡化Janbu法1.31741.33674陸軍工程師團法1.74731.43465羅厄法1.56631.40796不平衡推力法隱式解1.48661.41157嚴(yán)格解法Spencer法1.50331.37048Morgenstern-Price法1.50191.36649嚴(yán)格Janbu法1.4980不收斂10Sarma法（Ⅱ）1.50351.361811Sarma法（Ⅲ）1.50231.3616結(jié)論建議采用Morgenstern-Price法、Sarma法、Spencer法嚴(yán)格Janbu法常不收斂，一般不采用采用簡化Bishop法（用于圓弧滑面）采用不平衡推力法隱式解（用于非圓弧滑面）3.關(guān)于不平衡推力法顯示解顯示解較隱式解多作了一個假設(shè)，令傳遞系數(shù)中安全系數(shù)為1，不需迭代計算方便計算安全系數(shù)誤差較大，有時很大。偏于危險計算滑坡推力偏大，是當(dāng)前滑坡計算中安全系數(shù)低的原因安全系數(shù)1.15相當(dāng)于1.25~1.3結(jié)論：不采用顯示解，2004年后頒布規(guī)范，大部分已修改?；嫘纬墒疽鈭D三種方法的穩(wěn)定系數(shù)曲線滑面傾角越大，隱式解與顯示解誤差增大計算簡圖傾角大于10度作修正修正辦法：作圓弧，增加條分

有限元極限分析法經(jīng)典極限分析法適用工程設(shè)計但適應(yīng)性差有限元法適應(yīng)性廣,但無法算安全系數(shù)有限元極限分析法,既適用于工程設(shè)計,且適應(yīng)性廣特別適用于巖土工程設(shè)計（邊(滑)坡、地基、隧道）

有限元極限分析法的原理兩種安全系數(shù)定義強度儲備安全系數(shù)

邊坡體的垂直條分和受力分析超載安全系數(shù)兩種有限元極限分析法有限元強度折減法不斷降低巖土C、值，直到破壞。有限元增量加載法（超載法）不斷增加荷載，直到破壞。一、有限元極限分析法在抗滑樁

設(shè)計中的應(yīng)用抗滑樁的優(yōu)點:抗滑能力強,施工方便,樁位靈活,費用較低抗滑樁設(shè)計中存在的問題:1、無法計算樁前抗力（假設(shè)為0或剩余抗滑力）2、無法計算推力分布規(guī)律3、不能進行樁長設(shè)計4、不能計算埋入式抗滑樁的推力與抗力5、不能計算多排抗滑樁與抗滑樁間距6、不能對錨拉樁、斜撐樁進行優(yōu)化1、滑坡推力與樁前抗力的計算

重慶市奉節(jié)縣內(nèi)分界梁隧道出口處滑坡Ⅰ-Ⅰ斷面，抗滑樁的截面尺寸為2.4m×3.6m。

表1材料物理力學(xué)參數(shù)材料名稱重度彈性模量泊松比粘聚力內(nèi)摩擦角滑體土22100.352820滑帶土22100.352017滑床26.160.28500039抗滑樁250.2按彈性材料處理采用實體單元模擬或梁單元模擬樁

表2不同方法的滑坡推力與樁前抗力方法滑坡推力樁前抗力設(shè)計推力實體單元法539018303560梁單元法535017003650不平衡推力法（隱式解）5420258028401、三種算法，滑坡推力基本一致；2、實體單元法與梁單元法抗力與實際推力相近，不平衡推力法相差大；3、推薦采用實體單元法。樁前抗力與樁變形有關(guān)，與樁剛度有關(guān)，

剛度對抗力有較大影響。表3抗滑樁不同截面尺寸時的樁前抗力抗滑樁截面尺寸1.8x2.43.6x2.45.4x2.4樁前抗力203017001620表4抗滑樁不同彈性模量時的樁前抗力抗滑樁彈性模量3x1093x10103x1011樁前抗力2110170015502推力與抗力的分布規(guī)律

計算機可顯示滑面以上樁后推力與樁前抗力的水平應(yīng)力分布。

圖5推力分布圖6抗力分布

3抗滑樁合理樁長的確定樁長設(shè)計存在的問題：（1）樁長延伸到地面是否能確保邊坡的穩(wěn)定；（2）樁長延伸到地面是否必要會不會造成浪費。樁長與鍛滑面的僵關(guān)系邊坡示意殖圖算例用有限元鳥強度折減弊法滑坡體兔的安全系加數(shù)1.0責(zé)2，極限平飽衡法算堅得滑坡扶體安全秤系數(shù)1屑.04怠。樁位于公逆路下方，止樁長與災(zāi)滑坡體滑蓄動面位置疫的關(guān)系樁長變浪化與滑購動面的飄位置(肉樁位功于公路林下方)樁長7～11漂m時,滑面通過繳樁頂沿剪退出口滑出鍬。不同樁長脖下滑面位蚊置(樁位于跟公路下方危)樁長1昌3m練時，出本現(xiàn)兩處怕滑動面詢：一處沿遇樁頂滑島出；另糧一處沿勉公路內(nèi)漂側(cè)滑出樁長15汁m時，滑先動面位置災(zāi)與樁長為累13m時刮相同。樁增長壓至坡面泊時，滑適動面的明位置仍魯與13庭m時相局同。樁長變化屠與滑動面懷的位置（芽樁位于公摩路上方）樁長為7護，9m燒時，滑動鋤面通過樁財頂并經(jīng)剪腦出口滑出杯；樁長為1庫1，1賀3，15稱，17邊m時形成芬次級滑動猾面，沿次勞級滑動面捉在公路內(nèi)勻側(cè)滑出；樁長大于者17m菊直至地面趁時，滑動個面沿樁頂沾滑出隨樁長增賞長，滑動驢面逐漸上懼移。2.3嫁樁蜂的長度閑與滑坡勢體安全餅系數(shù)的稀相互關(guān)降系樁長與穩(wěn)悄定安全系鑄數(shù)有關(guān)，告樁長變短液，滑動面蛾不斷下移平，穩(wěn)定安葉全系數(shù)逐傘漸降低。當(dāng)穩(wěn)定屆安全系蘆數(shù)低于態(tài)設(shè)計中喪規(guī)定的鞏安全系圍數(shù)時，逃樁的安筒全儲備討不足，當(dāng)樁長縮渣短，使樁欲的穩(wěn)定安撤全系數(shù)達(dá)牲到設(shè)計規(guī)巨定安全系跨數(shù)，即憲為沉埋樁相的合理樁謙長。樁長、樁佩的位置與暫邊坡安全復(fù)系數(shù)之間故的關(guān)系樁長、樁李的位置與洪邊坡安全百系數(shù)之間及的關(guān)系4埋入盆式抗滑樁蜜滑坡推力攔與抗力計桌算抗滑樁域在同一酒安全系黑數(shù)下，仰樁長縮薯短，樁身抗幣滑段所線受滑坡個推力比客全長樁守低，樁頂滑體聯(lián)自身可承膽擔(dān)一部分宿滑坡推力值。樁長與展內(nèi)力關(guān)訊系樁身剪娛力樁身彎矩埋入樁饑樁體的嘆錨固段千的剪力秤比全長被樁的剪墨力降低芝，錨固童段的最哨大剪力吉為全長蝕樁的51.9冷%，埋入樁的緒彎距比全句長樁降低咐的幅度較眾大。樁的績最大彎距巷只是全長蹈樁的48.8剝%模型尺警寸:者3.5遞×2.憶8×2運.02它米模型樁黑長:粒2.2也米,俘1.指8米,統(tǒng)1.悼5米,慨1.杰2米抗滑樁室內(nèi)模型試驗?zāi)Ｐ陀嫼馑闩c數(shù)疫值計算離比較１、當(dāng)陶試驗加窯載到某李一荷載咐時，計算結(jié)果與耐試驗結(jié)果疊同時發(fā)生男破壞２、試永驗獲得半的破壞壁面與計鋤算獲得的破壞面此相同３、沉眼埋樁頂加上土體束所受推初力，試驗與計算昏基本相同４、沉院埋樁所尼受的推等力，試眉驗與計樸算基本告相同，惹推力分塊布也相斜同５、沉第埋樁所否受的樁勿前抗力綱，試驗耽與計算欺基本相逐同，抗橋力分布貸也相同云陽分界睜梁隧道出餓口段滑坡1、工娘程概況耽兩條數(shù)隧道通宇過滑坡芹地段平面布置尊圖合理樁趟長的確吊定斷Ⅱ地質(zhì)俯剖面圖有限元恰模型隧洞開挖憑考慮隧洞弱頂上6米承，兩側(cè)各叨3米土籠體松動房誠，強度固下降，可見樁長溝為24m慌時滑坡的題穩(wěn)定性已屢經(jīng)達(dá)到了懂設(shè)計安全尿系數(shù)的要呼求。合理樁長迷下滑動面更位置滑動面心位于隧堵道上方樁上推力思計算與推妥力分布這一推訴力已以件考慮了素樁前抗跪力，是穩(wěn)樁后推通力與樁輸前抗力醫(yī)之差。樁長為島24m刺時的推托力分布近似摧為矩形。樁內(nèi)力持的計算4、結(jié)論埋入式偽抗滑樁產(chǎn)與全長只抗滑樁坐的比較比值樁長縮鉤短22漁m千47氧.8%推力減少最725K呀Ｎ／m莖(8姐4%)彎矩減威少12沙340自0KN銹.m延64%樁體積減驚少(估算雁)490足m370%已應(yīng)用于暴云陽、武救隆、奉節(jié)厲、石柱四況個工地，蹦投資額2均.5億本工程毅埋入式竭抗滑樁俘與全長抗滑筒樁的比較比值樁長縮短藍(lán)22m尺47.墊8%推力減少揭725K?。危痬奇16謀%彎矩減揮少12塌340覽0KN晌.m直3音6%樁體積鉗減少(美估算)萄450目m365%驗證支擋鏟結(jié)構(gòu)上所蘆受的推力擋;用有限結(jié)元法確梯定樁的緒推力分疑布；計算樁妨的彎矩盤、剪力刑等內(nèi)力都。對樁錨結(jié)類構(gòu)內(nèi)力進衰行優(yōu)化。5抗滑坦樁內(nèi)力計軌算及優(yōu)化桑設(shè)計崇遵高速低公路高工機天滑坡穩(wěn)爆定性分析采用抗滑需樁加預(yù)應(yīng)蠟力錨索支維擋措施,兩排錨沸索,每何排3根償，錨索桃錨固力徑800宜kN拔。巖土體采僑用8節(jié)點驕平面單元疾，抗滑樁乳用梁單醬元BE鈴AM3盤單元模勻擬。計算采用奮的力學(xué)參扎數(shù)材料名稱重度彈性模量泊松比內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角kN/m3MPa

kPa°滑體21300.325.524.5滑床241050.2520030樁(C25砼)2429×1030.2考慮為彈性材料預(yù)應(yīng)力歪錨索通烏過施加銷集中力展的方法競來模擬巷，兩個翅節(jié)點上臥施加一懇對相向鄉(xiāng)豐的集中盡力（設(shè)爐計錨固狐力）.開挖前的肉計算結(jié)果:安全系數(shù)腹1.08硬，滑動面架如下.開挖后不午支擋時安喬全系數(shù)為粘0.63怎，滑動面如逃下圖.接觸單元模型連續(xù)介質(zhì)模型極限平衡法樁土粗造接觸不平衡推力法Spencer法（kN）(kN）（kN）（kN）6770644069446400滑坡推露力大小在滑坡柴的坡腳喚上方（巧坡高三現(xiàn)分之一支處）施仇加一個渴水平力秒，然后興計算滑胡坡的穩(wěn)吳定性，桑如果此搬時的安橋全系數(shù)斤剛好為勝1.0巧，說明甚此時施點加的水勒平力剛姥好等于榮滑坡水料平推力校。用邊坡品穩(wěn)定分熟析條分法計捐算滑坡推篩力抗滑樁茅水平推皂力分布拴(有限慘元)常規(guī)假耗定:三呢角形、肅矩形、斜梯形抗滑樁龜彎矩和開剪力沒有施加儀錨固力時纖抗滑樁的傍最大彎矩脹為481濤00kN騎.m，最襲大剪力6辣560k塞N只設(shè)置翠抗滑樁寇時樁的藥彎矩分柏布只設(shè)置抗暴滑樁時樁寨的剪力分蝴布設(shè)置預(yù)應(yīng)本力錨索后床的樁的最掠大彎矩：伴1190掩0kN先.m，最遠(yuǎn)大剪力2撒650泥kN。只設(shè)置胖抗滑樁得時樁的余彎矩分養(yǎng)布設(shè)置預(yù)慈應(yīng)力錨頓索后樁挨的剪力國分布不同方法亭計算結(jié)果賠比較傳統(tǒng)方旬法中采倉用不同泉的滑坡咐推力分何布，計擁算結(jié)果止有很大違的差別窄.錨固力優(yōu)璃化不同錨固述力時樁的醒內(nèi)力：錨固力(kN)樁的彎矩(kN.m)有限元法傳統(tǒng)方法①②160019700785322683280011900534611310390045501451655834950265017249296751000341019982350061100730025447811071200117003091313575不同錨固嫁力時樁的前彎矩分布支擋后的盜滑動面及受其安全系進數(shù)強度折減瘋系數(shù)為1.3穗9＞1.2,不會越頂論。用于元磨崗高速、渝豪黔高速、取福寧高速三條高速閱，六個工熟點攀枝花機晝場13#滑坡成因重慶市究地質(zhì)災(zāi)上害防治庸工程技過術(shù)研究夫中心中國人民盲解放軍后晨勤工程學(xué)懶院教授鄭穎人圖3-屠11慮2#滑曾坡全貌湊圖200賤8年十燃月三日秤，攀枝省花機場眨東側(cè)北缸端入口投約80名0米位腥置，滑耍坡后緣幻玉陡坎距測跑道軸唉線75棕米（滑饞前10調(diào)0米）滑體前綁后緣長屋達(dá)60獲0米，頌?zāi)媳睂掃`約40這0米，賄厚度4罪0米，濁總方量厭500恰萬立方滑面為擠粉質(zhì)粘越土和風(fēng)分化、軟象化泥巖圖3-2滑坡分區(qū)慮圖Ⅳ區(qū)滑坡錦南側(cè)排水乎溝被滑體辛掩覆填筑體高忘邊坡變形姑帶張拉裂徑縫圖3-6滑前邊坡柱地質(zhì)剖面圖一根抗嫁滑樁、島三根抗聾滑鍵承恢受50麗00K族N/m截面3x秘2.5m1震是滑坡奧的基本方原因是堤由于滑鍋面處于違泥巖上部：一是泥巖證上原有滑侍帶土（粉第質(zhì)粘土）界未全部清刮除；二是填土型下長期泡輛水、碳質(zhì)毛泥巖軟化曉，強度逐憶漸喪失；三是使飯樁與抗漫滑鍵埋棚入段（訊碳質(zhì)泥口巖軟化湯）逐漸辮失效，方使樁與濟抗滑鍵圖完全傾禁倒或折分?jǐn)?。樁揮前兩根怪抗滑鍵泊，滑坡泛后未探婆到樁體禿，表明喜抗滑鍵容傾倒后欲一起滑舊走。第三根抗姐滑樁，滑萬坡后探到階樁體，表連明樁折斷男。滑坡成因者分析2沫坡體填冊土下部瞧有滯水舌，泥巖督