抗滑桩在滑坡治理中的研究现状与进展

抗滑桩作为加固滑坡体的一种有效工程措施,在世界各国的滑坡治理中占有重要的地位。总结了国内外抗滑桩的研究现状,内容包括:国内外抗滑桩的发展历史、设计计算方法研究、基于土拱效应的桩间距研究现状等方面,最后概述了目前研究中存在的主要问题。抗滑桩理论的研究具有非常好的应用前景,但抗滑桩理论还不成熟,有待于广大科研工作者的进一步研究。     

不同截面抗滑桩的土拱效应对比研究∗

土拱效应是桩土作用理论研究的重要依据,但由于对不同截面形式抗滑桩的土拱效应作用机理研究较少,在抗滑桩设计中大多采用传统截面形式,考虑到传统矩形抗滑桩在形成土拱效应方面的不足,提出梯形截面优化抗滑桩截面形式。基于材料力学理论,利用轴向受压杆件的斜截面应力计算模型推导出梯形桩桩侧土拱拱脚受压区应力状态,并结合摩尔—库伦强度准则得出梯形桩桩侧极限承载力,通过算例对比分析梯形与矩形桩桩侧土拱极限承载力,结合数值模拟分析验证理论与计算结果。研究结果表明：梯形截面桩桩侧极限承载力相较于矩形截面有较为明显的提升,最大约为矩形桩的 2.5 倍;相同条件下梯形截面桩桩间土位移与剪应变增量更小,应力集中现象更明显,梯形截面桩对土拱效应的形成与发展更有利。     

土体蠕变与桩锚耦合作用的土拱效应分析

桩锚支护是边坡加固的主要措施之一,从桩间土拱形成机理和土拱轴线形态出发,建立了土拱横截面抗剪切效应下土拱等效简支梁的挠度计算式,诠释了桩间土拱凸向桩后土体的特点。同时考虑了土体粘结力、内摩擦角和锚索拉力水平向分量及其时变特性对桩间土体应力状态的影响,并结合桩间土拱横截面Coulomb剪切准则和土拱横截面静力平衡条件,分别推导了正常土体、抗剪土体、土体蠕变属性和土体蠕变桩锚耦合作用等4种情况的拱轴线方程。比较分析了上述4种情况两相邻桩的最大跨度。结果表明第2种情况两相邻桩的最大跨度值为最大,其次是第4种情况和第3种情况,而第1种情况的跨度值为最小。研究结果验证了理论推导式的有效性,建议抗滑桩加固边坡设计中应以第4种情况进行桩中心距取值。所述结论可为了解桩间土拱蠕变弱化机理、拱轴线时变特征和桩锚工程设计参数取值提供有益参考。     

基于土拱效应确定桩板墙挡土板土压力

基于土拱卸荷原理,借助土拱合理拱轴线假定,建立了桩间土拱的力学计算模型。基于桩间土拱静力平衡、跨中截面前缘土体极限平衡及拱脚受压区截面的强度等条件,提出了考虑滑坡推力作用下,桩间挡土板土压力的计算方法,并在将该方法与已有的方法进行对比分析的基础上,探讨了各参数对挡土板土压力影响的敏感性。分析结果表明,与采用传统土压力理论得到的土压力相比较,按文中方法得到的土压力明显偏小,但略大于按已有的考虑了土拱效应的挡土板土压力计算方法得到的结果;距宽比s/b、内摩擦角φ对作用于挡土板上的土压力有较大影响,黏聚力c的影响次之;挡土板上的土压力随s/b值的增大而递增,随c值、φ值的增大而递减。     

基于抗滑桩内力计算方法——“K”法的滑坡稳定性预警判据研究

近年来,发现部分采用抗滑桩工程治理后的高速公路滑坡支护结构失效现象时有发生,而公路沿线工程治理后滑坡的稳定性监测评估工作仍没有切实可行的技术标准。针对抗滑桩失效现象,基于抗滑桩内力计算方法——"K"法,通过理论方法试算建立了抗滑桩桩顶位移与桩身最大弯矩、桩径、锚固段长度、悬臂端长度和地基系数之间的关系式,并运用已有文献中的设计实例验证了该公式的合理性,误差在合理范围内。该公式为初等函数组合而成,易于运用到预警系统中。针对具体的抗滑桩设计方案,输入相关参数,可得出桩顶最大位移值,并将其作为判据,结合监测资料对滑坡进行预警预报。     

桩板式挡土墙桩间挡土板土压力计算方法研究

作为一种新型边坡支挡结构,桩板式挡土墙已被广泛应用于路堑、路堤以及滑坡等特殊支挡工程之中,但目前对作用于桩间挡土板上土压力的研究仍严重滞后于工程实践。为合理确定桩间挡土板上的土压力,借助桩板式挡土墙桩-板后土体土拱合理拱轴线的假定建立了相应的土拱计算模型,并假定拱后滑坡推力为均布荷载,基于土拱静力平衡条件及桩-板后土拱处于极限平衡状态,进而根据莫尔-库伦强度理论确定土拱竖向应力,藉此推导出考虑滑坡推力作用的桩间挡土板土压力计算公式。并将其与传统方法(卸荷拱法和拟化筒仓法)进行了对比分析,结果表明:本文方法更能反映作用于桩间挡土板上实际土压力的大小,且可考虑来自桩-板后土体传递而来滑坡推力的作用,其中传统方法仅是本文方法的一种特殊形式;桩间挡土板上的土压力随桩-板后土体粘聚力和内摩擦角增大而大致呈线性递减,并随拱后滑坡推力和桩跨比的增大而增大。研究成果可为桩板式挡土墙的合理设计提供参考。     

基于有限差分法的h型抗滑桩结构计算模型

目前关于h型抗滑桩的结构计算尚无成熟的模型和方法。提出基于有限差分法的h型抗滑桩结构计算模型,把h型桩分成滑动面以下和以上两部分分别建立差分方程,以边界条件为基础,推演出适用于h型抗滑桩计算的有限差分方程组,并进行计算分析。同时,进行h型抗滑桩大型结构模型试验,验证对比了有效差分分析方法。结果表明:采用有限差分法得到的h型抗滑桩关键点的位移和应力数据与结构模型试验结果基本吻合,说明采用有限差分求解h型抗滑桩的位移、应力等桩身参数具有较高的准确性和可靠度;h型抗滑桩前、后排桩的桩身应力均呈交变状态,有效降低了桩的最大应力值,克服了传统单排桩桩身应力过于集中的问题;h型抗滑桩前排桩和后排桩在同一高度上的桩身位移基本相等,具有较优的结构协同工作能力。     

基于BIM技术的边坡支护结构微型抗滑桩群设计方法

微型抗滑桩群是滑坡地质灾害应急处置工程的新型支挡结构,为对其进行快速设计计算,以平面刚架假设和桩群效应为初始设计依据,建立简化设计方程。基于BIM通用平台—Revit开展二次开发,以简化方程为依据,在BIM平台上实现微型抗滑桩群的设计计算与真实边坡的快速建模;同时,采用ACIS(.STA)文件作为中转文件的方法,实现了边坡工程BIM设计与有限元数值模拟的有效衔接。最后以广巴高速一路堑边坡治理工程为例,在BIM平台上对具有复杂组构与界面的工程边坡进行建模,完成微型抗滑桩群的构型设计、数值模拟和结构优化设计,检验了边坡加固设计方案的合理性和二次开发成果的有效性。     

滑坡灾害下航油管道抗滑桩的阻滑性能分析∗

针对于土体等大位移问题所带来的模拟求解难题,分析滑坡灾害对横坡敷设的航油管道运行所带来的影响。利用SPH‐FEM耦合算法,采用不同的接触形式,建立管‐土及桩‐土相互作用全尺寸耦合模型,进行非线性分析,获取管‐土力学响应规律,并对抗滑桩阻滑性能加以分析,保证滑坡区管道本体的安全。结果表明,在文中工况下,当滑坡趋于稳定时,在滑土推力作用下,管道所产生的位移、应力最大值均出现在滑体区域内;但由于桩‐土间“土拱效应”,致其桩后滑土更易趋于稳定,同时管道也并未发生沿管轴扭转的现象;随抗滑桩数量的增多,其阻滑性能增强,但对于文中工况,设置2个抗滑桩且混凝土强度为C30的抗滑方案即可保证管道的安全运行。所得结论可为保证航油管道的安全运行提供理论支撑,并为滑坡下管道力学行为和抗滑桩阻滑性能研究提供一种可行的模拟方法。     

基于上限定理的抗滑群桩设计理论研究

针对抗滑群桩设计理论方面存在的问题,即荷载传递及滑坡推力分配的不确定性,基于极限分析的上限定理,给出了一种抗滑群桩的设计方法,即人为增大第一排抗滑桩的桩间距,并按极限土压力公式设计,作用在第二排抗滑桩上的荷载则按照上限定理给出。根据上述思想,并结合滑坡能量安全系数的定义和多块体体系速度场计算方法,提出了抗滑群桩的一种设计理论。     

模拟降雨作用桩锚-加筋土组合结构加固边坡研究

桩锚—加筋土组合支挡结构在治理大型复杂滑坡中发挥越来越重要的角色。以某高填方山区机场滑坡为原型,进行降雨作用对桩锚—加筋土组合支挡结构加固边坡稳定性的模型试验研究。结果表明:①桩顶位移随注水时间产生三个阶段的变化:初期平缓发展阶段、突变增加阶段、再次平缓发展阶段。后排悬臂式桩桩顶位移变化量明显大于前排埋入式桩,因此,多排锚索抗滑桩加固边坡设计时,在后排桩悬臂情况下,宜考虑后排桩比前排桩截面尺寸大、锚索间距小来减小其桩顶位移,增强坡体稳定性;②填方边坡位移随注水时间变化,坡顶一级边坡位移量最大,随边坡级数增加,位移量减小,因此多级边坡加固可适当增加边坡锚索框架;③填方坡体沉降量随注水时间表现出后缘大、前缘小的趋势;④加筋土的变形与边坡坡体的变形一致,表明加筋土能够增强填方边坡的整体性;⑤各监测曲线最终均趋于平缓,表明桩、锚和加筋土组合支挡结构体系性能发挥良好。     

堤防水泥土搅拌桩复合地基稳定分析及应用研究

提出将水泥搅拌桩运用于堤防工程的地基加固,以提高堤防工程的稳定性。分析了水泥搅拌桩的作用机理和水泥土搅拌桩复合地基承载特点,采用面积加权法计算复合土层的抗剪强度,在此基础上进行了复合地基堤防整体稳定计算。结合某河道整治工程实例,探讨了堤防地基水泥搅拌桩的加固效果,评价了不同工况下堤防的稳定性。研究表明,采用水泥搅拌桩加固堤防地基,可以有效提高地基的承载力和堤防的稳定性,且施工快捷,运用效果较好,可为类似工程提供参考。     

扩底桩桩侧土水平抗力的分布特性

桩侧土的水平抗力是计算桩基水平承载力的重要因素。本文对扩底桩基础桩侧水平抗力特性进行研究。制定模型试验方案,进行扩底桩水平加载室内模型试验。整理模型试验加载数据获得扩底桩在水平荷载作用下的桩顶加载位移曲线、桩侧土抗力、桩底土抗力的分布曲线等重要数据,分析各数据获得扩底桩桩侧土水平抗力的分布规律。通过有限元软件模拟不同桩长、扩底尺寸的扩底桩承受水平荷载时的加载情况,通过对数值模拟结果的分析获得扩底桩受水平荷载作用时的受力变形特性,研究不同尺寸参数对扩底桩水平受力特性的影响情况。研究表明,桩长越短越有利于发挥扩大头的嵌固作用。根据对桩底扩大头处土抗力分布曲线的分析研究扩大头的嵌固力作用,进而提出扩大头嵌固力的计算方法。     

考虑径向温度效应的能源桩荷载传递分析方法研究

针对能源桩受温度作用影响时的承载特性难以量化,提出考虑径向温度效应的荷载传递法对能源桩热-力耦合作用下的受力特性进行研究,评估温度变化对能源桩的影响,研究桩身轴力、桩侧摩阻力的分布状态,并以昆山能源桩的现场测试为依托,验证了本文方法的可行性。计算结果表明,温度作用对能源桩桩身应力应变状态有显著影响,当桩体受极限荷载与温度作用时,侧阻力发挥的作用几乎不大,在降温作用下能源桩桩顶会产生残余变形,因此在能源桩设计时应以降温作用时的沉降值为标准进行折减,考虑能源桩的设计承载力。     

CFG桩复合地基加固高速公路软基的现场试验研究

CFG桩复合地基处理高速公路软基的设计参数是否合理,应看其实际发挥的承载能力及承载时变形的性状。通过对CFG桩复合地基桩、土应力和表面沉降的现场观测,研究了路堤荷载下CFG桩复合地基桩顶、桩间土的应力和沉降变化规律,根据实测数据分析了褥垫层厚度、桩间距及桩体强度等设计参数的合理性。结果表明,路堤荷载下,CFG桩、土最终可达到变形协调,桩、土应力比与桩、土沉降差有着密切的关系,疏桩形式时桩间土承担着大部分荷载;同时,CFG桩复合地基作为路堤荷载的地基时,可设计为桩间距较大的疏桩形式,桩体设计强度可以取得低一些,褥垫层厚度也应适当取大。     

相变能量桩段模型传热模拟

针对能量桩体材料普通混凝土储热性能差问题,将相变材料引入普通混凝土中构建相变能量桩。利用简化能量桩段有限元数值模型模拟了普通能量桩与相变能量桩的传热过程,对比分析了两者的传热差异;并通过添加不同质量分数相变材料,研究了添加量对能量桩桩体、桩周土传热的影响。研究结果表明:在换热管吸放热工况下,相变材料的添加可在相变温度区间内明显延缓桩体升降温速度;相变材料的添加量越多,升降温延缓作用越明显;能量桩中添加相变材料只对桩体的传热影响显著,对桩周土的温度场影响较小。     

锅炉脱硫系统烟气换热器堵塞故障分析及处理

抗滑桩在滑坡治理中应用得比较广泛,确保抗滑桩的耐久性至关重要,抗滑桩混凝土中性化程度是影响其耐久性的重要因素。通过酸雨侵蚀与应力耦合作用下的模型试验,探讨了混凝土受酸雨侵蚀后强度和中性化深度的变化情况。分析结果显示:在酸雨侵蚀作用下,抗滑桩混凝土抗压强度先增大,然后逐渐减小;应力作用下,抗滑桩混凝土中性化深度与无应力时有很大区别,弯曲拉应力作用下的混凝土中性化深度大于无应力状态下的中性化深度,弯曲压应力下的中性化深度小于无应力下的中性化深度,应力水平的大小将影响到中性化深度的大小。     

PHC管桩土塞胀管作用定量分析

沉桩过程中,PHC管桩内形成的土塞将对桩内壁产生横向胀管作用。建立了PHC管桩土塞胀管作用的力学模型,并进行了定量分析。考虑沉桩扰动影响,将管内土塞分为楔形区和非楔形区,对土塞的一维平衡方程进行了修正。应用圆柱孔扩张理论解释管桩沉桩过程中的挤土效应,对桩外土体进行了弹塑性分析,得到了塑性区半径以及考虑土体初始应力的桩外土侧压力的解析表达式。根据圆环受均布内外压力的拉梅解答,给出了管桩环向破坏的判别准则。通过现场实测对模型进行了验证,对环向箍筋动态应变的测试结果表明,所建立的模型能够定量描述强胀管作用下PHC管桩的环向破坏机制,可用于工程中PHC管桩环向抗拉承载力的验算。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

不封底PCC能量桩与传统能量桩换热效率对比研究

PCC能量桩是一种基于PCC桩的新型能量桩技术,目前针对PCC能量桩在制冷和供热过程中的换热效率及热传导特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度作用下不封底PCC能量桩、传统能量桩的温度响应测试,实测获得桩身、桩周土热响应变化规律;继而,结合数值模拟方法,对比分析进/出水温度等因素对不封底PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的热响应略大于传统能量桩,而冬季供热模式下差异不大;相同条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的换热效率较传统能量桩高出24%,而冬季供热模式下仅高7%。