淺談樁—土—邊坡相互作用數(shù)值分析及阻滑樁簡化設(shè)計(jì)方法研究

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1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文樁—土—邊坡相互作用數(shù)值分析及阻滑樁簡化設(shè)計(jì)方法研究姓名：年廷凱申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：欒茂田20051201摘要作為一種有效工程措施，阻滑樁在邊坡加固工程、滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治中得到了廣泛應(yīng)用。然而由于問題的復(fù)雜性，關(guān)于阻滑樁加固土坡的工作機(jī)理、樁一土相互作用規(guī)律仍沒有徹底解決，阻滑樁設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法目前還處于半經(jīng)驗(yàn)半理論的不成熟階段，落后于工程實(shí)踐，因此急需開展深入而系統(tǒng)的理論分析與數(shù)值計(jì)算等方面的研究，發(fā)展與完善相應(yīng)的阻滑樁工程實(shí)用設(shè)計(jì)方法。一方面，隨著高速鐵路與公路的大規(guī)模建設(shè)，許多工程可能穿越滑坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的潛在不良地質(zhì)體，此

2、時鐵路與公路兩側(cè)邊坡的安全性及其滑坡治理是工程建設(shè)中的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，阻滑樁技術(shù)得到了較多的應(yīng)用。另一方面，隨著城市土地資源的匱乏，許多高層建(構(gòu))筑物與高聳結(jié)構(gòu)物不得不直接修建在臨近邊坡或在山坡頂面上等復(fù)雜地質(zhì)條件下，此時樁基不僅用于加固邊坡，而且同時作為建筑物的基礎(chǔ)，具有承重和阻滑雙重功能，又兼有抵抗風(fēng)荷載、地震慣性力所引起的水平荷載與力矩的瞬時或循環(huán)作用，受力較為復(fù)雜。在這種水平荷載、豎向荷載與力矩等各種分量的組合作用下，樁一土一邊坡相互作用機(jī)理、荷載傳遞規(guī)律、邊坡失穩(wěn)機(jī)制尚不十分明確，有待于開展更深入的探索。為此，本文圍繞阻滑樁加固土坡研究中所存在的主要問題及組合荷載

3、模式下承重阻滑樁一土一邊坡體系的變形與穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)而深入的研究，論文的主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括如下幾個方面：1．自動搜索安全系數(shù)與失穩(wěn)機(jī)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性有限元分析模型及邊坡失穩(wěn)判據(jù)以大型通用有限元分析軟件ABAQUS作為平臺，通過二次開發(fā)建立了能夠自動搜索安全系數(shù)與相應(yīng)失穩(wěn)機(jī)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性有限元分析模型。通過充分的變動參數(shù)對比計(jì)算與分析，對于目前所采用的有限元數(shù)值計(jì)算迭代不收斂、超過某一幅值的等效塑性應(yīng)變分布帶相互連通、邊坡坡腳至坡頂塑性區(qū)貫通、坡面特征點(diǎn)位移陡增或強(qiáng)度折減系數(shù)與坡頂特征點(diǎn)水平位移之間關(guān)系曲線的斜率達(dá)到某一固定值等4種邊坡失穩(wěn)判據(jù)，探討了其

4、內(nèi)在聯(lián)系及其適用性，指出迭代不收斂判據(jù)較少依賴于研究者的經(jīng)驗(yàn)，易于數(shù)值實(shí)現(xiàn)自動搜索等過程，具有較廣泛的適用性與～般性。進(jìn)而以這種判據(jù)為基礎(chǔ)，分別針對成層黏性土邊坡、多級邊坡、路堤邊坡及超載作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析。在此基礎(chǔ)上，探討了有限單元類型、有限元模型中網(wǎng)格密度、土的破壞準(zhǔn)則、剪脹性與變形參數(shù)等對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。最后論證了ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則與傳統(tǒng)Molar-Coulomb破壞準(zhǔn)則的一致性。2．阻滑樁、承重阻滑樁及組合荷載模式下承重阻滑樁一土坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析在邊坡穩(wěn)定的強(qiáng)度折減彈塑性有限元數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，將迭代不收斂判據(jù)

5、推廣至阻滑樁加固土坡、承重阻滑樁及組合荷載模式下承重阻滑樁一土坡的穩(wěn)定性數(shù)值分析中。結(jié)合典型算例的對比分析驗(yàn)證了這一判據(jù)的有效性，考慮到樁一土接觸問題的復(fù)雜性，在以不收斂作為判據(jù)的同時參考坡面特征點(diǎn)位移突變這一輔助判據(jù)，以確保不收斂判據(jù)所得穩(wěn)定性結(jié)果的合理性。在此基礎(chǔ)上，通過對比計(jì)算與分析系統(tǒng)地考察了設(shè)樁位置、樁徑、樁的嵌入深度、樁頭約束條件與樁的抗彎剛度等對阻滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的影響，并對樁側(cè)接觸力的分布形態(tài)及變化規(guī)律進(jìn)行了探討，以期為阻滑樁加固土坡的簡化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。最后，針對豎向荷載與水平荷載等不同組合情況，探討了荷載組合方式對樁一±一邊坡體系穩(wěn)定性的影響。3．基于強(qiáng)

6、度折減技術(shù)的復(fù)雜土坡穩(wěn)定性分析上限解法目前工程上多采用極限平衡法進(jìn)行土坡的穩(wěn)定性分析，而根據(jù)極限分析的概念，極限平衡法所獲得的解答既不是真實(shí)解的上限也不是真實(shí)解的下限。這里基于極限分析上限定理與土的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)概念，建立了一般士坡穩(wěn)定的極限平衡狀態(tài)方程，以此為基礎(chǔ)確定了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的潛在破壞模式。針對多個算例，通過數(shù)值計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果與極限平衡法、有限元法進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了所發(fā)展的上限解法的可行性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)～步地考慮土的非均質(zhì)和各向異性效應(yīng)，針對坡頂作用有超載、土坡中超孔隙水壓力、地震慣性力等復(fù)雜情況，采用所建議的極限分析上限解法對土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算與分析

7、。4．樁側(cè)有效土壓力的上限解法及阻滑樁樁位的優(yōu)化設(shè)計(jì)基于有限元數(shù)值分析所獲得的樁側(cè)接觸力分布模式，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有研究成果，對阻滑樁樁側(cè)受力狀態(tài)與受力模式進(jìn)行了分析?；谠O(shè)計(jì)安全系數(shù)，利用極限分析上限定理與強(qiáng)度折減技術(shù)，建立了土坡加固中阻滑樁樁側(cè)有效土壓力的上限解法，其中考慮了坡頂超載、土的非均質(zhì)和各向異性、土坡中超孔隙水壓力、地震慣性荷載等因素，由此確定了樁側(cè)極限有效土壓力。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所獲得的樁側(cè)無量綱極限有效土壓力，討論了阻滑樁樁位的優(yōu)化布置，并針對臨界滑動面位置及加固力有關(guān)影響