抗滑桩与滑坡相互作用及抗滑桩有限元设计——以美姑河拉马滑坡为例

摘要

传统的滑坡工程治理设计方法存在诸多问题，许多环节上需要作出假定，比如假定滑体为刚体，对土体进行条分，各个条分之间作用关系又因为假定不同分析方法也不同。岩土体属于复杂的非线性问题，这样的假定显然是不合理的，滑坡推力、抗力分布形式也需要假定，如分布形式视为三角形、矩形等，并且不能够考虑岩土体应力与孔隙水之间耦合作用，不能考虑抗滑桩与滑坡相互作用，这样得到的支挡结构内力一方面偏于保守，造成工程资源上的浪费，另一方面不安全，威胁百姓生命财产安全，因此，本文为解决这一系列问题，主要采用了有限元分析方法开展了研究，能够对滑坡工程治理设计提供参考与思考，本文以美姑县拉马滑坡为研究背景，该滑坡属于特大型老滑坡前部局部复活的滑坡，为复杂的大型深层滑坡，主要研究内容:
　　(1)本文通过勘察设计、现场实测等资料，首先根据滑坡地质环境条件、滑坡区域现场变形特征，分析了滑坡破坏机理，提出了研究区域的滑坡地质模型;
　　(2)然后基于非饱和渗流理论、土水特征曲线理论，将SEEP/w与SIGMA软件耦合分析，对滑坡进行了暴雨条件下的入渗分析，将前面耦合分析得到的结果与SLOPE结合，运用有限元极限平衡法原理，反演得到了滑带参数，与饱和残余快剪试验值对比结果接近，同时分析了滑坡在暴雨入渗的工况下孔隙水压分布特征，分析了不同暴雨持时的滑坡稳定系数变化情况。通过反演法、饱和试验手段确定滑带参数，采用了传递系数法、Bishop法、Morgenstern法、Janbu法对滑坡潜在滑面1、潜在滑面2和滑面3进行了综合评价，在暴雨工况下，滑面3是最不稳定，目前处于临界失稳状态，有继续向上发展，形成潜在滑面2，最后形成贯通性潜在滑面1的趋势。
　　(3)接着论述了传统推力、抗力计算方法以及存在的问题，对最不利的滑面，运用传递系数法，计算出了该滑坡的推力与抗力，继而作者运用理正软件对该滑坡主要的支挡结构抗滑桩工程进行了设计，得到了其剪力图和弯矩图;
　　(4)在此基础上，采用ABAQUS软件进行了三维有限元数值模拟分析，对桩与岩土的相互作用展开研究，分析了滑坡初始状态、开挖状态、抗滑桩加固状态三种工况下滑坡的应力、位移场分布特征，三种工况皆考虑了孔隙水压力与应力之间耦合作用，能很好的考虑桩土相互作用，同时研究了土拱效应规律，证明了桩布置合理性。将现场监测点对应于数值模拟中的滑体深部位移与实测该点的滑体深部位移对比分析，分布曲线接近，将桩顶位移的设计、数值模拟与实测值对比分析，结果接近。
　　(5)在抗滑桩与滑坡体相互作用研究基础之上，运用有限元强度折减法原理，对抗滑桩进行设计，通过ABAQUS后处理，将接触面得到的应力积分，得到了在该工程指定安全系数下的滑坡推力、抗力及其分布形式，以及桩身弯矩、剪力大小及分布特征。将结果与传统不平衡推力法得到的结果对比分析，证明了有限元强度折减法合理性，通过滑坡推力实测数据与数值模拟得到的分布曲线基本一致，结果表明了实际中滑坡推力是呈抛物线分布而不是像传统方法那样假定的三角形分布，通过现场运用钢筋应力计实测得到的弯矩分布曲线与数值模拟对比，结果基本一致，有限元法很好的能用在支挡结构设计上。本次计算破坏准则遵循摩尔库伦准则，失稳判据为滑坡体顶部位移突变，运用有限元强度折减法对治理后的滑坡进行了评价，结果表明滑坡治理达到了理想效果。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 抗滑桩与滑坡相互作用研究现状

1．2．2 抗滑桩的设计研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 滑坡区地质环境条件及滑坡地质模型

2．1 自然地理及地质环境条件

2．1．1 自然地理

2．1．2 地质环境条件

2．2 滑坡基本特征

2．2．1 滑坡的形态特征

2．2．2 滑坡变形特征

2．2．3 滑坡边界及分区特征

2．2．4 滑坡物质组成及结构特征

2．2．5 岩土物理力学性质

2．3 老滑坡前部复活成因

2．4 滑坡地质模型

第3章 滑坡稳定性反分析及稳定性评价

3．1 滑坡稳定性计算方法概述

3．1．1 极限平衡法

3．1．2 有限元极限平衡法

3．1．3 有限元强度折减法

3．2 降雨渗流下的滑坡稳定性分析

3．2．1 强降雨入渗稳定性分析原理

3．2．2 渗流作用下的极限平衡法分析及反演滑带参数

3．3 滑坡稳定性计算与综合评价

3．3．1 计算模型及计算方法

3．3．2 计算工况及荷载组合

3．3．3 计算参数选取

3．3．4 稳定性计算结果及结果分析

3．4 本章小结

第4章 抗滑桩内力常规计算

4．1 滑坡推力、抗力计算及分布形式

4．1．1 滑坡推力、抗力计算方法

4．1．2 推力、抗力分布形式

4．1．3 计算结果

4．2 抗滑桩内力计算方法

4．2．1 弹性桩内力计算方法

4．2．2 刚性桩内力计算方法

4．3 抗滑桩设计计算结果

4．4 本章小结

第5章 抗滑桩与滑坡相互作用三维有限元数值分析

5．1 概述

5．2 抗滑桩与岩土体相互作用数值模拟

5．2．1 ABAQUS简介

5．2．2 有限元模型建立

5．2．3 计算方案

5．2．4 桩土材料本构模型及屈服准则

5．2．5 桩土接触面接触的定义

5．3 滑坡治天然状态应力场和位移场、塑性区特征

5．3．1 初始孔隙水压力、应力场、位移场及塑性区特征

5．3．2 营地施工开挖后的应力场和位移场特征

5．4 治理后滑坡与抗滑桩相互作用分析

5．4．1 抗滑桩与滑坡体的应力场及位移场特征

5．4．2 土拱效应分析

5．5 抗滑桩桩顶位移、滑体深部位移数值模拟与实测分析

5．5．1 桩顶位移实测分析

5．5．2 滑体深部位移实测分析

5．6 抗滑桩桩身内力、推力及抗力分布与实测结果对比分析

5．6．1 抗滑桩桩身推力及抗力分布与实测结果对比分析

5．6．2 抗滑桩桩身内力与实测结果对比分析

5．7 抗滑桩常规设计与有限元设计对比分析

5．8 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果