基于桩土相互作用的抗滑桩改进模式三维数值模拟研究

摘要

鉴于山体滑坡造成的巨大经济损失和人员伤害，采用抗滑桩来加固边坡为工程界常用的工程对策，同时不断出现新的抗滑桩类型。本文总结了滑坡灾害发生的危险性与危害性及抗滑桩在滑坡灾害治理中的研究进展，提出并研究了目前抗滑桩设计及计算中存在的几个问题。鉴于抗滑桩与土相互作用的复杂性，针对目前抗滑桩工程常用的极限平衡计算方法难以考虑抗滑桩与土相互作用的问题，本文借助ABAQUS有限元软件，通过结合工程实例，对不同型式的抗滑桩对边坡的加固效果进行了相关三维数值模拟，对抗滑桩作用下边坡及桩身的应力应变规律进行了归纳分析，在此基础上探讨了不同桩型的抗滑机理和加固效果，得出了一些创新性的有益的结论，为抗滑桩工程设计提供了理论依据及应力应变参考规律。本文的主要研究内容及创新点如下：
　　1、常规抗滑桩设计计算难以考虑桩土相互作用，因此做了一些简化的假定。本文考虑桩土相互作用，以实际工程中常见的1.5m×2m的抗滑桩（对应的等代截面面积的圆截面桩桩径为1.96m）为例，通过三维数值分析，详细探讨了边坡加固工程中的桩身土压力分布型式、桩周土体位移等值线特点及边坡稳定系数与桩间距的关系、桩顶脱开变形、边坡塑性变形、桩身内力、桩身位移等设计中的关键因素。
　　2、遇到大型、深层、下滑力大的滑坡，常规抗滑桩往往抗弯、抗剪承载力不足。当抗滑桩加固范围内有桥梁等对于工后位移有严格要求的结构物，而常规“抗滑桩一般允许有较大的变形”，即使桩身承载能力达到要求也难以满足工后位移的容许要求。本文针对这两个问题，以实际工程实例为依托，在寻求更大承载能力、更小桩身位移的抗滑桩型式方面做出了尝试和努力。通过三维数值模拟算例，详细探讨了门型桩的适用优点、适用的工程环境、门型桩前后桩距与边坡稳定系数的关系、门型桩前后桩距与桩身应力应变的关系以及联系梁结构刚度对于桩身内力的影响等。
　　3、微型桩有常规大尺寸的抗滑桩不可比拟的某些优势，在工程实践中有较好的发展，但是对于微型抗滑桩的作用机理缺乏系统全面的认识，还没有形成一种较为成熟的、广为认可的设计计算理论。本文通过详细的三维数值算例，探讨了微型桩群的桩径、桩与潜在滑动面的夹角、微型桩群的布置间距、布置方式等设计中的关键因素对于边坡加固的影响。然后通过一个管桩加固运营中的高速公路的塌陷滑移边坡抢险工程实例验证了微型桩在施工场地受限、扰动受限、工期要求紧的特殊工点具有较好的使用效果。
　　4、在结构工程上，预应力技术发展很成熟，而在岩土工程的支挡工程中，预应力技术的使用较少。采用竖向桩身预应力技术，提高抗滑桩抗弯能力同时减少桩身截面尺寸，在边坡抗滑桩设计工程中值得关注。此类研究文献非常少，本文通过详细的三维预应力钢筋混凝土数值模拟算例，按照工程设计惯用的配筋方法配筋，分析了预应力钢筋混凝土抗滑桩与常规钢筋混凝土抗滑桩在桩身、预应力钢筋、主体受拉钢筋、架立钢筋、受压侧钢筋的应力应变规律，以及两者对于边坡稳定贡献方面的差异。

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第1章绪论

1.1问题的提出

1.2抗滑桩研究现状

1.3抗滑桩设计计算中存在的几个问题

1.4本文的工作及主要创新点

第2章有限元模型理论

2.1边坡稳定分析的有限元基本方程

2.2有限元计算软件及接触面模拟

2.3强度折减法

2.4强度折减法在ABAQUS中实现

2.5 本构模型和屈服准则的选取

2.6 流动法则的选取

2.7 边坡失稳的判据

2.8混凝土的本构关系

2.9预应力的模拟

第3章 抗滑桩与边坡土体相互作用分析

3.1抗滑桩与边坡土体相互作用研究现状

3.2三维数值模拟分析

3.3本章小结

第4章 门型桩在边坡加固工程中的应用研究

4.1门型桩的研究进展

4.2本章研究内容

4.3三维数值分析

4.4工程实例

4.5本章小结

第5章 微型桩在边坡加固工程中的应用研究

5.1微型桩研究概述

5.2三维数值模拟分析

5.3工程实例

5.4本章小结

第6章 竖向桩身预应力抗滑桩研究

6.1 竖向桩身预应力抗滑桩数值模拟分析

6.2本章小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

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