微型桩加固既有挡墙边坡的模型试验与机理研究

摘要

我国西南地区地形多以山地、丘陵为主，道路崎岖，房屋道路多依山而建，市区内也凹凸不平，因此修建了大量的各种类型的挡土墙。而这些挡土墙因为年久失修、降雨、地震，或因为当初居民自建挡墙时缺乏设计等缘故，很多已经出现了开裂、渗水、挡墙变形位移过大等现象，急需要进行边坡的加固治理。微型桩作为一种轻型加固结构，具有对周边交通和居民区影响小、支护速度快、加固能力强、机械化程度高、对环境破坏小等特点，能够满足人们对城市、农村既有挡墙边坡进行加固的需求。　　本文通过模型试验研究了微型桩加固既有挡墙边坡的加固机理，对比分析不同配筋形式下微型桩的受力特性，结合理论研究推导得到微型桩弯矩及剪力分布方程，并且根据上述结论进一步分析了微型桩加固既有挡墙边坡在两个实际工程中的应用，主要研究成果如下：　　① 分析模型试验结果，微型桩加固既有挡墙边坡的受力过程可分为四个阶段：土体受力压密阶段、微型桩受力弯曲阶段、既有挡墙滑移倾斜阶段和滑体土体开裂阶段，滑坡推力经过每一排微型桩后都有显著下降，双排微型桩的后排桩承受的滑坡推力较大。　　② 通过分析微型桩桩身截面受力特性，利用赫坦尼法求解微型桩挠曲线四阶线性齐次常微分方程，得到了微型桩在加固既有挡墙边坡时全长弯矩及剪力分布规律，并运用MATLAB编写了用以自动计算微型桩桩身弯矩和剪力的程序。　　③ 微型桩作为一种柔性桩，当微型桩和既有挡墙共同挤压之间土体时会造成土体斜向上隆起，因此在实际工程中，微型桩在滑面以上靠近坡面的位置会出现反弯点，一般而言，受力越大反弯越明显，同时微型桩的最大弯矩值常出现在滑面位置处。　　④ 模型试验和数值模拟结果均表明，在相同配筋率下，工字钢配筋微型桩具有较大抗弯刚度，抗滑性能相对更好。　　⑤ 通过实际工程的数值模拟结果发现，微型桩加固既有挡墙边坡的抗滑机理，可以看做是密集微型桩群联合周围土体形成一种类似嵌入滑床内部的抗滑挡墙的支挡结构，从而能有效控制坡体滑动，进一步提高既有挡墙边坡的稳定性系数。　　本文的研究成果对于利用微型桩加固既有挡墙边坡工程的实际设计应用有着重要的参考价值，也可以为后续深入研究微型桩和既有挡墙边坡提供一些可以借鉴的依据。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1 微型桩的研究现状

1.2.2 挡土墙的研究现状

1.3研究的目的和意义

1.4研究内容和技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 试验方案设计

2.1引言

2.2试件制备

2.2.1 模具管及加筋材料制作

2.2.2 试件浇筑

2.2.3 桩身应变片

2.2.4 模型箱制作

2.3试验设备

2.3.1 数据信号采集设备

2.3.2 压力传感器

2.3.3 土压力盒

2.3.4 位移传感器

2.4试验方案

2.4.1 试验思路和试验目的

2.4.2 试验加载方案

2.4.3 试验步骤

2.5模型桩抗弯刚度EI的测量

2.6土体抗剪强度参数的测定

2.7本章小结

3 模型试验数据处理与分析

3.1引言

3.2应变监测数据的处理

3.3圆形钢筋配筋微型桩加固既有挡墙边坡结果分析

3.3.1 桩顶位移特征及破坏形态

3.3.2 滑体内土压力分布特征

3.3.3 桩身弯矩及剪力分布

3.4工字钢配筋微型桩加固既有挡墙边坡结果分析

3.4.1 桩顶位移特征及破坏形态

3.4.2 滑体内土压力分布特征

3.4.3 桩身弯矩及剪力分布

3.5重力式挡土墙支护下的边坡

3.5.1 挡土墙位移特征及破坏形态

3.5.2 土压力分布

3.6各加固模式对比

3.6.1 挡土墙位移特征比较

3.6.2 土压力对比

3.6.3 桩身弯矩及剪力对比

3.7本章小结

4 微型桩加固既有挡墙边坡的计算理论

4.1引言

4.2微型桩结构体系的分类

4.3微型桩加固既有挡墙边坡的计算模型

4.3.1 微型桩的加固机理

4.3.2 微型桩内力的计算方法

4.3.3 微型桩桩身正面计算宽度

4.3.4 滑面以上桩身弯矩及位移计算

4.3.5 滑面以下桩身内力计算

4.4既有挡墙的抗滑力的确定

4.5滑坡推力的确定

4.6 MATLAB程序实现自动化计算

4.7本章小结

5 微型桩加固既有挡墙边坡实际工程案例

5.1引言

5.2有限元基本理论

5.2.1 有限元在研究微型桩加固领域的应用

5.2.2 ABAQUS软件简介

5.2.3 材料模型

5.2.4 单元网格类型

5.3工程实例一

5.3.1 工程简介

5.3.2 模型建立

5.3.3 模型计算结果分析

5.3.4 桩身弯矩分析

5.3.5 边坡安全系数分析

5.4工程实例二

5.4.1 工程简介

5.4.2 模型建立

5.4.3 模型计算结果分析

5.4.4 桩身弯矩分析

5.4.5 边坡安全系数分析

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C 作者在攻读硕士学位期间撰写的发明专利

D 多项式拟合模型试验桩身弯矩和剪力代码

E 微型桩桩桩身截面弯矩和剪力计算代码

F 学位论文数据集

致谢