CN108717503A - 一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，包括以下步骤：S1、滑坡有限元模型建立：滑坡有限元模型包括滑床，及顺序设于滑床上的滑带和滑体，滑坡有限元模型采用抗滑桩加固，抗滑桩的两端分别埋设在滑体和滑床内；S2、平面应变模型建立：采用岩土专业有限元分析软件PLAXIS 2D建立平面应变模型，滑体、滑带和滑床均采用三角形平面应变实体单元模拟，抗滑桩采用PLAXIS分析软件中的板单元模拟，桩与土之间设置接触单元，对滑坡有限元模型进行网格划分；S3、滑坡推力计算。本方法采用有限元强度折减法的分析发现，在设计工况下，当给定某一设计安全系数时，埋入式抗滑桩承担的滑坡推力设计值等于全长桩承担的滑坡推力设计值。

Description

一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法

技术领域

本发明涉及滑坡加固工程埋入式抗滑桩设计技术领域，具体涉及一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法。

背景技术

埋入式抗滑桩是指桩顶标高低于滑坡体表面一定深度的普通抗滑桩。由于埋入式抗滑桩的滑面以上桩的长度显著减短，相应弯矩值也随之变小，故桩的截面和桩长也相应减小，这大大的减少了砼等原料消耗量，也使得埋入式抗滑桩变得经济。但在埋入式抗滑桩设计中，如何确定埋入式抗滑桩承担的滑坡推力尚没有好的办法。目前郑颖人、雷文杰等人通过大型室内模型破坏性试验发现，埋入式抗滑桩承担的滑坡推力随桩长增大而增大，认为埋入式抗滑桩桩顶土体会承担一部分滑坡推力，由此认为埋入式抗滑桩承担的滑坡推力比全长桩小。但是，本发明的发明人经过研究分析表明，前述发现及结论并不准确。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，该方法采用强度折减数值技术对于设计工况下，在给定的某一设计安全系数条件下，对埋入式抗滑桩承担的滑坡推力进行计算。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，包括以下步骤：

S1、滑坡有限元模型建立：所述滑坡有限元模型包括滑床，设于滑床上的滑带，以及设于滑带上的滑体，所述滑带的厚度为1米，所述滑坡有限元模型采用埋入式抗滑桩加固，加固后的滑坡稳定安全系数不小于给定的设计安全系数，所述抗滑桩的两端分别埋设在滑体和滑床内；

S2、平面应变模型建立：采用岩土专业有限元分析软件PLAXIS 2D建立平面应变模型，滑体、滑带和滑床均采用三角形平面应变实体单元模拟，抗滑桩采用PLAXIS分析软件中的板单元模拟，桩与土之间设置接触单元，对滑坡有限元模型进行网格划分；

S3、滑坡推力计算：在滑坡有限元模型建立中，将支护结构单元先画好，然后分步进行施工步的模拟：

S31、进行初始地应力计算；

S32、激活桩单元，进行塑性计算；

S33、将滑体和滑带的抗剪切强度参数同时按设计安全系数进行折减，然后进行塑性计算，计算完毕后提取桩单元滑面位置处的最大剪力，此剪力值就是滑坡在设计工况下埋入式抗滑桩应承担的滑坡推力设计值。

进一步，所述步骤S2中对滑坡有限元模型进行网格划分过程中，在对桩单元进行划分时，对滑面以上部分和滑面以下部分采用两次单独划分。

进一步，所述步骤S2中抗滑桩为矩形桩，截面尺寸为1×1.5米。

进一步，所述步骤S2中桩与土之间的接触单元采用摩尔-库伦模型，且接触面之间的剪应力τ满足下式：

|τ|＜σ_ntanφ_i+c_i

其中，σ_n为接触面上的压应力，φ_i为接触面的内摩擦角，c_i为接触面的粘聚力。

与现有技术相比，本发明提供的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，采用该方法进行的研究发现，对于设计工况下，在给定的某一设计安全系数条件下，不同长度的埋入式抗滑桩承担的滑坡推力值基本一致，由此说明，埋入式抗滑桩加固滑坡时应承担的滑坡推力设计值等于全长桩应承担的滑坡推力设计值。基于此发现提出，在进行埋入式抗滑桩设计时，埋入式抗滑桩承担的滑坡推力设计值既可以采用本发明提供的方法进行计算，也可按全长桩采用的传统极限平衡法进行校验。

附图说明

图1是本发明提供的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法流程示意图。

图2是本发明提供的滑坡有限元模型示意图。

图3是本发明提供的桩与土之间接触单元示意图。

图4是本发明提供的对滑坡有限元模型进行有限元网格划分示意图。

图5是本发明提供的滑面以上桩单元的剪力分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，本发明提供一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，包括以下步骤：

S1、滑坡有限元模型建立：请参考图2所示，所述滑坡有限元模型包括滑床(Bedrock)，设于滑床上的滑带(Shear zone)，以及设于滑带上的滑体(Soil)，所述滑带的厚度为1米，所述滑坡有限元模型采用埋入式抗滑桩加固，加固后的滑坡稳定安全系数不小于给定的设计安全系数例如1.35，所述抗滑桩的两端分别埋设在滑体和滑床内；作为一种具体实施方式，所述滑床、滑带、滑体和抗滑桩的材料力学参数见下表1所示：

S2、平面应变模型建立：采用岩土专业有限元分析软件PLAXIS 2D建立平面应变模型，滑体、滑带和滑床均采用三角形平面应变实体单元模拟，抗滑桩采用PLAXIS分析软件中的板单元模拟，桩与土之间设置接触单元，对滑坡有限元模型进行有限元网格划分，具体请参考图3和图4所示。具体对滑坡有限元模型进行网格划分过程中，在对桩单元进行划分时，对滑面以上部分和滑面以下部分采用两次单独划分，由此可以在后处理中可方便地提取板单元在滑面位置处的最大剪力值。

作为具体实施例，所述抗滑桩为矩形桩，截面尺寸为1×1.5米；当然，所述抗滑桩的截面并不局限于矩形，也可以是圆形。在PLAXIS分析软件中，采用板单元模拟抗滑桩，板单元的抗弯刚度和轴向刚度计算结果如下：

EA＝E·h·b＝30*10⁹*1.5*1.0＝45*10⁹

具体板单元参数设置如下：

作为具体实施例，所述步骤S2中桩与土之间的接触单元采用摩尔-库伦模型，且接触面之间的剪应力τ满足下式：

|τ|＜σ_ntanφ_i+c_i

其中，σ_n为接触面上的压应力，φ_i为接触面的内摩擦角，c_i为接触面的粘聚力，该参数与桩周土体的强度参数有关。接触面的φ_i和c_i可从土体的抗剪切强度参数折减一个系数得到，具体地：

c_i＝R_interc_soil

tanφ_i＝R_intertanφ_soil

其中，R_inter为折减系数，c_soil为土体的粘聚力，φ_soil为土体的内摩擦角。一般来说，接触面的剪切强度要比土体的剪切强度低，因此，前述折减系数R_inter应该小于1.0。本方法中假定R_inter＝0.5。

S3、滑坡推力计算：在滑坡有限元模型建立中，将支护结构单元先画好，然后分步进行施工步的模拟：

S31、进行初始地应力计算，其具体包括：在前述处理模型中，选择＂初始条件＂计算模块，计算岩土体在自重应力作用下的初始应力场，利用重力加载产生地应力，下一步计算时重置位移为0；

S32、激活桩单元，进行塑性计算，其具体包括：在计算模型的＂参数定义＂对话框中，点击事先设置好的桩单元，将该单元激活，尔后回到计算界面，在计算类型中选择＂塑性计算＂，点击＂确定＂按钮后开始计算抗滑桩施工后的应力场；

S33、将滑体和滑带的抗剪切强度参数同时按设计安全系数进行折减，然后进行塑性计算，计算完毕后提取桩单元滑面位置处的最大剪力，此剪力值就是滑坡在设计工况下埋入式抗滑桩应承担的滑坡推力设计值；其中，强度折减计算过程中，将滑体和滑带的初始抗剪切强度参数粘聚力c和内摩托角φ，按c'＝c/FS,tanφ'＝tanφ/FS的方式进行折减，将折减后得到的粘聚力c'和内摩擦角φ'输入计算模型，进行塑性计算。具体请参考图5所示，桩单元滑面位置处的最大剪力为777.3kN，该剪力值等于埋入式抗滑桩在设计工况下应承担的滑坡推力。

采用上述步骤S33中的滑坡推力计算方法，分别对不同悬臂长度的抗滑桩进行有限元计算，得到设计安全系数为1.35时抗滑桩承担的滑坡推力如下表2所示：

桩悬臂长(m)	桩承担的滑坡推力(kN)	设计安全系数
			6	777	FS＝1.35
7	767	FS＝1.35
			8	770	FS＝1.35
9	772	FS＝1.35
			9.772	770	FS＝1.35

从上表2可以得出，桩的悬臂长度发生变化时，抗滑桩承担的滑坡推力设计值基本未变化；即是说，当给定设计安全系数时，埋入式抗滑桩承担的滑坡推力等于全长桩承担的滑坡推力。由此，在进行埋入式抗滑桩设计时，可采用传统方法计算桩应承担的滑坡推力，然后再进行桩的结构内力计算配筋设计。

采用同样的计算方法，当设计安全系数为1.15时抗滑桩承担的滑坡推力如下表3所示：

从上表3的计算结果可以得出，如果设计安全系数取1.15时，不同悬臂长度的抗滑桩承担的滑坡推力基本不变，悬臂为6米时的抗滑桩承担的滑坡推力与悬臂为9.772米全长桩承担的滑坡推力基本一致。

与现有技术相比，本发明提供的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，采用该方法进行的研究发现，对于设计工况下，在给定的某一设计安全系数条件下，不同长度的埋入式抗滑桩承担的滑坡推力值基本一致，由此说明，埋入式抗滑桩加固滑坡时应承担的滑坡推力设计值等于全长桩应承担的滑坡推力设计值。基于此发现提出，在进行埋入式抗滑桩设计时，埋入式抗滑桩承担的滑坡推力设计值既可以采用本发明提供的方法进行计算，也可按全长桩采用的传统极限平衡法进行校验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、滑坡有限元模型建立：所述滑坡有限元模型包括滑床，设于滑床上的滑带，以及设于滑带上的滑体，所述滑带的厚度为1米，所述滑坡有限元模型采用埋入式抗滑桩加固，加固后的滑坡稳定安全系数不小于给定的设计安全系数，所述抗滑桩的两端分别埋设在滑体和滑床内；

S2、平面应变模型建立：采用岩土专业有限元分析软件PLAXIS 2D建立平面应变模型，滑体、滑带和滑床均采用三角形平面应变实体单元模拟，抗滑桩采用PLAXIS分析软件中的板单元模拟，桩与土之间设置接触单元，对滑坡有限元模型进行网格划分；

S3、滑坡推力计算：在滑坡有限元模型建立中，将支护结构单元先画好，然后分步进行施工步的模拟：

S31、进行初始地应力计算；

S32、激活桩单元，进行塑性计算；

S33、将滑体和滑带的抗剪切强度参数同时按设计安全系数进行折减，然后进行塑性计算，计算完毕后提取桩单元滑面位置处的最大剪力，此剪力值就是滑坡在设计工况下埋入式抗滑桩应承担的滑坡推力设计值。

2.根据权利要求1所述的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，其特征在于，所述步骤S2中对滑坡有限元模型进行网格划分过程中，在对桩单元进行划分时，对滑面以上部分和滑面以下部分采用两次单独划分。

3.根据权利要求1所述的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，其特征在于，所述步骤S2中抗滑桩为矩形桩，截面尺寸为1×1.5米。

4.根据权利要求1所述的设计工况下埋入式抗滑桩承担的滑坡推力计算方法，其特征在于，所述步骤S2中桩与土之间的接触单元采用摩尔-库伦模型，且接触面之间的剪应力τ满足下式：

|τ|＜σ_ntanφ_i+c_i

其中，σ_n为接触面上的压应力，φ_i为接触面的内摩擦角，c_i为接触面的粘聚力。