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某大型堆积体边坡抗滑群桩治理方案分析.docx
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某大型堆积体边坡抗滑群桩治理方案分析.docx
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摘要
由于城市建设需要,乌江东岸高填方改变了堆积体边坡的几何形状和荷载情况,需采用抗滑群桩+
扶壁式挡墙对岸坡进行支护。为保证支护方案的可靠性,根据边坡工程的地质条件及工程措施,建
立了三维有限元分析模型,进行非线性有限元计算,分析了抗滑桩+挡墙施工完成以及土体填筑至
设计高程后边坡整体变形与支护结构变形特征;分析了滑坡体与滑带土的屈服状态;分析了抗滑群
桩受力状态与桩周土体应力状态,得到了单宽滑坡推力分布曲线。结果表明:抗滑群桩+挡墙支护
后,桩后滑坡推力明显降低;群桩变形呈 S 形,整体性较好;桩间存在明显的土拱效应,各排桩推
力分担效果较好;边坡的整体稳定性与工程前处于同一水平。研究成果可为工程的设计、施工提供
参考依据。
Abstract
Due to the need of urban construction,the high fill on the east bank of Wujiang River
has changed the geometry and load of the accumulation slope,and it is necessary to
use anti-slide pile group+buttress retaining wall to support the bank slope.In order
to ensure the reliability of the support scheme,according to the geological conditions
and engineering measures of the slope engineering,a three-dimensional finite
element analysis model was established.Nonlinear finite element calculation was
conducted to analyze the deformation characteristics of the whole slope and the
supporting structure after the construction of the anti-slide pile and retaining wall
was completed and the soil was filled to the design elevation.The yielding states of
the landslide body and the slip soil were analyzed.The stress states of the anti-slide
pile group and the surrounding soil were analyzed,and the single wide thrust
landslide distribution curve was obtained.The results show that after the supports of
anti-slide pile group and retaining wall are constructed,the thrust of the landslide
behind the pile is obviously reduced,the deformation of the group pile presents "S"
shape,and the integrity is good.The soil arch effect is obvious between the piles,the
thrust sharing effect of each row pile is good,and the overall stability of the slope is
at the same level as before.The research results provide reference for engineering
design and construction.
译
关键词
堆积体边坡; 稳定性分析; 抗滑群桩; 挡土墙; 有限元分析
Keywords
deposit slope; stability analysis; anti-slide pile group; retaining wall; finite element
analysis
译
某大型堆积体滑坡体位于重庆市涪陵区长江⁃乌江汇合口东岸,其范围北起盐仓⁃棉麻站仓库,南至
星火材料厂,后缘位于涪丰公路内侧,前缘以乌江为界,平面形态为顺乌江分布的不规则横展型滑
坡,如图 1 所示。滑坡前缘剪出口位于乌江中,高程约 135 m,后缘位于涪丰公路及其内侧一带,
后缘 高 程 215 m ,纵向 长 度 为 170~300 m ,滑体 厚 度 为 5.4~24.1 m ,滑 体 方 量 为 159 万
m
3
,为大型松散堆积层滑坡。2002 年 12 月―2003 年 3 月对该滑坡进行了局部治理,上渡口滑
坡实施抗滑桩 93 根,师专滑坡实施抗滑桩 58 根,至 2011 年未发现明显滑动迹象,总体处于稳
定状态。
图 1 滑坡分布位置
Fig.1 Distribution of landslides
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
根据重庆市涪陵区及三峡库区建设规划,拟沿乌江东岸进行环境整治和开发建设,提出在乌江东岸
修建滨江路和滨江公园的工程方案,该工程建设方案需沿乌江东岸边填土,高差达 32 m(图 2 中
陆域回填部分),改变了该区域边坡的几何形状和荷载情况,又由于三峡库区蓄水、原长委指导线
的限制和修建江东滨江路等原因对工程方案的限制较多,拟在区段采用抗滑群桩+扶壁式挡墙的支
护方案,如图 2、3 所示。抗滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防治中已得到了广泛应用并取得
了较好的工程效果。在目前的工程实践中,单排抗滑桩的应用最为广泛、研究最为深入、设计计算
理论较为成熟
[ 1-3]
。目前针对抗滑群桩的机理分析和理论计算还不成熟,相关文献
[ 4-10]
主要集中
在微 型群桩(直径小 于 400 mm)的研 究上,对于大 截面抗滑 群 桩结构体 系治理滑 坡 效果研究 并
不多。
图 2 抗滑群桩布设典型断面图(单位:m)
Fig.2 Typical section of anti-slide pile group layout(unit:m)
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
图 3 抗滑桩布置图
Fig.3 Layout of anti-slide pile
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
本文根据设计方案、地质条件建立三维有限元模型,对抗滑群桩变形受力特征、传力途径、推力分
担等进行了非线性有限元仿真分析计算,可为类似工程提供借鉴。
1 有限元分析方法
1.1 非线性分析原理
目前被广泛应用的边坡稳定性分析方法主要包括建立在刚体极限平衡理论上的极限平衡法(limit
equilibrium method,LEM)和以有限单元法为代表的数值计算方法(finite element method,
FEM)。LEM 将岩土体视为刚体并引入简化和假定,给分析结果带来一定的误差;FEM 将岩土体
视为变形体,考虑了各种因素引起的变形对边坡稳定性的影响,可模拟复杂的边界条件和施工过程,
求得边坡的应力应变空间分布和时间演变过程,分析边坡破坏的发生和发展过程等。因此,FEM 成
为重要的大型边坡工程广泛采用的方法。
对于弹⁃黏塑性的非线性问题,其基本平衡方程为
K{u}={R}+{R0vp}Ku=R+Rvp0
(1)
式中:K 为整体刚度矩阵;{R}为外荷载;{R0vp}为由黏塑性应变{εvp}引起的等效节点荷载:
{R0vp}=∑e∫vBTD{εvp}dvRvp0=∑e∫vBTDεvpdv
(2)
式中:B 为应变矩阵;D 为弹性矩阵;v 为研究对象的体积;e 表示所有单元。
具体计算步骤如下:
1)设已知第 i 时步的位移{u}i、黏塑性应变{εvp}i、应力{σ}i,可求得黏塑性应变率{ε˙vp}i:
{εvp}i+1={εvp}i+{ε˙vp}iΔtεvpi+1=εvpi+ε˙vpiΔt
2)由式(2)计算黏塑性荷载{R0vp}i+1。
3)由式(1)得到位移{u}i+1。
4)按几何方程计算{ε}i+1,由物理方程得到:
{σ}i+1=D({ε}i+1−{εvp}i+1)σi+1=Dεi+1-εvpi+1
依此 类推, 重复上 述步骤直至应力 和应变 随时间 的变化率小于规定值为 止。若 流变系数 η 取 1.0,
弹⁃黏塑性问题的应力应变过程为虚拟过程,时间步长仅起着迭代运算的作用,其最终的稳定解就
是弹塑性解。因此,也常利用弹⁃黏塑性分析方法来求解弹塑性问题。
1.2 薄弱面模拟
Chen S H 等
[ 11, 12]
提出了加锚节理岩体力学模型,该模型隐含应变叠加、应力分担、应力一致、
应变一致 4 个原则。实践表明,这一模型的退化(不考虑锚杆)也适用于桩土接触面等弱面的模拟。
不考虑锚杆的作用,即退化为如下 2 个原则:
1)应变叠加原则:含弱面岩土体应变增量{Δε}n 等于完整岩土块与弱面应变增量之和:
{Δε}n={Δε}nS+{Δε}nFΔεn=ΔεSn+ΔεFn
(3)
式中:下标 S 表示岩土块,F 表示弱面。
2)应力一致原则:含弱面岩土体应力增量{Δσ}n 与完整岩土块、弱面的应力增量相等,即
{Δσ}n={Δσ}nS={Δσ}nFΔσn=ΔσSn=ΔσFn
(4)
1.3 开挖回填模拟
开挖过程模拟按 4 个步骤进行:
1)求初应力场 σ0。
2)求开挖等效荷载 Fex:
Fex=−[∫ΩexBTσ0dΩ+∫ΩexNTbdΩFex=-[∫ΩexBTσ0dΩ+∫ΩexNTbdΩ
式中:N
、
b 分别为形函数矩阵和体力矢量;Ω、Ωex 为开挖临空面的区域。
3)求开挖荷载产生的位移场 Δu、应力场 Δσ。
4)求开挖后应力场 σ,σ=σ0+Δσ0。
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