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标题 滑坡治理中箱型竖向曲线预应力抗滑桩的机理研究
范文 侯小强+钱普舟+邱琴忠+曹建宇+王学武


摘要：通过建立普通结构、箱型钢筋混凝土和箱型竖向预应力三种抗滑桩进行有限元计算对比分析。首先施加2 000 kN滑坡推力作用，分析其位移、弯矩和剪力等指标变化，得出箱型预应力抗滑桩位移和正弯矩比其它两种抗滑桩相对减小，但适当增加了两端负弯矩，说明箱型竖向预应力抗滑桩在位移和抗弯方面有着明显的抗滑优势；其次，在此基础上根据弯矩剪力变化情况，对预应力布设形式进一步优化，将抗滑桩两端布设成曲线形式，通过五种形式的不断调整，两端采用曲线预应力桩的两端负弯矩和剪力减小，滑面处最大正弯矩和最大正剪力几乎不变，说明抗滑桩两端采用曲线预应力更加科学合理并符合抗滑桩的受力要求；最后，通过对于抗滑桩预应力加载进行模拟，预应力筋加载并不是越大越好，还必须选择适当的力进行加载。通过以上说明同时利用箱型固有结构和体内预应力特性，确保提高抗滑稳定有积极作用，值得诸位专家学者进一步研究推广。
关键词：滑坡治理；箱型；竖向曲线预应力抗滑桩
中图分类号：U416.1文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0089-03
Study on the mechanism of anti slide pile box type landslide vertical curve prestressed
HOU Xiao-qiang1，QIAN Pu-zhou2，QIU Qin-zhong1，CAO Jian-yu3，WANG xue-wu3
（1.Gansu Construction Vocational Technical College，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Province Transportation Planning Survey and Design institute Co.，Ltd，Lanzhou 730030，China；3.Gansu Yuanda Industry Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China）
Abstract：this through the establishment of a new anti slide pile structure model，finite element analysis compared with those of traditional anti slide pile，displacement，internal force through changes in other indicators，the box type prestressed anti slide pile has obvious anti slide advantage，and save material，reduce cost of great significance，on the basis of bending changes further optimization of prestress，the layout，the anti slide pile are laid into a curve，so that the two ends of the pile negative moment becomes small，the anti slide pile with prestressed ends curve more scientific and reasonable and in line with the requirements of stress resistance slide pile，the box type natural structure and internal prestressed characteristics，in reducing the prestress loss do the landslide body，drainage，monitoring and maintain the use of box type structure，and further improve the anti sliding effect，which has a more positive effect of landslide is stable for a long time，is worth your experts to further clinical study.
Key words：landslide；box；prestressed anti slide pile vertical curve
在滑坡治理中采用技术措施很多，如框架锚杆、挡土墙、抗滑桩等，针对剩余下滑力较大情况下提出采用抗滑桩进行支挡防治。然而普通抗滑桩设计截面尺寸大、大体积混凝土、配筋量大，而且桩身嵌入基岩较深，工程造价较高，带来很大施工难度[1-5]，另外，大体积浇筑带来水化热很难释放，直接影响到混凝土强度。后来随着理论研究和工程实践，国内外在抗滑桩研究方面取得了很快发展，特别对于计算理论不断研究，预应力锚索抗滑桩（体外预应力）产生，即在桩顶施加锚索，受力状态变为上端铰支，预应力锚索抗滑桩则改变了普通抗滑桩的受力模式，使悬臂桩被动受力为主动受力状态，这样使下端近剪力、弯矩比普通抗滑桩明显减少，桩身整个受力状态和分布更为合理，而且由于锚固力的施加，使整个桩体具有主动加固滑坡体的作用和功能[6-11]。
实际上，体外预应力抗滑桩在桩顶设置锚索，施加预应力将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中，达到抗滑的目的，桩锚组合结构从预应力的施加到滑坡推力的逐步施加，锚索从一开始工作就经历着弹性拉伸。但随着工作环境的变化，如气候、地下水、锚固段岩土体性质变化，桩、锚受力随之成动态变化，这些变化使岩土同锚索粘结的握裹力降低。当滑面较平缓或滑体厚度较大时，存在预应力锚索自由段长度过长，或遇地震作用时预应力锚索线性传递拉力过程存在应力损失，降低其抗滑效果[12-14]，另外，箱型结构主要针对大体积混凝土浇筑热量释放困难。针对此问题，本次提出箱型竖向预应力抗滑桩，预应力筋在抗滑桩内，成体内预应力形式，克服锚索粘结的握裹力降低情况，并且提高抗滑桩本身抗弯拉等力学性能，进一步确保其抗滑效果。
1箱型竖向预应力抗滑桩的计算原理及方法
1.1基本假设
事先建立一种人为应力状态，在钢筋混凝土中引入内部应力，对于钢筋混凝土受拉区预先通过预应力筋施加压应力，使且其应力数值大小和分布规律恰好能将滑坡推力产生的拉应力抵消到一个合适程度。
1.2力学模型
（1）计算作用与桩上的推力分布图，目前许多滑体碎石土较多的散体，故采用梯形分布较合理[15]。
（2）桩的刚度与土的刚度相比视为无穷大，滑面以下的土层视为弹性介质，一般土层的侧向地基系数随深度成比例增加。
（3）箱型竖向预应力抗滑桩的整体受力基本和悬臂桩一致，只是体内应力变化产生和普通悬臂桩的差别。
（4）采用箱型结构，充分利用高强材料和较大抗弯惯性矩，提高抗弯性能。
（5）预应力筋布置同桩内体内压力变化尽可能一致。
（6）空心面积仅占全面积24%，剪力较大部分适当增加抗剪钢筋的面积。
2受力计算分析
2.1有限元模型
通过采用MIDAS/CIVIL建立有限元模型进行受力分析。共建立20个单元，21个节点，边界条件，滑面以下7个单元建立弹性链接。由于属于桩为箱型预应力结构，截面尺寸为1.8 m×2.2 m，箱内尺寸为0.8 m×1.2 m，壁厚0.5 m，桩长20 m（图1）。本次采用C35混凝土在预应力作用下，收缩和徐变较小，预应力筋采用较为广泛使用的1 860 MPa标准强度的钢绞线，同混凝土为黏结形式，且为后张法施工，抗剪钢筋采用HRB335钢筋；对于抗滑桩基础，采用常规的土层，层视为弹性介质，建立节点弹性支撑。在同抗滑桩的工作过程模拟时，外荷载即滑坡推力，采用2∶5的梯形形式分布荷载。
图1箱型竖向曲线预应力抗滑桩结构
2.2各种状况下力学计算分析
为表明预应力抗滑桩的特性，建立普通抗滑桩、箱型钢筋混凝土抗滑桩和箱型竖向预应力抗滑桩在同样荷载及边界条件下的变形比较，计算其位移和内力变化，如位移、弯矩及剪力的变化来说明预应力结构特点，然后在次基础优化预应力的布设形式，即曲线预应力结构进行力学分析其特点。
2.2.1通过传统抗滑桩、箱型钢筋混凝土抗滑桩及预应力抗滑桩各节点位移及内力变化比较
由图2可知，三种结构抗滑桩在2 000 kN推力作用下位移变化，从桩底锚固段，三种位移几乎相等，0位移位置几乎相同在3.5 m处，说明以该点为轴心旋转。越靠近桩顶附近位移越大，总体变化来看，箱型钢筋混凝土结构位移最大，且同普通抗滑桩位移相差较小，预应力箱型混凝土桩位移最小，同其它两种结构类型桩差别较大，普通抗滑桩比预应力箱型抗滑桩大7.91%，箱型钢筋混凝土比预应力箱型抗滑桩8.93%，说明预应力结构最小。
由图3可知，三种结构抗滑桩在2 000 kN推力作用下弯矩变化，总体来看，箱型钢筋混凝土抗滑桩和普通抗滑桩弯矩变化相同，均以正弯矩出现。预应力抗滑桩存在正负弯矩交替现象，总体变化来看，最大弯矩位置相同，均在7 m，箱型钢筋混凝土结构和普通抗滑桩弯矩最大弯矩为12 85725 kN.m，预应力箱型混凝土桩为9 78727 kN.m，普通抗滑桩、箱型钢筋混凝土比预应力箱型抗滑桩大3844%，说明预应力结构弯矩最小。
图2三种结构抗滑桩在推力作用下位移
图3三种结构抗滑桩在推力作用下弯矩
由图4可知，三种结构抗滑桩在2 000 kN推力作用下剪力变化，最大正的剪力2 000 kN左右，位置在7 m处（即滑面处），最大负剪力在3 150.93 kN，位置在3 m处，总体来看，剪力的变化和大小几乎一致。
以上说明，在同样荷载作用之下，采用箱型预应力抗滑桩位移最小，稳定性比其它要好；弯矩比其它小的多，剪力几乎不变，提高抗弯能力效果更高。
2.2.2预应力根据弯矩变化情况来进行设置成曲线预应力和直线预应力受力进行比较
在混凝土结构中，配筋主要根据内力变化来受拉受压荷
图4三种结构抗滑桩在推力作用下剪力
载力的。预应力两端弯矩趋于0是比较合理，因此必须将两端预应力筋采用曲线形式布置，外荷载1 500 kN滑坡推力，预应力筋受到拉力为1 500 kN作用下，计算其内力变化见图5、图6。其中图例说明，直线表示预应力筋以直线形式布设，桩顶曲线表明在抗滑桩顶附近预应力筋为曲线布设，两端曲线表明预应力筋在抗滑桩两端为曲线布设，调整1表明根据前面几种工况内力分析，采用在桩长12 m处开始设置曲线至桩顶，调整2表明根据前面几种工况内力分析，采用在桩长7 m，弯矩最大处就开始设置曲线至桩顶。共计在五种工况下，分析其内力变化。
图5各种预应力设置弯矩变化
图6各种预应力设置剪力变化
由图5分析可知，在五种预应力筋布设产生的弯矩有相同之处，最大弯矩几乎相等，最大弯矩位置均为7 m处，不同之处在两端，随着预应力筋弯起点位置变化靠近7 m处，其两端负弯矩越小。由图6分析可知，最大剪力位置在7 m处，不同之处在两端，随着预应力筋弯起点位置变化靠近7 m处，其两端剪力逐渐变小，特别是抗滑桩锚固段3 m处，剪力变化幅度较大，减轻抗滑桩的抗剪作用。由此，也说明预应力结构抗滑桩弯矩最大处和普通结构一直，均在滑面处。
预应力筋加载引起内力变化见图7、图8。由图7分析可知，随着加载增加，抗滑桩的正弯矩逐渐减小，但是桩两端负弯矩逐渐增加；由图8分析可知，随着加载增加，抗滑桩锚固段剪力减小，桩顶附近负剪力却增加，效果不是很明显。充分说明，预应力筋加载对于剪力计划无影响，但对弯矩变化有影响，且并不是越大越好，还必须选择适当的力进行加载。
图7预应力加载大小引起弯矩变化
图8预应力加载大小引起剪力变化
2.2.3最大剪力时可提高抗剪钢筋等级和增加抗剪钢筋面积
由于采用箱型抗滑桩结构，虽然是箱型结构，但是中空面积仅占总的面积24%，对于抗滑桩的抗剪能力减小作用不大，另外，该预应力混凝土选用C35混凝土，比常用的C25混凝土强度有所提高，因此，在剪力较大处，在剪力较大处仅适当增加箍筋数量可以满足抗剪要求。
3结论
（1）通过箱型预应力抗滑桩和其它类型抗滑桩有限元模拟比较，该抗滑桩符合力学原理，对于降低弯矩、减小桩体位移，对提高抗滑桩稳定性有及其重要作用。
（2）该抗滑桩采用体内预应力形式，克服预应力抗滑桩（体外预应力）预应力筋在岩土环境变化时同锚索粘结的握裹力降低，或者当滑面较平缓或滑体厚度较大时，存在预应力锚索自由段长度过长，或遇地震作用时预应力锚索线性传递拉力过程存在应力损失，降低其抗滑效果等问题。
（3）该抗滑桩利用箱型独特的中空结构形式，在混凝土浇筑时热量释放有保证，确保混凝土质量，并可以实施抗滑桩内部监测和维护，并可以做到方便滑坡体内有效排水，对进一步提高坡体稳定性有积极作用。参考文献：
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更新时间：2024/12/22 23:52:06