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摘要:预应力锚索抗滑桩是一种新型的支挡结构,与普通的悬臂式抗滑桩相比,锚索抗滑桩具有结构受力合理、桩身较短、工程造价低、抗滑能力强等优点。因此,其作为一种重要的支挡结构物在大型边坡治理工程中的应用越来越广泛。但目前对其的理论研究缺远远落后于工程实践。本文主要从边坡稳定性、预应力锚索抗滑桩试验研究、预应力锚索抗滑桩理论研究、预应力锚索抗滑桩优化设计四个方面的研究现状进行综述,以期对现阶段预应力锚索抗滑桩的国内外研究现状进行较为深入的概括。
关键词:预应力锚索;抗滑桩;研究现状
0前言
随着我国基础设施建设的不断发展,在铁路、公路、矿山及水利水电工程等领域,都会遇到人工开挖或不良地质构造的大型高边坡,当地质条件不良或防治加固措施不当时就可能发生滑坡灾害[1]。而在抗滑桩基础上发展起来的预应力锚索抗滑桩作为现在最重要的支挡措施之一,它的基本特点是:在普通的抗滑桩桩身设置一排或多排预应力锚索,由抗滑桩桩身和预应力锚索共同提供抗滑力,以实现支挡边坡的目的。简而言之,预应力锚索抗滑桩是预应力锚索与普通抗滑桩组成的桩-锚抗滑系统,在普通抗滑桩的强度达到一定值时,安装锚索,并通过锚孔将锚索固定在稳定岩层,在增加抗滑力的同时,还有效减小了抗滑桩的截面尺寸、混凝土强度等,从而大大降低了造价,节省了工程成本。
1、边坡稳定性分析研究现状
一般在进行边坡加固设计前均需要对边坡的稳定性进行分析,确定边坡是否存在稳定性不足,进而确定滑坡推力的大小,为最终支护结构的设计提供参考。
国内外边坡的稳定性分析方法主要包括:限平衡法、极限分析法、数值分析法、滑移线法、可靠性分析法、灰色预测系统法、模糊数学法、分形几何法、人工智能法等。但是许多分析方法仍然局限于工程实践和理论研究的不成熟,因此并未广泛应用,目前应用较为广泛的是可靠性分析方法。
邓建辉等[2]通过数值模拟软件,建立了边坡模型,并在给定条件下研究边坡土体的移动方向,给出了边坡安全系数的有限元方法的分析过程。宋雅坤,郑颖人等[3]则结合实际工程,采用不同的计算方法对边坡稳定性进行计算,并分析对比了计算结果,得出用等面积圆准则代替莫尔-库伦准则来满足工程要求的结论。
可以看到,随着边坡稳定性分析方法的逐渐完善以及数值模拟软件在研究领域中的大量应用,人们对于边坡稳定的认识更加深入,这就使得边坡稳定性理论更加成熟、完善。
而上述理论的完善也将对预应力锚索抗滑桩的设计及应用提供更加科学的理论依据。
2、预应力锚索抗滑桩试验研究现状
在预应力锚索抗滑桩试验研究方面,目前已有一些研究成果。谢庆华[4](2006)在实际工程进行的现场试验,监测了抗滑桩桩身的内力,总结了桩身内力的分布规律以及施工过程中需要主要的技术措施,这对于工程实践和更加深入的预应力锚索抗滑桩试验研究具有重要的指导意义。富翔等[5](2014)基于室内模型试验,设计模型模拟了抗滑桩在整个抗滑过程中的应力变化,并分析了试验模拟结果,得出了抗滑桩桩身的应力变化规律,并通过分析试验监测结果,对桩土相互作用的破坏形式进行了分析和比较全面的总结。
目前对于预应力锚索抗滑桩的试验还相对较少,究其原因,还是试验条件的各种限制太多,导致了试验模型设计的难度增大,而且也不能保证试验结果的准确性。虽然在一些现场试验的监测中,许多学者从中得出许多诸如受力特性或者应力分布规律的变化等研究成果,但是这些成果的规律性仍然需要更多的试验研究来验证。
3、预应力锚索抗滑桩理论分析研究现状
预应力锚索抗滑桩在实际设计时需要大量的力学计算,而且计算方法以及理论的正确性直接影响到工程质量和作用效果,计算理论和计算模型亟需更多的研究,因此,预应力锚索抗滑桩理论的研究是当前的重点研究领域。
目前工程设计中通常按照温格勒弹性地基梁模型来计算预应力锚索抗滑桩。计算思路是先做出一个最初的计算模型和计算方法,然后不断修正计算模型和计算方法,从而逐渐找到一种能接近真实反映受力特点的计算模型。刘小丽等[6]利用这个方法完善了传统计算方法,即根据预应力锚索抗滑桩的实际施工过程和受力条件分阶段计算的理论,同时提出了如何修正桩后滑坡推力形式这一研究问题。显而易见,这种模型更加贴合实际工程和阶段受力状况,因此这一研究成果迅速成为预应力锚索抗滑桩理论分析的重要计算模型,也为后续的滑坡加固以及滑坡推力的影响研究提供了扎实的理论基础。许多学者从预应力数值、抗滑桩桩间距、滑坡土体的参数变化等方面进行了大量的理论研究,从而对预应力锚索抗滑桩的理论分析做出了很大的补充。徐骏等[7]以滑坡面的类型作为研究对象,并通过室内模型试验和数值模拟计算,分析了不同形式的滑坡推力对抗滑桩的内力影响,指出了滑坡形式的变化对桩后滑坡推力的变化形式,对过程中经常遇到的实际问题也给出了指导意见。此外,也有许多学者通过建立有限元的计算模型与工程实践的真实受力状态相互结合,来验证结构受力模拟的合理性。目前,在预应力锚索抗滑桩的设计优化方面的有限元分析的研究很多,而且相应的设计方法也在工程实践中应用广泛。
4、预应力锚索抗滑桩优化设计研究现状
预应力锚索抗滑桩优化设计研究一直是研究的热点,尤其是当有限元计算方法、有限差分法数值模拟方法的逐渐完善,为优化设计需要的多种因素的影响研究提供了一个成熟的研究平台,使得优化设计一直在该研究领域保持活跃。
韦立德等[8]根据强度折减理论研究了预应力锚索抗滑桩的影响参数,对预应力锚索的按照角度进行了优化分析,将极限分析、可靠性分析法和有限元分析方法相结合,并将结果与数值模拟的结果进行对比分析,给出了各种角度的预应力锚索的加固效果评价,这在分析抗滑桩的优化设计中也是一种的新的研究方向。郑明新[9]则主要通过数值模拟软件进行研究,利用有限元软件建立数值模拟模型,研究了桩体位移和内力的变化,并提出可以利用FLAC3D软件对锚索的参数优化进行数值模拟分析,对预应力锚索抗滑桩进行设计,为预应力锚索抗滑桩的优化设计提供了新的研究方向。
5、结论
随着我国“一带一路”战略部署的逐步发展,基础设施建设中难免会遇到滑坡或者高边坡的加固治理问题,而预应力锚索抗滑桩作为当前滑坡治理工程中的最常用工程措施之一,预应力锚索抗滑桩由于具有结构受力合理、经济效益好、抗滑力大等突出优点而越来越多的应用于铁路、公路、水利水电等大型边坡的治理工程中。同时,预应力锚索抗滑桩的实践远远超前于理论研究,尽管它已经被广泛应用于工程实践,但是设计理论尚不完善,尤其是在土拱效应、抗滑桩的受力特性以及荷载的传递和桩土之间的作用机理方面还有许多的未知内容等待后续研究。本文总结了边坡稳定性、预应力锚索抗滑桩试验、预应力锚索抗滑桩理论分析、预应力锚索抗滑桩优化设计四个方面的研究现状,希望会对后来要从事预应力锚索抗滑桩的研究方向的学者有一定的借鉴意义。
参考文献:
[1]毛明章.基于变形协调的预应力锚索抗滑桩设计计算方法研究[D].重庆:重庆交通大学,2010.
[2]邓建辉,张嘉翔,闵弘,等.基于强度折减概念的滑坡稳定性三维分析方法(Ⅱ):加固安全系数计算[J].岩土力学,2004,25(6):871-875.
[3]宋坤,郑颖人,赵尚毅,等.有限元强度折减法在三维边坡中的应用研究[J].地下空间与工程学报,2006,2(5):822-827.
[4]谢庆华.预应力锚索抗滑桩实验研究[J].西部交通科技,2006,16(4):81-85.
[5]富翔,谢强,张永兴,等.全埋式抗滑桩倾覆破坏的室内模型试验研究[J].岩土力学,2014,35(8):2205-2211.
[6]刘小丽,张占民,周德培.预应力锚索抗滑桩的改进计算方法[J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2568-2572.
[7]徐骏,李安洪,肖世国.折线型滑面滑坡桩排推力分布规律研究[J].岩土力学,2012,33(11):3479-3488.
[8]韦立德,阳春和,高长胜.基于三维强度折减有限元的抗滑桩优化探讨[J].岩土工程学报,2005,27(11):1350-1352.
[9]郑明新.川藏公路某滑坡抗滑桩工程效果的有限元后评价[J].岩土力学,2009,30(6):1782-1786.