桩—土—边坡相互作用数值分析及阻滑桩简化设计方法研究

论文摘要

作为一种有效工程措施,阻滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防治中得到了广泛应用。然而由于问题的复杂性,关于阻滑桩加固土坡的工作机理、桩—土相互作用规律仍没有彻底解决,阻滑桩设计理论与计算方法目前还处于半经验半理论的不成熟阶段,落后于工程实践,因此急需开展深入而系统的理论分析与数值计算等方面的研究,发展与完善相应的阻滑桩工程实用设计方法。一方面,随着高速铁路与公路的大规模建设,许多工程可能穿越滑坡地质灾害多发的潜在不良地质体,此时铁路与公路两侧边坡的安全性及其滑坡治理是工程建设中的一个关键技术问题,阻滑桩技术得到了较多的应用。另一方面,随着城市土地资源的匮乏,许多高层建（构）筑物与高耸结构物不得不直接修建在临近边坡或在山坡顶面上等复杂地质条件下,此时桩基不仅用于加固边坡,而且同时作为建筑物的基础,具有承重和阻滑双重功能,又兼有抵抗风荷载、地震惯性力所引起的水平荷载与力矩的瞬时或循环作用,受力较为复杂。在这种水平荷载、竖向荷载与力矩等各种分量的组合作用下,桩—土—边坡相互作用机理、荷载传递规律、边坡失稳机制尚不十分明确,有待于开展更深入的探索。为此,本文围绕阻滑桩加固土坡研究中所存在的主要问题及组合荷载模式下承重阻滑桩—土—边坡体系的变形与稳定性等方面进行了比较系统而深入的研究,论文的主要研究内容及所取得的研究成果包括如下几个方面: 1.自动搜索安全系数与失稳机构的边坡稳定性有限元分析模型及边坡失稳判据 以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机构的边坡稳定性有限元分析模型。通过充分的变动参数对比计算与分析,对于目前所采用的有限元数值计算迭代不收敛、超过某一幅值的等效塑性应变分布带相互连通、边坡坡脚至坡顶塑性区贯通、坡面特征点位移陡增或强度折减系数与坡顶特征点水平位移之间关系曲线的斜率达到某一固定值等4种边坡失稳判据,探讨了其内在联系及其适用性,指出迭代不收敛判据较少依赖于研究者的经验,易于数值实现自动搜索等过程,具有较广泛的适用性与一般性。进而以这种判据为基础,分别针对成层黏性土边坡、多级边坡、路堤边坡及超载作用下的边坡稳定性进行了数值分析。在此基础上,探讨了有限单元类型、有限元模型中网格密度、土的破坏准则、剪胀性与变形参数等对边坡稳定安全系数的影响。最后论证了ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破坏准则与传统Mohr-Coulomb破坏准则的一致性。 2.阻滑桩、承重阻滑桩及组合荷载模式下承重阻滑桩—土坡稳定性的数值分析 在边坡稳定的强度折减弹塑性有限元数值分析的基础上,将迭代不收敛判据推广至阻滑桩加固土坡、承重阻滑桩及组合荷载模式下承重阻滑桩—土坡的稳定性数值分析中。结合典型算例的对比分析验证了这一判据的有效性,考虑到桩—土接触问题的复杂性,在以不收敛作为判据的同时参考坡面特征点位移突变这一辅助判据,以确保不收敛判据所得稳定性结果的合理性。在此基础上,通过对比计算与分析系统地考察了设桩位置、桩径、桩的嵌入深度、桩头约束条件与桩的抗弯刚度等对阻滑桩加固边坡稳定性的影响,并对桩侧接触力的分布形态及变化规律进行了探讨,以期为阻滑桩加固土坡的简

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 边坡稳定性分析研究现状
• 1.2.1 工程上的极限平衡法（LEM）
• 1.2.2 力学上的极限分析法（LAM）
• 1.2.3 数学上的滑移线场法（SLM）
• 1.2.4 有限单元法（FEM）
• 1.3 阻滑桩加固土坡的研究现状
• 1.3.1 国内外应用与试验研究
• 1.3.2 阻滑桩与滑坡体相互作用分析
• 1.3.3 阻滑桩—土坡稳定性分析方法
• 1.4 阻滑桩加固土坡中存在的主要问题
• 1.5 本文的主要研究内容及技术路线
• 1.5.1 本文的主要研究内容
• 1.5.2 研究采用的技术路线
• 第二章 土坡稳定性的强度折减弹塑性有限元数值分析方法
• 2.1 强度折减技术
• 2.2 计算方法与数值实施
• 2.2.1 有限元分析软件ABAQUS
• 2.2.2 计算模型
• 2.2.2.1 有限元基本方程
• 2.2.2.2 本构模型
• 2.2.2.3 模型参数
• 2.2.3 ABAQUS中材料非线性的求解方法
• 2.2.3.1 荷载的处理
• 2.2.3.2 非线性问题的求解方法
• 2.3 自动搜索安全系数的强度折减弹塑性有限元计算方法
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 自动搜索安全系数的数值实施
• 2.4 边坡失稳判据比较分析
• 2.5 变动参数对比分析
• 2.5.1 单元阶次对边坡稳定安全系数的影响
• 2.5.2 网格密度对边坡稳定安全系数的影响
• 2.5.3 变形参数（E，v）对边坡稳定安全系数的影响
• 2.5.4 土的剪胀角（ψ）对边坡稳定安全系数的影响
• 2.5.5 土的本构模型对边坡稳定安全系数的影响
• 2.5.6 边坡的破坏模式分析
• 2.6 复杂土坡稳定性分析
• 2.6.1 成层纯黏性土坡稳定性分析
• 2.6.2 成层黏性土坡稳定性分析
• 2.6.3 多级边坡稳定性分析
• 2.6.4 路堤边坡及在超载作用下的稳定性分析
• 2.7 小结
• 第三章 阻滑桩加固土坡稳定性的数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 考虑接触面特性的强度折减弹塑性有限元方法
• 3.2.1 接触面模型
• 3.2.2 接触算法
• 3.2.3 考虑接触特性的强度折减弹塑性有限元法数值实施
• 3.3 失稳判据验证
• 3.4 变动参数比较研究
• 3.4.1 阻滑桩加固前边坡稳定性分析
• 3.4.2 阻滑桩加固后边坡稳定性分析
• 3.4.3 安全系数影响因素分析
• 3.4.3.1 设桩位置对阻滑桩加固边坡稳定安全系数的影响
• 3.4.3.2 桩径对加固边坡安全系数的影响
• 3.4.3.3 嵌固深度对加固边坡安全系数的影响
• 3.4.3.4 桩头约束条件对加固边坡安全系数的影响
• 3.4.3.5 桩的抗弯刚度对加固边坡安全系数的影响
• 3.4.4 桩—土相互作用分析
• 3.5 组合荷载模式下承重阻滑桩—土坡稳定性的数值分析
• 3.5.1 阻滑桩加固多级边坡稳定性分析
• 3.5.1.1 阻滑桩加固前多级边坡稳定性分析
• 3.5.1.2 阻滑桩加固后多级边坡稳定性分析
• 3.5.2 组合荷载模式下承重阻滑桩—边坡稳定性分析
• 3.5.2.1 承重阻滑桩加固边坡的稳定性分析
• 3.5.2.2 水平荷载对阻滑桩加固边坡稳定性的影响
• 3.5.2.3 水平加载模式下承重阻滑桩—边坡体系稳定性分析
• 3.5.2.4 水平荷载与竖向荷载共同作用下桩—边坡体系稳定性分析
• 3.6 小结
• 第四章 基于强度折减技术的复杂边坡稳定性极限分析上限解法
• 4.1 极限分析上限方法
• 4.2 基于强度折减技术的一般土坡稳定性分析上限解法
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 基本原理
• 4.2.3 算例验证
• 4.2.4 变动参数对比分析
• 4.3 考虑非均质性与各向异性效应的土坡稳定性上限解法
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 土的非均质性与各向异性特性
• 4.3.3 考虑非均质性与各向异性效应的土坡稳定性上限解法
• 4.3.4 土的强度的非均质性和各向异性对边坡稳定性的影响
• 4.4 考虑孔隙水压力效应的土坡稳定性分析上限解法
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 孔隙水压力效应的表达方法
• 4.4.3 考虑孔隙水压力效应的土坡稳定性分析上限解法
• 4.4.4 算例验证
• 4.5 考虑地震效应的土坡稳定性极限分析上限解法
• 4.5.1 概述
• 4.5.2 考虑拟静力地震荷载的土坡稳定性极限分析上限解法
• 4.5.3 算例验证
• 4.5.4 土坡稳定安全系数与地震加速度系数之间的依赖关系
• 4.6 小结
• 第五章 基于强度折减技术的阻滑桩桩侧有效土压力极限分析上限方法
• 5.1 引言
• 5.2 土坡加固中阻滑桩桩侧有效土压力的上限解法
• 5.2.1 桩侧有效土压力分布模式
• 5.2.2 桩侧有效土压力上限解法
• 5.2.3 设桩后有效滑坡推力及相应的临界状态
• 5.2.4 算例分析
• 5.3 阻滑桩加固效应的影响因素分析
• 5.3.1 阻滑桩最优桩位分析
• 5.3.2 阻滑桩加固后临界滑动面的变化
• 5.3.3 影响加固力的其它因素
• 5.4 土的强度的非均质性与各向异性对土坡中桩侧有效土压力的影响
• 5.4.1 理论分析与基本公式
• 5.4.2 算例验证
• 5.4.3 非均质性与各向异性对桩侧极限有效土压力的影响
• 5.5 土坡内孔隙水压力对桩侧有效土压力的影响
• 5.5.1 理论分析与基本公式
• 5.5.2 孔隙水压力对阻滑桩加固效应的影响
• 5.6 地震惯性荷载对阻滑桩桩侧有效土压力的影响
• 5.6.1 理论分析与基本公式
• 5.6.2 水平地震加速度系数对阻滑桩加固效应的影响
• 5.7 小结
• 第六章 基于极限分析下限方法的阻滑桩锚固深度检算
• 6.1 引言
• 6.2 阻滑桩桩周地层侧向容许承载力分析
• 6.2.1 考虑斜坡效应与土的黏聚力效应的桩侧容许承载力
• 6.2.1.1 基本方法与数学列式
• 6.2.1.2 计算结果及其分析
• 6.2.2 坡面超载对桩侧容许承载力的影响
• 6.2.2.1 基本方法与数学列式
• 6.2.2.2 土压力系数计算及其影响因素分析
• 6.2.3 地震惯性荷载对桩侧容许承载力的影响
• 6.2.3.1 基本方法与数学列式
• 6.2.3.2 土压力系数计算及分析
• 6.2.4 关于阻滑桩桩周土体侧向容许承载力公式的讨论
• 6.2.4.1 考虑坡角对阻滑桩桩周土体侧向容许承载力及锚固深度的影响
• 6.2.4.2 土性参数及计算深度对阻滑桩桩周土体侧向容许承载力的影响
• 6.2.4.3 滑动面上下土层不同时桩周土体侧向容许承载力公式的修正
• 6.3 基于桩周地层强度控制论的阻滑桩锚固深度确定
• 6.3.1 悬臂桩简化法
• 6.3.2 刚性桩m法
• 6.3.3 弹性桩m法
• 6.4 小结
• 第七章 阻滑桩工作性能的简化分析与设计方法
• 7.1 土坡加固中阻滑桩现有设计方法
• 7.1.1 侧向受荷桩分析方法
• 7.1.1.1 极限地基反力法（极限平衡法）
• 7.1.1.2 弹性地基反力法
• 7.1.1.3 p-y曲线法（弹塑性分析方法）
• 7.1.1.4 弹性理论法
• 7.1.1.5 有限单元法
• 7.1.2 土坡加固中阻滑桩工作性能分析
• 7.1.2.1 悬臂桩法
• 7.1.2.2 地基系数法中m法
• 7.1.2.3 基于塑性变形理论的阻滑桩设计方法
• 7.1.2.4 其它设计方法
• 7.2 基于桩侧有效土压力的阻滑桩基简化设计方法
• 7.2.1 基本原理
• 7.2.2 设计步骤
• 7.3 实例分析
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的主要学术论文及负责与参加的科研项目
• 论文创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书