格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理研究

岩石力学与工程学报 22(8)：1372～1376

2003年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2003

格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理研究

蒋中明

1，2

徐卫亚1

(1河海大学岩土工程研究所 南京 210098) (2三峡大学土木工程学院 宜昌 443002)

摘要 首次提出了利用格构形复合抗滑钢板桩来治理滑坡工程的新方法，并从不同的理论角度对格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理进行了研究，提出了设桩后确定滑坡极限剪切破坏面的新方法。通过对实例进行极限平衡法和有限元法的计算分析比较，验证了理论分析结果的正确性。同时，揭示了格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理主要表现在以下两个方面：一是格构形复合抗滑钢板桩的存在，有效地改变了滑动面的形状；二是间接提高滑动面的物理力学参数。

关键词 土力学，格构形复合抗滑钢板桩，极限剪切破坏面，阻滑机理，极限平衡法，有限元法

分类号 TU 473.1+3，P 2.22 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)-08-1372-05

STUDY OF WORK MECHANISM FOR STEEL-PLATE

PILES IN LANDSLIDE

Jiang Zhongming12，Xu Weiya1

，

(1Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University， Nanjing 210098 China) (2Institute of Civil Engineering，Three Gorges University， Yichang 443002 China)

Abstract A new method is developed here to ensure the stability state of soil landslide by means of steel-plate piles. Two different ways are adopted for the analysis of work mechanism for steel-plate piles in the landslide. On the basis of the work mechanism of steel-plate piles，a new method is presented for searching the failure surfaces under limit shear situation in the landslide. A case study is conducted with limit equilibrium method and FEM. The numerical results are the same as the results of theoretical analysis. At the same time，the work mechanism of steel-plate piles could be expressed as following. The shape of slide surface is changed because of the existence of steel-plate piles in landslide，and the qualities of physical and mechanical parameters are improved indirectly because of the variation of shape of slide surface. Key words soil mechanics，steel-plate piles，failure surfaces under limit shear situation，work mechanism，limit equilibrium method，finite element method

实施的状况来看，其主要的工程措施主要有以下几

1 前 言

滑坡是一种严重的地质灾害，滑坡的产生(特别是重大滑坡)往往会导致重大的经济损失和人员伤亡，因而倍受世界各国的关注。而如何有效地治理已经探明具有滑动可能性的边坡是广大滑坡工作者责无旁贷的义务。从目前国内外滑坡防治工程

2001年11月20日收到初稿，2002年1月3日收到修改稿。

大类：排水工程(包括地表及地下排水)、削坡减载及反压工程、支挡工程和滑带土改良工程等[1]。排水工程的实施主要是减少地表及地下水对滑坡稳定性所带来的不利影响，其工程造价也相对较低。然而，排水工程的实施对滑坡稳定性的提高程度，目前国内外仍然难以给出一些定量化的结果。因此，排水工程一般都只作为提高滑坡稳定性的一种辅助

作者 蒋中明 简介：男，32岁，博士，现任讲师，主要从事岩土工程方面的研究工作。

第22卷 第8期 蒋中明等. 格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理研究 • 1373 •

措施来加以分析考虑。从技术手段上讲，削坡减载及反压工程和支挡工程的实施，可以定量解决滑坡在实施工程措施后的稳定系数问题[2

～6]

，因而也被

广泛应用于工程实际之中，其效果也是十分明显的。滑带土改良工程是一种近年来提出的治理滑坡的新措施，其理论依据是较充分的，但其在工程实践中的具体应用还存在一些问题，因而其应用进展较小[1]。目前，对于大型滑坡工程的治理，主要采用预应力体系、抗滑桩体系、地表及地下排水体系和减载及反压体系等[7]

。在实际工程中，由于减载及反压体系往往会改变滑坡区的坡面形态，对滑坡区环境的影响巨大，因此，在大规模滑坡治理研究中，减载及反压体系已越来越不被人们采用[1]

。更多的情况下，人们采用预应力体系和抗滑桩体系相结合的措施来治理大型滑坡工程，以克服抗滑桩体系的不足。目前，工程上广泛使用的抗滑桩体系均采用钢筋混凝土灌注桩，施工过程中对滑坡体稳定性有一定的干扰。尽管为减少抗滑桩的桩身长度和作用在桩上的作用力，一些研究人员也做过一些有益的研究工作[8

，9]

，但由于某些大型滑坡的滑动面埋深

较大，加之其他各种因素的影响，钢筋混凝土抗滑桩的长度仍可达到40 m以上。而长桩对钢筋混凝土这种脆性材料来讲，其受力性能的充分发挥无疑要受到很大的影响。有没有一种更新的滑坡治理措施来代替抗滑桩体系呢？为此，作者进行了一些尝试性的研究，提出利用大直径格构形柔性钢板复合桩来治理大型滑坡工程，以供探讨。

2 设置桩条件下滑坡极限平衡分析

格构形钢板桩是由平板形钢板桩打成闭合的格构形状，与格内材料一起构成的一种结构形式[10]。它通过钢板桩格体约束格内材料形成直立岸壁，同时，钢板桩又同格内材料一起通过抗剪的方式抵抗结构所承受的水平荷载。该结构形式在港口工程中有大量的运用。格构形钢板桩的具体组成见文[10]。在对格构形钢板桩的工作原理进行分析研究后，作者认为可以将其移置到滑坡治理工程之中，关键的问题是在滑坡治理工程中如何正确确定设置格构形钢板桩后滑坡的滑动面形状。

2.1 钢板桩的极限剪切破坏面(柯敏斯法Cummings)

确定设置格构形钢板桩后滑坡的极限剪切破坏面的方法有多种，其中，最适合于滑坡分析的方法当属柯敏斯法[10]。该方法由美国的柯敏斯提出，其

计算原则为格构形结构对剪切变形的极限抵抗矩，应大于外荷载产生的变形力矩。在设计中，考虑一定的安全储备，则成为Mr≥KMd，其中，Md为变形力矩，K为安全系数，Mr为抵抗力矩。

柯敏斯根据岩基上的格构形钢板桩结构模型试验提出，在格体的前壁后方，通过前趾与底面成填料内摩擦角ϕ

的斜面以上的格内填料，处于自身极

限平衡状态，对水平外力及钢板桩的侧向变形没有抵抗作用。在水平荷载作用下，斜面以下的土体内应力增大，进入被动应力状态，随着水平荷载的加大，该部分土体内部逐渐由上而下出现一系列的水平滑动面，此时，格体出现明显的塑性变形，当此滑动面系发展到格体底部时，变形急增，结构即告失效，见图1。图中，P1，P2，P3为水平推力。

(a) 应力状态改变

(b) 出现局部破坏 (c) 出现贯通破坏

图1 剪切破坏面示意图 Fig.1 Sketch of shear failure areas

由于钢板的抗拉强度较岩土类材料高得多，一般情形下，钢板均不会破坏。格构形钢板桩的极限破坏状态一般呈整体破坏形式，即极限剪切破坏面通过格构形钢板桩的底面。图2为滑坡体中设置格构形钢板桩后潜在滑动面的变化情况。

图2 滑坡滑动面形状示意图 Fig 2 Shape of slide surface in landslide

2.2 滑坡稳定性计算方法

滑坡的滑动面确定后，整体稳定性的计算分析方法，可采用SARMA法、条分法、BSHOP法、JANBU法等常用的土坡分析方法计算滑坡体的安全系数。这些方法在许多土力学书中均有详尽的阐述，本文不再介绍。

• 1374 • 岩石力学与工程学报 2003年

3 设置桩条件下滑坡有限变形分析

有限变形问题主要针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题而提出的。最初的想法是在20世纪60年代初由Turner，Dill，Martin，Melosh等提出，70年代前期在理论上得到较为成熟的发展，奠定了有限变形理论的基础

[11]

。

3.1 有限变形的基本理论

所谓有限变形，是指内部质点的位移和旋转较大，如果忽略不计，就会对平衡方程产生严重影响。因而对非线性方程式的讨论成为必要。即在处理有限变形问题时，对材料的非线性给予考虑，使由变形造成的对内、外力平衡的影响在计算中得以体现，所以需要一种兼顾材料非线性和几何学上的非线性的一般性非线性解析法，其中，包含了在微小变形理论中未给予考虑的一些因素。有限变形理论通过求解运动方程和结构方程，进而计算出计算模型的应力、应变和位移。其基本方程如下所述：

(1) 运动方程式

Cauchy运动方程式可由下式表示：

σdv

iij，j+ρ bi=ρdt

(1) 式中：ρ为材料容重，b为单元物质的物体力，dv

dt

为速度的材料时间导数。

式(1)为在受外力作用时质点的运动状态，在静力平衡状态下，加速度为0，故式(1)可表示为

σij，j+ρbi=0 (2)

(2) 结构方程式

由结构方程式，可以推导出6个关系式，从而可以确定待定材料的性质，结构方程式通常用下式表示：

σij=Hij(σij，ξij，k) (3)

式中：σij为相互旋转应力速度张量，H为设定函数，

k为考虑了加载过程的参数。相互旋转应力速度张量可由下式表示：

σdσij

ij=dt

−ωikσkj+ωkjσik (4)

式中：dσdt

为σ的材料时间导数，ω为旋转速度。

根据式(2)～(4)，结合边界及初始条件，再加上

6个应变速度ξ=1

ij2

(vi，j+vj，i)关系式和6个结构

方程关系式，构成15个方程式。由这15个方程式即可求得应力速度和应变速度张量各6个、速度矢

量3个和15个未知数。

3.2 基于有限元分析的最危险滑动面的确定

为验证极限平衡分析中的滑动面形状的合理性，可运用基于有限变形理论的强度折减有限元法，对滑动面形状进行进一步的分析。

强度折减技术[12，

13]的要点是利用下两式调整土

体的强度指标c，ϕ值：

ct=c/Ft (5)

ϕt=arctan(tanϕ/Ft) (6)

式中：Ft为折减系数。

然后，对土坡进行有限元分析，通过不断增加折减系数，反复分析土坡，直到其达到临界破坏状态，此时得到的折减系数即为安全系数Fs。

在对边坡进行强度折减有限元分析的过程中，当达到临界破坏状态后，滑动面的确定是通过剪应变分布图来判断的。即对有限元计算得到的剪应变进行分析，剪应变增量最大的位置处就是最危险滑动面位置[12

，14]

。而对于已知滑动面的天然滑坡，由

上述理论分析可以推断出，滑坡体最大剪应变位置应位于滑带附近。这一点在下述的算例中也得到证实，从而说明利用强度折减技术来追踪滑面是可行的、有效的。

4 算例分析

长江三峡库区某重大滑坡工程，滑带最大埋深达100 m以上，其防治工程的研究主要集中在格子梁锚索、钢筋混凝土抗滑桩、锚索桩、h型桩、排水系统等多种方案上，工程量巨大。滑坡典型计算

剖面如图3。滑坡的计算物理力学参数取值如表1。

该滑坡体在自然状况下处于稳定状态，在特殊状态下(连续久雨、水库水位骤降及地震工况等)有可能失稳。为验证格构形复合抗滑钢板桩的加固效果，本次计算时采用在自然状态下对滑坡的滑带参

图3 典型计算剖面分块图

Fig.3 Slices of the landslide for typical section

第22卷 第8期 蒋中明等. 格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理研究 • 1375 •

表1 计算物理力学参数

Table 1 Mechanical parameters of landslide

位置 c/MPa

ϕ /(°) E/GPa μ

γ /kN·m－

3

滑体 0.09 37.0 1.0 0.35 24.0 滑带 0.05 18.4 0.1 0.35 20.2 滑床 1.00 45.0 20.0 0.25 26.0 钢板

—

—

200.0 0.25

78.5

数进行折减的办法，直到计算出的滑坡安全系数小于1.0时为止。在此基础上，对滑坡体设置格构形钢板桩后的稳定性进行研究。格构形钢板桩的折算钢板厚度取2 cm，极限平衡分析时，前后钢板的间距取60.0 m。有限元分析时，按三维情况进行计算，以考虑格构形抗滑钢板桩的空间效应。格构形抗滑钢板桩采用边长为60.0 m的矩形结构。格构形钢板桩进入滑床的最小深度为3.0 m。格构形抗滑钢板桩的位置按文[8]提出的方法进行设置。格构形抗滑钢板桩的尺寸效应研究将另文给出。 4.1 极限平衡结果分析

极限平衡分析采用Sarma法，对设置格构形钢板桩前后两种情况下滑坡的稳定性分别进行分析。作为比较，本次计算中只考虑了自重情况下滑坡的稳定性计算，并且对滑带土的实测c，ϕ

值进行了降

低，降低倍数为1.3。降低后的c，ϕ 值分别为 0.049 9 MPa，18.4°

；c，ϕ 值降低后的安全系数为：设置格构形钢板桩前的稳定性系数Fos

=0.924 787 3；

设置格构形钢板桩后的Fos

=1.486 009。由此可见，

设置格构形钢板桩后，滑坡的稳定性系数提高了

0.561 221 7。安全系数的提高是由于设置抗滑桩后，滑坡的潜在滑动面下移至力学参数高得多的基岩体

滑床内(c，ϕ 值分别为1.0 MPa，45°

)，由于复合钢板桩的尺寸可以做得很大，故滑坡滑动面的改变长度也增大。由极限平衡理论可知，阻滑力与滑带参数和滑带的长度呈正比，因而设置复合抗滑钢板桩，可以大幅度提高滑坡的安全系数。此外，格构形钢板桩的设置大大改变了滑带的形状(如图3)，这种滑带形状提高了滑坡的阻滑力；其次，滑带位置的改变，也引起了潜在滑带参数值(c，ϕ)的局部提高。这就是格构形钢板桩提高滑坡稳定性系数的最直接、最根本的机理所在。 4.2 有限变形结果分析

所有计算参数均与极限平衡分析方法所采用的参数完全相同，以便于比较。图4，5为滑坡设置格构形钢板桩前后的塑性区(深色)分布图。有限变形分析的计算网格如图6。图7，8为竖向位移等值

格构形钢板桩

图4 设桩后滑坡塑性区分布图

Fig.4 Plastic area distribution of the landslide with steel-plate

piles

图5 设桩前滑坡塑性区分布图

Fig.5 Plastic area distribution of the landslide without steel-

plate piles

格构形钢板桩

图6 计算网格及最大剪应变分布图 Fig.6 Computation grids of the landslide and the distribution

of maximal shear strain

－

1.521 3～－1.200 0－－1.200 0～－－1.000 0～－1.000 00.800 0－0.800 00.600 0～－～－0.600 00.400 0－－0.400 0～－ 0.000 0.200 0～0.000 00.200 0 0.200 00～～0.200 00.2579

图7 设桩前滑坡竖向位移等值图(单位：m)

Fig.7 Vertical displacement contour of the landslide without

steel-plate piles(unit：m)

• 1376 • 岩石力学与工程学报 2003年

－

－0.160 81－0.140 00～－～－0.150 000.130 00－0.120 00～－0.110 00－0.100 000.080 00～－～－0.090 000.070 00－－0.060 00－0.040 00～－～－0.050 00－0.020 000.030 000.010 00～－～－0.010 000.001 694 7

图8 设桩后滑坡竖向位移等值图(单位：m) Fig.8 Vertical displacement contour of the landslide with

steel-plate piles(unit：m)

图。

从塑性区分布图(图4，5)可以清楚地看到，设置格构形钢板桩前，滑坡的塑性区范围大，且沿滑带全线连通，说明滑坡已处于失稳状态；而设置格构形钢板桩后，滑坡的塑性区范围大大减少，只有滑坡后缘的部分滑体和少部分滑带出现塑性单元。说明设置格构形钢板桩后，滑坡的稳定状态得到了明显的改善，且由失衡状态转变到了稳定状态。由此可见，设置格构形钢板桩后对改善滑坡稳定性的效果十分良好。

从图6的广义剪应变分布图还可以清楚地看出：滑坡体潜在滑动面在设置格构形钢板桩后发生了明显的改变。格构形钢板桩位置处最大剪应变由原来的滑带位置下移到了格构形钢板桩的底部(加点区)，与柯敏斯法得到的结果十分接近，证明了按柯敏斯法确定的极限剪切破坏面是合理的。

从图7，8的位移等值图可知，设置格构形复合抗滑钢板桩后，滑坡体的位移得到大幅度降低，降低幅度约一个量级。从另一角度再次证明了格构形复合抗滑钢板桩的阻滑效果是十分明显的。

5 结 论

本文提出了利用格构形复合抗滑钢板桩作为治理重大滑坡工程的措施。为说明该措施的正确性和可行性，从不同的理论角度对滑坡体中设置格构形复合抗滑钢板桩后的滑坡稳定性及抗滑桩的阻滑机理进行了初步的研究，给出了设置格构形复合抗滑钢板桩后确定滑坡潜在滑动面的两种方法。并且通过算例对两种确定方法得到的潜在滑动面位置进行了比较，两种计算方法得到的结果十分一致，表明该方法是可行的、有效的。在滑动面确定的基础上，分别采用极限平衡法和有限变形法对同一算例的滑

坡稳定性进行了计算分析，两种计算方法得到的结论也是一致的，即格构形复合抗滑钢板桩的设置可有效提高滑坡的整体安全系数，同时，也表明采用格构形复合抗滑钢板桩治理重大滑坡工程是十分有效的一种新措施。从滑坡最危险潜在滑动面变化来看，格构形复合抗滑钢板桩的阻滑机理表现在两个方面：一是改变了滑坡的滑动面形状，使之更有利于维持滑坡的稳定性；二是滑动面的位置移动到物理力学性质更好的滑床内，而原滑床内新生成的滑动面的物理力学参数明显比原滑动面的物理力学参数要好得多，增加滑坡阻滑段的阻滑力，从而提高滑坡的整体安全性。简而言之，这种效果也可以理解为格构形复合抗滑钢板桩可间接提高局部滑动面的物理力学参数。

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