1、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算,,目　錄,錨索樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要設(shè)計(jì)計(jì)算方法及發(fā)展錨索樁的工況條件抗滑樁的全樁計(jì)算樁頭錨索的確定與優(yōu)化計(jì)算實(shí)例要點(diǎn)提示,錨索樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是中鐵西北科學(xué)研究院（原鐵道部科學(xué)研究院西北研究所）于20世紀(jì)80年代研究開發(fā)的一種新型抗滑樁結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)改進(jìn)是在普通抗滑樁的樁頭部位設(shè)置一孔或多孔預(yù)應(yīng)力錨索。這種新型抗滑樁結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是改變了普通抗滑樁的懸臂錨固梁柱結(jié)構(gòu)為近似彈性支座

2、簡支梁柱結(jié)構(gòu)，使其樁身受力狀態(tài)更趨合理，并具有主動加固滑坡體的作用和功能。由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、造價節(jié)省且工程效果顯著，因此在鐵路、公路及其它工程建設(shè)領(lǐng)域滑坡病害治理工程實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。,錨索抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算歷史與現(xiàn)狀,對于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，在工程實(shí)踐中常用的方法可分為三類。第一類計(jì)算方法，即簡化工況法。第二類計(jì)算方法，即時步工況法。第三類計(jì)算方法，即實(shí)時工況法。,簡化工況法,簡化工況法是直接將錨索預(yù)應(yīng)力作為

3、外荷載施加在樁頭上，與滑坡推力一起按靜力問題計(jì)算滑面以上樁身內(nèi)力及滑面處的剪力和彎矩，而滑面以下樁體內(nèi)力計(jì)算與普通抗滑樁有關(guān)計(jì)算相同。這類計(jì)算方法沒有考慮錨索與樁體的變形協(xié)調(diào)及其歷時工況條件，認(rèn)為錨索的拉力就是所施加的預(yù)應(yīng)力在工作過程中其值保持不變或最終設(shè)計(jì)拉力狀態(tài)。這種方法計(jì)算較簡單，但由于在滑坡推力作用下未考慮錨索與樁的協(xié)調(diào)變形以及歷時荷載作用過程，必將存在工程經(jīng)濟(jì)或風(fēng)險(xiǎn)問題。,時步工況法,這類計(jì)算方法的主要特點(diǎn)是考慮或體現(xiàn)預(yù)應(yīng)

4、力錨索與抗滑樁體的變形協(xié)調(diào)機(jī)制，即樁頭變位與錨索變形相一致。按預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的施工順序和承力步驟計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在各相關(guān)工況歷時條件下的樁身變形、內(nèi)力和樁側(cè)應(yīng)力等。時步工況法又分為時步累進(jìn)計(jì)算法和時步疊加計(jì)算法。,實(shí)時工況法,實(shí)時工況計(jì)算法，是在時步工況計(jì)算法的基礎(chǔ)上，建立預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁實(shí)時工況計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁工作全過程的實(shí)時動態(tài)解。,錨索樁的工況條件,根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的施工構(gòu)筑工序、預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定步驟和

5、滑坡推力的作用時步等樁身受力狀態(tài)，分析預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的工況歷時條件主要可以分為：抗滑樁的成樁工況前期滑坡推力作用工況預(yù)應(yīng)力錨索鎖定工況后期滑坡推力作用工況滑坡推力波動和錨索預(yù)應(yīng)力損失工況,成樁工況條件,抗滑樁樁身灌筑完成之后，樁頭錨索預(yù)應(yīng)力施加之前，一般不考慮滑坡推力的作用(顯著變形活動的滑坡體除外)，其樁身外荷載為樁身前后兩側(cè)的靜止土壓力荷載，如果樁身前后地面高差明顯，則存在不平衡土壓差，將產(chǎn)生樁體的小量變形和樁側(cè)反力，嚴(yán)

6、格地說，會影響下一時步的樁體變形和樁側(cè)反力分布。由于考慮這種土壓差較小，且基本已在樁身護(hù)壁施工期間通過護(hù)壁結(jié)構(gòu)調(diào)整和承擔(dān)，故通常視該成樁工況條件為空載條件。,,,前期滑坡推力作用工況,抗滑樁樁身灌筑完成之后，樁頭錨索預(yù)應(yīng)力施加之前，當(dāng)滑坡病害存在顯著的變形活動，必須考慮前期滑坡推力的作用，應(yīng)該說是部分滑坡設(shè)計(jì)推力的作用，此時可根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)測值確定外荷載進(jìn)行計(jì)算。在該時步工況條件下，其外荷載為前期滑坡推力，即前期樁后滑坡推力

7、和樁前滑坡抗力；樁側(cè)地基為滑面以下樁段范圍內(nèi)的線彈性地基支座。其中需要明確的是，前期滑坡推力作用僅當(dāng)滑面以上樁后滑坡推力大于樁前滑坡總抗力時才能產(chǎn)生作用，即部分樁后滑坡推力用于平衡樁前滑坡抗力。,,,預(yù)應(yīng)力錨索鎖定工況,抗滑樁樁身灌筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求之后，即可對樁頭錨索進(jìn)行張拉，施加預(yù)應(yīng)力，并按照設(shè)計(jì)鎖定拉力值進(jìn)行鎖定。在該時步工況條件下，其外荷載包括樁頭鎖定預(yù)應(yīng)力、樁前滑坡抗力和前期樁后滑坡推力；樁側(cè)地基考慮為滑面上下全樁段

8、范圍內(nèi)的線彈性地基支座。,,,后期滑坡推力作用工況,當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索鎖定作業(yè)完成以后，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁還將承擔(dān)后期滑坡推力直至設(shè)計(jì)滑坡推力狀態(tài)，并與預(yù)應(yīng)力錨索協(xié)調(diào)變形和共同作用。在該時步工況條件下，其外荷載包括后期滑坡推力、樁頭鎖定預(yù)應(yīng)力和前期滑坡推力與滑坡抗力，即全部荷載作用；樁側(cè)地基為滑面以下樁段范圍內(nèi)的線彈性地基支座和預(yù)應(yīng)力錨索等效線彈性支座。如圖4所示。其中需要明確的是，預(yù)應(yīng)力錨索鎖定工況條件下，在滑面以上產(chǎn)生的樁側(cè)抗力部分是由

9、后期滑坡推力平衡所包含；另外，預(yù)應(yīng)力錨索與樁體的協(xié)調(diào)變形和耦合作用是通過在相應(yīng)錨頭處作用的等效彈性支座處理。,,,錨索抗滑樁的實(shí)時工況,為了解算預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁實(shí)時樁身位移、內(nèi)力及樁側(cè)應(yīng)力等動態(tài)力學(xué)參數(shù),就需要建立一個實(shí)時工況計(jì)算模式。作者基于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在預(yù)應(yīng)力錨索鎖定前后的承受荷載和樁側(cè)地基反力特征，并通過在鎖定前后即鎖定時建立錨索等效彈簧間斷和變形連續(xù)條件，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的全過程實(shí)時工況解。,,,關(guān)鍵技術(shù),對于預(yù)應(yīng)力

10、錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)的實(shí)時工況計(jì)算，其關(guān)鍵技術(shù)有如下兩個方面：其一是樁側(cè)地基抗力系數(shù)的問題。其二是樁體或錨頭鎖定前后變形的間斷和連續(xù)問題，即錨索等效彈簧的間斷和錨頭位移的連續(xù)。,樁側(cè)地基抗力系數(shù)特點(diǎn),樁前與樁后的側(cè)向地基抗力系數(shù)有可能是不相同的，如樁前樁后地面存在明顯高差的情況；當(dāng)樁體位移為正即向樁前變形時應(yīng)取用樁前側(cè)向地基抗力系數(shù)，當(dāng)樁體位移為負(fù)或樁體向樁后變形時應(yīng)取用樁后側(cè)向地基抗力系數(shù)；滑面以上與滑面以下樁前側(cè)向地基系數(shù)也有顯著

11、差別，即由于樁后滑坡推力和樁前滑坡抗力計(jì)算荷載的假定可以認(rèn)為滑面以上樁前側(cè)向抗力為零。,錨索等效彈簧的間斷和錨頭位移,預(yù)應(yīng)力錨索鎖定前和鎖定后存在一個等效錨索線彈性支座之差，即鎖定前不計(jì)錨索支座，鎖定后要考慮錨索支座，體現(xiàn)樁體與錨索的協(xié)調(diào)變形；錨頭位移一旦鎖定完成后將存在一個初始變形值（鎖定時錨頭位移）參與樁錨的協(xié)調(diào)變形和作用，亦可認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨索等效彈簧存在一個虛擬的初始拉力值（獨(dú)立于實(shí)際的鎖定拉力值之外），以保持預(yù)應(yīng)力錨索鎖定前后錨

12、頭位移的連續(xù)變形和樁錨協(xié)調(diào)作用。,預(yù)應(yīng)力錨索的實(shí)時拉應(yīng)力值,樁側(cè)抗力系數(shù)k,抗滑樁結(jié)構(gòu)分析全樁解算方法,在既有橫向荷載樁相關(guān)計(jì)算技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限差分法，推導(dǎo)完成了抗滑樁結(jié)構(gòu)分析全樁解算方法，并開發(fā)了一套抗滑樁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件“Analypile”。全樁法是將抗滑樁結(jié)構(gòu)考慮為一整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解算，并適用于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的實(shí)時工況條件。,基本假定,(1)抗滑樁按彈性構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，地基考慮為線彈性Winkler模型，錨索按換算線彈性

13、Winkler 模型計(jì)算。(2)錨索樁所承受的滑坡推力和樁頭錨索施加預(yù)應(yīng)力（鎖定）均按外荷載考慮。(3)不計(jì)樁周摩擦和樁底反力等樁身軸向力作用。(4)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的計(jì)算模式是根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的施工順序和承力步驟，采用實(shí)時工況條件。(5)對于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁實(shí)時工況條件下的預(yù)應(yīng)力損失和滑坡推力波動或消漲，采用增減外荷載的方法處理。(6)樁身位移和滑坡荷載以指向樁前側(cè)為正，樁身剪力以指向樁后為正，樁身彎矩以樁前側(cè)受拉為正。

14、,有限差分解,,預(yù)應(yīng)力錨索的等效與簡化,,,抗滑樁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算程序Analypile,,,樁頭預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì),對于樁頭預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)，需要解決兩個關(guān)鍵問題，即預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)拉力值和預(yù)應(yīng)力錨索鎖定拉力值的確定原則和方法。在以往工程實(shí)踐中，具有代表性的有以下幾種：王化卿等將預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)拉力值確定為凈滑坡推力在滑面處產(chǎn)生的剪力值的1/2至4/7；劉小麗和桂樹強(qiáng)等根據(jù)樁錨協(xié)調(diào)變形進(jìn)行錨索預(yù)應(yīng)力值的設(shè)計(jì)；王楨等基于工程造價目標(biāo)試算

15、提出為樁體受力15～25％的經(jīng)驗(yàn)值。,困難和局限,上述方法大多以經(jīng)驗(yàn)為主或者結(jié)合求解便利與工程利弊考慮，缺乏明確的工程意義、確定原則和系統(tǒng)方法，在工程實(shí)踐中存在一定的困難和局限。基于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的實(shí)時工況和全樁解，特別是配合開發(fā)的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件“Analypile”的Excel平臺，便于規(guī)劃求解，從而可以較為合理的解決預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)拉力及其鎖定值的確定原則和方法。,優(yōu)化確定法,,,計(jì)算實(shí)例,Analypile,K