预应力锚索抗滑桩的设计计算

Soil: 2 Description: 残积含砾粘性土 Soil Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 19 Cohesion: 25 Phi: 21 Pore-Air Pressure: 0
Soil: 3 Description: 弱风化花岗岩 Soil Model: Bedrock Pore-Air Pressure: 0
桩后地面 桩前地面 抗 滑 桩
锁定 预应
力
桩前滑坡抗力
前期 桩后滑坡推力 滑动面 地基线弹性支座
后期滑坡推力作用工况
• 当预应力锚索锁定作业完成以后， 预应力锚索抗滑桩还将承担后期滑 坡推力直至设计滑坡推力状态，并 与预应力锚索协调变形和共同作用。 在该时步工况条件下，其外荷载包 括后期滑坡推力、桩头锁定预应力 和前期滑坡推力与滑坡抗力，即全 部荷载作用；桩侧地基为滑面以下 桩段范围内的线弹性地基支座和预 应力锚索等效线弹性支座。如图4 所示。 其中需要明确的是，预应力锚索锁 定工况条件下，在滑面以上产生的 桩侧抗力部分是由后期滑坡推力平 衡所包含；另外，预应力锚索与桩 体的协调变形和耦合作用是通过在 相应锚头处作用的等效弹性支座处 理。
预应力锚索的实时拉应力值
桩侧抗力系数k 桩侧抗力系数k
抗滑桩结构分析全桩解算方法
• 在既有横向荷载桩相关计算技术成果的基 础上，结合有限差分法，推导完成了抗滑 桩结构分析全桩解算方法，并开发了一套 抗滑桩结构分析计算软件“Analypile”。全 桩法是将抗滑桩结构考虑为一整体结构进 行解算，并适用于预应力锚索抗滑桩的实 时工况条件。
锚索抗滑桩设计计算历史与现状
• 对于预应力锚索抗滑桩结构的分析计算， 在工程实践中常用的方法可分为三类。 • 第一类计算方法，即简化工况法。 • 第二类计算方法，即时步工况法。 • 第三类计算方法，即实时工况法。
简化工况法
• 简化工况法是直接将锚索预应力作为外荷载施加 在桩头上，与滑坡推力一起按静力问题计算滑面 以上桩身内力及滑面处的剪力和弯矩，而滑面以 下桩体内力计算与普通抗滑桩有关计算相同。 • 这类计算方法没有考虑锚索与桩体的变形协调及 其历时工况条件，认为锚索的拉力就是所施加的 预应力在工作过程中其值保持不变或最终设计拉 力状态。 • 这种方法计算较简单，但由于在滑坡推力作用下 未考虑锚索与桩的协调变形以及历时荷载作用过 程，必将存在工程经济或风险问题。
抗滑桩结构 分析计算 Analypile 桩体材料 参 数 边界条件 参 数 荷载及地基 参 数
无前期 滑坡推 力作用 锁定预应力损失 后期预应力损失
实时工况 条件控制 普通抗滑桩 前期滑坡推力作用 预应力锚索锁定 后期滑坡推力作用 抗滑桩结构分析计算 图 表 滑坡推力消涨
桩头预应力锚索的设计
• 对于桩头预应力锚索的设计，需要解决两个关键 问题，即预应力锚索设计拉力值和预应力锚索锁 定拉力值的确定原则和方法。 • 在以往工程实践中，具有代表性的有以下几种： • 王化卿等将预应力锚索的设计拉力值确定为净滑 坡推力在滑面处产生的剪力值的1/2至4/7； • 刘小丽和桂树强等根据桩锚协调变形进行锚索预 应力值的设计； • 王桢等基于工程造价目标试算提出为桩体受力 15～25％的经验值。
换算锚索弹簧 锁定水平 初始拉力 Po 预应力Po
kp
桩后地面
y
桩前地面 桩前滑坡抗力 E2 桩前地基K2 线弹性支座
锚索等效 弹性地基系数kp
抗 桩后滑坡推力 滑 E1-1 E1-2 桩 前期 后期 E1 滑动面 桩后地基K1 线弹性支座 x（h）
关键技术
• 对于预应力锚索抗滑桩结构的实时工况计 算，其关键技术有如下两个方面： • 其一是桩侧地基抗力系数的问题。 • 其二是桩体或锚头锁定前后变形的间断和 连续问题，即锚索等效弹簧的间断和锚头 位移的连续。
预应力锚索抗滑桩的设计计算
中铁西北科学研究院 廖小平
目 录
• • • • • • • 锚索桩的结构特点 主要设计计算方法及发展 锚索桩的工况条件 抗滑桩的全桩计算 桩头锚索的确定与优化 计算实例 要点提示
锚索桩的结构特点
• 预应力锚索抗滑桩是中铁西北科学研究院（原铁 道部科学研究院西北研究所）于20世纪80年代研 究开发的一种新型抗滑桩结构形式，其基本结构 改进是在普通抗滑桩的桩头部位设置一孔或多孔 预应力锚索。 • 这种新型抗滑桩结构的突出特点是改变了普通抗 滑桩的悬臂锚固梁柱结构为近似弹性支座简支梁 柱结构，使其桩身受力状态更趋合理，并具有主 动加固滑坡体的作用和功能。 • 由于其结构优化、造价节省且工程效果显著，因 此在铁路、公路及其它工程建设领域滑坡病害治 理工程实践中获得了广泛的应用和发展。
锚索等效弹簧的间断和锚头位移
• 预应力锚索锁定前和锁定后存在一个等效锚索线 弹性支座之差，即锁定前不计锚索支座，锁定后 要考虑锚索支座，体现桩体与锚索的协调变形； • 锚头位移一旦锁定完成后将存在一个初始变形值 （锁定时锚头位移）参与桩锚的协调变形和作用， 亦可认为预应力锚索等效弹簧存在一个虚拟的初 始拉力值（独立于实际的锁定拉力值之外），以 保持预应力锚索锁定前后锚头位移的连续变形和 桩锚协调作用。
成桩工况条件
• 抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩 头锚索预应力施加之前，一般 不考虑滑坡推力的作用(显著变 形活动的滑坡体除外)，其桩身 外荷载为桩身前后两侧的静止 土压力荷载，如果桩身前后地 面高差明显，则存在不平衡土 压差，将产生桩体的小量变形 和桩侧反力，严格地说，会影 响下一时步的桩体变形和桩侧 反力分布。由于考虑这种土压 差较小，且基本已在桩身护壁 施工期间通过护壁结构调整和 承担，故通常视该成桩工况条 件为空载条件。
困难和局限
• 上述方法大多以经验为主或者结合求解便利与工 程利弊考虑，缺乏明确的工程意义、确定原则和 系统方法，在工程实践中存在一定的困难和局限。 • 基于预应力锚索抗滑桩的实时工况和全桩解，特 别是配合开发的预应力锚索抗滑桩结构分析计算 软件“Analypile”的Excel平台，便于规划求解， 从而可以较为合理的解决预应力锚索设计拉力及 其锁定值的确定原则和方法。
•
桩后地面 桩前地面 桩前滑坡抗力 抗 滑 桩 锚索线弹性支座 锁定 预应 力 后期桩后滑坡推力 （含前期滑坡推力） 滑动面 地基线弹性支座
•
锚索抗滑桩的实时工况
• 为了解算预应力锚索抗滑 桩实时桩身位移、内力及 桩侧应力等动态力学参数, 就需要建立一个实时工况 计算模式。作者基于预应 力锚索抗滑桩在预应力锚 索锁定前后的承受荷载和 桩侧地基反力特征，并通 过在锁定前后即锁定时建 立锚索等效弹簧间断和变 形连续条件，从而实现预 应力锚索抗滑桩的全过程 实时工况解。
桩侧地基抗力系数特点
• 桩前与桩后的侧向地基抗力系数有可能是不相同 的，如桩前桩后地面存在明显高差的情况； • 当桩体位移为正即向桩前变形时应取用桩前侧向 地基抗力系数，当桩体位移为负或桩体向桩后变 形时应取用桩后侧向地基抗力系数； • 滑面以上与滑面以下桩前侧向地基系数也有显著 差别，即由于桩后滑坡推力和桩前滑坡抗力计算 荷载的假定可以认为滑面以上桩前侧向抗力为零。
时步工况法
• 这类计算方法的主要特点是考虑或体现预 应力锚索与抗滑桩体的变形协调机制，即 桩头变位与锚索变形相一致。 • 按预应力锚索抗滑桩的施工顺序和承力步 骤计算预应力锚索抗滑桩在各相关工况历 时条件下的桩身变形、内力和桩侧应力等。 • 时步工况法又分为时步累进计算法和时步 叠加计算法。
实时工况法
基本假定
• (1)抗滑桩按弹性构件进行计算，地基考虑为线弹性 Winkler模型，锚索按换算线弹性Winkler 模型计算。 • (2)锚索桩所承受的滑坡推力和桩头锚索施加预应力（锁定） 均按外荷载考虑。 • (3)不计桩周摩擦和桩底反力等桩身轴向力作用。 (3) • (4)预应力锚索抗滑桩的计算模式是根据预应力锚索抗滑桩 的施工顺序和承力步骤，采用实时工况条件。 • (5)对于预应力锚索抗滑桩实时工况条件下的预应力损失和 滑坡推力波动或消涨，采用增减外荷载的方法处理。 • (6)桩身位移和滑坡荷载以指向桩前侧为正，桩身剪力以指 向桩后为正，桩身弯矩以桩前侧受拉为正。
优化确定法
锚索设计拉力值的确定 实时工况全桩解 Analypile 最终设计工况 滑坡推力与锚索设计拉力共同作用 前期滑坡推力作用 规划求解 Excel 优化目标 最大正负弯矩求和 最小值 约束条件 求解 变量 前期滑坡推力与 锚索设计拉力共同作用
优化目标 桩体两侧最 大弯矩之和 为最小 可变单元 锚索设计拉力 约束条件 桩顶位移满足工程要求； 桩侧应力满足地基容许应力要求； 前期滑坡推力作用时桩后最大弯矩小于最终 状态桩后弯矩；锚索锁定时桩前最大弯矩小 于最终状态桩前弯矩。
最大负弯矩
最大正弯矩
桩顶位移
桩侧应力
容许位移
容许应力
锚索设计拉力值
计算实例
Analypile
K176+460设计断面 K176+460设计断面
稳定性分析与指标反算Fs=1.002
Factor of Safety: 1.002 Soil: 1 Description: 坡积含砾粘土 Soil Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 17.5 Cohesion: 25 Phi: 21 Pore-Air Pressure: 0
• 实时工况计算法，是在时步工况计算法的 基础上，建立预应力锚索抗滑桩实时工况 计算模式，实现预应力锚索抗滑桩工作全 过程的实时动态解。
锚索桩的工况条件
• 根据预应力锚索抗滑桩的施工构筑工序、预应力 锚索的锁定步骤和滑坡推力的作用时步等桩身受 力状态，分析预应力锚索抗滑桩的工况历时条件 主要可以分为： • 抗滑桩的成桩工况 • 前期滑坡推力作用工况 • 预应力锚索锁定工况 • 后期滑坡推力作用工况 • 滑坡推力波动和锚索预应力损失工况
滑坡推力计算E＝800kN／m 800kN／
Description: SMA8-11-K176+384～+582段右边坡滑坡加固工程检算 Comments: K176+460里程断面 File Name: SMA8-11-K176+384～+582段右滑坡-抗滑桩设计1.slz Analysis Method: Morgenstern-Price Direction of Slip Movement: Right to Left Slip Surface Option: Grid and Radius 单孔450KN，交错锚索框架，L＝35M，Lm＝15M Factor of Safety: 1.248
桩后地面 桩前地面 桩前滑坡抗力 抗 滑 桩 前期 桩后滑坡推力 滑动面 地基线弹性支座
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预应力锚索锁定工况
• 抗滑桩桩身灌筑完成并达 到设计强度要求之后，即 可对桩头锚索进行张拉， 施加预应力，并按照设计 锁定拉力值进行锁定。 • 在该时步工况条件下，其 外荷载包括桩头锁定预应 力、桩前滑坡抗力和前期 桩后滑坡推力；桩侧地基 考虑为滑面上下全桩段范 围内的线弹性地基支座。
桩后地面 Biblioteka Baidu前地面 桩前土压力 抗 桩坑护壁 滑 桩 桩后土压力 滑动面
地基线弹性支座
前期滑坡推力作用工况
• 抗滑桩桩身灌筑完成之后，桩头锚 索预应力施加之前，当滑坡病害存 在显著的变形活动，必须考虑前期 滑坡推力的作用，应该说是部分滑 坡设计推力的作用，此时可根据相 关工程经验或现场实测值确定外荷 载进行计算。 在该时步工况条件下，其外荷载为 前期滑坡推力，即前期桩后滑坡推 力和桩前滑坡抗力；桩侧地基为滑 面以下桩段范围内的线弹性地基支 座。 其中需要明确的是，前期滑坡推力 作用仅当滑面以上桩后滑坡推力大 于桩前滑坡总抗力时才能产生作用， 即部分桩后滑坡推力用于平衡桩前 滑坡抗力。
有限差分解
y kh L=nλ
1 2 3 4 5 i n+1 n+2 n+3 n+4 n+5
Mt
Ht q(x)
x
预应力锚索的等效与简化
y kh
kh(xi)
1 2 3 i-1 kp i i+1 n+1 n+2 n+3 n+4 n+5
Mt
Ht q(x) qo(xi) q(xi)
x
L=nλ
khi
Po
x
抗滑桩结构分析计算程序Analypile 抗滑桩结构分析计算程序Analypile