预应力锚索抗滑桩创新设计计算.ppt

预应力锚索抗滑桩的设计计算预应力锚索抗滑桩的设计计算 目 录目 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 锚索抗滑桩设计计算历史与现状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 • 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 时步工况法时步工况法 • 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 实时工况法实时工况法 • 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 成桩工况条件成桩工况条件 •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 前期滑坡推力作用工况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 预应力锚索锁定工况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 后期滑坡推力作用工况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 锚索抗滑桩的实时工况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 关键技术关键技术 • 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 桩侧地基抗力系数特点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 。

锚索等效弹簧的间断和锚头位移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 预应力锚索的实时拉应力值预应力锚索的实时拉应力值 桩侧抗力系数桩侧抗力系数k k 抗滑桩结构分析全桩解算方法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 基本假定基本假定 • (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 • (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 有限差分解有限差分解 预应力锚索的等效与简化预应力锚索的等效与简化 抗滑桩结构分析计算程序抗滑桩结构分析计算程序AnalypileAnalypile 桩头预应力锚索的设计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 困难和局限困难和局限 • 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 优化确定法优化确定法 优化目标可变单元约束条件 桩体两侧 最大弯矩之 和为最小 锚索设计拉 力 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 计算实例计算实例 AnalypileAnalypile K176+460K176+460设计断面设计断面 稳定性分析与指标反算稳定性分析与指标反算Fs=1.002Fs=1.002 滑坡推力计算滑坡推力计算E E＝＝800kN800kN／／mm 抗滑桩设计抗滑桩设计 变形、内力及桩侧应力变形、内力及桩侧应力 剪力包络图剪力包络图 弯矩包络图弯矩包络图 要点提示要点提示 • 简化工况法存在工程经济或风险问题 • 考虑桩锚协调变形时，桩侧地基系数的取 值要求较为准确，或加强安全分析 • 支挡结构与锚固工程的协调变形问题在路 堑边坡工程中尤为突出，特别是逐级开挖 逐级加固及锚固地层极限锚固力较低的情 况下。