悬臂桩的弹塑性分析.doc

悬臂桩作为一种深层抗滑支挡结构，因其具有抗滑能力强、节约建筑用地、施工便捷等优点，被广泛应用于加固岩土体切方及填方工程等领域。尽管悬臂桩的设计理论、施工技术正不断得到发展，但当前设计理论大多都基于平面假定，实际工程中常常遇到一些因设计理论简化而导致的变形破坏现象。其埋深一般不小于基坑深度。经设计和实际施工表明，单纯以基坑深度来定悬臂挡土桩的埋置深度，当地质条件差时因埋深偏小，易造成桩身倾翻的质量事故；但当地质条件比较好时，如埋深偏大，又将造成浪费。国内外不少学者对悬臂桩受力状态、破坏机理及计算模式等进行了多方面的研究,已取得了不少成果。对于悬臂桩，其设计理论从早期的静力平衡法、Blum法发展到目前常用的弹性地基梁法，随着计算技术的不断发展改进，其内力计算方法也日趋成熟。同时，以悬臂桩为主体的复合支挡结构类型也逐渐丰富起来。
对于悬臂桩的分析是基于极限平衡条件下的假定,都大体上采用了弹性理论作为手段。其工作机理是凭借桩间的土拱效应将土压力或滑坡推力传递到相对静止的桩体,并通过桩身将荷载传递到稳定地层内。认为悬臂桩是以受弯变形为主的受弯构件,以滑坡面为界,面以上部分承受已知外荷载,桩后所受推力与桩前抗力二者分布规律相同,锚固段桩体一般承受两个对顶三角形分布形式的地层抗力,其抗力值控制在弹性应力允许值以内而不允许出现塑性区域,否则意味着地层失稳破坏,这是欠妥的。为防止桩间土体发生过大的变形，甚至绕流、垮塌现象，常在桩间加设挡土板或者桩间墙，共同支挡坡土体。这也对悬臂式桩支挡体系的设计提出了更高的要求，即不仅仅要保证桩体本身不破坏，桩顶变形应控制在允许值内，同时也要求桩间板、墙的设计须合理。

2弹塑性设计理论分析
2.1极限条件下抗滑桩的位移模式探讨
在极限条件下,抗滑桩的位移模式更多地表现为刚性桩,如图1所示,即:

图1弹性设计理论中极限条件下悬臂桩的位移模式
按这一模式,当较大时,在滑体和滑床都可能出现图1（b）所示的三角塑性平衡区。然而按照弹性理论是不允许出现塑性区的,因此,国内工程界对此采取了两点对应措施:①视桩前下块抗力为已知,取下块的剩余抗滑力或被动土压力两者中的较小值,从而解决了滑体区出现的塑性区域的问题;②通过加大桩的断面尺寸和锚固深度,以限制转角,避免在滑床区出现塑性平衡区域。
对此作以下的讨论:
(1)一般性工程岩土并非都是都是理想的弹塑性材料。在弹性段和塑性段之间大体上都存在一个过渡阶段,即弹塑段,也称为硬化阶段。在此段内当应力一定时,应变并非都是无限地增大。如果我们能将桩前地层抗力控制在弹塑段的某一个值,则完全可能做到控制桩前地层的变形。
(2)桩前地层的失稳破坏,并不取决于是否已出现塑性区,而是取决于最危险破裂面的剪应力是否超出了其最大的抗剪强度。
(3)地基在局部范围内出现塑性平衡区,并充分利用其塑性抗力,塑性承载力的例子并不少见,也不见得都导致地基失稳破坏,比如被动式挡土墙,即是明显利用塑性抗力的例子。
可以认为:抗滑桩现行的弹性设计理论偏于保守。
2.2弹塑性设计理论的提出
2.2.1弹塑性设计模式
抗滑桩的弹塑性设计认为,在抗滑桩使用过程中,其锚固段出现一定范围的弹塑性平衡区是许可的,故提出“弹塑性设计模式”。
(1)视抗滑桩嵌固在稳定滑床中,并靠置在桩前下块上,桩后滑坡推力和桩前下块抗力均为已知外力;
(2)视滑床区弹塑性段抗力为已知外力,可通过现场试验等手段予以确定;
3)桩的整体平衡计算仍采用现有的地基系数法或其它简便算法。
“弹塑性设计模式”的基本思路是:在桩的较大位移段采用已知外力替代的方法,而在小位移处采用地基系数法,希冀更好地照顾到抗滑桩工作的特殊性并与目前延用的弹性设计理论有一定的衔接,这样便于应用,从而达到或近似达到桩身的破坏与滑床地层失稳破坏同步的设想。使抗滑桩的设计更符合实际工作情况并更趋于经济。“弹塑性设计模
式”的核心是滑床地层塑性区破坏机制的建立,其关键的设计参数是弹塑性区的范围,即
弹塑性区最大容许临界高度的确定。
2.2.2关于斜裂面的形状
许多学者研究认为,实际斜裂面的形状更接近于圆弧面或对数螺弦曲面,然而以平面代替实际曲面的误差对工程而言是可以接受的。故本文对斜裂面的形状也按平面处理。为此,从剖面看,滑床地层弹塑性区可近似为一个三角形楔体,如图1b所示。其形状由破裂角θ确定。对弹塑性区侧面的影响范围,即其应力扩散角ω的取值。本文认为,由于山地滑坡的稳定地层大都为岩质或半岩质,其内摩擦角φ一般较低;又我国所使用的抗滑桩大都为方形桩,桩的宽度较大,为计算方便,取扩散角为0,即侧裂面按平面考虑。
据此,提出滑床弹塑性区空间破坏楔体模型如图2所示。

3弹塑性区临界高度hc
利用极限平衡法对图2b所取隔离体进行分析:
滑动力:(2)
抗滑动力：（3）
所以有
（4