摘 要

滑坡推力大小及其分布形式是支挡结构受力特性的主要决定因素，在滑坡治理设计方案的选择上具有重大意义。随着计算机的快速发展，数值模拟方法在岩土工程领域中的应用愈加广泛，在此基础上，应用有限元法分析滑坡的治理方案既高效又准确。

论文采用数值模拟方法，通过改变岩土性质、滑坡参数等进行模拟分析，探讨滑坡推力作用在抗滑桩上的真实分布形式和受力情况。论文主要做了以下工作：

1. 改变滑坡中滑体的岩土性质，研究不同岩土性质对抗滑桩桩后滑坡推力的大小及其分布形式。得出的结论有：粉土滑坡模型滑坡推力呈三角形~梯形分布，砂土滑坡模型滑坡推力呈梯形分布，碎石土滑坡模型呈抛物线形分布。
2. 改变边坡顶部荷载，研究在不同负重状态下，滑坡推力的大小及其分布形式的变化。得出的结论有：在荷载增加时，粉土滑坡模型浅部推力增大，分布形式逐渐由三角形变为抛物线形；砂土滑坡模型的推力仅变大不会改变分布形式；碎石土滑坡模型的推力在浅部增长更快，但分布形式变化很小。
3. 以碎石土滑坡模型为例，改变其滑体厚度，发现厚度并未对其滑坡推力大小及分布形式产生明显变化。

关键字：滑坡推力分布形式、抗滑桩、岩土性质、滑体厚度

Abstract

The magnitude and distribution of landslide thrust are the main determinants of the mechanical properties of retaining structures, which is of great significance in the selection of landslide control design schemes. With the rapid development of computer, numerical simulation method is more and more widely used in the field of geotechnical engineering. On this basis, the application of finite element method to analyze landslide treatment scheme is efficient and accurate.

In this paper, numerical simulation method is used to simulate and analyze the real distribution and stress of landslide thrust on anti-slide pile by changing the properties of rock and soil, landslide parameters and so on. The main work of this paper is as follows:

(1) Change the rock and soil properties of the sliding body in the landslide, and study the magnitude and distribution of the landslide thrust behind the anti-slide pile with different rock and soil properties. The conclusions are as follows: the thrust distribution of silt landslide model is triangular to trapezoidal, that of sand landslide model is trapezoidal, and that of gravel landslide model is parabolic.

(2) Change the top load of the slope, and study the change of the magnitude and distribution of landslide thrust under different loading conditions. The conclusions are as follows: when the load increases, the shallow thrust of silt landslide model increases, and the distribution form gradually changes from triangular to parabolic; the thrust of sand landslide model only increases, but does not change the distribution form; the thrust of gravel landslide model increases faster in shallow, but the distribution form changes little.

(3) Taking the gravel soil landslide model as an example, by changing the thickness of the sliding body, it is found that the thickness does not change the magnitude and distribution of the landslide thrust.

Key words: thrust distribution form of landslide, anti-slide pile, rock and soil properties, thickness of sliding body

目 录

摘 要 0

Abstract 1

目 录 2

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 滑坡的形成机理分析 2

1.3 抗滑桩研究 3

1.4 数值模拟在滑坡推力中的研究进展 4

1.5 本文的主要研究内容及技术路线 4

1.5.1 主要研究内容 4

1.5.2 模拟路线 5

第2章 不同岩性滑坡推力分布研究 6

2.1 引言 6

2.2 均质滑坡数值模拟分析 6

2.2.1 地质资料 6

2.2.2 模型的建立 7

2.2.3 力学参数及边界条件 10

2.2.4 计算分析 12

2.3 本章小结 18

第3章 不同荷载滑坡推力分布形式研究 20

3.1 引言 20

3.2 不同荷载均质滑坡数值模拟分析 20

3.2.1 地质资料 20

3.2.2 模型的建立 21

3.2.3 力学参数及边界条件 24

3.2.4 计算分析 26

3.3 本章小结 29

第4章 不同厚度滑坡推力分布形式研究 31

4.1 引言 31

4.2 不同厚度均质滑坡数值模拟分析 31

4.2.1 地质资料 31

4.2.2 模型的建立 32

4.2.3 力学参数及边界条件 35

4.2.4 计算分析 37

4.3 本章小结 42

第5章 结论与展望 43

5.1 主要结论 43

5.2 展望 43

致 谢 45

参考文献 46

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

我国是一个多山国家，约有2/3的国土面积为山地面积[^[1]]。在这样的地形地貌上发展建设，会产生许多高边坡，因而在工程建设中，很容易遇到边坡的稳定性问题。边坡若发生失稳，会给国家经济、安全带来严重损害。在各种边坡破坏形式中，滑坡是一种分布最广、危害最为严重的地质灾害[^[2]]。滑坡灾害通常发生于一定的工程地质与水文地质环境中，是一种斜坡变形运动。

国内外因滑坡灾害造成的重大生命财产损失的案例屡见不鲜。中国、美国、意大利、印度等世界上滑坡灾害严重的国家，每年因滑坡造成的损失均在10亿美元以上[^[3]]。本文将简略的回顾一个世纪以来的国内外滑坡灾害案例（表1.1）。

表1.1 国内外典型灾难性滑坡案例

Table 1.1 Typical catastrophic landslides in China and abroad

滑坡危害影响巨大，因此对滑坡治理工程技术的发展研究就具有很大意义。滑坡治理作为岩土工程中一项复杂的问题，在治理效果上，需要保证在预防滑体滑动的同时，更要保证滑坡周边工程的长期稳定性。抗滑桩作为一种支挡加固结构，在其侧向承受荷载作用，在滑坡中，它穿过滑动面上部的滑体，锚入较为稳固的基岩中，利用基岩的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力[^[4]]，维持滑体的稳定性。抗滑桩能满足长期性与有效性，因此得到了广泛应用。

设计抗滑桩结构时，滑坡推力大小及其分布规律对抗滑桩结构的合理性有很大的影响。若滑坡推力计算得过小，可能导致结构强度不够，无法有效支护，造成事故，威胁国家和人们的生命财产安全，若滑坡推力计算得过大，会造成滑坡治理工程经济上的浪费。

1.2 滑坡的形成机理分析

滑坡的形成主要是由于岩土的抗剪强度过低，用内聚力c和内摩擦角φ表征。斜坡上的滑体在重力或荷载的作用下，会沿着软弱面向下滑动，就产生了滑坡地质灾害。滑坡土体的抗剪强度通常由室内抗剪强度试验测出，一般情况下，无粘土性的砂土的内聚力c=0，其抗剪强度主要由内摩擦角φ提供，取决于砂土中砂砾间的摩擦力。粘性土则来源于内摩擦力和土粒间的粘结力，主要由土粒间水膜、分子引力和土中天然胶结物质对土粒的胶结作用产生。而上述这些都会受到土的物理化学性质、孔隙水压力等的影响[^[5]]。例如岩土中石英含量较多，其内摩擦角φ就相对大，若云母含量多，则φ减小，岩土中若含有较多的水，其内摩擦角φ就会减小，粘性土的天然结构若遭受破坏，其内聚力c也会降低[^[6]]。

通过滑坡的岩土性质将滑坡进行分类，其种类繁多，本文主要研究粉土滑坡、砂土滑坡和碎石土滑坡。滑坡在形成过程中可分为抗滑、主滑和牵引段三段滑带（如图1.1）究其原因是：在外界因素的作用下，使一定地质条件下的边坡不能保持平衡状态，蠕性变形逐渐产生，逐渐扩大为主滑段，当主滑段的位移扩大，牵引段就因失去支承沿着滑动面与主滑段结合共同推挤抗滑段，最终形成整体滑坡。

图1.1 滑坡分段图

Figure 1.1 Landslide Segmentation Map

1.3 抗滑桩研究

自20世纪40年代以来，国外已逐步采用抗滑桩处理滑坡。到了六十年代，美国就将有限元法应用到抗滑桩设计上。例如，在隧道上方地表修建公路，由于工程建设引起地表及隧道发生了位移，通过使用平面有限元分析法，确定了滑坡产生的原因。将现场数据与有限元分析结合对比，成功设计了整治滑坡的方案。

宝成铁路始建于20世纪50年代，当时中国首次使用抗滑桩进行政治滑坡。后来，我国开始通过应用试验、理论计算和有限元分析法来研究抗滑桩的理论。

目前，在抗滑桩的设计中，一般认为地基土是弹性介质，而采用弹性地基梁的计算原理。桩的计算因对桩滑动面以上滑动体作用的不同看法而不同，可归纳为以下三种：

1. 悬臂桩法。滑坡推力和滑动面上桩前的被动土压力被认为是已知的外力，假定两种力的分布相同，并作为滑动面上抗滑桩的设计荷载。根据滑动面下部的岩土地基系数，计算了锚固段的应力、截面的变化和桩的内力。锚定在滑动面以下的悬臂结构相当于桩的计算公式。该方法出现较早，计算方便。它在工程中得到了广泛的应用。
2. 地基系数法。桩身顶部滑动面上的滑坡推力被认为是已知荷载。根据滑动面上下层的地基系数，将整个桩视为弹性地基上的梁，而不考虑滑动面的影响。
3. 有限元法。依托于计算机的飞速发展，桩的应力状态有限元分析为抗滑桩的设计提供了一种新的方法。

1.4 数值模拟在滑坡推力中的研究进展

计算机技术的蓬勃发展使得数值模拟方法在岩土工程领域中的应用愈加广泛，主要的方法有有限差分法、有限元法、离散元法、边界元法等，涌现出FLAC3D、ANSYS、ABAQUS等知名软件。

陈曦[^[7]]使用ABAQUS软件模拟了双排桩滑坡推力的传递进程，总结了滑坡推力的组成部分，推出了计算双排桩滑坡推力的公式。

G.R.Martin[^[8]]、S.Lirer[^[9]]、Jinoh Won[^[10]]、C.Y.Chen[^[11]]利用FLAC3D软件对滑坡进行模拟，主要研究抗滑桩桩身的内力与位移。

K.Georgiadis[^[12]]利用有限元法研究排桩中土压力变化规律，分析了桩长为桩侧的土压力变化规律的主要影响因素。

巨能攀[^[13]]利用有限元分析法研究了桩板墙中桩土的相互作用机理，总结出桩土共同作用时桩身滑坡推力分布形式和传力的方式。

李梅[^[14]]利用有限元分析法分析了滑带结构特征与物理参数对抗滑桩滑坡推力分布形式的影响规律。

1.5 本文的主要研究内容及技术路线

1.5.1 主要研究内容

本文的研究使用有限元分析法，以数值模拟分析为主。由于抗滑桩受力与滑坡推力分布形式有着复杂的关系，围绕相同的抗滑桩在不同性质滑坡治理工程中发挥的支挡加固作用，探寻不同性质滑坡的滑坡推力分布形式，进而研究分布形式对抗滑桩受力的影响，总结出抗滑桩设计时最经济、有效的方案。本文重点研究以下内容：

1. 本文研究的边坡以古木冲桥边坡为原型，利用数值模拟软件Ansys建模及连续拉格朗日有限差分软件Flac3D进行计算，获得抗滑桩的应力应变状态，分析该滑坡推力分布形式，总结抗滑桩受力规律。
2. 研究不同滑坡岩土性质条件下，滑坡的应力应变状态及滑坡推力分布形式，分析抗滑桩受力规律。
3. 研究滑坡所受荷载不同条件下，滑坡的应力应变状态及滑坡推力分布形式，分析抗滑桩受力规律。
4. 研究边坡不同厚度滑体条件下，抗滑桩的应力应变状态，分析滑坡推力分布形式。

1.5.2 模拟路线

FLAC 3D在计算功能上十分强大，但其建模难度大，费时费力易出错，而ANSYS在建模方面具有显著的优点。本文利用两者的优点，采用在ANSYS中建立三维模型后，导入到FLAC 3D中进行计算的模拟方案。

主要的步骤：

（1） 利用ANSYS创建单元模型，并填写其实常数；

（2） 建立三维边坡模型；

（3） 按不同精度划分模型中各组网格

（4） 模型导入至FLAC3D中进行计算；

（5） 定义材料属性，设定边界条件；

（6） 模拟加载，记录应力及位移变化，进行分析总结。

第2章 不同岩性滑坡推力分布研究

2.1 引言

尽管研究抗滑桩滑坡推力的分析方法有很多，但对其分布规律研究资料较少，在设计中仅依靠工程经验与工程类比的方法确定往往会产生较大误差。本章将研究不同岩土性质的滑坡桩后滑坡推力分布形式，在某一边坡的基础上，考虑滑体分别为均质的粉土、砂土和碎石土，采用数值模拟的方法，分析不同岩土性质对滑坡推力的影响规律。

2.2 均质滑坡数值模拟分析

2.2.1 地质资料

本文的研究将以古木冲桥边坡为原型，边坡位于江西省萍乡市湘东县辖区[^[15]]，杭州—长沙高铁干线DK815横穿此边坡，滑坡横向跨度94m，坡高36m，为较大型边坡。边坡主要由泥灰岩与青灰岩组成，滑坡表层为强风化的泥灰岩，隐晶质结构，考虑其为软岩，风化现象极为严重，岩石多被切割成碎石或块石，节理裂隙较为发育。下层为弱风化的泥灰岩，呈青灰色，隐晶质结构，岩石较为完整，地下水无侵蚀作用[^[16]]。

为研究滑体岩土性质对滑坡推力分布形式的影响，仅考虑滑坡几何形状和岩土的性质，支护结构上仅考虑使用抗滑桩，抗滑桩全长23m，截面尺寸为2.5×2.75m，选用该边坡的某一横向跨度长62.5m，宽40m，高28.5m的剖面作为研究对象，其滑体的厚度为11.5m，如图3.1所示。

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