本文是一篇土木工程论文，本文以实际工程参考原型，以振动台模型试验以及数值模拟等手段围绕“h型组合抗滑圆桩加固边坡”开展地震作用下桩身和边坡的动力响应特性研究，得到了一些在地震作用下h型组合抗滑圆桩的加速度、动土压力、内力分布等响应情况，同时也对边坡在加固前后动力响应的区别之处。
1 绪论
1.1研究背景和研究意义
我国幅员辽阔、地形地貌丰富，其中高原、丘陵地貌以及高山占约70%的国土面积，尤其是在我国西部地区，地质条件和气候条件相对复杂多变，因此包含泥石流、滑坡等在内的地质灾害频频发生[1-2]。据自然资源部地质灾害指导中心统计，2019年我国的滑坡灾害在众多地质灾害类型中占比高达68.27%，如图1-1所示。这严重干扰我国的西部经济开发进程，同时对人民的生命财产安全造成了威胁。
土木工程论文参考
诱发地质灾害的因素既有人为因素，如土体开挖、山体爆破等，也有自然因素，如降雨、地震等，地质灾害的发生也存在以上几种因素的耦合所致[3-4]，其中地震是最主要、造成危害最大的地质灾害[5]。2022年我国内陆地区有27次地震活动在5级以上，其中涵盖四川、新疆等在内的西部地区地震频率更为集中，导致近94万人次遭受灾害，以及约224.5亿元的直接经济损失。我国山区多，地震诱发山区滑坡的现象层出不穷[6-9]，如“2008.05.13 汶川特大地震”诱发了15000处滑坡次生地质灾害[10]，“2014云南鲁甸地震”诱发了约1000处滑坡，且规模均在100m2以上[11]。因此，“如何有效减少高烈度地震区滑坡灾害”一直被专家学者们予以高度重视。抗滑桩作为滑坡灾害治理的主要结构[12-13]，能够有效得将滑坡推力作用传递至边坡的下卧稳定基岩中[14]，进而维持边坡的稳定。自20世纪60年代我国开始应用抗滑桩以来，面对不同的地质条件人们采用的抗滑桩形式逐渐多样化，也更加具备针对性。从早期的单排抗滑桩，发展至如今的双排抗滑桩、门型钢架桩以及h型组合抗滑桩等，图1-2为国内外主流的抗滑桩形式。此外，抗滑桩还可以和锚索结构组合形成单锚点或多锚点预应力锚索抗滑桩，具有良好的普适性。当前抗滑桩的截面形式主要包含矩形截面和圆形截面[15]，前者需要人工开挖，因而矩形截面的抗滑桩易受施工环境的影响，且存在塌孔等风险；相比之下，尽管圆形截面抗滑桩抗弯能力稍差，但是该类截面可采用机械开挖成孔作业，提高了作业效率的同时减少了风险的存在。
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1.2国内外研究现状
自上世纪60年代以来，我国应用的抗滑桩类型逐渐多样，包含单排矩形抗滑桩、单排圆形抗滑桩、微型桩、单锚点/多锚点预应力锚索抗滑桩以及钢架桩等。为说明采用h型组合抗滑圆桩加固边坡时动力响应机制的科学性和可行性，本节将对比不同桩型之间的结构特征、受力机理等相关研究现状。在岩土工程领域，理论推导、模型试验以及数值模拟一直以来都是人们研究抗滑桩的主流方法，并取得了丰厚的研究成果。将这些研究成果以荷载作用的属性为探讨前提，抗滑桩的受力形式可分为静力作用和动力作用。
1.2.1单排抗滑桩和双排抗滑桩研究现状
人们对单排抗滑桩的理论、试验、数值模拟以及到施工设计计算等层面的研究均有所涉及。首先就静力学领域而言，Li等[18]通过开展黄土边坡原位试验对全埋式单排抗滑桩的土压力分布形式进行了探讨，并结合数值模拟进行了验证；Lin[19]基于能量守恒的桩土作用机制，采用傅里叶级函数，依据现场试验的测斜数据分析单排抗滑桩的力学模型；Xiao[20]等基于运动学可容许失效机制推导了单排抗滑桩的力学模型，并编制计算机程序计算桩身最大荷载。其次在动力学领域，单排抗滑桩的研究成果多以地震作用为背景。Nazari和Ghanbari[21]提出了新的公式来预测单排桩加固边坡的概率地震位移，并且基于Newmark分析法，结合数值模型分析边坡发生的位移；Gong[22]等结合拟静力法简化地震作用荷载，并基于极限分析法对单排抗滑桩加固各向异性非均质边坡的抗震稳定性进行评价；魏潇[23]基于FLAC3D数值软件研究了单排抗滑桩在静力条件和地震作用两种工况下桩身参数对其抗震支挡效果的影响差异；李见飞[24]结合极限运动学相关理论，探究了地震作用下由单排抗滑桩支挡的边坡稳定性，并创新性地提出“拟动力法”来进行抗滑桩的抗震设计工作；王仲凯[25]利用数值模拟有限元软件PLAXIS 3D，研究了单排矩形截面抗滑桩在地震作用下桩身内力的响应情况。单排抗滑桩的抗滑能力有限，仅仅采用增大桩截面尺寸一方面会增大施工难度和风险，治理成本也相应增加，此时双排抗滑桩因其较强的抗滑支挡能力而被人们受以青睐[26]。
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2 基于振动台试验动力响应特性的模型试验设计
2.1概述
20世纪90年代中后期，数值模拟逐渐兴起，但基于相似材料的物理模型试验在攻克工程实际问题中依然具有直观、方便等特有的优势[95-96]，尤其是对于复杂或大型的岩土工程问题。近几年来，由于可直观体现研究对象在动力作用下的响应情况，振动台试验被广泛应用于包含岩土工程[97-101]、结构工程[102-103]等在内的各个领域，人们取得了丰硕的成果。因此，为直观反映地震作用下桩身与边坡的动力响应特征，本章采用室内振动台模型试验对h型组合抗滑桩的内力、损伤发展等问题开展研究。
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2.2 工程原型概况
九绵高速ZK142+124~ZK142+274段左侧边坡采用h型组合抗滑桩圆桩进行治理。其中长桩桩长36m，短桩长28m，桩径均为2.5m。两桩之间采用横梁连接，截面呈矩形，长6.6m，高2.5m，宽1.8m。桩身及横梁截面的实际尺寸及现场配筋情况如图2-1、图2-2所示。
土木工程论文参考
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3 无桩组试验动力响应规律分析 ..................... 24
3.1 宏观试验现象描述与分析 ................................ 24
3.2 无桩加固坡体组加速度响应分析 ........................ 26
4 h型组合抗滑桩加固边坡地震响应规律分析 ......................... 49
4.1 宏观试验现象描述与分析 ................................. 49
4.2 h型组合抗滑圆桩加速度响应特征 .......................... 51
5 地震作用下h型圆形组合抗滑桩数值模拟与优化结构分析 .......... 77
5.1 有限元程序 PLAXIS 简介 ......................... 77
5.2 本构模型的简介及选取...................................... 78
5 地震作用下h型圆形组合抗滑桩数值模拟与优化结构分析
5.1 有限元程序PLAXIS简介
PLAXIS系列数值模拟软件于20世纪90年代左右由荷兰Delft工业大学科研团队最先主持研发，其中PLAXIS 2D是该类系列中研发与应用时间最长且数值模拟功能最全最完善的一款软件。因此本文采用PLAXIS 2D软件开展数值模拟工作。总的来看，PLAXIS 2D主要具有以下特征：
（1）运算能力强，适配研究对象广泛。PLAXIS 2D除四大主模块以外，还专门研发开设了动力模块、渗流模块以及热模块，能够从事塑性、动力、渗流以及安全性等多种属性在内的研究对象。可对有关水流和风力等动力外荷载、地震作用的工程问题进行动力响应分析。因此，该软件可完全满足本文对动力加载及分析的需求。
（2）计算结果可靠，运行环境稳定。从可分析的工程类型来看，PLAXIS 2D能够模拟基坑、隧道、边坡、水库等各类工程。同时，PLAXIS 2D程序不仅仅拥有莫尔-库伦传统本构模型，还引进了HS（土体硬化模型）和HSS（小应变土体硬化模型）等能够反映土体刚度随应力状态变化的高级本构模型。因此，该软件能够在本文采用动力加载数值模型时，满足工程类型以及对坡体的刚度、应力的动态变化过程监测需求。
（3）操作方便快捷、界面清晰明了。PLAXIS 2D涵盖土、结构、网格、水力条件以及分步施工等五个项目操作栏，数值建模时按照此操作流程依次进行即可。PLAXIS 2D能够自动生成非结构化的高精度有限元网格，对于土体单元默认采用15节点高阶三角形单元模拟，结构单元涵盖板单元、锚杆单元、梁单元、土工格栅以及Embedded beam row，其中Embedded beam row是PLAXIS 开发的特有结构单元。同时，土与结构之间的相互作用（例如本文h型组合抗滑圆桩与边坡之间）可利用界面单元进行模拟。因此，该软件能够满足本文所需模拟的数值模型单元以及界面单元。
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6 结论与展望
6.1 结论
我国西南地区地震频发，且山区众多，有效防治（地震导致的）大中型滑坡灾害是保障西南地区交通工程平稳推进和人民生命财产安全的重要前提。h型组合抗滑圆桩具备良好的协同变形性能，可有效治理大中型滑坡灾害，但是对于该类桩型的抗震性能研究比较少。九绵高速（九寨沟--绵阳）作为连接西藏自治区、四川以及甘肃三大省份的又一交通要道，不仅有利于我国西部经济开发，同时提升了沿线公路网的防灾治灾能力。其中九绵高速ZK142+124~ZK142+274段左侧边坡采用h型组合抗滑桩圆桩进行治理，本文基于该工程原型，通过振动台模型试验、数值模拟等手段开展了h型组合抗滑圆桩加固边坡动力响应特性研究，得到以下有益结论：
（1）在h型组合抗滑桩的加固下，坡体在地震过程中的失稳过程表现为：坡肩至后缘部位首先出现张拉裂缝，随着地震强度升级，原有张拉裂缝不断延伸、扩展，并出现在悬臂端后侧因应力集中而出现平行于滑面的剪切裂缝；进一步地加载，滑体坡肩部位的剪切面逐渐贯通，然后滑落崩塌，且抗滑桩横梁下侧结构因应力集中导致破坏，最后整个坡体失稳。桩身震害失稳破坏归纳为有2~3个阶段：第一阶段体现为短桩横梁节点破坏，破坏前整个桩身框架主要变形点由长桩横梁节点转移至短桩锚固段，此阶段为桩身破坏或者是坡体开始失稳的临界状态；此后进入第二阶段，主要表现为滑体沿长桩桩顶产生越顶破坏；或者是长桩悬臂端处发生破坏；若为后者，则进入第三阶段，坡体沿滑面整体下滑。由于地震波的趋表效应，第二阶段和第三阶段有可能同时发生。相比之下，未加固边坡的震害受趋表效应和放大效应的双重影响，震害破坏模式因“矢量无序机制”表现为不断有岩土脆弱面新增，而由h型组合抗滑桩加固的边坡，主要表现出在高强度地震下纵深处以及远离加固区的位置出现震害损伤，明显削弱了地震波对坡表的损伤。
（2）无桩加固的边坡加速度响应具有更加明显的趋表效应和放大效应，而由h型组合抗滑圆桩加固的边坡，仅在遭遇相对更高强度的地震作用时才会表现出明显的趋表效应和放大效应。即在面对低强度地震作用时，h型组合抗滑桩能良好的协同桩间土，并且能削弱地震波的放大效应和趋表效应，提升边坡的稳定性。
参考文献（略）