本發(fā)明涉及邊坡防護治理，特別是涉及一種層狀巖土體滑坡多排預應力錨索樁計算方法。

背景技術：

1、在我國山區(qū)修建鐵路、公路工程時會面臨厚度深、推力大的大型滑坡治理問題，沿線需采用若干排預應力錨索與抗滑樁組成的預應力錨索樁進行聯(lián)合治理，其常見形式是在抗滑樁靠近樁頂?shù)奈恢迷O置一排或多排預應力錨索，錨索的錨固段應處于嵌固地層中，預應力錨索樁改變了普通抗滑樁不合理的懸臂式受力狀態(tài)，相當于在樁身懸臂段增加了水平約束，故其支護能力強、工程造價低，具有顯著的經(jīng)濟效益。山體滑坡由于沉積作用通常呈層狀構(gòu)造，在實際工程中預應力錨索樁經(jīng)常會穿越多種土層和巖層構(gòu)成的層狀復合地層。目前工程中常用的分析方法為地基系數(shù)法，包括m法與k法，分別是對于單層土體地層和單層巖體地層的解答，其采用冪級數(shù)法編制了不同邊界條件下的無量綱系數(shù)表，但只能針對單層均質(zhì)地基求解。針對此情況，對于層狀地層，《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》建議采用地基系數(shù)面積等效法，《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》建議采用撓曲線加權法，即利用加權平均法將層狀地層的地基系數(shù)換算成單層均質(zhì)地基的等效當量m值，再利用地基系數(shù)法進行求解，但對于層狀的巖土體滑坡，由于其地層差異性較大，所以并不適用。

2、另外，在對預應力錨索樁進行分析時，現(xiàn)有方法通常以滑面為界，人為地將錨索樁劃分為懸臂段和嵌固段單獨進行分析。懸臂段基于樁錨變形協(xié)調(diào)原理，采用結(jié)構(gòu)靜力學方法對錨索拉力進行分析，而嵌固段仍采用地基系數(shù)法（m法、k法）進行分析。由于樁身懸臂段和嵌固段的分別計算，最終還需利用二者在滑面處的變形連續(xù)性條件進行復雜求解，計算過程繁瑣。再有，上述方法主要針對單排錨索提出，未對多排預應力錨索的情況進行考慮。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提出一種過程更為程序化和智能化，計算精度和效率較高的層狀巖土體滑坡多排預應力錨索樁內(nèi)力及變形計算方法。

2、為此，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、一種層狀巖土體滑坡多排預應力錨索樁計算方法，包括以下步驟：

4、s1，通過樁身節(jié)點的劃分對預應力錨索樁的樁身進行離散化：

5、預應力錨索樁整體位于層狀巖土體滑坡中，所述預應力錨索樁的樁身全長包括滑動面以上、長度為的懸臂段和滑動面以下、長度為的嵌固段；將所述預應力錨索樁全樁離散為段，離散后各分段長為，樁頂以上和樁底以下各添加2個樁身虛節(jié)點，設樁身節(jié)點的編號為，；所述樁身節(jié)點與預應力錨索樁的錨拉點重合。

6、s2，根據(jù)樁身節(jié)點所在地基層的類型，計算樁身節(jié)點i處的地基系數(shù)。

7、s3，確定多排預應力錨索的數(shù)量及參數(shù)，包括以下步驟：

8、s31，確定預應力錨索數(shù)量?，計算預應力錨索的水平剛度，其中，為預應力錨索的編號，。

9、s32，計算第?排錨索初始預應力的水平分力：

10、；

11、式中，?為第?排錨索的初始預應力，為第?排錨索與水平面的夾角，均通過所述滑床地層的試驗資料或地勘報告獲得。

12、s33，第排錨索的初始預應力水平分力的線荷載集度為：

13、。

14、s4，確定滑坡推力的荷載分布和樁身節(jié)點處的外荷載：

15、構(gòu)建目標點與距樁頂距離有關的函數(shù)荷載分布，其中；并確定與樁身節(jié)點處的外荷載的映射關系；所述目標點為所述錨索樁身上的點。

16、s5，采用winkler地基梁理論，根據(jù)步驟s3得到的錨拉點處初始預應力水平分力與步驟s4得到的，對預應力錨索樁分段建立連續(xù)的樁身撓曲微分控制方程。

17、s6，建立樁身懸臂段和嵌固段上任一節(jié)處的全樁統(tǒng)一差分控制方程：

18、整合s5得到的不同段的樁身撓曲微分控制方程，得到樁身懸臂段、嵌固段上各樁身節(jié)點處的全樁統(tǒng)一差分控制方程：

19、

20、其中，為樁身在樁身節(jié)點處的水平位移；為樁身節(jié)點距樁頂?shù)木嚯x；為預應力錨索樁的各樁身節(jié)點處的水平模量，有：

21、

22、其中，為預應力錨索樁的計算寬度。

23、s7，補充邊界條件，建立全樁矩陣式線性方程組并求解，包括：

24、s71，建立樁頂?shù)倪吔鐥l件；

25、s72，建立樁底邊界條件，所述樁底邊界條件包括樁底自由、樁底鉸接和樁底固定；

26、s73，建立全樁矩陣式線性方程組并求解，包括：

27、首先判斷樁底邊界條件；

28、然后使用s6得到的全樁統(tǒng)一差分控制方程、s71得到的樁頂?shù)倪吔鐥l件和s72得到的樁底邊界條件，得到+5個樁身節(jié)點處的水平位移組成的多排預應力錨索樁的全樁矩陣式線性方程組：

29、；

30、其中，為剛度系數(shù)矩陣；為樁身位移矩陣；為荷載矩陣；

31、根據(jù)全樁矩陣式線性方程組計算得到的，并通過下式計算樁身節(jié)點處的預應力錨索樁的轉(zhuǎn)角、預應力錨索樁的樁身彎矩和預應力錨索樁的樁身剪力：

32、。

33、優(yōu)選的是，步驟s2包括以下分步驟：

34、s21，首先根據(jù)地勘報告確定滑床地層中的地基層層數(shù)和每層地基層的類型，地基層的類型包括巖體地層和土體地層；然后確定第層地基層的厚度，為地基層層數(shù)的編號，地基層的厚度用于判斷樁身節(jié)點所在的地基層的類型；

35、s22，根據(jù)滑床地層的試驗資料或地勘報告確定地基層中巖體地層的地基反力系數(shù)和土體地層的地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)；

36、s23，當樁身節(jié)點所在的地基層為巖體地層時，樁身節(jié)點處的地基系數(shù)為：

37、；

38、當樁身節(jié)點所在的地基層為土體地層時，樁身節(jié)點處的地基系數(shù)為：

39、

40、優(yōu)選的是，s31中，第?排錨索的水平剛度為：

41、；

42、其中，為預應力錨索的編號，；為第排錨索的自由段長度；為第排錨索的直徑；為錨索的彈性模量；為從設計方案中獲取的錨索的鋼絞線束數(shù)。

43、優(yōu)選的是，s4中與樁身節(jié)點處的外荷載的映射關系具體為：

44、當?shù)趥€樁身節(jié)點位于樁身懸臂段的第個錨拉點處時：

45、；

46、當?shù)趥€樁身節(jié)點位于樁身懸臂段的非錨拉點處時：

47、；

48、上兩式中，。

49、當?shù)趇個樁身節(jié)點位于嵌固段時：

50、

51、優(yōu)選的是，s5中的樁身撓曲微分控制方程具體如下：

52、所述樁身懸臂段錨拉點處的撓曲微分控制方程為：

53、，

54、所述樁身懸臂段非錨拉點處的撓曲微分控制方程為：

55、，

56、所述樁身嵌固段處的撓曲微分控制方程為：

57、；

58、上三式中，y為樁身的水平位移；ei為預應力錨索樁的截面抗彎剛度。

59、優(yōu)選的是，s6中基于中心差分格式，對于任一樁身節(jié)點有：

60、；

61、；

62、；

63、。

64、優(yōu)選的是，s71中建立樁頂?shù)倪吔鐥l件具體為：

65、，

66、其中，為預應力錨索樁的樁頂?shù)募袅?；為預應力錨索樁的樁頂?shù)膹澗?；當?shù)谝慌佩^索位于樁頂處時，，，其中r1為第一排錨索的初始預應力。

67、優(yōu)選的是，s72中的底邊界條件具體包括：

68、當所述樁底邊界條件為樁底自由時，預應力錨索樁的樁底的樁身節(jié)點處的彎矩與剪力為零，則：

69、；

70、當所述樁底邊界條件為樁底鉸接時，預應力錨索樁的樁底的樁身節(jié)點處的位移和彎矩為零，則：

71、；

72、當所述樁底邊界條件為樁底固定時，預應力錨索樁的樁底的樁身節(jié)點處的位移與轉(zhuǎn)角為零，則：

73、。

74、優(yōu)選的是，s73中，

75、；；

76、其中，為矩陣的轉(zhuǎn)置。

77、優(yōu)選的是，s73中對于矩陣，包括：

78、當樁底邊界條件為樁底自由時，

79、；

80、當樁底邊界條件為樁底鉸接時，

81、；

82、當樁底邊界條件為樁底固定時，

83、；

84、其中，。

85、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

86、1.?本發(fā)明的方法針對實際工程中預應力錨索樁普遍處于層狀巖土體滑坡中的工程現(xiàn)狀，基于中心差分格式提出樁身懸臂段、嵌固段變形統(tǒng)一矩陣運算式，彌補了現(xiàn)有方法在層狀巖體、土體地質(zhì)條件下無法精確計算的不足。

87、2.?對比現(xiàn)有方法，樁身懸臂段和嵌固段采用統(tǒng)一控制方程進行全樁計算，避免了二者在滑面處變形連續(xù)性條件的復雜求解，簡化了計算流程。

88、3.?本發(fā)明的計算方法可通過編程語言實現(xiàn)整個求解過程的計算解答，提高了計算效率和計算精度，能夠快速應用于山區(qū)層狀滑坡多排預應力錨索樁的設計和校核。