摘要
边坡是人类生存的重要环境,人类在从事生产和建设过程中，不可避免的要对岩石圈表层进行改造，其中，高速公路修建和山区城市建设等人类工程活动对岩体的挖掘，往往形成众多的岩石工程边坡。将岩石开挖工作减至最少和预测岩石边坡的安全度和极端状态，无论对公路、铁路、坝基还是露天矿，都是土木、地质工程师共同的课题。如果斜坡陡峻，安全问题又很重要，或者边坡设计明显地影响工程费用的话，岩石边坡的合理设计就显得尤为重要。
对岩石边坡的治理设计一直以来都是沿着两条思路进行，即主动锚固和被动支挡。主动锚固的主要手段是锚杆；被动支挡的主要手段是抗滑桩。文章结合高速公路边坡和三峡库区城市边坡的工程实例从四个方面展开论述：第一，论述锚杆锚固机理及锚杆正交优化设计，第二，论述抗滑桩的桩土作用机理、计算方法，第三，论述抗滑桩的优化设计，第四，对抗滑桩和边坡体系进行了三维有限元分析。
通过研究得到了如下创新性研究成果：
1、目前边坡工程中锚固参数的确定多以经验和规范为主，各参数之间的匹配也有不尽合理的地方。正交设计方法作为处理多因素试验的一种科学的试验方法，用这种方法只要少次数的试验就可判断出较优的试验条件，若再对试验结果进行统计分析，还可以更全面、更系统的掌握试验结果，做出试验因素对评价指标的正确判断。引用统计学中正交设计原理对京珠高速公路大悟段某边坡锚固参数进行了优化设计，优化结果表明以边坡水平变形量为评价指标，主要锚固参数对错固效果的影响显著性依次为：锚杆长度＞锚杆间距＞混凝土喷层厚度，得出的最优参数方案为锚杆长度3.0m、锚杆间距2.0m、凝土喷层厚度100mm。
2、对抗滑桩桩土作用机理从室内外试验、数值计算方法等方面进行了深入的探讨和总结，指出了试验在对抗滑桩桩土作用机理的认识方面具有其他方法不可比拟的作用。
3、抗滑桩的设计推力的取法有三种：一种是直接将剪出口的推力差值P1作为设计推力，目前抗滑桩设计中多采用此法；一种是将设桩处的推力差值P2作为设计推力； 一种是将设桩处的推力差值P2与剪出口的推力差值P1比较取其大者作为设计推力。实际上这三种设计推力的取法都不科学。因为取P1作为设计推力没有明确的力学上的根据，取P2作为设计推力由于没有考虑桩前岩土体的抗力，往往偏小。抗滑桩的设计推力要大于设桩处推力差值P，因为推力P有部分向下传递，设ξ为传递系数（0<ξ<1），则实际设计推力应为P/（1-ξ）。
4、抗滑桩的锚固深度原则上是由地层的容许侧向抗压强度及桩基底的容许承载力确
定，一般在抗滑桩中以桩侧岩土层的容许侧向抗压强度确定。利用刚性桩侧应力所必需遵循的原则分析确定锚固深度的简化表达式为：
或 。
5、分散布置的抗滑桩是通过桩间土拱将滑坡推力传递到桩上，再通过桩传递到下部稳定地层中。引用结构力学知识得到了桩间距的表达式为：
。
6、由于地下工程的隐蔽性使得精确的滑坡推力方向的确定有很大的人为性，在这种情况下，采用圆形截面抗滑桩治理边坡有巨大优势，因为采用圆形截面抗滑桩不需要非常精确地确定滑坡推力作用的方向,这不但施工方便还有利于施工安全。但是圆形截面抗滑桩配筋计算方法繁琐，不利于其推广应用，本文给出了两种配筋计算方法，黄金分割算法和近似等代法。
7、应用大型有限元分析软件ANSYS对单根抗滑桩分析表明： 对于配箍量一定的抗滑桩,如纵向钢筋配置较多,破坏时,纵向钢筋不发生屈服，而随着纵向钢筋量的减少,纵筋受力减少较小。桩身混凝土受压区高度变化不大,临界斜裂缝的倾角变化很小。通过临界斜裂缝的箍筋能够绝大部分、甚至全部屈服,桩呈剪切破坏形式。纵向钢筋数量对抗剪承载力影响较小,破坏时纵向钢筋发生屈服,随着纵筋量的减少,纵筋内力按比例减小,其混凝土受压区高度显著减少,临界裂缝的倾角明显增大,而且通过斜裂缝的箍筋已不能够全部屈服,甚至不屈服。桩的抗剪能力急剧下降,桩呈弯曲破坏形式,箍筋数量对抗剪承载力影响较大。所以,设计时可以综合考虑纵筋量和箍筋量对抗滑桩的影响。
8、ANSYS对抗滑桩—边坡系统分析表明：围岩的Es越大，抗滑桩所能承受的滑坡推力就越大。在同样大小的滑坡推力作用下，围岩的Es越大，桩的埋深就越小。对于滑坡推力分布形式的模拟可得出这样的结论，对于同样大小的滑坡推力，矩形分布荷载桩较三角形荷载分布形式所得结果要偏安全。
Slope is important environment for mankind and an important component of engineering construction. The surface of lithosphere can be inevitably transformed in the course of the production and construction of human beings. Specially, many human being engineering activities such as rebuilding high way and constructing cities in mountain area often cause so many rock slope. Minimuming the load and forecasting the safety degree and the critical state are the common study focus for geologists and engineers whether it is road or railway, dam base. The design is very important if slope is steep and safety degree can't be overlooked. Or slope design is tightly connected with engineering expense.
Two methods are used all the way for the design to harness rock slope. The methods are anchoring and retaining. The anchoring measure is anchoring bolt and the retaining measure is slide-resistant pile. It is an aim to study the mechanism and the optimum design of anchoring bolt and slide-resistant pile in harnessing rock slope in the paper. The major content is demonstrated from two sides in the paper. Firstly, anchoring mechanism and orthogonal and optimum design of anchoring bolt are demonstrated. Secondly, the formal mechanism between pile and soil of slide-resistant pile, the calculating methods and the optimum design of its system are demonstrated.
The mechanism and the optimum design of anchoring bolt and slide-resistant pile are demonstrated on the base of two engineering examples in the paper. The two examples are high way slope and city slope in Three Gorges. The conclusions are as follows:
1.The parameters of anchoring bolt are very important for anchoring effects. The length and the interval of anchoring bolt are main parameters and must be decided in engineering design. Study shows that the effect of anchoring will be greatly reduced if its length is too long. So, selecting its length is very significant to fully play its role and get economical and rational anchoring result.
2.Anchoring parameters of slope of Dawu section in Jingzhu high way are best selected using orthogonal design principle. The results show that the effects of anchoring parameters are different and remarkable according to horizontal deformation of slope. The order of the difference is : the effect of anchoring bolt length > the interval of anchoring bolt > thickness of sprayed concrete. The optimum parameters are obtained. They are: its length is 3m, its interval is 2m and the thickness of concrete is 100mm.
3.Slide-resistant pile bears down-sliding force that slide mass generates. One part is transferred to stable stratum under the sliding plane through pile. The other is transferred to slide mass in front of the pile.
4.The designed thrust is greater than the thrust difference P where pile is placed. In fact, the designed thrust is P/(1-ξ) because one part of P is transferred down.. The 'ξ' is transferring
coefficient and it is between 0 and 1. ξ is decided according experience analogy method if there are no test data.
5.The anchoring depth of slide-resistant pile theoretically is decided according to permissible sided compressive strength of stratum and permissible bearing load of the base of pile. Commonly, it is decided according to permissible sided compressive strength of rock stratum in the side of pile. The formula of anchoring depth is established using the principles that sided stress of stiff pile must abide by. The formula is
or .
6. For scattered piles, thrust is transferred to slide-resistant pile through soil arch between piles. Then, the thrust is transferred to stable stratum through pile. The formula of pile interval is obtained by structure mechanics:
.
7.Decision of more accurate direction of thrust is random because of concealed underground engineering. In view of it, slide-resistant pile whose section is round is exploited in harnessing slope. For slide-resistant pile whose section is round, more accurate direction of thrust isn't necessary. Thus, its construction is convenient
引文
1. 唐辉明，陈建平等，工程地质信息化设计及其在交通工程中的应用，地球科学，2001，26（4）
2. 周德培，软岩高边坡工程的信息施工，岩石力学与工程学报，1999年04期
3. 陈祖煜，汪小刚，水电建设中的高边坡工程 ，水力发电1999年10期
4. 中国岩土锚固工程协会，岩土锚固新技术，人民交通出版社，1998
5. 李宁等，预应力群锚加固机理数值试验研究。岩土工程学报，1997，19，（5）
6. 李宁等，群锚对断层的加固机理分析与工程应用，西安理工大学学报，1997，13（3）
7. 李宁等，群锚加固机理与效果数值仿真试验研究，西安理工大学学报，1997，13，（2）
8. 何君弼，“八五”攻关预应力群锚加固边坡机理研究，建筑技术开发，No.2，1997
9. 周康民，王蒙，正交试验在试验设计中的应用，江苏地质，1998 22，（4）
10. 朱万成等，正交有限元分析方法在喷锚参数优化设计中的应用,金属矿山,1998，（3）
11. 朱万成等,锚喷参数的回归正交有限元分析及其应用实例，岩石力学与工程学报，1999，18，（3）
12. 朱万成等，地下工程的正交有限元分析方法及其应用，工程地质学报，1999，7，（4）
13. 朱万成等，基于正支试验原理的锚喷参数设计系统及其应用，岩土力学 1999,20，（2）
14. 朱万成等，南芬铁矿1号驱动站锚喷支护参数选取的正交有限元计算分析,中国矿业,1998，7（2）
15. 铁道部第二勘测设计院，抗滑桩设计与计算，中国铁道出版社，1983
16. 潘家铮，建筑物的抗滑稳定和滑坡分析，北京:水利出版社，1980
17. 徐邦栋，马骥，确定滑坡推力的工程地质比拟法，水文地质工程地质，1979，第一期
18. 王恭先，滑坡防治工程措施的国内外现状，中国地质灾害与防治学报，No.1，1998
19. 马骥，单根抗滑桩受力条件的试验研究，滑坡文集第6集，中国铁道出版社，1988
20. 徐良德，尹道成，刘惠明，抗滑桩模型试验第一阶段报告—桩前滑体抗力分布的研究，滑坡文集第六集，中国铁道出版社，1988
21. 湛壮丽，刚性抗滑桩计算（角变位法），滑坡文集第6集，中国铁道出版社，1988
22. 闵顺南，袁建国，悬臂式钢架抗滑桩试验研究，滑坡文集第6集，中国铁道出版社，1988
23. 徐凤鹤，桩的矩阵分析与计算，中国土木工程学会第三届土力学及基础工程学术会议论文选集，中国建筑工业出版社，1981
24. 田景贵，范草原，预应力锚索抗滑桩的机理初步分析及设计，重庆交通学院学报，Vol.17,No.4,1998
л.к.金布格，в.и.依申柯，锚杆抗滑桩组合结构的计算，滑坡文集第6集，中国
25. 铁道出版社，1988
26. 王化卿，李传珠等，预应力锚索抗滑桩设计与施工，滑坡文集第6集，中国铁道出版社，1988
27. 励国良，锚索抗滑桩与滑坡相互作用的计算，滑坡文集第八集，中国铁道出版社，1991
28. 王俊石，预应力锚抗滑最优化设计，West-China Exploration Engineering, Vol.11,No.2,1999
29. 戴自航，彭振斌，基于抗滑桩内力计算“ｍ”法的有限差分法, 中南工业大学学报[J]，2001,10,32卷第5期，461-465
30. 杨佑发,弹性抗滑桩内力计算的有限差分“ｍ-ｋ”法, 重庆建筑大学学报[J]，2002,2,24卷第2期，13-18
31. 吴恒立，计算推力桩的综合刚度原理和双参数法(M)，人民交通出版社，1990
32. 张利洁、唐辉明、聂文波，抗滑桩设计推力计算探讨，三峡大学学报（自然科学版），2002，No.6
33. 张倬元，王兰生，王士天，工程地质分析原理（第二版），北京：地质出版社，1994
34. 加拿大矿物和能源技术中心，边坡工程手册。祝玉学，邢修祥译，北京：冶金工业出版社，1984
35. E. HOEK，J. W .BRAY岩石边坡工程，卢世宗译，北京：冶金工业出版社， 1983
36. 孙玉科，李建国，岩石边坡稳定性的工程地质研究，地质科学，1965，（4）
37. 谷德振等，岩体工程地质力学基础，北京：科学出版社，1979
38. 孙玉科，古迅，赤平极射投影在岩体工程地质力学中的应用，北京：科学出版社，1980
39. 王思敬，赤平极射投影方法及其在岩体工程中的应用，岩体工程地质力学问题（一），北京：科学出版社，1976
40. 孙玉科，姚宝魁等，矿山边披稳定性研究的回顾与展望，工程地质学报1998，6（4）
41. 唐辉明，晏同珍，岩体断裂力学理论与工程应用，中国地质大学出版社，1999
42. 周维垣等，岩石高边坡的稳定与治理，岩土工程的回顾与前瞻，北京：人民交通出版社，2001
43. 秦四清，张倬元，黄润秋，非线性工程地质学导引，成都：西南交通大学出版社，1993
44. 张子新，孙钧，分形块体力学及其在三峡船闸高边坡岩土丁程中的应用，1996
45. 哈秋林，岩石边坡工程与非线性岩石（体）力学，岩石力学与工程学报，1997，16（令）
46. 祝玉学，边坡可靠性分析，北京：冶金工业出版社，
47. 罗文强等，边坡系统稳定性的可靠性研究，地质科技情报，1999，（2）
48. 罗文强，斜坡稳定性概率理论和方法研究，岩石力学与工程学报，1999，（2）
49. 毕思文，尤逢仕.煤矿地下工程的岩土地质力学与锚固技术研究.见：中国岩土锚固工程协会.岩土工程中的锚固技术.北京：地震出版社，1992.166～171
50. 高山昭等，新奥法，.隧道译丛，1984(5)：52～65
51. 王明恕等.全长锚固锚杆的力学模型及其应用.金属矿山，1983(4)：21～24
52. 李锡润等.预紧式锚根附加应力场分布规律和支护参数选择.地下工程，1983(5)：11～15
53. 苏志敏.Boussinessq解及Mindlin解在预应力锚固岩体中的应用，武汉水利水电大学学报，1992(4)
54. 何唐镛，王建智，全长粘结式锚杆与围岩相互作用的有限元模型及分析，金属矿山，1983(4)：21～24
55. 陆士良等，采动巷道岩体变形与锚杆锚固力变化规律，中国矿业大学学报，1999，28（3）
56. 王化卿，廖正环，预应力锚索抗滑桩—新一代抗滑结构，滑坡研究与防治，四川科学技术出版社，1996
57. Hull,T.S.and Poulos H.G.,Discussion:Design Method for Stabilization of Slope with Piles.J.Geotech.Engrg.,ASCE
58. Tomio Ito et al,1982,Extended Design Method for Multi-Row Stabilizing Piles Against Landslide.Soil and Foundation,vol 22,No,1
59. 抗滑桩模型试验第一阶段报告—桩前滑体抗力分布的研究，铁道部第二勘测设计院科研所，路基工程，1985，No.6
60. 抗滑桩模型试验第二阶段报告—桩前滑体抗力分布的研究，，铁道部第二勘测设计院科研所，路基工程，1986，No.1
61. Marche.R.&Lacroix.Y,(1972).Stability des culees de ponts etabilies sur des pieux traversant une counche molle.Can.Geotech.J.9,No.1
62. Otes,C.S.(1977).Horizontally loaded piles-deformation influence.Proc.9th int.Conf.Soil Mech.Tokyo.Specialty Session 10
63. Begemann H.K.S.&De Leeuw E.H.(1972). Horizontal earth pressures on foundation piles as a result of nearby soil fills. Proc.5th int.Conf.Soil Mech.,Madrid
64. De Beer,E.E.&Wallays.M.(1972).Forces induced in piles by unsymmetrical surcharges on the soil around the piles. Proc.5th int.Conf.Soil Mech.,Madrid
65. Tschebotarioff,G,P.(1973).Foundations,retaining,and earth structures. New York:McGraw-Hill
66. Springman,S.M.(1989).Lateral loading of piles due to simulated embankment construction.PhD thesis,University of Cambridge.
67. Barry G. Poulos,1973, Analysis of piles in soil undergoing lateral movement. ASCE, No.SM5. Montreal 2,257-260.
68. 高速公路丛书编委会，高速公路路基设计与施工，人民交通出版社，1997
69. 加拿大矿物和能源技术中心编，祝玉学、邢修祥译，边坡工程手册(上、下)，冶金工业出版社，1984
70. 李智毅、王智济、杨裕云，工程地质学基础，中国地质大学出版社，1990
71. 王恭先，滑坡防治工程措施的国内外现状，中国地质灾害与防治学报，No.1，1998
72. 秦四清，滑坡工程治理优化设计与信息化施工中国地质灾害与防治学报，No.2，1999
73. 陈建平、唐辉明、刘佑荣、胡新丽、王亮清、张志波，京珠高速公路大悟段高边坡加固设计方法探讨，地质与勘探No.2，2000
74. 中国岩石力学与工程学会，新世纪岩石力学与工程的开拓和发展，中国科学技术出版社，2000
75. 张钦喜、孙家乐、刘柯，深基坑锚拉支护体系变形控制设计理论与应用，岩土工程学报，No.2，1999
76. 唐辉明、滕伟福，岩土工程数值模拟新方法，地质科技情报，No.2，1998
77. 晏鄂川、程新生等，浅析山区高等级公路中的边坡工程岩体，地球科学，No.4，2001
78. 彭振斌，锚固工程设计计算与施工，中国地质大学出版社，1997
79. 叶金汉，岩石力学参数手册，水利电力出版社，1991
80. 崔正权，李宁，边坡工程─理论与实践最新发展，中国科学技术出版社，2000
81. 郭仲衡．非线性弹性理论．北京：科学出版社，1980
82. 潘别桐，黄润秋，工程地质数值法，地质出版社，1994
83. 唐辉明，晏鄂川，胡新丽，工程地质数值模拟的理论与方法，中国地质大学出版社，2001
84. 黄润秋、张倬元、王士天，高边坡稳定性的系统工程地质研究，成都科技大学出版社，1994
85. 舒家华、李军，预应力锚索在边坡加固中方位角的确定，地质与勘探，No.6，1998
86. 王连捷、王薇、董诚，岩土锚固工程中锚固体应力分布的有限元分析，中国地质灾害与防治学报，Nov，1999
87. 何君弼，“八五”攻关预应力群锚加固边坡机理研究，建筑技术开发，No.2，1997
88. 黄福德，高边坡群锚加固中锚索体的动态受力特征，西北水电No.4，1997
89. 黄润秋、许强，开挖过程的非线性理论分析，工程地质学报，No.1，1999
90. 李宁、G. Swoboda，当前岩石力学数值方法的几点思考，岩石力学与工程学报No.5，1997
91. 阮文保，边坡工程有限单元法研究及工程应用，中国地质大学硕士论文，1998
92. 黄润秋、许强，反倾向层状结构岩质边坡失稳机理及稳定性评价方法研究，成都理工学院，1994
93. 崔政权，长江三峡工程库区库岸稳态及崩滑体专论，水利部长江水利委员会综合勘测局，1996
94. K.B.鲁宾涅依特，矿山岩石力学的几个问题，煤炭工业出版社，1965
95. K.G.斯塔格、O.C.晋基维茨，工程实用岩石力学，地质出版社，1978
96. 缪勒L.主编，李世平等译，岩石力学，煤炭出版社，1981
97. 梁作元，某种节理岩体整体力学性质的模型试验研究，中科院武汉岩土力学研究所，1989
98. 聂文波、唐辉明、张利洁，三峡库区谭家坪滑坡系统工程地质研究,三峡大学学报,2002, Vol.24,No.5
99. 聂文波、张利洁、晏鄂川，滑坡推力计算中抗剪强度指标с,φ的确定，土工基础,2002, Vol.16,No.2
100. 聂文波、张利洁，三峡库区白岩沟西滑坡治理工程研究,水文地质工程地质,2002, Vol.29,No.4