锚索（普通）抗滑桩通用设计软件的研发与应用

尉学勇，喻林青，刘卫民，蔡庆娥，赵 冬

（1．长安大学公路学院，西安 710064；2．西安中交公路岩土工程有限责任公司，西安 710075）

锚索（普通）抗滑桩通用设计软件的研发与应用

尉学勇1，2，喻林青2，刘卫民2，蔡庆娥2，赵 冬2

（1．长安大学公路学院，西安 710064；2．西安中交公路岩土工程有限责任公司，西安 710075）

简要介绍了“锚索（普通）抗滑桩通用设计软件”的总体框架、主要功能以及关键技术研究。设计软件在Auto CAD平台上，采用Visual Basic，Visual Lisp等程序语言研发而成，可建立滑坡体地质模型、对滑坡体进行自动条分、自动采集各条块稳定性计算时所需几何参数。利用本软件，可以轻易地完成从滑坡体地质模型的建立→滑坡体稳定性计算→抗滑桩设计整个工作流程。多个工程实例检验结果表明，本系统具有建模简单，操作方便，自动化程度高，分析计算结果可靠，输出快捷等优点，具有较大的推广应用价值。

预应力锚索；抗滑桩；滑坡；设计软件；可视化

1 概 述

我国是一个地质灾害频繁发生的国家，尤其是西北、西南地区，特殊的地域环境和地质条件致使地质灾害肆虐。据不完全统计，我国仅滑坡、崩塌等崩滑地质灾害所造成的直接经济损失每年就在200亿元人民币以上。近年来随着人类工程活动深度和广度的不断增加，上述统计数字还在呈加速增长的趋势。近20年来，特别是“国际减灾十年活动”开展以来，国际上对滑坡灾害的研究和防治空前活跃，对滑坡机理、防治措施等方面的理论、方法和技术研究有了长足的进步［1］。防治工程措施主要表现在一大、二锚、三小，即大直径抗滑桩、锚索和微型桩。其中，（锚索）抗滑桩由于其抗滑能力强、破坏滑坡稳定性小以及施工方便等优点得到了广泛应用。

目前，在抗滑桩设计软件领域，国内有许强等人开发的Slope CAD［2］、李长冬开发的Slope Designer［3］以及理正系列软件等。Slope CAD软件侧重于在野外现场快速进行地质灾害治理设计，抗滑桩设计部分没有考虑预应力锚索抗滑桩的计算；Slope Designer软件只能采用k法进行桩的计算，应用范围较小；理正系列软件功能较全，但价格昂贵，使用不便，且对抗滑桩和锚索的变形协调和桩顶位移控制方面没有作出明确说明。笔者根据国内外学者的研究成果，对“锚索 桩 滑体”这一体系的受力机理进行分析研究，在AutoCAD平台上采用Visual Basic、Visual Lisp和Visual FORTRAN等程序语言开发出锚索（普通）抗滑桩通用设计软件。该系统将滑坡设计、抗滑桩内力计算和桩身配筋设计等多个模块融为一体，实现了抗滑桩设计的可视化，减少了数据的重复输入，提高了设计效率。更为突出的是，该系统实现了滑坡的自动条分、条块几何参数的自动采集等功能，使该系统真正达到快速、实用、好用的设计目标。

2 系统主要功能及操作流程

锚索（普通）抗滑桩通用设计软件主要包括3个功能模块：滑坡计算模块、抗滑桩内力计算模块以及抗滑桩配筋计算模块，通过输入、处理和输出3大模块实现软件的主要功能，具体操作流程见图1。

滑坡计算模块的主要功能是根据勘察资料绘制滑坡纵断面图，自动进行条块划分，再根据不平衡推力法进行滑坡稳定性和剩余推力的计算，为下一步的抗滑桩内力计算提供计算数据。抗滑桩内力计算模块是在滑坡计算的基础上，首先根据稳定性系数、剩余下滑力以及拟定的抗滑桩位置决定是否需要增加滑体条块，重新计算设桩处的剩余推力；其次，再进行抗滑桩的弹性桩和刚性桩的判别；最后，根据是否设置预应力锚索，选择相应的抗滑桩内力计算。抗滑桩配筋计算模块的主要功能是根据桩身内力计算结果，进行抗滑桩的配筋计算。

3 系统特色与关键技术研究

3．1 系统特色

本软件适用于地质病害治理中滑坡计算和抗滑桩设计。抗滑桩计算部分适用于所有地层，滑坡计算部分适用于不平衡推力法，对于圆弧滑面的滑坡，可通过增加条块来提高计算精度。

由于系统基于目前设计单位现有计算机软、硬件环境开发而成，原则上以能正常安装并使用Auto CAD为标准，且不受AutoCAD版本的限制。将滑坡计算、普通抗滑桩内力计算、预应力锚索抗滑桩内力计算以及抗滑桩配筋计算统一为1个应用软件，通过编制可视化程序，在很大程度上提高了设计人员的工作效率。

3．2 预应力锚索桩计算理论

正确的计算理论是软件开发的根本。目前，国内外对锚索抗滑桩受力机理的认识还存在一些分歧。针对水平推力桩，吴恒力［4］提出了用双参数法来确定推力桩嵌固段的内力值。该法在物理上和数学上具有严密性，可涵盖常用的m法、K法和c法，但是双参数m和1／n的选取是否合适无统一的标准，故实践中缺乏易操作性。励国良［5］介绍了采用锚索抗滑桩与滑坡相互作用的计算方法来确定锚索的设计拉力。同时还介绍了一个模型试验。试验表明：在滑面以上，桩侧应力图形近似为K型分布，与普遍认为滑坡推力呈矩形分布差别不大；最大变距点由普通抗滑桩在滑面附近移到接近滑体中部位置。这些结论只能代表与模型试验所用的材料近似的岩土层与锚索抗滑桩的相互作用特征，对其他岩土层中的锚索桩就不一定合适了。桂树强［6］将双参数法引入土抗力模数（或地基系数）中，提出桩顶位移的控制标准，并依据锚索与桩的变形协调条件推导了桩身嵌固段的内力表达式。但对于预应力锚索抗滑桩施工的几个阶段以及工后阶段的具体情况并没有进行进一步的深入分析，而这正是设计人员在病害整治过程中最关心的问题之一。刘晓丽［7，8］分析了预应力锚索抗滑桩受到的短期荷载作用，并提出了动态设计方法，这对于合理设计预应力锚索抗滑桩有着非常重要的指导意义。因此，很有必要加深对桩－滑体－锚索体系受力机理的认识，确定桩顶位移的约束条件。本软件根据前人研究成果，并结合我单位在西藏滑坡整治过程中所进行的科研观测资料，认为桩顶位移按桩长的0．5%进行控制，可以满足滑坡治理工程要求，故在本软件中桩顶位移按该标准进行控制［9］。

受荷段按照锚索与桩的变形协调条件计算。锚索伸长量与锚索所在点桩的水平位移之间存在变形协调条件，满足关系式（1），变形协调示意图见图2。预应力锚索抗滑桩计算模式见图3。

图1 软件总体流程图Fig．1 Total flow chart of software system

式中，x′为张拉状态下桩的位移，亦即施加预应力过程中桩体向滑坡推力反方向的位移。fi为工作状态下桩的位移，亦即滑坡推力作用过程中桩体向滑坡推力方向的位移。

图2 锚索与桩变形协调条件示意图Fig．2 Coordination between anchor and anti slide pile

张拉状态下桩的位移x′值一般来说非常小以至于可以忽略不计，且目前如何确定x′值尚未有有效的计算方法。故将上式简化为

由前述的变形协调条件不难得出以下位移平衡方程：

图3 预应力锚索抗滑桩计算模式图Fig．3 M odel of a prestressed anchor slide resistant pile

式中：Δiq为滑坡推力作用于i点桩的水平位移；Δij为锚索拉力Rj的水平分量作用于i点桩的水平位移，Δij＝Rjcosθjδij，而δij为锚索拉力Rj的水平分量作用于桩上i点的位移系数，θj为锚索轴线与水平面的夹角；Ri0为第i根锚索的预应力；δi为第i根锚索的柔度系数，其值为其中：l，d

ii为锚索自由段长度及每束锚索的直径；Eg为锚索的弹性模量；N为每孔锚索钢绞线的束数。

Δiq可按悬臂梁由结构力学确定：

i02112推力在桩顶和滑面处的水平分量。假设滑坡推力与水平面的夹角为β，此力在桩顶和滑面处的值分别为Q1和Q2，则q1＝Q1cosβ，q2＝Q2cosβ。

δij可按结构力学中的图乘法确定：

将（7）式代入（4）式，整理得：

将（9）式代入（8）式，则

这是一个线性方程组，很容易用数值计算的方法求解出Ri。当锚索的设计拉力求出后，可由前述公式求出M0，Q0，y0和φ0。

根据这些初参数，对“k”法和“m”法的弹性桩和刚性桩均采用矩阵分析法进行计算［10］，即采用有限元的数值计算思想，将锚固段离散为有限段，将每一微段作为基本研究对象，通过求解一个大型矩阵得到其位移、转角、剪力、弯矩以及桩侧应力，进而得到抗滑桩锚固段的内力计算结果。

根据滑体的稳定状态，将锚索张拉的预应力按锚索设计拉力的60%～80%考虑，利用变形协调条件即可求解锚索拉力。并且，计算出的锚索拉力应根据桩顶位移的控制标准进行校核，当桩顶位移不能满足要求时，必须调整锚索的预应力值和锚索拉力设计值重新计算直到满足要求为止。

3．3 可视化设计技术

开发友好的可视化界面，可通过提供多种输入输出界面，更快捷地调整计算参数，能最有效地提高软件的操作性。

系统设有7个主菜单来实现主要模块功能，即“项目”、“数据”、“设计”、“绘图”、“表格”、“工具”和“系统设置”，见图4。将常用计算参数做成数据库，且编写有设计向导界面（见图5），能引导用户在较短时间内迅速完成抗滑桩设计工作。

图4 系统主菜单Fig．4 M ain m enu of the system

图5 设计向导Fig．5 Interface of design leading

本系统还将各个功能模块中的公用参数如滑坡的几何参数、物理参数和材料参数整合为控制参数界面，见图6。通过这些直观友好的界面，可以不需频繁地打开数据文件查看计算结果，而根据界面中显示的结果就可以确定是否需要调整设计，能很大程度地提高工作效率。

图6 控制参数界面Fig．6 Interface of control parameter

4 工程实例

4．1 工程概况

国道317线妥（坝）昌（都）公路的K367＋645至＋745段滑坡属于沿松散堆积层内部滑动的牵引式中型滑坡。滑坡体的主要物质为第四系坡积碎石土和冲积卵石，滑带土为角砾土或含角砾亚黏土，颗粒较细、潮湿，黏性土含量较大，手感较滑。滑坡前缘由于公路修建开挖边坡，形成高陡边坡，高8～12 m，坡度约70°。剪出口位于公路现路面，前后缘高差约92 m。现场勘察时，周界裂缝已贯通，后壁圈椅状错坎明显，坡面裂缝较多。前缘路堑挡墙正处于强烈变形之中，部分已倾斜，部分已倒塌，完全失去了挡墙的作用，因此，该滑坡勘察期间已处于整体滑动阶段，对过往车辆和行人造成严重威胁。

为了治理该滑坡，经过多种方案的比较，最后制定了如下方案：首先在坡体前缘公路内侧设置一排预应力锚索抗滑桩，同时，为了防止桩间土体局部垮塌，在预应力锚索抗滑桩之间修筑挡墙和护面墙；然后，在桩后设置3级锚索框架，两级之间设刷坡平台，以导出降水时的坡面汇水。另外，还在滑坡后缘外侧布设了截排水系统。

4．2 软件应用

根据勘察报告，滑体容重γ＝20 kN／m3，滑带土粘聚力c＝10 kPa，内摩擦角φ＝28．8°。利用锚索（普通）抗滑桩通用设计软件计算结果表明，目前滑坡的稳定系数为0．97。在天然状态下，该滑坡剩余下滑力为3 145 kN／m（K＝1．15）；在地震状态下（Ⅵ度设防），其剩余下滑力为3 239 kN／m（K＝1．05）。三级锚索框架抵抗的滑坡剩余下滑力为1 730 kN／m，预应力锚索抗滑桩的设计抗力为1 415 kN／m。

最后的设计方案为：在滑坡前缘设置预应力锚索抗滑桩一排13根，桩径2．0 m×3．0 m，桩长平均为14～16 m，桩间距6 m，每根桩上设4孔（2排）预应力锚索，锚固段为9 m。上排锚头距桩顶2 m，锚索长度为26 m，下排与上排竖向间距2 m，锚索长度为22 m。在预应力锚索抗滑桩之间修筑挡墙和护面墙。在锚索抗滑桩后方设置按坡率1∶1设置3级锚索框架，每两级锚索框架之间设置平台一级，框架每片10 m×14．142 m，共22片，竖肋间距5 m，横梁间距3 m，每片框架上有锚孔8个，锚索长为30～39 m，锚固段为9 m。框架之间的其余坡面用0．3 m厚的7．5号浆砌片石铺砌。

以16 m长的锚索抗滑桩为例，采用本软件计算的桩身弯矩剪力图如图7。由图中内力计算结果可知，Mmax＝23 500 kN·m，Qmax＝5 720 kN。抗滑桩上的预应力锚索的锁定荷载值为550 kN，设计荷载为930 kN。

主筋采用 32HPB335级钢筋，箍筋采用 18HPB235级钢筋，计算结果见图8。抗滑桩具体布置如下：靠山侧设两排钢筋束，外侧一排，共9束，每束3根，每根长15．8 m；内侧一排与外侧的间距为20 cm，8束，但是，根据内力图分布，每束为2根，长度为9m；考虑到锚索施加预应力时桩身靠路侧受拉，对这一工况进行计算后，在靠路侧设置一排钢筋束，共9束，每束2根，每根长15．8 m；两侧各用4根 32螺纹钢筋作为架立筋；箍筋间距采用35 cm。

图7 抗滑桩的内力图Fig．7 Internal force graph of an anti slide pile

图8 抗滑桩配筋计算结果Fig．8 Calculated result of steel reinforcements in the anti slide pile

该滑坡整治工程已于2006年顺利完工。根据竣工后的定期监测资料，坡体已经稳定，滑坡病害治理工程取得了圆满成功。

5 结 语

根据锚索和桩的位移协调条件，运用矩阵分析法统一了弹性桩和刚性桩的计算，“锚索（普通）抗滑桩通用设计软件”将滑坡设计、抗滑桩内力计算和桩身配筋设计等多个模块融为一体，并实现了抗滑桩设计的可视化，减少数据的重复输入，提高了设计效率。

本软件自开发成功以来，已用于西藏妥坝至昌都段公路、西藏竹巴笼至海通沟兵站段公路、西藏田妥至怒江段公路、陕西铜黄高速、陕西西汉高速、重庆云奉高速等项目的工程设计。检验结果表明，本软件与同类软件相比，具有建模简单，操作方便，自动化程度高，分析计算结果可靠，输出计算结果方便快捷等优点，具有较大的推广应用价值。并且，在下一步开发升级中，本软件将纳入挡土墙、预应力锚索框架、预应力锚索肋板墙以及其他支挡结构形式的设计，其功能将会越来越强大。

［1］ 黄 毅，王建国．抗滑桩可视化程序的研究［J］．安徽建筑工业学院学报，2006，14（1）：14－17．（HUANG Yi，WANG Jian guo．The study on visual program design of the anti slide pile［J］．Journalof Anhui Institute of Ar chitecture＆Industry，2006，14（1）：14－17．（in Chi nese））

［2］ 许 强，黄润秋，巨能攀，等．滑坡治理方案的计算机辅助设计系统（Slope CAD）的开发与研究［J］．中国地质灾害与防治学报，2000，11（4）：33－37．（XU Qiang，HUANG Run qiu，JU Neng pan，et al．The de velopment and study of computer aided design system on landslide control［J］．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2000，11（4）：33－37．（in Chi nese））

［3］ 李长冬，胡新丽．滑坡稳定性评价及治理工程设计软件Slpoe Designer［J］．地质科技情报，2006，25（1）：95－98．（LIChang dong，HU Xin li．Slope Designer：An incorporate software for landslide stability evaluation and improvement design［J］．Geological Science and Technol ogy Information，2006，25（1）：95－98．（in Chinese））

［4］ 吴恒力．计算推力桩的综合刚度原理和双参数法［M］．北京：人民交通出版社，2000．（WU Heng li．Composite Stiffness Principle with Biparameter Method in Calculating of Laterally Loaded Pile［M］．Beijing：China Communications Press，2000．（in Chinese））

［5］ 励国良．锚索抗滑桩的设计计算及其试验验证［C］∥滑坡文集（第10集）．北京：中国铁道出版社，1993：

121－131．（LIGuo liang．Design and experimental veri fication of friction pile with prestressed cable［C］∥Land slide Collected Works．V（10）．Beijing：People Railway Publishing House，1993：121－131．（in Chinese））

［6］ 桂树强．预应力锚索抗滑桩设计与计算方法研究及工程应用［D］．北京：中国地质大学，2003．（GUI Shu qiang．Calculating and design method and their applica tions of stabilizing pileswith prestressed anchor cables in landslides remediation works［D］．Beijing：China Univer sity of Geosciences，2003．（in Chinese））

［7］ 刘小丽，周德培，杨 涛．预应力锚索抗滑桩设计中确定锚索预应力值的一种方法［J］．工程地质学报，2002，10（3）：317－320．（LIU Xiao li，ZHOU De pei，YANG Tao．A method for computing the prestressing force of the anti slide pile with prestressed cable［J］．Journal of Engineering Geology，2002，10（3）：317－320．（in Chinese））

［8］ 刘小丽，周德培，杨 涛．预应力锚索抗滑桩的动态设计法［J］．西南交通大学学报，2002，37（5）：491－495．（LIU Xiao li，ZHOU De pei，YANG Tao．Dynamic designmethod for friction pilewith prestressed cable［J］．Journal of Southwest Jiaotong University，2002，37（5）：491－495．（in Chinese））

［9］ 刘卫民，尉学勇，蔡庆娥．关于预应力锚索抗滑桩设计的思考［J］．路基工程，2006，125（2）：48－51．（LIU Wei min，YU Xue yong，CAIQing e．Thinking about the design of the anti－slide pile with prestressed cable［J］．Subgrade Engineering，2006，125（2）：48－51．（in Chinese））

［10］铁道部第二勘测设计院．抗滑桩设计与计算［M］．北京：人民铁道出版社，1983．（The Second Survey and Design Institute of China Railways．Design and Calcula tion of Anti slide Pile［M］．Beijing：People Railway Pub lishing House，1983．（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

长江科学院环境岩土工程物理模型实验室可行性研究报告审查会顺利召开

2010年4月13日，长江水利委员会在武汉主持召开了《长江科学院环境岩土工程物理模型实验室可行性研究报告（代项目建议书）》内部审查会。参加会议的有：长江委规划计划局、长江工程建设局、长江设计院、长江科学院、武汉市建筑设计院等单位的领导、专家与代表。

会议由长江委规划计划局刘联兵处长主持，长江科学院汪在芹副院长，长江委规划计划局邓建华调研员等20余人参加了会议。与会人员听取了设计单位关于可研报告的汇报，并进行了充分的讨论和研究，形成了初步审查意见。该项目的实施，将为水利部岩土力学与工程重点实验室进行复杂环境岩土工程问题研究提供先进手段，促进相关学科领域的拓展，培养高端人才，进一步提升长江科学院在岩土工程领域的地位。

长江科学院将根据形成的审查意见，积极会同设计单位尽快完善可研报告，择日上报长江水利委员会。

（摘自《长江水利科技网》）

Development and Application of General Design Software of Prestressed Anchor（Common）Slide resistant Pile

YU Xue yong1，2，YU Lin qing2，LIUWei min2，CAIQing e2，ZHAO Dong2
（1．Institute of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China；2．Xi’an China Highway Geotechnical Engineering CO，LTD，Xi’an 710075，China）

The total structure，main functions and key techniques of general design software of a prestressed anchor（common）slide resistant pile are introduced briefly．On the basis of the AutoCAD，and by using object oriental program design language，such as Visual Basic，Visual Lisp etc．，the software can constructe a geologicalmodel simulating a slidemass，which can divide slope body into slices automatically，and acquirie geometry parameters of each slice for stability calculation automatically．It is very easy to complete the work flow from constructing slope model to computing slope stability and finishing the design of the slide resistant pile using the system．The results obtained by means of engineering examples tests show that it has such many advantages compared with the same kinds of software so as to beworthily spreaded，which include simplemodeling，convenient operation，high automa tion，reliable result and quick export etc．

prestressed anchor；anti slide pile；landslide；design software； visualization

TU457；TP311．52

A

1001－5485（2010）05－0058－06

2009 01 29；

2009 09 10

尉学勇（1977 ），男，山西襄汾人，工程师，博士研究生，主要从事地质灾害整治等方面的研究，（电话）13572256400（电子信箱）yuxy＠chi－geo．com。