邊坡抗滑樁土拱效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

王 誠

(后勤工程學(xué)院，重慶 401311)

邊坡抗滑樁土拱效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

王 誠

(后勤工程學(xué)院，重慶 401311)

從理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬角度出發(fā)，詳細(xì)分析了當(dāng)前抗滑樁土拱效應(yīng)問題的研究現(xiàn)狀，在總結(jié)成果的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步研究土拱效應(yīng)提出了思路和建議，以供參考借鑒。

抗滑樁，土拱效應(yīng)，理論分析，模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬

0 引言

土拱效應(yīng)的研究已有較長歷史，1884年英國科學(xué)家Roberst首次發(fā)現(xiàn)了“糧倉效應(yīng)”[1]，這一現(xiàn)象后來被研究人員認(rèn)為是土拱效應(yīng)的雛形。1943 年Terzaghi 設(shè)計(jì)的“活動(dòng)門試驗(yàn)”驗(yàn)證了土拱效應(yīng)的存在，分析描述了土拱上的應(yīng)力分布情況，由此給出了土拱效應(yīng)存在必須具備的條件：

1)土體之間產(chǎn)生不均勻位移或相對位移；

2)作為支撐的拱腳存在[1]。此后人們通過研究發(fā)現(xiàn)，土拱的形成主要是由于土體在自重或荷載的作用下，產(chǎn)生壓縮或沉降，即不均勻位移。土體顆粒間的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力使樁間土體擠壓，產(chǎn)生相對位移，使顆粒間互相“楔緊”，將拱上土壓力轉(zhuǎn)為軸力再傳至拱腳，進(jìn)而在一定范圍的土體中發(fā)生土拱效應(yīng)。土拱效應(yīng)是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮實(shí)現(xiàn)的。

抗滑樁是邊坡支擋工程中常用的結(jié)構(gòu)物，抗滑樁在邊坡防護(hù)工程中得到了大量應(yīng)用，當(dāng)前對抗滑樁的樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論已經(jīng)比較成熟，但當(dāng)前抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算并沒有考慮抗滑樁的土拱效應(yīng)作用，對抗滑樁的合理樁間距等問題沒有成熟的理論研究?？够瑯妒且环N空間結(jié)構(gòu)，抗滑樁的土拱效應(yīng)能體現(xiàn)出其空間特性，考慮土拱效應(yīng)能使抗滑樁的設(shè)計(jì)更加合理經(jīng)濟(jì)，因而抗滑樁土拱效應(yīng)的研究對抗滑樁的設(shè)計(jì)理論有很大指導(dǎo)意義。當(dāng)前對抗滑樁的土拱效應(yīng)與樁土相互作用機(jī)理研究的主要方法有理論分析推導(dǎo)、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。

1 土拱效應(yīng)的理論研究

1.1 土拱力學(xué)模型研究

抗滑樁與土體的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，抗滑樁要受到土體傳遞的荷載，土體的變形與位移也受到抗滑樁的作用，兩者是互相作用的過程，這給理論分析土拱效應(yīng)帶來了困難。梁瑤等[2]根據(jù)勃朗特—維西克地基承載力理論建立了土拱拱軸線方程，給出了拱高計(jì)算公式，其研究結(jié)果可以應(yīng)用于土拱拱高計(jì)算公式，確定抗滑樁樁后的潛在滑體，計(jì)算作用在樁上的土壓力，使抗滑樁、擋土墻的設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)。

1.2 基于土拱效應(yīng)的抗滑樁臨界樁間距的理論研究

抗滑樁的臨界樁間距是抗滑樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，牽扯到抗滑樁的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性，利用抗滑樁的土拱效應(yīng)能更好的利用土體的抗剪強(qiáng)度，優(yōu)化樁間距的設(shè)計(jì)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。何良德等[3]以拱腳的土體強(qiáng)度條件和樁土接觸面上任一點(diǎn)土體剪應(yīng)力不大于抗滑樁承擔(dān)的最大抗滑力為條件，推導(dǎo)了抗滑樁樁間距L，結(jié)合繞流阻力公式，以繞流阻力為控制條件推導(dǎo)求出樁間距，兩者取較小值即為最大樁間距。

當(dāng)前的相關(guān)推導(dǎo)計(jì)算在土拱拱腳處的模型都認(rèn)為樁后是三角受壓區(qū)，三角受壓區(qū)分析模型在拱腳處大主應(yīng)力方向與破裂面夾角不滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，且公式中對樁后滑體土粘聚力為0時(shí)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符，針對這些問題，肖世國等[4]認(rèn)為兩側(cè)土拱交匯形成的是倒梯形受壓區(qū)，建立了樁間凈距的控制方程組，通過迭代求解。該方法仍采用了一定的假定，可以采用安全系數(shù)偏于保守地計(jì)算邊坡抗滑中抗滑樁的設(shè)計(jì)。

2 土拱效應(yīng)的模型試驗(yàn)研究

土工試驗(yàn)中，原位試驗(yàn)消耗人力物力大，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)條件有限，而模型試驗(yàn)的方法可以根據(jù)研究的具體需要設(shè)定參數(shù)，如樁土材料參數(shù)、邊界條件等，其結(jié)果可以與數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證，可信度較高，因而在土拱效應(yīng)的研究中得到了大量應(yīng)用。模型試驗(yàn)的方法主要包括室內(nèi)模型試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)。

2.1 土拱效應(yīng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

孫書偉等[5]基于相似理論設(shè)計(jì)了室內(nèi)模型試驗(yàn)，分別對微型抗滑樁和懸臂式抗滑樁進(jìn)行研究。試驗(yàn)中改變樁間距，分析抗滑樁在相同邊界和荷載條件下的受力特性，分析得出最佳距徑比。梁瑤等[2]利用自制的土拱試驗(yàn)儀進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬了樁后土體中的土拱效應(yīng)，直觀反映了土拱的形狀和拱高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樁間土的土體參數(shù)對土拱的拱高有影響，內(nèi)摩擦角φ影響較明顯，進(jìn)一步建立了拱軸線方程和拱高的計(jì)算公式，并結(jié)合了工程實(shí)例分析。文中采用的土拱試驗(yàn)儀是土拱效應(yīng)模型試驗(yàn)技術(shù)中的一大突破，可以通過該試驗(yàn)儀直觀反映土拱的形狀和拱高，更好的觀察土拱效應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2 土拱效應(yīng)的離心模型試驗(yàn)研究

模型試驗(yàn)相對于現(xiàn)場試驗(yàn)具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但是小比例尺模型由于自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原型，不能再現(xiàn)原型的特性。土工離心模型試驗(yàn)是將土工模型放置于離心機(jī)中，相當(dāng)于增大了模型的自重，補(bǔ)償了因尺寸縮小而造成的自重?fù)p失，使試驗(yàn)?zāi)軌驖M足模型與原型應(yīng)力應(yīng)變相等、變形相似、破壞機(jī)理相同，能較好地再現(xiàn)原型的特性。

楊明等[6]進(jìn)行了一組離心模型的對比試驗(yàn)，當(dāng)離心加速度達(dá)到40g時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)樁間凈距相同時(shí)，抗滑樁樁寬越大，對土拱拱腳穩(wěn)定性越有利的結(jié)論。王成等[7]通過離心模型試驗(yàn)研究了抗滑樁樁間距、樁徑對樁間土拱效應(yīng)形成的影響，分別給出了合理樁間凈距與樁徑的關(guān)系。其結(jié)果表明，樁間距越小，土拱的受力更接近受壓，樁間距越大，拱的受力更接近梁的受力，土拱效應(yīng)較微弱，所以抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)合理的樁間距是關(guān)鍵問題。

3 土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

由于試驗(yàn)條件和技術(shù)手段的限制，無法在抗滑樁樁間、樁后土體中各個(gè)位置埋設(shè)大量土壓力盒測得樁間、樁后土體任意一點(diǎn)的土壓力，也無法觀察到土體顆粒的應(yīng)變，當(dāng)前條件下較難通過模型試驗(yàn)得到的土壓力數(shù)據(jù)更深入分析抗滑樁土拱效應(yīng)的力學(xué)模型。近些年隨著大型有限元軟件的發(fā)展成熟，數(shù)值模擬成為研究土拱效應(yīng)的重要手段。

3.1 土拱效應(yīng)的二維數(shù)值模擬研究

土拱效應(yīng)事實(shí)上是空間問題，但是Chen等[8]通過有限元軟件模擬了抗滑樁與邊坡土體的相互作用，對比二維、三維樁間土體位移圖發(fā)現(xiàn)采用平面問題能較好模擬出三維狀況下的樁土相互作用問題，此后很多研究人員將樁土相互作用問題簡化成二維問題，為研究帶來方便。

Liang[9]、張建勛[10]將被動(dòng)樁土拱效應(yīng)問題簡化為二維問題，假定土層位移僅限于水平方向，樁體受水平向約束，利用有限元軟件研究樁間距、外荷載、土體的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ對抗滑樁的荷載分擔(dān)比的影響，均認(rèn)為樁間距是影響抗滑樁土拱效應(yīng)的最主要因素；樁的界面越粗糙，土拱效應(yīng)越顯著；雙排抗滑樁排間距為2倍～8倍樁徑時(shí)，排間距的改變才對土拱效應(yīng)產(chǎn)生影響。

3.2 土拱效應(yīng)的三維數(shù)值模擬研究

土拱效應(yīng)具有一定的空間特性，運(yùn)用有限元軟件從三維角度研究樁排間土拱效應(yīng)相比二維模型能更準(zhǔn)確模擬出前后樁位移的差距，申永江等[11]針對此問題建立了三維有限元模型，分析了抗滑樁樁排間土拱效應(yīng)的形成與發(fā)展機(jī)理，分析了各因素對土拱效應(yīng)的影響，其中樁間距、樁排距對土拱效應(yīng)影響明顯。

董捷等[12]認(rèn)為懸臂樁的土拱效應(yīng)具有空間特性，建立了三維有限元模型，研究了懸臂式抗滑樁的懸臂高度、樁間距、荷載和樁后土體的抗剪強(qiáng)度對土拱效應(yīng)的影響，提出樁間土穩(wěn)定時(shí)樁后土壓力完全由樁承擔(dān)，可以采用法向應(yīng)力的突變程度來衡量樁間土拱效應(yīng)。該文提出了除樁土荷載分擔(dān)比以外的一種新的衡量樁后土拱效應(yīng)的方法，可以運(yùn)用此方法結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)進(jìn)一步分析不同土體、各種其他形式的抗滑樁的土拱效應(yīng)。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前對抗滑樁土拱效應(yīng)的理論分析推導(dǎo)、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的研究取得了較多成果。但對土拱效應(yīng)的形成機(jī)理、影響因素的定性分析、土拱效應(yīng)程度的評價(jià)機(jī)制仍有待進(jìn)一步明確。總結(jié)前述文獻(xiàn)的研究成果，提出以下幾點(diǎn)分析展望：

1)當(dāng)前抗滑樁土拱效應(yīng)的各種研究大都是假定樁后土層單一且均勻分布，事實(shí)上在工程實(shí)際中這種理想的情況是非常少見的，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角對土拱效應(yīng)的產(chǎn)生和發(fā)展都有影響。同時(shí)邊坡土體中地下水的作用也會(huì)對樁后土體的土拱效應(yīng)有影響，當(dāng)前對這些問題研究很少，所以在數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際考慮樁后土層分層分布，同時(shí)考慮到地下水的作用。

2)雖然現(xiàn)場試驗(yàn)消耗人力物力大、試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)條件有限、試驗(yàn)影響因素較多，單個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果適用性較窄，但現(xiàn)場試驗(yàn)真實(shí)準(zhǔn)確，能夠最完整反映土拱效應(yīng)的真實(shí)現(xiàn)象，現(xiàn)場試驗(yàn)研究是了解抗滑樁樁土相互作用最直接的辦法，試驗(yàn)研究現(xiàn)象也是理論推導(dǎo)分析的基礎(chǔ)。在當(dāng)前對土拱效應(yīng)的部分問題缺乏明確統(tǒng)一認(rèn)識前，現(xiàn)場試驗(yàn)具有不可替代的優(yōu)勢，今后可有針對性的進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

3)董捷提出的采用法向應(yīng)力的突變程度來衡量樁間土拱效應(yīng)的方法提出了一個(gè)新思路，但僅對懸臂式抗滑樁做了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，可以進(jìn)一步進(jìn)行其他樁型，如埋入式樁、雙排布置樁、群樁等的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，采用法向應(yīng)力的突變程度評價(jià)土拱效應(yīng)，并結(jié)合計(jì)算樁土荷載分擔(dān)比的方法綜合對比分析，從而多角度地綜合評價(jià)分析抗滑樁的土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度、各因素對抗滑樁土拱效應(yīng)的影響。

[1] Terzaghi K.Theoretical soil mechanics[M]．John Wiley & Sons，New York，NY，1943.

[2] 梁 瑤，蔣楚生，李慶海，等.樁間復(fù)合結(jié)構(gòu)土拱效應(yīng)試驗(yàn)與受力機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(S2)：3825-3828.

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Current status and progress of soil arching effect of anti-slide piles

Wang Cheng

(LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

Based on the result of theory analysis， model test and numerical simulation, this paper makes a elaboration of current status of the study on soil arching effect. At the same time, this paper gives some suggestions for further study on soil arching effect of anti-slide piles, so as to reference.

anti-slide pile， soil arching effect， theory analysis， model test， numerical simulation

2015-08-13

王 誠(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0059-02

TU473

A