基于FLAC3D軟件在不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

侯青宏，陳文建

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，四川遂寧629001）

基于FLAC3D軟件在不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

侯青宏，陳文建

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系，四川遂寧629001）

參考實(shí)際的抗滑樁工程治理案例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬分析模型.在數(shù)值模擬過程中，保持抗滑樁其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變，對(duì)樁寬進(jìn)行單因素變化，通過對(duì)比不同樁寬下的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D和滑動(dòng)方向最大位移云圖，對(duì)不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)抗滑樁樁寬對(duì)抗滑樁土拱效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行探討.

抗滑樁;樁寬;土拱效應(yīng)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程基礎(chǔ)建設(shè)也得到了飛速的發(fā)展，但是對(duì)于我國來說，山地面積在國土面積中占有相當(dāng)大的比例（除去四大海域的面積，中國擁有960萬平方公里的陸地面積，而在這960萬平方公里的陸地面積上山地的比例占33.33%，多達(dá)320萬平方公里）[1].在這些地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)不可避免的將遇到許多邊坡工程問題，在邊坡工程治理中，抗滑樁這種治理措施應(yīng)用廣泛.

通過多年的研究，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)抗滑樁的抗滑機(jī)理認(rèn)知統(tǒng)一，認(rèn)為：阻礙邊坡巖土體下滑的阻滑力是通過抗滑樁樁周土體的土拱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的.在實(shí)際抗滑樁工程中，抗滑樁土拱效應(yīng)作用的強(qiáng)弱是整個(gè)抗滑樁工程的關(guān)鍵，也是抗滑樁治理邊坡問題的核心.然而抗滑樁土拱效應(yīng)的發(fā)揮與多重因素有關(guān)，與邊坡巖土體本身的力學(xué)性質(zhì)、邊坡提供的下滑力、抗滑樁具體的設(shè)計(jì)參數(shù)等都有著緊密聯(lián)系[2].

抗滑樁工程的具體設(shè)計(jì)過程也是一個(gè)多參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括樁間距、樁寬等.這些參數(shù)將關(guān)系著抗滑樁土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱，也關(guān)系著具體抗滑樁工程支擋作用的強(qiáng)弱，決定邊坡問題的安全性.

現(xiàn)將從樁寬參數(shù)出發(fā)對(duì)抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行分析研究，擬采用F L A C3D數(shù)值分析軟件，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值分析模型，在不同樁寬條件下對(duì)抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬.對(duì)不同樁寬條件下的抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析研究，探討在不同樁寬保持其它抗滑樁參數(shù)不變的情況下，抗滑樁土拱效應(yīng)的變化規(guī)律，并與實(shí)際抗滑樁工程中參數(shù)設(shè)計(jì)做對(duì)比驗(yàn)證.

1 數(shù)值模型的確定

1.1 靜力數(shù)值分析模型的建立

采用F L A C3D數(shù)值分析軟件建立相關(guān)靜力計(jì)算模型，并對(duì)實(shí)際抗滑樁工程作了一定的簡化（簡化后數(shù)值模型示意圖如圖1），取抗滑樁工程中相鄰兩根抗滑樁樁間及其左右2m范圍的巖土體來建立靜力數(shù)值分析模型，在此數(shù)值模型基礎(chǔ)上對(duì)不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行分析.該數(shù)值模型巖土層主要分為兩層，上、下巖土層分別編號(hào)巖土層1和巖土層2，巖土層交界面設(shè)定為模型邊坡的滑面，整體模型深度31m，取樁頂為零軸，坐標(biāo)軸Z軸下方26m，坐標(biāo)軸Z軸上方為一坡度為1：1的高5m的斜坡.

為與實(shí)際工程接近，把模型邊界條件設(shè)置為底部固定約束，模型前、后方滑面（巖土層1和巖土層2交界面）以下施加X方向約束，模型左右兩側(cè)施加Y方向約束，具體參見圖1中模型橫切面和縱切面圖約束條件.另外模型中抗滑樁為方樁，整個(gè)抗滑樁長度為16m，嵌固深度為6m，模型原始截面尺寸為2×2m（b×h），樁間距取L=6m[3]，

圖1 模型示意圖

1.2 模型中計(jì)算參數(shù)的確定

結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，數(shù)值分析模型中巖土體參數(shù)確定如下：

巖土層1為碎石土，天然容重γ1=19K N/m3，內(nèi)摩擦角φ1=260，位于滑面以上部分；巖土層2為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，天然容重γ2=21K N/m3，內(nèi)摩擦角φ2=42010＇.數(shù)值模型中其它計(jì)算參數(shù)如表1如示：

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)表

2 不同樁寬下土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬

在數(shù)值模型中，確定抗滑樁樁間距為6m，結(jié)合工程實(shí)例取下滑推力P=1600K N/m，其它計(jì)算參數(shù)參照?qǐng)D1、表1取定的模型參數(shù).保持其它參數(shù)不變的情況下，改變抗滑樁的樁寬，分別取樁寬1m、2m及3m，在三種不同樁寬對(duì)比分析抗滑樁的土拱效應(yīng)情況.

基于前面的參數(shù)取定，分別建立不同樁寬下的數(shù)值模型，在樁深度范圍內(nèi)取滑面以上z=-9m截面作為標(biāo)準(zhǔn)截面進(jìn)行土拱效應(yīng)分析.在數(shù)值模擬中，結(jié)合現(xiàn)目前對(duì)土拱效應(yīng)研究的成果，對(duì)抗滑樁樁間土體的剪切應(yīng)變以及沿主滑方向x方向的位移進(jìn)行分析，取抗滑樁標(biāo)準(zhǔn)截面的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D及x方向位移云圖進(jìn)行對(duì)比研究.不同樁寬下標(biāo)準(zhǔn)截面相應(yīng)云圖如圖2和圖3如示.

圖2 抗滑樁z=-9m截面剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖3 抗滑樁z=-9m截面x方向位移云圖

從圖2和圖3中的標(biāo)準(zhǔn)截面剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D和x方向的位移云圖可以看出，在相應(yīng)云圖中，距離抗滑樁的不同位置土體剪切應(yīng)變?cè)隽亢蛒方向位移各不相同，在遠(yuǎn)離樁背的土體兩個(gè)參數(shù)變化較小，參數(shù)值大小基本一致，而靠近抗滑樁附近土體參數(shù)值呈現(xiàn)變化明顯特征，抗滑樁間參數(shù)變化特征呈現(xiàn)土拱形狀排列，所以抗滑樁土拱效應(yīng)有一定的作用半徑，在距抗滑樁樁體較遠(yuǎn)距離土體不具備形成土拱效應(yīng)條件，只在抗滑樁附近范圍土體形成土拱效應(yīng).

另外對(duì)比不同樁寬下的相應(yīng)云圖，可知隨著抗滑樁寬度的增加，抗滑樁附近土體x方向位移逐漸減小，樁寬增加，抗滑樁沿滑動(dòng)方向位移逐漸減小，抗滑樁土拱效應(yīng)增加，即相應(yīng)抗滑樁工程阻滑能力逐步提高，這和在實(shí)際抗滑樁工程設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)是一致的.

但是對(duì)于抗滑樁工程來說，也不能無限的提高樁寬，因?yàn)殡S樁寬增加，抗滑樁工程的成本也是成倍增加.所以為了探究樁寬絕對(duì)變化對(duì)土拱效應(yīng)的影響，更直觀的反映不同樁寬條件下，樁體附近土體沿滑動(dòng)x方向的位移變化情況，分別讀取在不同樁寬下整數(shù)截面（每隔1m讀取一次數(shù)據(jù)）的抗滑樁樁周范圍土體x方向的最大位移值，根據(jù)相關(guān)讀取數(shù)據(jù)作樁周土體x方向的最大位移值變化圖，如4所示.

圖4 不同樁寬下抗滑樁樁周土體x方向最大位移變化圖

從位移變化圖可以看出，隨著樁寬的增大，樁周土體x方向最大位移值整體呈減小趨勢(shì)；另外當(dāng)樁寬從1m增加到2m過程中，樁周土體x方向最大位移值從49.6mm變?yōu)?7.6mm，變化率為-24.2%，當(dāng)樁寬從2m增加到3m過程，樁周土體x方向最大位移值從37.6mm變?yōu)?1.4mm，變化率為-16.5%，樁周土體x方向最大位移值位移值的減小幅度明顯變小.從樁周土體x方向最大位移值變化過程在一定程度上可以說明，隨著樁寬的增大，抗滑樁土拱效應(yīng)增強(qiáng)，抗滑能力提高.但是當(dāng)樁寬增大到一定臨界值后，抗滑樁寬度的進(jìn)一步增大對(duì)抗滑樁土拱效應(yīng)的提升作用逐漸減弱.通過抗滑樁數(shù)值模型分析，可以認(rèn)為抗滑樁樁周土體土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱隨著樁寬的增大不是一個(gè)線性等比例增長的關(guān)系，達(dá)到一定的臨界值，樁寬再增大土拱效應(yīng)增強(qiáng)也很少.

另外仔細(xì)分析剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，樁周土體剪切應(yīng)變?cè)隽孔畲笾档奈恢迷诳够瑯稑堕g的土體，并且隨著樁寬的增大，剪切應(yīng)變?cè)隽空w呈減小的趨勢(shì)，但是當(dāng)樁寬增大到3m時(shí)，剪切應(yīng)變?cè)隽恐捣炊杂刑岣?這主要是由于該數(shù)值模型樁間距是固定的6m，當(dāng)樁寬增至3m時(shí)，兩樁之間的樁凈距也只有3m，此時(shí)抗滑樁作為土拱的拱腳對(duì)樁間土體的擠壓作用加強(qiáng)，剪應(yīng)變值增大.此時(shí)，抗滑樁作為拱腳對(duì)樁間土體的擠壓反作用于抗滑樁本身的土拱效應(yīng)的增加，對(duì)隨樁寬增大而提升的土拱效應(yīng)起減弱作用.這也從側(cè)面證明了樁寬與抗滑樁土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱不是一個(gè)線性等比例增長的關(guān)系，抗滑樁土拱效應(yīng)強(qiáng)弱應(yīng)受多方面因素影響.結(jié)合工程實(shí)際，樁寬一味增大，抗滑樁工程的造價(jià)成倍增加，所以在具體抗滑樁工程設(shè)計(jì)過程中，需要找出樁寬設(shè)計(jì)的臨界值.

3 結(jié)論

隨著抗滑樁樁寬的增加，抗滑樁樁周土體滑動(dòng)方向的最大位移值減小，抗滑樁土拱效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；抗滑樁樁寬的大小與抗滑樁土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱不是一個(gè)線性增長的一個(gè)關(guān)系，當(dāng)抗滑樁樁寬增大到一定臨界值時(shí)，抗滑樁寬度的繼續(xù)增長對(duì)抗滑樁土拱效應(yīng)增強(qiáng)影響減弱，甚至可以忽略不計(jì)；實(shí)際抗滑樁工程樁寬設(shè)計(jì)過程中，需綜合考慮樁寬增加對(duì)土拱效應(yīng)提高與樁寬增加對(duì)抗滑樁工程造價(jià)提高的影響.

[1]國家統(tǒng)計(jì)局.2010年中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社,2010.

[2]劉光代.淺談抗滑樁的設(shè)計(jì)[A]//滑坡文集(第15集) [C].北京:中國鐵道出版社，2002.

[3]侯青宏.抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D].重慶：重慶大學(xué),2012.

Numerical Simulationof Soi l Arching Ef fect of Anti Slide Pileunder Dif ferent Pi leW idth Basedon FLAC3DSof tware

H O UQ in g hon g,C H E NW en j i a n
(S ich ua n V oc a tion a l a n d T echnic a l C ol le g e,S u inin g S ich ua n629000)

R e f e r r in g to the a ct ua l c a se o f a nti sl i d e pi le en g inee r in g,a n u me r ic a l sim u l a tion mo d el isest ab lishe dby u sin g F L A C3D n u me r ic a l sim u l a tionso f t war e.I n the p r ocess o f n u me r ic a l sim ul a tion,the othe r d esi g n p ara mete r s o f the a nti-sl i d e pi le ar e k ept const a nt,a n d the pi le w i d th is ch a n g e d by sin g le fa cto r.B y comp ar in g the she ar st ra in inc r ement clo ud d i agra m a n d them ax im u m d ispl a cement im ag e in the sl i d in g d i r ection,T he e f f ect o f a nti-sl i d e pi le on the soi l ar chin g e f f ect o f a nti-sl i d in g pi le is d isc u sse d.

A nti-sl i d e pi le;P i le W i d th;S oi l Ar ch E f f ect

TU7

A

1672-2094（2017）03-0165-04

責(zé)任編輯：張隆輝

2017-03-09

侯青宏(1989-)，男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，碩士.研究方向：巖土工程.

陳文建(1970-)，男，四川蓬溪人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士.研究方向：建筑結(jié)構(gòu).