抗滑樁樁后土拱效應(yīng)的數(shù)值研究★

許宗藝 蘇美選

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002)

0 引言

抗滑樁具有工程量少、施工方便、對邊坡的擾動破壞小、布置靈活，可埋入深度長，結(jié)構(gòu)受力比較合理，可以抵抗巨大的滑坡推力，也可和其他邊坡治理措施配合使用等優(yōu)點，對整治處在緩慢滑動階段的滑坡特別有利，因此在滑坡整治工程中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其抗滑機(jī)理體現(xiàn)于滑體、樁、滑床三者間相互協(xié)調(diào)的工作過程中[1]，因此對樁和巖土體間的相互作用進(jìn)行分析就顯得尤為重要。但是，目前抗滑樁設(shè)計大多沒有考慮土拱效應(yīng)對滑體的阻擋作用，雖然通過單樁受力分析而設(shè)計的抗滑樁是可行的，但其設(shè)計方案偏于保守，從節(jié)省工程造價，減少工程量等的角度來講是欠妥的[2]。通過長期實踐和大量的模型試驗發(fā)現(xiàn)，只要抗滑樁樁位設(shè)置合理，在分散布置的抗滑樁工程中，就存在土拱效應(yīng)[3]。

1 計算模型的建立

本文數(shù)值計算采用的本構(gòu)模型為與巖土體屈服條件相適應(yīng)的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，將抗滑樁樁間的土拱效應(yīng)問題簡化為二維平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。

選取樁后坡體一定深度處的單位厚度土層作為分析對象，假定該土層的位移限定在水平方向，并且樁在水平方向被約束，即忽略樁的彈性側(cè)向變形，將樁視為完全剛性，分散布置的抗滑樁對其后土體施加不連續(xù)的水平位移約束。

考慮到模型的對稱性，取模型的寬度為兩樁中對中距離s，為減少邊界效應(yīng)的影響，樁后邊界取H1≥3a(a為矩形樁的截面高度)，樁前邊界取H2≥2a，在水平面上采用單位厚度作為分析對象，如圖1所示。

模型對稱邊界采用x方向位移約束，樁前邊界采用x和y方向位移約束，抗滑樁在受力過程中不發(fā)生x和y方向位移，且滑坡推力在整個模型內(nèi)是一致的。由于引起土體變形的滑坡推力是一個體力，在FLAC程序中施加體力是靠重力加速度g實現(xiàn)的，假設(shè)滑坡推力為T，樁后土體的重力為G，令ξ=T/G，將樁后土體的重力加速度g改為ξg，考慮樁前土體仍有一定的支擋作用，可提供一定的抗力，將樁前及樁間土體的密度改為ρ/ξ。

2 樁后土拱效應(yīng)的影響因素

抗滑樁樁后土拱效應(yīng)的產(chǎn)生是由于樁后土體在土壓力或滑坡作用下產(chǎn)生位移，而抗滑樁的存在使樁后土位移發(fā)展受阻，在土體自身存在抗剪強(qiáng)度及樁側(cè)的摩阻力作用下，樁后土體形成以相鄰兩樁為拱腳的土拱，樁后的土壓力隨土拱傳遞到拱腳及其周圍土體上，使樁土共同分擔(dān)荷載。因此，土拱效應(yīng)的形成主要與樁距的大小、土體抗剪強(qiáng)度、滑坡推力的大小等諸多因素有關(guān)。下面采用FLAC程序，通過建立簡化的數(shù)值計算模型，分別對這些因素進(jìn)行研究。

設(shè)計資料如下：

某抗滑樁工程，滑坡土體的密度為1.83 kN/m3，粘聚力為11.6 kPa，內(nèi)摩擦角為13.5°，土體剪切模量為6.2 MPa，體積變形模量為13.4 MPa?；略O(shè)計下滑力為300 kN/m，抗滑樁采用方形截面2.0 m×2.0 m，樁后邊界取6 m，樁前邊界取4 m。

2.1 樁距對土拱效應(yīng)的影響

抗滑樁治理滑坡工程中，其間距必須使得滑體土拱效應(yīng)得到充分發(fā)揮，樁后土體不至于從兩樁之間滑出，因此，樁距的大小是抗滑樁設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。

由圖2可知，土拱效應(yīng)主要出現(xiàn)在樁后土體和樁間土體中，土體位移在兩樁中間較大，在設(shè)樁處較小，且隨樁距的增大等值線越來越密，等值線的彎曲程度逐漸減小，樁間及樁后土體的位移逐漸增大。當(dāng)樁距為6 m和7 m時，樁前土體的位移量明顯增大，說明樁前土體已經(jīng)或正在下滑，抗滑樁樁后及樁間土體未能形成穩(wěn)定的土拱。從圖2上亦可知，樁后土體在離樁較遠(yuǎn)處，受樁影響較小，土體位移等值線基本上不出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。樁前方向，土體位移也逐漸趨于一致，當(dāng)達(dá)到樁前一定位置，土體差異變形消失，說明樁后邊界取3a，樁前邊界取2a來進(jìn)行數(shù)值模擬分析是合理的。

由圖3可知，當(dāng)樁距由3 m增大到5 m時，作用在樁上的土壓力增大較快，此時樁后土拱效應(yīng)較強(qiáng)，通過土拱作用傳遞到樁上的滑坡推力較大，當(dāng)樁距大于5 m時，隨著樁距的增大，作用在樁上的土壓力值增大的幅度明顯變小，說明土拱效應(yīng)開始減弱，由土拱作用傳遞到抗滑樁上的滑坡推力值增幅減小。當(dāng)樁距為6 m和7 m時，作用在抗滑樁上的土壓力值基本不變，即由抗滑樁所承擔(dān)的滑坡推力基本不變。

2.2 滑體抗剪強(qiáng)度對土拱效應(yīng)的影響

樁距取4 m，滑體的粘聚力c分別取0 kPa，10 kPa， 30 kPa，50 kPa，其他設(shè)計參數(shù)不變，經(jīng)數(shù)值模擬分析，可得作用在樁上的土壓力隨滑體粘聚力的變化曲線，如圖4所示，當(dāng)粘聚力小于10 kPa時，通過土拱作用在樁上的土壓力值隨著粘聚力的增大而增大，當(dāng)粘聚力超過13 kPa時，作用在樁上的土壓力值反而減小，超過30 kPa時，作用在樁上的土壓力值基本不變，說明當(dāng)滑體粘聚力超過一定值時，土拱效應(yīng)不再增強(qiáng)，抗滑樁所承擔(dān)的滑坡推力不再增大，這是由于粘聚力增大，土體內(nèi)的抗剪強(qiáng)度增大，樁間土拱前的穩(wěn)定土體可承擔(dān)的滑坡推力亦增大。

樁距取4 m，滑體的內(nèi)摩擦角φ分別取0°，10°，30°，50°，其他參數(shù)不變，經(jīng)數(shù)值模擬分析，可得作用在樁上的土壓力隨滑體內(nèi)摩擦角變化曲線，如圖5所示，當(dāng)內(nèi)摩擦角較小時，隨著內(nèi)摩擦角的增大，作用在樁上的土壓力值增大，且增大的幅度逐漸變緩，當(dāng)內(nèi)摩擦角超過30°時，由于土體內(nèi)的抗剪強(qiáng)度增大，作用在樁上的土壓力值隨著內(nèi)摩擦角的增大略有減小。而滑坡的下滑力是由抗滑樁和樁間土拱以前的穩(wěn)定土體共同承擔(dān)的，當(dāng)抗滑樁所承擔(dān)的滑坡推力減小時，樁間土拱前的穩(wěn)定土體所承擔(dān)的下滑力增大，因此，當(dāng)下滑力一定時，內(nèi)摩擦角超過某一量值時，樁間土拱前的穩(wěn)定土體所承擔(dān)的下滑力將增大。

2.3 滑坡推力對土拱效應(yīng)的影響

樁距為4 m，滑坡推力分別取100 kN/m，200 kN/m，400 kN/m，600 kN/m，其他設(shè)計參數(shù)不變，通過數(shù)值模擬分析，可得不同滑坡推力作用下作用在樁上的土壓力曲線(如圖6所示)和樁—土荷載分擔(dān)比曲線(如圖7所示)，由圖6，圖7可知，作用在樁上的土壓力隨滑坡推力增大呈線性增大，樁間土拱前土體分擔(dān)的荷載也隨之增大，而樁荷載分擔(dān)比隨滑坡推力的增大而減小，但變化的幅度較小，如滑坡推力由100 kN/m增大到600 kN/m時，樁荷載分擔(dān)比由0.717減小到0.676，減小了0.041，減小幅度為6%，可見，滑坡推力的大小對樁后土拱效應(yīng)的影響較小。

3 結(jié)語

1)樁距的增大會造成土體位移及作用在樁上的土壓力增大，當(dāng)樁距增大到一定程度會造成土拱效應(yīng)減弱，作用在樁上的土壓力減小，使抗滑樁起不到有效的阻滑作用。

2)滑體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較小時，其增大作用在樁上的土壓力增大，有利于提高樁的阻滑效果，超過一定值時，因樁間土拱前土體抗剪強(qiáng)度較高，土拱前土體分擔(dān)的荷載增大，使抗滑樁上分擔(dān)的滑坡推力有所減小。

3)在樁距一定的條件下，滑坡推力的大小對樁后土拱效應(yīng)的影響較小。