基于FLAC 3D數(shù)值模擬的抗滑樁土拱效應(yīng)研究

張濟(jì)斌，侯付闖

(1.山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站(有限公司)，山西 太原 030032；2.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

滑坡是全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)育的一種地質(zhì)災(zāi)害。由于規(guī)模大、分布廣泛和危害性大的特點(diǎn)，容易造成較大的社會(huì)影響。通常實(shí)際滑坡治理方法種類較多，如抗滑樁、截排水措施、削方減載、錨索以及格構(gòu)等。其中抗滑樁方案由于布置靈活和治理效果好的原因，被廣泛應(yīng)用于各類滑坡的治理工程中。研究發(fā)現(xiàn)，抗滑樁的受力特性是極為復(fù)雜的，樁通過(guò)錨入/嵌入穩(wěn)定滑床一定深度，通過(guò)樁的抗彎和樁側(cè)摩擦阻力形成土拱共同抵抗滑坡推力。

邊坡治理工程中，大多數(shù)的抗滑樁設(shè)計(jì)均無(wú)法考慮樁的土拱效應(yīng)，在一定程度上造成了材料浪費(fèi)。針對(duì)樁的土拱效應(yīng)，秦浩鋒[1]基于離心機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了樁間凈間距對(duì)不同截面抗滑樁土拱效應(yīng)。結(jié)果表明，矩形樁的土拱效應(yīng)比圓形樁更明顯，且圓形樁的土拱極限承載力是矩形樁的73%～84%。王國(guó)田和羅雪貴[2]基于理論分析和數(shù)值模擬研究了滑坡-抗滑樁土拱效應(yīng)。研究表明，端承樁的土拱效應(yīng)主要體現(xiàn)為小主應(yīng)力拱，其土拱形態(tài)為M形，土拱效應(yīng)承擔(dān)的荷載與土拱厚度和分布范圍呈正比。韓同春[3]基于YADE離散元軟件研究了的抗滑樁土拱效應(yīng)。結(jié)果表明，土體深層的土拱效應(yīng)比淺層更為明顯，土顆粒的分布對(duì)樁后土拱效應(yīng)影響極為顯著。申龍[4]基于FLAC3D數(shù)值模擬研究了樁型雙排抗滑樁對(duì)樁后土拱效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，矩型抗滑樁比圓型抗滑樁的遮攔效果更好，但圓形樁的受力更加均衡。向先超等[5]基于顆粒流數(shù)值模擬研究了抗滑樁土拱效應(yīng)。結(jié)果表明，拱的極限承載力隨樁間距與樁寬比例增大而減小，隨樁土之間的相對(duì)速度的增大而增大。付厚利等[6]依托某抗滑樁治理工程，系統(tǒng)分析了某邊坡抗滑樁的土拱效應(yīng)及影響因素。結(jié)果表明，土拱效應(yīng)隨土體內(nèi)摩擦角的增大而增大，隨直徑的增大而減弱，實(shí)際抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮土拱效應(yīng)和地基參數(shù)等因素。

本文采用數(shù)值模擬，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)的研究了抗滑樁樁后土拱的形成機(jī)理及影響因素，為滑坡治理中的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供工程參考。

1 抗滑樁的受力機(jī)制

抗滑樁與樁土的相互作用是典型的三維問(wèn)題，在分析過(guò)程中考慮樁土的變形協(xié)調(diào)，忽略樁的位移，可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，機(jī)損結(jié)果的相對(duì)誤差也在可控范圍之內(nèi)。因此分析中可簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題。具體簡(jiǎn)化形式如圖1所示。分析時(shí)取一定厚度的土層作為研究對(duì)象，假定土的位移沿水平方向，樁的水平位移為0。

圖1 抗滑樁土拱效應(yīng)問(wèn)題簡(jiǎn)化

抗滑樁樁后土拱形成主要是由于樁土之間的土顆粒產(chǎn)生不均位移，進(jìn)一步導(dǎo)致土顆粒被壓密實(shí)，形成一定范圍的“土拱”。抗滑樁土拱受力分析如圖2所示。其中P為抗滑樁所受的滑坡推力。P1和P2為微單元的滑坡推力和抵抗力。q1和q2為樁的側(cè)向壓力，f1和f2為樁受的剪應(yīng)力。其中滑坡推力可由傳遞系數(shù)法確定，由于受到眾多因素的影響，其他參數(shù)確定比較困難。為了獲得這些參數(shù)本文采用數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，分析土拱形成條件及形成過(guò)程[7-8]。

圖2 抗滑樁土拱形成機(jī)理

2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

建立典型的樁土數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。模型高度為24m，寬度為12m，樁的寬高比為2∶3，樁間距為4m。模型的邊界條件為對(duì)稱邊界，約束模型左右的水平位移，底部約束水平和豎向位移。網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)平面單元模型。假定滑坡推力為為3320kN/m。模型所采用的的土體和樁的物理力學(xué)參數(shù)見表1。土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，樁采用線彈性模型。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

3 結(jié)果與分析

3.1 位移變化規(guī)律

不同滑坡推力下樁在y方向的位移如圖4所示。結(jié)果表明，當(dāng)滑坡推力小于3320kN/m時(shí)，樁后的位移量比較小，證明此時(shí)無(wú)土拱形成，當(dāng)滑坡推力增大至1290kN/m時(shí)，土體開始發(fā)生不均勻變形。此時(shí)，土體的土拱開始形成并發(fā)揮作用。當(dāng)滑坡推力進(jìn)一步增大至3320kN/m時(shí)，位移迅速增大，土拱效應(yīng)明顯增大。根據(jù)圖4，可將樁后土拱的形成分為4個(gè)階段：①樁土相對(duì)位移較小，且土體位移有增大趨勢(shì)，此時(shí)沒(méi)有形成土拱；②隨著位移增大，抗滑樁開始發(fā)揮作用，當(dāng)土體位移達(dá)到極值時(shí)，土拱效應(yīng)最明顯；③隨著荷載進(jìn)一步增大，土拱效應(yīng)減弱；④土拱效應(yīng)完全消失，此時(shí)摩擦阻力是抗滑力的主要組成部分。

圖4 滑坡推力對(duì)樁的位移影響

3.2 樁間距對(duì)土拱效應(yīng)的影響

為了研究樁間距對(duì)土拱效應(yīng)的影響。本文計(jì)算了在其他條件相同的情況下，不同樁間距對(duì)土拱效應(yīng)的影響如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)樁間距小于12m時(shí)，樁的位移隨樁間距的減小而減小，樁土沒(méi)有形成土拱。此時(shí)，樁土摩擦力是主要的承載力提供部分。當(dāng)樁間距減小到8m時(shí)，土拱效應(yīng)開始形成，但不明顯，樁土之間的摩擦力仍占主要比例。進(jìn)一步減小樁間距至6m時(shí)，樁后土拱效應(yīng)明顯，具體表現(xiàn)為樁后土體的變形趨勢(shì)相同。當(dāng)樁間距為4m時(shí)，土拱效應(yīng)最為明顯。因此實(shí)際工程設(shè)計(jì)中樁間距采用樁寬的3倍最為合理。

圖5 樁間距對(duì)樁的位移影響

樁間距對(duì)樁土荷載分擔(dān)比影響如圖6所示。結(jié)果表明，樁荷載分擔(dān)比隨樁間距的增大而減小，而土荷載分擔(dān)比隨樁間距的增大而增大，在樁間距為9m時(shí)，兩者的分擔(dān)比相同。當(dāng)樁間距為16m時(shí)，樁荷載分擔(dān)比例為30%，土荷載分擔(dān)比例為70%；當(dāng)樁間距為4m時(shí)，樁荷載分擔(dān)比例為85%，土荷載分擔(dān)比例為15%。實(shí)際工程中利用該分擔(dān)比可確定樁身所受滑坡推力的大小[9]。

圖6 樁間距對(duì)樁土荷載分擔(dān)比影響

3.3 內(nèi)摩擦角對(duì)土拱效應(yīng)的影響

既有研究表明，土拱效應(yīng)不僅受樁間距的影響，還受到內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的影響。不同內(nèi)摩擦角對(duì)樁土荷載分擔(dān)比的影響如圖7所示。其中固定樁間距為6m，滑坡推力為33200kN/m。結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)聚力保持不變時(shí)，樁荷載的分擔(dān)比隨內(nèi)摩擦角的增大而增大，證明增大內(nèi)摩擦角可以有效的增大土拱效應(yīng)。當(dāng)內(nèi)摩擦角為10°，內(nèi)聚力分別為4、8、12kPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁荷載分擔(dān)比例分別為52%、53.6%、56%；當(dāng)內(nèi)摩擦角為30°，內(nèi)聚力分別為4、8、12kPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁荷載分擔(dān)比例分別為79.5%、81%、8.3%。因此，當(dāng)內(nèi)聚力較小時(shí)，土拱效應(yīng)更為明顯，即更多的荷載可以轉(zhuǎn)移到樁上。

圖7 土體內(nèi)摩擦角對(duì)土拱效應(yīng)的影響

3.4 內(nèi)聚力對(duì)土拱效應(yīng)的影響

如圖8所示，其中固定樁間距為6m，滑坡推力為33200kN/m。結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)摩擦角保持不變時(shí)，樁荷載的分擔(dān)比隨內(nèi)聚力的增大基本保持不變，證明增大內(nèi)聚力對(duì)增大土拱效應(yīng)不明顯。當(dāng)內(nèi)聚力為4kPa，內(nèi)聚力分別為10°、20°、30°時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁荷載分擔(dān)比例分別為51%、68%、80%；當(dāng)內(nèi)聚力為12kPa，內(nèi)聚力分別為10°、20°、30°時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁荷載分擔(dān)比例分別為53%、70%、80%。因此，內(nèi)摩擦角比粘聚力對(duì)土拱效應(yīng)的影響更顯著。

4 結(jié)論

本文采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件研究了抗滑樁樁后土拱效應(yīng)的形成機(jī)理和影響因素。結(jié)果顯示當(dāng)樁間距小于12m時(shí)，樁的位移隨樁間距的減小而減小，樁土沒(méi)有形成土拱，樁土摩擦力是主要的承載力提供部分；當(dāng)樁間距為4m時(shí)，土拱效應(yīng)最為明顯。工程設(shè)計(jì)中，樁間距采用樁寬的3倍最為合理；當(dāng)內(nèi)聚力保持不變時(shí)，樁荷載的分擔(dān)比隨內(nèi)摩擦角的增大而增大，增大內(nèi)摩擦角可以有效的增大土拱效應(yīng)；當(dāng)內(nèi)聚力4kPa，內(nèi)摩擦角由10°增大至30°時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁荷載分擔(dān)比例由50%提高至80%。內(nèi)聚力對(duì)土拱效應(yīng)的影響不顯著。本文在分析過(guò)程中簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略樁的位移，與實(shí)際情況可能存在偏差，需要進(jìn)一步分析研究。