抗滑樁土拱效應(yīng)三維數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬方法，建立三維模型對(duì)土拱效應(yīng)的形成機(jī)理以及空間分布特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，土拱效應(yīng)表現(xiàn)出一定的空間特性，主要出現(xiàn)在樁頂以下6 m深度范圍內(nèi)。隨深度的增加，土拱形狀由懸鏈線形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€形，土拱高度和土拱強(qiáng)度表現(xiàn)為先緩慢增大后減小的趨勢(shì)。本研究是對(duì)土拱理論的重要補(bǔ)充，可為抗滑樁的設(shè)計(jì)提供參考。

抗滑樁； 土拱效應(yīng)； 空間分布特征； 土拱高度； 數(shù)值模擬

U416.1+4A

［定稿日期］2023-04-03

［作者簡(jiǎn)介］劉溢（1999—），男，碩士，助理工程師，從事地基基礎(chǔ)檢測(cè)工作。

0 引言

抗滑樁是依靠穩(wěn)定巖層的地層抗力來平衡滑坡推力的一種側(cè)向受荷樁，具有抗滑能力強(qiáng)、適用范圍廣等特點(diǎn)，在邊坡加固和滑坡治理工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。土拱效應(yīng)是保證抗滑樁長(zhǎng)期加固邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵，是抗滑樁有效設(shè)計(jì)的核心［2］。因此，深入研究抗滑樁樁后土拱效應(yīng)的分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)樁土相互作用機(jī)理，確定樁后土體應(yīng)力傳遞規(guī)律以及優(yōu)化樁的布置方案等具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值［3］。

土拱效應(yīng)是由于土體產(chǎn)生不均勻變形，顆粒間相互擠壓“楔緊”，而產(chǎn)生的一種應(yīng)力轉(zhuǎn)移和重分布現(xiàn)象［4］。早在1943年，Terzaghi通過著名的活動(dòng)門試驗(yàn)證實(shí)了土拱效應(yīng)的存在，并得到土拱存在兩個(gè)的基本條件。第一要有支撐的拱腳，第二為土體間需產(chǎn)生相對(duì)位移。在以往研究中，關(guān)于樁后土拱效應(yīng)的形成機(jī)理、演化特征以及樁間距計(jì)算等方面研究成果較多，而對(duì)于土拱效應(yīng)的幾何特征以及土拱強(qiáng)度的研究較少，且多采用二維模型進(jìn)行分析，忽略了三維效應(yīng)［5］。據(jù)此，為克服拱內(nèi)土體與拱外土體沒有明顯視覺界限、樁間土拱現(xiàn)象可視化困難等問題，本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)抗滑樁樁后土拱效應(yīng)空間分布規(guī)律進(jìn)行研究。研究成果對(duì)于深入認(rèn)識(shí)土拱效應(yīng)機(jī)制，分析抗滑樁土拱效應(yīng)作用特征，設(shè)計(jì)抗滑樁工程有著重要意義。

1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

本文采用限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D有進(jìn)行分析，邊坡模型剖面及相應(yīng)尺寸如圖1所示，邊坡巖土體由滑體和基巖兩部分組成?？够瑯稙閼冶蹣叮瑯堕L(zhǎng)20 m，懸臂段長(zhǎng)10 m，錨固段長(zhǎng)10 m，截面尺寸為2 m×3 m，樁間距6 m。模型x軸設(shè)置為邊坡滑動(dòng)方向，y軸為邊坡的走向方向，z軸為邊坡高程方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為A點(diǎn)。

在FLAC3D中建立的模型如圖2所示，模型長(zhǎng)50 m，高35 m，寬24 m，共劃分網(wǎng)格單元57 840個(gè)，節(jié)點(diǎn)66 522個(gè)。其中，滑體和基巖采用摩爾-庫(kù)侖模型，抗滑樁選用實(shí)體單元建立，為彈性本構(gòu)模型。巖土體和抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，兩者接觸面采用“interface單元”進(jìn)行模擬。模型底部為固定約束，左右兩側(cè)施加x方向位移約束，前后施加y方向位移約束，其余為自由邊界。

2 土拱效應(yīng)形成機(jī)理分析

土拱效應(yīng)發(fā)揮作用時(shí)，樁后土體會(huì)產(chǎn)生不均勻位移以及應(yīng)力重分布，因此可通過應(yīng)力云圖和位移云圖描述土拱。選取切片z=22 m（距樁頂3 m）進(jìn)行研究。由主應(yīng)力矢量可知（圖3），在邊坡推力作用下，土體相對(duì)樁產(chǎn)生不均勻位移，通過自身抗剪強(qiáng)度將荷載傳遞到樁上，樁周主應(yīng)力方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，在樁后會(huì)形成拱形受力的土體區(qū)域。從最大主應(yīng)力云圖也可清楚看到這種成拱的現(xiàn)象見圖4（a）。由x方向位移云圖見可知圖4（b），樁背側(cè)土體位移小，樁間土體位移大，兩者間存在明顯相對(duì)位移，符合土拱產(chǎn)生的條件。

3 土拱效應(yīng)空間分布特征

目前眾多學(xué)者認(rèn)為，大主應(yīng)力軌跡線即為土拱軸線，并命名為大主應(yīng)力拱［6］。同時(shí)，可通過y方向應(yīng)力σy的突變程度來表示土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱［7］。本文通過水平切片法截取不同樁深剖面，通過最大主應(yīng)力云圖研究不同深度土拱的幾何特征，通過y方向應(yīng)力σy的分布特征分析不同深度土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱。

選擇樁頂以下8.0 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行研究，分析其最大主應(yīng)力云圖的響應(yīng)變化情況。由圖5（a）～圖5（g）可知，樁頂以下6 m范圍內(nèi)，樁間形成了類似拱形的應(yīng)力圖，表明土拱效應(yīng)發(fā)揮作用。圖5（h）和圖5（i）在樁頂以下7 m和8 m處，樁后土體應(yīng)力變化不大，無明顯的拱形應(yīng)力區(qū)，土拱效應(yīng)消失。在形成土拱的深度范圍內(nèi)（樁頂以下6 m深度范圍內(nèi)），土拱效應(yīng)沿樁深方向表現(xiàn)出一定的空間差異特性。首先，在沿樁深方向，最大主應(yīng)力值表現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其主要原因?yàn)殡S著埋深的增大，土體承受的不穩(wěn)定推力以及自重越大，土體逐漸被擠密，使得應(yīng)力值逐漸增大。其次，沿樁深方向，土拱的形狀和高度存在明顯差異。圖5（a）～圖5（d）在樁頂以下3 m范圍內(nèi)，土體自重應(yīng)力較小，土體間無法充分?jǐn)D密，土拱高度較高，土拱形狀呈懸鏈線形圖5（e）～圖5（g）。隨埋深的增大，土體在自重應(yīng)力作用下壓密，土拱高度逐漸減小，土拱形狀由懸鏈線形轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€型。

3.1 土拱高度沿樁深的變化規(guī)律

通過上述的最大主應(yīng)力云圖，進(jìn)一步總結(jié)土拱高度沿樁深方向的變化情況，繪制如圖6所示的不同樁深拱高分布圖。由圖6可知，樁頂以下0.5 m至樁頂以下3 m，土拱高度呈緩慢增加趨勢(shì)，由4.45 m增加至5.47 m。樁深繼續(xù)增大至樁頂以下6 m（3～6 m），在此范圍內(nèi)隨樁深的增加拱高逐漸減小，由5.47 m減小至0.58 m。當(dāng)樁深大于6 m時(shí)，土拱效應(yīng)消失。

3.2 土拱強(qiáng)度隨樁深的變化規(guī)律

通過土體的最大主應(yīng)力云圖可以得到土拱的分布形態(tài)以及作用范圍，但不能確定土拱效應(yīng)的強(qiáng)弱。選取樁頂以下1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m六個(gè)剖面測(cè)定樁間中軸線上y方向應(yīng)力σy分布曲線，以σy的突變效應(yīng)表征土拱效應(yīng)作用強(qiáng)度（圖7）。由圖可知，樁頂以下1 m處，隨著距抗滑樁距離的減小，y方向應(yīng)力σy逐漸減小，σy未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象，表明土拱效應(yīng)較弱。在樁頂以下2 ～5 m處，距樁2～3 m范圍內(nèi)，y方向應(yīng)力σy具有明顯的突變效應(yīng)，且隨著深度的增大，突變?cè)矫黠@。在樁頂以下6 m，

y方向應(yīng)力σy也具有突變效應(yīng)，但相對(duì)于樁頂以下2～5 m處的突變效應(yīng)有所減弱。由上述分析可知，土拱效應(yīng)隨樁深的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。接近樁頂處的上部土體和懸臂段下部土體土拱效應(yīng)較弱，在懸臂段的中間位置土拱效應(yīng)較強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)抗滑樁三維土拱效應(yīng)進(jìn)行研究，揭示了抗滑樁樁后土拱效應(yīng)沿樁深方向的空間分布特征及作用強(qiáng)度，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）土拱效應(yīng)僅出現(xiàn)在樁頂以下6 m深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加，土拱高度呈先緩慢增加后減小的趨勢(shì)，在樁頂以下3 m處拱高最大。

（2）沿樁深方向，土拱呈不同形狀，結(jié)果為：樁頂以下3 m深度范圍內(nèi)，土拱形狀為懸鏈線形；樁頂以下3～6 m深度范圍內(nèi)，土拱形狀呈拋物線形。

（3）土拱效應(yīng)作用強(qiáng)度隨樁深的增大，表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，在樁頂和滑面附近較弱，在懸臂段中部較強(qiáng)。土拱效應(yīng)強(qiáng)弱與土體自重以及樁土相對(duì)位移有關(guān)，建議采用三維模型研究抗滑樁的土拱效應(yīng)。

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