圍樁平面布置及其內力分布的數值分析

孔祥營，鄭明新，劉偉宏，董超

（1.華東交通大學 道橋與巖土工程研究所，江西 南昌330013；2.南通紡織職業技術學院 建筑工程系，江蘇 南通226007）

抗滑樁具有抗滑能力強、樁位靈活、理論和技術較為成熟等優勢，在實際工程中得到廣泛的應用［1］.然而，由于抗滑樁主要通過結構本身的強度抵抗滑坡推力來實現穩定滑坡的目的，卻沒有充分調動坡體巖土體自身的強度.鑒于此，鄭明新等［2］首次提出了圍樁-土耦合式新型抗滑結構，通過充分調動巖土體自身強度來達到抗滑的目的［3-5］.對于圍樁-土耦合結構，徐典等［3-4］采用模型試驗，主要從應力場的變化研究了該新型抗滑結構中圍樁-土的耦合作用，將該抗滑結構等效成一根普通抗滑樁，從而計算其內力.本文在以上研究的基礎上，采用FLAC3D軟件從位移場的變化探討圍樁-土的耦合效應，確定合理的平面布置形式，并進一步分析各圍樁的內力分布規律.

1 計算模型

以某中小型規模的滑坡為例.該滑體主要由粘土夾雜碎石組成，下伏基巖為千枚巖，滑體與基巖之間有軟塑狀砂粘土組成的軟弱夾層.

對問題進行如下簡化分析：1）將滑體、滑帶和滑床作為3種均質巖土體分別處理；2）設樁位置處的滑帶傾角為零，即粗略認為該處滑坡推力為水平方向，故取xy平面上σxx應力場進行分析（滑坡縱向為x軸，橫向為y軸，豎向為z軸，且樁位處滑床頂面z＝0）.

考慮對稱性，在坡體橫向上取排樁中的兩根圍樁-土耦合式抗滑結構為研究對象，抗滑結構外側計算域均取抗滑結構中心距的一半，邊界采用y向約束，前后側邊界采用x向約束，底面采用z向約束.三維數值計算模型如圖1所示.

在FLAC3D計算模型中，取圍樁樁長13.2 m，其中受荷段8.2 m（包括貫穿滑體部分8 m和貫穿滑帶部分0.2 m），錨固段5.0 m.對于樁土接觸，采用分段建立接觸面的方式進行處理，包括樁與滑體的接觸面、樁與滑帶的接觸面，以及樁與滑床的接觸面.

圖1 三維數值分析模型Fig.1 3-D numerical calculation model

計算模型中各巖土物理力學指標依據室內試驗，并結合工程地質手冊［5］確定，如表1所示.表1中：c為粘聚力；φ為內摩擦角；γ為土的容重；G為剪切模量；K為體積模量；滑體、滑帶、滑床的μ值分別為0.25，0.30，0.22.

表1 計算參數表Tab.1 Calculation parameters

2 圍樁-土耦合式抗滑結構的平面布置

2.1 平面布置形式的確定

在前人研究的基礎上，初步選定圍樁-土耦合式抗滑結構由5根或6根圍樁（直徑d＝500 mm）組成，圍樁中心距s＝5d，其平面布置角度又各有兩種，如圖2所示.

圖2 圍樁平面布置圖Fig.2 Plan arrangement of surround pile

依據單位寬度滑體分擔圍樁截面面積相等的原則，在橫向布樁.布置形式A，B下的抗滑結構中心距S1＝5×S2／6，布置形式C，D下的抗滑結構中心距S2＝5d2（d2為正六邊形外接圓的直徑）.不同平面布置形式下圍樁-土的耦合效應，如圖3所示.圖3中：S為水平位移；h為滑帶以上樁身截面的高度.

由圖3可以看出：樁內中心點處土體的水平位移明顯大于其后側圍樁的水平位移，變形不連續、不協調.這種水平位移的差異直觀的表現就是樁內土體與后側圍樁剝離，從而切斷了后側圍樁向樁內土體傳遞應力的途徑，圍樁與樁內土體沒能形成耦合.

相對于這3種工況，圖3（d）中樁內土體位移更大程度上小于其后側的1＃圍樁，與同一橫截面的3＃圍樁基本一致，卻大于其前側的5＃圍樁.這種變形的連續和協調為圍樁與樁內土體之間應力的傳遞提供了傳遞路徑，從而形成良好的耦合.故選定圍樁的平面布置形式為D布置形式.

圖3 不同平面布置形式下圍樁-土的耦合效應Fig.3 Pile-soil coupling effect in different plan arrangement

2.2 圍樁中心距的確定

圍樁中心距越小，則圍樁與土的耦合效果越好，但圍樁對結構中心的截面慣性矩變小；反之，圍樁中心距越大，則圍樁對結構中心的截面慣性矩越大，而圍樁與土的耦合效果變差，整個抗滑結構的抗彎剛度和抗剪強度反而會減小.所以，最優的結構平面布置形式應該是在保證圍樁-土耦合作用的前提下盡可能地增大圍樁中心距，同時，圍樁中心距增大也有利于施工時成孔的安全與質量.

圍樁中心距（s）選取3d，4d，5d，6d，如圖4所示.其中：s＝5d即為布置形式D.依據單位寬度滑體分擔圍樁截面面積相等的原則，在橫向布樁，耦合式抗滑結構中心距均取S＝25 m，結果如圖5所示.圍樁中心距對樁間中心土體位移的影響，如圖6所示.

由圖5，6可知：圍樁中心距等于3d，4d，5d時，圍樁-土耦合式抗滑結構的直徑逐漸增大，而抗滑結構中心距不變，樁后及樁間土體受耦合式抗滑結構的約束增強，故樁間土體位移減小，要想進一步減小樁間土體位移，就需要減小樁間距，勢必增加單位寬度滑體內抗滑結構的工程量；當圍樁中心距增加到6d時，由于圍樁-土耦合效應明顯減弱，圍樁與樁內土體沒能良好地耦合為一個整體共同受力，導致圍樁對樁后及樁間土體約束力的削弱，故樁間土體水平位移較s＝5d時大.

圖4 不同圍樁中心距下的圍樁平面圖Fig.4 Plan arrangement of surround pile

圖5 不同圍樁中心距下圍樁-土的耦合效果Fig.5 Pile-soil coupling effect in different pile space

根據以上計算和分析，選定圍樁中心距s＝5d.即最終確定圍樁的平面布置為形式D，且圍樁中心距為5d.

3 圍樁內力的分布

3.1 樁身彎矩的分布

樁身彎矩的分布如圖7所示.由圖7可知：各圍樁樁身彎矩總體的分布規律基本保持一致，只是在樁頂位置由于受到冠梁的約束作用而略有差異.

在受荷段，由于樁頂冠梁的剛性約束作用，1＃圍樁頂出現正彎矩（M），3＃和5＃圍樁頂為負彎矩.當樁身高度（z）為3.5 m，即自樁頂起受荷段長度55%附近，各圍樁負彎矩達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約20%.當z為1～2 m即自樁頂起受荷段長度80%附近，各圍樁出現零彎矩.之后，彎矩值迅速增大.進入錨固段后，樁身彎矩值先略有增大，后迅速減小.在錨固段頂面略靠下的位置，正彎矩達到峰值，且其值遠大于受荷段的負彎矩峰值，故該處彎矩控制著圍樁的截面設計，彎矩值按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約8%.

圖6 圍樁中心距對樁間中心土體位移的影響Fig.6 Effect of surround pile center distance to soil displacement

3.2 樁身剪力的分布

樁身剪力的分布如圖8所示.由圖8可以看出：各圍樁樁身剪力（F）總體的分布規律基本保持一致，只是在樁頂位置由于受到冠梁的約束作用而略有差異.

圖7 樁身彎矩Fig.7 Bending moment along surround pile

圖8 樁身剪力 Fig.8 Shear force along surround pile

在受荷段，由于樁頂冠梁的約束作用，1＃圍樁頂剪力值為負，而3＃圍樁頂剪力值接近于零，5＃圍樁頂剪力值為正.當z＝5.2 m，即自樁頂起受荷段長度37%處，各圍樁負剪力達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減19%，13%.當z＝3.5 m，即自樁頂起受荷段長度55%附近處，各圍樁出現零剪力.當z＝0.2 m，即滑體與滑帶的交界處，正剪力達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約14%.進入錨固段后，在滑床巖土體的抗力作用下，樁身剪力迅速減小.在錨固段頂面略靠下的位置，各圍樁出現零剪力.在滑床頂面以下1.2 m即錨固段長度25%處，各圍樁出現負剪力峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減，遞減幅度均不超過5%.

圖9 樁身軸力Fig.9 Shaft-load of surround pile

3.3 樁身軸力的分布

樁身軸力的分布如圖9所示.由圖9可以看出：圍樁樁身軸力分布有明顯差異，1＃，3＃圍樁受拉，5＃圍樁受壓.

在受荷段，隨著樁身深度的增加，1＃，5＃圍樁軸力逐漸增加，而3＃圍樁逐漸減小，但總體變化幅度較為緩慢.進入錨固段后，各圍樁軸力發生急劇變化.其中1＃，3＃圍樁軸力大幅度增加，在滑床頂面以下1 m左右即錨固段長度20%處，樁身軸力達到最大值.之后，剪力值減小，直至樁底剪力值接近于零.

4 結論

采用FLAC3D對圍樁-土耦合式新型抗滑結構進行數值模擬分析，主要得出以下3點主要結論.

1）圍樁中心距越小，圍樁-土的耦合效應越強，但考慮到整個抗滑結構的剛度因素，依據抗滑效果最終確定圍樁的平面布置，即6根圍樁，呈正六邊形布置（前、后兩條邊均垂直于滑坡推力方向），圍樁中心距s＝5d.

2）各圍樁樁身彎矩的分布基本保持一致，在錨固段頂面略靠下的位置，正彎矩達到峰值，控制著圍樁的截面設計；各圍樁樁身剪力的分布基本保持一致，滑體與滑帶交界處，正剪力達到峰值，控制著圍樁的截面設計.

3）圍樁樁身軸力的分布有明顯差異，1＃，3＃圍樁受拉，5＃圍樁受壓，結構設計時須滿足1＃圍樁錨固段的抗拔要求，5＃圍樁的壓桿穩定要求.

［1］ 王恭先.中國鐵路滑坡災害及其防治研究［J］.中國地質災害與防治學報，1996，7（1）：6-9.

［2］ 李培植.微樁-土耦合式抗滑結構計算方法研究［D］.南昌：華東交通大學，2007：10-11.

［3］ 徐典.耦合式抗滑結構模型試驗及設計方法研究［D］.南昌：華東交通大學，2008：54-55.

［4］ 劉偉宏，鄭明新，王虹，等.單個圍樁-土耦合抗滑結構的土壓力試驗分析［J］.河北農業大學學報，2012，35（1）：89-93.

［5］ 張有良.最新工程地質手冊［M］.北京：中國知識出版社，2006：336-467.