不同樁間距下抗滑樁土拱效應的數值模擬研究

侯青宏 吳文博

（中節能建設工程設計院有限公司 四川 成都 610052）

不同樁間距下抗滑樁土拱效應的數值模擬研究

侯青宏 吳文博

（中節能建設工程設計院有限公司 四川 成都 610052）

借助相關工程實例，采用FLAC3D數值模擬軟件建立相關數據分析模型。在不同樁間距下分別對數值模型進行數值模擬，通過對比相關應力云圖和位移云圖，對不同樁間距條件下形成的抗滑樁土拱效應進行分析，對抗滑樁的最優樁間距進行了探討。

抗滑樁；樁間距；土拱效應

1　引言

近幾十年來，我國的基礎設施建設事業得到了迅猛發展，然而中國是一個多山國家，在這些地區將遇到許多邊坡問題，在邊坡治理工程中，抗滑樁這種邊坡處治方式得到了廣泛的使用。

而對于抗滑樁起到的抗滑作用機理，國內外學者以及相關技術人員在幾十年里面也對其進行了深入的研究，認為抗滑樁與巖土體之間相互作用的主要方式是土拱效應。所以說土拱效應發揮作用的強弱關系著抗滑樁抗滑支擋作用能否得到充分的發揮。然而抗滑樁與巖土體之間的相互作用的影響是多因素的，與巖土層的力學參數、下滑推力、抗滑樁相關設計參數等有著緊密聯系。

在抗滑樁實際工程設計中，抗滑樁工程的設計包括了抗滑樁埋深及錨固深度、樁間距、樁結構尺度及樁截面尺寸的設計等，其中樁間距的設計尤為重要，該設計參數的確定關系著工程的安全可靠性，同時也在一定程度上決定了工程的造價[1]。當抗滑樁樁間距過小時，抗滑樁工程量太大，工程造價太高，不經濟；但是當抗滑樁樁間距過大時，抗滑樁樁與樁之間變得彼此獨立，兩樁之間不能夠形成土拱效應阻滑或者形成的土拱效應太弱。所以，在滿足抗滑樁阻滑要求的同時，盡量增大抗滑樁樁間距，對樁間距進行優化，可以在一定程度上直接減少抗滑樁工程的投入，有著極其重要的現實意義。

在本文中擬通過FLAC3D數值分析軟件，建立相關靜力數值模型，在不同樁間距條件下對進行數值模擬分析，對不同樁間距下的抗滑樁樁間及樁后土拱效應進行研究，通過對比分析研究，得出不同樁間距在特定滑坡推力作用下樁后土拱效應的變化規律，同時也從側面驗證現目前一些抗滑樁設計中參數的取定。

2　數值模型的建立

2.1計算模型的確定

本文建立的FLAC3D計算模型（模型示意圖如圖1）對實際的抗滑樁情況進行了一定的簡化，取排樁中的兩根抗滑樁樁間部分及左右2m巖土體建立數值分析模型進行抗滑樁土拱效應分析。該模型設置一滑面，滑面深度為10m，也即是圖2.1中巖土層1和巖土層2的交界面，模型后滑體厚度取15m，模型整體計算深度31m，坐標軸Z軸下方26m，坐標軸Z軸上方是一個高5m，坡率1：1的斜坡。靜力條件下，邊界條件設置為數值模型底部為固定約束，模型前、后方對于滑動面以下施加x方向約束，模型左右兩側施加橫向約束。模型中抗滑樁采用矩形樁，樁長16m，錨固長度為6m，標準模型中截面尺寸（b×h）為2m×2m，樁距L= 6m。

圖1　模型示意圖

2.2計算參數的選取

本文計算模型的巖土層力學參數結合部分實際工程選取如下：

滑動面以上為碎、塊石土的堆積層，從上至下變形增大，γ1= 1900kg/m3，φ1=26°，在模型中定義組為巖土層1。滑動面以下為風化嚴重的頁巖，可按密實土層考慮，γ1=2100kg/m3，φ2=42°10′，在模型中定義組為巖土層2。結合相關巖土層信息[2]，模型中具體計算參數統計如表1所示。

表1　模型參數表

3　不同樁間距下的數值模擬

參考相關實際抗滑樁治理工程，并對實際模型進行簡化，在本文的數值模擬分析中設置了3種樁間距（L=4m，6m，8m），當滑坡推力為1600kN/m時，對抗滑樁樁間及樁后土拱效應進行研究，通過對比分析研究，得出不同樁間距在特定滑坡推力作用下樁后土拱效應的變化規律。

對相關數值模型進行計算，從計算結果中導出基本分析面z=-9截面的最大主應力云圖和x方向位移云圖進行對比分析，相關云圖見圖2和圖3。

從圖2～3可以看出，在一定樁間距下，由于下滑推力的作用，使抗滑樁附近土體最大主應力方向發生了偏轉，最大主應力方向指向抗滑樁，從而在抗滑樁樁間及樁后形成土拱效應。隨著樁間距的增大，最大主應力方向逐漸偏離，指向偏向水平方向，在最大主應力云圖和位移云圖中體現為抗滑樁間應力拱和位移拱形狀由拱形拋物線向扁平拋物線型轉變，此時土拱效應作用逐漸減弱，在工程上體現為隨著樁間距的增大，抗滑樁工程的阻滑能力下降。

圖2　z=-9m截面上最大主應力云圖

圖3　z=-9m截面上x方向位移云圖

為了更直觀的反映模型x方向位移隨抗滑樁樁間距增大的變化情況，根據不同截面（每隔1m讀取一次數據）的抗滑樁間位移拱范圍內土體最大x方向位移值和抗滑樁位移值作位移變化圖，相關對比圖如圖4～5所示。

圖4　不同樁間距下抗滑樁間土體x方向最大位移

圖5　不同樁間距下抗滑樁x方向位移

從位移值變化圖中可以看出，隨著抗滑樁樁間距的不斷增大，數值模型相同處的位移也發生著變化，抗滑樁附近土體x方向位移最大值呈現增大的趨勢。當抗滑樁樁間距L=4m和6m時，抗滑樁附近巖土體最大x方向位移值以及抗滑樁本身位移值偏小，說明此時的抗滑樁土拱效應較為明顯，土拱穩定性較高，阻滑性能良好；隨著間距的增大，最大位移值上升；當L=8m，最大x方向位移值增大以及抗滑樁位移值增長較為明顯，樁間距增大代來的位移變化較前面樁間距增大而引起增幅大很多，此時土拱效應減弱很明顯。

抗滑樁樁間距的確定在一定程度上決定了整個抗滑樁工程的造價，樁間距過小，抗滑樁的強度得不到充分發揮，并且這樣工程造價也相對較高；而當樁間距過大時，工程造價減低了，但是抗滑效果也達不到相應的要求。通過數值模擬對比抗滑樁最優樁間距大概是樁寬的3倍左右，此時抗滑樁樁間與樁后土體前滑位移量最小，形成的抗滑樁間應力拱和位移拱形狀更接近于拱形拋物線，土拱效應最為顯著，抗滑樁土拱抗滑效果發揮得最好；同時樁間距取樁寬的3倍左右也可以較好的兼顧工程經濟性。

4　結論

（1）隨著樁間距的增大，最大主應力方向逐漸偏離，指向偏向水平方向，在最大主應力云圖和位移云圖中體現為抗滑樁間應力拱和位移拱形狀由拱形拋物線向扁平拋物線型轉變，此時土拱效應作用逐漸減弱；

（2）隨著抗滑樁樁間距的不斷增大，數值模型相同處的位移也發生著變化，抗滑樁附近土體x方向位移最大值呈現增大的趨勢，土拱效應減弱；

（3）通過數值模擬對比抗滑樁最優樁間距大概是樁寬的3倍左右，此時抗滑樁樁間與樁后土體前滑位移量最小，形成的抗滑樁間應力拱和位移拱形狀更接近于拱形拋物線，土拱效應最為顯著。

[1]佴磊，馬麗英，冷曦晨，于清楊.滑坡治理中的抗滑樁設計[J].吉林大學學報（地球科學版），2002，32（2）：162～165.

[2]姚元鋒.全風化花崗巖邊坡樁間土拱效應研究[D].西南交通大學，2010.

[3]侯青宏.抗滑樁土拱效應的數值模擬研究[D].重慶大學，2012.

TU473.1

A

1673-0038（2015）36-0031-02

2015-8-17

侯青宏（1989-），男，四川遂寧人，碩士，主要從事巖土工程勘察、設計技術工作。