基于FLAC3D軟件在不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應的數值模擬研究

侯青宏，陳文建

（四川職業技術學院建筑與環境工程系，四川遂寧629001）

基于FLAC3D軟件在不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應的數值模擬研究

侯青宏，陳文建

（四川職業技術學院建筑與環境工程系，四川遂寧629001）

參考實際的抗滑樁工程治理案例，采用FLAC3D數值模擬軟件建立數值模擬分析模型.在數值模擬過程中，保持抗滑樁其它設計參數不變，對樁寬進行單因素變化，通過對比不同樁寬下的剪切應變增量云圖和滑動方向最大位移云圖，對不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應進行對比分析，對抗滑樁樁寬對抗滑樁土拱效應的影響規律進行探討.

抗滑樁;樁寬;土拱效應

隨著國家經濟的發展，工程基礎建設也得到了飛速的發展，但是對于我國來說，山地面積在國土面積中占有相當大的比例（除去四大海域的面積，中國擁有960萬平方公里的陸地面積，而在這960萬平方公里的陸地面積上山地的比例占33.33%，多達320萬平方公里）[1].在這些地區進行工程建設不可避免的將遇到許多邊坡工程問題，在邊坡工程治理中，抗滑樁這種治理措施應用廣泛.

通過多年的研究，國內外學術界和工程界對抗滑樁的抗滑機理認知統一，認為：阻礙邊坡巖土體下滑的阻滑力是通過抗滑樁樁周土體的土拱效應實現的.在實際抗滑樁工程中，抗滑樁土拱效應作用的強弱是整個抗滑樁工程的關鍵，也是抗滑樁治理邊坡問題的核心.然而抗滑樁土拱效應的發揮與多重因素有關，與邊坡巖土體本身的力學性質、邊坡提供的下滑力、抗滑樁具體的設計參數等都有著緊密聯系[2].

抗滑樁工程的具體設計過程也是一個多參數的設計，包括樁間距、樁寬等.這些參數將關系著抗滑樁土拱效應的強弱，也關系著具體抗滑樁工程支擋作用的強弱，決定邊坡問題的安全性.

現將從樁寬參數出發對抗滑樁土拱效應進行分析研究，擬采用F L A C3D數值分析軟件，結合相關工程實例，建立對應的數值分析模型，在不同樁寬條件下對抗滑樁土拱效應進行數值模擬.對不同樁寬條件下的抗滑樁土拱效應進行對比分析研究，探討在不同樁寬保持其它抗滑樁參數不變的情況下，抗滑樁土拱效應的變化規律，并與實際抗滑樁工程中參數設計做對比驗證.

1 數值模型的確定

1.1 靜力數值分析模型的建立

采用F L A C3D數值分析軟件建立相關靜力計算模型，并對實際抗滑樁工程作了一定的簡化（簡化后數值模型示意圖如圖1），取抗滑樁工程中相鄰兩根抗滑樁樁間及其左右2m范圍的巖土體來建立靜力數值分析模型，在此數值模型基礎上對不同樁寬條件下抗滑樁土拱效應進行分析.該數值模型巖土層主要分為兩層，上、下巖土層分別編號巖土層1和巖土層2，巖土層交界面設定為模型邊坡的滑面，整體模型深度31m，取樁頂為零軸，坐標軸Z軸下方26m，坐標軸Z軸上方為一坡度為1：1的高5m的斜坡.

為與實際工程接近，把模型邊界條件設置為底部固定約束，模型前、后方滑面（巖土層1和巖土層2交界面）以下施加X方向約束，模型左右兩側施加Y方向約束，具體參見圖1中模型橫切面和縱切面圖約束條件.另外模型中抗滑樁為方樁，整個抗滑樁長度為16m，嵌固深度為6m，模型原始截面尺寸為2×2m（b×h），樁間距取L=6m[3]，

圖1 模型示意圖

1.2 模型中計算參數的確定

結合相關工程實例，數值分析模型中巖土體參數確定如下：

巖土層1為碎石土，天然容重γ1=19K N/m3，內摩擦角φ1=260，位于滑面以上部分；巖土層2為強風化頁巖，天然容重γ2=21K N/m3，內摩擦角φ2=42010＇.數值模型中其它計算參數如表1如示：

表1 數值模型計算參數表

2 不同樁寬下土拱效應的數值模擬

在數值模型中，確定抗滑樁樁間距為6m，結合工程實例取下滑推力P=1600K N/m，其它計算參數參照圖1、表1取定的模型參數.保持其它參數不變的情況下，改變抗滑樁的樁寬，分別取樁寬1m、2m及3m，在三種不同樁寬對比分析抗滑樁的土拱效應情況.

基于前面的參數取定，分別建立不同樁寬下的數值模型，在樁深度范圍內取滑面以上z=-9m截面作為標準截面進行土拱效應分析.在數值模擬中，結合現目前對土拱效應研究的成果，對抗滑樁樁間土體的剪切應變以及沿主滑方向x方向的位移進行分析，取抗滑樁標準截面的剪切應變增量云圖及x方向位移云圖進行對比研究.不同樁寬下標準截面相應云圖如圖2和圖3如示.

圖2 抗滑樁z=-9m截面剪切應變增量云圖

圖3 抗滑樁z=-9m截面x方向位移云圖

從圖2和圖3中的標準截面剪切應變增量云圖和x方向的位移云圖可以看出，在相應云圖中，距離抗滑樁的不同位置土體剪切應變增量和x方向位移各不相同，在遠離樁背的土體兩個參數變化較小，參數值大小基本一致，而靠近抗滑樁附近土體參數值呈現變化明顯特征，抗滑樁間參數變化特征呈現土拱形狀排列，所以抗滑樁土拱效應有一定的作用半徑，在距抗滑樁樁體較遠距離土體不具備形成土拱效應條件，只在抗滑樁附近范圍土體形成土拱效應.

另外對比不同樁寬下的相應云圖，可知隨著抗滑樁寬度的增加，抗滑樁附近土體x方向位移逐漸減小，樁寬增加，抗滑樁沿滑動方向位移逐漸減小，抗滑樁土拱效應增加，即相應抗滑樁工程阻滑能力逐步提高，這和在實際抗滑樁工程設計中經驗是一致的.

但是對于抗滑樁工程來說，也不能無限的提高樁寬，因為隨樁寬增加，抗滑樁工程的成本也是成倍增加.所以為了探究樁寬絕對變化對土拱效應的影響，更直觀的反映不同樁寬條件下，樁體附近土體沿滑動x方向的位移變化情況，分別讀取在不同樁寬下整數截面（每隔1m讀取一次數據）的抗滑樁樁周范圍土體x方向的最大位移值，根據相關讀取數據作樁周土體x方向的最大位移值變化圖，如4所示.

圖4 不同樁寬下抗滑樁樁周土體x方向最大位移變化圖

從位移變化圖可以看出，隨著樁寬的增大，樁周土體x方向最大位移值整體呈減小趨勢；另外當樁寬從1m增加到2m過程中，樁周土體x方向最大位移值從49.6mm變為37.6mm，變化率為-24.2%，當樁寬從2m增加到3m過程，樁周土體x方向最大位移值從37.6mm變為31.4mm，變化率為-16.5%，樁周土體x方向最大位移值位移值的減小幅度明顯變小.從樁周土體x方向最大位移值變化過程在一定程度上可以說明，隨著樁寬的增大，抗滑樁土拱效應增強，抗滑能力提高.但是當樁寬增大到一定臨界值后，抗滑樁寬度的進一步增大對抗滑樁土拱效應的提升作用逐漸減弱.通過抗滑樁數值模型分析，可以認為抗滑樁樁周土體土拱效應的強弱隨著樁寬的增大不是一個線性等比例增長的關系，達到一定的臨界值，樁寬再增大土拱效應增強也很少.

另外仔細分析剪切應變增量云圖可以看出，樁周土體剪切應變增量最大值的位置在抗滑樁樁間的土體，并且隨著樁寬的增大，剪切應變增量整體呈減小的趨勢，但是當樁寬增大到3m時，剪切應變增量值反而略有提高.這主要是由于該數值模型樁間距是固定的6m，當樁寬增至3m時，兩樁之間的樁凈距也只有3m，此時抗滑樁作為土拱的拱腳對樁間土體的擠壓作用加強，剪應變值增大.此時，抗滑樁作為拱腳對樁間土體的擠壓反作用于抗滑樁本身的土拱效應的增加，對隨樁寬增大而提升的土拱效應起減弱作用.這也從側面證明了樁寬與抗滑樁土拱效應的強弱不是一個線性等比例增長的關系，抗滑樁土拱效應強弱應受多方面因素影響.結合工程實際，樁寬一味增大，抗滑樁工程的造價成倍增加，所以在具體抗滑樁工程設計過程中，需要找出樁寬設計的臨界值.

3 結論

隨著抗滑樁樁寬的增加，抗滑樁樁周土體滑動方向的最大位移值減小，抗滑樁土拱效應逐漸增強；抗滑樁樁寬的大小與抗滑樁土拱效應的強弱不是一個線性增長的一個關系，當抗滑樁樁寬增大到一定臨界值時，抗滑樁寬度的繼續增長對抗滑樁土拱效應增強影響減弱，甚至可以忽略不計；實際抗滑樁工程樁寬設計過程中，需綜合考慮樁寬增加對土拱效應提高與樁寬增加對抗滑樁工程造價提高的影響.

[1]國家統計局.2010年中國統計年鑒[M].北京:中國統計出版社,2010.

[2]劉光代.淺談抗滑樁的設計[A]//滑坡文集(第15集) [C].北京:中國鐵道出版社，2002.

[3]侯青宏.抗滑樁土拱效應的數值模擬研究[D].重慶：重慶大學,2012.

Numerical Simulationof Soi l Arching Ef fect of Anti Slide Pileunder Dif ferent Pi leW idth Basedon FLAC3DSof tware

H O UQ in g hon g,C H E NW en j i a n
(S ich ua n V oc a tion a l a n d T echnic a l C ol le g e,S u inin g S ich ua n629000)

R e f e r r in g to the a ct ua l c a se o f a nti sl i d e pi le en g inee r in g,a n u me r ic a l sim u l a tion mo d el isest ab lishe dby u sin g F L A C3D n u me r ic a l sim u l a tionso f t war e.I n the p r ocess o f n u me r ic a l sim ul a tion,the othe r d esi g n p ara mete r s o f the a nti-sl i d e pi le ar e k ept const a nt,a n d the pi le w i d th is ch a n g e d by sin g le fa cto r.B y comp ar in g the she ar st ra in inc r ement clo ud d i agra m a n d them ax im u m d ispl a cement im ag e in the sl i d in g d i r ection,T he e f f ect o f a nti-sl i d e pi le on the soi l ar chin g e f f ect o f a nti-sl i d in g pi le is d isc u sse d.

A nti-sl i d e pi le;P i le W i d th;S oi l Ar ch E f f ect

TU7

A

1672-2094（2017）03-0165-04

責任編輯：張隆輝

2017-03-09

侯青宏(1989-)，男，四川遂寧人，四川職業技術學院工程師，碩士.研究方向：巖土工程.

陳文建(1970-)，男，四川蓬溪人，四川職業技術學院副教授，碩士.研究方向：建筑結構.