抗滑樁樁后土拱效應的數值研究★

許宗藝 蘇美選

(福建農林大學金山學院，福建 福州 350002)

0 引言

抗滑樁具有工程量少、施工方便、對邊坡的擾動破壞小、布置靈活，可埋入深度長，結構受力比較合理，可以抵抗巨大的滑坡推力，也可和其他邊坡治理措施配合使用等優點，對整治處在緩慢滑動階段的滑坡特別有利，因此在滑坡整治工程中得到了廣泛的應用和發展。其抗滑機理體現于滑體、樁、滑床三者間相互協調的工作過程中[1]，因此對樁和巖土體間的相互作用進行分析就顯得尤為重要。但是，目前抗滑樁設計大多沒有考慮土拱效應對滑體的阻擋作用，雖然通過單樁受力分析而設計的抗滑樁是可行的，但其設計方案偏于保守，從節省工程造價，減少工程量等的角度來講是欠妥的[2]。通過長期實踐和大量的模型試驗發現，只要抗滑樁樁位設置合理，在分散布置的抗滑樁工程中，就存在土拱效應[3]。

1 計算模型的建立

本文數值計算采用的本構模型為與巖土體屈服條件相適應的Mohr-Coulomb屈服準則的理想彈塑性模型，將抗滑樁樁間的土拱效應問題簡化為二維平面應變問題進行分析。

選取樁后坡體一定深度處的單位厚度土層作為分析對象，假定該土層的位移限定在水平方向，并且樁在水平方向被約束，即忽略樁的彈性側向變形，將樁視為完全剛性，分散布置的抗滑樁對其后土體施加不連續的水平位移約束。

考慮到模型的對稱性，取模型的寬度為兩樁中對中距離s，為減少邊界效應的影響，樁后邊界取H1≥3a(a為矩形樁的截面高度)，樁前邊界取H2≥2a，在水平面上采用單位厚度作為分析對象，如圖1所示。

模型對稱邊界采用x方向位移約束，樁前邊界采用x和y方向位移約束，抗滑樁在受力過程中不發生x和y方向位移，且滑坡推力在整個模型內是一致的。由于引起土體變形的滑坡推力是一個體力，在FLAC程序中施加體力是靠重力加速度g實現的，假設滑坡推力為T，樁后土體的重力為G，令ξ=T/G，將樁后土體的重力加速度g改為ξg，考慮樁前土體仍有一定的支擋作用，可提供一定的抗力，將樁前及樁間土體的密度改為ρ/ξ。

2 樁后土拱效應的影響因素

抗滑樁樁后土拱效應的產生是由于樁后土體在土壓力或滑坡作用下產生位移，而抗滑樁的存在使樁后土位移發展受阻，在土體自身存在抗剪強度及樁側的摩阻力作用下，樁后土體形成以相鄰兩樁為拱腳的土拱，樁后的土壓力隨土拱傳遞到拱腳及其周圍土體上，使樁土共同分擔荷載。因此，土拱效應的形成主要與樁距的大小、土體抗剪強度、滑坡推力的大小等諸多因素有關。下面采用FLAC程序，通過建立簡化的數值計算模型，分別對這些因素進行研究。

設計資料如下：

某抗滑樁工程，滑坡土體的密度為1.83 kN/m3，粘聚力為11.6 kPa，內摩擦角為13.5°，土體剪切模量為6.2 MPa，體積變形模量為13.4 MPa。滑坡設計下滑力為300 kN/m，抗滑樁采用方形截面2.0 m×2.0 m，樁后邊界取6 m，樁前邊界取4 m。

2.1 樁距對土拱效應的影響

抗滑樁治理滑坡工程中，其間距必須使得滑體土拱效應得到充分發揮，樁后土體不至于從兩樁之間滑出，因此，樁距的大小是抗滑樁設計中的關鍵問題之一。

由圖2可知，土拱效應主要出現在樁后土體和樁間土體中，土體位移在兩樁中間較大，在設樁處較小，且隨樁距的增大等值線越來越密，等值線的彎曲程度逐漸減小，樁間及樁后土體的位移逐漸增大。當樁距為6 m和7 m時，樁前土體的位移量明顯增大，說明樁前土體已經或正在下滑，抗滑樁樁后及樁間土體未能形成穩定的土拱。從圖2上亦可知，樁后土體在離樁較遠處，受樁影響較小，土體位移等值線基本上不出現彎曲現象。樁前方向，土體位移也逐漸趨于一致，當達到樁前一定位置，土體差異變形消失，說明樁后邊界取3a，樁前邊界取2a來進行數值模擬分析是合理的。

由圖3可知，當樁距由3 m增大到5 m時，作用在樁上的土壓力增大較快，此時樁后土拱效應較強，通過土拱作用傳遞到樁上的滑坡推力較大，當樁距大于5 m時，隨著樁距的增大，作用在樁上的土壓力值增大的幅度明顯變小，說明土拱效應開始減弱，由土拱作用傳遞到抗滑樁上的滑坡推力值增幅減小。當樁距為6 m和7 m時，作用在抗滑樁上的土壓力值基本不變，即由抗滑樁所承擔的滑坡推力基本不變。

2.2 滑體抗剪強度對土拱效應的影響

樁距取4 m，滑體的粘聚力c分別取0 kPa，10 kPa， 30 kPa，50 kPa，其他設計參數不變，經數值模擬分析，可得作用在樁上的土壓力隨滑體粘聚力的變化曲線，如圖4所示，當粘聚力小于10 kPa時，通過土拱作用在樁上的土壓力值隨著粘聚力的增大而增大，當粘聚力超過13 kPa時，作用在樁上的土壓力值反而減小，超過30 kPa時，作用在樁上的土壓力值基本不變，說明當滑體粘聚力超過一定值時，土拱效應不再增強，抗滑樁所承擔的滑坡推力不再增大，這是由于粘聚力增大，土體內的抗剪強度增大，樁間土拱前的穩定土體可承擔的滑坡推力亦增大。

樁距取4 m，滑體的內摩擦角φ分別取0°，10°，30°，50°，其他參數不變，經數值模擬分析，可得作用在樁上的土壓力隨滑體內摩擦角變化曲線，如圖5所示，當內摩擦角較小時，隨著內摩擦角的增大，作用在樁上的土壓力值增大，且增大的幅度逐漸變緩，當內摩擦角超過30°時，由于土體內的抗剪強度增大，作用在樁上的土壓力值隨著內摩擦角的增大略有減小。而滑坡的下滑力是由抗滑樁和樁間土拱以前的穩定土體共同承擔的，當抗滑樁所承擔的滑坡推力減小時，樁間土拱前的穩定土體所承擔的下滑力增大，因此，當下滑力一定時，內摩擦角超過某一量值時，樁間土拱前的穩定土體所承擔的下滑力將增大。

2.3 滑坡推力對土拱效應的影響

樁距為4 m，滑坡推力分別取100 kN/m，200 kN/m，400 kN/m，600 kN/m，其他設計參數不變，通過數值模擬分析，可得不同滑坡推力作用下作用在樁上的土壓力曲線(如圖6所示)和樁—土荷載分擔比曲線(如圖7所示)，由圖6，圖7可知，作用在樁上的土壓力隨滑坡推力增大呈線性增大，樁間土拱前土體分擔的荷載也隨之增大，而樁荷載分擔比隨滑坡推力的增大而減小，但變化的幅度較小，如滑坡推力由100 kN/m增大到600 kN/m時，樁荷載分擔比由0.717減小到0.676，減小了0.041，減小幅度為6%，可見，滑坡推力的大小對樁后土拱效應的影響較小。

3 結語

1)樁距的增大會造成土體位移及作用在樁上的土壓力增大，當樁距增大到一定程度會造成土拱效應減弱，作用在樁上的土壓力減小，使抗滑樁起不到有效的阻滑作用。

2)滑體抗剪強度指標較小時，其增大作用在樁上的土壓力增大，有利于提高樁的阻滑效果，超過一定值時，因樁間土拱前土體抗剪強度較高，土拱前土體分擔的荷載增大，使抗滑樁上分擔的滑坡推力有所減小。

3)在樁距一定的條件下，滑坡推力的大小對樁后土拱效應的影響較小。