梯形抗滑樁截面尺寸對土拱效應的影響

王茂琿 蘇培東 邱 鵬

（西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都610500）

抗滑樁建設是我國邊坡支護建設最主要的形式之一，近年來，土拱效應的存在使得抗滑樁受力的計算問題十分復雜，抗滑樁的設計直接影響著土拱的性狀發展，因此研究抗滑樁的中不同施工、建筑參數對土拱效應影響，對于充分調動樁- 土力的平衡具有重要的意義,對此一些相關學者做了一定研究[1-2]。張建華等[3]提出采用懸臂式抗滑樁對邊坡進行支護時必須充分考慮土拱效應對樁土作用的影響，并結合理論探討、試驗研究及數值模擬等多種研究手段對不同條件下矩形抗滑樁堤土拱效應進行了深入分析與探討；水平推力作用下，懸臂式抗滑樁具有更為復雜的變化趨勢，李維樹等[4]通過展開室內試驗，深入研究了在推力作用下土拱效應對樁- 土變形及力傳遞的影響；趙明華等[5]基于土拱效應及荷載分配之間的關系展開研究，通過展開對荷載作用下抗滑樁應力分布及變形特征的分析，提出基于差異沉降法求解樁- 土應力比拱高的計算方法。

上述研究均為基于傳統矩形截面抗滑樁的分析與探討，對矩形截面樁與梯形截面樁的樁土作用成拱模型，易知，梯形樁樁背受荷面同于矩形抗滑樁，主要發揮端承作用為樁后土拱的形成提供拱支座反力，而梯形截面抗滑樁通過加寬矩形樁底邊形成樁側傾角，使得樁側土拱的形成所需的樁側支座反力不完全由樁側摩阻形式存在，分析易得，在下滑推力的施加過程中，土體受壓產生不均勻形變，由于土體抗壓不抗拉的力學性能，使得這個過程剪應力的遷移也即是成拱過程變得更加依托拱腳強度與承載特性的支持，本文認為土拱與樁側土拱的形成與發展是同時發展同時消失，并且取決于傾角大小，產生雙拱協同作用，即樁后與樁間土體發生無間隙壓實契的成拱作用。類比賈海莉[6]（2003）的雙拱重合理論，本文認為，由于樁尺寸的變化，抗滑樁樁后與樁側作為土拱拱腳發揮支座反力發揮作用時會有不同占比，從理論計算的角度采取雙拱協同作用的傳力機制也將更為合理，即雙拱在梯形抗滑樁的截面特性上會產生一個閉合的樁后與樁側雙拱，兩者同時承擔樁后滑坡推力。

本文基于三維邊坡下的推樁模型，通過設置合理樁間距，開展了不同梯形樁側傾角下懸臂式抗滑樁的土拱效應變化研究的數值模擬試驗，并深入分析水平截面下應力變化規律，以期為梯形抗滑樁的設計提供一定的依據。

1 模型的建立及參數的選取

通過Ansys-Workbench 對三維邊坡與梯形抗滑樁模型進行建模，采用FLAC-3d 有限元分析軟件進行推樁數值模擬試驗。并以FLAC-3d 有限元分軟件，通過接觸面語句，建立了樁土接觸面，結合推力的特征水平截面z=23 上的x 方向應力云圖與位移云圖，綜合分析探究了梯形抗滑樁截面尺寸對于土拱效應拱高的影響性，得出了梯形抗滑樁合理的上下底比值區間，并指出在此比值區間內，雙拱協同傳力機制形成。

圖2 時模型網格劃分及樁土分組示意圖

采取Mohr-Coulomb 彈塑性破壞模型，樁土接觸面采取摩爾庫倫滑動模型。巖土體以及混凝土抗滑樁參數選取如表1 所示，接觸面參數選取如表3 所示，抗滑樁截面尺寸如表3。模型下部采取固定約束條件，容差選取（-0.1,0.1）；X，Y 前后邊界方向均采取固定約束，容差選?。?0.1,0.1）；模型上部為自由邊界。

表1 巖土體及抗滑樁物理力學參數

表2 樁土接觸面參數設置表

表3 抗滑樁截面尺寸布置表

2 不同截面上下底比值下x 方向應力云圖分析

由于，本次推樁模擬基于邊坡環境，水平土拱占決定性因素，故取樁土模型z=23m 水平切面為特征觀察面進行分析。

圖3 組1 下x 方向應力云圖

圖4 組2 下x 方向應力云圖

圖6 組4 下x 方向應力云圖

圖7 組5下x 方向應力云圖

以上五組模擬實驗均為推樁穩定后狀態，由組1 到組2 可見，組1 中x 方向應力云圖顯示，土拱區高度較高，由網格長度測量約為8m，應力等值線區域完全分布于樁間，且不完全覆蓋樁側部分，樁側土拱較為發育，未見樁背土拱發育；此外，樁背土體壓應力相比于樁間應力等值區前土體壓應力相差較大，樁側壓應力集中，且與樁體壓應力完全等值重合，并達到峰值，證明該種截面比例導致樁間土完全依賴樁側部分抵抗樁后及樁間土體推力，樁間土在進行壓實作用時完全依賴樁側部分提供，此時樁側部分的摩擦阻力對于土拱成型占決定性影響。組2 中x 方向應力云圖顯示樁間土拱形成，且拱高相較于組1 下降，約為5.5m，且樁間應力等值區完全覆蓋樁側部分，此外，樁后部分應力等值區開始形成，相較于組1，組2 的截面比例在促成樁間土體成拱的同時，充分利用了樁側的反力面，樁間應力等值區壓應力峰值相較組1 下降，說明樁間土體壓實契緊的成拱過程中，不僅樁側而部分提供反力約束，且樁背提供的反力約束分擔了樁后推力，可見樁背土拱應力等值區峰值與樁間土拱應力等值區峰值差值仍較大且，樁后未見明顯的拱式應力等值區出現。說明，該截面比例樁型下，雙土拱并未形成。組3 中x 方向應力云圖顯示樁間土拱相較于組2 拱高基本一致，約5m，顯而易見的是，樁背壓應力集中顯著且為壓應力最大值，樁側面次之，，此外，樁間應力等值區拱形分布明顯，樁側接觸面處壓應力保持一致，特別指出的是，此時，樁背拱形應力等值區開始形成，但并未貫穿，且各等值區壓應力差值較小，說明此種截面比例下，樁背與樁側作為反力支座有效促進了樁間土體與樁背后土體的成拱，并使之開始同時契緊形成土拱，雙拱協同作用開始發育，與此用時，參照組4 中x 方向應力云圖可見此時，樁背土拱完全消失，且樁間拱形應力等值區最大高度相較組3 陡然增大，但樁背壓應力卻相較于樁背拱形應力等值區較小，分析可得，此截面比例下，但由于截面上下底比值增大，截面側面傾角增大的同時，相當于樁間凈距增加，導致，樁間土體開始完全依賴樁側部分提供反力支持，結合組5 中x 方向應力云圖易見，隨著截面上下底比值增大，樁間土體從上至下，壓應力陡然提升，抗滑樁側及樁背壓應力卻急劇下降，側面說明此時雙拱協同作用已經消失。結合五組模擬實驗結果，可以類推，從截面上下底比值從0.3 至0.85 的過程中，0.3-0.4 比值區間中，隨著比值增大，樁間土拱會逐漸發育并增強，樁背土拱未出現，樁背相較于樁側部分作用較小，0.4-0.5 比值區間中，隨著比值增大，樁間土拱效應進一步增強，且伴隨樁背土拱的產生，雙拱開始形成并會逐漸形成重合的拱形應力等值區。過0.5 比值繼續增大后，梯形截面會無限接近上下底相等的矩形樁截面，此過程同時等效于樁間距增大，樁背開始逐漸喪失土拱形成的反力約束作用。綜上所述，參照該（1.5：2：x）形式的梯形抗滑樁截面布設比例的模擬實驗結果，梯形抗滑樁上下底比例控制在0.5-0.65之間較為合理，在此截面上下底比例區間內，抗滑樁更能充分發揮樁背與樁側兩部分作為反力約束作用，并促進土體形成雙拱協同作用的土拱效應模式。

3 結論

3.1 模擬結果表明：隨底邊尺寸的增大，土拱發育，且樁側土拱的發育更加明顯，拱高于截面上下底邊比值從0.4 到0.65 之間增大，截面上下底邊比值從0.65 到0.85 之間間土拱高度減小

3.2 通過改變截面形式，截面上下底邊比值從0.5 到0.65 之間可促進樁背土拱與樁側土拱協同作用，從而充分發揮梯形抗滑樁的受力性能。