樁基參數對岸坡穩定影響的數值模擬研究

劉天韻，諸葛愛軍，喻志發

(1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222；4.天津港灣工程質量檢測中心有限公司，天津 300222)

對有樁的岸坡穩定性驗算，《水運工程地基設計規范》[1]規定不宜計入樁的抗滑作用，這是考慮到工程樁基不能發生過大變形，樁基不宜提供抵抗土坡滑動的抗滑力。但對于一些特殊情況，如舊碼頭拆除后的留存樁基，不再作為新建碼頭工程樁基，在經檢測其具有良好力學性能和耐久性的情況下，可以在岸坡穩定計算中考慮留存樁基的抗滑作用。魏汝龍等[2]利用現場觀測、模型試驗和計算分析，對基樁碼頭與岸坡相互作用進行研究；王年香[3]提出一種樁-岸坡穩定的簡化計算方法；廖雄華等[4]對天津港高樁碼頭樁基-岸坡土體相互作用的平面應變問題進行二維數值分析，揭示港口碼頭工程樁坡體系相互作用的規律；周錫礽等[5]針對高樁碼頭邊坡穩定，考慮樁-土相互作用，提出一種修正樁基抗滑效應的邊坡整體穩定的計算方法；喬保娟等[6]利用三維有限元模型對比天然岸坡和帶樁岸坡，結果表明樁基的存在對岸坡穩定起到了積極作用；祝振宇等[7]建立高樁碼頭與岸坡相互作用的彈塑性有限元模型，分析樁基-岸坡體系的作用機理；唐豐禮等[8]采用PLAXIS 3D軟件進行有限元樁-土計算，得出樁基結構對原有岸坡結構的遮簾作用。現有的研究表明，樁基確實能夠提高岸坡的穩定性，本文在已有研究的基礎上，采用三維數值模擬，分析樁距、樁邊長、樁長等參數的變化對岸坡穩定的影響程度，闡明樁基影響岸坡穩定狀態的作用機理，為原址重建岸坡穩定計算中考慮舊碼頭留存樁基的作用提供參考。

1 數值模型

1.1 模型的建立

本文模擬岸坡中存在一排等間距樁基的情況，為簡化數值模擬工作量，根據對稱原理，選取一根樁及兩側到相鄰兩樁中間的土體為計算模型，坡面坡度1:1，樁位于坡面中間，樁頂自由，土體上部為滑動土層，下部為嵌固土層，如圖1所示。

圖1 計算模型

1.2 采用的單元和參數

本文使用大型通用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，采用20節點實體等參單元solid65模擬樁身混凝土，20節點實體等參單元solid95模擬邊坡巖土體。ANSYS軟件中采用摩爾-庫侖不等角六邊形外接圓，即經典的德魯克-普拉格屈服準則。在ANSYS中DP模型有3個力學參數控制分別為黏聚力c、內摩擦角φ和膨脹角ψ，膨脹角用來控制體積膨脹的大小。分析模型中樁基和土體采用的密度及本構模型參數見表1。計算模型網格劃分見圖2。

表1 模型選取的參數

圖2 計算模型網格劃分

2 數值模擬內容

2.1 不同樁間距

采用方形樁，邊長1.0 m，樁長25 m，其中嵌固深度5 m，坡頂均布荷載20 kPa，分別模擬樁間距為4、5、6、7、8、9、10 m的情況，為了便于分析，將土體位移分布圖復制拼接，如圖3所示。以兩樁中間A點為例，繪制A點處土體位移值隨樁間距變化的曲線，如圖4所示。

從圖3可看出，隨著樁間距的減小，樁對樁間土體的位移約束越大，土體變形越小;當樁間距4 m時，樁前(坡頂方向)土體已經完全被約束住。從圖4可看出，樁間距小于8 m后，A點處土體位移值發生突然降低，其后隨著樁間距的減小，A點處土體位移值變化很小，說明對于特定的土體，當樁間距小于一定數值時，單純縮短樁間距對提高土坡穩定的作用效果不大。

圖4 A點處土體位移值隨樁間距變化曲線

2.2 不同樁邊長

其他參數與2.1節相同，固定樁間距為8 m，分別模擬樁邊長為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 m的情況，如圖5所示。對應的A點處土體位移值隨樁邊長變化的曲線，如圖6所示。

圖5 不同樁邊長時的岸坡土體位移分布

圖6 A點處土體位移值隨樁邊長變化曲線

從圖5可看出，當樁徑小于1.0 m時，由于樁邊長過小，樁的抗彎剛度不足以抵抗土體變形，樁對土體的變形幾乎沒有影響；隨著樁邊長不斷增大，樁的抗彎剛度增大，樁對土的變形影響也越大。從圖6可看出，樁邊長超過1 m后，A點處土體位移值發生突然降低，其后隨著樁邊長的增大，A點處土體位移值變化很小，說明對于特定的土體，當樁邊長超過一定數值時，單純增加樁的邊長對提高土坡穩定的作用效果不大。

2.3 不同樁長

采用方形樁，間距8.0 m、樁徑1 m。根據圖3e)和圖4，此時的岸坡位移處于界限狀態，分別模擬樁長為25、27、29、31 m的情況，分析樁長增加能否引起土體位移的突變降低(此時樁長增加只是嵌固土層內的樁長增加，滑動土層內的樁長不增加)，如圖7所示。對應的A點處土體位移值隨樁邊長變化的曲線，如圖8所示。

圖7 不同樁長時的岸坡土體總位移分布

圖8 A點處土體位移值隨樁長變化曲線

從圖7、8可看出，嵌固層內樁長雖然增大，但樁間土體的位移變化很小，并沒有引起土體位移的突變降低，說明對于特定的土層和特定的邊距比，單純增加嵌固土層內的樁長，并不能提高樁對土坡穩定的作用效果。

3 樁對岸坡土體穩定作用機理

通過圖3a)～g)可知，兩樁之間的土體變形均表現出土拱效應，尤其是當樁間距為6～8 m時，樁前(坡頂方向)的土體土拱效應明顯，隨著樁間距逐漸增大，兩樁之間的土拱效應不斷減弱，當無法抵抗樁間土體變形時，土體從兩樁之間滑動失穩；而樁間距太小時，兩樁之間的土體近似簡支狀態，土體變形小，土拱效應也不明顯。

對比圖5a)～g)，當樁邊長為0.5 m時，樁自身剛度小，樁與土體同步變形，樁前(坡頂方向)土體幾乎沒有顯現出土拱效應，土體變形大。隨著樁邊長增加，樁的自身剛度不斷增大，抵抗土體變形的能力增強，樁間土體逐漸表現出明顯的土拱效應，隨著樁邊長繼續增大，樁間土體的凈間距減小，而且樁的抗彎剛度大，樁的變形小，兩樁之間的土體近似簡支狀態，土體變形小，土拱效應不明顯。

通過分析有限元結果可知，當樁本身具有足夠剛度時，樁對岸坡穩定抗滑作用除了對樁身附近土體的抵抗作用外，主要是在樁間的巖土體內形成土拱，拱后的土壓力或滑動力通過土拱效應傳遞到樁及樁周圍土體，然后通過樁傳遞到下部穩定的地層內。因此，樁基能夠起到抗滑穩定作用，關鍵在于樁本身的剛度以及樁間能否形成抵抗樁間土體變形的土拱效應。

對比圖4、6可看出，土體位移開始發生突變的界限參數都是樁邊長1 m且樁間距8 m時，說明雖然樁邊長和樁間距的變化影響樁對岸坡穩定的作用效果，但兩個參數的變化實際反映的是一個參數的變化，即邊距比(徑距比)，為樁邊長(樁徑)與樁間距的比值，對特定的土層，存在一個邊距比(徑距比)值，使樁對岸坡穩定發揮最優作用。

由圖7、8可看出，對有樁岸坡，當樁體具有足夠剛度且嵌固穩定時，岸坡土體主要從樁間滑動失穩，因此，對于特定的土層和特定的邊距比，單純增加嵌固土層內的樁長，并不能提高樁對土坡穩定的作用效果。

4 結論

1)對同一岸坡，在樁邊長、長度不變的情況下，隨著樁間距的減小，樁對樁間土體的位移約束越大，土體變形越小，但對于特定的土體，當樁間距小于一定數值時，單純縮短樁間距對提高岸坡穩定的作用效果不大。

2)對同一岸坡，在樁長度、樁間距不變的情況下，隨著樁邊長不斷增大，樁的抗彎剛度增大，樁對土體變形的影響也越大，但對于特定的土體，當樁邊長超過一定數值時，單純增加樁的邊長對提高土坡穩定的作用效果不大。

3)對同一岸坡，在樁尺寸、樁間距不變的情況下，對于特定的土層，單純增加嵌固土層內的樁長度，并不能提高樁對土坡穩定的作用效果。

4)通過有限元分析可知，對同一岸坡和樁頂自由的條件，決定樁對岸坡穩定作用效果的參數是樁邊長(樁徑)與樁間距的比值，即邊距比(或徑距比)，對特定的土層，存在一個邊距比(或徑距比)值，使樁對岸坡穩定發揮最優的作用效果。