邊坡支護工程抗滑樁樁間土拱效應研究

王正龍WANG Zheng-long；陳春銀CHEN Chun-yin

（中煤長江基礎建設有限公司，南京 210046）

0 引言

抗滑樁作為支擋結構，在地質災害風險防治工程、邊坡工程以及基坑工程等基建工程中，均有著廣泛的應用，并且應用力度和研究深度日漸增大。基建工程施工期間，設計抗滑樁，須采取非連續結構設計理念，綜合運用土體結構自身所具有的強度，從而形成拱效應[1]。通過抗滑樁樁體之間的土體形成的下滑推力，達到對周圍土體進行支撐的目的。簡而言之，在基建工程施工環節，加強樁間土拱效應利用，可實現不間斷支護效果。

1 土拱效應現狀分析

土拱效應普遍存在于自然界中，在承受外界荷載壓力時，土拱具有很大應用優勢，所以在基建工程施工期間，土拱效應原理普遍在隧道拱頂、橋拱等多個方面有所體現。在十九世紀八十年代中期，土拱效應最早是英國科學家經過實際調查發現的“糧倉效應”。隨著技術發展，太沙基通過實驗探究，從科學角度印證土拱效應存在，自此之后，研究土拱效應的規模逐漸擴大，理論成果和實踐成果增多。

土拱的形成，主要是受到外部荷載介質影響，導致土層出現不均勻位置移動，導致土層內部的應力發生轉變，形成新的分布狀態。除此之外，土體相互之間的粘聚力以及摩擦力，對土層產生影響，使之變成拱狀結構形態。土拱效應是將壓力通過拱腳傳輸到穩定介質中，介質在接受壓力后將其進行轉化，形成拱軸力，最終形成土拱。

2 土拱效應理論分析

基建工程施工期間，若是周圍土層出現滑動趨勢，施工人員要提前作出勘探，將抗滑樁工程落實到實處[2]。抗滑樁在土建工程施工期間，會受到自身因素影響而出現變形，對土層滑動產生阻礙作用。抗滑樁之間的間距不同，其形成的坡體外側移動趨勢也存在差異性。當抗滑樁前方位置的土體開挖時，土層外側移動趨勢也會表現出明顯的增加態勢。土壓力不均勻的原因，歸根結底是抗滑樁受到土體的不間斷擠壓，此橫向位移距離比土體位移距離要小，樁體的部分約束為樁間土體，不同的約束壓力下樁體的剝落程度不同。換言之，由于處于不同的地方，相鄰兩樁的位移因此也不同。抗滑樁周圍地方的土體出現的不均勻位移，會在很大程度上對各位置的土體抗剪作用形成影響，土壤顆粒在土層中形成楔緊作用，因而產生土拱效應[3]。

通過形成土拱來改變介質應力是土拱效應的特點，當應力重新分布時，拱起后層的壓力通過拱腳傳遞到穩定介質。造成土拱效應存在的原因有三點，第一，土拱的支撐部分要有堅固的拱腳。第二，土層存在相對位移或不均勻位移。第三，拱在土層中的剪力值不應低于成土后的抗剪強度。只有當土層處于上述環境時，才能對其強度進行調整，以達到抗剪應力、達到靜力平衡的目的。

在基建工程實施期間，土拱效應會受到土層內部的粘聚力和摩擦角的相互作用影響，造成部分土層出現不均勻位移現象和變形現象，但是其他部門是會在一定時間段內保持相對靜止的。這種情況出現，摩擦力會在有位移活動的土和無位移活動的土之間產生，減少對有位移土的支撐壓力并增加對無位移土的支撐壓力，取得良好的施工效果[4]。

土拱效應是通過調節土的抗剪強度，使土拱處的剪應力低于土的抗剪強度。在研究土拱效應期間，抗滑樁無論是結構力學還是定義上都屬于一種承力結構，都可以清楚的發現，通過對抗滑樁土體的滑動情況作出控制，抗滑樁兩側位置能夠對樁基后部分的坡體壓力予以承擔。兩個相鄰的抗滑樁與拱腳的作用相似，利用拱將受力情況傳輸到拱腳位置，實現抗滑樁的堅固性和穩定性。

3 土拱效應的內力特征分析

3.1 研究假設

綜合考慮土體所有材料的基本性質，對計算模型作出簡化處理，可完成以下研究假設。第一，土拱后土層的推力按照集度分布，與拱跨度方向保持一致，拱前基本保持臨空面。第二，拉應力沒有在拱軸線橫截面的上方位置出現。第三，拱腳可以以相鄰的兩個抗滑樁為保證，不能存在任何轉動約束，同時屬于無鉸拱[5]。

如圖1 所示，根據這些假定，如結構力學中的無鉸拱原理，懸鏈線是合理拱軸線的基本形式，其關系表達式如下所示：

圖1 拱軸線受力分析圖

在公式中，l 為土拱凈跨度，f 為土拱矢高，l 和f 均表示為坐標系。

懸鏈線拱的力學特點受到荷載集度作用影響，在拱軸線的上方位置界面處不存在剪力和彎矩。沿著軸線切線的方向，拱圈會受到軸向壓力作用，位于單向受壓應力的狀態。根據靜力平衡可知：

3.2 土拱力學計算原理

在土拱效應影響之下，抗滑樁具有十分復雜的受力特性，綜合抗滑樁支座而獲得三角拱。以結構力學為基礎，運用力矩平衡條件和力完成土拱軸線方程建立。

在公式中，h 表示土拱高度，H 表示的含義為水平反力，N 表示的含義為拱頂界面軸力，V 表示的含義為豎向反力。

3.3 確定抗滑樁間距[6]

在抗滑樁的設計計算中，確定抗滑樁間距是分析抗滑樁力學特性的關鍵要素。經過驗算兩個抗滑樁之間的土體抗壓強度值，明確樁間距。拱腳與拱頂兩個位置最易遭受到毀壞，以土的極限平衡條件為依據，通過兩個截面強度值再次明確樁基之間的間距，完成關系表達式建立[7]。

3.3.1 抗滑樁間距的上限解

為保證樁前土體在樁間不滑出，樁前土體的應力應小于樁前土體的抗滑力。文中還考慮了樁土間摩擦樁的直接作用。依據在靜力平衡條件下，定量地得到了抗滑樁樁距的上限解。

如圖2 所示，在天然狀態下，下滑力的曲線為abcdef；在設計情況下，曲線為ab’d’e’f’；在斷面1，2，3，……處，總下滑力為p1，p2，p3……；抗滑樁，處于斷面4 處。

圖2 自然情況及設計情況下的下滑曲線圖

圖3 中，當土體單元1-2-3-4 發生滑動與位移時，就務必克服1-2 和3-4 側的阻力。取得1-2-3-4 上的一塊計算單元，假定計算單元的摩擦系數為f，作用在dy 上的上部應力為R，下部應力為R+dR。假定水平應力和垂直壓力之比為λ，那么1-2，3-4 面上的摩阻力為2fλR，根據靜力平衡為：

圖3 土體1-2-3-4 的計算單元

在邊界條件（y=0，R=Pn）下的解為：

式（7）適于任何一單元，將f 和λ 代入上式即可得到R 值。本段之始P0=0，A=P1/S0l，計算出R 值，把該值賦給下一段的S。重復使用，最終求解出最后一段的R 值。抗滑樁作用于下塊的全部荷載，需滿足，可化為

其中PS=PS1+PS2，ζ 為樁的傳力比系數。

3.3.2 抗滑樁間距的下限解

考慮樁土相互作用和土拱效應的抗滑樁間距下限解是其獨有的特點。下限解的核心思想是樁間土體應力傳遞為0。通常把樁間土體視為各向同性材料，對理論計算進行了簡化。假定樁和土體間的摩擦力是為水平應力和垂直壓力的比值為λ。滑動面的摩擦阻力也應考慮在內。如圖4 所示，為抗滑樁靜力平衡圖。

圖4 抗滑樁靜力平衡圖

條件式為：

其中

E=RLΨ；F=2 （E+γ1h1D）λtanδ+2ch1；W=γ1h1LD；F0=Wtanφ0+c0LD

式中R 是上限解中最后一結的R；L 表示抗滑樁的中心距；Ψ 表示土拱影響系數；δ 表示抗滑樁與土體間的摩擦角；D 表示抗滑樁的長邊長度；h 表示滑體厚度；γ1表示土體的重度；λ 表示水平應力和垂直壓力之比；c 表示樁土之間的粘聚力；φ0表示土體的內摩擦角；c0表示土體的粘聚力。

將上述各量代入條件式（9），整理后的：

3.4 被動土壓分析

在受到被動土壓力的影響后，土的抗剪切力性能會下降，若被動土的影響能力較小時，當滑動面傾斜角不超過5°，那么此時可利用的土拱壓力與抗變形作用進行抵消，但是這種效果比較弱，因此會減少被動土壓力支撐。只有土拱被破壞，被動土壓力支撐才能得到充分利用。所以，在分析抗滑樁期間，被動土壓力可以忽略不計。

3.5 分析剩余下滑力

受到滑坡推力影響，土拱沿著滑動方向會出現不同程度的形變問題，待變形以后，將會出現剩余下滑力。將土拱進行劃分，使其形成多個塊狀，在計算剩余下滑力時，按照以下公式展開：

在公式中，Ri余為土拱在第i 段下的剩余下滑力；Wi表示在第i 段下的土拱重量；αi表示在第i 段下的土拱傾斜角度；ci表示在第i 段下的土拱粘聚力與內摩擦角。

3.6 拱腳內力表達式[8]

假設抗滑樁為單排分布，形成具有連續性和對稱性的土拱。在同一樁后側的局部位置，毗鄰的抗滑樁之間形成三角形受壓區。土拱腳最不利的損傷面位于三角形的兩腰位置。如果拱圈的土壤遭受到破壞，就需要將其剪出到臨空面。分析期間，作了以下假定。首先是土拱的俯視平面應變問題。其次是位于破壞面位置的應力分布處于均勻狀態。再次是利用莫爾-庫侖公式作為強度分析準則。最后根據三角形破壞面的長度來決定樁的寬度和樁的夾角。[9]

在公式中，t′表示的含義為三角形破壞面長度。t 表示的含義為土拱拱圈厚度。δ 表示的含義為軸向壓力法與破壞面夾角。b 表示的含義為樁身寬度。

以前文的分析與判斷為基礎，分析了樁間土拱承載力與內摩擦角之間的關系，其得到的關系曲線如圖5 所示。

圖5 樁間土拱承載力與內摩擦角關系曲線圖

4 結語

抗滑樁在基建工程施工中，具有良好的應用價值，對處理滑坡、泥石流等問題與防治地質災害具有積極的意義。由于抗滑樁周圍位置的土體具有復雜的運動情況，在計算和假設期間也存在著比較多的局限性，導致沒有徹底解決抗滑樁加固機理和土工效用相關問題。本文繼于相關研究者研究成果，通過數值算法作出論證，保證工程更加具有安全性和可實踐性。