基于FLAC 3D數值模擬的抗滑樁土拱效應研究

張濟斌，侯付闖

(1.山西省交通環境保護中心站(有限公司)，山西 太原 030032；2.陜西中凱恒瑞工程項目管理有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

滑坡是全球范圍內廣泛發育的一種地質災害。由于規模大、分布廣泛和危害性大的特點，容易造成較大的社會影響。通常實際滑坡治理方法種類較多，如抗滑樁、截排水措施、削方減載、錨索以及格構等。其中抗滑樁方案由于布置靈活和治理效果好的原因，被廣泛應用于各類滑坡的治理工程中。研究發現，抗滑樁的受力特性是極為復雜的，樁通過錨入/嵌入穩定滑床一定深度，通過樁的抗彎和樁側摩擦阻力形成土拱共同抵抗滑坡推力。

邊坡治理工程中，大多數的抗滑樁設計均無法考慮樁的土拱效應，在一定程度上造成了材料浪費。針對樁的土拱效應，秦浩鋒[1]基于離心機試驗和數值模擬研究了樁間凈間距對不同截面抗滑樁土拱效應。結果表明，矩形樁的土拱效應比圓形樁更明顯，且圓形樁的土拱極限承載力是矩形樁的73%～84%。王國田和羅雪貴[2]基于理論分析和數值模擬研究了滑坡-抗滑樁土拱效應。研究表明，端承樁的土拱效應主要體現為小主應力拱，其土拱形態為M形，土拱效應承擔的荷載與土拱厚度和分布范圍呈正比。韓同春[3]基于YADE離散元軟件研究了的抗滑樁土拱效應。結果表明，土體深層的土拱效應比淺層更為明顯，土顆粒的分布對樁后土拱效應影響極為顯著。申龍[4]基于FLAC3D數值模擬研究了樁型雙排抗滑樁對樁后土拱效應的影響。結果表明，矩型抗滑樁比圓型抗滑樁的遮攔效果更好，但圓形樁的受力更加均衡。向先超等[5]基于顆粒流數值模擬研究了抗滑樁土拱效應。結果表明，拱的極限承載力隨樁間距與樁寬比例增大而減小，隨樁土之間的相對速度的增大而增大。付厚利等[6]依托某抗滑樁治理工程，系統分析了某邊坡抗滑樁的土拱效應及影響因素。結果表明，土拱效應隨土體內摩擦角的增大而增大，隨直徑的增大而減弱，實際抗滑樁設計時要綜合考慮土拱效應和地基參數等因素。

本文采用數值模擬，建立FLAC3D數值計算模型，系統的研究了抗滑樁樁后土拱的形成機理及影響因素，為滑坡治理中的抗滑樁優化設計提供工程參考。

1 抗滑樁的受力機制

抗滑樁與樁土的相互作用是典型的三維問題，在分析過程中考慮樁土的變形協調，忽略樁的位移，可簡化計算過程，機損結果的相對誤差也在可控范圍之內。因此分析中可簡化為二維問題。具體簡化形式如圖1所示。分析時取一定厚度的土層作為研究對象，假定土的位移沿水平方向，樁的水平位移為0。

圖1 抗滑樁土拱效應問題簡化

抗滑樁樁后土拱形成主要是由于樁土之間的土顆粒產生不均位移，進一步導致土顆粒被壓密實，形成一定范圍的“土拱”?？够瑯锻凉笆芰Ψ治鋈鐖D2所示。其中P為抗滑樁所受的滑坡推力。P1和P2為微單元的滑坡推力和抵抗力。q1和q2為樁的側向壓力，f1和f2為樁受的剪應力。其中滑坡推力可由傳遞系數法確定，由于受到眾多因素的影響，其他參數確定比較困難。為了獲得這些參數本文采用數值模擬進行計算，分析土拱形成條件及形成過程[7-8]。

圖2 抗滑樁土拱形成機理

2 數值模型與計算參數

建立典型的樁土數值計算模型如圖3所示。模型高度為24m，寬度為12m，樁的寬高比為2∶3，樁間距為4m。模型的邊界條件為對稱邊界，約束模型左右的水平位移，底部約束水平和豎向位移。網格采用4節點平面單元模型。假定滑坡推力為為3320kN/m。模型所采用的的土體和樁的物理力學參數見表1。土體采用摩爾庫倫本構模型，樁采用線彈性模型。

表1 材料物理力學參數取值

圖3 數值計算模型

3 結果與分析

3.1 位移變化規律

不同滑坡推力下樁在y方向的位移如圖4所示。結果表明，當滑坡推力小于3320kN/m時，樁后的位移量比較小，證明此時無土拱形成，當滑坡推力增大至1290kN/m時，土體開始發生不均勻變形。此時，土體的土拱開始形成并發揮作用。當滑坡推力進一步增大至3320kN/m時，位移迅速增大，土拱效應明顯增大。根據圖4，可將樁后土拱的形成分為4個階段：①樁土相對位移較小，且土體位移有增大趨勢，此時沒有形成土拱；②隨著位移增大，抗滑樁開始發揮作用，當土體位移達到極值時，土拱效應最明顯；③隨著荷載進一步增大，土拱效應減弱；④土拱效應完全消失，此時摩擦阻力是抗滑力的主要組成部分。

圖4 滑坡推力對樁的位移影響

3.2 樁間距對土拱效應的影響

為了研究樁間距對土拱效應的影響。本文計算了在其他條件相同的情況下，不同樁間距對土拱效應的影響如圖5所示。結果表明，當樁間距小于12m時，樁的位移隨樁間距的減小而減小，樁土沒有形成土拱。此時，樁土摩擦力是主要的承載力提供部分。當樁間距減小到8m時，土拱效應開始形成，但不明顯，樁土之間的摩擦力仍占主要比例。進一步減小樁間距至6m時，樁后土拱效應明顯，具體表現為樁后土體的變形趨勢相同。當樁間距為4m時，土拱效應最為明顯。因此實際工程設計中樁間距采用樁寬的3倍最為合理。

圖5 樁間距對樁的位移影響

樁間距對樁土荷載分擔比影響如圖6所示。結果表明，樁荷載分擔比隨樁間距的增大而減小，而土荷載分擔比隨樁間距的增大而增大，在樁間距為9m時，兩者的分擔比相同。當樁間距為16m時，樁荷載分擔比例為30%，土荷載分擔比例為70%；當樁間距為4m時，樁荷載分擔比例為85%，土荷載分擔比例為15%。實際工程中利用該分擔比可確定樁身所受滑坡推力的大小[9]。

圖6 樁間距對樁土荷載分擔比影響

3.3 內摩擦角對土拱效應的影響

既有研究表明，土拱效應不僅受樁間距的影響，還受到內摩擦角和內聚力的影響。不同內摩擦角對樁土荷載分擔比的影響如圖7所示。其中固定樁間距為6m，滑坡推力為33200kN/m。結果表明，當內聚力保持不變時，樁荷載的分擔比隨內摩擦角的增大而增大，證明增大內摩擦角可以有效的增大土拱效應。當內摩擦角為10°，內聚力分別為4、8、12kPa時，對應的樁荷載分擔比例分別為52%、53.6%、56%；當內摩擦角為30°，內聚力分別為4、8、12kPa時，對應的樁荷載分擔比例分別為79.5%、81%、8.3%。因此，當內聚力較小時，土拱效應更為明顯，即更多的荷載可以轉移到樁上。

圖7 土體內摩擦角對土拱效應的影響

3.4 內聚力對土拱效應的影響

如圖8所示，其中固定樁間距為6m，滑坡推力為33200kN/m。結果表明，當內摩擦角保持不變時，樁荷載的分擔比隨內聚力的增大基本保持不變，證明增大內聚力對增大土拱效應不明顯。當內聚力為4kPa，內聚力分別為10°、20°、30°時，對應的樁荷載分擔比例分別為51%、68%、80%；當內聚力為12kPa，內聚力分別為10°、20°、30°時，對應的樁荷載分擔比例分別為53%、70%、80%。因此，內摩擦角比粘聚力對土拱效應的影響更顯著。

4 結論

本文采用FLAC3D數值計算軟件研究了抗滑樁樁后土拱效應的形成機理和影響因素。結果顯示當樁間距小于12m時，樁的位移隨樁間距的減小而減小，樁土沒有形成土拱，樁土摩擦力是主要的承載力提供部分；當樁間距為4m時，土拱效應最為明顯。工程設計中，樁間距采用樁寬的3倍最為合理；當內聚力保持不變時，樁荷載的分擔比隨內摩擦角的增大而增大，增大內摩擦角可以有效的增大土拱效應；當內聚力4kPa，內摩擦角由10°增大至30°時，對應的樁荷載分擔比例由50%提高至80%。內聚力對土拱效應的影響不顯著。本文在分析過程中簡化計算過程，忽略樁的位移，與實際情況可能存在偏差，需要進一步分析研究。