土拱效應下樁板墻承載性能及土壓分布研究

摘 要：樁板墻承載能力發揮主要是依靠相鄰兩樁間的土拱效應，鑒于此，研究樁板墻工程中的土拱效應發揮程度有助于探究樁板墻的承載性能。本文主要采用理論分析的方法對樁板墻后土拱效應的形成機理以及土拱效應發揮程度定量分析指標—樁板荷載分擔比η進行探究。采用數值模擬的方法分析了土拱效應在樁板墻后的分布規律，探明了樁板墻的承載性能發揮程度，為邊坡支護樁板墻的設計與施工提供了重要的理論依據和技術支持。

關鍵詞：樁板墻；土拱效應；數值模擬；結構受力分析

中圖分類號：TU 432" " 文獻標志碼：A

樁板墻是由抗滑樁、樁間擋土板組成的平衡土體側壓力的擋土墻，樁板墻是一種常見的邊坡支護手段，目前樁板墻已廣泛應用于各類邊坡支護。在樁板墻支護結構體系中，合理確定作用于擋土板上的土壓力，可以為擋土板的結構設計提供依據，保障支護工程安全，節約工程造價[]。雖然樁板墻結構不太復雜，但是其受力機理卻較為復雜，為探究樁板墻結構受力特性，根據土拱效應卸荷原理，分析邊坡推力對樁板墻承載性能的影響，以指導邊坡支護樁板墻施工[]。

1 樁板墻-巖土體相互作用機理分析

1.1 樁板墻后土拱效應形成機理

當開挖松弛區的土體發生滑坡位移時，由于樁間土體受到樁體和擋土板的約束作用，因此在擋土板后部壓縮，并隨擋土板自身撓曲而向坡外側移動，最終在擋土板的約束作用下保持穩定[]。由于擋土板墻自身薄板結構形式的特點，因此其自身剛度比樁基小得多。當樁板墻結構受到邊坡土壓力作用時，整個樁板墻-邊坡土體結構變形存在樁間土壓縮變形＞擋土板墻撓曲變形＞樁身變形的差異，最終會導致擋土板墻后邊坡土體的位移變形大于樁基后邊坡土體的位移變形，這種變形差異在樁間和樁板墻后的邊坡土體范圍內就形成了土拱效應。樁板墻后土拱效應形成過程如圖1所示。在邊坡受土壓力作用初期，樁間土產生的相對位移量較小，樁體后受壓區較小，當土壓力進一步增加，樁體背側受壓范圍逐漸擴大，邊坡土體壓縮變形量也隨之增加，樁間土與樁體兩側壁產生的位移量存在差異，出現一定的相對水平位移。此時樁體兩側壁與滑移土體間出現抵抗土體滑移趨勢的相反摩阻力，逐步出現樁間土拱效應，形成樁間土拱，被稱為摩擦土拱。由于摩擦土拱抵抗土體滑移的承載能力有限，因此當邊坡土體壓力超過摩阻力時，樁間土與樁體兩側壁間的相對位移將繼續增加，此時樁背側直接起到遮擋滑體的作用，在樁間摩擦土拱的后方形成一個具有一定承載能力的土拱，稱為直接土拱。

1.2 土拱效應發揮程度驗證分析

樁板墻結構主要由樁基和樁間擋土板墻構成，樁基下部為錨固段，深埋入土體或巖體中。樁基上部為懸臂段，與擋土板墻澆筑為一體形成樁板墻的主要承載受力結構。樁板墻穩定邊坡的工作機理主要是利用樁-板結構直接承載邊坡土施加的推力，并將其傳導至穩定地層中，由地層抗力抵消推力，以達到穩定邊坡的效果。然而，樁板墻結構受力形式是否合理，會嚴重制約其穩定邊坡性能發揮。主要通過土拱效應的發揮程度來考量受力形式，因此引入了土拱效應發揮程度系數來定量分析土拱效應的發揮程度[]。將樁體背側直接承受的平均土壓力與樁間擋土板直接承受的平均土壓力的比值η稱為樁板荷載分擔比，其計算過程如公式（1）所示。η值越大，說明邊坡土體推力更多由樁體直接承擔，擋土板墻承擔較少的土體推力，土拱效應發揮程度較高，樁板墻結構受力形式合理，能夠更好地發揮樁板墻結構穩定邊坡的性能。

（1）

式中：η為土拱效應發揮程度系數；pp為樁體承擔的土壓力均值；pb為擋土板墻承擔的土壓力均值。

2 土拱效應分布特征模擬分析

2.1 計算分析基本假定

為簡化模擬過程，方便探究土拱效應對樁板墻受荷特性的影響，模型建立遵循以下假定[]：在實際工程中，邊坡土體和地下巖體并非均一。在模擬分析過程中，將樁板墻后邊坡土體和地下巖體均視為不同的各向同性彈塑性材料，其內部構造均勻，各向力學性質相同；假設由樁板墻后邊坡土體壓力以均布荷載的形式作用于樁板墻結構及樁間土體上，那么此時邊坡土體壓力可均勻作用于樁板墻產生的土拱上。

2.2 分析模型建立

樁板墻-巖土體分析模型包括樁基、擋土板墻、邊坡土體、地下巖體。由于邊坡土體、地下巖體可看作一種彈塑性材料，因此在建模過程中，采用Mohr-Coulomb模型建立一種理想的彈塑性模型，來模擬邊坡土體和地下巖體，模型材料基本特性見表1。

采用實體單元對模型樁體、擋土板以及巖土體進行模擬，如圖2所示，模型邊界條件：基巖及土體左右兩側面X方向水平位移約束，基巖前后兩邊界面Y方向水平位移約束，基巖底面Z方向豎直位移約束，樁體及擋土板臨空面自由位移[]。

2.3 樁板墻后土壓力分布規律分析

當采用植筋連接擋土板墻與樁基時，樁板墻背后土壓力分布如圖3所示。沿邊坡布置長度方向，樁板墻整體背后土壓力呈現樁身處大，擋土板墻部位小的變化規律。樁基背后土壓力最大值出現在樁基偏下部接近地面線位置處，約為5.24MPa。兩根樁基間擋土板墻背后土壓力變化呈現“大→小→大→小→大”的變化趨勢，擋土板墻與樁體搭接邊緣位置處的土壓力比擋土板墻凈跨部分的土壓力大許多，最大值出現在擋土板墻靠近樁基邊緣位置，約為2.28MPa。樁板墻頂部、樁基嵌入巖體中部分基本不承擔背后土壓力作用。

為探究土拱效應的發揮程度，沿邊坡樁板墻布置長度方向，選取圖3中樁板墻背后土壓力最大值部位，對其進行分析，得到最不利土壓力分布如圖4所示。

樁體背后土壓力均值約為5.226MPa，擋土板墻凈跨上平均土壓力為1.541MPa。由公式（1）計算此時的樁板荷載分擔比為3.391，此時土拱效應發揮良好。由于相鄰兩根樁基間土體與樁基混凝土的彈性模量相差巨大，因此當兩者都受到后方土壓力的推力作用時，與樁基混凝土相比，土體產生的壓縮變形量更大。導致邊坡土體在樁基后和擋土板墻后產生的位移差值巨大，從而使樁板墻后方土體產生土拱效應。在工程實際中表現為當邊坡發生滑坡時，通過土拱效應將大部分土體滑坡推力轉移到了樁基上，減少了擋土板墻承擔的滑坡推力。

2.4 土壓力沿樁體深度的變化規律研究

對沿深度方向樁板墻后土壓力變化情況（圖5）進行分析可知，樁體后土壓力沿樁體深度方向呈現先增后減的變化趨勢，土壓力最大值出現在距離樁頂約5.6m處，約為3.228MPa。擋土板墻后土壓力沿樁體深度方向呈現先減后增的變化趨勢，最小值出現距離樁頂1.6m處，約為0.359MPa，在坡腳處出現最大值，約為1.607MPa。根據公式（1）得到土拱效應發揮程度η的變化規律，如圖5所示，邊坡土體中土拱效應呈現先增后減的趨勢，土拱效應先迅速發揮，再緩慢降低。樁板荷載分擔比η在距離樁頂約3.2m處為最大值。同時，在樁頂下約1.2m～8m，約占整體樁長的80.9%的樁身范圍內，樁板荷載分擔比均大于1，土拱效應發揮良好，樁板墻能夠較好地承擔邊坡土體荷載，樁板墻承載穩定性較高。

2.5 樁板墻與巖土體變形控制分析

當邊坡因土體滑移對樁板墻施加土體推力時，樁板墻-巖土體模型整體變形情況如圖6所示。在本模擬工況下，由于樁板墻設計良好，因此樁基嵌固長度富足，樁板墻結構發生的變形基本可忽略不計。由于邊坡土體發生壓縮變形，因此邊坡土體以遠離樁板墻頂部的頂面位置為中心發生沉降變形，邊坡土體頂面發生最大沉降位移約為65.36mm，隨后土體變形量沿-Y/-Z方向發生層狀衰減?；诖俗冃我幝?，為減少樁板墻-巖土體在工程實際中的沉降變形量，可采取固結措施對邊坡土體進行處理，減少邊坡土體受力后的壓縮變形量，使土壓力更多地傳導到樁板墻，通過產生的土拱效應進行分擔，減少邊坡土體變形對其上構筑物、植被等的影響。

3 結論

本文對樁板墻與巖土體的相互作用機理進行研究，并采用數值模擬針對樁板墻后土拱效應的分布特征進行具體分析，得到如下結論。1）樁板墻后土壓力分布呈現樁體后承擔土壓力大，擋土板墻后承擔土壓力小的規律，符合土拱效應對樁體-擋土板墻荷載承擔影響的分布規律。2）樁板荷載分擔比η最大達到了3.391，土拱效應在此工程中發揮良好，且沿樁身方向約80.9%樁長范圍內的η均大于1，表明土拱效應使樁基承擔土壓力荷載的比例均大于樁板墻承擔的土壓力荷載。樁板墻承載形式及能力發揮良好，具有較好的邊坡防護能力，承載穩定性較高。

參考文獻

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