梯形抗滑樁截面尺寸對(duì)土拱效應(yīng)的影響

王茂琿 蘇培東 邱 鵬

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610500）

抗滑樁建設(shè)是我國(guó)邊坡支護(hù)建設(shè)最主要的形式之一，近年來(lái)，土拱效應(yīng)的存在使得抗滑樁受力的計(jì)算問(wèn)題十分復(fù)雜，抗滑樁的設(shè)計(jì)直接影響著土拱的性狀發(fā)展，因此研究抗滑樁的中不同施工、建筑參數(shù)對(duì)土拱效應(yīng)影響，對(duì)于充分調(diào)動(dòng)樁- 土力的平衡具有重要的意義,對(duì)此一些相關(guān)學(xué)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(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí)必須充分考慮土拱效應(yīng)對(duì)樁土作用的影響，并結(jié)合理論探討、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等多種研究手段對(duì)不同條件下矩形抗滑樁堤土拱效應(yīng)進(jìn)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(fù)雜的變化趨勢(shì)，李維樹(shù)等[4]通過(guò)展開(kāi)室內(nèi)試驗(yàn)，深入研究了在推力作用下土拱效應(yīng)對(duì)樁- 土變形及力傳遞的影響；趙明華等[5]基于土拱效應(yīng)及荷載分配之間的關(guān)系展開(kāi)研究，通過(guò)展開(kāi)對(duì)荷載作用下抗滑樁應(yīng)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(yīng)力比拱高的計(jì)算方法。

上述研究均為基于傳統(tǒng)矩形截面抗滑樁的分析與探討，對(duì)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(fā)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(guò)加寬矩形樁底邊形成樁側(cè)傾角，使得樁側(cè)土拱的形成所需的樁側(cè)支座反力不完全由樁側(cè)摩阻形式存在，分析易得，在下滑推力的施加過(guò)程中，土體受壓產(chǎn)生不均勻形變，由于土體抗壓不抗拉的力學(xué)性能，使得這個(gè)過(guò)程剪應(yīng)力的遷移也即是成拱過(guò)程變得更加依托拱腳強(qiáng)度與承載特性的支持，本文認(rèn)為土拱與樁側(cè)土拱的形成與發(fā)展是同時(shí)發(fā)展同時(shí)消失，并且取決于傾角大小，產(chǎn)生雙拱協(xié)同作用，即樁后與樁間土體發(fā)生無(wú)間隙壓實(shí)契的成拱作用。類(lèi)比賈海莉[6]（2003）的雙拱重合理論，本文認(rèn)為，由于樁尺寸的變化，抗滑樁樁后與樁側(cè)作為土拱拱腳發(fā)揮支座反力發(fā)揮作用時(shí)會(huì)有不同占比，從理論計(jì)算的角度采取雙拱協(xié)同作用的傳力機(jī)制也將更為合理，即雙拱在梯形抗滑樁的截面特性上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)閉合的樁后與樁側(cè)雙拱，兩者同時(shí)承擔(dān)樁后滑坡推力。

本文基于三維邊坡下的推樁模型，通過(guò)設(shè)置合理樁間距，開(kāi)展了不同梯形樁側(cè)傾角下懸臂式抗滑樁的土拱效應(yīng)變化研究的數(shù)值模擬試驗(yàn)，并深入分析水平截面下應(yīng)力變化規(guī)律，以期為梯形抗滑樁的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 模型的建立及參數(shù)的選取

通過(guò)Ansys-Workbench 對(duì)三維邊坡與梯形抗滑樁模型進(jìn)行建模，采用FLAC-3d 有限元分析軟件進(jìn)行推樁數(shù)值模擬試驗(yàn)。并以FLAC-3d 有限元分軟件，通過(guò)接觸面語(yǔ)句，建立了樁土接觸面，結(jié)合推力的特征水平截面z=23 上的x 方向應(yīng)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(duì)于土拱效應(yīng)拱高的影響性，得出了梯形抗滑樁合理的上下底比值區(qū)間，并指出在此比值區(qū)間內(nèi)，雙拱協(xié)同傳力機(jī)制形成。

圖2 時(shí)模型網(wǎng)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(kù)倫滑動(dòng)模型。巖土體以及混凝土抗滑樁參數(shù)選取如表1 所示，接觸面參數(shù)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?。?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(xué)參數(shù)

表2 樁土接觸面參數(shù)設(shè)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(yīng)力云圖分析

由于，本次推樁模擬基于邊坡環(huán)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(jìn)行分析。

圖3 組1 下x 方向應(yīng)力云圖

圖4 組2 下x 方向應(yīng)力云圖

圖6 組4 下x 方向應(yīng)力云圖

圖7 組5下x 方向應(yīng)力云圖

以上五組模擬實(shí)驗(yàn)均為推樁穩(wěn)定后狀態(tài)，由組1 到組2 可見(jiàn)，組1 中x 方向應(yīng)力云圖顯示，土拱區(qū)高度較高，由網(wǎng)格長(zhǎng)度測(cè)量約為8m，應(yīng)力等值線區(qū)域完全分布于樁間，且不完全覆蓋樁側(cè)部分，樁側(cè)土拱較為發(fā)育，未見(jiàn)樁背土拱發(fā)育；此外，樁背土體壓應(yīng)力相比于樁間應(yīng)力等值區(qū)前土體壓應(yīng)力相差較大，樁側(cè)壓應(yīng)力集中，且與樁體壓應(yīng)力完全等值重合，并達(dá)到峰值，證明該種截面比例導(dǎo)致樁間土完全依賴(lài)樁側(cè)部分抵抗樁后及樁間土體推力，樁間土在進(jìn)行壓實(shí)作用時(shí)完全依賴(lài)樁側(cè)部分提供，此時(shí)樁側(cè)部分的摩擦阻力對(duì)于土拱成型占決定性影響。組2 中x 方向應(yīng)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(yīng)力等值區(qū)完全覆蓋樁側(cè)部分，此外，樁后部分應(yīng)力等值區(qū)開(kāi)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(shí)，充分利用了樁側(cè)的反力面，樁間應(yīng)力等值區(qū)壓應(yīng)力峰值相較組1 下降，說(shuō)明樁間土體壓實(shí)契緊的成拱過(guò)程中，不僅樁側(cè)而部分提供反力約束，且樁背提供的反力約束分擔(dān)了樁后推力，可見(jiàn)樁背土拱應(yīng)力等值區(qū)峰值與樁間土拱應(yīng)力等值區(qū)峰值差值仍較大且，樁后未見(jiàn)明顯的拱式應(yīng)力等值區(qū)出現(xiàn)。說(shuō)明，該截面比例樁型下，雙土拱并未形成。組3 中x 方向應(yīng)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(jiàn)的是，樁背壓應(yīng)力集中顯著且為壓應(yīng)力最大值，樁側(cè)面次之，，此外，樁間應(yīng)力等值區(qū)拱形分布明顯，樁側(cè)接觸面處壓應(yīng)力保持一致，特別指出的是，此時(shí)，樁背拱形應(yīng)力等值區(qū)開(kāi)始形成，但并未貫穿，且各等值區(qū)壓應(yīng)力差值較小，說(shuō)明此種截面比例下，樁背與樁側(cè)作為反力支座有效促進(jìn)了樁間土體與樁背后土體的成拱，并使之開(kāi)始同時(shí)契緊形成土拱，雙拱協(xié)同作用開(kāi)始發(fā)育，與此用時(shí)，參照組4 中x 方向應(yīng)力云圖可見(jiàn)此時(shí)，樁背土拱完全消失，且樁間拱形應(yīng)力等值區(qū)最大高度相較組3 陡然增大，但樁背壓應(yīng)力卻相較于樁背拱形應(yīng)力等值區(qū)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?zhèn)让鎯A角增大的同時(shí)，相當(dāng)于樁間凈距增加，導(dǎo)致，樁間土體開(kāi)始完全依賴(lài)樁側(cè)部分提供反力支持，結(jié)合組5 中x 方向應(yīng)力云圖易見(jiàn)，隨著截面上下底比值增大，樁間土體從上至下，壓應(yīng)力陡然提升，抗滑樁側(cè)及樁背壓應(yīng)力卻急劇下降，側(cè)面說(shuō)明此時(shí)雙拱協(xié)同作用已經(jīng)消失。結(jié)合五組模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以類(lèi)推，從截面上下底比值從0.3 至0.85 的過(guò)程中，0.3-0.4 比值區(qū)間中，隨著比值增大，樁間土拱會(huì)逐漸發(fā)育并增強(qiáng)，樁背土拱未出現(xiàn)，樁背相較于樁側(cè)部分作用較小，0.4-0.5 比值區(qū)間中，隨著比值增大，樁間土拱效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，且伴隨樁背土拱的產(chǎn)生，雙拱開(kāi)始形成并會(huì)逐漸形成重合的拱形應(yīng)力等值區(qū)。過(guò)0.5 比值繼續(xù)增大后，梯形截面會(huì)無(wú)限接近上下底相等的矩形樁截面，此過(guò)程同時(shí)等效于樁間距增大，樁背開(kāi)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(shè)比例的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qū)間內(nèi)，抗滑樁更能充分發(fā)揮樁背與樁側(cè)兩部分作為反力約束作用，并促進(jìn)土體形成雙拱協(xié)同作用的土拱效應(yīng)模式。

3 結(jié)論

3.1 模擬結(jié)果表明：隨底邊尺寸的增大，土拱發(fā)育，且樁側(cè)土拱的發(fā)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(guò)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(jìn)樁背土拱與樁側(cè)土拱協(xié)同作用，從而充分發(fā)揮梯形抗滑樁的受力性能。