不同樁間距下抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

侯青宏 吳文博

（中節(jié)能建設(shè)工程設(shè)計(jì)院有限公司 四川 成都 610052）

不同樁間距下抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

侯青宏 吳文博

（中節(jié)能建設(shè)工程設(shè)計(jì)院有限公司 四川 成都 610052）

借助相關(guān)工程實(shí)例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立相關(guān)數(shù)據(jù)分析模型。在不同樁間距下分別對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比相關(guān)應(yīng)力云圖和位移云圖，對(duì)不同樁間距條件下形成的抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行分析，對(duì)抗滑樁的最優(yōu)樁間距進(jìn)行了探討。

抗滑樁；樁間距；土拱效應(yīng)

1　引言

近幾十年來，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，然而中國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，在這些地區(qū)將遇到許多邊坡問題，在邊坡治理工程中，抗滑樁這種邊坡處治方式得到了廣泛的使用。

而對(duì)于抗滑樁起到的抗滑作用機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及相關(guān)技術(shù)人員在幾十年里面也對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，認(rèn)為抗滑樁與巖土體之間相互作用的主要方式是土拱效應(yīng)。所以說土拱效應(yīng)發(fā)揮作用的強(qiáng)弱關(guān)系著抗滑樁抗滑支擋作用能否得到充分的發(fā)揮。然而抗滑樁與巖土體之間的相互作用的影響是多因素的，與巖土層的力學(xué)參數(shù)、下滑推力、抗滑樁相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)等有著緊密聯(lián)系。

在抗滑樁實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，抗滑樁工程的設(shè)計(jì)包括了抗滑樁埋深及錨固深度、樁間距、樁結(jié)構(gòu)尺度及樁截面尺寸的設(shè)計(jì)等，其中樁間距的設(shè)計(jì)尤為重要，該設(shè)計(jì)參數(shù)的確定關(guān)系著工程的安全可靠性，同時(shí)也在一定程度上決定了工程的造價(jià)[1]。當(dāng)抗滑樁樁間距過小時(shí)，抗滑樁工程量太大，工程造價(jià)太高，不經(jīng)濟(jì)；但是當(dāng)抗滑樁樁間距過大時(shí)，抗滑樁樁與樁之間變得彼此獨(dú)立，兩樁之間不能夠形成土拱效應(yīng)阻滑或者形成的土拱效應(yīng)太弱。所以，在滿足抗滑樁阻滑要求的同時(shí)，盡量增大抗滑樁樁間距，對(duì)樁間距進(jìn)行優(yōu)化，可以在一定程度上直接減少抗滑樁工程的投入，有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在本文中擬通過FLAC3D數(shù)值分析軟件，建立相關(guān)靜力數(shù)值模型，在不同樁間距條件下對(duì)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)不同樁間距下的抗滑樁樁間及樁后土拱效應(yīng)進(jìn)行研究，通過對(duì)比分析研究，得出不同樁間距在特定滑坡推力作用下樁后土拱效應(yīng)的變化規(guī)律，同時(shí)也從側(cè)面驗(yàn)證現(xiàn)目前一些抗滑樁設(shè)計(jì)中參數(shù)的取定。

2　數(shù)值模型的建立

2.1計(jì)算模型的確定

本文建立的FLAC3D計(jì)算模型（模型示意圖如圖1）對(duì)實(shí)際的抗滑樁情況進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，取排樁中的兩根抗滑樁樁間部分及左右2m巖土體建立數(shù)值分析模型進(jìn)行抗滑樁土拱效應(yīng)分析。該模型設(shè)置一滑面，滑面深度為10m，也即是圖2.1中巖土層1和巖土層2的交界面，模型后滑體厚度取15m，模型整體計(jì)算深度31m，坐標(biāo)軸Z軸下方26m，坐標(biāo)軸Z軸上方是一個(gè)高5m，坡率1：1的斜坡。靜力條件下，邊界條件設(shè)置為數(shù)值模型底部為固定約束，模型前、后方對(duì)于滑動(dòng)面以下施加x方向約束，模型左右兩側(cè)施加橫向約束。模型中抗滑樁采用矩形樁，樁長(zhǎng)16m，錨固長(zhǎng)度為6m，標(biāo)準(zhǔn)模型中截面尺寸（b×h）為2m×2m，樁距L= 6m。

圖1　模型示意圖

2.2計(jì)算參數(shù)的選取

本文計(jì)算模型的巖土層力學(xué)參數(shù)結(jié)合部分實(shí)際工程選取如下：

滑動(dòng)面以上為碎、塊石土的堆積層，從上至下變形增大，γ1= 1900kg/m3，φ1=26°，在模型中定義組為巖土層1?；瑒?dòng)面以下為風(fēng)化嚴(yán)重的頁巖，可按密實(shí)土層考慮，γ1=2100kg/m3，φ2=42°10′，在模型中定義組為巖土層2。結(jié)合相關(guān)巖土層信息[2]，模型中具體計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1　模型參數(shù)表

3　不同樁間距下的數(shù)值模擬

參考相關(guān)實(shí)際抗滑樁治理工程，并對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在本文的數(shù)值模擬分析中設(shè)置了3種樁間距（L=4m，6m，8m），當(dāng)滑坡推力為1600kN/m時(shí)，對(duì)抗滑樁樁間及樁后土拱效應(yīng)進(jìn)行研究，通過對(duì)比分析研究，得出不同樁間距在特定滑坡推力作用下樁后土拱效應(yīng)的變化規(guī)律。

對(duì)相關(guān)數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中導(dǎo)出基本分析面z=-9截面的最大主應(yīng)力云圖和x方向位移云圖進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)云圖見圖2和圖3。

從圖2～3可以看出，在一定樁間距下，由于下滑推力的作用，使抗滑樁附近土體最大主應(yīng)力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向指向抗滑樁，從而在抗滑樁樁間及樁后形成土拱效應(yīng)。隨著樁間距的增大，最大主應(yīng)力方向逐漸偏離，指向偏向水平方向，在最大主應(yīng)力云圖和位移云圖中體現(xiàn)為抗滑樁間應(yīng)力拱和位移拱形狀由拱形拋物線向扁平拋物線型轉(zhuǎn)變，此時(shí)土拱效應(yīng)作用逐漸減弱，在工程上體現(xiàn)為隨著樁間距的增大，抗滑樁工程的阻滑能力下降。

圖2　z=-9m截面上最大主應(yīng)力云圖

圖3　z=-9m截面上x方向位移云圖

為了更直觀的反映模型x方向位移隨抗滑樁樁間距增大的變化情況，根據(jù)不同截面（每隔1m讀取一次數(shù)據(jù)）的抗滑樁間位移拱范圍內(nèi)土體最大x方向位移值和抗滑樁位移值作位移變化圖，相關(guān)對(duì)比圖如圖4～5所示。

圖4　不同樁間距下抗滑樁間土體x方向最大位移

圖5　不同樁間距下抗滑樁x方向位移

從位移值變化圖中可以看出，隨著抗滑樁樁間距的不斷增大，數(shù)值模型相同處的位移也發(fā)生著變化，抗滑樁附近土體x方向位移最大值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)抗滑樁樁間距L=4m和6m時(shí)，抗滑樁附近巖土體最大x方向位移值以及抗滑樁本身位移值偏小，說明此時(shí)的抗滑樁土拱效應(yīng)較為明顯，土拱穩(wěn)定性較高，阻滑性能良好；隨著間距的增大，最大位移值上升；當(dāng)L=8m，最大x方向位移值增大以及抗滑樁位移值增長(zhǎng)較為明顯，樁間距增大代來的位移變化較前面樁間距增大而引起增幅大很多，此時(shí)土拱效應(yīng)減弱很明顯。

抗滑樁樁間距的確定在一定程度上決定了整個(gè)抗滑樁工程的造價(jià)，樁間距過小，抗滑樁的強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，并且這樣工程造價(jià)也相對(duì)較高；而當(dāng)樁間距過大時(shí)，工程造價(jià)減低了，但是抗滑效果也達(dá)不到相應(yīng)的要求。通過數(shù)值模擬對(duì)比抗滑樁最優(yōu)樁間距大概是樁寬的3倍左右，此時(shí)抗滑樁樁間與樁后土體前滑位移量最小，形成的抗滑樁間應(yīng)力拱和位移拱形狀更接近于拱形拋物線，土拱效應(yīng)最為顯著，抗滑樁土拱抗滑效果發(fā)揮得最好；同時(shí)樁間距取樁寬的3倍左右也可以較好的兼顧工程經(jīng)濟(jì)性。

4　結(jié)論

（1）隨著樁間距的增大，最大主應(yīng)力方向逐漸偏離，指向偏向水平方向，在最大主應(yīng)力云圖和位移云圖中體現(xiàn)為抗滑樁間應(yīng)力拱和位移拱形狀由拱形拋物線向扁平拋物線型轉(zhuǎn)變，此時(shí)土拱效應(yīng)作用逐漸減弱；

（2）隨著抗滑樁樁間距的不斷增大，數(shù)值模型相同處的位移也發(fā)生著變化，抗滑樁附近土體x方向位移最大值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，土拱效應(yīng)減弱；

（3）通過數(shù)值模擬對(duì)比抗滑樁最優(yōu)樁間距大概是樁寬的3倍左右，此時(shí)抗滑樁樁間與樁后土體前滑位移量最小，形成的抗滑樁間應(yīng)力拱和位移拱形狀更接近于拱形拋物線，土拱效應(yīng)最為顯著。

[1]佴磊，馬麗英，冷曦晨，于清楊.滑坡治理中的抗滑樁設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2002，32（2）：162～165.

[2]姚元鋒.全風(fēng)化花崗巖邊坡樁間土拱效應(yīng)研究[D].西南交通大學(xué)，2010.

[3]侯青宏.抗滑樁土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D].重慶大學(xué)，2012.

TU473.1

A

1673-0038（2015）36-0031-02

2015-8-17

侯青宏（1989-），男，四川遂寧人，碩士，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)技術(shù)工作。