基于PFC5.0的樁土相互作用機(jī)理的研究方法探討

蔡賽男++宋亮

摘 要：抗滑樁的樁身截面積比較大，所以它的抗滑能力較強(qiáng)，因此是用于加固邊坡的有利措施?？够瑯兜目够瑱C(jī)理在于樁身、滑床、滑體三者相互協(xié)調(diào)作用。受到滑坡推力時(shí)，抗滑樁周圍的土體產(chǎn)生不均勻的位移，土顆粒之間擠壓、楔緊，部分土體生成土拱。本文基于離散元軟件PFC5.0，模擬在不同樁間距下，抗滑樁與地層相互作用的細(xì)觀特性，對(duì)基于土拱效應(yīng)的樁間距的計(jì)算公式的確定將有有益的參考。

關(guān)鍵詞：抗滑樁；細(xì)觀受力特征；PFC5.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.079

滑坡是目前世界上最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。僅中國(guó)每年就有體積達(dá)數(shù)百萬甚至上億立方米的自然滑坡。由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，從陸地至海洋，由平原到山區(qū)，大量人為工程的活動(dòng)與興建使得自然環(huán)境發(fā)生改變而產(chǎn)生人工邊坡，其失穩(wěn)頻繁，損失大于自然滑坡，給世界各國(guó)造成的經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)每年可達(dá)數(shù)十億美元，整治費(fèi)用驚人。

穩(wěn)定地層對(duì)抗滑樁的錨固力和被動(dòng)抗力平衡了滑坡推力。與擋墻、錨桿等抗滑措施相比較，抗滑樁的優(yōu)點(diǎn)是：能和其他抗滑措施靈活地配合、抗滑能力更強(qiáng)、適用性更加廣泛、施工安全便捷、不容易使滑坡的原始狀態(tài)惡化、且能核實(shí)地質(zhì)條件。在礦山邊坡、鐵路、公路滑坡、工業(yè)與民用建筑基坑支護(hù)、港口等邊坡工程中，抗滑樁被廣泛利用。

土體實(shí)際上是不連續(xù)不均勻的散粒體，目前抗滑樁與土拱效應(yīng)的研究成果頗豐，可是大部分土拱效應(yīng)的研究都是基于連續(xù)均勻介質(zhì)，只有基于連續(xù)均勻介質(zhì)上的研究結(jié)果才能更為準(zhǔn)確地描述抗滑樁土拱效應(yīng)的形成機(jī)制和變化過程[1]。

1 模型建立

研究對(duì)象選取兩根抗滑樁及其中間的土體，把抗滑樁看做錨固于滑床，且貫穿滑動(dòng)面和滑體的剛性體?；赑FC5.0軟件，通過其內(nèi)置的FISH函數(shù)編制程序，假設(shè)顆粒小球的半徑不一，這樣能更好地逼近土體的微觀特性，顆粒半徑R的范圍是Rmin～Rmax。編程試算，確定Rmin和Rmax，多次試算，得到最接近真實(shí)土體的顆粒參數(shù)，使得模擬的土體力學(xué)特性與真實(shí)土體更為接近[2]。

2 模型計(jì)算分析

給加載墻一個(gè)恒定速度，使之勻速向前，速度方向如圖1，隨著加載墻的位移增加，抗滑樁承擔(dān)的荷載也逐漸加大，土拱效應(yīng)愈發(fā)明顯。當(dāng)土拱達(dá)到極限荷載時(shí)，若加載墻進(jìn)一步向前，土拱一側(cè)拱腳開始破碎，作用于土拱上的荷載向另一側(cè)拱腳轉(zhuǎn)移，隨后，另一側(cè)的拱腳也開始破碎，最終整個(gè)土拱破碎，作用于樁體上的荷載快速減小。隨著加載墻繼續(xù)向前，又一次出現(xiàn)土拱，此時(shí)土拱承擔(dān)的荷載比極限荷載小很多，稱之為殘余荷載。而后，加載墻的位移繼續(xù)增加，土拱一直是破碎、形成、再破碎、再形成，殘余荷載處于波動(dòng)幅度不大的變化中。

觀察分析發(fā)現(xiàn)，土體作為不均勻不連續(xù)的散粒體，當(dāng)受到來自加載墻的荷載時(shí)，形成土拱，且土拱一直是一側(cè)拱腳先破壞，然后荷載轉(zhuǎn)移至另一側(cè)拱腳，另一側(cè)拱腳由于荷載增大，也迅速破壞，最終土拱完全破壞。之后，隨著加載墻繼續(xù)向前，土體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，形成新的土拱，隨著土體變形的增大，土拱不斷調(diào)整變化，但仍具有一定的荷載承擔(dān)能力[3]。

在抗滑樁的設(shè)計(jì)中，合理樁間距的確定能有效控制工程成本，提高工程的安全可靠度。設(shè)樁徑為D，分別建模研究樁間距在3D～6D范圍內(nèi)的情況，在其他參數(shù)不變的前提下，比較在不同樁間距的情況下，抗滑樁發(fā)揮的抗滑作用大小，由此確定最為合理的樁間距。

由圖3可見，土顆粒的位移大小隨著深度有很大的變化，隨著深度增加，位移相應(yīng)減小。

3 問題與結(jié)語

（1）真實(shí)的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，PFC軟件通過重力沉降得到的地層與實(shí)際差距可能較大；

（2）滑坡的重要誘發(fā)因素是降雨，雨水滲透會(huì)導(dǎo)致土體的某些參數(shù)改變，而軟件可能無法模擬出真實(shí)情況；

（3）模擬過程中小球數(shù)量過多會(huì)影響計(jì)算速度。

（4）抗滑樁嵌入滑床部分的建模較困難。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜春林.微型抗滑樁土拱效應(yīng)空間特征的細(xì)觀力學(xué)分析 [J].巖土力學(xué)，2012，33（06）.

[2]劉慶濤.抗滑樁細(xì)觀受力特征的數(shù)值模擬研究[J]，安全與環(huán)境 工程，2012，19（04）.

[3]向先超.基于顆粒流的抗滑樁土拱效應(yīng)研究[J]，巖土工程學(xué)報(bào) ，2011，33（03）.

作者簡(jiǎn)介：蔡賽男（1993-），女，碩士，研究方向：港口工程結(jié)構(gòu)與巖土工程。