土拱效應(yīng)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(fā)揮主要是依靠相鄰兩樁間的土拱效應(yīng)，鑒于此，研究樁板墻工程中的土拱效應(yīng)發(fā)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(duì)樁板墻后土拱效應(yīng)的形成機(jī)理以及土拱效應(yīng)發(fā)揮程度定量分析指標(biāo)—樁板荷載分擔(dān)比η進(jìn)行探究。采用數(shù)值模擬的方法分析了土拱效應(yīng)在樁板墻后的分布規(guī)律，探明了樁板墻的承載性能發(fā)揮程度，為邊坡支護(hù)樁板墻的設(shè)計(jì)與施工提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：樁板墻；土拱效應(yīng)；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)受力分析

中圖分類號(hào)：TU 432" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

樁板墻是由抗滑樁、樁間擋土板組成的平衡土體側(cè)壓力的擋土墻，樁板墻是一種常見的邊坡支護(hù)手段，目前樁板墻已廣泛應(yīng)用于各類邊坡支護(hù)。在樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保障支護(hù)工程安全，節(jié)約工程造價(jià)[]。雖然樁板墻結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，但是其受力機(jī)理卻較為復(fù)雜，為探究樁板墻結(jié)構(gòu)受力特性，根據(jù)土拱效應(yīng)卸荷原理，分析邊坡推力對(duì)樁板墻承載性能的影響，以指導(dǎo)邊坡支護(hù)樁板墻施工[]。

1 樁板墻-巖土體相互作用機(jī)理分析

1.1 樁板墻后土拱效應(yīng)形成機(jī)理

當(dāng)開挖松弛區(qū)的土體發(fā)生滑坡位移時(shí)，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(cè)移動(dòng)，最終在擋土板的約束作用下保持穩(wěn)定[]。由于擋土板墻自身薄板結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，因此其自身剛度比樁基小得多。當(dāng)樁板墻結(jié)構(gòu)受到邊坡土壓力作用時(shí)，整個(gè)樁板墻-邊坡土體結(jié)構(gòu)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(huì)導(dǎo)致?lián)跬涟鍓筮吰峦馏w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(nèi)就形成了土拱效應(yīng)。樁板墻后土拱效應(yīng)形成過程如圖1所示。在邊坡受土壓力作用初期，樁間土產(chǎn)生的相對(duì)位移量較小，樁體后受壓區(qū)較小，當(dāng)土壓力進(jìn)一步增加，樁體背側(cè)受壓范圍逐漸擴(kuò)大，邊坡土體壓縮變形量也隨之增加，樁間土與樁體兩側(cè)壁產(chǎn)生的位移量存在差異，出現(xiàn)一定的相對(duì)水平位移。此時(shí)樁體兩側(cè)壁與滑移土體間出現(xiàn)抵抗土體滑移趨勢(shì)的相反摩阻力，逐步出現(xiàn)樁間土拱效應(yīng)，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(dāng)邊坡土體壓力超過摩阻力時(shí)，樁間土與樁體兩側(cè)壁間的相對(duì)位移將繼續(xù)增加，此時(shí)樁背側(cè)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(gè)具有一定承載能力的土拱，稱為直接土拱。

1.2 土拱效應(yīng)發(fā)揮程度驗(yàn)證分析

樁板墻結(jié)構(gòu)主要由樁基和樁間擋土板墻構(gòu)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(jié)構(gòu)。樁板墻穩(wěn)定邊坡的工作機(jī)理主要是利用樁-板結(jié)構(gòu)直接承載邊坡土施加的推力，并將其傳導(dǎo)至穩(wěn)定地層中，由地層抗力抵消推力，以達(dá)到穩(wěn)定邊坡的效果。然而，樁板墻結(jié)構(gòu)受力形式是否合理，會(huì)嚴(yán)重制約其穩(wěn)定邊坡性能發(fā)揮。主要通過土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度來考量受力形式，因此引入了土拱效應(yīng)發(fā)揮程度系數(shù)來定量分析土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度[]。將樁體背側(cè)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(dān)比，其計(jì)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(dān)，擋土板墻承擔(dān)較少的土體推力，土拱效應(yīng)發(fā)揮程度較高，樁板墻結(jié)構(gòu)受力形式合理，能夠更好地發(fā)揮樁板墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定邊坡的性能。

（1）

式中：η為土拱效應(yīng)發(fā)揮程度系數(shù)；pp為樁體承擔(dān)的土壓力均值；pb為擋土板墻承擔(dān)的土壓力均值。

2 土拱效應(yīng)分布特征模擬分析

2.1 計(jì)算分析基本假定

為簡(jiǎn)化模擬過程，方便探究土拱效應(yīng)對(duì)樁板墻受荷特性的影響，模型建立遵循以下假定[]：在實(shí)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(nèi)部構(gòu)造均勻，各向力學(xué)性質(zhì)相同；假設(shè)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(jié)構(gòu)及樁間土體上，那么此時(shí)邊坡土體壓力可均勻作用于樁板墻產(chǎn)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(shí)體單元對(duì)模型樁體、擋土板以及巖土體進(jìn)行模擬，如圖2所示，模型邊界條件：基巖及土體左右兩側(cè)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(guī)律分析

當(dāng)采用植筋連接擋土板墻與樁基時(shí)，樁板墻背后土壓力分布如圖3所示。沿邊坡布置長(zhǎng)度方向，樁板墻整體背后土壓力呈現(xiàn)樁身處大，擋土板墻部位小的變化規(guī)律。樁基背后土壓力最大值出現(xiàn)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(xiàn)“大→小→大→小→大”的變化趨勢(shì)，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(xiàn)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(dān)背后土壓力作用。

為探究土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度，沿邊坡樁板墻布置長(zhǎng)度方向，選取圖3中樁板墻背后土壓力最大值部位，對(duì)其進(jìn)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(jì)算此時(shí)的樁板荷載分擔(dān)比為3.391，此時(shí)土拱效應(yīng)發(fā)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(dāng)兩者都受到后方土壓力的推力作用時(shí)，與樁基混凝土相比，土體產(chǎn)生的壓縮變形量更大。導(dǎo)致邊坡土體在樁基后和擋土板墻后產(chǎn)生的位移差值巨大，從而使樁板墻后方土體產(chǎn)生土拱效應(yīng)。在工程實(shí)際中表現(xiàn)為當(dāng)邊坡發(fā)生滑坡時(shí)，通過土拱效應(yīng)將大部分土體滑坡推力轉(zhuǎn)移到了樁基上，減少了擋土板墻承擔(dān)的滑坡推力。

2.4 土壓力沿樁體深度的變化規(guī)律研究

對(duì)沿深度方向樁板墻后土壓力變化情況（圖5）進(jìn)行分析可知，樁體后土壓力沿樁體深度方向呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，土壓力最大值出現(xiàn)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(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)距離樁頂1.6m處，約為0.359MPa，在坡腳處出現(xiàn)最大值，約為1.607MPa。根據(jù)公式（1）得到土拱效應(yīng)發(fā)揮程度η的變化規(guī)律，如圖5所示，邊坡土體中土拱效應(yīng)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，土拱效應(yīng)先迅速發(fā)揮，再緩慢降低。樁板荷載分擔(dān)比η在距離樁頂約3.2m處為最大值。同時(shí)，在樁頂下約1.2m～8m，約占整體樁長(zhǎng)的80.9%的樁身范圍內(nèi)，樁板荷載分擔(dān)比均大于1，土拱效應(yīng)發(fā)揮良好，樁板墻能夠較好地承擔(dān)邊坡土體荷載，樁板墻承載穩(wěn)定性較高。

2.5 樁板墻與巖土體變形控制分析

當(dāng)邊坡因土體滑移對(duì)樁板墻施加土體推力時(shí)，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(shè)計(jì)良好，因此樁基嵌固長(zhǎng)度富足，樁板墻結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形基本可忽略不計(jì)。由于邊坡土體發(fā)生壓縮變形，因此邊坡土體以遠(yuǎn)離樁板墻頂部的頂面位置為中心發(fā)生沉降變形，邊坡土體頂面發(fā)生最大沉降位移約為65.36mm，隨后土體變形量沿-Y/-Z方向發(fā)生層狀衰減?；诖俗冃我?guī)律，為減少樁板墻-巖土體在工程實(shí)際中的沉降變形量，可采取固結(jié)措施對(duì)邊坡土體進(jìn)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(dǎo)到樁板墻，通過產(chǎn)生的土拱效應(yīng)進(jìn)行分擔(dān)，減少邊坡土體變形對(duì)其上構(gòu)筑物、植被等的影響。

3 結(jié)論

本文對(duì)樁板墻與巖土體的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究，并采用數(shù)值模擬針對(duì)樁板墻后土拱效應(yīng)的分布特征進(jìn)行具體分析，得到如下結(jié)論。1）樁板墻后土壓力分布呈現(xiàn)樁體后承擔(dān)土壓力大，擋土板墻后承擔(dān)土壓力小的規(guī)律，符合土拱效應(yīng)對(duì)樁體-擋土板墻荷載承擔(dān)影響的分布規(guī)律。2）樁板荷載分擔(dān)比η最大達(dá)到了3.391，土拱效應(yīng)在此工程中發(fā)揮良好，且沿樁身方向約80.9%樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的η均大于1，表明土拱效應(yīng)使樁基承擔(dān)土壓力荷載的比例均大于樁板墻承擔(dān)的土壓力荷載。樁板墻承載形式及能力發(fā)揮良好，具有較好的邊坡防護(hù)能力，承載穩(wěn)定性較高。

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