双排抗滑桩桩间土拱效应的影响因数分析段平

双排抗滑桩桩间土拱效应的影响因数分析段平

段平1周陈发1

广州城建开发设计院有限公司510620

摘要：本文采用MIDAS/GTS有限元软件，基于非线性有限元方法，对平行布置与梅花形布置方式下双排抗滑桩土拱效应进行了对比分析。得出双排抗滑桩前、后排桩均能产生土拱效应，且梅花形布置在土拱效应的形成及受力上均优于平行形布置方式。同时就不同下滑推力的作用进行比较分析，得出桩间土拱高度随桩后下滑推力的增加而增加，但此种趋势达到一定程度将逐渐消失。如此，建议在双排抗滑桩支护设计中应优先考虑梅花形布置方式。

关键词：双排抗滑桩；土拱效应；排距；下滑推力

0引言

自Terzaghi通过活动门试验验证了土力学领域中土拱效应的存在[1]。此后，Liang等[2]、Chen等[3]、张建勋等[4]、张建华等[5]、韩爱民等[6]、周德培等[7]从不同角度对单排抗滑桩桩间土拱效应进行了广泛探讨。但其基本上都是关于单排抗滑桩桩间土拱效应的研究，而对于双排抗滑桩桩间土拱效应，关于不同布置方式下双排桩排桩间距、水平桩间距、桩的刚度、土体的参数、下滑推力等对双排抗滑桩土拱效应的影响分析基本没有。而目前，随着现代工程规模的扩大，双排抗滑桩加固方法在边坡工程中也越来越常见。因此，对于双排抗滑桩桩间土拱效应应进行更深入的研究。

为此，本文采用MIDAS/GTS有限元软件下的非线性有限元分析方法，对不同布置方式下排桩间距、下滑推力对双排抗滑桩桩间土拱效应进行分析，为双排抗滑桩设计提供一定的参考。

1有限元计算模型的建立

选取地表下一定深度的单位厚度土层作为分析对象，假定该土层的位移限定为水平方向，且不考虑桩的变形协调及受力变化，则可将其视为平面应变问题来考虑[2]。Chen基于有限元对比分析二维、三维的抗滑桩桩间土体位移数值表明，采用平面应变方法能够较好的模拟三维情况下的相互作用问题[3]。故本文将双排桩中的土拱效应简化为二维的平面应变问题来进行相应的分析。

考虑到问题对称性，抗滑桩平行布置与梅花形布置的有限元计算模型如图1，其中桩间距L=5m，桩排距、下滑力及桩身截面在相应的分析中分别取对应的值，并建立如图坐标系。有限元分析中，桩间土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，抗滑桩采用线弹性模型，计算参数见表1。对于边界条件，左右为x向约束，前侧采用y向约束，且排桩的前后计算范围取足够大，以消除边界对计算结果的影响。

2不同布置方式排桩间距对土拱效应的影响

通过比较分析，得到不同布置方式下不同排距Y方向的应力分布及排距为4m的情况下各典型断面主应力分布等参量的基本特性。

2.1不同布置方式下有限元计算结构比较分析

前排与后排桩的距离分别取为S=2m、4m、6m、8m，均布荷载取q=10kPa，抗滑桩截面取为2mx2mm进行对比分析。分析结果见图2

从计算结果可以看出，前、后排抗滑桩附近出现应力集中现象，表明土体所承受的应力转移至桩体上，其迫使桩间土体相互挤压楔紧，形成一个抛物线形的拱，即产生了土拱效应。这种效应使得桩间土体难以从桩间滑出，从而提高了抗滑桩的加固效果。

通过对相同布置方式下不同排距的土拱效应对比分析可以看出，在排距较小时，前排桩桩间土拱效应比后排桩桩间土拱效应更明显，并且随着排距的增大，这种现象逐渐消失，当大到一定程度时，前排桩与后排桩所产生的土拱效应基本一致。

同时，通过对不同布置方式相同排距的土拱效应的对比分析可以看出，当排距较小时，梅花形布置后排桩桩间产生了土拱效应，而平行布置后排桩桩间无土拱效应产生，这也说明在双排抗滑桩支护中，梅花形布置下后排桩较平行布置下后排桩承担的荷载大，即梅花形布置在双排抗滑桩支护中优于平行布置。但随着排距的增大，此种效应也逐渐消失。

2.2不同布置方式下典型断面上主应力分布情况分析

此处选取以上不同布置方式下排距为4m的计算结果，就其各典型断面上的主应力分布进行对比分析，分析结果见图3。其图中y=2m处为后排桩桩顶的位置，y=6m处为前排桩桩顶的位置。平行布置时，x在0～1及4～6之间为桩体的水平位置；梅花形布置时，x在1.5～3.5及6.5～8.5之间为前排桩的水平位置，x在0～1、4～6及9～10之间为后排桩的水平位置。

从应力的分布情况上看，可以看出离前排桩或后排桩较远处，土体的竖向应力σy分布相对较为均匀，且均值基本与所加下滑推力值相等，也即随着离抗滑桩的距离越远，土拱效应越不明显。在离抗滑桩较近的地方，土体中的应力越来越不均匀，在前排桩附近，土体中的σy出现大于下滑推力q=10kPa的现象，这说明土体中应力发生了迁移，使得土拱拱角即抗滑桩处出现了应力集中，这也表明在离抗滑桩较近处发生了土拱效应。

通过对图中平行布置与梅花形布置的比较分析可以得出，在平行布置的情况下，前、后排桩的应力分布基本一致，说明其前排与后排桩产生了相同的土拱效应。在梅花形布置的情况下，由于后排桩正好位于前排桩左右对称轴上，其能较好地承担从前排桩桩间“漏过”的应力荷载，从而使得后排桩桩周土体的σy应力值明显大于平行布置下后排桩的σy，故梅花形布置下后排桩的土拱效应比平行布置下的土拱效应更明显。这从图2（b）的计算结果中也可以看出。同时梅花形布置下前排桩的桩处的应力明显大于平行布置下桩处的应力，这也说明梅花形布置受力比平行布置受力好。

如此，建议在双排抗滑桩的设计中优先采用梅花形布置方式。

3下滑推力对双排抗滑桩桩间土拱效应的影响

在分析中，双排桩抗滑桩排距取为S=6m，桩身截面取为2mx2m，下滑推力分别取q=10kPa、30kPa、50kPa、80kPa、100kPa、150kPa对梅花形的应变进行比较分析。其应变计算结果见图4。

从图中可以看出，当下滑推力较小时，桩间土拱效应一致，土拱高度相同，但随着荷载的继续增加，桩间最先产生的土拱破坏。同时，其破坏土拱后面的土体继续向前滑移，此时将形成新的土拱。从图上也可以看出，新形成的土拱高度明显大于先前土拱的高度。这也是由于破坏土拱在形成之初，其后土体已形成土拱的趋势，如此随着前土拱的破坏，破坏土拱后土体将形成土拱并取代先前土拱的位置，从而使得土拱高度成增加趋势。如此，得出桩间土拱高度随着下滑推力的增加成增长趋势，但达到一定程度该趋势将逐渐消失。

4结论

（1）在双排抗滑桩支护中，在滑坡推力作用，其桩附近产生应力集中现象，且应力值明显大于下滑推力，表明桩间产生了土拱效应。

（2）当排距较小时，前排桩土拱效应比后排桩土拱效应更明显，但随着排距的增加，该现象逐渐消失，前、后排桩土拱效应趋于一致。

（3）当排距较小时，梅花形布置后排桩土拱效应比平行形布置后排桩土拱效应更明显，但随着排距的增加，此种现象逐渐消失。且从不同布置方式下不同典型断面的应力比较上，梅花形受力比平行性布置受力好。如此在双排抗滑桩设计中，建议优先采用梅花形布置。

（4）桩间土拱高度随下滑推力的增大成增长趋势，但达到一定程度该趋势将逐渐消失。

参考文献：

[1]TerzaghiK.Theoreticalsoilmechanics[M].NewYork：JohnWiley&Son，1943

[2]LiangR，ZengS.Numericalstudyonsoilarchingmechanismindrilledshaftsforslopestabilization[J].SoilandFoundation，2002，42（2）：83292.

[3]ChenCY，MartainGR.Soil2structureinteractionforlandslidestabilizingpiles[J].ComputerandGeotechnics，2002，29（5）：3632386.

[4]张建勋，陈福全，简洪钰.被动桩中土拱效应问题的数值分析[J].岩土力学，2004，25（2）：1742178

[5]张建华，谢强，张照秀.抗滑桩结构的土拱效应及其数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2004，23（4）：6992703

[6]韩爱民，肖军华，梅国雄.被动桩中土拱效应特征与影响参数研究[J].工程地质学报，2006，14（1）：1112116

[7]周德培，肖世国，夏雄.边坡工程中抗滑桩合理桩间距的探讨[J].岩土工程学报，2004，26（1）：1322135