抗滑樁樁間土拱效應離心模型試驗研究

中鐵十七局集團 第一工程有限公司 李熙穎

抗滑樁樁間土拱效應離心模型試驗研究

中鐵十七局集團 第一工程有限公司 李熙穎

就當前來看，人們對抗滑樁自身強度的設計和處理已經形成了一套完整的理論，但對樁間距的合理選擇卻沒有一套成熟的方法，大多是憑經驗來確定。但如果樁間距過小，勢必會增加成本；樁間距過大，則很可能不會產生土拱效應，易使樁間土體滑動，導致建筑損壞。因此，在設計抗滑樁時，樁間距是必須慎重決定的一個重要參數。本文，筆者通過FLAC3D軟件，對砂土中的樁間距進行離心模型分析，以研究不同間距情況下的樁間土拱穩定性。這不僅對抗滑樁的設計具有一定的理論意義，而且對工程實踐也有較大的指導作用。

一、實例分析

利用FLAC3D軟件，對樁間凈距分別為5d，6d和7d的樁體進行分析（d為樁體直徑），得出的樁體彎矩曲線及不同樁間距下的彎矩對比如圖1 ～ 4所示。

由圖1 ～ 4可知，樁間距為5d時，樁間土形成連拱，且土拱矢高較小，樁間土體有開裂趨勢；樁間距為6d，7d時，樁間土流出，土拱矢高急劇增大；樁體彎矩隨樁身高度呈拋物線形分布；當樁間距增大時，樁體彎矩也隨之增大。

從以上分析可知，抗滑樁樁間距越大，拱的受力值就越接近梁的受力值，就越難以產生土拱作用；抗滑樁樁間距越小，土拱的受力值就越能體現受壓的實際情況，對土拱結構的受力就越有正面意義。總之，樁間距越大，土拱效應就相應越弱。

二、 對抗滑樁合理樁間距的探討

從理論上來講，滑坡工程的土拱問題是一個空間問題。這就導致難以給其建立模型，再加上力系的復雜性，因而建立模型就更是難上加難。本文，筆者將這個問題簡化為有一定夾角的平面土拱問題來研究。

1.由矢高確定合理間距。在均布荷載作用下，可以假定拱的合理拱軸線呈拋物線形。這個合理拱軸線的每一個截面上只存在壓力，不存在彎矩和拉力。

在此次試驗中，當樁間距為n倍樁徑時，可建立如圖5所示的坐標系。

假定土拱中軸d 線拋物線方程如下：

當 y＝f時，x＝ 0 ，則

當 y ＝ 0時，x ＝（n－0.5）d/2 ，則

將式（2）、式（3）代入式（1），可得土拱中軸線方程為：

從式（4）可知，土拱中軸線方程由n ， f 確定。若能建立函數 f （n） ，就可由n ， f 直接確定土拱拋物線方程。假定函數f （n） 為一元二次方程，即

從試驗數據可知，n＝5時 ，f＝1.5 cm；n＝6時 ，f ＝1.7 cm；n＝7時 ，f ＝3.1 cm。將以上數據代入式（5），求解得函數 f （n）的一元二次方程

方程兩邊對n求導，可得

當 f '＝ 0時，n＝ 5.3， f 有最小值，即樁間距為5.3倍樁徑時，土拱矢高最小，為最佳樁間距。

將式（6）代入式（4），可得土拱中軸線方程

2.由彎矩確定合理樁間距。可假定樁體彎矩與樁間距的變化曲線函數M（n）為一元二次方程，即

由試驗所得的測點最大彎矩值可知，n＝5時，M＝ 23.43 N·m；n ＝ 6時，M＝ 25.78 N·m；n＝7 時，M＝ 53.51 N·m，將以上數據代入式（9），可得a＝12.7 N/m，b＝－137.36 N/m ，c＝393 N·m。將 a，b ，c 的值代入（9），可得函數M（n）的一元二次方程為：

方程兩邊對n求導，可得

當 M '＝0時，n＝5.4 ，M 有最小值，即樁間距為5.4倍樁徑時，彎矩值最小，為最佳樁間距。

三、結論

1.樁間距與土拱矢高關系分析。樁間距較小時，土拱矢高較大，土拱受力呈現受壓特征，容易形成穩定的土拱，土體不致從樁間滑出。樁間距較大時，土拱曲線形狀趨于平緩，土拱矢高較小，土拱的受力趨于梁的受力，難以形成穩定的土拱效應；或者說土拱效應隨樁間距的增大而減弱。

2.最佳樁間距的確定在一定條件下的砂土中，抗滑樁的最佳樁間距為5.2 ～ 5.5倍樁直徑。樁間距過大，就無法起到攔阻作用；樁間距過小，則工程造價較高。只有保持合理的樁間距，才能在保證工程結構的同時，獲得較高的經濟效益。