抗滑樁土拱效應研究概述

吳 瓊

（長沙理工大學，湖南 長沙 410076）

0 引言

抗滑樁是一種大截面、側向受荷的排樁或群樁，它穿過滑體錨入滑床一定深度，借助與樁周圍巖土的共同作用，將滑坡推力傳遞到穩定地層。其抗滑機理體現于樁、滑體與滑床三者間的相互協調工作。抗滑樁在20世紀60年代初隧道滑坡工程治理中就得到了充分的利用，至今,經過多年的生產施工實踐，作為邊坡支擋工程中一種優勢結構物，得到了廣泛的應用和發展，并且在滑坡，塌落，土體側移等工程難題方面有顯著成效。例如抗滑樁在滑坡治理中施工方便，樁位靈活，同時樁截面較大，可埋入深度長，其圬工數量小，可以大大節約施工造價。在抵抗較大的滑坡推力的同時，也可和抗滑擋墻等抗滑結構配合使用，對具有較大滑動應力的滑坡以及潛在緩慢滑動的滑坡特別有效[1]。

1 土拱效應理論分析

a)當邊坡工程有滑動趨向時要提前采取抗滑樁施工措施。抗滑樁在自身變形的同時會阻礙坡體位移，不同的樁間距會產生不同的坡體外側移動趨勢。隨著樁前土體的開挖，這種移動趨勢會更加明顯。不均勻的土壓力是因為在土體不斷擠壓下抗滑樁的橫向位移小于坡體橫向位移，在樁體約束作用下樁間的部分土體受不同壓力而產生不同的剝落，即在相鄰兩樁之間由于位置不同而有著不同的位移。樁周土體的不均勻位移會引起不同位置土體的抗剪作用，使得土顆粒在土體中形成“楔緊”作用，即形成土拱效應[2]。

b)土拱效應是通過土拱的形成改變介質的應力狀態，在引起應力重新分布的同時，拱后的土壓力會傳遞到拱腳以及周圍穩定的介質中去。

土拱效應的存在須符合3個條件：(a)拱腳作為支撐；(b)土體之間的不均勻位移或相對位移；(c)拱體在形成土體后，土體中的剪應力必須小于其抗剪強度。因為，土體在此條件下，才有可能調動其自身強度以抵抗剪應力（外力），達到靜力平衡條件。

巖土工程中，土拱效應一般表現為：由于土體內摩擦角和黏聚力的相互作用，一部分土體會產生不均勻變形或位移，而剩余部分不動，這樣情況會使發生了位移的土體與不發生位移的土體之間產生摩擦阻力，增加了不發生位移土體上的支撐壓力，減少了發生位移土體上的支撐壓力，達到了工程的理想效果。土拱效應是土體通過調動自身抗剪強度達到拱體形成處的土體剪應力小于其抗剪強度。

土拱的相關研究中，抗滑樁（拱腳）是一種承力結構，無論從定義還是從結構力學的方法中都可看出，通過控制樁間土體的滑動，兩側樁上承擔著樁后坡體壓力，相鄰的兩樁類似于拱腳的作用，而拱是將拱后受力傳遞至拱腳，并且土拱的抗滑樁（拱腳）相對“穩定”、“堅固”[3]。

2 抗滑樁研究的主要內容概述

2.1 抗滑樁研究方法

許多學者對抗滑樁開展了大量的研究，綜合分析現有的文獻成果，大體上分為3類：a)理論分析，通過建立相應的數學、物理模型，進一步研究土體側向移動帶來的影響；b)數值模擬分析，利用有限元或有限差分，建立二維或三維計算模型，研究樁—土互相作用下樁周土體應力和變形以及樁身變形與內力分布；c)試驗研究，通過小比尺物理模型與離心試驗等研究抗滑樁工作性能[4]。

2.2 抗滑樁土拱效應臨界樁間距幾種假設和計算方法

樁間距是抗滑樁設計的重要指標，對確定抗滑樁臨界間距具有重要的意義。算法分析如下：

2.2.1 周德培假設與計算[2]

周德培算法假設：a)樁長方向的平面應力應變問題，將土拱問題具體化；b)拱形為拋物線；c)假定樁后土拱力均勻分布于土拱上，夸大了土拱效應，其實土拱效應沿樁長不是均勻分布的。同時根據靜力平衡條件、跨中界面強度和拱腳處界面強度共同控制樁間距。樁間的凈距計算公式為：

式中：S為樁間凈距；c為土體的黏聚力；a為樁寬；φ為內摩擦角；q為樁后單位厚度坡體線分布力（P=q×h）；α為水平方向與三角形界面的夾角。

2.2.2 趙明華假設與計算[5]

趙明華算法假設：拱軸線也是拋物線，假定樁為方樁，根據強度條件和土拱的靜力平衡，得出樁間凈距的計算公式為：

式中：b為側面寬（樁高）；β為拱軸線切線的傾角：β=45°+φ/2，其他符號意義同上。

其中關于最不利截面的假定不符合工程實際，模型研究過于單一簡單化，定義算法依據不足，會造成一定的誤差。

2.2.3 王成華假設與計算[6]

王成華算法假設：滑動推力全由側摩阻力承擔并且滑坡推力過程中無能量損耗。假定樁為方樁，通過探討土拱受力變形、力的傳遞路徑及土拱變形破壞的最大樁間距，建立了最大樁間距估算模型來研究土拱的形成機理及受力特性等方面。但是未考慮土拱的強度條件。得出以下公式：

式中：h為土拱滑面至坡頂距離；P為滑坡推力，其他符號意義同上。

2.2.4 李長東算法[7]

李長東算法將王成華算法進行了改進，在其基礎上還考慮了樁高對樁間距的影響，結合樁后土拱的強度條件，改進了抗滑樁在土拱效應下最大樁間距計算模型，并假設最大樁間凈距S為：

式中：γ為滑體的重度[8]，其他符號意義同上。

2.2.5 葉代成假設與計算[9]

葉代成算法提出了用等效抗滑模型類比于實際抗滑樁并代替實際抗滑樁，這一類比是根據樁間土的相對變形與側摩阻力變化引起了可估計計算的位移差，并且根據樁間土拱受力特性，假設樁間土拱拱形為拋物線，土拱滿足平衡和強度條件，在這樣的基礎上認為有效土拱的土拱單元最前端是楔緊作用最顯著的。但是土拱并不是沿樁長均勻分布，從一定程度上夸大了土拱效應的作用，實際上土拱沿樁長是逐漸減弱的。

式中：符號意義同上。

經過實際工程與數學建模計算對比，上述幾種算法所得結果相差較大，筆者認為，分析上述算法中，算法1和算法2比較科學，實用可靠。一般取小值或除以適當的安全系數，作為實際的樁間凈距，計算結果較為合理和可靠。在以上算法中，人們運用大量的假定，本身就存在很多不確定性與計算偏差，所以在確定抗滑樁的樁間距時，需考慮樁體靜力平衡條件、土拱跨中、拱腳處截面等諸多因素，充分考慮后能較好地考慮多種最不利組合狀況，使得算法假定和算法本身更加符合工程應用實際。樁間距的模型和算法均是建立在各自假設的基礎上，每個算法假設情況與實際工程均存在一定的偏差，臨界樁間距公式雖然反映了臨界樁與一部分參數的關系，但是每個算法都存在局限性和片面性[8]。

2.3 各種假設存在的不足

根據相關研究，人們為了簡化計算，在地表堆載作用下，土和柔性抗滑樁會產生三維變形的實際情況，簡化為二維問題進行分析研究，同時將抗滑樁假設為剛性樁,土體采用黏性土或砂性土,保證土質均勻。在各種研究中假設單位土層位移均在水平方向，假定樁體水平位移為零，但實際應用中樁間土拱效應的本質是一種復雜的三維應力作用轉移機理，經總結會有以下較大誤差：a)樁體地面在堆載作用下，土層的側移方向未必一直保持在水平方向；b)不同水平面上的土層側移大小不同必會相互摩擦產生作用，二維分析無法研究這一情況；c)無論樁頂和樁端是哪種合理約束條件，樁身在土層側移以及土顆粒的相互影響作用下都會有一定的側向位移[10]。

2.4 各種假設存在不足之安全性探討

a)樁體地面在堆載作用下，土層的側移方向未必一直保持在水平方向。建議在二維簡化假設計算的基礎上，增加三維方向的力學分析，綜合確定不同應力應變方向、大小和穩定性分析，或簡單方法增加不確定安全系數值；b)不同水平面上的土層側移大小不同必會相互摩擦產生作用，利用試驗選取確定摩擦角φ和黏聚力c值等抗滑樁參數；c)無論樁頂和樁端是哪種合理約束條件，樁身在土層側移以及土顆粒的相互影響作用下都會有一定的側向位移[10]。樁頂位移對抗滑樁穩定性具有緩解作用，加大了土拱效應，安全系數應小于1，但實際顆粒的不均勻性，安全系數應大于1，具體取值確定應根據室內、室外模型試驗和實體工程實驗來確定。

在滑坡穩定性分析中，不僅根據試驗與反演相結合選取內摩擦角φ和黏聚力c值等參數，還可分別在自重狀態、自重狀態+暴雨狀態、自重狀態+暴雨狀態+地震不同工況下，計算滑坡穩定性系數及剩余下滑推力，同時要考慮地下水的影響，研究確定抗滑樁參數，使抗滑樁假設和計算更加全面，更加符合工程實際。

3 結語

抗滑樁作為一種有效的工程措施，在地基邊坡加固、滑坡泥石流等地質災害防治中得到了廣泛的應用，并取得了成功。由于樁周土體運動問題的復雜性和各種假設與計算的局限性，關于抗滑樁加固的工作機理、樁—土相互作用的相關規律以及不確定性仍沒有得到徹底解決，抗滑樁的理論研究與假設計算目前仍處于半經驗半理論的階段，大部分的相關研究仍然落后于其他工程實踐。因此，需要巖土工程工作者繼續開展理論分析、數值算法、模型模擬和土體試驗研究等方面的科學研究論證，針對土拱效應展開實際研究，不斷發展與完善不同土體抗滑樁實用工程設計施工方法，使抗滑樁理論更加成熟，工程應用更加安全[11]。

（注：本文得到長沙理工大學周德泉老師指導。）