邊坡抗滑樁土拱效應的研究現(xiàn)狀與進展

王 誠

(后勤工程學院，重慶 401311)

邊坡抗滑樁土拱效應的研究現(xiàn)狀與進展

王 誠

(后勤工程學院，重慶 401311)

從理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬角度出發(fā)，詳細分析了當前抗滑樁土拱效應問題的研究現(xiàn)狀，在總結(jié)成果的基礎上為進一步研究土拱效應提出了思路和建議，以供參考借鑒。

抗滑樁，土拱效應，理論分析，模型試驗，數(shù)值模擬

0 引言

土拱效應的研究已有較長歷史，1884年英國科學家Roberst首次發(fā)現(xiàn)了“糧倉效應”[1]，這一現(xiàn)象后來被研究人員認為是土拱效應的雛形。1943 年Terzaghi 設計的“活動門試驗”驗證了土拱效應的存在，分析描述了土拱上的應力分布情況，由此給出了土拱效應存在必須具備的條件：

1)土體之間產(chǎn)生不均勻位移或相對位移；

2)作為支撐的拱腳存在[1]。此后人們通過研究發(fā)現(xiàn)，土拱的形成主要是由于土體在自重或荷載的作用下，產(chǎn)生壓縮或沉降，即不均勻位移。土體顆粒間的剪應力和法向應力使樁間土體擠壓，產(chǎn)生相對位移，使顆粒間互相“楔緊”，將拱上土壓力轉(zhuǎn)為軸力再傳至拱腳，進而在一定范圍的土體中發(fā)生土拱效應。土拱效應是通過土體抗剪強度的發(fā)揮實現(xiàn)的。

抗滑樁是邊坡支擋工程中常用的結(jié)構(gòu)物，抗滑樁在邊坡防護工程中得到了大量應用，當前對抗滑樁的樁身強度設計理論已經(jīng)比較成熟，但當前抗滑樁的設計計算并沒有考慮抗滑樁的土拱效應作用，對抗滑樁的合理樁間距等問題沒有成熟的理論研究。抗滑樁是一種空間結(jié)構(gòu)，抗滑樁的土拱效應能體現(xiàn)出其空間特性，考慮土拱效應能使抗滑樁的設計更加合理經(jīng)濟，因而抗滑樁土拱效應的研究對抗滑樁的設計理論有很大指導意義。當前對抗滑樁的土拱效應與樁土相互作用機理研究的主要方法有理論分析推導、數(shù)值模擬和試驗研究。

1 土拱效應的理論研究

1.1 土拱力學模型研究

抗滑樁與土體的相互作用是一個非常復雜的過程，抗滑樁要受到土體傳遞的荷載，土體的變形與位移也受到抗滑樁的作用，兩者是互相作用的過程，這給理論分析土拱效應帶來了困難。梁瑤等[2]根據(jù)勃朗特—維西克地基承載力理論建立了土拱拱軸線方程，給出了拱高計算公式，其研究結(jié)果可以應用于土拱拱高計算公式，確定抗滑樁樁后的潛在滑體，計算作用在樁上的土壓力，使抗滑樁、擋土墻的設計更經(jīng)濟。

1.2 基于土拱效應的抗滑樁臨界樁間距的理論研究

抗滑樁的臨界樁間距是抗滑樁設計的關鍵問題，牽扯到抗滑樁的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟性，利用抗滑樁的土拱效應能更好的利用土體的抗剪強度，優(yōu)化樁間距的設計，達到經(jīng)濟合理的目的。何良德等[3]以拱腳的土體強度條件和樁土接觸面上任一點土體剪應力不大于抗滑樁承擔的最大抗滑力為條件，推導了抗滑樁樁間距L，結(jié)合繞流阻力公式，以繞流阻力為控制條件推導求出樁間距，兩者取較小值即為最大樁間距。

當前的相關推導計算在土拱拱腳處的模型都認為樁后是三角受壓區(qū)，三角受壓區(qū)分析模型在拱腳處大主應力方向與破裂面夾角不滿足Mohr-Coulomb強度準則，且公式中對樁后滑體土粘聚力為0時的計算結(jié)果與實際不符，針對這些問題，肖世國等[4]認為兩側(cè)土拱交匯形成的是倒梯形受壓區(qū)，建立了樁間凈距的控制方程組，通過迭代求解。該方法仍采用了一定的假定，可以采用安全系數(shù)偏于保守地計算邊坡抗滑中抗滑樁的設計。

2 土拱效應的模型試驗研究

土工試驗中，原位試驗消耗人力物力大，試驗周期長，試驗條件有限，而模型試驗的方法可以根據(jù)研究的具體需要設定參數(shù)，如樁土材料參數(shù)、邊界條件等，其結(jié)果可以與數(shù)值模擬的結(jié)果驗證，可信度較高，因而在土拱效應的研究中得到了大量應用。模型試驗的方法主要包括室內(nèi)模型試驗和離心模型試驗。

2.1 土拱效應的室內(nèi)模型試驗研究

孫書偉等[5]基于相似理論設計了室內(nèi)模型試驗，分別對微型抗滑樁和懸臂式抗滑樁進行研究。試驗中改變樁間距，分析抗滑樁在相同邊界和荷載條件下的受力特性，分析得出最佳距徑比。梁瑤等[2]利用自制的土拱試驗儀進行了室內(nèi)模型試驗，模擬了樁后土體中的土拱效應，直觀反映了土拱的形狀和拱高。試驗發(fā)現(xiàn)樁間土的土體參數(shù)對土拱的拱高有影響，內(nèi)摩擦角φ影響較明顯，進一步建立了拱軸線方程和拱高的計算公式，并結(jié)合了工程實例分析。文中采用的土拱試驗儀是土拱效應模型試驗技術(shù)中的一大突破，可以通過該試驗儀直觀反映土拱的形狀和拱高，更好的觀察土拱效應的試驗現(xiàn)象。

2.2 土拱效應的離心模型試驗研究

模型試驗相對于現(xiàn)場試驗具有許多的優(yōu)點，但是小比例尺模型由于自重遠遠低于原型，不能再現(xiàn)原型的特性。土工離心模型試驗是將土工模型放置于離心機中，相當于增大了模型的自重，補償了因尺寸縮小而造成的自重損失，使試驗能夠滿足模型與原型應力應變相等、變形相似、破壞機理相同，能較好地再現(xiàn)原型的特性。

楊明等[6]進行了一組離心模型的對比試驗，當離心加速度達到40g時，觀察發(fā)現(xiàn)樁間凈距相同時，抗滑樁樁寬越大，對土拱拱腳穩(wěn)定性越有利的結(jié)論。王成等[7]通過離心模型試驗研究了抗滑樁樁間距、樁徑對樁間土拱效應形成的影響，分別給出了合理樁間凈距與樁徑的關系。其結(jié)果表明，樁間距越小，土拱的受力更接近受壓，樁間距越大，拱的受力更接近梁的受力，土拱效應較微弱，所以抗滑樁設計時合理的樁間距是關鍵問題。

3 土拱效應的數(shù)值模擬研究

由于試驗條件和技術(shù)手段的限制，無法在抗滑樁樁間、樁后土體中各個位置埋設大量土壓力盒測得樁間、樁后土體任意一點的土壓力，也無法觀察到土體顆粒的應變，當前條件下較難通過模型試驗得到的土壓力數(shù)據(jù)更深入分析抗滑樁土拱效應的力學模型。近些年隨著大型有限元軟件的發(fā)展成熟，數(shù)值模擬成為研究土拱效應的重要手段。

3.1 土拱效應的二維數(shù)值模擬研究

土拱效應事實上是空間問題，但是Chen等[8]通過有限元軟件模擬了抗滑樁與邊坡土體的相互作用，對比二維、三維樁間土體位移圖發(fā)現(xiàn)采用平面問題能較好模擬出三維狀況下的樁土相互作用問題，此后很多研究人員將樁土相互作用問題簡化成二維問題，為研究帶來方便。

Liang[9]、張建勛[10]將被動樁土拱效應問題簡化為二維問題，假定土層位移僅限于水平方向，樁體受水平向約束，利用有限元軟件研究樁間距、外荷載、土體的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ對抗滑樁的荷載分擔比的影響，均認為樁間距是影響抗滑樁土拱效應的最主要因素；樁的界面越粗糙，土拱效應越顯著；雙排抗滑樁排間距為2倍～8倍樁徑時，排間距的改變才對土拱效應產(chǎn)生影響。

3.2 土拱效應的三維數(shù)值模擬研究

土拱效應具有一定的空間特性，運用有限元軟件從三維角度研究樁排間土拱效應相比二維模型能更準確模擬出前后樁位移的差距，申永江等[11]針對此問題建立了三維有限元模型，分析了抗滑樁樁排間土拱效應的形成與發(fā)展機理，分析了各因素對土拱效應的影響，其中樁間距、樁排距對土拱效應影響明顯。

董捷等[12]認為懸臂樁的土拱效應具有空間特性，建立了三維有限元模型，研究了懸臂式抗滑樁的懸臂高度、樁間距、荷載和樁后土體的抗剪強度對土拱效應的影響，提出樁間土穩(wěn)定時樁后土壓力完全由樁承擔，可以采用法向應力的突變程度來衡量樁間土拱效應。該文提出了除樁土荷載分擔比以外的一種新的衡量樁后土拱效應的方法，可以運用此方法結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗進一步分析不同土體、各種其他形式的抗滑樁的土拱效應。

4 結(jié)論與展望

當前對抗滑樁土拱效應的理論分析推導、數(shù)值模擬和模型試驗的研究取得了較多成果。但對土拱效應的形成機理、影響因素的定性分析、土拱效應程度的評價機制仍有待進一步明確。總結(jié)前述文獻的研究成果，提出以下幾點分析展望：

1)當前抗滑樁土拱效應的各種研究大都是假定樁后土層單一且均勻分布，事實上在工程實際中這種理想的情況是非常少見的，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角對土拱效應的產(chǎn)生和發(fā)展都有影響。同時邊坡土體中地下水的作用也會對樁后土體的土拱效應有影響，當前對這些問題研究很少，所以在數(shù)值模擬和試驗分析時，應結(jié)合工程實際考慮樁后土層分層分布，同時考慮到地下水的作用。

2)雖然現(xiàn)場試驗消耗人力物力大、試驗周期長、試驗條件有限、試驗影響因素較多，單個現(xiàn)場試驗結(jié)果適用性較窄，但現(xiàn)場試驗真實準確，能夠最完整反映土拱效應的真實現(xiàn)象，現(xiàn)場試驗研究是了解抗滑樁樁土相互作用最直接的辦法，試驗研究現(xiàn)象也是理論推導分析的基礎。在當前對土拱效應的部分問題缺乏明確統(tǒng)一認識前，現(xiàn)場試驗具有不可替代的優(yōu)勢，今后可有針對性的進行現(xiàn)場試驗。

3)董捷提出的采用法向應力的突變程度來衡量樁間土拱效應的方法提出了一個新思路，但僅對懸臂式抗滑樁做了模型試驗和數(shù)值模擬研究，可以進一步進行其他樁型，如埋入式樁、雙排布置樁、群樁等的模型試驗和數(shù)值模擬分析，采用法向應力的突變程度評價土拱效應，并結(jié)合計算樁土荷載分擔比的方法綜合對比分析，從而多角度地綜合評價分析抗滑樁的土拱效應的發(fā)揮程度、各因素對抗滑樁土拱效應的影響。

[1] Terzaghi K.Theoretical soil mechanics[M]．John Wiley & Sons，New York，NY，1943.

[2] 梁 瑤，蔣楚生，李慶海，等.樁間復合結(jié)構(gòu)土拱效應試驗與受力機制研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33(S2)：3825-3828.

[3] 何良德，何英發(fā)，劉江林，等.黏性土抗滑樁樁間土拱分析及合理樁間距研究[J].科學技術(shù)與工程，2014，4(2)：90-92.

[4] 肖世國，程富強.再論懸臂式抗滑樁合理樁間距的計算方法[J].巖土力學，2015,36(1)：111-116.

[5] 孫書偉，朱本珍，馬惠民.框架微型樁結(jié)構(gòu)抗滑特性的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29(S1)：3039-3044.

[6] 楊 明，姚令侃，王廣軍.抗滑樁寬度與樁間距對樁間土拱效應的影響研究[J].巖土工程學報，2007，29(10)：1477-1482.

[7] 王 成，王 東，陳夏雨，等.樁間土拱效應離心模型試驗研究[J].地下空間與工程學報，2012,2(8)：33-36，98.

[8] Chen C Y，Martain G R．Soil-structure interaction for landslide stabilizing piles[J].Computer and Geotechnics，2002，29(5)：363-386.

[9] Liang R，Zeng S．Numerical study on soil arching mechanism in drilled shafts for slope stabilization[J].Soil and Foundation,2002，42(2)：83-92.

[10] 張建勛，陳福全，簡洪鈺.被動樁中土拱效應問題的數(shù)值分析[J].巖土力學，2004，25(2)：174-178,184.

[11] 申永江，楊 明，項正良，等.雙排樁樁間土拱效應的發(fā)育規(guī)律研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(1)：70-74.

[12] 董 捷，張永興，文海家，等.懸臂式抗滑樁三維土拱效應研究[J].工程勘察，2009(3)：5-10，30.

Current status and progress of soil arching effect of anti-slide piles

Wang Cheng

(LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

Based on the result of theory analysis， model test and numerical simulation, this paper makes a elaboration of current status of the study on soil arching effect. At the same time, this paper gives some suggestions for further study on soil arching effect of anti-slide piles, so as to reference.

anti-slide pile， soil arching effect， theory analysis， model test， numerical simulation

2015-08-13

王 誠(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)31-0059-02

TU473

A