基于ABAQUS的樁土相互作用機理的研究方法探討

姚均東

摘 要：抗滑樁作為邊坡支擋結構物因其施工便利抗滑效果好等優點，在滑坡治理中得到了廣泛的應用，作為影響工程經濟性的主要原因之一，樁間距的確定在工程實際中多采用經驗公式。從土拱效應出發，根據當前對土拱形成機理的研究成果，提出通過開挖樁間及樁前土體來分析樁后土拱和樁間土拱的相互作用關系的有限元數值模擬方法，對基于土拱效應的樁間距的計算公式的確定將有有益的參考。

關鍵詞：抗滑樁土拱效應 樁土相互作用 ABAQUS

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0060-01

作為抗滑工程最重要的設計參數，樁間距不僅關系到工程的安全性，更關系到工程投資的經濟性。所以，對于樁間距的確定受到了很多學者門的關注。要確定合理樁間距，就要對抗滑樁與滑坡體的相互作用機理進行深入的研究[1]。

在試驗研究方面，楊明等通過離心模型試驗，對抗滑樁加固滑坡形成土拱效應的現象進行了研究。常保平提出主要根據抗滑樁的樁后土拱強度條件建立了樁間距的計算方法。周德培等在常保平研究的基礎上，增加考慮了樁間土摩擦力的影響，提出了基于樁后土拱效應的樁間距計算模型[2]。王成華等以抗滑樁兩側摩阻力之和不小于樁間滑坡推力作為樁間距計算的控制條件，提出了最大樁間距估算模型。但是由于最大樁間距估算模型未能考慮最大樁間土拱與滑床之間的摩擦力，因此其模型的應用具有一定的局限性[3]。以上兩種樁間距的計算公式是基于樁后和樁間土拱的強度條件，因為除了土體本身的性質，抗滑樁的樁間距也對土拱的形成具有重要的影響作用[4]。

除此以外，傳統的理論研究將邊坡失穩，土拱的形成、作用、破壞的過程視為各個獨立的階段，忽視了土拱形成時樁后和樁間土拱對抗滑的協同作用。針對上述問題，該文利用有限元分析軟件ABAQUS，考慮在樁間和樁前土體開挖的情況下，土拱的形成機理、作用過程對樁后和樁間土拱的力學傳遞模式進行分析，探討樁后土拱和樁間土拱作用協同機制的研究方法。

1 模型建立

該文基于ABAQUS模擬邊坡抗滑樁樁土相互作用，樁土模型采用理想的彈塑性理論—摩爾庫倫理論，模型的底端固定，兩側關于限制其水平方向位移。樁側與土側采用摩擦接觸。模型參數見表1，模型尺寸見圖1。

模型采用形狀簡單的邊坡分析，坡高為10m，坡度為1：1.5，坡腳距邊坡模型前沿的水平距離為10m，坡頂距邊坡后緣的水平距離為15m，邊坡后緣的上頂點距下頂點的垂直距離為20m，邊坡的寬度為20m。

2 模型計算分析

土拱具有拱的一般性質，具有拱腳，拱身所承擔的力沿著拱軸線傳遞到拱腳處，但由于土的性質（c，）決定了土拱又不同于一般物理意義上的拱，其強度要剛度要遠小于混凝土等剛性材料拱，其拱身所受到的滑坡推力有一部分直接沿拱身傳遞到拱的下側即樁間處[4]。而傳遞到樁間的滑坡推力亦使樁間形成土拱，即樁后土拱和樁間土拱是先后形成，相互協同。通過考慮土方開挖的方式，可以研究樁后土拱和樁間土拱之間的傳力機理，將邊坡抗滑樁間土體（圖2）與樁前土體（圖3）開挖，分別研究抗滑樁在抵抗滑坡時，樁后土拱與樁間土拱的協同關系并對樁前土體對抗滑的影響進行分析。

如圖2，為完整邊坡模型，模型長40m，寬20m，坡下平臺長10m，坡上平臺長15m，坡高10m，樁間凈距為2m，模型下部2m為嵌固層，圖3和圖4分別為開挖樁間和樁前土體的計算模型。三種模型除開挖土體外，其余尺寸和屬性完全一致。

3 問題與結語

抗滑樁治理邊坡、滑坡，其原理是依靠樁與樁周巖土體的共同作用把滑坡推力傳遞到穩定地層，利用穩定地層的錨固作用和被動抗力，使滑坡穩定，但滑坡推力傳遞的前提條件是能在相鄰的抗滑樁間形成土拱。經上述計算分析可論證以下問題。

（1）在抗滑時，樁后土拱承擔滑坡力的比例，樁后土拱的形成與樁間土拱的形成的關系，是否存在協同作用，共同抵抗滑坡推力。

（2）土拱的形成與眾多因素如土的性質（），樁間凈距、懸臂高度、滑面摩擦、以及樁間距等的關系。

（3）該模型忽略了地下水、植被的因素的影響，實際設計中應把這些也考慮進去，以便更準確地確定抗滑樁的最大間距。

參考文獻

[1] 呂慶.邊坡工程災害防治技術研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[2] 周德培，肖世國，夏雄.邊坡工程中抗滑樁合理樁間距的探討[J]，巖土工程學報，2004，26（1）：132-135.

[3] 李長冬.抗滑樁與滑坡體相互作用機理及其優化研究[D].武漢：中國地質大學，2009.

[4] 董捷，宋緒國，許再良.考慮土拱效應的錨桿加固樁間土機理研究[J]，鐵道工程學報，2013（8）：45-51.

[5] 張建華，謝強，張照秀.抗滑樁結構的土拱效應及其數值模擬[J]，巖石力學與工程學報，2004，23（4）：699-703.

[6] 胡煥校，劉靜，吳海濤，等.抗滑樁樁后土拱效應特征的三維數值研究[J]，工業建筑，2010（3）：88-93.