基于PFC5.0的樁土相互作用機理的研究方法探討

蔡賽男++宋亮

摘 要：抗滑樁的樁身截面積比較大，所以它的抗滑能力較強，因此是用于加固邊坡的有利措施。抗滑樁的抗滑機理在于樁身、滑床、滑體三者相互協調作用。受到滑坡推力時，抗滑樁周圍的土體產生不均勻的位移，土顆粒之間擠壓、楔緊，部分土體生成土拱。本文基于離散元軟件PFC5.0，模擬在不同樁間距下，抗滑樁與地層相互作用的細觀特性，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；細觀受力特征；PFC5.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.079

滑坡是目前世界上最嚴重的地質災害之一。僅中國每年就有體積達數百萬甚至上億立方米的自然滑坡。由于經濟建設的需要，從陸地至海洋，由平原到山區，大量人為工程的活動與興建使得自然環境發生改變而產生人工邊坡，其失穩頻繁，損失大于自然滑坡，給世界各國造成的經濟損失估計每年可達數十億美元，整治費用驚人。

穩定地層對抗滑樁的錨固力和被動抗力平衡了滑坡推力。與擋墻、錨桿等抗滑措施相比較，抗滑樁的優點是：能和其他抗滑措施靈活地配合、抗滑能力更強、適用性更加廣泛、施工安全便捷、不容易使滑坡的原始狀態惡化、且能核實地質條件。在礦山邊坡、鐵路、公路滑坡、工業與民用建筑基坑支護、港口等邊坡工程中，抗滑樁被廣泛利用。

土體實際上是不連續不均勻的散粒體，目前抗滑樁與土拱效應的研究成果頗豐，可是大部分土拱效應的研究都是基于連續均勻介質，只有基于連續均勻介質上的研究結果才能更為準確地描述抗滑樁土拱效應的形成機制和變化過程[1]。

1 模型建立

研究對象選取兩根抗滑樁及其中間的土體，把抗滑樁看做錨固于滑床，且貫穿滑動面和滑體的剛性體。基于PFC5.0軟件，通過其內置的FISH函數編制程序，假設顆粒小球的半徑不一，這樣能更好地逼近土體的微觀特性，顆粒半徑R的范圍是Rmin～Rmax。編程試算，確定Rmin和Rmax，多次試算，得到最接近真實土體的顆粒參數，使得模擬的土體力學特性與真實土體更為接近[2]。

2 模型計算分析

給加載墻一個恒定速度，使之勻速向前，速度方向如圖1，隨著加載墻的位移增加，抗滑樁承擔的荷載也逐漸加大，土拱效應愈發明顯。當土拱達到極限荷載時，若加載墻進一步向前，土拱一側拱腳開始破碎，作用于土拱上的荷載向另一側拱腳轉移，隨后，另一側的拱腳也開始破碎，最終整個土拱破碎，作用于樁體上的荷載快速減小。隨著加載墻繼續向前，又一次出現土拱，此時土拱承擔的荷載比極限荷載小很多，稱之為殘余荷載。而后，加載墻的位移繼續增加，土拱一直是破碎、形成、再破碎、再形成，殘余荷載處于波動幅度不大的變化中。

觀察分析發現，土體作為不均勻不連續的散粒體，當受到來自加載墻的荷載時，形成土拱，且土拱一直是一側拱腳先破壞，然后荷載轉移至另一側拱腳，另一側拱腳由于荷載增大，也迅速破壞，最終土拱完全破壞。之后，隨著加載墻繼續向前，土體內部應力調整，形成新的土拱，隨著土體變形的增大，土拱不斷調整變化，但仍具有一定的荷載承擔能力[3]。

在抗滑樁的設計中，合理樁間距的確定能有效控制工程成本，提高工程的安全可靠度。設樁徑為D，分別建模研究樁間距在3D～6D范圍內的情況，在其他參數不變的前提下，比較在不同樁間距的情況下，抗滑樁發揮的抗滑作用大小，由此確定最為合理的樁間距。

由圖3可見，土顆粒的位移大小隨著深度有很大的變化，隨著深度增加，位移相應減小。

3 問題與結語

（1）真實的地層結構復雜多變，PFC軟件通過重力沉降得到的地層與實際差距可能較大；

（2）滑坡的重要誘發因素是降雨，雨水滲透會導致土體的某些參數改變，而軟件可能無法模擬出真實情況；

（3）模擬過程中小球數量過多會影響計算速度。

（4）抗滑樁嵌入滑床部分的建模較困難。

參考文獻：

[1]姜春林.微型抗滑樁土拱效應空間特征的細觀力學分析 [J].巖土力學，2012，33（06）.

[2]劉慶濤.抗滑樁細觀受力特征的數值模擬研究[J]，安全與環境 工程，2012，19（04）.

[3]向先超.基于顆粒流的抗滑樁土拱效應研究[J]，巖土工程學報 ，2011，33（03）.

作者簡介：蔡賽男（1993-），女，碩士，研究方向：港口工程結構與巖土工程。