疏排樁土釘組合支護體系中的土拱作用及其計算

文｜廣東省基礎工程集團有限公司 田守偉

引言

疏排樁土釘組合支護是通過在邊坡、基坑巖土體中按一定間距豎向設置鋼筋混凝土樁（錨拉或懸臂），樁間采用土釘的一種組合支護方法。疏排樁土釘支護結合了樁體抗滑能力強與土釘施工速度快、地層適應性強、經濟的優點，避免了單純采用密排樁造價高、工期長而純土釘支護變形大、抗滑能力較低的局限性，剛柔結合，揚長避短，具有廣泛的應用前景。

邊坡產生位移時，支護樁間不同位置的土體位移量不同。由于有樁的約束，樁后和附近的巖土體位移較小；樁間的土體受樁的約束小，位移會比較大，為了保證這部分土體穩定，在樁間采用土釘支護。

一些學者在研究抗滑樁時考慮了樁間土的土拱作用。但由于未深入研究土拱軸向應力的精確表達式及土拱破裂的條件，尚未得到滿意的計算方法。

1 樁間土拱的形成原理及成形方式

1.1 形成條件

(1)土體中土允許存在有不一樣的變形或者相對位移。

(2)土體形成土拱必須有拱底部支撐才能形成。

1.2 樁間土拱的形成機理

邊坡土體在剩余下滑力作用下產生位移并將下滑力傳遞給支護樁，樁通過錨桿及樁嵌固段來保持穩定。樁在土體剩余下滑力作用下也會產生撓曲變形，但由于有錨桿錨拉及嵌固段的作用，而且其剛度比較大，可以作為樁間土拱的穩定拱腳。樁后的土體在樁的約束作用下，位移較小；而樁間土體受到的約束小，位移會比較大，因此這兩部分土體間存在相對位移。

拱前土體不承受剩余下滑力，樁間土釘支護僅承受拱前土體所產生的土壓力。

1.3 樁梁間土拱的拱腳形式

拱腳的形式可以分為三類(圖1)：(1)正面接觸為支承力的拱腳；(2)土體與樁的側面摩擦力，以摩擦力的形式為拱腳；(3)由前面兩者共同作用作為拱腳。

(a) 拱腳形式1

圖1 不同類型的拱腳

樁側面與土體間的摩擦力相對于正面支承力小，本文采用以樁正面提供支承力的土拱拱腳，如圖1（a）。

1.4 樁間土拱的形狀

在均布剩余下滑力作用下，相鄰兩樁間土拱為拋物線柱殼，可按平面問題分析。土拱的形狀如圖3。

圖2 拱形

2 土拱的受力分析

2.1 模式假定

(1)樁的剛度無限大，土體與樁緊密挨在一起。

(2)拱內土質是一樣的。

(3)土拱里的土的重量可以忽略不計。

圖3 土拱的受力分析

圖4 土拱尺寸

(4)樁間土拱后的土體對樁的作用力以均勻荷載的形式分布在土拱上。

2.2 土拱受力分析

如圖4建立坐標系，拱的合理拱軸線是拋物線，且其對稱于拱的中心軸，其方程為：

取拱的一半進行受力分析。

可列出靜力平衡方程：

解方程得

2.3 拱厚計算

過點

解得：

即：

解得

由式（2）知，

解得，

2.4 沿土拱拱形中心線方向應力計算

由于土拱的存在，拱前土體不受剩余下滑力影響，其對土拱的作用力可以近似看作為零。

土拱的底部的沿軸線中心方向的應力為：

把計算式（3）、（4）、（8）代入式（9）得：

3 結論

（1）從現場試驗結果說明，疏排樁土釘支護中，樁間能形成土拱。樁的剛度較大，在錨桿拉力的作用下，可以成為土拱的可靠拱腳支承。邊坡土體剩余下滑力由土拱傳遞至樁，通過樁錨支護體系保持穩定。樁間拱前土體不承受剩余下滑力，可采用土釘支護。

（2）在均布剩余下滑力作用下，樁間土拱為等厚度拋物線柱殼，厚度為：

土拱內只有軸力沒有彎矩和剪力，處于單向受壓狀態。

（3）按土拱拱腳極限平衡狀態推導出土拱的拱高，明確土釘支護的范圍、荷載及作用在支護樁上的荷載，用于支護體系的設計。