排樁支護結構中的土拱效應

汪海明

廣東省地質局第三地質大隊 廣東 韶關 512000

1 概論

1.1 問題的提出

基礎施工是一項既古老，也是一項具有時代特色的土木工程問題。它不僅包括了土體的強度和穩定性，而且還包括了地基和支撐的組合。自20年代中后期隨著大量的高層、超高層建筑和地下施工的興起，支護結構的困難和對基礎的需求也日益高，隨之出現的新的課題也越來越多，迫使工程技術人員從新的角度去審視基礎工程這一古老課題，導致許多新的經驗、理論或研究方法得以出現與成熟。

1.2 土拱效應研究現狀

張建勛等指出，由于土拱效應的存在，使其對水平變形土體的阻擋作用的機制是由土拱效應引起的，并利用PlaxiS的有限元程序PlaxiS對其產生機制進行了詳盡的探討。張建華等人根據反滑樁的受力理論，在假設樁身不發生位移和水下土體抗壓為0的情況下，利用FLAC軟件FLAC進行了數值模擬。分析了在一定的距離下，在一定的距離下，對地基進行了地基的影響。最后，通過算例，得到了一個經驗式的量化結果：樁長為2.4一3.6倍（6/2.5一9/2.5）。

陳云敏根據單樁等效作用下的壩體地基應力均衡，對HEWLETT有限狀態下的有限元有限元模型進行了改進，得到了該模型的簡化公式。分析了樁頂間距、樁帽尺寸及填料內部摩擦力等因素對樁身荷載分攤比例的作用。試驗結果顯示：采用改良的方法，在土拱處的彈性情況下，所得到的樁的荷載分攤比例要低于HEWLETT的極限狀況；在土的塑性條件下，采用修正的方法進行了數值模擬，得到了與HEWLET數值模擬一致的結論。在樁承式路堤時，若填料內部的摩擦力比較大，應以增加樁蓋的寬度為宜，以增加樁的承載能力；在內磨力角度低的情況下，可以通過減少樁身的距離來增加樁身的承載能力。

2 土拱成拱機理及影響因素分析

2.1 土拱的基本概念

樁間土拱效應是樁土應力遷移的一種現象或即將樁后土體所承受的應力轉移至樁體上因此， 土拱效應可定義為一種剪切應力遷移現象或定義為將屈服土體所承受的應力轉移至其相鄰的土體或被約束的土體的現象。土拱效應在各種土工結構中都可以見到，如隧道和基坑支護樁。因此對于不同的結構中土拱定義有所差別。Terzaghi采用活門拱試驗驗證了土拱效應現象，并于1943年首先將這種應力轉移的現象稱之為“土拱效應”。

胡敏云(2000)等對樁排式支護結構體系中發生的土拱效應作出如下的定義:當支護結構隨基坑開挖發生向坑內的位移和撓曲變形時其附近的坑壁土體將滑移而變形并與周圍穩定土體之間發生相對位移土體內部的這種變形和位移將引起土顆粒之間的剪切摩擦使土體的變形受到限制。變形土體與穩定土體之間抗剪能力的發揮促使變形區土體保持在原來位置，于是支護結構上的土壓力隨其位移和變形的增大而減小，與此同時，周圍穩定土體則受到變形區土體的壓力作用，這種變形區的土壓力向周圍穩定土體轉移的現象即稱為土拱效應。

2.2 土拱的形成機理

關于土拱效應的形成機理問題，國內外的研究報道不多。在巖石力學中認為巖層中拱效應的形成是坑道頂部圍巖的變形發展到一定程度后逐漸終止這時頂部圍巖將形成一個穩定的拱形—壓力拱。在工程地質勘察中有關土洞的形成認為是由于地表水的機械沖蝕或地下水的潛蝕作用產生沖蝕、淘空而形成土洞;當其上覆土層較厚時，便形成自然拱，而不易引起地面塌陷。在水利工程中認為土壩中拱效應的產生是由于不同材料間的不均勻沉陷引起的;據某芯墻砂殼壩的觀測結果，在土壩中部高程處，實測土壓力值僅為土柱自重壓力的30-50%，而壩殼的實測壓力是土柱自重壓力的1.9倍；這是由于壩殼對心墻的頂托作用，使心墻中部高程處的垂直壓力減小。而在同一高程的壩殼壓力則增加，這樣就產生了“拱效應”。

在跨河方向上。由于河岸V型河谷的影響同樣存在著不均勻沉降，河床中部的沉降大于兩側的沉降，根據有限元計算結果，土壩中部的垂直土壓力比自重應力小也存在拱效應的現象。土拱效應中的“土拱”不同于日常生活中肉眼能夠看到的拱結構物，拱橋、拱壩等拱結構物的設計方法首先是確定荷載然后進行拱的結構設計。原則是根據拱的受力特點進行最合理的設計達到安全、經濟的效果。是先有拱后有力。而支護結構中的土拱有其自身的形成過程土粒間的粘聚力和摩擦力是形成土拱的先決條件。當支護結構開始發生作用時位于受荷端的土體將產生不均勻位移由于位移的不均勻性，致使土顆粒受到壓縮并互相“楔緊”于是就在一定范圍的土層中產生“拱效應”。

2.3 土拱拱腳的存在形式

在邊坡的沖刷和土壓的影響下，在支護結構的抗滑樁和護墻樁間的土壤中存在著向外擠壓的傾向。由于地基本身的抗剪承載力存在，因此，兩個鄰近的兩個樁基作為拱腳，必須有足夠的支撐力量，才能讓拱橋“站穩腳跟”，這樣，拱橋的應力就會被轉移到拱腳和周邊的土壤中。在土體的平面上，可以將其劃分為拱后穩定區、土拱區和拱前區三個區。在土拱的研究中，拱腿應該是一種承載機構，從拱形的概念和拱形的受力機理來看，它就是將壓力傳給拱腿的一種形式，所以，它的拱腿應該是一種比較“穩定”和“堅固”的結構，它應該能夠經受住由于拱形所傳遞的壓力而引起的壓力。換句話說，它的形成和穩定性取決于拱腿的形成。本文以多個拱腳為例，對拱腳進行了研究，提出了四種不同的拱腳形態：直接拱腳、摩擦拱腳、土拱腳、二異拱腳。

對于以上幾種土拱支承載力構造，至今仍存在爭論。胡敏云、王成華、王士川等人提出，在樁與樁間土壤接觸部位，利用摩阻來抵消土拱向土拱的沖刷和土壓。朱碧堂和吳能森等指出，支撐樁基是指支撐樁基的承載能力，以使滑行和土壤的壓力達到均衡。另一種看法是：在樁基或抗滑樁基中，相鄰的樁基之間有兩個拱形：大的和小孔的。大拱拱腿通過兩根樁柱支撐，將拱后的土體和土體的壓力轉移到樁基上；小地拱在大土拱前面（也就是靠近大土拱或山崩的前面），比大土拱要比大土拱低，它的拱腿設在兩根樁的內部，它的主要作用是利用土和樁身的摩擦來支撐土拱和小拱之間的水平向力或殘余的下滑力。賈海莉指出，支撐拱腿的支撐主要是由于樁本身的力量以及樁身與地基之間的摩擦（也就是以上所說的兩種情況）。這與第3個意見類似，但并不像第3條所述那樣，在大和小土拱之間有明顯的劃分，但它們都有協同的影響。

2.4 土體成拱的影響因素

蔣波將樁間土拱作用的作用分解為一個平面問題，利用ABAQUS有限元程序對土的作用機制進行了研究。當樁距增加時，樁頂載荷分攤比例增加，而地基上的荷載分攤比例則呈遞減趨勢；土壤中的摩擦角愈大，其承載能力愈大，由地基向樁頂傳遞的負荷愈多，則愈顯著。隨著土壤粘性的增大，樁身的載荷分配比例增大，土的拱形作用更加顯著，當內部摩擦角度很低時，這種現象更加顯著；樁-土接觸表面的粗糙度對土拱作用的作用比較顯著，但并沒有顯著的變化，表明對其作用的作用較弱。韓愛民等利用平面有限元數值模擬技術，探討了粘聚力、內摩擦角、彈性模量、彈性模量、泊松比、樁土界面特性等方面的影響。結果顯示：在土體強度參數和彈性模量的改變下，對其產生機制沒有顯著的作用，在土性的差異下，在圓錐體的作用下，樁身周土體的應力和失效模式是不一樣的；樁土界面的剪脹角、泊松比、樁土界面特性對樁間土的形成機制及效果有較大的作用。除上述的影響因子之外，筆者還發現，在樁基后，土體厚度（如在水平拱橋中，樁基和滑動表面的間隔）也是造成土的作用的主要原因。在以后的章節中，我們將會對它和土拱的影響進行更深入的研究。

3 支護結構中的土拱效應分析

3.1 樁間距對土拱效應的影響

在樁的設計中，樁間距的大小是最重要的問題之一，當樁間距超過一定的極限時，樁間土不會發生土拱型土體會從樁之間滑動或發生側向滑動，從而使樁身失去保護；相反，若樁距過短，成本過高，不僅會造成大量的材料消耗，而且還會給施工帶來更多的麻煩。

如圖1所示，在樁間距L分別取3m、4m、6m、8m、10m、14m時，y軸(x=o)剖面上各點x向應力分量δ隨y變化的曲線圖。由此可知，六種情況下。δ都在樁后成拱區域急劇增大，在樁前則變得很小;δ在lb-5b之間達到最大值，最后趨于穩定且各種情況最大值近似相等;隨著樁間距的增大，土體成拱區域不斷后移，且隨著樁間距的增大，土拱效應的影響范圍也隨之增大，即隨著樁間距的增大，拱高不斷增大，同時土拱拱厚也隨著樁間距的增大而不斷增大。

3.2 土體性質對土拱效應的影響

土拱作用的發生是因為土體具有較大的相對移動或相對移動傾向，這是由土壤粒子之間的相互作用引起的。本文利用有限單元法進行了數值模擬，并進行了數值模擬，并進行了數值模擬。

如圖2所示，不同的地基內力對樁身承載能力的作用。從圖中可以看出，當粘性系數增大，樁體的受力分攤率增大，土的拱形作用更加顯著。顯示了土壤中的摩擦力對土拱作用的作用。

從圖3可知，在土壤中的摩擦力隨著樁身的增大，其承載力分配比例也隨之增大，其對土的影響也隨之增大。在土壤的粘性很低的情況下，這個定律更加顯著。

3.3 拱后土壓力(坑深)對土拱效應的影響

如圖4所示，不同坑深時，y軸剖面上各點x向應力分布曲線圖。在計算土壓力時，采用Rankine土壓力理論，由于土的自立高度2.93m，故從坑深為4m處開始計算。由此可知可知，在不同坑深處,都在樁后成拱區域急劇增大，在樁前則變得很小，且隨著坑深的增加，這種趨勢越來越明顯；在2b附近達到最大值后隨之減小，最后趨于一定值；隨著坑深的增加，土體成拱效應越來越明顯;且隨著坑深的增加，土拱效應的影響范圍從4m時的4b增大到14m時的5b，即隨著土壓力的增大，在樁間距不變的情況下，土拱拱厚不斷增大。

4 結語

對于今后進一步的研究工作有以下幾點建議:

1.關于土拱的產生機理、存在條件及拱腳處的持力機構等問題目前尚存在較多爭議，建議通過工程試驗及數值模擬等方法進一步開展相關研究工作;

2.本文的理論推導及數值模擬結果依賴于文中假定并將其簡化為平面問題進行考慮未考慮土體豎向變形問題以及豎向土拱與水平土拱的禍合問題有待進一步深入研究;

3.本文未考慮土體的蠕變、土體成層性、土體各向異性等因素對土體成拱效應的影響，建議對土體成拱的影響因素問題開展進一步研究工作;

4.樁土接觸面性狀對土體成拱的影響。雖然在數值模擬中采用接觸面模型模擬其對土拱效應的影響，但其合理性尚有待進一步研究;

5.建議對豎向土拱的工作機理及影響因素進行理論深化與研究;

6.建議在關于土拱對土壓力的傳遞路線及土壓力重分配的影響問題方面進行開展進一步研究工作。