疏排桩支护结构中土拱荷载传递比分析

杨超英

摘要：基于前人关于土拱效应研究的基础上，提出了土拱荷载传递比的概念，并建立了分析计算模型，结合一个疏排桩支护工程事例对土拱荷载传递比的影响因素作了比较全面的分析。研究结果表明：疏排桩支护结构中，桩间土拱效应不容忽视，通过土拱传递到排桩上的土压力最大可占到排桩承受的总土压力的60%以上；土拱荷载传递比随着桩间净距的增大近似呈指数形式减小，当桩间距相同时，桩径越大，土拱荷载传递比越小；当其他参数不变时，土拱荷载传递比随土体内摩擦角和土体粘聚力的增加近似成指数形式增加。

关键词：疏排桩；土拱效应；土拱荷载传递比

Abstract: Based on the study of previous soil arching effect, this paper point out the concept of the soil arch load transfer ratio, and the established the calculation model, analysis the soil arch load transfer ratio factor more comprehensive combined with a sparse example of engineering pile retaining. Key words: sparse row of piles; soil arching effect; soil arch load transfer

中圖分类号：TU973+.21文献标识码：A 文章编号

1 引言

土拱现象最早是由Terzaghi于1943的基于活动门试验[1]提出，随后，Ladanyi[2]，Wang[3]and Chen[4]等先后通过理论、试验和数值模拟，验证了桩间土拱效应的存在，定性地分析了土拱的存在条件和土体参数对土拱效应的影响。

土拱效应是由于桩后土体发生不均匀位移条件下而产生应力重新分布和传递的现象。笔者通过阅读大量现有文献发现，现有文献中研究较多的是土拱效应的存在条件和影响因素，而对于排桩受到的桩侧土压力究竟有多少是通过土拱传递到排桩上的定量分析很少。基于此，本文首先提出了土拱荷载传递比的概念，并建立了土拱荷载传递比的计算模型进而进行了全面的分析。

2 分析模型的建立

对于疏排桩，支护结构受到的土压力由于土拱作用引起重分布，考虑土拱效应可将排桩支护结构分为4个区域，分别为拱前自由土体区、土拱作用区、拱后滑移土体区和桩后土体区。设Ⅰ区土体产生的土压力为e1（合力为E1）；Ⅱ区和Ⅲ区土压力通过土拱的作用而转移到排桩上，记为e2（合力为E2）；Ⅳ区土体的土压力直接作用在桩上，记为e3（合力为E3），则，排桩上作用的总土压力为e2+e3（合力为E2+E3），其中e3（E3）等于主动土压力ea（Ea）。

定义土拱效应荷载传递比（记为λ）为：经土拱传递到排桩上的土压力和排桩受到的总土压力之比（如公式1所示），即

（1）

由于E3等于主动土压力Ea，可通过朗

肯主动土压力理论或者库伦主动土压力理论求出，因此只要求出排桩上作用的总土压力（E2+E3）,即可求出土拱效应荷载传递比λ。本文利用Ito和Matsui的研究成果，将其应用于疏排桩支护结构中土拱效应荷载传递比的分析。

求出排桩桩侧总土压力后，代入公式（1）即可求出土拱效应荷载传递比λ。

3 土拱荷载传递比参数分析

3.1 桩间净距的影响

假定一疏排桩基坑支护工程事例，基坑开挖深度为8m，桩长为16m，土层参数和上文保持一致，分别取桩径d为0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m和3m保持不变，依次取排桩净间距s为1m、2m、3m、4m、5m、6m和7m研究排桩净间距对土拱荷载传递比λ的影响，土拱荷载传递比随着桩间净距的增大整体上呈指数形式减小。

3.2 桩径的影响

分别取排桩净间距s为1m、2m、3m、4m、5m、6m和7m保持不变，依次取桩径d为0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m和3m研究桩径对土拱荷载传递比的影响，土拱荷载传递比随着在桩径的增大而减小，桩间净距越小时，桩径对土拱荷载传递比影响越显著。

3.3 土体强度参数的影响

3.3.1土体内摩擦角的影响

取桩径为d=1m，桩间净距s=1m，土体粘聚力c=23kpa保持不变，依次取土体内摩擦角为5o、10o、15o、20o、25o、30o和35o，研究土体内摩擦角对土拱荷载传递比的影响，当其他参数不变时，土拱荷载传递比随土体内摩擦角的增加近似成指数形式增加，随着土体内摩擦角的增加，土拱荷载传递比增加的趋势越来越缓慢。

3.3.2土体粘聚力的影响

分别取径d=1m，桩间净距s=1m，土体内摩擦角=20o保持不变，依次取土体粘聚力为0、5kpa、10kpa、15kpa、20kpa、25kpa和30kpa，研究土体粘聚力对土拱荷载传递比的影响，当其他参数不变时，土拱荷载传递比随土体粘聚力的增加近似成指数形式增加，并且增加的趋势越来越缓慢。

4 结论

本文提出了土拱荷载传递比的概念和计算模型，并结合Ito基于极限状态土塑性力学求解桩侧土压力方法，对土拱荷载传递比的影响因素作了比较 全面的分析，得出以下几点主要结论。

（1）疏排桩支护结构中，土拱效应不容忽视，通过土拱传递到排桩上的土压力最大可占到排桩承受的总土压力的60%以上。

（2）密排桩时土拱效应不存在；对于疏排桩土拱荷载传递比随着桩间净距的增大近似呈指数形式减小，当桩间净距超过6m以后，土拱荷载传递比非常小只有0.1左右，说明当桩间距较大时，土拱效应非常微弱，土拱的存在有一个极限桩间距；当桩间距相同时，桩径越大，土拱荷载传递比越小。

（3）当其他参数不变时，土拱荷载传递比随土体内摩擦角和土体粘聚力的增加近似成指数形式增加，并且增加的趋势越来越缓慢。

参考文献：

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

[2] WANG W L, YEN B C. Soil arching in slopes [J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 1974,100

(GT1):61-78.

[3]CHEN C Y, MARTIN G R. Soil-structure interaction for landside stabilizing piles[J]. Computers and Geotechnics, 2002,29(3):363-

386.

[4] MARTIN G R, CHEN C Y. Response of piles due to lateral slope movement[J]. Computers and Structures, 2005,83: 588-598.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。