不同桩间距下抗滑桩土拱效应的数值模拟研究

侯青宏 吴文博

（中节能建设工程设计院有限公司 四川 成都 610052）

不同桩间距下抗滑桩土拱效应的数值模拟研究

侯青宏 吴文博

（中节能建设工程设计院有限公司 四川 成都 610052）

借助相关工程实例，采用FLAC3D数值模拟软件建立相关数据分析模型。在不同桩间距下分别对数值模型进行数值模拟，通过对比相关应力云图和位移云图，对不同桩间距条件下形成的抗滑桩土拱效应进行分析，对抗滑桩的最优桩间距进行了探讨。

抗滑桩；桩间距；土拱效应

1　引言

近几十年来，我国的基础设施建设事业得到了迅猛发展，然而中国是一个多山国家，在这些地区将遇到许多边坡问题，在边坡治理工程中，抗滑桩这种边坡处治方式得到了广泛的使用。

而对于抗滑桩起到的抗滑作用机理，国内外学者以及相关技术人员在几十年里面也对其进行了深入的研究，认为抗滑桩与岩土体之间相互作用的主要方式是土拱效应。所以说土拱效应发挥作用的强弱关系着抗滑桩抗滑支挡作用能否得到充分的发挥。然而抗滑桩与岩土体之间的相互作用的影响是多因素的，与岩土层的力学参数、下滑推力、抗滑桩相关设计参数等有着紧密联系。

在抗滑桩实际工程设计中，抗滑桩工程的设计包括了抗滑桩埋深及锚固深度、桩间距、桩结构尺度及桩截面尺寸的设计等，其中桩间距的设计尤为重要，该设计参数的确定关系着工程的安全可靠性，同时也在一定程度上决定了工程的造价[1]。当抗滑桩桩间距过小时，抗滑桩工程量太大，工程造价太高，不经济；但是当抗滑桩桩间距过大时，抗滑桩桩与桩之间变得彼此独立，两桩之间不能够形成土拱效应阻滑或者形成的土拱效应太弱。所以，在满足抗滑桩阻滑要求的同时，尽量增大抗滑桩桩间距，对桩间距进行优化，可以在一定程度上直接减少抗滑桩工程的投入，有着极其重要的现实意义。

在本文中拟通过FLAC3D数值分析软件，建立相关静力数值模型，在不同桩间距条件下对进行数值模拟分析，对不同桩间距下的抗滑桩桩间及桩后土拱效应进行研究，通过对比分析研究，得出不同桩间距在特定滑坡推力作用下桩后土拱效应的变化规律，同时也从侧面验证现目前一些抗滑桩设计中参数的取定。

2　数值模型的建立

2.1计算模型的确定

本文建立的FLAC3D计算模型（模型示意图如图1）对实际的抗滑桩情况进行了一定的简化，取排桩中的两根抗滑桩桩间部分及左右2m岩土体建立数值分析模型进行抗滑桩土拱效应分析。该模型设置一滑面，滑面深度为10m，也即是图2.1中岩土层1和岩土层2的交界面，模型后滑体厚度取15m，模型整体计算深度31m，坐标轴Z轴下方26m，坐标轴Z轴上方是一个高5m，坡率1：1的斜坡。静力条件下，边界条件设置为数值模型底部为固定约束，模型前、后方对于滑动面以下施加x方向约束，模型左右两侧施加横向约束。模型中抗滑桩采用矩形桩，桩长16m，锚固长度为6m，标准模型中截面尺寸（b×h）为2m×2m，桩距L= 6m。

图1　模型示意图

2.2计算参数的选取

本文计算模型的岩土层力学参数结合部分实际工程选取如下：

滑动面以上为碎、块石土的堆积层，从上至下变形增大，γ1= 1900kg/m3，φ1=26°，在模型中定义组为岩土层1。滑动面以下为风化严重的页岩，可按密实土层考虑，γ1=2100kg/m3，φ2=42°10′，在模型中定义组为岩土层2。结合相关岩土层信息[2]，模型中具体计算参数统计如表1所示。

表1　模型参数表

3　不同桩间距下的数值模拟

参考相关实际抗滑桩治理工程，并对实际模型进行简化，在本文的数值模拟分析中设置了3种桩间距（L=4m，6m，8m），当滑坡推力为1600kN/m时，对抗滑桩桩间及桩后土拱效应进行研究，通过对比分析研究，得出不同桩间距在特定滑坡推力作用下桩后土拱效应的变化规律。

对相关数值模型进行计算，从计算结果中导出基本分析面z=-9截面的最大主应力云图和x方向位移云图进行对比分析，相关云图见图2和图3。

从图2～3可以看出，在一定桩间距下，由于下滑推力的作用，使抗滑桩附近土体最大主应力方向发生了偏转，最大主应力方向指向抗滑桩，从而在抗滑桩桩间及桩后形成土拱效应。随着桩间距的增大，最大主应力方向逐渐偏离，指向偏向水平方向，在最大主应力云图和位移云图中体现为抗滑桩间应力拱和位移拱形状由拱形抛物线向扁平抛物线型转变，此时土拱效应作用逐渐减弱，在工程上体现为随着桩间距的增大，抗滑桩工程的阻滑能力下降。

图2　z=-9m截面上最大主应力云图

图3　z=-9m截面上x方向位移云图

为了更直观的反映模型x方向位移随抗滑桩桩间距增大的变化情况，根据不同截面（每隔1m读取一次数据）的抗滑桩间位移拱范围内土体最大x方向位移值和抗滑桩位移值作位移变化图，相关对比图如图4～5所示。

图4　不同桩间距下抗滑桩间土体x方向最大位移

图5　不同桩间距下抗滑桩x方向位移

从位移值变化图中可以看出，随着抗滑桩桩间距的不断增大，数值模型相同处的位移也发生着变化，抗滑桩附近土体x方向位移最大值呈现增大的趋势。当抗滑桩桩间距L=4m和6m时，抗滑桩附近岩土体最大x方向位移值以及抗滑桩本身位移值偏小，说明此时的抗滑桩土拱效应较为明显，土拱稳定性较高，阻滑性能良好；随着间距的增大，最大位移值上升；当L=8m，最大x方向位移值增大以及抗滑桩位移值增长较为明显，桩间距增大代来的位移变化较前面桩间距增大而引起增幅大很多，此时土拱效应减弱很明显。

抗滑桩桩间距的确定在一定程度上决定了整个抗滑桩工程的造价，桩间距过小，抗滑桩的强度得不到充分发挥，并且这样工程造价也相对较高；而当桩间距过大时，工程造价减低了，但是抗滑效果也达不到相应的要求。通过数值模拟对比抗滑桩最优桩间距大概是桩宽的3倍左右，此时抗滑桩桩间与桩后土体前滑位移量最小，形成的抗滑桩间应力拱和位移拱形状更接近于拱形抛物线，土拱效应最为显著，抗滑桩土拱抗滑效果发挥得最好；同时桩间距取桩宽的3倍左右也可以较好的兼顾工程经济性。

4　结论

（1）随着桩间距的增大，最大主应力方向逐渐偏离，指向偏向水平方向，在最大主应力云图和位移云图中体现为抗滑桩间应力拱和位移拱形状由拱形抛物线向扁平抛物线型转变，此时土拱效应作用逐渐减弱；

（2）随着抗滑桩桩间距的不断增大，数值模型相同处的位移也发生着变化，抗滑桩附近土体x方向位移最大值呈现增大的趋势，土拱效应减弱；

（3）通过数值模拟对比抗滑桩最优桩间距大概是桩宽的3倍左右，此时抗滑桩桩间与桩后土体前滑位移量最小，形成的抗滑桩间应力拱和位移拱形状更接近于拱形抛物线，土拱效应最为显著。

[1]佴磊，马丽英，冷曦晨，于清杨.滑坡治理中的抗滑桩设计[J].吉林大学学报（地球科学版），2002，32（2）：162～165.

[2]姚元锋.全风化花岗岩边坡桩间土拱效应研究[D].西南交通大学，2010.

[3]侯青宏.抗滑桩土拱效应的数值模拟研究[D].重庆大学，2012.

TU473.1

A

1673-0038（2015）36-0031-02

2015-8-17

侯青宏（1989-），男，四川遂宁人，硕士，主要从事岩土工程勘察、设计技术工作。