基于FLAC3D软件在不同桩宽条件下抗滑桩土拱效应的数值模拟研究

侯青宏，陈文建

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川遂宁629001）

基于FLAC3D软件在不同桩宽条件下抗滑桩土拱效应的数值模拟研究

侯青宏，陈文建

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川遂宁629001）

参考实际的抗滑桩工程治理案例，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值模拟分析模型.在数值模拟过程中，保持抗滑桩其它设计参数不变，对桩宽进行单因素变化，通过对比不同桩宽下的剪切应变增量云图和滑动方向最大位移云图，对不同桩宽条件下抗滑桩土拱效应进行对比分析，对抗滑桩桩宽对抗滑桩土拱效应的影响规律进行探讨.

抗滑桩;桩宽;土拱效应

随着国家经济的发展，工程基础建设也得到了飞速的发展，但是对于我国来说，山地面积在国土面积中占有相当大的比例（除去四大海域的面积，中国拥有960万平方公里的陆地面积，而在这960万平方公里的陆地面积上山地的比例占33.33%，多达320万平方公里）[1].在这些地区进行工程建设不可避免的将遇到许多边坡工程问题，在边坡工程治理中，抗滑桩这种治理措施应用广泛.

通过多年的研究，国内外学术界和工程界对抗滑桩的抗滑机理认知统一，认为：阻碍边坡岩土体下滑的阻滑力是通过抗滑桩桩周土体的土拱效应实现的.在实际抗滑桩工程中，抗滑桩土拱效应作用的强弱是整个抗滑桩工程的关键，也是抗滑桩治理边坡问题的核心.然而抗滑桩土拱效应的发挥与多重因素有关，与边坡岩土体本身的力学性质、边坡提供的下滑力、抗滑桩具体的设计参数等都有着紧密联系[2].

抗滑桩工程的具体设计过程也是一个多参数的设计，包括桩间距、桩宽等.这些参数将关系着抗滑桩土拱效应的强弱，也关系着具体抗滑桩工程支挡作用的强弱，决定边坡问题的安全性.

现将从桩宽参数出发对抗滑桩土拱效应进行分析研究，拟采用F L A C3D数值分析软件，结合相关工程实例，建立对应的数值分析模型，在不同桩宽条件下对抗滑桩土拱效应进行数值模拟.对不同桩宽条件下的抗滑桩土拱效应进行对比分析研究，探讨在不同桩宽保持其它抗滑桩参数不变的情况下，抗滑桩土拱效应的变化规律，并与实际抗滑桩工程中参数设计做对比验证.

1 数值模型的确定

1.1 静力数值分析模型的建立

采用F L A C3D数值分析软件建立相关静力计算模型，并对实际抗滑桩工程作了一定的简化（简化后数值模型示意图如图1），取抗滑桩工程中相邻两根抗滑桩桩间及其左右2m范围的岩土体来建立静力数值分析模型，在此数值模型基础上对不同桩宽条件下抗滑桩土拱效应进行分析.该数值模型岩土层主要分为两层，上、下岩土层分别编号岩土层1和岩土层2，岩土层交界面设定为模型边坡的滑面，整体模型深度31m，取桩顶为零轴，坐标轴Z轴下方26m，坐标轴Z轴上方为一坡度为1：1的高5m的斜坡.

为与实际工程接近，把模型边界条件设置为底部固定约束，模型前、后方滑面（岩土层1和岩土层2交界面）以下施加X方向约束，模型左右两侧施加Y方向约束，具体参见图1中模型横切面和纵切面图约束条件.另外模型中抗滑桩为方桩，整个抗滑桩长度为16m，嵌固深度为6m，模型原始截面尺寸为2×2m（b×h），桩间距取L=6m[3]，

图1 模型示意图

1.2 模型中计算参数的确定

结合相关工程实例，数值分析模型中岩土体参数确定如下：

岩土层1为碎石土，天然容重γ1=19K N/m3，内摩擦角φ1=260，位于滑面以上部分；岩土层2为强风化页岩，天然容重γ2=21K N/m3，内摩擦角φ2=42010＇.数值模型中其它计算参数如表1如示：

表1 数值模型计算参数表

2 不同桩宽下土拱效应的数值模拟

在数值模型中，确定抗滑桩桩间距为6m，结合工程实例取下滑推力P=1600K N/m，其它计算参数参照图1、表1取定的模型参数.保持其它参数不变的情况下，改变抗滑桩的桩宽，分别取桩宽1m、2m及3m，在三种不同桩宽对比分析抗滑桩的土拱效应情况.

基于前面的参数取定，分别建立不同桩宽下的数值模型，在桩深度范围内取滑面以上z=-9m截面作为标准截面进行土拱效应分析.在数值模拟中，结合现目前对土拱效应研究的成果，对抗滑桩桩间土体的剪切应变以及沿主滑方向x方向的位移进行分析，取抗滑桩标准截面的剪切应变增量云图及x方向位移云图进行对比研究.不同桩宽下标准截面相应云图如图2和图3如示.

图2 抗滑桩z=-9m截面剪切应变增量云图

图3 抗滑桩z=-9m截面x方向位移云图

从图2和图3中的标准截面剪切应变增量云图和x方向的位移云图可以看出，在相应云图中，距离抗滑桩的不同位置土体剪切应变增量和x方向位移各不相同，在远离桩背的土体两个参数变化较小，参数值大小基本一致，而靠近抗滑桩附近土体参数值呈现变化明显特征，抗滑桩间参数变化特征呈现土拱形状排列，所以抗滑桩土拱效应有一定的作用半径，在距抗滑桩桩体较远距离土体不具备形成土拱效应条件，只在抗滑桩附近范围土体形成土拱效应.

另外对比不同桩宽下的相应云图，可知随着抗滑桩宽度的增加，抗滑桩附近土体x方向位移逐渐减小，桩宽增加，抗滑桩沿滑动方向位移逐渐减小，抗滑桩土拱效应增加，即相应抗滑桩工程阻滑能力逐步提高，这和在实际抗滑桩工程设计中经验是一致的.

但是对于抗滑桩工程来说，也不能无限的提高桩宽，因为随桩宽增加，抗滑桩工程的成本也是成倍增加.所以为了探究桩宽绝对变化对土拱效应的影响，更直观的反映不同桩宽条件下，桩体附近土体沿滑动x方向的位移变化情况，分别读取在不同桩宽下整数截面（每隔1m读取一次数据）的抗滑桩桩周范围土体x方向的最大位移值，根据相关读取数据作桩周土体x方向的最大位移值变化图，如4所示.

图4 不同桩宽下抗滑桩桩周土体x方向最大位移变化图

从位移变化图可以看出，随着桩宽的增大，桩周土体x方向最大位移值整体呈减小趋势；另外当桩宽从1m增加到2m过程中，桩周土体x方向最大位移值从49.6mm变为37.6mm，变化率为-24.2%，当桩宽从2m增加到3m过程，桩周土体x方向最大位移值从37.6mm变为31.4mm，变化率为-16.5%，桩周土体x方向最大位移值位移值的减小幅度明显变小.从桩周土体x方向最大位移值变化过程在一定程度上可以说明，随着桩宽的增大，抗滑桩土拱效应增强，抗滑能力提高.但是当桩宽增大到一定临界值后，抗滑桩宽度的进一步增大对抗滑桩土拱效应的提升作用逐渐减弱.通过抗滑桩数值模型分析，可以认为抗滑桩桩周土体土拱效应的强弱随着桩宽的增大不是一个线性等比例增长的关系，达到一定的临界值，桩宽再增大土拱效应增强也很少.

另外仔细分析剪切应变增量云图可以看出，桩周土体剪切应变增量最大值的位置在抗滑桩桩间的土体，并且随着桩宽的增大，剪切应变增量整体呈减小的趋势，但是当桩宽增大到3m时，剪切应变增量值反而略有提高.这主要是由于该数值模型桩间距是固定的6m，当桩宽增至3m时，两桩之间的桩净距也只有3m，此时抗滑桩作为土拱的拱脚对桩间土体的挤压作用加强，剪应变值增大.此时，抗滑桩作为拱脚对桩间土体的挤压反作用于抗滑桩本身的土拱效应的增加，对随桩宽增大而提升的土拱效应起减弱作用.这也从侧面证明了桩宽与抗滑桩土拱效应的强弱不是一个线性等比例增长的关系，抗滑桩土拱效应强弱应受多方面因素影响.结合工程实际，桩宽一味增大，抗滑桩工程的造价成倍增加，所以在具体抗滑桩工程设计过程中，需要找出桩宽设计的临界值.

3 结论

随着抗滑桩桩宽的增加，抗滑桩桩周土体滑动方向的最大位移值减小，抗滑桩土拱效应逐渐增强；抗滑桩桩宽的大小与抗滑桩土拱效应的强弱不是一个线性增长的一个关系，当抗滑桩桩宽增大到一定临界值时，抗滑桩宽度的继续增长对抗滑桩土拱效应增强影响减弱，甚至可以忽略不计；实际抗滑桩工程桩宽设计过程中，需综合考虑桩宽增加对土拱效应提高与桩宽增加对抗滑桩工程造价提高的影响.

[1]国家统计局.2010年中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2010.

[2]刘光代.浅谈抗滑桩的设计[A]//滑坡文集(第15集) [C].北京:中国铁道出版社，2002.

[3]侯青宏.抗滑桩土拱效应的数值模拟研究[D].重庆：重庆大学,2012.

Numerical Simulationof Soi l Arching Ef fect of Anti Slide Pileunder Dif ferent Pi leW idth Basedon FLAC3DSof tware

H O UQ in g hon g,C H E NW en j i a n
(S ich ua n V oc a tion a l a n d T echnic a l C ol le g e,S u inin g S ich ua n629000)

R e f e r r in g to the a ct ua l c a se o f a nti sl i d e pi le en g inee r in g,a n u me r ic a l sim u l a tion mo d el isest ab lishe dby u sin g F L A C3D n u me r ic a l sim u l a tionso f t war e.I n the p r ocess o f n u me r ic a l sim ul a tion,the othe r d esi g n p ara mete r s o f the a nti-sl i d e pi le ar e k ept const a nt,a n d the pi le w i d th is ch a n g e d by sin g le fa cto r.B y comp ar in g the she ar st ra in inc r ement clo ud d i agra m a n d them ax im u m d ispl a cement im ag e in the sl i d in g d i r ection,T he e f f ect o f a nti-sl i d e pi le on the soi l ar chin g e f f ect o f a nti-sl i d in g pi le is d isc u sse d.

A nti-sl i d e pi le;P i le W i d th;S oi l Ar ch E f f ect

TU7

A

1672-2094（2017）03-0165-04

责任编辑：张隆辉

2017-03-09

侯青宏(1989-)，男，四川遂宁人，四川职业技术学院工程师，硕士.研究方向：岩土工程.

陈文建(1970-)，男，四川蓬溪人，四川职业技术学院副教授，硕士.研究方向：建筑结构.