梯形抗滑桩截面尺寸对土拱效应的影响

2020-03-26王茂珲苏培东

科学技术创新 2020年1期

王茂珲苏培东邱鹏

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500）

抗滑桩建设是我国边坡支护建设最主要的形式之一，近年来，土拱效应的存在使得抗滑桩受力的计算问题十分复杂，抗滑桩的设计直接影响着土拱的性状发展，因此研究抗滑桩的中不同施工、建筑参数对土拱效应影响，对于充分调动桩- 土力的平衡具有重要的意义,对此一些相关学者做了一定研究[1-2]。张建华等[3]提出采用悬臂式抗滑桩对边坡进行支护时必须充分考虑土拱效应对桩土作用的影响，并结合理论探讨、试验研究及数值模拟等多种研究手段对不同条件下矩形抗滑桩堤土拱效应进行了深入分析与探讨；水平推力作用下，悬臂式抗滑桩具有更为复杂的变化趋势，李维树等[4]通过展开室内试验，深入研究了在推力作用下土拱效应对桩- 土变形及力传递的影响；赵明华等[5]基于土拱效应及荷载分配之间的关系展开研究，通过展开对荷载作用下抗滑桩应力分布及变形特征的分析，提出基于差异沉降法求解桩- 土应力比拱高的计算方法。

上述研究均为基于传统矩形截面抗滑桩的分析与探讨，对矩形截面桩与梯形截面桩的桩土作用成拱模型，易知，梯形桩桩背受荷面同于矩形抗滑桩，主要发挥端承作用为桩后土拱的形成提供拱支座反力，而梯形截面抗滑桩通过加宽矩形桩底边形成桩侧倾角，使得桩侧土拱的形成所需的桩侧支座反力不完全由桩侧摩阻形式存在，分析易得，在下滑推力的施加过程中，土体受压产生不均匀形变，由于土体抗压不抗拉的力学性能，使得这个过程剪应力的迁移也即是成拱过程变得更加依托拱脚强度与承载特性的支持，本文认为土拱与桩侧土拱的形成与发展是同时发展同时消失，并且取决于倾角大小，产生双拱协同作用，即桩后与桩间土体发生无间隙压实契的成拱作用。类比贾海莉[6]（2003）的双拱重合理论，本文认为，由于桩尺寸的变化，抗滑桩桩后与桩侧作为土拱拱脚发挥支座反力发挥作用时会有不同占比，从理论计算的角度采取双拱协同作用的传力机制也将更为合理，即双拱在梯形抗滑桩的截面特性上会产生一个闭合的桩后与桩侧双拱，两者同时承担桩后滑坡推力。

本文基于三维边坡下的推桩模型，通过设置合理桩间距，开展了不同梯形桩侧倾角下悬臂式抗滑桩的土拱效应变化研究的数值模拟试验，并深入分析水平截面下应力变化规律，以期为梯形抗滑桩的设计提供一定的依据。

1 模型的建立及参数的选取

通过Ansys-Workbench 对三维边坡与梯形抗滑桩模型进行建模，采用FLAC-3d 有限元分析软件进行推桩数值模拟试验。并以FLAC-3d 有限元分软件，通过接触面语句，建立了桩土接触面，结合推力的特征水平截面z=23 上的x 方向应力云图与位移云图，综合分析探究了梯形抗滑桩截面尺寸对于土拱效应拱高的影响性，得出了梯形抗滑桩合理的上下底比值区间，并指出在此比值区间内，双拱协同传力机制形成。

图2 时模型网格划分及桩土分组示意图

采取Mohr-Coulomb 弹塑性破坏模型，桩土接触面采取摩尔库伦滑动模型。岩土体以及混凝土抗滑桩参数选取如表1 所示，接触面参数选取如表3 所示，抗滑桩截面尺寸如表3。模型下部采取固定约束条件，容差选取（-0.1,0.1）；X，Y 前后边界方向均采取固定约束，容差选取（-0.1,0.1）；模型上部为自由边界。

表1 岩土体及抗滑桩物理力学参数

表2 桩土接触面参数设置表

表3 抗滑桩截面尺寸布置表

2 不同截面上下底比值下x 方向应力云图分析

由于，本次推桩模拟基于边坡环境，水平土拱占决定性因素，故取桩土模型z=23m 水平切面为特征观察面进行分析。

图3 组1 下x 方向应力云图

图4 组2 下x 方向应力云图

图6 组4 下x 方向应力云图

图7 组5下x 方向应力云图

以上五组模拟实验均为推桩稳定后状态，由组1 到组2 可见，组1 中x 方向应力云图显示，土拱区高度较高，由网格长度测量约为8m，应力等值线区域完全分布于桩间，且不完全覆盖桩侧部分，桩侧土拱较为发育，未见桩背土拱发育；此外，桩背土体压应力相比于桩间应力等值区前土体压应力相差较大，桩侧压应力集中，且与桩体压应力完全等值重合，并达到峰值，证明该种截面比例导致桩间土完全依赖桩侧部分抵抗桩后及桩间土体推力，桩间土在进行压实作用时完全依赖桩侧部分提供，此时桩侧部分的摩擦阻力对于土拱成型占决定性影响。组2 中x 方向应力云图显示桩间土拱形成，且拱高相较于组1 下降，约为5.5m，且桩间应力等值区完全覆盖桩侧部分，此外，桩后部分应力等值区开始形成，相较于组1，组2 的截面比例在促成桩间土体成拱的同时，充分利用了桩侧的反力面，桩间应力等值区压应力峰值相较组1 下降，说明桩间土体压实契紧的成拱过程中，不仅桩侧而部分提供反力约束，且桩背提供的反力约束分担了桩后推力，可见桩背土拱应力等值区峰值与桩间土拱应力等值区峰值差值仍较大且，桩后未见明显的拱式应力等值区出现。说明，该截面比例桩型下，双土拱并未形成。组3 中x 方向应力云图显示桩间土拱相较于组2 拱高基本一致，约5m，显而易见的是，桩背压应力集中显著且为压应力最大值，桩侧面次之，，此外，桩间应力等值区拱形分布明显，桩侧接触面处压应力保持一致，特别指出的是，此时，桩背拱形应力等值区开始形成，但并未贯穿，且各等值区压应力差值较小，说明此种截面比例下，桩背与桩侧作为反力支座有效促进了桩间土体与桩背后土体的成拱，并使之开始同时契紧形成土拱，双拱协同作用开始发育，与此用时，参照组4 中x 方向应力云图可见此时，桩背土拱完全消失，且桩间拱形应力等值区最大高度相较组3 陡然增大，但桩背压应力却相较于桩背拱形应力等值区较小，分析可得，此截面比例下，但由于截面上下底比值增大，截面侧面倾角增大的同时，相当于桩间净距增加，导致，桩间土体开始完全依赖桩侧部分提供反力支持，结合组5 中x 方向应力云图易见，随着截面上下底比值增大，桩间土体从上至下，压应力陡然提升，抗滑桩侧及桩背压应力却急剧下降，侧面说明此时双拱协同作用已经消失。结合五组模拟实验结果，可以类推，从截面上下底比值从0.3 至0.85 的过程中，0.3-0.4 比值区间中，随着比值增大，桩间土拱会逐渐发育并增强，桩背土拱未出现，桩背相较于桩侧部分作用较小，0.4-0.5 比值区间中，随着比值增大，桩间土拱效应进一步增强，且伴随桩背土拱的产生，双拱开始形成并会逐渐形成重合的拱形应力等值区。过0.5 比值继续增大后，梯形截面会无限接近上下底相等的矩形桩截面，此过程同时等效于桩间距增大，桩背开始逐渐丧失土拱形成的反力约束作用。综上所述，参照该（1.5：2：x）形式的梯形抗滑桩截面布设比例的模拟实验结果，梯形抗滑桩上下底比例控制在0.5-0.65之间较为合理，在此截面上下底比例区间内，抗滑桩更能充分发挥桩背与桩侧两部分作为反力约束作用，并促进土体形成双拱协同作用的土拱效应模式。