不同桩型双排抗滑桩土拱效应数值分析

申 龙

(中国电建集团河北工程有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引 言

双排抗滑桩普遍应用于我国边坡支护工程中，由前、后排桩组成的整体与周围土体共同作用分担滑坡推力，土拱效应影响着抗滑桩的支挡效果，土拱效应最初由Terzaghi于活动门试验中证实并为之命名[1]，随许多学者对抗滑桩的土拱效应进行了深入研究.肖广平等[2]通过对土拱效应进行了多因素分析，发现桩周土体的内摩擦角和黏聚力与土拱效应成正相关；张永兴等[3]通过模型试验对悬臂式抗滑桩土拱效应进行分析，探讨了桩间直接土拱和间接土拱的作用程度和范围；赵鑫等[4]对土拱效应的发展特征进行了分析，发现不同埋深下的土拱效应不同；王诚等[5]基于法向应力突变对抗滑桩的土拱效应机理进行研究；吴昌将等[6]研究了群桩的间距和排距变化对抗滑桩土拱效应的影响；刘金龙等[7]对不同布置形式的双排抗滑桩土拱效应进行了研究，认为梅花型布置要由于平行布置；赵波等[8]通过单因素分析法分析了双排抗滑桩土拱效应的影响因素；王羽等[9]分析了双排桩的多层土拱效应，并推导了土拱极限承载力的理论计算.由于土拱效应的复杂性，对土拱效应的相关研究仍处于起步阶段.为此，本文采用FLAC3D建立数值模型的方法，对方桩和圆桩两种常用的双排抗滑桩形式的前排桩后土拱效应发展变化特征开展研究.

1 计算模型的建立

为研究不同桩型的双排抗滑桩土拱效应的变化情况，建立如图1所示的两种数值模型.模型x方向长30m，宽y方向12 m，桩间距和桩排距均为3倍桩间距，其中方桩为2 m×2 m，圆桩为直径2 m.抗滑桩采用实体单元模拟，抗滑桩与桩周土体接触面建立接触单元，土体采用Mohr-Coulomb屈服准则，材料参数见表1.模型四周边界施加位移约束，水平应力施加时，将土体加载边界解除位移约束，水平应力荷载q=100 kPa.

图1 数值计算模型

表1 材料性质参数

2 土拱效应情况分析

2.1 双排桩土拱的形成

如图2所示为两种不同桩型双排抗滑桩土拱发展形式，从图中清晰的看到桩周土体中土拱的存在，方桩和圆桩双排抗滑桩都存在双层土拱，方桩桩前的应力集中现象要大于圆桩，且方桩的摩擦拱相较于圆桩更加明显，而圆桩的土拱显得更加规则；方桩相较于圆桩对桩后推力的遮拦效果要更好，在前排桩形成的土拱没有圆桩的前排桩间土拱明显.

图2 双排桩x向土拱应力云图

土拱效应的作用机理为滑坡推力通过土体介质传递，最先作用于后排抗滑桩桩，由于土体与桩发生相对位移，土体内应力发生应力重分布，以后排桩作为拱脚，将滑坡推力方向的水平推力转化为拱脚的轴力.后排桩抵挡了大部分滑坡推力，部分推力经桩间土体向前继续传递和后排桩变形产生的应力共同在前排桩前形成土拱，这样双排桩系统就形成了双层土拱，能更有效的分担滑坡推力.

2.2 双排桩土拱位移分析

由双排桩桩后土体位移可以看出抗滑桩的受力情况，如图3所示分别为方型抗滑桩和圆型抗滑桩前后桩桩后2 m土体位移变化曲线图.

前排桩桩后土体位移 后排桩桩后土体位移

由图可以发现，抗滑桩桩身周围土体位移量小，桩间中轴线处的位移量最大，且由于后排桩的遮拦效应，使前后排桩桩后土体位移量不同，后排桩桩后土体位移量大于前排桩桩后土体位移量.方型抗滑桩前后排桩桩间中轴线处的土体最大位移量分别为5.79 mm和41.9 mm，而前后排桩桩身轴线对应的土体位移量分别为3.21 mm和35.5 mm，圆型抗滑桩前后排桩桩间中轴线处的土体最大位移量分别为9.33 mm和49.5 mm，而前后排桩桩身轴线对应的土体位移量分别为5.88 mm和43.8 mm.对比方型和圆型抗滑桩的桩后土体位移可以得知，不论是前排桩、后排桩的桩后土体位移，方型桩均小于圆型桩，方型抗滑桩对土体位移的阻碍作用大于圆型抗滑桩.

2.3 双排桩土拱法向应力分析

部分学者提出可以利用土拱的法向应力来判断土拱效应，该方法以分析抗滑桩桩间土拱拱顶法向应力的变化情况为主，由于土拱效应使桩间中轴线上土体发生挤压变形，则法向应力发生突变.

图4双排抗滑桩桩间中轴线y向应力分布图，由图可知，双排抗滑桩存在两个土拱应力突变，分别位于前排桩和后排桩的桩间及桩后数米范围内.在前排桩及后排桩桩后2 m范围内的法向应力变化不大，但由于桩周土体的挤压使土体应力发生突变使y向应力增大，出现急剧增加的变化趋势，后排桩桩后σy随着距离增加，土拱效应减弱而逐渐减小.总体来看，方型抗滑桩和圆型抗滑桩的法向应力突变规律相似，但也存在差别：对比方型桩和圆型桩可以发现，方型桩后排桩处的法向应力大于圆型桩后排桩处的法向应力，而方型桩前排桩处的法向应力小于圆型桩前排桩处的法向应力.分析认为，方型桩对桩后推力的遮拦效应更好，后排桩将承担更多的推力，使传递至前排桩的推力较小，因此，后排桩处的σy更大，前排桩处的σy更小，而圆型桩对推力的遮拦效果较弱，使传递至前排桩的推力较大，因此，圆型桩前排桩处的σy更大，后排桩处的更小.

图4 桩间中轴线σy分布曲线

2.4 双排桩土拱切向应力分析

图5、图6分别为方型抗滑桩和圆型抗滑桩的前后桩不同剖面上σx的变化情况，由图可知，后排桩所受x向应力明显大于前排桩受力，且方型和圆型抗滑桩的受力稍有不同.方型抗滑桩的后排桩最大x向应力出现在桩后轴线上，桩后1 m、2 m、3 m处对应的最大应力值分别为117 kPa、109 kPa、105 kPa，距桩越近值越大，而桩间中轴线处的x向应力在桩后1 m、2 m、3 m处对应的最大应力值分别为89 kPa、93 kPa、96 kPa，即距桩越远值越大；方桩前排桩的桩后轴线上的x向应力在1 m、2 m、3 m处分别为21 kPa、19 kPa、16 kPa，随距桩距的增大而减小，而桩间中轴线x向应力值在1 m、2 m、3 m处分别为19 kPa、22 kPa、24 kPa，随距桩距的增加而增加，分析认为由于前后排桩的排距较小，土拱效应在后排桩桩前出现拖曳现象，造成前排桩桩后x向应力较大.圆型抗滑桩后排桩不同剖面的x向应力变化曲线与方型桩类似，最大值出现在桩后轴线上，桩后1 m、2 m、3 m处对应的最大应力值分别为115 kPa、108 kPa、104 kPa，距桩越近值越大，而桩间中轴线上在桩后1 m、2 m、3 m处对应的最大应力值分别为90 kPa、94 kPa、96 kPa，距桩越远值越大；圆桩前排桩桩间中轴线上桩后不同剖面处的x向应力值差距不大，在1 m、2 m、3 m处分别为26 kPa、30 kPa、33 kPa，随距桩距的增加而增加.对比两种桩型的桩后x向应力变化可知，就后排桩而言，方桩的受力大于圆桩，就前排桩而言，圆桩的受力要大于方桩.

后排桩x向应力变化曲线 前排桩x向应力变化曲线

后排桩x向应力变化曲线 前排桩x向应力变化曲线

综上所述，土拱效应普遍出现在双排抗滑桩结构中，并起到调节前后排桩之间受力变化的作用.通过对比分析方型抗滑桩和圆型抗滑桩的土拱效应，深入了解了两种桩型在桩土相互作用的机理，可以知道，方型桩抵抗桩周土体变形的影响更大，土拱效应更加明显，后排桩对前排桩的遮拦效应突出，而圆型后排桩的遮拦效应较弱，但使前后排桩的受力更加均衡.

3 结 论

本文通过采用FLAC3D建立数值模型的方法，对双排抗滑桩的两种桩型—方型桩和圆型桩的土拱效应进行了模拟分析，并得到了一下结论：

(1)土拱效应将桩后土体应力进行重分布，并转移至抗滑桩上，在设置双排桩的情况下，后排桩的土拱效应比前排桩更加明显，后排桩承担更多的推力；双排抗滑桩会产生双层土拱效应，在后排桩先形成土拱，后再前排桩形成土拱.

(2)通过分析方型和圆型双排抗滑桩的前、后排桩桩后土体位移量的变化和σx、σy的应力变化曲线，可间接了解两种抗滑桩中土拱效应的发展变化过程.分析可知，方型桩的桩后位移小于圆型桩的桩后位移；方型桩的法向应力突变在后排桩处大于圆型桩，在前排桩处小于圆型桩；由切向应力变化情况可知，方型桩的后排桩对前排桩的遮拦效应更好，而圆型双排桩的受力更加均衡.