抗滑樁寬度對樁間土拱承載能力的影響

抗滑樁寬度對樁間土拱承載能力的影響

0樁間土拱設(shè)計在山地公路和鐵路的建設(shè)中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，形成了大量的高山邊坡和高邊坡工程，日益多地使用了抗滑樁作為支撐結(jié)構(gòu)?？够瑯兜脑O(shè)計理念是采用非連續(xù)結(jié)構(gòu),利用土體自身強(qiáng)度形成的拱效應(yīng)將樁間土體的下滑推力傳遞到樁身來達(dá)到支擋的目的。在設(shè)計時,首先考慮樁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和土體下滑推力平衡,在此基礎(chǔ)上對樁截面尺寸及樁間距進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到技術(shù)方面可行、經(jīng)濟(jì)方面合理的目的。對于樁間土拱效應(yīng)的機(jī)理及影響因素,目前還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。樁間土拱的穩(wěn)定性,直接影響到抗滑樁設(shè)計的成敗,而在實際設(shè)計工作中對于合理樁間距的設(shè)計還停留于依靠經(jīng)驗的階段,沒有成熟的理論方法可供指導(dǎo)。樁間土拱屬于水平拱,從平面問題的角度考慮,其穩(wěn)定性與樁間距、滑體強(qiáng)度參數(shù)、滑體的剩余下滑力、樁的截面尺寸、樁土摩擦系數(shù)等有關(guān)系。從文獻(xiàn)資料檢索來看,樁寬度對于樁間土拱穩(wěn)定性的影響,幾乎沒有做系統(tǒng)的研究。本文首次通過離心模型試驗和數(shù)值模擬方法,對樁寬度對樁間土拱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究,對于抗滑樁設(shè)計具有一定的理論指導(dǎo)意義。1樁間土拱拱腳說對于樁截面尺寸對樁間土拱的影響,主要存在兩種觀點:一種觀點認(rèn)為樁間土拱拱腳由樁側(cè)與土體之間的存在的摩擦阻力提供,由此假定拱厚與樁側(cè)寬度相等,并導(dǎo)出極限狀態(tài)下樁間距與樁側(cè)寬度成正比的關(guān)系;另一種觀點認(rèn)為樁間土拱拱腳由樁本身強(qiáng)度提供,由此假定拱厚與樁寬度相等,并導(dǎo)出極限狀態(tài)下樁間距與樁寬度成正比的關(guān)系。對于樁間土拱的拱腳問題,還有第三種觀點,即認(rèn)為樁間土拱拱腳是由樁本身強(qiáng)度和樁側(cè)與土體的摩擦力同時提供的,這種觀點可能與實際情況是最相符合的,因為只要樁側(cè)土體發(fā)生位移,就應(yīng)該會產(chǎn)生摩擦阻力,但兩者中誰是起主導(dǎo)作用的呢?若考慮極限情況,且不考慮樁本身的強(qiáng)度問題,即:①假定樁側(cè)寬度不變而樁寬度減小到可忽略不計的程度,則此時樁間土拱的拱腳只能由樁側(cè)摩阻力提供,其拱腳即所謂的“摩擦拱腳”,類似與“糧倉現(xiàn)象”谷粒與倉壁之間的摩擦力形成的拱腳;②假定樁寬度不變而樁側(cè)寬度減小到可忽略不計的程度,則此時樁間土拱的拱腳只能由樁本身提供,其拱腳可稱之為“直接拱腳”,系支護(hù)結(jié)構(gòu)本身發(fā)揮其抗彎或抗壓性能形成的拱腳。顯而易見,兩種拱腳形式在抗滑樁實際應(yīng)用中都是存在的,那么僅以摩擦拱腳作為計算條件顯然是不合理的。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,實際上兩種拱腳形式最先發(fā)揮作用的應(yīng)該是直接拱腳,因為土體單元發(fā)生不均勻位移產(chǎn)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移從樁后較遠(yuǎn)距離處就已經(jīng)開始了,此部分轉(zhuǎn)移的應(yīng)力是由樁結(jié)構(gòu)本身直接承擔(dān)的,而真正傳遞到樁側(cè)并由其摩阻力提供平衡的土壓力已經(jīng)很小。因此,筆者認(rèn)為,樁間土拱的應(yīng)力主要應(yīng)該是前文所述的“直接拱腳”所承擔(dān)的?；谝陨嫌^點,本文僅對樁寬度和樁間凈距對樁間土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行研究。2樁間土拱作用試驗結(jié)果一般的觀點認(rèn)為,樁間土體形成土拱的厚度跟樁的寬度有關(guān)系。顯然,若只考慮樁間土體,假定土體強(qiáng)度參數(shù)及樁間凈距相同,則樁寬度對土拱的影響主要體現(xiàn)為對拱腳的影響。本文采用離心模型對此做了一組對比試驗,離心模型由基巖、滑體和抗滑樁組成,試驗在長600mm、寬400mm、高400mm的模型箱中一次完成,一側(cè)采用32mm樁寬,一側(cè)采用16mm樁寬,樁間凈距均為10cm,模型如圖1所示(關(guān)于樁間土拱效應(yīng)離心模型試驗的詳細(xì)情況另文探討)。離心加速度加到40g時,試驗現(xiàn)象如圖2所示。觀察試驗現(xiàn)象,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)樁凈間距相同時,樁的寬度對土拱的形狀及拱矢高度幾乎沒有太大的影響,但對拱腳的穩(wěn)定性有一定的影響。16mm樁的樁后土體出現(xiàn)拉裂縫而32mm樁的樁后土體仍然保持完整性。由此可定性的判斷,樁的寬度越大,對土拱拱腳的穩(wěn)定性越有利。3樁間土拱與樁間土拱的相互作用在離心模型試驗中,能夠直觀的看到樁寬對樁間土拱穩(wěn)定性的影響,但限于實驗條件,只能作出定性的描述,尚無法定量分析。本文采用顯式有限差分法模擬樁土的相互作用,并研究樁寬對樁間土拱的影響,得到樁間土拱承載能力與樁寬度的定量關(guān)系曲線。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始采用數(shù)值模擬方法來研究抗滑樁間土拱效應(yīng)機(jī)理[13,14,15,16,17,18,19],但根據(jù)文獻(xiàn)資料檢索,基本上還沒有對樁寬度對樁間土拱影響進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。3.1抗滑樁樁間土拱分析與離心模型試驗相似,數(shù)值模擬計算模型由滑體、基巖和抗滑樁組成;其中滑體7.5cm的等厚度,滑面傾角為近45°,土體黏聚力取為30kPa,內(nèi)摩擦角取為25°;滑體和滑床之間的交界面設(shè)置滑面,其黏聚力為9kPa,內(nèi)摩擦角取為6°;抗滑樁寬度與樁間距可根據(jù)試驗方案進(jìn)行調(diào)整,如圖3所示?？够瑯稑堕g土拱是一種水平拱,可以簡化為平面問題進(jìn)行研究。為便于觀察和分析,在滑體中選取與滑面平行的深度為2mm處的平面作為分析研究對象。為了定量的分析樁寬度對樁間土拱的影響,制定了兩類共12組試驗,第一類試驗是樁間凈距保持不變,改變樁寬度,第二類試驗是保持樁間凈距與樁寬度的比例不變,即同時改變樁寬度和樁間凈距,方案如表1所示。3.2拱發(fā)生破壞標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)離心模型試驗的加載方法,數(shù)值模擬采用逐級增加重力加速度直到土拱發(fā)生破壞為止。加載時監(jiān)測樁間土體中心截面處的位移,在某一級荷載若監(jiān)測點處位移能最終保持不變即視此時樁間土拱是穩(wěn)定的,若監(jiān)測點的位移在荷載不增加的情況下反而持續(xù)增加,則判定土拱失穩(wěn),如圖4所示。3.3土拱破壞之前抗滑樁承載能力分析樁間凈距保持10cm不變,樁寬度由2cm增大到15cm,即表1中第1~6組試驗。定義土拱承載能力為研究平面內(nèi)土體單元傳遞到抗滑樁處的應(yīng)力大小,按照前述的土拱破壞判斷準(zhǔn)則,在其它參數(shù)不變的情況下得到不同樁寬度土拱破壞之前的承載能力,其結(jié)果如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)繪制成土拱承載能力與樁間凈距的關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,總的趨勢是隨樁寬度的增加,樁間土拱承載能力上升,但上升的斜率逐漸變緩,說明隨著樁寬度的變大,樁寬度的增加對樁間土拱承載能力的影響越來越小。3.4樁寬度與土拱承載能力有學(xué)者以樁間距與樁寬度的比值作為指標(biāo)來衡量樁間土拱的穩(wěn)定性,認(rèn)為減小樁間凈距與增大樁寬度對于樁間土拱的承載能力而言是等效的。本文試對此進(jìn)行數(shù)值模擬驗證。保持樁間凈距與樁寬度的比值不變,樁寬度由5cm增大到10cm,即表1中第7~12組試驗。按照前述破壞準(zhǔn)則,在其它參數(shù)不變的情況下得到不同樁寬度土拱破壞之前的承載能力,其結(jié)果如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)繪制成土拱承載能力與樁間凈距的關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,總的趨勢是隨樁寬度及樁間凈距的增加,樁間土拱承載能力下降,且下降的斜率逐漸變陡,說明樁間凈距對樁間土拱承載能力起著控制作用,即使樁間凈距與樁寬度的比值不變,但增加樁寬度對土拱承載能力的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不及增加樁間凈距對土拱承載能力的削弱作用。3.5樁寬度對樁后應(yīng)力的影響根據(jù)前面的討論,當(dāng)樁寬度達(dá)到一定程度時,再增加樁寬度對樁間土拱承載能力的貢獻(xiàn)甚微。顯然,從經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性的角度出發(fā),存在一個合理的樁寬度范圍,試從不同樁寬樁后應(yīng)力分布對此進(jìn)行討論。將不同樁寬度樁后截面X方向應(yīng)力分布云圖進(jìn)行對比分析(如圖7所示),可以看到,樁后X方向應(yīng)力隨樁寬度增加,平均應(yīng)力值減小,但分布不均勻性增加,應(yīng)力較大的區(qū)域集中在靠近樁間一側(cè)。因此,樁間土拱的拱腳寬度并非完全隨樁寬度的增加而成比例的增加,樁間土拱的拱腳區(qū)域集中在一個有限范圍內(nèi)。4樁間土拱承載能力的影響(1)根據(jù)離心模型試驗現(xiàn)象,可以定性地得到樁寬度對樁間土拱形狀及矢高沒有太大的影響,但對拱腳的穩(wěn)定性有較大的影響。(2)數(shù)值模擬研究表明:在樁間凈距保持不變的情況下,樁間土拱的承載能力隨樁寬度的增加而逐漸增加,但上升的斜率逐漸減小,說明隨著樁寬度變大,樁寬度的增加對樁間土拱承載能力的影響越來越小。(3)數(shù)值模擬研究表明:在樁間凈距與樁寬度比值保持不變的情況下,樁間土拱的承載能力隨樁寬度的增加反而降低,且下降的斜率逐漸變陡,說明樁間凈距對樁間土拱承載能力起著控制作用,增加樁寬度對土拱承載能力的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不及增加樁間凈距對土拱承載能力的削弱作用。(4)從不同樁寬度樁后X方向應(yīng)力分布的情況分析表明:樁后X方向應(yīng)力分布隨樁寬度的增加其應(yīng)力平均值減小,但分布的不均勻性增加;樁間土拱拱腳區(qū)域集中在一個有限的范圍內(nèi),并非完全隨樁寬度的