孔祥營，鄭明新，劉偉宏，董超

（1.華東交通大學 道橋與巖土工程研究所，江西 南昌330013；2.南通紡織職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，江蘇 南通226007）

抗滑樁具有抗滑能力強、樁位靈活、理論和技術(shù)較為成熟等優(yōu)勢，在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用［1］.然而，由于抗滑樁主要通過結(jié)構(gòu)本身的強度抵抗滑坡推力來實現(xiàn)穩(wěn)定滑坡的目的，卻沒有充分調(diào)動坡體巖土體自身的強度.鑒于此，鄭明新等［2］首次提出了圍樁-土耦合式新型抗滑結(jié)構(gòu)，通過充分調(diào)動巖土體自身強度來達到抗滑的目的［3-5］.對于圍樁-土耦合結(jié)構(gòu)，徐典等［3-4］采用模型試驗，主要從應(yīng)力場的變化研究了該新型抗滑結(jié)構(gòu)中圍樁-土的耦合作用，將該抗滑結(jié)構(gòu)等效成一根普通抗滑樁，從而計算其內(nèi)力.本文在以上研究的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件從位移場的變化探討圍樁-土的耦合效應(yīng)，確定合理的平面布置形式，并進一步分析各圍樁的內(nèi)力分布規(guī)律.

1 計算模型

以某中小型規(guī)模的滑坡為例.該滑體主要由粘土夾雜碎石組成，下伏基巖為千枚巖，滑體與基巖之間有軟塑狀砂粘土組成的軟弱夾層.

對問題進行如下簡化分析：1）將滑體、滑帶和滑床作為3種均質(zhì)巖土體分別處理；2）設(shè)樁位置處的滑帶傾角為零，即粗略認為該處滑坡推力為水平方向，故取xy平面上σxx應(yīng)力場進行分析（滑坡縱向為x軸，橫向為y軸，豎向為z軸，且樁位處滑床頂面z＝0）.

考慮對稱性，在坡體橫向上取排樁中的兩根圍樁-土耦合式抗滑結(jié)構(gòu)為研究對象，抗滑結(jié)構(gòu)外側(cè)計算域均取抗滑結(jié)構(gòu)中心距的一半，邊界采用y向約束，前后側(cè)邊界采用x向約束，底面采用z向約束.三維數(shù)值計算模型如圖1所示.

在FLAC3D計算模型中，取圍樁樁長13.2 m，其中受荷段8.2 m（包括貫穿滑體部分8 m和貫穿滑帶部分0.2 m），錨固段5.0 m.對于樁土接觸，采用分段建立接觸面的方式進行處理，包括樁與滑體的接觸面、樁與滑帶的接觸面，以及樁與滑床的接觸面.

圖1 三維數(shù)值分析模型Fig.1 3-D numerical calculation model

計算模型中各巖土物理力學指標依據(jù)室內(nèi)試驗，并結(jié)合工程地質(zhì)手冊［5］確定，如表1所示.表1中：c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；γ為土的容重；G為剪切模量；K為體積模量；滑體、滑帶、滑床的μ值分別為0.25，0.30，0.22.

表1 計算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameters

2 圍樁-土耦合式抗滑結(jié)構(gòu)的平面布置

2.1 平面布置形式的確定

在前人研究的基礎(chǔ)上，初步選定圍樁-土耦合式抗滑結(jié)構(gòu)由5根或6根圍樁（直徑d＝500 mm）組成，圍樁中心距s＝5d，其平面布置角度又各有兩種，如圖2所示.

圖2 圍樁平面布置圖Fig.2 Plan arrangement of surround pile

依據(jù)單位寬度滑體分擔圍樁截面面積相等的原則，在橫向布樁.布置形式A，B下的抗滑結(jié)構(gòu)中心距S1＝5×S2／6，布置形式C，D下的抗滑結(jié)構(gòu)中心距S2＝5d2（d2為正六邊形外接圓的直徑）.不同平面布置形式下圍樁-土的耦合效應(yīng)，如圖3所示.圖3中：S為水平位移；h為滑帶以上樁身截面的高度.

由圖3可以看出：樁內(nèi)中心點處土體的水平位移明顯大于其后側(cè)圍樁的水平位移，變形不連續(xù)、不協(xié)調(diào).這種水平位移的差異直觀的表現(xiàn)就是樁內(nèi)土體與后側(cè)圍樁剝離，從而切斷了后側(cè)圍樁向樁內(nèi)土體傳遞應(yīng)力的途徑，圍樁與樁內(nèi)土體沒能形成耦合.

相對于這3種工況，圖3（d）中樁內(nèi)土體位移更大程度上小于其后側(cè)的1＃圍樁，與同一橫截面的3＃圍樁基本一致，卻大于其前側(cè)的5＃圍樁.這種變形的連續(xù)和協(xié)調(diào)為圍樁與樁內(nèi)土體之間應(yīng)力的傳遞提供了傳遞路徑，從而形成良好的耦合.故選定圍樁的平面布置形式為D布置形式.

圖3 不同平面布置形式下圍樁-土的耦合效應(yīng)Fig.3 Pile-soil coupling effect in different plan arrangement

2.2 圍樁中心距的確定

圍樁中心距越小，則圍樁與土的耦合效果越好，但圍樁對結(jié)構(gòu)中心的截面慣性矩變??；反之，圍樁中心距越大，則圍樁對結(jié)構(gòu)中心的截面慣性矩越大，而圍樁與土的耦合效果變差，整個抗滑結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗剪強度反而會減小.所以，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)平面布置形式應(yīng)該是在保證圍樁-土耦合作用的前提下盡可能地增大圍樁中心距，同時，圍樁中心距增大也有利于施工時成孔的安全與質(zhì)量.

圍樁中心距（s）選取3d，4d，5d，6d，如圖4所示.其中：s＝5d即為布置形式D.依據(jù)單位寬度滑體分擔圍樁截面面積相等的原則，在橫向布樁，耦合式抗滑結(jié)構(gòu)中心距均取S＝25 m，結(jié)果如圖5所示.圍樁中心距對樁間中心土體位移的影響，如圖6所示.

由圖5，6可知：圍樁中心距等于3d，4d，5d時，圍樁-土耦合式抗滑結(jié)構(gòu)的直徑逐漸增大，而抗滑結(jié)構(gòu)中心距不變，樁后及樁間土體受耦合式抗滑結(jié)構(gòu)的約束增強，故樁間土體位移減小，要想進一步減小樁間土體位移，就需要減小樁間距，勢必增加單位寬度滑體內(nèi)抗滑結(jié)構(gòu)的工程量；當圍樁中心距增加到6d時，由于圍樁-土耦合效應(yīng)明顯減弱，圍樁與樁內(nèi)土體沒能良好地耦合為一個整體共同受力，導致圍樁對樁后及樁間土體約束力的削弱，故樁間土體水平位移較s＝5d時大.

圖4 不同圍樁中心距下的圍樁平面圖Fig.4 Plan arrangement of surround pile

圖5 不同圍樁中心距下圍樁-土的耦合效果Fig.5 Pile-soil coupling effect in different pile space

根據(jù)以上計算和分析，選定圍樁中心距s＝5d.即最終確定圍樁的平面布置為形式D，且圍樁中心距為5d.

3 圍樁內(nèi)力的分布

3.1 樁身彎矩的分布

樁身彎矩的分布如圖7所示.由圖7可知：各圍樁樁身彎矩總體的分布規(guī)律基本保持一致，只是在樁頂位置由于受到冠梁的約束作用而略有差異.

在受荷段，由于樁頂冠梁的剛性約束作用，1＃圍樁頂出現(xiàn)正彎矩（M），3＃和5＃圍樁頂為負彎矩.當樁身高度（z）為3.5 m，即自樁頂起受荷段長度55%附近，各圍樁負彎矩達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約20%.當z為1～2 m即自樁頂起受荷段長度80%附近，各圍樁出現(xiàn)零彎矩.之后，彎矩值迅速增大.進入錨固段后，樁身彎矩值先略有增大，后迅速減小.在錨固段頂面略靠下的位置，正彎矩達到峰值，且其值遠大于受荷段的負彎矩峰值，故該處彎矩控制著圍樁的截面設(shè)計，彎矩值按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約8%.

圖6 圍樁中心距對樁間中心土體位移的影響Fig.6 Effect of surround pile center distance to soil displacement

3.2 樁身剪力的分布

樁身剪力的分布如圖8所示.由圖8可以看出：各圍樁樁身剪力（F）總體的分布規(guī)律基本保持一致，只是在樁頂位置由于受到冠梁的約束作用而略有差異.

圖7 樁身彎矩Fig.7 Bending moment along surround pile

圖8 樁身剪力 Fig.8 Shear force along surround pile

在受荷段，由于樁頂冠梁的約束作用，1＃圍樁頂剪力值為負，而3＃圍樁頂剪力值接近于零，5＃圍樁頂剪力值為正.當z＝5.2 m，即自樁頂起受荷段長度37%處，各圍樁負剪力達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減19%，13%.當z＝3.5 m，即自樁頂起受荷段長度55%附近處，各圍樁出現(xiàn)零剪力.當z＝0.2 m，即滑體與滑帶的交界處，正剪力達到峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減約14%.進入錨固段后，在滑床巖土體的抗力作用下，樁身剪力迅速減小.在錨固段頂面略靠下的位置，各圍樁出現(xiàn)零剪力.在滑床頂面以下1.2 m即錨固段長度25%處，各圍樁出現(xiàn)負剪力峰值，且按照1＃，3＃，5＃圍樁的順序依次遞減，遞減幅度均不超過5%.

圖9 樁身軸力Fig.9 Shaft-load of surround pile

3.3 樁身軸力的分布

樁身軸力的分布如圖9所示.由圖9可以看出：圍樁樁身軸力分布有明顯差異，1＃，3＃圍樁受拉，5＃圍樁受壓.

在受荷段，隨著樁身深度的增加，1＃，5＃圍樁軸力逐漸增加，而3＃圍樁逐漸減小，但總體變化幅度較為緩慢.進入錨固段后，各圍樁軸力發(fā)生急劇變化.其中1＃，3＃圍樁軸力大幅度增加，在滑床頂面以下1 m左右即錨固段長度20%處，樁身軸力達到最大值.之后，剪力值減小，直至樁底剪力值接近于零.

4 結(jié)論

采用FLAC3D對圍樁-土耦合式新型抗滑結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，主要得出以下3點主要結(jié)論.

1）圍樁中心距越小，圍樁-土的耦合效應(yīng)越強，但考慮到整個抗滑結(jié)構(gòu)的剛度因素，依據(jù)抗滑效果最終確定圍樁的平面布置，即6根圍樁，呈正六邊形布置（前、后兩條邊均垂直于滑坡推力方向），圍樁中心距s＝5d.

2）各圍樁樁身彎矩的分布基本保持一致，在錨固段頂面略靠下的位置，正彎矩達到峰值，控制著圍樁的截面設(shè)計；各圍樁樁身剪力的分布基本保持一致，滑體與滑帶交界處，正剪力達到峰值，控制著圍樁的截面設(shè)計.

3）圍樁樁身軸力的分布有明顯差異，1＃，3＃圍樁受拉，5＃圍樁受壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計時須滿足1＃圍樁錨固段的抗拔要求，5＃圍樁的壓桿穩(wěn)定要求.

［1］ 王恭先.中國鐵路滑坡災(zāi)害及其防治研究［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，1996，7（1）：6-9.

［2］ 李培植.微樁-土耦合式抗滑結(jié)構(gòu)計算方法研究［D］.南昌：華東交通大學，2007：10-11.

［3］ 徐典.耦合式抗滑結(jié)構(gòu)模型試驗及設(shè)計方法研究［D］.南昌：華東交通大學，2008：54-55.

［4］ 劉偉宏，鄭明新，王虹，等.單個圍樁-土耦合抗滑結(jié)構(gòu)的土壓力試驗分析［J］.河北農(nóng)業(yè)大學學報，2012，35（1）：89-93.

［5］ 張有良.最新工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國知識出版社，2006：336-467.