劉天韻，諸葛愛(ài)軍，喻志發(fā)

(1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，天津 300222)

對(duì)有樁的岸坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定不宜計(jì)入樁的抗滑作用，這是考慮到工程樁基不能發(fā)生過(guò)大變形，樁基不宜提供抵抗土坡滑動(dòng)的抗滑力。但對(duì)于一些特殊情況，如舊碼頭拆除后的留存樁基，不再作為新建碼頭工程樁基，在經(jīng)檢測(cè)其具有良好力學(xué)性能和耐久性的情況下，可以在岸坡穩(wěn)定計(jì)算中考慮留存樁基的抗滑作用。魏汝龍等[2]利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，對(duì)基樁碼頭與岸坡相互作用進(jìn)行研究；王年香[3]提出一種樁-岸坡穩(wěn)定的簡(jiǎn)化計(jì)算方法；廖雄華等[4]對(duì)天津港高樁碼頭樁基-岸坡土體相互作用的平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行二維數(shù)值分析，揭示港口碼頭工程樁坡體系相互作用的規(guī)律；周錫礽等[5]針對(duì)高樁碼頭邊坡穩(wěn)定，考慮樁-土相互作用，提出一種修正樁基抗滑效應(yīng)的邊坡整體穩(wěn)定的計(jì)算方法；喬保娟等[6]利用三維有限元模型對(duì)比天然岸坡和帶樁岸坡，結(jié)果表明樁基的存在對(duì)岸坡穩(wěn)定起到了積極作用；祝振宇等[7]建立高樁碼頭與岸坡相互作用的彈塑性有限元模型，分析樁基-岸坡體系的作用機(jī)理；唐豐禮等[8]采用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行有限元樁-土計(jì)算，得出樁基結(jié)構(gòu)對(duì)原有岸坡結(jié)構(gòu)的遮簾作用。現(xiàn)有的研究表明，樁基確實(shí)能夠提高岸坡的穩(wěn)定性，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值模擬，分析樁距、樁邊長(zhǎng)、樁長(zhǎng)等參數(shù)的變化對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響程度，闡明樁基影響岸坡穩(wěn)定狀態(tài)的作用機(jī)理，為原址重建岸坡穩(wěn)定計(jì)算中考慮舊碼頭留存樁基的作用提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型的建立

本文模擬岸坡中存在一排等間距樁基的情況，為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬工作量，根據(jù)對(duì)稱原理，選取一根樁及兩側(cè)到相鄰兩樁中間的土體為計(jì)算模型，坡面坡度1:1，樁位于坡面中間，樁頂自由，土體上部為滑動(dòng)土層，下部為嵌固土層，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

1.2 采用的單元和參數(shù)

本文使用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體等參單元solid65模擬樁身混凝土，20節(jié)點(diǎn)實(shí)體等參單元solid95模擬邊坡巖土體。ANSYS軟件中采用摩爾-庫(kù)侖不等角六邊形外接圓，即經(jīng)典的德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則。在ANSYS中DP模型有3個(gè)力學(xué)參數(shù)控制分別為黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和膨脹角ψ，膨脹角用來(lái)控制體積膨脹的大小。分析模型中樁基和土體采用的密度及本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

表1 模型選取的參數(shù)

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬內(nèi)容

2.1 不同樁間距

采用方形樁，邊長(zhǎng)1.0 m，樁長(zhǎng)25 m，其中嵌固深度5 m，坡頂均布荷載20 kPa，分別模擬樁間距為4、5、6、7、8、9、10 m的情況，為了便于分析，將土體位移分布圖復(fù)制拼接，如圖3所示。以兩樁中間A點(diǎn)為例，繪制A點(diǎn)處土體位移值隨樁間距變化的曲線，如圖4所示。

從圖3可看出，隨著樁間距的減小，樁對(duì)樁間土體的位移約束越大，土體變形越小;當(dāng)樁間距4 m時(shí)，樁前(坡頂方向)土體已經(jīng)完全被約束住。從圖4可看出，樁間距小于8 m后，A點(diǎn)處土體位移值發(fā)生突然降低，其后隨著樁間距的減小，A點(diǎn)處土體位移值變化很小，說(shuō)明對(duì)于特定的土體，當(dāng)樁間距小于一定數(shù)值時(shí)，單純縮短樁間距對(duì)提高土坡穩(wěn)定的作用效果不大。

圖4 A點(diǎn)處土體位移值隨樁間距變化曲線

2.2 不同樁邊長(zhǎng)

其他參數(shù)與2.1節(jié)相同，固定樁間距為8 m，分別模擬樁邊長(zhǎng)為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 m的情況，如圖5所示。對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)處土體位移值隨樁邊長(zhǎng)變化的曲線，如圖6所示。

圖5 不同樁邊長(zhǎng)時(shí)的岸坡土體位移分布

圖6 A點(diǎn)處土體位移值隨樁邊長(zhǎng)變化曲線

從圖5可看出，當(dāng)樁徑小于1.0 m時(shí)，由于樁邊長(zhǎng)過(guò)小，樁的抗彎剛度不足以抵抗土體變形，樁對(duì)土體的變形幾乎沒(méi)有影響；隨著樁邊長(zhǎng)不斷增大，樁的抗彎剛度增大，樁對(duì)土的變形影響也越大。從圖6可看出，樁邊長(zhǎng)超過(guò)1 m后，A點(diǎn)處土體位移值發(fā)生突然降低，其后隨著樁邊長(zhǎng)的增大，A點(diǎn)處土體位移值變化很小，說(shuō)明對(duì)于特定的土體，當(dāng)樁邊長(zhǎng)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，單純?cè)黾訕兜倪呴L(zhǎng)對(duì)提高土坡穩(wěn)定的作用效果不大。

2.3 不同樁長(zhǎng)

采用方形樁，間距8.0 m、樁徑1 m。根據(jù)圖3e)和圖4，此時(shí)的岸坡位移處于界限狀態(tài)，分別模擬樁長(zhǎng)為25、27、29、31 m的情況，分析樁長(zhǎng)增加能否引起土體位移的突變降低(此時(shí)樁長(zhǎng)增加只是嵌固土層內(nèi)的樁長(zhǎng)增加，滑動(dòng)土層內(nèi)的樁長(zhǎng)不增加)，如圖7所示。對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)處土體位移值隨樁邊長(zhǎng)變化的曲線，如圖8所示。

圖7 不同樁長(zhǎng)時(shí)的岸坡土體總位移分布

圖8 A點(diǎn)處土體位移值隨樁長(zhǎng)變化曲線

從圖7、8可看出，嵌固層內(nèi)樁長(zhǎng)雖然增大，但樁間土體的位移變化很小，并沒(méi)有引起土體位移的突變降低，說(shuō)明對(duì)于特定的土層和特定的邊距比，單純?cè)黾忧豆掏翆觾?nèi)的樁長(zhǎng)，并不能提高樁對(duì)土坡穩(wěn)定的作用效果。

3 樁對(duì)岸坡土體穩(wěn)定作用機(jī)理

通過(guò)圖3a)～g)可知，兩樁之間的土體變形均表現(xiàn)出土拱效應(yīng)，尤其是當(dāng)樁間距為6～8 m時(shí)，樁前(坡頂方向)的土體土拱效應(yīng)明顯，隨著樁間距逐漸增大，兩樁之間的土拱效應(yīng)不斷減弱，當(dāng)無(wú)法抵抗樁間土體變形時(shí)，土體從兩樁之間滑動(dòng)失穩(wěn)；而樁間距太小時(shí)，兩樁之間的土體近似簡(jiǎn)支狀態(tài)，土體變形小，土拱效應(yīng)也不明顯。

對(duì)比圖5a)～g)，當(dāng)樁邊長(zhǎng)為0.5 m時(shí)，樁自身剛度小，樁與土體同步變形，樁前(坡頂方向)土體幾乎沒(méi)有顯現(xiàn)出土拱效應(yīng)，土體變形大。隨著樁邊長(zhǎng)增加，樁的自身剛度不斷增大，抵抗土體變形的能力增強(qiáng)，樁間土體逐漸表現(xiàn)出明顯的土拱效應(yīng)，隨著樁邊長(zhǎng)繼續(xù)增大，樁間土體的凈間距減小，而且樁的抗彎剛度大，樁的變形小，兩樁之間的土體近似簡(jiǎn)支狀態(tài)，土體變形小，土拱效應(yīng)不明顯。

通過(guò)分析有限元結(jié)果可知，當(dāng)樁本身具有足夠剛度時(shí)，樁對(duì)岸坡穩(wěn)定抗滑作用除了對(duì)樁身附近土體的抵抗作用外，主要是在樁間的巖土體內(nèi)形成土拱，拱后的土壓力或滑動(dòng)力通過(guò)土拱效應(yīng)傳遞到樁及樁周圍土體，然后通過(guò)樁傳遞到下部穩(wěn)定的地層內(nèi)。因此，樁基能夠起到抗滑穩(wěn)定作用，關(guān)鍵在于樁本身的剛度以及樁間能否形成抵抗樁間土體變形的土拱效應(yīng)。

對(duì)比圖4、6可看出，土體位移開(kāi)始發(fā)生突變的界限參數(shù)都是樁邊長(zhǎng)1 m且樁間距8 m時(shí)，說(shuō)明雖然樁邊長(zhǎng)和樁間距的變化影響樁對(duì)岸坡穩(wěn)定的作用效果，但兩個(gè)參數(shù)的變化實(shí)際反映的是一個(gè)參數(shù)的變化，即邊距比(徑距比)，為樁邊長(zhǎng)(樁徑)與樁間距的比值，對(duì)特定的土層，存在一個(gè)邊距比(徑距比)值，使樁對(duì)岸坡穩(wěn)定發(fā)揮最優(yōu)作用。

由圖7、8可看出，對(duì)有樁岸坡，當(dāng)樁體具有足夠剛度且嵌固穩(wěn)定時(shí)，岸坡土體主要從樁間滑動(dòng)失穩(wěn)，因此，對(duì)于特定的土層和特定的邊距比，單純?cè)黾忧豆掏翆觾?nèi)的樁長(zhǎng)，并不能提高樁對(duì)土坡穩(wěn)定的作用效果。

4 結(jié)論

1)對(duì)同一岸坡，在樁邊長(zhǎng)、長(zhǎng)度不變的情況下，隨著樁間距的減小，樁對(duì)樁間土體的位移約束越大，土體變形越小，但對(duì)于特定的土體，當(dāng)樁間距小于一定數(shù)值時(shí)，單純縮短樁間距對(duì)提高岸坡穩(wěn)定的作用效果不大。

2)對(duì)同一岸坡，在樁長(zhǎng)度、樁間距不變的情況下，隨著樁邊長(zhǎng)不斷增大，樁的抗彎剛度增大，樁對(duì)土體變形的影響也越大，但對(duì)于特定的土體，當(dāng)樁邊長(zhǎng)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，單純?cè)黾訕兜倪呴L(zhǎng)對(duì)提高土坡穩(wěn)定的作用效果不大。

3)對(duì)同一岸坡，在樁尺寸、樁間距不變的情況下，對(duì)于特定的土層，單純?cè)黾忧豆掏翆觾?nèi)的樁長(zhǎng)度，并不能提高樁對(duì)土坡穩(wěn)定的作用效果。

4)通過(guò)有限元分析可知，對(duì)同一岸坡和樁頂自由的條件，決定樁對(duì)岸坡穩(wěn)定作用效果的參數(shù)是樁邊長(zhǎng)(樁徑)與樁間距的比值，即邊距比(或徑距比)，對(duì)特定的土層，存在一個(gè)邊距比(或徑距比)值，使樁對(duì)岸坡穩(wěn)定發(fā)揮最優(yōu)的作用效果。