抗滑桩桩后土拱效应特征的三维数值研究_胡焕校

关键词： 抗滑桩； 土拱效应； 机理； 有限差分法； 数值模拟
THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL ANALYSIS OF SOIL ARCHING EFFECT SURROUNDING ANTI-SLIDE PILE
Hu Huanxiao1 Liu Jing2 Wu Haitao2 Zhou Lixiang1
位移，也可以对土体施加一均布侧向荷载。本文采 用在土体侧面施加均布荷载［4 － 10］，模拟滑坡推力使 土体和桩发生侧向运动。
图 1 三维计算模型俯视图 Fig. 1 Overlooking diagram of 3-D numerical analysis model
本算例中取抗滑桩桩径 d = 1 m，桩间距 L = 4d， 桩长 h = 10 m，土体为均质土层，桩、土计算参数见 表 1。在桩、土间的接触面单元接触面的法向刚度 kn 和切向刚度 ks 分别为 1 × 107 ，1 × 107 kN / m，桩后 均布荷载为50 kPa。当未特别说明时，其他算例的计 算参数与本算例相同。
1—桩前 1 m；2—桩后 0. 5 m； 3—桩后 1 m；4—桩后 2 m；5—桩后 3 m 图 6 不同 y 剖面的 σx 分布曲线（z = － 4 m） Fig. 6 stress σx distribution along different
y coordinate （ z = － 4 m）
* 湖南省科技计划项目（2007FJ3072） 。 第一作者：胡焕校，男，1968 年出生，副教授。
E － mail：hhx@ mail. csu. edu. cn
收稿日期：2009 － 09 － 08
88 Industrial Construction Vol. 40，No. 3，2010
工业建筑 2010 年第 40 卷第 3 期
表 1 计算参数 Table 1 Soil property parameters
材料
土体 桩
变形模量 E / kPa
3 × 104 2 × 107
泊松比 ν
0. 30 0. 12
剪胀角 ψ /（°）
0
内摩擦角 φ /（°）
30
黏聚力 c / kPa
30
图 3 土体 y 方向应力等值线（z = － 4 m） Fig. 3 Stress contour along y coordinate （ z = － 4 m）
土拱效应的概念从提出到发展已经历了 100 多 年的历史，在岩土工程领域内，人们采用现场试验、 实验拱型 理 论 分 析［1 － 3］和 数 值 分 析［4 － 11］等 多 种 方 法对土拱效应进行了机理研究分析，同时，一些学者 将土拱理论应用于工程实际，对工程设计进行优化 指导［12 － 14］，取得了良好的效果。但由于试验条件等 许多客观原因，土拱理论研究中，尤其是抗滑桩桩后 的土拱效应仍存在一些值得探讨的问题，如桩后土 拱效应产生的机理、土拱产生的过程、条件及影响因 素、拱形及 拱 体 的 几 何 参 数 和 拱 体 的 微 观 特 性 等。 本文针对上述问题结合实例建立抗滑桩和桩周土的 力学模型，采用三维数值模拟软件 FLAC3D 模拟桩后 土拱产生的过程、条件及影响因素，分析抗滑桩桩后 土拱效应的产生机理，分析滑坡推力、桩间距、土体 性质、桩土接触面等因素对土拱效应的影响。
图 7 不同深度处平面最大主应力等值云图 Fig. 7 Nephogram of the maximum principal stress
of plane in different depth
4 抗滑桩后土拱效应形状的变化 不同土中，抗滑桩桩后土拱具有不同的形状，见
图 8。非黏性土中土拱以三角形和马鞍形为主，而 黏性土中土拱以抛物线形、拱形为主，并且随着不同 深度、土体力学性质的改变，形状也发生变化。
抗滑桩桩后土拱效应特征的三维数值研究*
胡焕校1 刘 静2 吴海涛2 周立祥1
（1. 中南大学地学与环境学院，长沙 410083；2. 中南大学土木建筑学院，长沙 410075 ）
摘 要： 通过对抗滑桩桩后土拱效应的三维数值模拟分析，发现在抗滑桩桩后和桩间土体中存在两种不 同作用机理的应力拱，抗滑桩桩后土拱效应随着深度的增加而增强，不同性质的土体土拱具有不同的形状。 经过对抗滑桩桩后土拱效应影响因素的分析表明，抗滑桩桩后外载荷大小、桩间距、土体内摩擦角、黏聚力、 土体与桩体的相对刚度的大小、土体的泊松比、桩土接触面性状等对土拱效应有不同程度的影响。
Abstract ： In this paper，a 3-D numerical analysis is used to simulate the soil arching effect surrounding anti-slide pile with FLAC3D ，which is the main manner of the soil-pile interaction. The analytic results show that there are two kinds of stress arches behind the anti-slide pile and in the soil between piles，the soil arching effect will increase with the depth of the soil，and different soil property leads to different soil arching shape. The effecting factors on the behavior of soil arching effect are studied，such as the magnitude of load，the spacing between adjacent piles，the cohesion and internal tion angle of soil，the modulus of elasticity ratio of soil to pile，Poisson ratio，pile-soil interface behavior，etc. Keywords ： anti-sliding pile； soil arching effect； mechanism； finite difference method； numerical simulation
图 5 两桩中轴线上应力 σy 分布曲线（z = － 4 m） Fig. 5 Stress σy distribution along central axis of two piles （ z = － 4 m）
a—z = 0 m；b—z = － 2 m；c—z = － 4 m； d—z = － 6 m；e—z = － 8 m
图 5 为两桩中轴线上各点 y 方向上的应力 σy 分布曲线，图 6 为 x 轴上不同 y 剖面的应力分量 σx 分布曲线。由图 5 可知，两桩中轴线上各点上的应
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力 σy 在离抗滑桩较远的土体中变化不大，在桩后 2 ～ 3 m开始增大，桩后 1 m 处达到最大；在两桩间 σy 急剧变小，在桩前 1 m 处达到最小，稍后略有增 加在桩前保持均匀。同样，在离抗滑桩较远的土体 应力 σx 分布均匀，越靠近桩身处，桩后的 σx 急剧增 大，而桩间土体承担的 σx 变得较小，整个分布曲线 呈下凹的拱形。桩前土体的 σx 值非常小，呈微弱上 凸的曲线，与 文 献［8 ］一 致。 以 上 应 力 分 布 曲 线 说 明在桩后 3 m 左右开始形成土拱，将大部分应力传 递到桩后，桩间部分土体由于桩内侧与土体的摩擦， 对土体产生一定的拖曳作用也产生微弱反方向土 拱，但应力值相对桩后要小得多。
（1. School of Geoscience and Environmental Engineering，Central South University，Changsha 410083，China； 2. School of Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha 410075，China）
3 抗滑桩后土拱效应沿深度的变化 每 2 m 深度取一个截面，获得不同深度处各平
面大主应力等值云图，见图 7。不同深度的大主应 力云图随深度变化的情况说明，抗滑桩后土拱效应 随着深度的增加而增强。在浅部，土体向桩前方向 挤入，由于桩顶自由，桩土相对位移较小，导致土拱 的范围较小，土拱效用较弱；随着深度的增加，桩土 相对位移增加，主应力方向发生偏转，致使土体进一 步挤密，应力值不断增加并向周围发展，最终形成拱 状挤压区。
力方向发生了旋转。大主应力方向指向并垂直桩表 面，大主应力方向的连线呈半椭圆形拱形，在抗滑桩 后附近的土层中形成了一个非常明显的应力土拱。 应力在桩后达到最大，桩前侧土体应力最小，说明荷 载通过土拱传递到桩体。
在桩间由于桩内侧与土体的摩擦，对土体产生 一定的拖曳作用，也导致桩间土体大、小主应力发生 了旋转，在桩间至桩前土体中出现微弱的反方向的 应力拱。图 4 为土体 y 方向位移等值线。
2 土拱效应机理 图 2、图 3 所示为荷载作用下土体 y 方向主应
力矢量及应力等值线。从图 2、图 3 中可以清楚地 观察到两种形式的应力拱。
图 2 土体 y 方向主应力矢量图 Fig. 2 Vectorgraph of principal stress along y coordinate
在桩后外力的作用下，由于抗滑桩对土体的约 束，桩土具有相对位移，导致在桩后土体大、小主应
抗滑桩桩后土拱效应特征的三维数值研究———胡焕校，等
图 4 土体 y 方向的位移等值线（z = － 4 m） Fig. 4 Displacement contour along y coordinate （ z = － 4 m）