地震作用下抗滑桩作用机制研究

罗 渝，何思明，何尽川

（1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3.中国市政工程西南设计研究总院，成都 610081）

地震作用下抗滑桩作用机制研究

罗 渝1，2，何思明1，2，何尽川3

（1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3.中国市政工程西南设计研究总院，成都 610081）

采用Ansys有限元计算软件，选取某抗滑桩加固滑坡为例，采用人工地震波，研究地震作用下抗滑桩与坡体相互作用机制。研究结果表明：各特征点动土压力、动位移值均随着输入地震波加速度的增加而增加，其峰值出现时间稍晚于地震波加速度峰值时间。处于稳定岩体部分桩的反力最大值和分布形式因不同时刻的地震加速度不同有较大的差异。滑体内部段桩土压力在深度上的分布除桩顶以外，其余部分的土压力基本属于均匀分布。输入的地震波加速度越大抗滑桩的变形越大，桩身位移沿桩顶向下减小。

抗滑桩；地震荷载；桩土作用机制

1 概 述

抗滑桩是边（滑）坡整治中常用的手段，能够有效地提高边（滑）坡的抗震稳定性。但是抗滑桩设计方面相关研究并不多见，特别是在地震作用下桩体内力变化规律等方面的研究更少。1995年日本阪神地震后，国外学者开始利用动态离心模拟试验技术研究地震液化和侧向流动引起的桩弯矩及挠度变化，如Brandenberg，Abdoun，J.Boulanger等。但桩基础的受力变形特性与作为支挡物的抗滑桩有较大差异，而目前国内对于抗滑桩的动力响应研究还相当薄弱。

5.12 汶川大地震之后，大量的抗滑桩支护结构遭到不同程度的损伤，由于目前国内在地震作用下抗滑桩与变形坡体共同作用机制方面的研究文献较少，因此在灾区灾后重建以及其它地震带上抗滑桩的设计上都存在很大的盲目性，设计措施是否合理、有效，设计是否优化等问题也不能有效判断。因此，本研究采用ANSYS有限元计算软件，选取某抗滑桩加固滑坡为例，采用人工地震波，研究地震作用下抗滑桩加固边坡动力响应，揭示地震历程中桩身不同位置的位移、内力变化规律，为地震作用下抗滑桩的设计提供理论依据。

2 土体运动对桩的极限水平压力

Ito＆Matsui［1］（1975）基于土体塑性变形理论推导了计算土体运动作用在桩上最大水平力的计算公式。一系列的现场试验和模型测试证明了Ito理论可以比较接近地预测变形土体对桩的压力（Ito et al.1982［2］）。但是，这一公式只适用于桩间距在一定范围的情况，对大间距或很小的间距，其假定的桩间塑性流动机制并不是临界的状态（Poulos 1995）。对粘性土，还可以采用一种经验解法。桩-土相对运动产生的作用于桩上的极限压力Pu和土的不排水抗剪强度Cu的关系可以表示为（Poulos 1995［3］）

式中Np为水平抗力系数，对单桩来说，在地表面处取2，随深度线性增加，到3.5倍桩径（桩宽）或更深处达到最大值9，可表示为

式中：z为距地表面的深度；d为桩径或桩宽。

3 计算模型及参数选取

以某一具体的抗滑桩加固滑坡为例，采用ANSYS有限元软件进行分析。研究地震作用下桩与坡体之间的相互作用机制问题。

3.1 计算模型

抗滑桩的锚固段设在稳定基岩中，锚固长度为10 m，截面尺寸为2 m×3 m，间距为3 m。有限元计算网格图见图1。抗滑桩为C25钢筋混凝土结构，桩长28 m。滑坡体及支护桩的尺寸及材料参数见表1。

图1 滑坡有限元的模型示意图Fig.1 Sketch of finite elementmesh for landslide

表1 材料参数及模型主要尺寸Table 1 M aterial properties and geometry size

计算中岩土体的本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用广泛应用于岩土类材料的Drucker-Prager屈服准则，抗滑桩则认为是强度很高的弹性材料。抗滑桩、滑体土和稳定基岩均采用ANSYS中提供的面单元模拟，桩与岩土体之间的接触面关系采用文献［4］中提到的桩与土体共节点但是材料性质不同的连续介质模型。

3.2 计算参数和地震波输入

由于本次计算中，平面应变计算纵向只有1 m，也就是说每根桩要承受3 m宽滑体的剩余下滑力，因此在有限元模型中可将土体重量乘以3，同时为了保证原有的稳定安全系数不发生变化，将岩土体的粘聚力也乘以3［4］。计算中所采用参数见表1。

计算中，采用人工合成地震波，其水平向和铅直向人工地震波加速度时程如图2、图3所示。地震持时29.74 s，地震波振幅按照地震烈度Ⅷ度考虑，则取水平加速度ahmax＝0.185 g＝1.815 m／s2，输入铅直向加速度av按照水平向加速度的2／3考虑。

图2 输入地震波水平向（x方向）加速度时程Fig.2 Input acceleration tim e-history along horizontal direction（x direction）

自由振动的模态分析采用子空间法。通过模态分析的计算结果，选取固有频率ω1＝1.03，ω2＝1.33，阻尼比ξ1＝ξ2＝ξ＝0.05，可得瑞雷阻尼系数α＝0.058，β＝0.042。地震波历时29.74 s，取用步长Δt＝0.04 s。按照规范，各材料动弹模取为静弹模的1.3倍，即Ed＝1.3Es，泊松比则保持不变。

图3 输入地震波铅直向（y方向）加速度时程Fig.3 Input acceleration tim e-history along vertical direction（y direction）

4 计算结果及分析

4.1 桩身特征点、特征时间选取

为研究抗滑桩在地震历程中不同位置的动力响应，根据抗滑桩不同高程位置选取5处特征部位［5－7］，N1至N3分别为滑面以上19 m（桩顶）、15 m、9 m，N4为滑面处（即0 m），N5为滑面以下6 m（即－6.0 m）处。通过计算发现，位移值为正时表明：抗滑桩和滑坡体产生沿滑面向上的位移，挤压滑坡体，对边（滑）坡的稳定性是有利的，所以在抗滑桩的作用机制研究中，结合各特征点的时程曲线选取T＝7.36，9.36，10.72，16.32，19.64 s为特征时间。

4.2 抗滑桩动土压力

桩上不同位置处动土压力的时程曲线如图4所示。动土压力为地震作用前静力条件下的土压力与由地震作用所引发的土压力的和。该动土压力值为在施加地震荷载之前，考虑静力条件下抗滑桩上的初始土压力，即首先进行静力条件下作用在抗滑桩上的土压力计算；然后计算仅有地震荷载引起的作用在抗滑桩上的土压力，最后将两者结果叠加而得。从图4可以看出，不同高程点动土压力的变化趋势基本相同。在时域内，各特征点动土压力随着输入地震波的加速度增加而增加，峰值出现在9.36 s左右，稍晚于地震波加速度峰值时间点。图5给出了在5个特征时间T＝7.36，9.36，10.72，16.32，19.64 s时对应的动土压力沿桩身的分布曲线。

从图5可以看出，5个特征时间对应动土压力沿桩身的分布规律基本一致。不同时刻的地震加速度大小对处于滑体内部段桩（即上半段桩）的作用力大小和分布形式影响很小；而处于稳定岩体部分桩的反力最大值和分布形式则因不同时刻的地震加速度有较大的差异。5个特征时刻中，T＝9.36 s时抗滑桩的抗力值最大，Ps＝－2 363.64 kPa。另外滑体内部段桩土压力在深度上的分布除桩顶点以外，其余部分的土压力基本属于均匀分布。

4.3 抗滑桩动位移

桩上不同位置处动位移的时程曲线如图6所示。动位移为地震作用前静力条件下桩身位移与由于地震作用所产生的位移的和。该动位移为在施加地震荷载之前，计入抗滑桩在初始土压力作用下产生的位移，即首先进行静力条件下抗滑桩位移值的计算；然后计算仅有地震荷载时引起的抗滑桩位移，最后将两者结果叠加而得。从图6可以看出，不同高程点动位移的变化趋势基本相同。在时域内，各特征点动位移随着输入地震波的加速度增大而增大，峰值出现在9.36 s左右，稍晚于地震波加速度峰值时间点。图7给出了在5个特征时间T＝7.36，9.36，10.72，16.32，19.64 s时对应的桩身动位移的分布曲线。

从图7可以看出，5个特征时间对应的动位移沿桩身的分布规律基本一致。随着抗滑桩的埋深，桩身位移沿桩顶向桩底减小，埋入基岩段抗滑桩位移值基本相同且为一极小值。输入的地震波加速度越大抗滑桩的变形越大。5个特征时刻中，T＝9.36 s时抗滑桩的动位移值最大，Ux＝－0.062 5 m。

图4 桩动土压力时程变化曲线Fig.4 Time-history curves of pile dynam ic soil pressure

图5 作用在桩上的动土压力及抗力桩身分布曲线Fig.5 Vertical variation of dynam ic soil pressure and resistance acting on the pile

图6 桩动位移时程变化曲线Fig.6 Time-history curves of pile dynam ic displacement

图7 桩动位移的桩身分布曲线Fig.7 Vertical variation of pile dynam ic displacement

5 结 论

（1）不同高程点动土压力的变化趋势基本相同。在时域内，各特征点动土压力随着输入地震波加速度的增加而增加。峰值出现在9.36 s左右，稍晚于地震波加速度峰值时间点。

（2）5个特征时间对应动土压力沿桩身的分布规律基本一致。处于稳定岩体部分桩的反力最大值和分布形式因不同时刻的地震加速度有较大的差异。滑体内部段桩动土压力在深度上的分布除桩顶点以外，其余部分的土压力基本属于均匀分布。

（3）不同高程点动位移的变化趋势基本相同。各特征点动位移随着输入地震波加速度的增大而增大，峰值出现在9.36 s左右，稍晚于地震波加速度峰值时间点。

（4）5个特征时间对应的动位移沿桩身的分布规律基本一致。桩身位移沿桩顶向下减小，埋入基岩段抗滑桩位移值基本相同且为一极小值。输入的地震波加速度越大抗滑桩的变形越大。

［1］ ITO T and MATSUIT.Methods to estimate lateral force acting on stabilizing piles［J］.Soils and Foundations，1975，15（4）：43－59.

［2］ ITO T，MATSUI T and HONG W P.Extended design method for multi-row stabilizing piles against landslide［J］.Soils and Found ations，1982，22（1）：1－13.

［3］ POULOS H G.Design of reinforcing piles to increase slope stability［J］.Canadian Geotechnical Journal，1995，32：808－818.

［4］ 郑颖人，赵尚毅.用有限元强度折减法求边（滑）坡支挡结构的内力［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（20）：3552－3558.（ZHENG Ying-ren，ZHAO Shangyi.Calculation of inner force of supportstructure for landslide／slope by using strength reduction FEM［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（20）：3552－3558.（in Chinese））

［5］ 于玉贞，邓丽军.抗滑桩加固边坡地震响应离心机试验［J］.岩土工程学报，2007，29（9）：1320－1323.（YU Yu-zhen，DENG Li-jun.Centrifuge modeling of seismic behavior of slopes reinforced by stabilizing［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineer，2007，29（9）：1320－1323.（in Chinese））

［6］ 何思明.高切坡超前支护桩与坡体共同作用分析［J］.山地学报，2006，24（5）：574－579.（HE Si-ming，Interaction of pre-reinforced pile-soil of high cutting slope［J］.Journal ofMountain Science，2006，24（5）：574－579.（in Chinese））

［7］ 何思明，李新坡.高切坡超前支护桩作用机制研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2008，40（3）：43－46.（HE Si-ming，LIXin-po.Study on the interaction between high cutting slope and pre-embedded Piles［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition.，2008，40（3）：43－46.（in Chinese））

（编辑：赵卫兵）

Study on Interaction between Slope and Stabilizing Pile under Seism Loading

LUO Yu1，2，HE Si-ming1，2，HE Jin-chuan3
（1.Key laboratory of Mountain Hazards and Surface Process，Chinese Academy of Science，Chengdu 610041，China；2.China Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China；3.Southwest Municipal Engineering Design＆Research Institute of China，Chengdu 610081，China）

The FEM software ANSYSwas adopted to study on the interaction between slope and stabilizing pile under seism loading，by a case of landslide reinforced by a stabilizing pile，and an artificial earthquakewas excited as inputmotion.The results indicated as follows：Dynamic soil pressure and dynamic displacement at characteristic points of stabilizing pilewere increased with the increase of acceleration of earthquakemotion.The appearance time of their peak valueswas later than that of the peak of earthquake acceleration.There were larger differences occurring in themaximum value of resistances on the partial pile lain in stable rockmass and resistance distribution forms with different accelerations in different times.The distribution of the soil pressure on the pile inside the landslide was homogeneous except the top of the pile.The greater the earthquake acceleration，the larger the deformation of the anti-slide pile.And the displacements of the pile were decreased from top to bottom.

stabilizing pile；seism loading；soil-pile interaction mechanism

TU312.1

A

1001－5485（2010）06－0026－04

2009-06-02；

2009-09-09

国家重点基础研究发展973计划项目（2008CB425802）；交通部西部交通建设科技项目（2006 318 792 85）

罗 渝（1981-），女，重庆市人，实习研究员，主要从事山地灾害形成机制及防治工程技术研究，（电话）13540355999（电子信箱）ly＠imde.ac.cn。