抗滑桩桩间土拱效应离心模型试验研究

中铁十七局集团 第一工程有限公司 李熙颖

抗滑桩桩间土拱效应离心模型试验研究

中铁十七局集团 第一工程有限公司 李熙颖

就当前来看，人们对抗滑桩自身强度的设计和处理已经形成了一套完整的理论，但对桩间距的合理选择却没有一套成熟的方法，大多是凭经验来确定。但如果桩间距过小，势必会增加成本；桩间距过大，则很可能不会产生土拱效应，易使桩间土体滑动，导致建筑损坏。因此，在设计抗滑桩时，桩间距是必须慎重决定的一个重要参数。本文，笔者通过FLAC3D软件，对砂土中的桩间距进行离心模型分析，以研究不同间距情况下的桩间土拱稳定性。这不仅对抗滑桩的设计具有一定的理论意义，而且对工程实践也有较大的指导作用。

一、实例分析

利用FLAC3D软件，对桩间净距分别为5d，6d和7d的桩体进行分析（d为桩体直径），得出的桩体弯矩曲线及不同桩间距下的弯矩对比如图1 ～ 4所示。

由图1 ～ 4可知，桩间距为5d时，桩间土形成连拱，且土拱矢高较小，桩间土体有开裂趋势；桩间距为6d，7d时，桩间土流出，土拱矢高急剧增大；桩体弯矩随桩身高度呈抛物线形分布；当桩间距增大时，桩体弯矩也随之增大。

从以上分析可知，抗滑桩桩间距越大，拱的受力值就越接近梁的受力值，就越难以产生土拱作用；抗滑桩桩间距越小，土拱的受力值就越能体现受压的实际情况，对土拱结构的受力就越有正面意义。总之，桩间距越大，土拱效应就相应越弱。

二、 对抗滑桩合理桩间距的探讨

从理论上来讲，滑坡工程的土拱问题是一个空间问题。这就导致难以给其建立模型，再加上力系的复杂性，因而建立模型就更是难上加难。本文，笔者将这个问题简化为有一定夹角的平面土拱问题来研究。

1.由矢高确定合理间距。在均布荷载作用下，可以假定拱的合理拱轴线呈抛物线形。这个合理拱轴线的每一个截面上只存在压力，不存在弯矩和拉力。

在此次试验中，当桩间距为n倍桩径时，可建立如图5所示的坐标系。

假定土拱中轴d 线抛物线方程如下：

当 y＝f时，x＝ 0 ，则

当 y ＝ 0时，x ＝（n－0.5）d/2 ，则

将式（2）、式（3）代入式（1），可得土拱中轴线方程为：

从式（4）可知，土拱中轴线方程由n ， f 确定。若能建立函数 f （n） ，就可由n ， f 直接确定土拱抛物线方程。假定函数f （n） 为一元二次方程，即

从试验数据可知，n＝5时 ，f＝1.5 cm；n＝6时 ，f ＝1.7 cm；n＝7时 ，f ＝3.1 cm。将以上数据代入式（5），求解得函数 f （n）的一元二次方程

方程两边对n求导，可得

当 f '＝ 0时，n＝ 5.3， f 有最小值，即桩间距为5.3倍桩径时，土拱矢高最小，为最佳桩间距。

将式（6）代入式（4），可得土拱中轴线方程

2.由弯矩确定合理桩间距。可假定桩体弯矩与桩间距的变化曲线函数M（n）为一元二次方程，即

由试验所得的测点最大弯矩值可知，n＝5时，M＝ 23.43 N·m；n ＝ 6时，M＝ 25.78 N·m；n＝7 时，M＝ 53.51 N·m，将以上数据代入式（9），可得a＝12.7 N/m，b＝－137.36 N/m ，c＝393 N·m。将 a，b ，c 的值代入（9），可得函数M（n）的一元二次方程为：

方程两边对n求导，可得

当 M '＝0时，n＝5.4 ，M 有最小值，即桩间距为5.4倍桩径时，弯矩值最小，为最佳桩间距。

三、结论

1.桩间距与土拱矢高关系分析。桩间距较小时，土拱矢高较大，土拱受力呈现受压特征，容易形成稳定的土拱，土体不致从桩间滑出。桩间距较大时，土拱曲线形状趋于平缓，土拱矢高较小，土拱的受力趋于梁的受力，难以形成稳定的土拱效应；或者说土拱效应随桩间距的增大而减弱。

2.最佳桩间距的确定在一定条件下的砂土中，抗滑桩的最佳桩间距为5.2 ～ 5.5倍桩直径。桩间距过大，就无法起到拦阻作用；桩间距过小，则工程造价较高。只有保持合理的桩间距，才能在保证工程结构的同时，获得较高的经济效益。