抗滑桩土拱效应的abaqus三维动力模型研究

陆晓蝶　蒋建平

摘 要：抗滑桩桩间土体的土拱效应使滑坡停止向前滑动，该文分析了土拱效应研究的现状以及其在三维动力方面研究的必要性，并基于Abaqus软件，建立了在0.3 g加速度峰值下三维高切坡模型，对比研究了土体软化之前和土体软化之后，只存在重力的情况和施加地震荷载时土体的应力和位移。

关键词：土拱效应 三维模型 动力 abaqus

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0007-01

1 研究的目的及现状

随着我国经济的飞速发展，人类的活动改变了原有的地质环境，却也诱发了大量的地质灾害，其中尤以滑坡最为严重，而在滑坡的整治中抗滑桩以其施工简便，效果突出得到了广泛的应用。由于土拱的形成与否，对于抗滑桩是否发挥作用具有重要作用[1]，所以，研究桩间土拱效应是非常必要的。

桩间土拱效应既是由于受到滑坡推力，桩间土体和桩后土体产生不均匀的位移形成土拱，通过土拱将滑坡推力传递到两侧的抗滑桩，从而使滑坡停止向前滑动。从以往的研究我们可以知道抗滑桩间土拱效果与抗滑桩间距，内摩擦角以及粘聚力有关。随土体粘聚力和内摩擦角的增加，土拱效应会更加明显。而针对于我们的工程而言，桩间距若设置太大，则会造成桩间土体无法形成土拱，而若是桩间距过大，则会造成工程费用上的浪费，所以针对于这个问题，已有了除了经验公式以外的一些计算模型。

王成华[2]通过模型假设，根据抗滑桩两侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力这一主导思想建立了静力平衡方程，得到了桩间距的计算模型，但是他的不足之处在于没有充分的考虑土拱的作用，也就是土体的强度。王乾坤[3]根据土体的强度条件，土的力学平衡即桩间土拱传递到桩前岩土体的应力应小于桩前滑体抗滑力和桩间土体的绕流阻力得出了桩间距计算公式，不足之处在于忽略了抗滑桩测摩阻力和滑坡推力之间的静力方程。周德培[4]从抛物线形土拱效应分析出发，综合考虑桩间静力平衡条件以及土的强度条件即土拱跨中和拱脚处截面为最不利处得出了土拱跨度的表达式。

总体来说，现今对于土拱效应的数值模拟一直停留在二维的平面上，而没有对土拱的三维分布进行探讨，虽然Chen chien-Yuan[5]认为采用平面应变模型已经能够较好的模拟滑坡横断面上桩土相互作用的三维特征。但在滑坡的纵向上的研究还是有必要采取三维模型的研究的。同时对于土拱效应的研究也只是在静力方面，在动力方面涉及不多，使用有限元软件ABAQUS进行的动力分析更加的少。该文便是针对于此进行了基于ABAQUS的土拱三维动力研究。

2 基于ABAQUS的三维土拱研究

该文采用的工况是一高度为35 m的高切坡进行三维有限元建模。下部滑床为碳质千枚岩，上部滑体为卵石土，抗滑桩采用矩形截面。模型采用无限元进行网格划分，采用KOBE地震波，通过在地基底部施加地震加速度实现地震的荷载。

输入的强度为地面加速度峰值0.3 g时。研究的方式即为：分别对比土体软化之前和土体软化之后，只存在重力的情况和施加地震荷载时不同深度土体的应力和位移的不同。并得出以下结果：

（1）在重力作用下土体位移较小，随着土体深度增加土体下滑推力增大，土拱轴线随深度增加逐渐前移，土拱效应受土体应力影响较大；施加地震荷载之后土体产生较大位移，随着土体深度增加位移减小，土拱效应的分布与土中应力的大小与土体位移的程度有关。

（2）边坡土体未软化时土体强度较高，土体楔紧效果较好，土拱结构的稳定性好，可以抵抗较高的下滑推力；土体软化之后强度降低，土体无法很好的楔土拱紧，土拱强度降低，当土遇到地震等因素土体产生较大下滑推力时会比较容易破坏，使抗滑桩失效。

（3）构造了基于ABAQUS有限元软件分析的初步的桩间土拱三维动力研究设计，为今后的进一步研究和实际的工程提供参考。

参考文献

[1] 王树洲.抗滑桩支护滑坡中土拱效应机理及临界桩间距研究[D].南京：南京大学，2012.

[2] 王成华.抗滑桩间土拱力学特性与最大桩间距分析[J].山地学报，2001，19（6）：556-559.

[3] 王乾坤.抗滑桩的桩间土拱和临界间距的探讨[J].武汉理工大学学报，2005，27（8）：64-67.

[4] 周培德.边坡工程中抗滑桩合理桩间距的探讨[J].岩土工程学报，2004，26（1）：132-135.

[5] CHEN Chienyuan.Numerical analysis of slope stabilization concepts using piles[D]the university of southern California，2001.endprint