疏排桩土钉组合支护体系中的土拱作用及其计算

文｜广东省基础工程集团有限公司 田守伟

引言

疏排桩土钉组合支护是通过在边坡、基坑岩土体中按一定间距竖向设置钢筋混凝土桩（锚拉或悬臂），桩间采用土钉的一种组合支护方法。疏排桩土钉支护结合了桩体抗滑能力强与土钉施工速度快、地层适应性强、经济的优点，避免了单纯采用密排桩造价高、工期长而纯土钉支护变形大、抗滑能力较低的局限性，刚柔结合，扬长避短，具有广泛的应用前景。

边坡产生位移时，支护桩间不同位置的土体位移量不同。由于有桩的约束，桩后和附近的岩土体位移较小；桩间的土体受桩的约束小，位移会比较大，为了保证这部分土体稳定，在桩间采用土钉支护。

一些学者在研究抗滑桩时考虑了桩间土的土拱作用。但由于未深入研究土拱轴向应力的精确表达式及土拱破裂的条件，尚未得到满意的计算方法。

1 桩间土拱的形成原理及成形方式

1.1 形成条件

(1)土体中土允许存在有不一样的变形或者相对位移。

(2)土体形成土拱必须有拱底部支撑才能形成。

1.2 桩间土拱的形成机理

边坡土体在剩余下滑力作用下产生位移并将下滑力传递给支护桩，桩通过锚杆及桩嵌固段来保持稳定。桩在土体剩余下滑力作用下也会产生挠曲变形，但由于有锚杆锚拉及嵌固段的作用，而且其刚度比较大，可以作为桩间土拱的稳定拱脚。桩后的土体在桩的约束作用下，位移较小；而桩间土体受到的约束小，位移会比较大，因此这两部分土体间存在相对位移。

拱前土体不承受剩余下滑力，桩间土钉支护仅承受拱前土体所产生的土压力。

1.3 桩梁间土拱的拱脚形式

拱脚的形式可以分为三类(图1)：(1)正面接触为支承力的拱脚；(2)土体与桩的侧面摩擦力，以摩擦力的形式为拱脚；(3)由前面两者共同作用作为拱脚。

(a) 拱脚形式1

图1 不同类型的拱脚

桩侧面与土体间的摩擦力相对于正面支承力小，本文采用以桩正面提供支承力的土拱拱脚，如图1（a）。

1.4 桩间土拱的形状

在均布剩余下滑力作用下，相邻两桩间土拱为抛物线柱壳，可按平面问题分析。土拱的形状如图3。

图2 拱形

2 土拱的受力分析

2.1 模式假定

(1)桩的刚度无限大，土体与桩紧密挨在一起。

(2)拱内土质是一样的。

(3)土拱里的土的重量可以忽略不计。

图3 土拱的受力分析

图4 土拱尺寸

(4)桩间土拱后的土体对桩的作用力以均匀荷载的形式分布在土拱上。

2.2 土拱受力分析

如图4建立坐标系，拱的合理拱轴线是抛物线，且其对称于拱的中心轴，其方程为：

取拱的一半进行受力分析。

可列出静力平衡方程：

解方程得

2.3 拱厚计算

过点

解得：

即：

解得

由式（2）知，

解得，

2.4 沿土拱拱形中心线方向应力计算

由于土拱的存在，拱前土体不受剩余下滑力影响，其对土拱的作用力可以近似看作为零。

土拱的底部的沿轴线中心方向的应力为：

把计算式（3）、（4）、（8）代入式（9）得：

3 结论

（1）从现场试验结果说明，疏排桩土钉支护中，桩间能形成土拱。桩的刚度较大，在锚杆拉力的作用下，可以成为土拱的可靠拱脚支承。边坡土体剩余下滑力由土拱传递至桩，通过桩锚支护体系保持稳定。桩间拱前土体不承受剩余下滑力，可采用土钉支护。

（2）在均布剩余下滑力作用下，桩间土拱为等厚度抛物线柱壳，厚度为：

土拱内只有轴力没有弯矩和剪力，处于单向受压状态。

（3）按土拱拱脚极限平衡状态推导出土拱的拱高，明确土钉支护的范围、荷载及作用在支护桩上的荷载，用于支护体系的设计。