中鐵十七局集團(tuán) 第一工程有限公司 李熙穎

抗滑樁樁間土拱效應(yīng)離心模型試驗(yàn)研究

中鐵十七局集團(tuán) 第一工程有限公司 李熙穎

就當(dāng)前來看，人們對抗滑樁自身強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和處理已經(jīng)形成了一套完整的理論，但對樁間距的合理選擇卻沒有一套成熟的方法，大多是憑經(jīng)驗(yàn)來確定。但如果樁間距過小，勢必會(huì)增加成本；樁間距過大，則很可能不會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，易使樁間土體滑動(dòng)，導(dǎo)致建筑損壞。因此，在設(shè)計(jì)抗滑樁時(shí)，樁間距是必須慎重決定的一個(gè)重要參數(shù)。本文，筆者通過FLAC3D軟件，對砂土中的樁間距進(jìn)行離心模型分析，以研究不同間距情況下的樁間土拱穩(wěn)定性。這不僅對抗滑樁的設(shè)計(jì)具有一定的理論意義，而且對工程實(shí)踐也有較大的指導(dǎo)作用。

一、實(shí)例分析

利用FLAC3D軟件，對樁間凈距分別為5d，6d和7d的樁體進(jìn)行分析（d為樁體直徑），得出的樁體彎矩曲線及不同樁間距下的彎矩對比如圖1 ～ 4所示。

由圖1 ～ 4可知，樁間距為5d時(shí)，樁間土形成連拱，且土拱矢高較小，樁間土體有開裂趨勢；樁間距為6d，7d時(shí)，樁間土流出，土拱矢高急劇增大；樁體彎矩隨樁身高度呈拋物線形分布；當(dāng)樁間距增大時(shí)，樁體彎矩也隨之增大。

從以上分析可知，抗滑樁樁間距越大，拱的受力值就越接近梁的受力值，就越難以產(chǎn)生土拱作用；抗滑樁樁間距越小，土拱的受力值就越能體現(xiàn)受壓的實(shí)際情況，對土拱結(jié)構(gòu)的受力就越有正面意義?？傊?，樁間距越大，土拱效應(yīng)就相應(yīng)越弱。

二、 對抗滑樁合理樁間距的探討

從理論上來講，滑坡工程的土拱問題是一個(gè)空間問題。這就導(dǎo)致難以給其建立模型，再加上力系的復(fù)雜性，因而建立模型就更是難上加難。本文，筆者將這個(gè)問題簡化為有一定夾角的平面土拱問題來研究。

1.由矢高確定合理間距。在均布荷載作用下，可以假定拱的合理拱軸線呈拋物線形。這個(gè)合理拱軸線的每一個(gè)截面上只存在壓力，不存在彎矩和拉力。

在此次試驗(yàn)中，當(dāng)樁間距為n倍樁徑時(shí)，可建立如圖5所示的坐標(biāo)系。

假定土拱中軸d 線拋物線方程如下：

當(dāng) y＝f時(shí)，x＝ 0 ，則

當(dāng) y ＝ 0時(shí)，x ＝（n－0.5）d/2 ，則

將式（2）、式（3）代入式（1），可得土拱中軸線方程為：

從式（4）可知，土拱中軸線方程由n ， f 確定。若能建立函數(shù) f （n） ，就可由n ， f 直接確定土拱拋物線方程。假定函數(shù)f （n） 為一元二次方程，即

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，n＝5時(shí) ，f＝1.5 cm；n＝6時(shí) ，f ＝1.7 cm；n＝7時(shí) ，f ＝3.1 cm。將以上數(shù)據(jù)代入式（5），求解得函數(shù) f （n）的一元二次方程

方程兩邊對n求導(dǎo)，可得

當(dāng) f '＝ 0時(shí)，n＝ 5.3， f 有最小值，即樁間距為5.3倍樁徑時(shí)，土拱矢高最小，為最佳樁間距。

將式（6）代入式（4），可得土拱中軸線方程

2.由彎矩確定合理樁間距?？杉俣扼w彎矩與樁間距的變化曲線函數(shù)M（n）為一元二次方程，即

由試驗(yàn)所得的測點(diǎn)最大彎矩值可知，n＝5時(shí)，M＝ 23.43 N·m；n ＝ 6時(shí)，M＝ 25.78 N·m；n＝7 時(shí)，M＝ 53.51 N·m，將以上數(shù)據(jù)代入式（9），可得a＝12.7 N/m，b＝－137.36 N/m ，c＝393 N·m。將 a，b ，c 的值代入（9），可得函數(shù)M（n）的一元二次方程為：

方程兩邊對n求導(dǎo)，可得

當(dāng) M '＝0時(shí)，n＝5.4 ，M 有最小值，即樁間距為5.4倍樁徑時(shí)，彎矩值最小，為最佳樁間距。

三、結(jié)論

1.樁間距與土拱矢高關(guān)系分析。樁間距較小時(shí)，土拱矢高較大，土拱受力呈現(xiàn)受壓特征，容易形成穩(wěn)定的土拱，土體不致從樁間滑出。樁間距較大時(shí)，土拱曲線形狀趨于平緩，土拱矢高較小，土拱的受力趨于梁的受力，難以形成穩(wěn)定的土拱效應(yīng)；或者說土拱效應(yīng)隨樁間距的增大而減弱。

2.最佳樁間距的確定在一定條件下的砂土中，抗滑樁的最佳樁間距為5.2 ～ 5.5倍樁直徑。樁間距過大，就無法起到攔阻作用；樁間距過小，則工程造價(jià)較高。只有保持合理的樁間距，才能在保證工程結(jié)構(gòu)的同時(shí)，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。