周喜武 朱俊高 任玉彬 王星彥 呂曉云

（1.江蘇省水利工程科技咨詢(xún)股份有限公司 南京 210029 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210098）

1 引言

抗滑樁是利用土體對(duì)樁的嵌固作用和樁與土體的共同作用來(lái)穩(wěn)定岸坡土體，承擔(dān)并傳遞部分土推擠力的工程構(gòu)筑物，與工程中常用的擋土墻相比，抗滑樁具有施工方便、加固效果突出等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于加固岸坡、提高穩(wěn)定性。在抗滑樁設(shè)計(jì)中，首先需要確定抗滑樁為土體提供阻力的大小，之后根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況確定樁徑、樁間距及樁長(zhǎng)等。

由于樁土相互作用機(jī)理的復(fù)雜性，目前抗滑樁設(shè)計(jì)的原理和方法尚不十分成熟，特別是抗滑樁的極限阻力的計(jì)算，仍需進(jìn)一步研究。本文采用平面應(yīng)變有限元法，研究不同深度土層中樁徑及土體力學(xué)參數(shù)對(duì)抗滑樁極限阻力的影響規(guī)律，提出了考慮土體內(nèi)摩擦角和泊松比非線(xiàn)性影響的抗滑樁極限阻力計(jì)算方法，可供抗滑樁設(shè)計(jì)和極限阻力計(jì)算時(shí)參考。

2 抗滑樁極限阻力的影響因素分析

由于抗滑樁樁周土體主要沿水平向?qū)Υ怪睒蹲飨鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，而在沿樁深度方向變形很小，故假定樁周土體在深度方向上處于平面應(yīng)變狀態(tài)。通過(guò)采用平面應(yīng)變有限元法模擬不同深度土層中抗滑樁與土體的相互作用關(guān)系，研究抗滑樁直徑、樁周土體初始側(cè)向應(yīng)力以及土體力學(xué)參會(huì)變化對(duì)樁極限阻力的影響規(guī)律，整理出樁極限阻力計(jì)算方法。

本文進(jìn)一步研究了抗滑樁極限阻力的影響因素，抗滑樁極限阻力與土體內(nèi)摩擦角、泊松比的關(guān)系如圖1、圖2所示，各參數(shù)變化率與樁極限阻力變化率的關(guān)系如圖3所示。由圖1、圖2、圖3 可知，抗滑樁極限阻力隨著抗滑樁直徑、土體粘聚力、內(nèi)摩擦角及泊松比的增大而增大，且內(nèi)摩擦角和泊松比對(duì)極限阻力的影響是非線(xiàn)性的。但以往抗滑樁極限阻力計(jì)算中，未考慮泊松比的影響。另外，土體彈性模量對(duì)抗滑樁極限阻力的影響相對(duì)較小。

圖1 樁極限阻力與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖2 樁極限阻力與泊松比的關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖3 各參數(shù)變化率與樁極限阻力變化率的關(guān)系圖

3 抗滑樁極限阻力計(jì)算方法

3.1 抗滑樁極限阻力計(jì)算方法

為在抗滑樁極限阻力的計(jì)算中體現(xiàn)土體內(nèi)摩擦角以及泊松比的非線(xiàn)性影響，本文通過(guò)分析整理有限元計(jì)算成果，采用求解非線(xiàn)性方程組一組實(shí)根的蒙特卡洛法，給出考慮土體內(nèi)摩擦角和泊松比非線(xiàn)性影響的抗滑樁極限阻力計(jì)算方法：

式中：Fu（z）—抗滑樁在土層深度z 處的極限阻力，kN/m；

D—抗滑樁直徑，m；

σh—樁周土體初始側(cè)向應(yīng)力，kPa；

c—粘聚力，kPa；

φ—內(nèi)摩擦角，°；

本文計(jì)算方法中泊松比的取值，據(jù)黃文熙的《土的工程性質(zhì)》，較硬粘土可取0.2，一般粘土可取0.3，軟粘土可取0.4。

3.2 公式精度分析

圖4 樁極限阻力本文公式計(jì)算值與有限元計(jì)算值比較圖（內(nèi)摩擦角變化時(shí)）

圖5 給出了泊松比取值變化時(shí)，抗滑樁極限阻力有限元計(jì)算結(jié)果與本文方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。由圖可知，以上兩種方法得出的極限阻力值很接近，說(shuō)明參數(shù)對(duì)泊松比非線(xiàn)性擬合精度較好。

圖5 樁極限阻力本文公式計(jì)算值與有限元計(jì)算值比較圖（泊松比變化時(shí)）

3.3 圓形樁與矩形樁極限阻力的換算關(guān)系

本文抗滑樁極限阻力計(jì)算方法是采用圓形樁的有限元成果分析得出的。除了圓形樁，工程中經(jīng)常應(yīng)用的抗滑樁還有矩形樁，常用的截面尺寸有1.0m×1.0m、1.0m×1.5m 和1.5m×1.5m 等。

關(guān)于圓形樁與矩形樁極限阻力的換算，《抗滑樁

本文采用平面應(yīng)變有限元法分析了圓形樁與矩形樁極限阻力的換算關(guān)系。圖6 為本文抗滑樁極限阻力有限元分析中所選取的三種截面型式。為研究樁側(cè)邊對(duì)極限阻力的影響，對(duì)于1.0m×1.5m 的矩形樁采用短邊作為正面的布置方式。

圖6 極限阻力有限元計(jì)算中的三種樁截面型式圖

表1 為有限元計(jì)算得到的圓形樁與矩形樁極限阻力的換算關(guān)系。在表1 中，兩種矩形樁的正面邊長(zhǎng)均為1.0m，與圓形樁直徑相同。由表1 可知，當(dāng)圓形樁的直徑與矩形樁的正面邊長(zhǎng)相等時(shí)，方、圓樁極限阻力的換算關(guān)系為F矩形=αF圓形，方、圓樁換算系數(shù)α根據(jù)樁周土體的內(nèi)摩擦角值按表1 進(jìn)行線(xiàn)性插值取用。

表1 矩形截面樁與圓形截面樁極限阻力的關(guān)系表

分析表1 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩種矩形截面樁側(cè)面邊長(zhǎng)不同，但兩者的極限阻力基本相同，說(shuō)明樁的極限阻力主要由樁的正面提供，而樁側(cè)邊對(duì)極限阻力的貢獻(xiàn)很小。進(jìn)一步分析可以得出，在抗滑樁設(shè)計(jì)中，樁的側(cè)面邊長(zhǎng)滿(mǎn)足樁身強(qiáng)度和剛度要求即可，而樁身正面邊長(zhǎng)的增加對(duì)提高樁的抗滑阻力是有效的。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析整理有限元計(jì)算成果，本文給出了考慮內(nèi)摩擦角和泊松比非線(xiàn)性影響的抗滑樁極限阻力計(jì)算方法：。

（2）當(dāng)圓形樁的直徑與矩形樁的正面邊長(zhǎng)相等時(shí)，方、圓樁極限阻力的換算關(guān)系為F矩形=αF圓形，方、圓樁換算系數(shù)α根據(jù)樁周土體的內(nèi)摩擦角值按表1 進(jìn)行線(xiàn)性插值取用。

（3）由于樁側(cè)邊對(duì)極限阻力的貢獻(xiàn)很小，在抗滑樁設(shè)計(jì)中，樁的側(cè)面邊長(zhǎng)滿(mǎn)足樁身強(qiáng)度和剛度要求即可，而樁身正面邊長(zhǎng)的增加對(duì)提高樁的抗滑阻力是有效的■