基于ABAQUS的桩土相互作用机理的研究方法探讨

摘 要：抗滑桩作为边坡支挡结构物因其施工便利抗滑效果好等优点，在滑坡治理中得到了广泛的应用，作为影响工程经济性的主要原因之一，桩间距的确定在工程实际中多采用经验公式。从土拱效应出发，根据当前对土拱形成机理的研究成果，提出通过开挖桩间及桩前土体来分析桩后土拱和桩间土拱的相互作用关系的有限元数值模拟方法，对基于土拱效应的桩间距的计算公式的确定将有有益的参考。

关键词：抗滑桩土拱效应 桩土相互作用 ABAQUS

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0060-01

作为抗滑工程最重要的设计参数，桩间距不仅关系到工程的安全性，更关系到工程投资的经济性。所以，对于桩间距的确定受到了很多学者门的关注。要确定合理桩间距，就要对抗滑桩与滑坡体的相互作用机理进行深入的研究[1]。

在试验研究方面，杨明等通过离心模型试验，对抗滑桩加固滑坡形成土拱效应的现象进行了研究。常保平提出主要根据抗滑桩的桩后土拱强度条件建立了桩间距的计算方法。周德培等在常保平研究的基础上，增加考虑了桩间土摩擦力的影响，提出了基于桩后土拱效应的桩间距计算模型[2]。王成华等以抗滑桩两侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力作为桩间距计算的控制条件，提出了最大桩间距估算模型。但是由于最大桩间距估算模型未能考虑最大桩间土拱与滑床之间的摩擦力，因此其模型的应用具有一定的局限性[3]。以上两种桩间距的计算公式是基于桩后和桩间土拱的强度条件，因为除了土体本身的性质，抗滑桩的桩间距也对土拱的形成具有重要的影响作用[4]。

除此以外，传统的理论研究将边坡失稳，土拱的形成、作用、破坏的过程视为各个独立的阶段，忽视了土拱形成时桩后和桩间土拱对抗滑的协同作用。针对上述问题，该文利用有限元分析软件ABAQUS，考虑在桩间和桩前土体开挖的情况下，土拱的形成机理、作用过程对桩后和桩间土拱的力学传递模式进行分析，探讨桩后土拱和桩间土拱作用协同机制的研究方法。

1 模型建立

该文基于ABAQUS模拟边坡抗滑桩桩土相互作用，桩土模型采用理想的弹塑性理论―摩尔库伦理论，模型的底端固定，两侧关于限制其水平方向位移。桩侧与土侧采用摩擦接触。模型参数见表1，模型尺寸见图1。

模型采用形状简单的边坡分析，坡高为10m，坡度为1：1.5，坡脚距边坡模型前沿的水平距离为10m，坡顶距边坡后缘的水平距离为15m，边坡后缘的上顶点距下顶点的垂直距离为20m，边坡的宽度为20m。

2 模型计算分析

土拱具有拱的一般性质，具有拱脚，拱身所承担的力沿着拱轴线传递到拱脚处，但由于土的性质（c，）决定了土拱又不同于一般物理意义上的拱，其强度要刚度要远小于混凝土等刚性材料拱，其拱身所受到的滑坡推力有一部分直接沿拱身传递到拱的下侧即桩间处[4]。而传递到桩间的滑坡推力亦使桩间形成土拱，即桩后土拱和桩间土拱是先后形成，相互协同。通过考虑土方开挖的方式，可以研究桩后土拱和桩间土拱之间的传力机理，将边坡抗滑桩间土体（图2）与桩前土体（图3）开挖，分别研究抗滑桩在抵抗滑坡时，桩后土拱与桩间土拱的协同关系并对桩前土体对抗滑的影响进行分析。

如图2，为完整边坡模型，模型长40m，宽20m，坡下平台长10m，坡上平台长15m，坡高10m，桩间净距为2m，模型下部2m为嵌固层，图3和图4分别为开挖桩间和桩前土体的计算模型。三种模型除开挖土体外，其余尺寸和属性完全一致。

3 问题与结语

抗滑桩治理边坡、滑坡，其原理是依靠桩与桩周岩土体的共同作用把滑坡推力传递到稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力，使滑坡稳定，但滑坡推力传递的前提条件是能在相邻的抗滑桩间形成土拱。经上述计算分析可论证以下问题。

（1）在抗滑时，桩后土拱承担滑坡力的比例，桩后土拱的形成与桩间土拱的形成的关系，是否存在协同作用，共同抵抗滑坡推力。

（2）土拱的形成与众多因素如土的性质（），桩间净距、悬臂高度、滑面摩擦、以及桩间距等的关系。

（3）该模型忽略了地下水、植被的因素的影响，实际设计中应把这些也考虑进去，以便更准确地确定抗滑桩的最大间距。

参考文献

[1] 吕庆.边坡工程灾害防治技术研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[2] 周德培，肖世国，夏雄.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.

[3] 李长冬.抗滑桩与滑坡体相互作用机理及其优化研究[D].武汉：中国地质大学，2009.

[4] 董捷，宋绪国，许再良.考虑土拱效应的锚杆加固桩间土机理研究[J]，铁道工程学报，2013（8）：45-51.

[5] 张建华，谢强，张照秀.抗滑桩结构的土拱效应及其数值模拟[J]，岩石力学与工程学报，2004，23（4）：699-703.

[6] 胡焕校，刘静，吴海涛，等.抗滑桩桩后土拱效应特征的三维数值研究[J]，工业建筑，2010（3）：88-93.