基于PFC5.0的桩土相互作用机理的研究方法探讨

摘 要：抗滑桩的桩身截面积比较大，所以它的抗滑能力较强，因此是用于加固坡的有利措施。抗滑桩的抗滑机理在于桩身、滑床、滑体三者相互协调作用。受到滑坡推力时，抗滑桩周围的土体产生不均匀的位移，土颗粒之间挤压、楔紧，部分土体生成土拱。本文基于离散元软件PFC5.0，模拟在不同桩间距下，抗滑桩与地层相互作用的细观特性，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；细观受力特征；PFC5.0

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.079

滑坡是目前世界上最严重的地质灾害之一。仅中国每年就有体积达数百万甚至上亿立方米的自然滑坡。由于经济建设的需要，从陆地至海洋，由平原到山区，大量人为工程的活动与兴建使得自然环境发生改变而产生人工边坡，其失稳频繁，损失大于自然滑坡，给世界各国造成的经济损失估计每年可达数十亿美元，整治费用惊人。

稳定地层对抗滑桩的锚固力和被动抗力平衡了滑坡推力。与挡墙、锚杆等抗滑措施相比较，抗滑桩的优点是：能和其他抗滑措施灵活地配合、抗滑能力更强、适用性更加广泛、施工安全便捷、不容易使滑坡的原始状态恶化、且能核实地质条件。在矿山边坡、铁路、公路滑坡、工业与民用建筑基坑支护、港口等边坡工程中，抗滑桩被广泛利用。

土体实际上是不连续不均匀的散粒体，目前抗滑桩与土拱效应的研究成果颇丰，可是大部分土拱效应的研究都是基于连续均匀介质，只有基于连续均匀介质上的研究结果才能更为准确地描述抗滑桩土拱效应的形成机制和变化过程[1]。

1 模型建立

研究对象选取两根抗滑桩及其中间的土体，把抗滑桩看做锚固于滑床，且贯穿滑动面和滑体的刚性体。基于PFC5.0软件，通过其内置的FISH函数编制程序，假设颗粒小球的半径不一，这样能更好地逼近土体的微观特性，颗粒半径R的范围是Rmin～Rmax。编程试算，确定Rmin和Rmax，多次试算，得到最接近真实土体的颗粒参数，使得模拟的土体力学特性与真实土体更为接近[2]。

2 模型计算分析

给加载墙一个恒定速度，使之匀速向前，速度方向如图1，随着加载墙的位移增加，抗滑桩承担的荷载也逐渐加大，土拱效应愈发明显。当土拱达到极限荷载时，若加载墙进一步向前，土拱一侧拱脚开始破碎，作用于土拱上的荷载向另一侧拱脚转移，随后，另一侧的拱脚也开始破碎，最终整个土拱破碎，作用于桩体上的荷载快速减小。随着加载墙继续向前，又一次出现土拱，此时土拱承担的荷载比极限荷载小很多，称之为残余荷载。而后，加载墙的位移继续增加，土拱一直是破碎、形成、再破碎、再形成，残余荷载处于波动幅度不大的变化中。

观察分析发现，土体作为不均匀不连续的散粒体，当受到来自加载墙的荷载时，形成土拱，且土拱一直是一侧拱脚先破坏，然后荷载转移至另一侧拱脚，另一侧拱脚由于荷载增大，也迅速破坏，最终土拱完全破坏。之后，随着加载墙继续向前，土体内部应力调整，形成新的土拱，随着土体变形的增大，土拱不断调整变化，但仍具有一定的荷载承担能力[3]。

在抗滑桩的设计中，合理桩间距的确定能有效控制工程成本，提高工程的安全可靠度。设桩径为D，分别建模研究桩间距在3D～6D范围内的情况，在其他参数不变的前提下，比较在不同桩间距的情况下，抗滑桩发挥的抗滑作用大小，由此确定最为合理的桩间距。

由图3可见，土颗粒的位移大小随着深度有很大的变化，随着深度增加，位移相应减小。

3 问题与结语

（1）真实的地层结构复杂多变，PFC软件通过重力沉降得到的地层与实际差距可能较大；

（2）滑坡的重要诱发因素是降雨，雨水渗透会导致土体的某些参数改变，而软件可能无法模拟出真实情况；

（3）模拟过程中小球数量过多会影响计算速度。

（4）抗滑桩嵌入滑床部分的建模较困难。

参考文献：

[1]姜春林.微型抗滑桩土拱效应空间特征的细观力学分析 [J].岩土力学，2012，33（06）.

[2]刘庆涛.抗滑桩细观受力特征的数值模拟研究[J]，安全与环境 工程，2012，19（04）.

[3]向先超.基于颗粒流的抗滑桩土拱效应研究[J]，岩土工程学报 ，2011，33（03）.

作者简介：蔡赛男（1993-），女，硕士，研究方向：港口工程结构与岩土工程。