王 诚

(后勤工程学院，重庆 401311)

边坡抗滑桩土拱效应的研究现状与进展

王 诚

(后勤工程学院，重庆 401311)

从理论分析、模型试验和数值模拟角度出发，详细分析了当前抗滑桩土拱效应问题的研究现状，在总结成果的基础上为进一步研究土拱效应提出了思路和建议，以供参考借鉴。

抗滑桩，土拱效应，理论分析，模型试验，数值模拟

0 引言

土拱效应的研究已有较长历史，1884年英国科学家Roberst首次发现了“粮仓效应”[1]，这一现象后来被研究人员认为是土拱效应的雏形。1943 年Terzaghi 设计的“活动门试验”验证了土拱效应的存在，分析描述了土拱上的应力分布情况，由此给出了土拱效应存在必须具备的条件：

1)土体之间产生不均匀位移或相对位移；

2)作为支撑的拱脚存在[1]。此后人们通过研究发现，土拱的形成主要是由于土体在自重或荷载的作用下，产生压缩或沉降，即不均匀位移。土体颗粒间的剪应力和法向应力使桩间土体挤压，产生相对位移，使颗粒间互相“楔紧”，将拱上土压力转为轴力再传至拱脚，进而在一定范围的土体中发生土拱效应。土拱效应是通过土体抗剪强度的发挥实现的。

抗滑桩是边坡支挡工程中常用的结构物，抗滑桩在边坡防护工程中得到了大量应用，当前对抗滑桩的桩身强度设计理论已经比较成熟，但当前抗滑桩的设计计算并没有考虑抗滑桩的土拱效应作用，对抗滑桩的合理桩间距等问题没有成熟的理论研究。抗滑桩是一种空间结构，抗滑桩的土拱效应能体现出其空间特性，考虑土拱效应能使抗滑桩的设计更加合理经济，因而抗滑桩土拱效应的研究对抗滑桩的设计理论有很大指导意义。当前对抗滑桩的土拱效应与桩土相互作用机理研究的主要方法有理论分析推导、数值模拟和试验研究。

1 土拱效应的理论研究

1.1 土拱力学模型研究

抗滑桩与土体的相互作用是一个非常复杂的过程，抗滑桩要受到土体传递的荷载，土体的变形与位移也受到抗滑桩的作用，两者是互相作用的过程，这给理论分析土拱效应带来了困难。梁瑶等[2]根据勃朗特—维西克地基承载力理论建立了土拱拱轴线方程，给出了拱高计算公式，其研究结果可以应用于土拱拱高计算公式，确定抗滑桩桩后的潜在滑体，计算作用在桩上的土压力，使抗滑桩、挡土墙的设计更经济。

1.2 基于土拱效应的抗滑桩临界桩间距的理论研究

抗滑桩的临界桩间距是抗滑桩设计的关键问题，牵扯到抗滑桩的安全稳定和经济性，利用抗滑桩的土拱效应能更好的利用土体的抗剪强度，优化桩间距的设计，达到经济合理的目的。何良德等[3]以拱脚的土体强度条件和桩土接触面上任一点土体剪应力不大于抗滑桩承担的最大抗滑力为条件，推导了抗滑桩桩间距L，结合绕流阻力公式，以绕流阻力为控制条件推导求出桩间距，两者取较小值即为最大桩间距。

当前的相关推导计算在土拱拱脚处的模型都认为桩后是三角受压区，三角受压区分析模型在拱脚处大主应力方向与破裂面夹角不满足Mohr-Coulomb强度准则，且公式中对桩后滑体土粘聚力为0时的计算结果与实际不符，针对这些问题，肖世国等[4]认为两侧土拱交汇形成的是倒梯形受压区，建立了桩间净距的控制方程组，通过迭代求解。该方法仍采用了一定的假定，可以采用安全系数偏于保守地计算边坡抗滑中抗滑桩的设计。

2 土拱效应的模型试验研究

土工试验中，原位试验消耗人力物力大，试验周期长，试验条件有限，而模型试验的方法可以根据研究的具体需要设定参数，如桩土材料参数、边界条件等，其结果可以与数值模拟的结果验证，可信度较高，因而在土拱效应的研究中得到了大量应用。模型试验的方法主要包括室内模型试验和离心模型试验。

2.1 土拱效应的室内模型试验研究

孙书伟等[5]基于相似理论设计了室内模型试验，分别对微型抗滑桩和悬臂式抗滑桩进行研究。试验中改变桩间距，分析抗滑桩在相同边界和荷载条件下的受力特性，分析得出最佳距径比。梁瑶等[2]利用自制的土拱试验仪进行了室内模型试验，模拟了桩后土体中的土拱效应，直观反映了土拱的形状和拱高。试验发现桩间土的土体参数对土拱的拱高有影响，内摩擦角φ影响较明显，进一步建立了拱轴线方程和拱高的计算公式，并结合了工程实例分析。文中采用的土拱试验仪是土拱效应模型试验技术中的一大突破，可以通过该试验仪直观反映土拱的形状和拱高，更好的观察土拱效应的试验现象。

2.2 土拱效应的离心模型试验研究

模型试验相对于现场试验具有许多的优点，但是小比例尺模型由于自重远远低于原型，不能再现原型的特性。土工离心模型试验是将土工模型放置于离心机中，相当于增大了模型的自重，补偿了因尺寸缩小而造成的自重损失，使试验能够满足模型与原型应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能较好地再现原型的特性。

杨明等[6]进行了一组离心模型的对比试验，当离心加速度达到40g时，观察发现桩间净距相同时，抗滑桩桩宽越大，对土拱拱脚稳定性越有利的结论。王成等[7]通过离心模型试验研究了抗滑桩桩间距、桩径对桩间土拱效应形成的影响，分别给出了合理桩间净距与桩径的关系。其结果表明，桩间距越小，土拱的受力更接近受压，桩间距越大，拱的受力更接近梁的受力，土拱效应较微弱，所以抗滑桩设计时合理的桩间距是关键问题。

3 土拱效应的数值模拟研究

由于试验条件和技术手段的限制，无法在抗滑桩桩间、桩后土体中各个位置埋设大量土压力盒测得桩间、桩后土体任意一点的土压力，也无法观察到土体颗粒的应变，当前条件下较难通过模型试验得到的土压力数据更深入分析抗滑桩土拱效应的力学模型。近些年随着大型有限元软件的发展成熟，数值模拟成为研究土拱效应的重要手段。

3.1 土拱效应的二维数值模拟研究

土拱效应事实上是空间问题，但是Chen等[8]通过有限元软件模拟了抗滑桩与边坡土体的相互作用，对比二维、三维桩间土体位移图发现采用平面问题能较好模拟出三维状况下的桩土相互作用问题，此后很多研究人员将桩土相互作用问题简化成二维问题，为研究带来方便。

Liang[9]、张建勋[10]将被动桩土拱效应问题简化为二维问题，假定土层位移仅限于水平方向，桩体受水平向约束，利用有限元软件研究桩间距、外荷载、土体的粘聚力c和内摩擦角φ对抗滑桩的荷载分担比的影响，均认为桩间距是影响抗滑桩土拱效应的最主要因素；桩的界面越粗糙，土拱效应越显著；双排抗滑桩排间距为2倍～8倍桩径时，排间距的改变才对土拱效应产生影响。

3.2 土拱效应的三维数值模拟研究

土拱效应具有一定的空间特性，运用有限元软件从三维角度研究桩排间土拱效应相比二维模型能更准确模拟出前后桩位移的差距，申永江等[11]针对此问题建立了三维有限元模型，分析了抗滑桩桩排间土拱效应的形成与发展机理，分析了各因素对土拱效应的影响，其中桩间距、桩排距对土拱效应影响明显。

董捷等[12]认为悬臂桩的土拱效应具有空间特性，建立了三维有限元模型，研究了悬臂式抗滑桩的悬臂高度、桩间距、荷载和桩后土体的抗剪强度对土拱效应的影响，提出桩间土稳定时桩后土压力完全由桩承担，可以采用法向应力的突变程度来衡量桩间土拱效应。该文提出了除桩土荷载分担比以外的一种新的衡量桩后土拱效应的方法，可以运用此方法结合数值模拟和模型试验进一步分析不同土体、各种其他形式的抗滑桩的土拱效应。

4 结论与展望

当前对抗滑桩土拱效应的理论分析推导、数值模拟和模型试验的研究取得了较多成果。但对土拱效应的形成机理、影响因素的定性分析、土拱效应程度的评价机制仍有待进一步明确。总结前述文献的研究成果，提出以下几点分析展望：

1)当前抗滑桩土拱效应的各种研究大都是假定桩后土层单一且均匀分布，事实上在工程实际中这种理想的情况是非常少见的，土体的粘聚力和内摩擦角对土拱效应的产生和发展都有影响。同时边坡土体中地下水的作用也会对桩后土体的土拱效应有影响，当前对这些问题研究很少，所以在数值模拟和试验分析时，应结合工程实际考虑桩后土层分层分布，同时考虑到地下水的作用。

2)虽然现场试验消耗人力物力大、试验周期长、试验条件有限、试验影响因素较多，单个现场试验结果适用性较窄，但现场试验真实准确，能够最完整反映土拱效应的真实现象，现场试验研究是了解抗滑桩桩土相互作用最直接的办法，试验研究现象也是理论推导分析的基础。在当前对土拱效应的部分问题缺乏明确统一认识前，现场试验具有不可替代的优势，今后可有针对性的进行现场试验。

3)董捷提出的采用法向应力的突变程度来衡量桩间土拱效应的方法提出了一个新思路，但仅对悬臂式抗滑桩做了模型试验和数值模拟研究，可以进一步进行其他桩型，如埋入式桩、双排布置桩、群桩等的模型试验和数值模拟分析，采用法向应力的突变程度评价土拱效应，并结合计算桩土荷载分担比的方法综合对比分析，从而多角度地综合评价分析抗滑桩的土拱效应的发挥程度、各因素对抗滑桩土拱效应的影响。

[1] Terzaghi K.Theoretical soil mechanics[M]．John Wiley & Sons，New York，NY，1943.

[2] 梁 瑶，蒋楚生，李庆海，等.桩间复合结构土拱效应试验与受力机制研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(S2)：3825-3828.

[3] 何良德，何英发，刘江林，等.黏性土抗滑桩桩间土拱分析及合理桩间距研究[J].科学技术与工程，2014，4(2)：90-92.

[4] 肖世国，程富强.再论悬臂式抗滑桩合理桩间距的计算方法[J].岩土力学，2015,36(1)：111-116.

[5] 孙书伟，朱本珍，马惠民.框架微型桩结构抗滑特性的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S1)：3039-3044.

[6] 杨 明，姚令侃，王广军.抗滑桩宽度与桩间距对桩间土拱效应的影响研究[J].岩土工程学报，2007，29(10)：1477-1482.

[7] 王 成，王 东，陈夏雨，等.桩间土拱效应离心模型试验研究[J].地下空间与工程学报，2012,2(8)：33-36，98.

[8] Chen C Y，Martain G R．Soil-structure interaction for landslide stabilizing piles[J].Computer and Geotechnics，2002，29(5)：363-386.

[9] Liang R，Zeng S．Numerical study on soil arching mechanism in drilled shafts for slope stabilization[J].Soil and Foundation,2002，42(2)：83-92.

[10] 张建勋，陈福全，简洪钰.被动桩中土拱效应问题的数值分析[J].岩土力学，2004，25(2)：174-178,184.

[11] 申永江，杨 明，项正良，等.双排桩桩间土拱效应的发育规律研究[J].水文地质工程地质，2015，42(1)：70-74.

[12] 董 捷，张永兴，文海家，等.悬臂式抗滑桩三维土拱效应研究[J].工程勘察，2009(3)：5-10，30.

Current status and progress of soil arching effect of anti-slide piles

Wang Cheng

(LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

Based on the result of theory analysis， model test and numerical simulation, this paper makes a elaboration of current status of the study on soil arching effect. At the same time, this paper gives some suggestions for further study on soil arching effect of anti-slide piles, so as to reference.

anti-slide pile， soil arching effect， theory analysis， model test， numerical simulation

2015-08-13

王 诚(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)31-0059-02

TU473

A