王正龙WANG Zheng-long；陈春银CHEN Chun-yin

（中煤长江基础建设有限公司，南京 210046）

0 引言

抗滑桩作为支挡结构，在地质灾害风险防治工程、边坡工程以及基坑工程等基建工程中，均有着广泛的应用，并且应用力度和研究深度日渐增大。基建工程施工期间，设计抗滑桩，须采取非连续结构设计理念，综合运用土体结构自身所具有的强度，从而形成拱效应[1]。通过抗滑桩桩体之间的土体形成的下滑推力，达到对周围土体进行支撑的目的。简而言之，在基建工程施工环节，加强桩间土拱效应利用，可实现不间断支护效果。

1 土拱效应现状分析

土拱效应普遍存在于自然界中，在承受外界荷载压力时，土拱具有很大应用优势，所以在基建工程施工期间，土拱效应原理普遍在隧道拱顶、桥拱等多个方面有所体现。在十九世纪八十年代中期，土拱效应最早是英国科学家经过实际调查发现的“粮仓效应”。随着技术发展，太沙基通过实验探究，从科学角度印证土拱效应存在，自此之后，研究土拱效应的规模逐渐扩大，理论成果和实践成果增多。

土拱的形成，主要是受到外部荷载介质影响，导致土层出现不均匀位置移动，导致土层内部的应力发生转变，形成新的分布状态。除此之外，土体相互之间的粘聚力以及摩擦力，对土层产生影响，使之变成拱状结构形态。土拱效应是将压力通过拱脚传输到稳定介质中，介质在接受压力后将其进行转化，形成拱轴力，最终形成土拱。

2 土拱效应理论分析

基建工程施工期间，若是周围土层出现滑动趋势，施工人员要提前作出勘探，将抗滑桩工程落实到实处[2]。抗滑桩在土建工程施工期间，会受到自身因素影响而出现变形，对土层滑动产生阻碍作用。抗滑桩之间的间距不同，其形成的坡体外侧移动趋势也存在差异性。当抗滑桩前方位置的土体开挖时，土层外侧移动趋势也会表现出明显的增加态势。土压力不均匀的原因，归根结底是抗滑桩受到土体的不间断挤压，此横向位移距离比土体位移距离要小，桩体的部分约束为桩间土体，不同的约束压力下桩体的剥落程度不同。换言之，由于处于不同的地方，相邻两桩的位移因此也不同。抗滑桩周围地方的土体出现的不均匀位移，会在很大程度上对各位置的土体抗剪作用形成影响，土壤颗粒在土层中形成楔紧作用，因而产生土拱效应[3]。

通过形成土拱来改变介质应力是土拱效应的特点，当应力重新分布时，拱起后层的压力通过拱脚传递到稳定介质。造成土拱效应存在的原因有三点，第一，土拱的支撑部分要有坚固的拱脚。第二，土层存在相对位移或不均匀位移。第三，拱在土层中的剪力值不应低于成土后的抗剪强度。只有当土层处于上述环境时，才能对其强度进行调整，以达到抗剪应力、达到静力平衡的目的。

在基建工程实施期间，土拱效应会受到土层内部的粘聚力和摩擦角的相互作用影响，造成部分土层出现不均匀位移现象和变形现象，但是其他部门是会在一定时间段内保持相对静止的。这种情况出现，摩擦力会在有位移活动的土和无位移活动的土之间产生，减少对有位移土的支撑压力并增加对无位移土的支撑压力，取得良好的施工效果[4]。

土拱效应是通过调节土的抗剪强度，使土拱处的剪应力低于土的抗剪强度。在研究土拱效应期间，抗滑桩无论是结构力学还是定义上都属于一种承力结构，都可以清楚的发现，通过对抗滑桩土体的滑动情况作出控制，抗滑桩两侧位置能够对桩基后部分的坡体压力予以承担。两个相邻的抗滑桩与拱脚的作用相似，利用拱将受力情况传输到拱脚位置，实现抗滑桩的坚固性和稳定性。

3 土拱效应的内力特征分析

3.1 研究假设

综合考虑土体所有材料的基本性质，对计算模型作出简化处理，可完成以下研究假设。第一，土拱后土层的推力按照集度分布，与拱跨度方向保持一致，拱前基本保持临空面。第二，拉应力没有在拱轴线横截面的上方位置出现。第三，拱脚可以以相邻的两个抗滑桩为保证，不能存在任何转动约束，同时属于无铰拱[5]。

如图1 所示，根据这些假定，如结构力学中的无铰拱原理，悬链线是合理拱轴线的基本形式，其关系表达式如下所示：

图1 拱轴线受力分析图

在公式中，l 为土拱净跨度，f 为土拱矢高，l 和f 均表示为坐标系。

悬链线拱的力学特点受到荷载集度作用影响，在拱轴线的上方位置界面处不存在剪力和弯矩。沿着轴线切线的方向，拱圈会受到轴向压力作用，位于单向受压应力的状态。根据静力平衡可知：

3.2 土拱力学计算原理

在土拱效应影响之下，抗滑桩具有十分复杂的受力特性，综合抗滑桩支座而获得三角拱。以结构力学为基础，运用力矩平衡条件和力完成土拱轴线方程建立。

在公式中，h 表示土拱高度，H 表示的含义为水平反力，N 表示的含义为拱顶界面轴力，V 表示的含义为竖向反力。

3.3 确定抗滑桩间距[6]

在抗滑桩的设计计算中，确定抗滑桩间距是分析抗滑桩力学特性的关键要素。经过验算两个抗滑桩之间的土体抗压强度值，明确桩间距。拱脚与拱顶两个位置最易遭受到毁坏，以土的极限平衡条件为依据，通过两个截面强度值再次明确桩基之间的间距，完成关系表达式建立[7]。

3.3.1 抗滑桩间距的上限解

为保证桩前土体在桩间不滑出，桩前土体的应力应小于桩前土体的抗滑力。文中还考虑了桩土间摩擦桩的直接作用。依据在静力平衡条件下，定量地得到了抗滑桩桩距的上限解。

如图2 所示，在天然状态下，下滑力的曲线为abcdef；在设计情况下，曲线为ab’d’e’f’；在断面1，2，3，……处，总下滑力为p1，p2，p3……；抗滑桩，处于断面4 处。

图2 自然情况及设计情况下的下滑曲线图

图3 中，当土体单元1-2-3-4 发生滑动与位移时，就务必克服1-2 和3-4 侧的阻力。取得1-2-3-4 上的一块计算单元，假定计算单元的摩擦系数为f，作用在dy 上的上部应力为R，下部应力为R+dR。假定水平应力和垂直压力之比为λ，那么1-2，3-4 面上的摩阻力为2fλR，根据静力平衡为：

图3 土体1-2-3-4 的计算单元

在边界条件（y=0，R=Pn）下的解为：

式（7）适于任何一单元，将f 和λ 代入上式即可得到R 值。本段之始P0=0，A=P1/S0l，计算出R 值，把该值赋给下一段的S。重复使用，最终求解出最后一段的R 值。抗滑桩作用于下块的全部荷载，需满足，可化为

其中PS=PS1+PS2，ζ 为桩的传力比系数。

3.3.2 抗滑桩间距的下限解

考虑桩土相互作用和土拱效应的抗滑桩间距下限解是其独有的特点。下限解的核心思想是桩间土体应力传递为0。通常把桩间土体视为各向同性材料，对理论计算进行了简化。假定桩和土体间的摩擦力是为水平应力和垂直压力的比值为λ。滑动面的摩擦阻力也应考虑在内。如图4 所示，为抗滑桩静力平衡图。

图4 抗滑桩静力平衡图

条件式为：

其中

E=RLΨ；F=2 （E+γ1h1D）λtanδ+2ch1；W=γ1h1LD；F0=Wtanφ0+c0LD

式中R 是上限解中最后一结的R；L 表示抗滑桩的中心距；Ψ 表示土拱影响系数；δ 表示抗滑桩与土体间的摩擦角；D 表示抗滑桩的长边长度；h 表示滑体厚度；γ1表示土体的重度；λ 表示水平应力和垂直压力之比；c 表示桩土之间的粘聚力；φ0表示土体的内摩擦角；c0表示土体的粘聚力。

将上述各量代入条件式（9），整理后的：

3.4 被动土压分析

在受到被动土压力的影响后，土的抗剪切力性能会下降，若被动土的影响能力较小时，当滑动面倾斜角不超过5°，那么此时可利用的土拱压力与抗变形作用进行抵消，但是这种效果比较弱，因此会减少被动土压力支撑。只有土拱被破坏，被动土压力支撑才能得到充分利用。所以，在分析抗滑桩期间，被动土压力可以忽略不计。

3.5 分析剩余下滑力

受到滑坡推力影响，土拱沿着滑动方向会出现不同程度的形变问题，待变形以后，将会出现剩余下滑力。将土拱进行划分，使其形成多个块状，在计算剩余下滑力时，按照以下公式展开：

在公式中，Ri余为土拱在第i 段下的剩余下滑力；Wi表示在第i 段下的土拱重量；αi表示在第i 段下的土拱倾斜角度；ci表示在第i 段下的土拱粘聚力与内摩擦角。

3.6 拱脚内力表达式[8]

假设抗滑桩为单排分布，形成具有连续性和对称性的土拱。在同一桩后侧的局部位置，毗邻的抗滑桩之间形成三角形受压区。土拱脚最不利的损伤面位于三角形的两腰位置。如果拱圈的土壤遭受到破坏，就需要将其剪出到临空面。分析期间，作了以下假定。首先是土拱的俯视平面应变问题。其次是位于破坏面位置的应力分布处于均匀状态。再次是利用莫尔-库仑公式作为强度分析准则。最后根据三角形破坏面的长度来决定桩的宽度和桩的夹角。[9]

在公式中，t′表示的含义为三角形破坏面长度。t 表示的含义为土拱拱圈厚度。δ 表示的含义为轴向压力法与破坏面夹角。b 表示的含义为桩身宽度。

以前文的分析与判断为基础，分析了桩间土拱承载力与内摩擦角之间的关系，其得到的关系曲线如图5 所示。

图5 桩间土拱承载力与内摩擦角关系曲线图

4 结语

抗滑桩在基建工程施工中，具有良好的应用价值，对处理滑坡、泥石流等问题与防治地质灾害具有积极的意义。由于抗滑桩周围位置的土体具有复杂的运动情况，在计算和假设期间也存在着比较多的局限性，导致没有彻底解决抗滑桩加固机理和土工效用相关问题。本文继于相关研究者研究成果，通过数值算法作出论证，保证工程更加具有安全性和可实践性。