排桩支护结构中的土拱效应

汪海明

广东省地质局第三地质大队 广东 韶关 512000

1 概论

1.1 问题的提出

基础施工是一项既古老，也是一项具有时代特色的土木工程问题。它不仅包括了土体的强度和稳定性，而且还包括了地基和支撑的组合。自20年代中后期随着大量的高层、超高层建筑和地下施工的兴起，支护结构的困难和对基础的需求也日益高，随之出现的新的课题也越来越多，迫使工程技术人员从新的角度去审视基础工程这一古老课题，导致许多新的经验、理论或研究方法得以出现与成熟。

1.2 土拱效应研究现状

张建勋等指出，由于土拱效应的存在，使其对水平变形土体的阻挡作用的机制是由土拱效应引起的，并利用PlaxiS的有限元程序PlaxiS对其产生机制进行了详尽的探讨。张建华等人根据反滑桩的受力理论，在假设桩身不发生位移和水下土体抗压为0的情况下，利用FLAC软件FLAC进行了数值模拟。分析了在一定的距离下，在一定的距离下，对地基进行了地基的影响。最后，通过算例，得到了一个经验式的量化结果：桩长为2.4一3.6倍（6/2.5一9/2.5）。

陈云敏根据单桩等效作用下的坝体地基应力均衡，对HEWLETT有限状态下的有限元有限元模型进行了改进，得到了该模型的简化公式。分析了桩顶间距、桩帽尺寸及填料内部摩擦力等因素对桩身荷载分摊比例的作用。试验结果显示：采用改良的方法，在土拱处的弹性情况下，所得到的桩的荷载分摊比例要低于HEWLETT的极限状况；在土的塑性条件下，采用修正的方法进行了数值模拟，得到了与HEWLET数值模拟一致的结论。在桩承式路堤时，若填料内部的摩擦力比较大，应以增加桩盖的宽度为宜，以增加桩的承载能力；在内磨力角度低的情况下，可以通过减少桩身的距离来增加桩身的承载能力。

2 土拱成拱机理及影响因素分析

2.1 土拱的基本概念

桩间土拱效应是桩土应力迁移的一种现象或即将桩后土体所承受的应力转移至桩体上因此， 土拱效应可定义为一种剪切应力迁移现象或定义为将屈服土体所承受的应力转移至其相邻的土体或被约束的土体的现象。土拱效应在各种土工结构中都可以见到，如隧道和基坑支护桩。因此对于不同的结构中土拱定义有所差别。Terzaghi采用活门拱试验验证了土拱效应现象，并于1943年首先将这种应力转移的现象称之为“土拱效应”。

胡敏云(2000)等对桩排式支护结构体系中发生的土拱效应作出如下的定义:当支护结构随基坑开挖发生向坑内的位移和挠曲变形时其附近的坑壁土体将滑移而变形并与周围稳定土体之间发生相对位移土体内部的这种变形和位移将引起土颗粒之间的剪切摩擦使土体的变形受到限制。变形土体与稳定土体之间抗剪能力的发挥促使变形区土体保持在原来位置，于是支护结构上的土压力随其位移和变形的增大而减小，与此同时，周围稳定土体则受到变形区土体的压力作用，这种变形区的土压力向周围稳定土体转移的现象即称为土拱效应。

2.2 土拱的形成机理

关于土拱效应的形成机理问题，国内外的研究报道不多。在岩石力学中认为岩层中拱效应的形成是坑道顶部围岩的变形发展到一定程度后逐渐终止这时顶部围岩将形成一个稳定的拱形—压力拱。在工程地质勘察中有关土洞的形成认为是由于地表水的机械冲蚀或地下水的潜蚀作用产生冲蚀、淘空而形成土洞;当其上覆土层较厚时，便形成自然拱，而不易引起地面塌陷。在水利工程中认为土坝中拱效应的产生是由于不同材料间的不均匀沉陷引起的;据某芯墙砂壳坝的观测结果，在土坝中部高程处，实测土压力值仅为土柱自重压力的30-50%，而坝壳的实测压力是土柱自重压力的1.9倍；这是由于坝壳对心墙的顶托作用，使心墙中部高程处的垂直压力减小。而在同一高程的坝壳压力则增加，这样就产生了“拱效应”。

在跨河方向上。由于河岸V型河谷的影响同样存在着不均匀沉降，河床中部的沉降大于两侧的沉降，根据有限元计算结果，土坝中部的垂直土压力比自重应力小也存在拱效应的现象。土拱效应中的“土拱”不同于日常生活中肉眼能够看到的拱结构物，拱桥、拱坝等拱结构物的设计方法首先是确定荷载然后进行拱的结构设计。原则是根据拱的受力特点进行最合理的设计达到安全、经济的效果。是先有拱后有力。而支护结构中的土拱有其自身的形成过程土粒间的粘聚力和摩擦力是形成土拱的先决条件。当支护结构开始发生作用时位于受荷端的土体将产生不均匀位移由于位移的不均匀性，致使土颗粒受到压缩并互相“楔紧”于是就在一定范围的土层中产生“拱效应”。

2.3 土拱拱脚的存在形式

在边坡的冲刷和土压的影响下，在支护结构的抗滑桩和护墙桩间的土壤中存在着向外挤压的倾向。由于地基本身的抗剪承载力存在，因此，两个邻近的两个桩基作为拱脚，必须有足够的支撑力量，才能让拱桥“站稳脚跟”，这样，拱桥的应力就会被转移到拱脚和周边的土壤中。在土体的平面上，可以将其划分为拱后稳定区、土拱区和拱前区三个区。在土拱的研究中，拱腿应该是一种承载机构，从拱形的概念和拱形的受力机理来看，它就是将压力传给拱腿的一种形式，所以，它的拱腿应该是一种比较“稳定”和“坚固”的结构，它应该能够经受住由于拱形所传递的压力而引起的压力。换句话说，它的形成和稳定性取决于拱腿的形成。本文以多个拱脚为例，对拱脚进行了研究，提出了四种不同的拱脚形态：直接拱脚、摩擦拱脚、土拱脚、二异拱脚。

对于以上几种土拱支承载力构造，至今仍存在争论。胡敏云、王成华、王士川等人提出，在桩与桩间土壤接触部位，利用摩阻来抵消土拱向土拱的冲刷和土压。朱碧堂和吴能森等指出，支撑桩基是指支撑桩基的承载能力，以使滑行和土壤的压力达到均衡。另一种看法是：在桩基或抗滑桩基中，相邻的桩基之间有两个拱形：大的和小孔的。大拱拱腿通过两根桩柱支撑，将拱后的土体和土体的压力转移到桩基上；小地拱在大土拱前面（也就是靠近大土拱或山崩的前面），比大土拱要比大土拱低，它的拱腿设在两根桩的内部，它的主要作用是利用土和桩身的摩擦来支撑土拱和小拱之间的水平向力或残余的下滑力。贾海莉指出，支撑拱腿的支撑主要是由于桩本身的力量以及桩身与地基之间的摩擦（也就是以上所说的两种情况）。这与第3个意见类似，但并不像第3条所述那样，在大和小土拱之间有明显的划分，但它们都有协同的影响。

2.4 土体成拱的影响因素

蒋波将桩间土拱作用的作用分解为一个平面问题，利用ABAQUS有限元程序对土的作用机制进行了研究。当桩距增加时，桩顶载荷分摊比例增加，而地基上的荷载分摊比例则呈递减趋势；土壤中的摩擦角愈大，其承载能力愈大，由地基向桩顶传递的负荷愈多，则愈显著。随着土壤粘性的增大，桩身的载荷分配比例增大，土的拱形作用更加显著，当内部摩擦角度很低时，这种现象更加显著；桩-土接触表面的粗糙度对土拱作用的作用比较显著，但并没有显著的变化，表明对其作用的作用较弱。韩爱民等利用平面有限元数值模拟技术，探讨了粘聚力、内摩擦角、弹性模量、弹性模量、泊松比、桩土界面特性等方面的影响。结果显示：在土体强度参数和弹性模量的改变下，对其产生机制没有显著的作用，在土性的差异下，在圆锥体的作用下，桩身周土体的应力和失效模式是不一样的；桩土界面的剪胀角、泊松比、桩土界面特性对桩间土的形成机制及效果有较大的作用。除上述的影响因子之外，笔者还发现，在桩基后，土体厚度（如在水平拱桥中，桩基和滑动表面的间隔）也是造成土的作用的主要原因。在以后的章节中，我们将会对它和土拱的影响进行更深入的研究。

3 支护结构中的土拱效应分析

3.1 桩间距对土拱效应的影响

在桩的设计中，桩间距的大小是最重要的问题之一，当桩间距超过一定的极限时，桩间土不会发生土拱型土体会从桩之间滑动或发生侧向滑动，从而使桩身失去保护；相反，若桩距过短，成本过高，不仅会造成大量的材料消耗，而且还会给施工带来更多的麻烦。

如图1所示，在桩间距L分别取3m、4m、6m、8m、10m、14m时，y轴(x=o)剖面上各点x向应力分量δ随y变化的曲线图。由此可知，六种情况下。δ都在桩后成拱区域急剧增大，在桩前则变得很小;δ在lb-5b之间达到最大值，最后趋于稳定且各种情况最大值近似相等;随着桩间距的增大，土体成拱区域不断后移，且随着桩间距的增大，土拱效应的影响范围也随之增大，即随着桩间距的增大，拱高不断增大，同时土拱拱厚也随着桩间距的增大而不断增大。

3.2 土体性质对土拱效应的影响

土拱作用的发生是因为土体具有较大的相对移动或相对移动倾向，这是由土壤粒子之间的相互作用引起的。本文利用有限单元法进行了数值模拟，并进行了数值模拟，并进行了数值模拟。

如图2所示，不同的地基内力对桩身承载能力的作用。从图中可以看出，当粘性系数增大，桩体的受力分摊率增大，土的拱形作用更加显著。显示了土壤中的摩擦力对土拱作用的作用。

从图3可知，在土壤中的摩擦力随着桩身的增大，其承载力分配比例也随之增大，其对土的影响也随之增大。在土壤的粘性很低的情况下，这个定律更加显著。

3.3 拱后土压力(坑深)对土拱效应的影响

如图4所示，不同坑深时，y轴剖面上各点x向应力分布曲线图。在计算土压力时，采用Rankine土压力理论，由于土的自立高度2.93m，故从坑深为4m处开始计算。由此可知可知，在不同坑深处,都在桩后成拱区域急剧增大，在桩前则变得很小，且随着坑深的增加，这种趋势越来越明显；在2b附近达到最大值后随之减小，最后趋于一定值；随着坑深的增加，土体成拱效应越来越明显;且随着坑深的增加，土拱效应的影响范围从4m时的4b增大到14m时的5b，即随着土压力的增大，在桩间距不变的情况下，土拱拱厚不断增大。

4 结语

对于今后进一步的研究工作有以下几点建议:

1.关于土拱的产生机理、存在条件及拱脚处的持力机构等问题目前尚存在较多争议，建议通过工程试验及数值模拟等方法进一步开展相关研究工作;

2.本文的理论推导及数值模拟结果依赖于文中假定并将其简化为平面问题进行考虑未考虑土体竖向变形问题以及竖向土拱与水平土拱的祸合问题有待进一步深入研究;

3.本文未考虑土体的蠕变、土体成层性、土体各向异性等因素对土体成拱效应的影响，建议对土体成拱的影响因素问题开展进一步研究工作;

4.桩土接触面性状对土体成拱的影响。虽然在数值模拟中采用接触面模型模拟其对土拱效应的影响，但其合理性尚有待进一步研究;

5.建议对竖向土拱的工作机理及影响因素进行理论深化与研究;

6.建议在关于土拱对土压力的传递路线及土压力重分配的影响问题方面进行开展进一步研究工作。