边坡支护桩工作机理有限元分析

总结出桩间距对边坡稳定性的影响。

关键词：支护桩；ABAQUS有限元软件；土拱效应；桩间距；边坡安全系数

1.引言

支护桩，亦称抗滑桩，作为加固边坡的一项重要的工程措施，在世界各地得到广泛地应用，然而一般的研究支护桩内力的方法都是将桩与土分开研究，而忽略了桩与土的相互作用，对于支护桩加固边坡的作用机理还没有统一的认识。另外，支护桩形成的土拱效应也是桩土相互作用的一种形式，至今为止，对于土拱效应的认识还不够充分。因此进行支护桩加固边坡的数值模拟计算研究对于认清支护桩的抗滑机制以及桩的土拱效应有着深远的理论意义，同时对于边坡加固工程中支护桩设计的合理、安全、经济等有着重要的现实价值。

2.土拱效应

2.1 基本假定以及计算模型

2.1.1 基本假定

将研究对象简化为平面问题，桩体采用方桩。假设方桩的边长为b，桩间距为s，桩前后土体范围取为25b，同时模型左右边将x方向约束，下边将y方向约束，上边施加均布荷载。土体采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型，桩采用弹性材料模拟，桩土接触面上的共同作用采用库仑摩擦模拟。

2.1.2计算模型

取方桩的边长b =2m，桩间距s = 4b=8m，桩与土摩擦系数，均布荷载p =15kpa。土体以及桩的参数见表1。

2.2 土拱效应计算结果分析

2.2.1土体参数对土拱效应的影响

由图5可以看出随着内摩擦角的增大，桩的荷载分担比也增大，土拱效应越明显。另外，当粘聚力较小时，这种影响更显著。

由图6可以看出随着粘聚力的增大，桩的荷载分担比增大，土拱效应越明显。但是粘聚力增大到一定程度时这种影响作用反而变小。

2.2.2围压对土拱效应的影响

将上面s = 5b的平面模型扩展为1m厚的三维模型，其他参数不变（见表1）。然后通过对该模型施加初始应力场的方式，分别对围压为0kpa、13kpa、26kpa、52kpa、86.7kpa、130kpa、173.3kpa的情况进行计算，分析不同的围压对桩的荷载分担比的影响。由图7可以看出施加的围压较小时，对土拱效应的影响较明显，当围压增大到一定数值时，围压对土拱效应基本上没有影响。

3.支护桩的布置形式对边坡稳定性的影响

3.1 基本假设及计算模型

本章将利用ABAQUS有限元软件建立一个三维的有限元模型，模型的几何尺寸见图8，边坡坡高为10m，纵长为15m，坡度为1：1.5，土体重度支护桩采用方桩，边长b=2m，桩间距s = 3b。土体采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型，桩采用弹性材料模拟，桩土接触面上的共同作用采用库仑摩擦模拟。桩与土的摩擦系数为0.5。土体以及支护桩的计算参数见表2。

3.2 计算结果分析

设支护桩的中心轴到坡脚的水平距离为，边坡的水平总距离为

L。取的位置处，对支护桩的桩间距分别为s = 3b、5b、7b进行

分析计算。下面将对比不同桩间距对于边坡稳定性的影响。

对比图9、10、11可以看出，随着桩间距的增大，最大的等效塑性应变值增大，等效塑性应变的区域也增大，边坡的稳定性降低，破坏的可能性越大。

S=3B.PNG

由图12可以得出：随着桩间距的增大，边坡安全系数降低，桩加固边坡的作用越来越小，边坡也就越不稳定。

4.结论

本文应用ABAQUS有限元软件，模拟分析边坡支护桩的作用机理，就土拱效应以及支护桩的布置形式对边坡稳定性的影响进行了研究，通过计算得到如下结论：

1）随着桩间距的增大，桩的荷载分担比减小，土拱效应越不明显。

2） 随着土体内摩擦角的增大，桩的荷载分担比增大，即桩承担的荷载增大。内摩擦角越大这种影响越小。

3）随着土体粘聚力的增大，桩的荷载分担比增大，土拱效应越明显；当粘聚力继续增大时这种影响变小。

4）当围压较小时，随着围压的增大，桩的荷载分担比增大；当围压增大到一定数值时，围压对桩的荷载分担比基本没有影响。

5）桩位一定时，随着桩间距的增大，边坡稳定安全系数减小，边坡稳定减弱，边坡破坏的可能性增大；

6）对于设有支护桩的边坡而言，边坡破坏时，塑性区主要发生在桩侧，而两桩之间的土体塑性变形很小，而且越靠近中间，塑性变形越小；

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