屈俊童，吳紹山，許展峰，陳慧君

(云南大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650504)

0 引 言

進入21世紀以來，隨著人們對居住環(huán)境要求越來越高，傳統(tǒng)樁板墻無法解決綠化的劣勢日益突出。于是在2008年左右中國最早設計出了斜插式樁板墻，該新型支擋結構最大的特點在于將樁后直板改為了樁間斜板，這種改變不僅能滿足基本支護要求，使墻后空隙水自由排出，減小擋土板后土壓力，而且排出的地下水還能對綠化槽內的植物提供水分。這樣結構在基本支擋功能基礎上又增加了植物護坡、降低噪聲、調節(jié)小氣候以及景觀綠化等眾多功能特點，使得結構功能更加豐富、結構形式更加合理，達到了工程應用與美化環(huán)境有機結合的目的[1]。

斜插式樁板墻雖然是由傳統(tǒng)樁板墻支護結構發(fā)展而來，但是由于其樁間擋板傾斜，加之樁間、板間土拱效應作用，導致該結構在受力以及墻后土壓力分布模式上存在較大差異。張燕[2]對斜插式樁板墻擋土板的設計方法、擋土板的最優(yōu)角度以及考慮卸載拱下的土壓力分布情況等進行了研究和闡述；陳雷[3]對斜插式樁板墻的經濟效益、設計計算需注意的要點以及該結構的應用前景進行了分析；李光明[4]結合某小區(qū)邊坡工程情況，提出了斜插式樁板墻與錨索樁共同作用的支護方案，并對其治理效果進行了評價；蒲德紅等[5]論述了固支板和簡支板情況下?lián)跬涟迨芰τ嬎惴椒?，并對斜插式樁板墻的施工工藝和施工難點進行了闡述。

綜上所述，斜插板作為整個斜插式樁板墻的一部分，其研究顯得相對較少，尤其是在板間距變化對板間土拱的強度、墻后土壓力分布模式的影響以及如何確定合理板間距等問題上鮮有研究。

1 土拱效應與研究背景

土拱效應是巖土工程領域的常見現(xiàn)象。1884年，英國科學家Roberts通過“糧倉效應”首次發(fā)現(xiàn)了土拱效應，并指出土拱效應表征了介質由于產生相對位移而出現(xiàn)類似拱圈的現(xiàn)象[6-7]。土拱的形成改變了介質的應力狀態(tài)，造成應力重分布后，把拱圈上的應力傳遞到拱腳或周圍穩(wěn)定介質中去[8]。

1943年，Terzaghi[9]通過活動門試驗提出了土拱效應的存在條件：①土體間產生不均勻位移或相對位移；②存在作為支撐的拱腳。

斜插式樁板墻在城市公園、重要的高速路、鐵路等對環(huán)境要求較高的地區(qū)具有廣泛的應用前景，其應用效果圖如圖1(a)所示。由于擔心發(fā)生板間土體擠出、樁頂土體沉陷等問題，現(xiàn)有工程的擋土板布置方式大多采用上下相鄰板平齊的形式，如圖1(b)所示。在這種布置方式下，出現(xiàn)了植物成活率低、綠化效果差、墻后孔隙水壓力得不到有效釋放等問題，為有效提高綠化效果，降低工程造價，找出一個合理的板間距成為了必須要面對的問題。對于斜插式樁板墻而言，首先，由于板間距的增大，必然會引起相鄰板間土體的不均勻變形，其次，傾斜擋土板板底為土拱效應的產生提供了固定拱腳，充分說明了斜插式樁板墻相鄰板間具備了土拱效應產生的必要條件[10-14]?；诖耍疚膹目紤]板間土拱效應的角度出發(fā)，在固定樁間距、板的傾角等前提下，通過ABAQUS對4組不同板間距下的斜插式樁板墻板后水平土壓力、板后豎向土壓力以及板間土拱強度沿橫向的變化規(guī)律等進行模擬分析，并最終結合實用性和安全性，提出斜插式樁板墻合理板間距的取值范圍。

2 模型與參數(shù)選取

昆明市茶馬花街邊坡支擋工程路塹土體主要由雜填土、第三系黏性土、含碎石角礫粉質黏土以及中風化巖組成，抗滑樁長20 m，樁間距6 m。為了方便計算，結合地質資料，按照縮尺比1∶20將實際工程相應尺寸縮小，地層簡化為黏土和中風化巖層后進行模擬研究，本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫侖屈服準則[15]，為保證分析結果的精確性，網格劃分時需對斜插板和板后土體進行加密，材料單元類型選擇八節(jié)點線性六面體實體單元,積分方法為減縮積分(C3D8R)[16]。4組模型板間距見表1，相關模型尺寸見圖2，計算參數(shù)見表2，計算分析模型見圖3。

表1 板間距Tab.1 Plate Spacing

注：b為板寬。

表2 模型計算參數(shù)Tab.2 Calculation Parameters of Model

3 計算結果分析

3.1 板后水平土壓力分析

利用ABAQUS[2-3,9,16-17]創(chuàng)建顯示組功能,得到4組不同板間距下土體的S22(y方向)應力云圖如圖4所示，并沿板后跨中提取板頂、板中、板底三處土體的水平土壓力值繪制出水平土壓力隨深度變化曲線，為方便進行對比分析，將板中水平土壓力與經典庫侖主動土壓力一同繪制于曲線中，如圖5所示。板中水平土壓力值見表3。

從圖5和表3可以看出[17-20]：

(1)由于擋土板傾斜，使得斜插式樁板墻板后水平土壓力整體呈現(xiàn)為特殊的鋸齒狀，并且隨著深度的增加，板后水平土壓力不斷增大。

(2)板后水平土壓力整體上均小于庫侖主動土壓力，且隨著板間距的增大，懸臂段中下部水平土壓力不斷減小，這是由于隨著擋土板板間距的不斷增大，板后土體相對位移不斷增大，土體應力發(fā)生偏轉，在相鄰板間形成了豎向土拱，限制了水平土壓力的橫向傳遞。

(3)在0.2倍板寬板間距模型中，板中水平土壓力在懸臂段中部微弱減小后又在樁底呈現(xiàn)出增長趨勢，說明此時的板間距還不足以使抗滑樁懸臂段底部土體產生較大的相對位移，因而土拱效應發(fā)揮還不明顯。

(4)在0.3倍板寬板間距模型中，板底水平土壓力整體上較0.2倍板寬板間距模型有了明顯的減小，且隨著深度的增加，板中水平土壓力逐漸減小并明顯出現(xiàn)回收趨勢，說明在此板間距下，板后土體相對位移有所增大，且板間土拱效應隨深度的增加而不斷增強，該規(guī)律與傳統(tǒng)樁間土拱效應隨深度的變化規(guī)律是相一致的[16,18]。

(5)0.4倍板寬板間距模型與0.3倍板寬板間距模型相比，板底水平土壓力持續(xù)微弱減小，板中水平土壓力隨深度增加回收趨勢更加明顯。另外，在同一深度下，板中水平土壓力整體相較于0.3倍板寬板間距模型進一步減小，且小于板底水平土壓力最大值的1/2，充分說明了水平土壓力的橫向傳遞受到了板間土拱的有效限制，板間土拱效應進一步增強。

表3 板中水平土壓力Tab.3 In-plate Horizontal Earth Pressure

(6)0.5倍板寬板間距模型中，雖然板底水平土壓力有所減小，但是板中水平土壓力相較于0.4倍板寬板間距模型幾乎不再減小，這說明土拱效應的進一步提高對板中水平土壓力的減小起到的作用已經不明顯。

從水平土壓力分析中可以看出：斜插式樁板墻在0.3倍～0.4倍板寬板間距下產生的板間土拱效應最強，板后所受的水平土壓力最小。

3.2 板后豎向土壓力分析

同樣，利用ABAQUS創(chuàng)建顯示組功能，得到4組不同板間距下土體的S33(z方向)應力云圖如圖6所示，相應的豎向土壓力與自重應力隨深度變化曲線如圖7所示，板底豎向土壓力值見表4。

從圖7和表4可以看出：

(1)不同板間距下板后豎向土壓力在樁頂與土體自重應力基本相同，懸臂段中下部板后豎向土壓力在不同程度上大于土體的自重應力。

(2)與水平土壓力一樣，由于擋土板傾斜，斜插式樁板墻板后豎向土壓力整體也呈現(xiàn)為鋸齒狀。

(3)板底豎向土壓力隨著深度的增加不斷增大，說明板底除了受到了土體的自重應力外，還受到來自以板底作為拱腳的板間土拱所傳遞的拱后土壓力。

(4)板中的豎向土壓力只比自重應力略大，而板底的豎向土壓力最大值比自重應力增大了近1倍，進一步說明了拱腳作用區(qū)域為斜插板板底。

(5)在0.2倍板寬板間距下，懸臂段中下部板底的豎向土壓力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，說明此時板間距較小，懸臂段底部的土拱效應還不明顯。

表4 板底豎向土壓力Tab.4 Bottom-plate Vertical Earth Pressure

(6)從0.3倍板寬板間距模型開始，板底的豎向土壓力明顯增強，相比水平土壓力減小值更為明顯，但是0.4倍板寬板間距模型第5塊板底豎向土壓力與自重應力差值最大為0.6 kPa左右，而0.5倍板寬板間距模型的差值僅略微增大為1 kPa，說明在此板間距下，板間土拱效應強度提高并不明顯或拱體已經破壞。

因此，從豎向土壓力分析中可以進一步得出：斜插式樁板墻在0.3倍～0.4倍板寬板間距下產生的板間土拱效應達到最強，且板間土拱拱腳位于板底位置。

3.3 板間土拱強度分析

利用ABAQUS視圖切片得到4組模型中間跨板后Von Mises應力云圖，如圖8所示。

從圖8可以看出，在懸臂段中下部形成了明顯的板間豎向土拱，且隨著深度的增加，拱高逐漸變大，其分布規(guī)律與前面土壓力分析結果一致。為進一步了解板間土拱強度隨板間距變化的規(guī)律，提取不同深度土拱位置處沿土體橫向(y方向)應力值進行對比分析，如圖9所示，4組模型板后拱高和應力最大值如表5所示。

從圖9和表5可以看出：

(1)從板頂開始向后，應力迅速增大到拱頂時，在土拱效應影響范圍外減小并趨于平穩(wěn)，且隨著深度的增加，穩(wěn)定后的應力值也增加。

表5 拱高和應力最大值Tab.5 Maximum Values of Arch Height and Stress

(2)隨著深度的增加，最大應力值逐漸提高，并出現(xiàn)向后移動現(xiàn)象，說明此時板間土拱的拱高逐漸變大，土拱效應不斷增強。

(3)板間距在0.3倍～0.4倍板寬時拱頂高度和應力值幾乎已經達到最大值，說明此板間距下斜插式樁板墻板間土拱效應最強。

4 結 語

(1)由于擋土板傾斜，使得斜插式樁板墻板后水平和豎向土壓力均呈現(xiàn)鋸齒狀分布，且在板間土拱作用下，水平土壓力小于經典庫侖主動土壓力，豎向應力大于土體自重應力。

(2)板間土拱效應主要出現(xiàn)在抗滑樁懸臂段中下部，且隨深度的增加，土拱效應不斷增強。

(3)板間土拱的拱腳位于斜插板板底，在設計施工時應進行局部加強，提高設計強度。

(4)板間距在0.3倍～0.4倍板寬時，板中土壓力最小，拱高與拱頂應力值最大，板間土拱效應達到最強。因此，結合結構的安全性和適用性，建議斜插式樁板墻合理的板間距取值為0.3倍～0.4倍板寬。