摘要：采用Hewlett理論分析了基坑支護(hù)樁樁間土拱效應(yīng)并開展了對(duì)樁間土整體穩(wěn)定性的研究，分別得出了滿足兩種穩(wěn)定條件的樁身荷載分擔(dān)比公式和樁間距公式，所需計(jì)算參數(shù)少且易獲得。通過(guò)對(duì)四種粘土中的土拱計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)較高的粘土、粉土，樁寬比為0.5時(shí)，荷載分擔(dān)比即達(dá)到100%，而對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)較低的淤泥質(zhì)粘土，樁寬比為0.8時(shí)，荷載分擔(dān)比方達(dá)到100%。對(duì)于常規(guī)樁徑的圍護(hù)樁，均可按土拱穩(wěn)定要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，

　　關(guān)鍵詞：樁間距,土拱,整體穩(wěn)定,荷載分擔(dān)比

　　1引言

　　基坑支護(hù)樁和邊坡抗滑樁均屬于典型的被動(dòng)樁，這類樁并不直接承擔(dān)外荷載，而是由于樁周土體在自重和外荷載的作用下發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)而對(duì)其產(chǎn)生影響[1]。被動(dòng)樁的擋土機(jī)理包括兩方面：一方面通過(guò)自身剛度直接限制樁后土體的變形;另一方面，當(dāng)樁間距小于某一數(shù)值時(shí)，樁間土前緣一定范圍內(nèi)形成一個(gè)土拱，使得樁間土壓力向支護(hù)樁轉(zhuǎn)移，從而起到有效的遮攔作用。

　　目前對(duì)于豎向土拱效應(yīng)已有較為充分的研究，較為著名的有：Janssen的連續(xù)介質(zhì)模型分析，Terzaghi松弛土壓力理論，Μ. Μ. Протодьяконов自然平衡拱理論以及Hewlett土拱理論。各種理論對(duì)土體中是否存在真實(shí)的拱結(jié)構(gòu)并無(wú)定論，有人認(rèn)為是“應(yīng)力拱”，也有人認(rèn)為是“結(jié)構(gòu)拱”，但其本質(zhì)均為由于不均勻變形引起的應(yīng)力遷移現(xiàn)象。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，對(duì)水平土拱效應(yīng)的研究開展較晚，近些年來(lái)，不少研究人員通過(guò)有限元仿真和離心機(jī)模型試驗(yàn)?zāi)�擬被動(dòng)樁中的水平土拱效應(yīng)，研究結(jié)果證實(shí)了被動(dòng)樁之間存在弧形土拱。

　　如在被動(dòng)樁的設(shè)計(jì)中考慮土拱效應(yīng)的有利影響，將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但現(xiàn)有的研究多采用普氏自然平衡拱理論確定被動(dòng)樁樁間距，該方法較為粗淺，且存在難以確定樁土之間摩擦系數(shù)及拱腳傳力系數(shù)等缺點(diǎn)。因此有必要對(duì)樁間土拱效應(yīng)展開更為深入的研究。

　　2 樁間土拱強(qiáng)度驗(yàn)算

　　對(duì)于基坑支護(hù)樁而言，由于作用在樁間土拱后側(cè)的土壓力隨深度增加，因此樁間土拱實(shí)質(zhì)上為一個(gè)復(fù)雜的三維問題，為簡(jiǎn)化分析，將其視為平面問題，土拱所受荷載則按最大深度的土壓力計(jì)算。

　　根據(jù)Hewlett土拱理論[2]，假設(shè)樁間土拱為圓弧形，拱腳位于支護(hù)樁后側(cè)，土拱厚度為b/2(b為樁身截面寬度)，如圖1所示。土拱上作用有均布土壓力p，對(duì)于基坑支護(hù)樁，可假設(shè)p等于主動(dòng)土壓力。土拱內(nèi)各點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)，且滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。土拱內(nèi)任一單元體滿足平衡微分方程：式中，r為半徑， 為徑向正應(yīng)力， 為環(huán)向正應(yīng)力。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，可得：式中，Kp為朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)，c為粘聚力。將式(2)代入式(1)，可得：將邊界條件 代入式(4)，可得 ，則徑向和環(huán)向正應(yīng)力分別為：式中，S表示樁的中心間距，通過(guò)對(duì)環(huán)向正應(yīng)力的積分，可求得作用在樁上的土壓力為：而作用在每一跨排樁上的土壓力總和為：則樁所分擔(dān)的荷載比為：

　　基于式(9)，將表1所列四種均質(zhì)土層中開挖深度為10m的基坑，其圍護(hù)樁樁寬比(b/S)與樁身荷載分擔(dān)比(E)的關(guān)系曲線繪制于圖2。由圖可見，在粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土這類土質(zhì)較好的條件下，當(dāng)b/S=0.4時(shí)，E即達(dá)到90%，當(dāng)b/S=0.5時(shí)，E已達(dá)到100%;而在淤泥質(zhì)粘土這類土質(zhì)較差的條件下，當(dāng)b/S=0.8時(shí)，E方能達(dá)到100%。而在使用式(9)進(jìn)行樁間距設(shè)計(jì)時(shí)，需注意：若樁間土未采取護(hù)面、加固等處理措施，則土體臨空，無(wú)法自立，因此樁間距的設(shè)置必須使得樁身荷載分擔(dān)比達(dá)到100%，即圍護(hù)樁承擔(dān)一跨間距內(nèi)的所有土壓力，則圖2所示的四種土質(zhì)中，淤泥質(zhì)粘土中的樁間凈距約為0.25b，粉土、粘土中的樁間凈距約為b;若樁間土經(jīng)過(guò)加固護(hù)面等處理，可根據(jù)荷載分擔(dān)比(E)適當(dāng)增加樁間距。

　　常用的基坑支護(hù)樁樁徑一般不超過(guò)1m，按照前述土拱穩(wěn)定驗(yàn)算的結(jié)果，b/S的范圍在0.5~0.8之間，則樁間凈距B’為0.25m~1m，此時(shí)能充分利用土拱效應(yīng)且同時(shí)滿足樁間土整體穩(wěn)定的要求。而近年來(lái)部分工程采用大直徑薄壁筒樁作為圍護(hù)樁，其樁徑可達(dá)1.5m，按土拱穩(wěn)定要求，樁間凈距可設(shè)置為0.375~1.5m，因此，對(duì)于一般粘性土，在滿足樁間土整體穩(wěn)定性的條件下，可根據(jù)土拱的穩(wěn)定要求設(shè)計(jì)樁間距。

　　3 結(jié)論

　　當(dāng)土體發(fā)生不均勻變形時(shí)，土顆粒間的相互作用會(huì)引起土拱效應(yīng)。基于這種效應(yīng)，筆者推導(dǎo)了土拱穩(wěn)定條件下及樁間土整體穩(wěn)定條件下的樁間距計(jì)算公式，并應(yīng)用上述公式求解了四種不同土層中的樁間距，得出以下主要結(jié)論：

　　(1)將Hewlett土拱應(yīng)用于基坑支護(hù)樁樁間土拱效應(yīng)，可求得不同樁寬比(b/S)對(duì)應(yīng)的樁身荷載分擔(dān)比(E)，因此能應(yīng)用于樁間土經(jīng)過(guò)加固、護(hù)面處理的情況;且公式參數(shù)少，易于取得。

　　(2)對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)較高的粘土、粉土，在保證土拱穩(wěn)定的條件下，樁寬比b/S可達(dá)0.5，即樁間凈距與樁同寬;而對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)較低的淤泥質(zhì)粘土，樁寬比b/S約為0.8，樁間凈距僅為0.25b。

　　(3)對(duì)于一般粘性土，在滿足樁間土整體穩(wěn)定性的條件下，可根據(jù)土拱的穩(wěn)定要求設(shè)計(jì)樁間距。

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