我国山区面积约占全国陆地面积的三分之二，铁路、公路向该类地区的延伸势必造成大量的高路堑边坡，桩与桩间措施的组合结构广泛运用于高边坡的加固中，如桩间墙、桩间板、桩间土钉墙等。桩间水平土拱效应是影响该类组合措施受力的关键因素。前人对桩间水平土拱进行了大量的研究，如通过室内模型实验和数值模拟软件，明确指出土拱效应的存在会影响砂性土应力释放特性；通过理论计算分析，说明桩间水平土拱效应对桩间墙组合结构受力的影响；通过土压力计量测土体自由应力场，证实了土拱效应会影响周围土体的受力；由于考虑了土拱效应，得到的挡墙墙后主动土压力的分布与模型试验结果比较符合；通过现场大型试验和室内模型实验的监测研究工作，证实土拱效应影响了桩间板的土体受力；基于土拱效应，理论推导了疏排桩和土钉墙的相关计算公式，并通过实验对公式进行了验证；考虑摩擦拱的影响，随着土体抗剪强度的增加相应桩间距可适当增加，随着滑坡推力的增加相应桩间距应适当减小；通过数值模拟和模型实验再现了土拱形成的过程；在土拱效应的前提下，提出了一种计算土压力的新方法。大部分学者对土拱效应的研究大多集中在桩间距，如根据土拱的形状、拱脚位置和假定的拱轴线方程，提出圆型抗滑桩的桩间距计算公式；从成拱原理出发，提出桩间距的简便计算式；通过考虑桩土体的相关性质，建立了抗滑桩桩间距的计算公式。以上研究现状表明，对土拱作用下的结构受力研究相对较少。现阶段设计规范中库仑主动土压力的计算都没有完全考虑土拱效应，因而没有形成具体统一的计算方法，工程实践中多依据设计单位，甚至设计人员个人的经验进行，有以下几种方法：
(1)不考虑土拱效应的影响，直接按照库仑主动土压力进行相关计算；
(2)间接考虑土拱效应，按库仑主动土压力进行相关计算时，依照以往工程经验适当提高综合内摩擦角(如5°左右)，使土压力值得到一定程度的降低；
(3)折减库仑主动土压力值(如0.75倍左右)；
(4)考虑桩间板非完全刚性板，一定程度上具有柔性，设计桩间板时，板上荷载的土压力参考卸荷拱内的土压力值；
(5)桩间土钉墙的设计仅参考以往工程经验取间距2～3m，约0.7倍墙高等长布置土钉。
这些简化计算方法有力地推动了土拱效应在工程设计中的应用，但均认为土拱效应在桩顶以下不同深度处土拱高度是不变的，完全没有考虑水平土拱高度在桩顶以下不同深度的变化。其实，土拱高度在桩顶以下不同深度处的变化会影响上述组合措施的受力特征，尤其是桩间结构上的受力。如图2(a)所示(以桩间墙为例)，如不考虑土拱高度沿桩深方向的变化，作用于桩间措施(桩间挡土墙)的土压力或剩余下滑力由如图2(b)所示范围内的土体引起，考虑土拱的这种变化时，作用于桩间挡土墙上的土压力或剩余下滑力由如图2(c)所示阴影部分土体引起。由于土体范围不同，作用于该挡土墙的受力势必会发生变化。
基于此，采用数值模拟方法对土拱高度沿桩深方向的变化进行系统研究，得出土拱高度沿桩深方向的变化规律，以期使考虑土拱效应的桩 桩间措施组合结构加固边坡的工程设计更符合该类措施的实际受力。我国的花岗岩残积土广泛分布于东南沿海地区，华南、华东南地区分布尤其广泛，其边坡多采用抗滑桩进行加固，因此选择花岗岩残积土边坡，并对其进行研究有着重要的现实意义。
（1）模型的建立
FLAC3D是一种有限差分数值计算软件，由于能构建滑坡模型以及提供适用于岩土体特性的本构模型，进而能够较好地再现滑坡推力作用下的土拱效应，故采用FLAC3D软件进行数值模拟，并采用Mohr-Coulomb准则。现阶段大多数数值模型的建立是基于2根桩1个拱，实际工程中一般都是超过3根桩的，多根桩下生成的土拱是否对相邻土拱高度造成影响，这方面的报道较少。本模型的建立采用4根桩，尽量消除多根桩情况下对相邻土拱高度造成的影响，以扰动相对较小的中间拱高进行测量。选取G323边坡作为数值模拟的研究对象，其当地地貌属低丘陵，边坡自然坡度为20°～50°，坡体介质为花岗岩风化残积黏性土，残留砾石一般为5%～7%，并含大量中、粗砂。砂、砾矿物成分为长石、石英，其余组分为黏粒。该层土钻孔揭露厚度50余米，尚未揭穿。边坡剖面如图3所示。
（2）土拱效应数值模拟
在滑坡推力的作用下，土体会发生应力重分布，将滑坡推力分布到桩上或者桩侧，发生土拱效应以稳定滑体，如图4所示，土拱分为端承拱和摩擦拱，统称为单独拱，端承拱指滑坡推力集中在桩上形成的土拱，如图4所示H1所在的区域，摩擦拱是桩侧摩阻力平衡有效滑坡推力而形成的土拱，如图4所示的H2区域，本文只研究端承拱，只考虑作用在桩上的滑坡推力形成的土拱范围，以AE的高度H作为研究对象，进行相关的模拟和力学分析。
(1)花岗岩残积土沿桩深不同深度处土拱高度大小呈现减小的趋势，通过FLAC3D数值模拟软件和力学计算模型可知，桩顶以下不同深度处土拱高度越大，此处土拱迹线的应力等值线值越大，反之亦然，桩顶以下土拱高度变化原因是作用在桩上的力的差异及土体所受到的应力形成的应力等值线数值的差异。
(2)花岗岩残积土边坡水平土拱仅在桩顶以下4.5m深度范围内，随着深度的增加，力学计算的拱高变化幅度较数值模拟平缓。
(3)数值模拟通过中间拱与两边拱的倾斜度和拱形的差异，力学模型通过同一应力等值线下的中间拱与两边拱的高度差异说明桩顶以下3.0m范围内相邻桩对土拱造成了一定的影响，超过桩顶以下3.0m范围，两者的结果同时表明相邻桩对土拱效应几乎没有影响，因此超过此范围可不必考虑相邻桩对土拱高度的影响。
(4)研究成果可应用于砂土类和碎石类等边坡，即土拱未破坏前基本上处于弹性阶段的土体所形成的边坡，对于黏性土边坡还有待进一步研究。 2100433B
