微型桩组合结构抗滑机理模型试验研究_刘鸿

第３　６卷，第１期 中国铁道科学Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１　２　０　１　５年１月 ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｊａｎｕａｒｙ，２０１４　文章编号：１００１－４６３２（２０１５）０１－００１８－０７微型桩组合结构抗滑机理模型试验研究刘　鸿１，肖世国２，张益锋３（１．四川理工学院建筑工程学院，四川自贡　６４３０００；２．西南交通大学岩土工程系，四川成都　６１００３１；３．杭州萧山城投集团，浙江杭州　３１１２０１） 摘　要：针对框架梁连接的微型桩组合结构，采用模型试验与有限元分析相结合的方法，对微型桩桩后土压力和桩身水平位移进行测试和分析，研究微型桩组合结构抗滑机理。

结果表明：采用框架梁连接的微型桩组合结构，其抗滑机理除了表现在微型桩组合结构增强了滑带的抗剪能力外，各排微型桩还承受较大的弯矩和土体抗力作用；依据模型试验结果，将碎石土受到的土压力采用矩形分布时，运用桩—土相互作用的有限元分析方法计算桩身弯矩和桩身水平位移是合适的，各排微型桩桩身水平位移的理论分析结果与实测结果较为吻合；在模型试验条件下，施加３５．４９ｋＰａ的滑坡推力时作用在第１—第３排桩上的剩余滑坡推力分别达到２．４６，２．１１和１．０１ｋＮ·ｍ－１，剩余滑坡推力比为２．４４∶２．０９∶１。

关键词：微型桩组合结构；模型试验；有限元分析；抗滑作用机制 中图分类号：Ｕ２１６．４１９．１ 文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４６３２．２０１５．０１．０３　收稿日期：２０１３－０９－３０；修订日期：２０１４－０３－２８　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７８４３０）；四川理工学院人才引进资助项目（２０１３ＲＣ１１）　作者简介：刘　鸿（１９６９—），男，四川遂宁人，副教授，博士。

微型桩及其组合结构作为一种新型的、正在迅速发展中的岩土支护技术，由于其施工时仅需要轻型施工机具，布置灵活，施工进度快，加之具有对环境影响小、对施工场地适应性强的特点［１－４］，被广泛应用于铁路、公路等行业的边坡加固、滑坡治理及地基加固中，且在业界引起了广泛的关注，然而其抗滑机理及其相关设计理论还不很成熟，且严重滞后于工程应用［５－８］。

微型桩及其组合结构的力学性能与其结构形式及承受的荷载方式存在较大联系。

目前使用的微型桩加固结构的主要形式有独立微型桩结构、平面桁架微型桩结构、空间桁架微型桩组合结构、顶板连接式微型桩组合结构等，主要承担侧向或竖向荷载［９－１０］。

在以往相关研究中，主要研究承受竖向承载作用的微型桩结构［２，９］，而对于承受侧向荷载作用的微型桩结构研究较少。

有关微型桩体系及桩间岩土体之间的传力机制的研究往往借助于数值模拟，而借助试验研究的较少。

目前国内外在微型桩及其组合结构的抗滑模型试验方面研究得很少，闫金凯［３］进行了滑体为黄土条件下的空间桁架微型桩组合结构抗滑机理的模型试验研究，结果表明，在滑坡推力作用下，各排微型桩所受到的滑坡推力呈三角形分布，桩身最大弯矩位于滑面附近。

周德培等［４－６］开展了有关顶板连接式微型桩组合结构抗滑机理的模型试验研究，得出各排桩均能承担较大的弯矩，其中靠近加力装置的桩承担了最大弯矩，其余２排桩承担了相对较小弯矩的结论。

在微型桩组合结构的抗滑机理研究方面，肖世国［９］开展了有关顶板连接式微型桩组合结构抗滑机理的理论研究，根据桩—岩土复合体效应，得出各排微型桩所受到的滑坡推力呈现上小下大的三角形分布，桩身最大弯矩位于滑面附近处的结论。

冯君［１０］开展了平面桁架微型桩体系及空间桁架微型桩组合结构抗滑机理的理论研究，得出在滑坡推力作用下各排微型桩所受到的滑坡推力呈矩形分布，桩身最大弯矩位于滑面附近处的结论。

本文结合模型试验和有限元分析方法研究框架梁连接的微型桩组合结构的抗滑机理。

１　模型试验概述 模型试验系统由模型箱、测量元件、数据采集系统及加力装置等组成。

模型箱为钢制结构，高１．１ｍ，纵向长度３ｍ，净宽１．８ｍ，如图１所示。

在模型箱内制作滑坡模型和微型桩组合结构模型。

根据模型试验的研究目的，模型与原型的几何相似比确定为１／１０，碎石土重度相似比为１，其余各主要物理量的相似比根据相似理论导出。

滑坡模型按照滑床、滑带和滑体的先后次序制作。

滑床采用Ｃ３０混凝土制作，并预留微型桩孔。

为了测定滑坡发生时微型桩组合结构的横向承载力，滑带采用双层聚乙烯塑料薄膜模拟，其凝聚力ｃ为７ｋＰａ，摩擦角φ为２０°。

滑体采用碎石土分层夯实而成，碎石土取自四川省宜宾市东郊，碎石土的粒径组成及其比例见表１。

每层铺土厚度为１３ｃｍ，用橡皮锤夯实后土层厚度需达到１０ｃｍ，夯实后的碎石土密度ρ为１．８４ｇ·ｃｍ－３，含水量ω为１１．１％，变形模量Ｅ０为５０ＭＰａ，滑体制作完毕后，用塑料布盖严以防止水分的蒸发，并保证碎石土含水量不变。

图１　模型箱表１　碎石土的粒径组成及其比例碎石土粒径／ｍｍ百分比／％０～０．０７４　１．６００．０７４～０．１　７．０００．１～０．２５　７．３００．２５～０．５　７．５００．５～１　１０．６２１～２　１４．９２２～５　１９．４６５～１０　２５．２０１０　６．４０ 模型试验使用的微型桩加固结构采用框架梁连接的微型桩组合结构，待滑体夯实后制作微型桩，最后浇筑连系梁，微型桩组合结构布置如图２所示。

微型桩直径１５ｍｍ，桩长１．１ｍ，分３排布置，排距１５ｃｍ，每排１１个桩，桩间距为１６．４ｃｍ。

微型桩的主筋采用横截面为１２ｍｍ×４ｍｍ的钢条，水泥砂浆的水泥∶砂＝１∶２，抗压强度σｃ为１７．５ＭＰａ。

连系梁采用横截面为４ｃｍ×３ｃｍ的Ｃ３０混凝土。

图２　微型桩组合结构布置示意图（单位：ｃｍ） 为监测各排微型桩的受力情况，在滑体中及各排桩前、后沿高度方向每隔１０ｃｍ埋设压力盒，压力盒的埋设与碎石土分层夯实过程同步进行；为测量微型桩主筋应变的变化并进一步分析桩身弯矩，在每个微型桩的主筋上粘贴８对应变片，应变片的间距为１０ｃｍ；为观测各排微型桩桩身水平位移的变化情况，当滑坡模型和微型桩组合结构模型制作完毕后，在滑体前缘及桩顶安装位移传感器。

测量元件的型号分别为ＳＺＺＸ型振弦压力盒、ＹＨＤ－１００型位移传感器和ＢＥ１２０－５ＡＡ型金属电阻应变片。

所有测量数据均采用ＤＨ３８１６型静态应变仪采集。

测试中应变片与ＤＨ３８１６型静态应变仪采用半桥接法，压力盒及位移传感器与ＤＨ３８１６型静态应变仪采用全桥接法进行电路连接。

滑坡推力采用水平推力模拟。

水平推力加载装置为２台电动液压千斤顶。

为研究滑坡推力在各排微型桩间的力学传递机理，采用分级加载方式，一共分８级，每级荷载保持约３ｍｉｎ后再采集试验数据，然后施加下一级荷载。

各级单位面积的加载值见表２。

９１第１期 微型桩组合结构抗滑机理模型试验研究表２　各级单位面积的加载值ｋＰａ·ｍ－２加载级单位面积加载值１　７．７１２　１５．４２３　２４．１２４　２７．０９５　３５．４９６　４１．７４７　４６．５３８　５４．２３２　试验结果与分析２．１　土压力图３给出了施加３５．４９ｋＰａ滑坡推力后其中９根微型桩桩后土压力随深度变化曲线。

表３给出了这９根微型桩桩后土压力的峰值。

由图３可见：当滑坡推力为３５．４９ｋＰａ时，９根桩的桩后土压力随深度变化曲线均有１个拐点，峰值出现在深度－０．２～－０．４ｍ范围，桩后土压力在拐点前随深度增加逐渐增大，在拐点后随深度增加逐渐减小，并在滑带附近深度为－０．８ｍ处达到最小值；当深度相同时，同排微型桩的桩后土压力差别不大，变化幅度约在４％以内，因此可以用单根桩的桩后土压力分别代表各排微型桩的桩后土压力分布规律；第１，第２和第３排微型桩的桩后土压力呈现依次图３　微型桩桩后土压力随深度变化曲线递减特点，其中第１排桩桩后土压力的峰值比第２排桩桩后土压力的峰值平均高１８．２５％，第２排桩桩后土压力的峰值比第３排桩桩后土压力的峰值平均高６．４７％。

表３　微型桩桩后土压力峰值ｋＰａ２．２　微型桩桩身水平位移施加３５．４９ｋＰａ滑坡推力后，９根桩桩身水平位移随深度的变化曲线如图４所示，变形后的桩身形态如图５所示，表４给出了这９根微型桩桩身水平位移的峰值。

由图４可见：各排桩的桩身水平位移在深度０～－０．４ｍ范围内出现峰值，且有２个峰值，之后，桩身水平位移随着深度的增加逐渐减图４　各排桩桩身水平位移随深度变化曲线０２中　国　铁　道　科　学 第３６卷小，在滑带附近达到最小值；当深度相同时，同排微型桩的桩身水平位移差别不大，与同排６号桩相比，变化幅度在１％以内，因此可以用单根桩的桩身水平位移分布规律代表各排微型桩的桩身水平位移分布规律；第１，第２和第３排微型桩的桩身水平位移呈现依次递减特点，其中第１排桩桩身水平位移峰值比第２排桩的峰值平均高８．８６％，第２排桩桩身水平位移峰值比第３排桩的峰值平均高５．５０％。

图５　变形后的桩身形态表４　微型桩桩身水平位移峰值ｍｍ 根据温克尔计算模型，桩后土体受到的压力ｐ与桩身水平位移ｓ成正比，即 ｐ＝Ｋｓ（１）式中：Ｋ为岩土体的基床系数。

对比图３和图４可知，在深度－０．４～－０．８ｍ范围内，桩身水平位移、桩后土体受到的压力均随着深度增加而逐渐减小，该变化趋势与温克尔计算模型的变化趋势一致；在深度０～－０．４ｍ范围内，桩身水平位移的峰值在桩顶附近，据此桩后土体受到的压力峰值理应出现在桩顶附近，但实测桩后土压力峰值却在深度－０．２～－０．４ｍ附近，该变化趋势与温克尔计算模型的变化趋势有所差别。

产生差别的原因在于：一方面，理论分析假定地基为均质弹性体，但是当实际地基受到桩土相互作用时，地表的土体由于受到的重力值较小，根据摩尔—库仑定律，当有较大的水平应力作用时，位于地表的土体极易发生剪切破坏，因此为使加载过程中桩后土体不发生剪切破坏，需要较大的重力作用，故而实测分析结果的桩后土压力峰值在一定深度处；另一方面，由于土体所受压力的计算位置与桩后土压力测点距离桩身水平距离有所不同，因此桩后土压力测试结果仅能近似反映土体压力的分布特点。

所以在进行微型桩结构的理论分析时，有必要适当降低滑体在地表的基床系数以进行理论分析。

３　微型桩组合结构抗滑机理分析 根据桩—土相互作用原理，并结合实测滑坡推力作用下微型桩桩后土压力和桩身水平位移分布，对微型桩组合结构抗滑机理进行分析。

选用文献［４］的平面刚架结构模型进行模拟，平面刚架结构如图６所示。

图中Ｋｓ和Ｋｒ分别为滑体和滑床的基床系数。

该模型假定：①各微型桩在滑带以下的部分均嵌固于基岩内，滑床底部设为固定端；②滑坡推力以均布荷载形式作用于微型桩组合结构上，其分布集度为ｑ；③各微型桩与连系梁的连接均为刚性连接；④微型桩按照受横向约束的弹性地基梁分析，在考虑桩—土相互作用时满足温克尔计算模型的假定。