基于模型试验的滑坡防治微型桩设计方法

基于模型试验的滑坡防治微型桩设计方法
闫金凯;门玉明
【摘要】通过开展微型桩与滑坡相互作用的大型物理模型试验,总结滑坡作用下微型桩的性状,在试验结果的基础上提出一种微型桩防治滑坡的设计方法.试验结果表明:微型桩的破坏是因滑面处的桩体抗弯剪能力不足引起的,桩身混凝土破碎后,微型桩抗滑机理由抗弯、抗剪转为钢筋抗拉；群桩中各排桩的水平变位无明显差异,各排桩所受的滑坡推力沿滑坡滑动方向逐渐减小.基于试验结果,提出一种微型桩防治滑坡的设计方法,按微型桩在滑面处抗剪进行设计,同时考虑了各排桩所受滑坡推力的不均匀分布.%The behavior of micropiles under the effect of landslide is summarized by micropiles and landslide model tests. A new design method of micropiles for landslide reinforcement is proposed based on the test results. The test results show that the damage of micropiles is caused by the poor bending and shearing resistance. The skid-resisting capacity transforms from bending and shearing resistance to pulling resistance of the steel when micropiles damage. The horizontal displacement of every micropile in groups is similar. The landslide thrust effecting on the micropiles reduces along the sliding direction. A design method of micropiles is proposed based on the results. The skid-resis-ting capacity is provided by the shearing resistance of micropiles near the plane of sliding. The uneven distribution of landslide thrust is considered in the method.
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2012(020)003
【总页数】7页(P355-361)
【关键词】微型桩;滑坡;模型试验;设计方法
【作者】闫金凯;门玉明
【作者单位】中国地质科学院地质力学研究所北京 100081;长安大学地质工程与
测绘学院西安 710054
【正文语种】中文
【中图分类】O319.56
微型桩以其非开挖施工、对滑体扰动小、施工速度快等特点，近年来在滑坡防治工程中，特别是滑坡应急抢险中得到了越来越多的应用。

但是由于微型桩与周围岩土体之间的相互作用机理比较复杂，至今仍未形成统一的设计计算方法，一定程度上阻碍了微型桩的推广应用。

早在1978年，Lizzi［1］就提出了用于边坡治理的网
状结构树根桩的设计方法。

然而，这种计算方法在很大程度上仍以经验与直观判断为主，未形成完整的体系。

此后，许多专家学者都对微型桩的计算方法进行了探讨，并相应地提出了设计方法［2～11］，极大地推进了微型桩在滑坡防治中设计理论的完善。

总体上讲，目前微型桩设计方法主要有极限平衡法、“P－y”曲线法、
等效截面法、等效抗弯刚度法、软件法、平面刚架法等多种，但是由于微型桩在实际工程应用中的组合形式多样，加上桩土相互作用的复杂性，至今尚未形成相关的标准或规范。

本文通过所进行的微型桩与滑坡相互作用的大型物理模型试验取得的一些认识，提出了一种基于模型试验的微型桩设计方法，供工程设计人员参考。

2.1 试验设计
由于微型桩的设计理论和方法尚未标准化和规范化，实际工程中微型桩的结构形式也多种多样，本文主要针对竖直向、可自由设置排数的微型桩群的布设形式进行研究。

为研究微型桩从受力到破坏的全过程性状，本次试验专门设计了滑坡模型，人工预设滑面，通过在滑坡坡顶施加竖向荷载的方法使滑坡滑动，对位于滑坡前缘的微型桩的性状进行研究。

分别通过压力盒、位移计测试微型桩的受力、变形规律。

为进行对比分析，本次试验按微型桩排数的不同分单排、双排和群桩3组，3组试验采用相同的滑坡模型和微型桩模型。

本文主要介绍单排桩和群桩的相关内容(图1、图2)。

滑坡模型高5.8m，长9m。

滑床及滑体的材料均采用黄土，经分层夯实而成，平均重度为18.3kN·m－3。

滑带形状为圆弧状，在前缘设桩位置接近水平。

滑带采用双层塑料薄膜模拟，具体施工方法已在文献［12］、［13］中进行了介绍，在此不再赘述。

试验采用的微型桩为钢筋混凝土预制桩，桩长为4m，桩径为
60mm，采用细石混凝土浇注，混凝土强度等级为C20。

微型桩的配筋采用
4Φ6.5，其配筋率与工程中常见的微型桩配筋率基本相同。

在微型桩平面布置上，单桩布设了一排，桩间距0.48m(8倍桩径);群桩分5排，品字形布设，排间距0.5m，各排中桩间距0.8m。

群桩桩顶用连系梁连为一体。

出于工期和试验可行性方面的考虑，采用角钢代替实际工程中常用的钢筋混凝土连系梁(图3)。

滑坡模型制作完成后，采用于坡顶堆加沙袋的方式分级施加竖向荷载。

每次施加荷载后对各量测数据进行测量，待数据基本稳定后再施加下一级荷载。

2.2 试验结果与分析
2.2.1 微型桩破坏情况
试验结束后，对滑坡模型进行了剖面开挖，观察微型桩的破坏情况(图4)。

从开挖剖面来看，滑坡体完全沿预设的滑面滑动，未产生新的破裂面。

单桩的破坏范围位于滑面附近，具体为滑面下7cm至滑面上20cm，其余部分的桩身完好，基本保持竖直。

单桩的破坏模式为滑面附近的剪切破坏，破坏范围内的桩身弯曲，混凝土较破碎，滑面下的嵌固段桩身迎滑侧产生拉张裂纹、桩身背滑侧发生混凝土挤压破坏，滑面上受荷段桩身迎滑侧发生混凝土挤压破坏、背滑侧产生拉张裂纹。

群桩的破坏形式与单桩基本相同，且各排桩的破坏形式具有较好的一致性，均于滑面附近发生变形破坏。

桩的破坏区域大致为滑面下12cm至滑面上15cm，破坏范围内的桩身弯曲，产生多条斜向裂纹，破坏范围外的桩身完好，嵌固段基本竖直，受荷段略微向滑坡前缘倾斜。

此外各排桩的破坏程度沿滑动方向逐渐降低。

从试验结果来看，本次试验采用的微型桩群抗滑结构中各排桩的破坏形式相同，没有出现有关文献中前排桩受拉、后排桩受压的现象，微型桩的破坏为滑面附近的整体剪切破坏。

2.2.2 桩顶位移变化规律
从桩顶位移计的监测数据来看，单桩和群桩的位移变化规律基本相同，且由于桩顶连系梁的存在，群桩中各排桩发生了整体位移。

从单桩和群桩试验的桩顶位移曲线(图5)中可以看出，两组试验均是加载前期位移增长缓慢，加载后期位移的变化较明显，且每次加载后位移先迅速增长然后逐渐趋于稳定。

最后单桩的桩顶位移量约为60mm(1倍桩径)，群桩的桩顶位移量约为42mm，此时位移曲线依然能趋于平稳，说明微型桩依然具有抗滑能力。

而从开挖剖面可知此时微型桩滑面附近的桩身混凝土较破碎，丧失了抗弯及抗剪能力，因此此时微型桩的抗滑性能主要由钢筋的拉力提供。

2.2.3 滑坡推力分布规律
微型桩设计中一个值得关注的问题是滑坡推力在微型桩群各排桩之间的分配比例。

本次试验中通过在微型桩前后埋设压力盒来测试微型桩的受力情况。

通过对压力盒
测试数据进行整理，得到了各排微型桩所受的滑坡推力分布 (图6)和滑坡推力分配比例(表1)。

从中可知，沿滑坡滑动方向各排微型桩所受的滑坡推力呈递减趋势，第五排桩所受的滑坡推力仅为第一排桩的1/3。

在设计中，通常各排微型桩采用统一的配筋，这就导致靠近迎滑侧的微型桩抗滑能力不足，而背滑侧的微型桩的抗滑能力没有充分发挥。

因此，本文建议在微型桩配筋设计时，按各排桩承担滑坡推力的比例进行不均匀配筋。

2.2.4 微型桩抗滑机理探讨
由于微型桩桩径较小，配筋量较大，故桩身的抗剪能力要高于抗弯能力。

土质滑坡中微型桩桩身刚度大于周围土体的刚度，岩质滑坡的滑带一般也有一定的厚度，使得微型桩在滑面附近的桩身具有了产生弯折变形的空间条件。

因此微型桩受滑坡推力后首先发生弯折破坏，同时受荷段和嵌固段桩身发生水平方向的偏移，桩身混凝土逐渐受拉开裂或挤压破碎。

在此过程中，微型桩的抗滑机制发生转变，随着混凝土破碎程度的不断加深，桩身的抗弯及抗剪作用逐渐减弱，直至完全丧失;而受荷段和嵌固段桩身的水平偏移导致滑面附近的桩身发生倾斜，钢筋的抗拉能力逐渐发挥作用，桩身混凝土破碎到一定程度后，微型桩的抗滑能力就完全由钢筋的拉力提供。

另外，钢筋的拉力通过桩周摩阻力和桩顶连系梁的作用，对设桩位置的滑体产生向下的作用力，也即增加了设桩位置滑体与滑床间的摩阻力，提高了滑体自身的抗滑能力。

微型桩在滑坡作用下，其抗滑机理在抗弯、抗剪、抗拉之间不断转换，所以其抗滑力不易计算。

但整体上来看，微型桩的破坏发生在滑面附近一个很小的区域内，所以设计时可按抗剪进行计算。

微型桩的抗剪能力，一般是按桩身配筋的横截面抗剪强度来计算，但从试验结果来看，微型桩并没有沿横截面进行剪切，因此需对能否将钢筋横截面抗剪强度作为微型桩的抗剪力进行验证。

现选取2种极限状态进行比较，即对微型桩变形前钢筋横截面抗剪力与混凝土破碎后由拉力提供的抗滑力二
者进行比较。

设微型桩的配筋截面积为 A，钢筋类型为Q235，抗剪强度设计值fv=120N·mm
－2，抗拉强度设计值fy=210N·mm－2，完全抗拉时的破坏部位倾斜角度以图
4b所示的破坏情况为例，经量测，水平位移h1=10cm，倾斜部分的桩身长度
h2=18cm。

则钢筋横截面抗剪力F1=A×fv=120A，钢筋拉力提供的水平向抗滑
力F2=A×fy×10/18=116.7A，二者基本相等。

故可按微型桩配筋的横截面抗剪力作为微型桩的抗滑力进行设计。

3.1 计算假定
通过试验，得到以下几点认识:
(1)微型桩的破坏是因滑面处的桩体抗弯剪能力不足引起的，桩身受力发生弯曲后，受压一侧的混凝土被压碎，当混凝土开裂或被压碎后，滑坡推力就完全由钢筋来承担。

(2)微型桩的破坏范围基本局限在滑面附近的一个很小范围内，在破坏区以外的桩
身变形及受力很小。

(3)群桩中各排桩的水平位移基本相等，各排桩的水平变位无明显差异，破坏模式
相同。

(4)滑坡推力在群桩中呈不均匀分布。

基于以上几点认识，对微型桩的计算可以做出以下假定:
(1)微型桩的承力构件主要是钢筋，混凝土或砂浆只是起保护作用，计算时忽略混
凝土或砂浆的承载作用;
(2)微型桩的破坏位置在滑面附近，按滑面处微型桩的抗剪力进行设计。

3.2 微型桩设计
3.2.1 微型桩群的受力计算
首先，计算滑坡推力和滑体抗滑力，若第一排桩所处位置的滑坡推力的水平分力为
E n，最后一排桩所处位置的滑体抗滑力的水平分力为e n，则微型桩群应承担的侧向力T n为
式中，滑坡推力En和滑体抗滑力en可根据滑坡类型采用规范推荐的方法计算。

3.2.2 微型桩配筋计算
设钢筋的抗剪强度设计值为fv，微型桩的布置排数为n排，首先假设滑坡推力在各排桩上均匀分布，则每排微型桩在计算宽度内(一般为1m)所需的钢筋截面面积As为
实际上，土质滑坡在滑动过程中，微型桩群受力是不均匀的，第1排受力最大，向后逐次减小。

为在设计时反映群桩受力的不均匀性，在设计中可以引入一个滑坡推力不均匀分配系数η，以修正由均匀性假设带来的不足。

由此得到修正后各排桩计算宽度内的配筋面积为:
式中，Asi为第i排桩的实际配筋面积;As为微型桩的平均配筋面积，由式(2)确定;η为滑坡推力的不均匀分配系数，表2是推荐的土质滑坡中群桩推力的不均匀分配系数η值，该表是依据所进行的物理模型试验和数值分析的结果，经过适当调整而得出
式中，As'i为第i排桩的单根微型桩配筋面积。

3.2.3 桩长的确定
微型桩桩长分两部分:滑面以上的受荷段和滑面以下的嵌固段，其中受荷段长度为滑体厚度，所以主要考虑嵌固段长度。

由试验结果可知，微型桩的破坏主要集中在滑面附近，考虑抗弯和抗剪时需要的嵌固段长度很短，且后期以承受拉力为主，所以嵌固段长度只需满足微型桩不被拔出即可。

这主要考虑两方面，一是微型桩注浆体与孔壁间的黏结，二是注浆体与钢筋间的黏结。

设微型桩的直径为D，桩内钢筋直径为d，则微型桩的嵌固段长度可按下列公式计算，并取其中的较大值:的，适用于排距在8～10倍桩径的桩群，对于其他尺寸的
排距可略作调整，如实际排距大于推荐的排距则将迎滑侧的不均匀系数调大、背滑侧的不均系数调小，若排距小于推荐的排距则将迎滑侧的不均匀系数调小、背滑侧的不均系数调大。

设各排中微型桩的桩间距为l(桩间距的确定方法在一些文献中有详细描述，在此不做讨论)，则各排中单根微型桩的配筋面积为:
式中，K为设计安全系数;fy为钢筋抗拉强度设计值;A为单根微型桩的配筋截面积;qt为注浆体与岩土孔壁间的黏结强度设计值;qs为注浆体与钢筋间的黏结强度
设计值;n为钢筋根数;ξ为采用2根或2根以上钢筋且绑扎成钢筋束时，界面黏结
强度降低系数，可取0.60～0.85。

主要考虑钢筋束中部分钢筋表面与浆体不接触，nπdξ为单位长度内注浆体与钢筋间的实际接触面积。

如果布桩位置处的滑体较薄，微型桩的受荷段长度不能满足式(5)(6)的抗拔要求，
可以通过在桩顶设置连梁的办法来解决，这时尚应验算连梁下部的地基承载力是否满足要求。

一般情况下，为了充分发挥群桩的作用，增强整体性，在桩顶加设连系梁是必要的。

只是当滑体以上的桩长满足锚固力要求时，可以不再验算地基承载力，按构造要求确定即可。

(1)通过微型桩与滑坡相互作用的大型物理模型试验，总结了微型桩在滑坡作用下
的性状，主要包括:①微型桩的破坏为滑面附近的剪切破坏;②桩身混凝土破碎后微
型桩依然有抗滑能力，由钢筋拉力提供;③群桩中各排桩承担的滑坡推力沿滑动方
向逐渐减小。

(2)基于试验结果提出了一种微型桩设计方法，按微型桩滑面处的抗剪力进行计算，通过不均匀系数调整各排桩的配筋，并给出了土质滑坡中不均匀系数的建议值。

(3)微型桩的桩长依据微型桩的抗拔力进行计算，滑体较薄时需验算联系梁下部的
地基承载力。

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