黃土高邊坡樁釘復(fù)合支護的離心模型試驗研究

黃英儒

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251)

影響高邊坡工程穩(wěn)定性的主要因素之一是因開挖施工擾動坡體,坡體發(fā)生過大變形而在其內(nèi)部形成潛在滑面,坡體沿潛在滑面發(fā)生滑動失穩(wěn)。許多工程實踐都表明，大多數(shù)路塹高邊坡的失穩(wěn)破壞都是開挖施工方法不當(dāng)造成的[2]。所以,研究路塹高邊坡的開挖變形規(guī)律,尋求合理的開挖、支護方法,采用有效的工程措施控制坡體的過量變形,對于確保路塹高邊坡工程安全穩(wěn)定有著重要意義。以實際工程為原型,通過室內(nèi)離心模擬試驗,對比研究樁釘復(fù)合支護結(jié)構(gòu)支護邊坡的變形破壞模式,驗證這種支護結(jié)構(gòu)的合理性,從而為黃土地區(qū)使用這種支護結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù),為今后此類工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 模型設(shè)計

1.1 工程概況

鄭西客運專線ZXZQ3標段DK208+237.625～DK208+338段設(shè)計為明洞,地表黃土覆蓋。從地表往下,主要地層依次為：中更新統(tǒng)Q2黏質(zhì)黃土,厚度大于20 m,具有中等～弱膨脹性；震旦系下統(tǒng)馬家河組(Z1m)砂巖、泥巖?；鶐r從上往下,依次為全、強、弱風(fēng)化帶,其中全、強風(fēng)化帶的厚度分別為0～4 m,5～15 m。

1.2 模型比尺

根據(jù)相似原理[3～4],模型比尺一般由試驗?zāi)康?、原型尺寸和試驗室設(shè)備條件決定。工程原型邊坡三維尺寸：長100.375 m、寬度約60 m、高約35.5 m。模型擬采用西南交通大學(xué)土工離心機實驗室的離心機之1號模型箱：長0.8 m,寬0.6 m,高0.6 m,選定模型尺n=100,則邊坡的幾何尺寸對照見表1。

表1 模型幾何尺寸對照 m

1.3 分組設(shè)計

本次模型實驗共分3組進行,意在比較邊坡在不同支護形式下的變形、破壞方式,以及不同支護形式的作用效果。試驗?zāi)Ｐ统叽鐓⒄宅F(xiàn)場原型,3組模型外形基本一致,都設(shè)計為三級邊坡,一級邊坡均高169 mm,二、三級邊坡高99 mm,每級邊坡之間有20 mm寬平臺過渡,分組具體情況如表2所示。試驗采用分層卸砂來模擬現(xiàn)場邊坡分步開挖過程。

表2 模型試驗分組情況

1.4 主要構(gòu)件的模擬

(1)土釘[5]材料

根據(jù)相似原理,本試驗擬采用直徑1 mm鋼絲模擬孔徑為10 cm,孔內(nèi)采用φ25 mm鋼筋外層注漿的土釘,根據(jù)相似比截成所需長度,在土釘一端預(yù)留5 mm做成彎鉤以便掛網(wǎng)。把做好的鋼絲表面打毛,然后涂AB膠,再在AB膠凝固之前粘上直徑小于1 mm的細砂,使得釘砂膠結(jié)為整體,從而增大土釘與土體的接觸面積。

(2)抗滑樁[6]材料

抗滑樁原型為C30鋼筋混凝土灌注樁,樁截面尺寸為2.75 m×3.5 m,樁長為33 m。根據(jù)剛度EI相似的原理,本試驗采用矩形鋁管內(nèi)灌水泥砂漿來模擬樁。按公式EI=EsIs+0.8EcIc換算后用1 mm厚的鋁合金角鋁制成現(xiàn)場樁1/100大小的模型框架,然后里面灌注與C15混凝土同彈模的水泥砂漿,剛度和強度參照現(xiàn)場樁的數(shù)值,按C15混凝土的相應(yīng)配合比進行配比水泥砂漿[7]。樁模制作完成后要養(yǎng)護一段時間,待其強度達到要求再預(yù)埋到基巖里。

(3)面層材料

用高強度魚線交叉纏繞每根土釘模型露出坡面的彎鉤,把每一級邊坡上的所有土釘用網(wǎng)連結(jié)在一起,最后抹上水泥砂漿將其固定形成與現(xiàn)場相似的柔性面層。

(4)填料

考慮粒徑效應(yīng)與幾何尺寸效應(yīng)[8～9],模型比尺放大了原狀土體的離散性,因此模型邊坡土體取工程原型坡體中的擾動土,在實驗室用一定的技術(shù)手段重塑后作為填料,使其具有與原型土體相近的物理力學(xué)性質(zhì)。

模型采用水泥和土按質(zhì)量水泥、土1∶5的比例混合摻水后分層填筑夯實,并養(yǎng)護一段時間。以此模擬強度相當(dāng)?shù)幕鶐r。

1.5 量測技術(shù)

(1)位移網(wǎng)格線

為了有效地捕獲土體變形的信息,本試驗采用了對標志點跟蹤讀數(shù)的方法。在模型填筑完成后,把模型側(cè)面整平抹光,以模型右下方箱底與側(cè)壁交點為坐標原點建立坐標系,用墨斗線把邊坡側(cè)面劃分成3 cm×3 cm的網(wǎng)格,在網(wǎng)格線與線的交點上用大頭針固定4 mm×4 mm的白色紙片作為標志點,并記錄每個標志點的初始坐標,模型運轉(zhuǎn)結(jié)束后,坡體側(cè)面的網(wǎng)格點會隨著邊坡內(nèi)部土體的位移變化而獲得新的坐標。通過對邊坡側(cè)面網(wǎng)格點在模型運轉(zhuǎn)前后坐標的相對變化分析，間接得出坡內(nèi)土體位移的大小和方向。

(2)位移傳感器

本次試驗選用接觸式位移傳感器,型號為QSY9703,量程為0～10 mm,輸出電壓為0～4 V。

2 試驗?zāi)M過程

邊坡模型制作完成后用密度稍大于土體密度的砂將開挖面以外的空間填筑并夯實,試驗中以分層卸砂的形式來模擬現(xiàn)場的分步開挖。模擬開挖分3次進行,第一次開挖坡高99 mm,第二次開挖坡高99 mm,第三次開挖坡高169 mm。每級邊坡開挖運行結(jié)束后,減速停機進行下一級開挖運行,直至全部開挖。每次運行離心力加載歷程如圖1所示。

每次運轉(zhuǎn)離心機運轉(zhuǎn)起始加速度為0g,并隨時間的延長逐級增加,分別在20g、40g、60g、80g的離心力條件下穩(wěn)定運行10 min,待模型土體位移、應(yīng)變值變化很小之后,再繼續(xù)增大離心加速度。最終加載至加速度100g,使得模擬坡體和現(xiàn)場的受力情況一樣,在100g狀態(tài)下分別運行10 min(M1),30 min(M2),45 min(M3)模擬現(xiàn)場開挖后2個月,6個月和9個月時間。

圖1 加載歷程(以第一組模型為例)

3 邊坡變形及滑面分析

模型模擬現(xiàn)場分級開挖,每次開挖后邊坡都會出現(xiàn)不同程度的變形,最后一次開挖完成運行后,邊坡的變形破壞程度達到最大。文章將3組模型停機后的實測破壞面作對比分析如下。

3.1 模型一

在距模型右邊界150 mm和模型下邊界150 mm的一個三角形區(qū)域范圍內(nèi)的網(wǎng)格變形不明顯,土體變形主要以豎直沉降為主,消除模型固結(jié)沉降的影響,可認為土體沒有變形或者變形量不大。

在距坡面90～180 mm深度范圍內(nèi)的網(wǎng)格變形比較明顯,局部地方網(wǎng)格嚴重扭曲變形,土體變形除了較明顯的沉降外,還發(fā)生了較大的水平位移。

從圖2可看出，這部分土體出現(xiàn)了很多小的裂縫,這些小的裂縫是滑體錯動剪切形成,呈雁列狀分布,形成一個圓弧形滑帶,帶長約570 mm,滑體沿著此滑帶向前運移了125 mm。

圖2 M1實測滑面(單位：mm)

3.2 模型二

在模型箱右下角距模型右邊界90 mm和下邊界90 mm一個三角形區(qū)域內(nèi)，模型的變形主要以豎直沉降為主。這個三角區(qū)域以外的坡體除了發(fā)生豎直沉降外,還發(fā)生較明顯的水平位移。與模型一相比,模型二的邊坡土體變形范圍變大,更多的土體被調(diào)動,并發(fā)生了運移。

在距坡面130～220 mm深度范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)了很多小的裂縫,這些小的裂縫是滑體下滑錯動剪切形成,呈雁列狀分布,形成一個圓弧形滑帶,滑帶長約700 mm,滑體沿著此滑帶向前運移了210 mm。

由圖3可以看到，土釘加固范圍內(nèi)的土體未發(fā)生較大變形,整體沿著滑面[10]向前滑移,滑面清晰可見,第三級邊坡上部土釘靠坡里一端有彎曲變形現(xiàn)象。由此說明隨著開挖深度的增大,模型邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)趨于失穩(wěn),土釘作為模型二的支護手段,使得支護范圍內(nèi)的土體作為一個整體,沒有發(fā)生大的變形,并且把潛在滑面向更深的土體內(nèi)傳遞,起到了應(yīng)有的作用,但是由于邊坡太高,坡體含水量太大,模型邊坡最終發(fā)生失穩(wěn)滑坡。

圖3 M2實測滑面(單位：mm)

3.3 模型三

在模型箱右下角距模型右邊界120 mm和下邊界120 mm一個三角形區(qū)域內(nèi)，模型的變形主要以豎直沉降為主。這個三角區(qū)域以外的坡體除了發(fā)生豎直沉降外,還有水平位移趨勢。

與模型一、模型二相比,邊坡側(cè)面的網(wǎng)格變形不明顯,沒有扭曲錯動帶,在距模型坡面平均距離110～140 mm深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了一些小的裂縫,如圖4所示。這些裂縫連成一個圓弧形的滑帶,模型土體有沿此滑帶運動的趨勢,但是由于有抗滑樁的支護作用,盡管有少部分土體擠出,坡體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 M3實測滑面(單位：mm)

4 結(jié) 論

通過對3組模型實驗結(jié)果的處理和分析,可以得到如下結(jié)論。

(1)模型邊坡的變形隨著開挖深度和離心加速度的增大而增大,第三次開挖后,模型一和模型二都發(fā)生了破壞,模型二在更小的離心加速度狀態(tài)下失穩(wěn)滑坡,滑體沿滑面滑移距離比模型一更遠。

(2)模型二的破壞說明只用土釘支護邊坡的支護形式不可行,土釘支護范圍內(nèi)的土體得到了加強,成為一個整體,但是土釘?shù)闹ёo作用會把潛在滑面?zhèn)鬟f到更深的土體中,當(dāng)潛在滑面超出了土釘?shù)闹ёo范圍,土釘支護范圍內(nèi)的土體就會整體下滑,加劇邊坡的破壞程度。

(3)模型三沒有發(fā)生破壞,說明土釘抗滑樁復(fù)合支護是可行的,土釘?shù)募庸套饔冒褲撛诨娴募舫隹谙拗圃诳够瑯稑额^以下,把滑坡推力傳遞到抗滑樁上。兩種支護形式的有機結(jié)合,很好地發(fā)揮了各自在邊坡支護中的優(yōu)點,收到了比較好的支護效果。

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