雙排抗滑樁中單樁側(cè)向承載實驗

馬清文，宋書志，孔紀名

（1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，鄭州 450002；2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072；3.中國科學院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

雙排抗滑樁中單樁側(cè)向承載實驗

馬清文1，宋書志2，孔紀名3

（1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，鄭州 450002；2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072；3.中國科學院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

通過室內(nèi)模型實驗，研究有無聯(lián)系梁、聯(lián)系梁厚度以及排間距對抗滑樁抗滑性能的影響。雙排樁組合有聯(lián)系梁時的抗滑承載力超出無聯(lián)系梁的40%；聯(lián)系梁強度能滿足變形要求時，其厚度或剛度的增加對加強抗滑性能的作用不大；排間距較小的支護結(jié)構(gòu)側(cè)向承載力較大。

雙排樁；承載力；聯(lián)系梁；室內(nèi)模型

1 引言

雙排樁支護結(jié)構(gòu)是一種空間組合類懸臂支護結(jié)構(gòu)，近年來在深基坑、斜坡工程中得到了廣泛運用［1，2］。雙排樁支護結(jié)構(gòu)是將密集的單排懸臂樁中的部分樁向后移，形成雙排支護的空間結(jié)構(gòu)體系。雙排樁的結(jié)構(gòu)形式主要有兩大類：一類是樁頂無聯(lián)系梁連接，如常見的“梅花樁”、“矩形樁”；另一類是在樁頂用剛性聯(lián)系梁把前后排連接起來，前后排樁形成一個有機的整體，如“門式剛架”的雙排樁。兩種不同形式的雙排樁均是在沒有錨桿（或內(nèi)支撐）的情況下，發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應(yīng)，并與樁間土協(xié)同工作，支擋基坑、斜坡的主動土壓力和滑坡推力，以便達到保持坑壁或坡體穩(wěn)定、控制變形、滿足施工和相鄰環(huán)境安全的目的。作為斜坡支護結(jié)構(gòu)的一種，以其施工簡單、工期短、經(jīng)濟、樁頂位移量小、支護結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點被眾多工程采用。

雙排樁的受力特性復(fù)雜，根據(jù)研究對象的不同，目前有兩大類。第一類是以樁為研究對象，將土體對樁的作用力看作施加在結(jié)構(gòu)上的外力，將這些外力對結(jié)構(gòu)的某一點求力矩，并以此得到總體的穩(wěn)定性安全系數(shù)［3，4］。這類研究方法包括經(jīng)驗土壓力系數(shù)法、彈性地基梁法、體積比例系數(shù)法等，主要解決的問題是土壓力的計算。第二類是將樁和樁間土看作整體，以樁和樁間土的重量作為穩(wěn)定性的一種因素［5］，求得雙排樁穩(wěn)定性安全系數(shù)，這類研究方法包括樁間土剛塑體法等。另外隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算能力的不斷提高，將樁和土體一并離散的有限單元法［6，7］，在樁土共同作用分析中得到了愈來愈多的應(yīng)用，并己經(jīng)取得了一系列的研究成果。

雖然針對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行力學分析或數(shù)值模擬的很多，但進行實驗?zāi)M的研究較少。雙排樁現(xiàn)場實驗由于費用大，影響因素較多，難于控制，因此，本文通過室內(nèi)模型實驗的方法對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行分析，彌補以上各種方法的不足，驗證理論研究的成果。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗相似性設(shè)計

2.1.1 材料的配制

（1）滑體材料

為了獲取高容重、低強度和低彈模的特性滑體材料，選擇石英砂、重晶石粉、粘土、碳酸鈣顆粒、水、甘油、乳膠（與水配成10%的膠液）為試驗材料，配制成4組不同成分和比例的試驗材料（表1）。通過對其力學性質(zhì)的試驗比較，4號樣能較好地滿足模型試驗的要求。因此，將這組材料作為模型試驗的基本材料。

表1 相似材料配合比實驗Table 1 Mixture ratio test of similar materials

為了使相似材料達到最佳的試驗效果，對重晶石粉、石英砂、碳酸鈣顆粒、乳膠配合成的材料按配合比分別為3.2∶3.2∶2∶0.4，4∶3∶2.5∶0.5，5∶2∶2.5∶0.5，5.5∶1.5∶2.5∶0.5進行力學試驗，試驗結(jié)果表明，在相同的測試條件下，配合比5∶2∶2.5∶0.5樣品單軸抗壓強度最小、容重較高，在自然條件干燥固結(jié)36h后，具有碎石土的性質(zhì)。因此，將這組配合比例的相似材料作為模型試驗的試驗材料。

配合之后滑體材料的物理參數(shù)如下：含水量3.7%、密度2.10g/cm3、飽和度31%、孔隙率25%、孔隙比0.312、壓縮模量5.43MPa、內(nèi)聚力22kPa、內(nèi)摩擦角29.6°。

（2）滑面。采用天然黃土來模擬。

（3）模型樁。采用C20混凝土，并按構(gòu)造配筋。

（4）聯(lián)系梁。采用C20混凝土梁，不同厚度的混凝土梁用以模擬不同剛度的聯(lián)系梁。

2.1.2 滑坡相似比選取

根據(jù)試驗條件，取幾何相似常數(shù)CL（C表示相似常數(shù)，腳標表示不同的相似參數(shù)）為40，模型長2.0m，高0.3m，寬0.5m。容重相似系數(shù)Cγ＝1，根據(jù)相似理論，得到模型試驗的相似條件為：

式中，Cσ，CC，CE，Cγ，Cε，Cφ，CL分別為下滑力相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、變形模量相似常數(shù)、容重相似常數(shù)、應(yīng)變相似常數(shù)、摩擦角相似常數(shù)和幾何相似常數(shù)。

2.1.3 抗滑樁相似比選取

根據(jù)試驗條件，取幾何相似常數(shù)為40，選取3.5cm×3cm實驗樁模擬抗滑樁。根據(jù)相似理論，得到模型試驗的相似條件為：

對于模型方程為：如果模型與原型相似，則需滿足以下方程：

2.2 實驗裝置

總體上分為3個部分：模型框架、加力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2.1 模型框架

（1）模型實驗臺

滑坡實驗臺為可調(diào)坡度的升降平臺，變坡范圍0°～40°，模型實驗框架如圖1、圖2所示，包括滑體周圍擋板和滑床組成。其中滑體長1.81m，寬0.5 m，厚0.30m；滑床長3m，寬0.5m，厚0.17m；擋板長3m，高0.5m，厚0.17m。根據(jù)模型條件、土體受力變形規(guī)律及已有滑坡室內(nèi)模擬經(jīng)驗，將前排樁設(shè)置距離推力板位置1.0m處，雙排樁樁距為0.11m。

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)立面尺寸圖（mm）Fig.1 Facade sizes of the experimental device

圖2 實驗裝置結(jié)構(gòu)平面尺寸圖（mm）Fig.2 Planar sizes of the experimental device

（2）模型樁

按照幾何相似準則，模擬樁的橫斷面尺寸30mm×35mm，長470mm（圖3）。在樁頂預(yù)埋螺栓用以連接相鄰的抗滑樁。

圖3 抗滑樁結(jié)構(gòu)尺寸圖（mm）Fig.3 Structure sizes of the anti－slide pile

（3）聯(lián)系梁

樁頂連接系采用混凝土預(yù)制連接梁，尺寸為（30×110×10）mm，（30×110×20）mm，（30×140×10）mm，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)尺寸圖（mm）Fig.4 The structure diagram of the connection beam

（4）抗滑樁通過固定在滑床上夾具固定，連接方式如圖5所示。

圖5 抗滑樁與實驗床之間的連接方式（mm）Fig.5 Connection between anti－slide piles and the testbed

2.2.2 加力系統(tǒng)

加力系統(tǒng)由千斤頂和推力板組成，推力板起到將千斤頂施加的力傳遞給模型介質(zhì)的作用，由千斤頂推頂推力板施加滑坡體的前期預(yù)加荷載和滑坡推力荷載。加荷為兩點加荷，加荷大小可量測。為保證滑體在實驗過程中不從推力板與抗滑樁之間剪出，施加荷載時需注意施力方向和速度。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由土壓力計（DYB－2型電阻應(yīng)變式土壓力計）、應(yīng)變片（120Ω、K＝2.033±0.36%）、形變觀測儀和數(shù)據(jù)采集儀（SDY2203型靜態(tài)應(yīng)變儀）組成。

（1）土壓力盒埋設(shè)

滑床土中不同位置的土壓力和樁前荷載通過埋設(shè)于樁前的土壓力計測得。土壓力盒埋設(shè)共10個，前排樁后2個，距離滑床分別為0.1m、0.2m，后排樁后面共6個，位置見圖6。

圖6 土壓力計埋設(shè)位置示意圖Fig.6 Burying location of the earth pressure gauge

（2）應(yīng)變片

樁體的變形通過粘貼在樁體表面的應(yīng)變片監(jiān)測得出。應(yīng)變片的布置如圖7所示，考慮模型槽兩邊的周邊效應(yīng)，對樁體的變形有一定影響，故抗滑樁布置在滑坡條帶的中間位置?？够瑯扼w的不同面承受不同的主控應(yīng)力，不同面布設(shè)應(yīng)變片的方式也不同?？够瑯兜恼嬷饕惺軓澗鄳?yīng)力，故布設(shè)成“T”字形；抗滑樁側(cè)面主要承受剪應(yīng)力作用，故布設(shè)成梅花形，兩側(cè)同時布置。

圖7 應(yīng)變片布置示意圖（mm）Fig.7 Layout of strain gauges

（3）坡面變形量測

滑體模型的變形以及抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰仆ㄟ^固定在實驗床上的標尺測得。

2.3 實驗過程及步驟

（1）按照實驗要求制作抗滑樁和聯(lián)系梁模型，并進行標準養(yǎng)生，齡期28d。采用在實驗樁上施加集中荷載模式對實驗樁進行標定，通過監(jiān)測樁頂位移、樁身變形等數(shù)據(jù)測定在荷載作用下實驗樁的變形特性。

（2）將粘貼好應(yīng)變片的抗滑樁用角鋼固定于實驗臺上，抗滑樁埋入滑床內(nèi)170mm深，并固定聯(lián)系梁（圖8）。

圖8 抗滑樁布置示意圖Fig.8 Layout of anti－slide piles

（3）按要求配制滑體模型材料，填入模型槽內(nèi)，并分層夯實使其達到給定的壓實度（圖9）。制作滑坡體模型時，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)加力框架給模型施加一定的圍壓，成型一段時間后再解除圍壓，消除模型與圍板之間的摩擦力。同時，取一定量的土樣進行土工試驗，測定模型材料的力學性質(zhì)，如凝聚力、內(nèi)摩擦角和容重等指標。

圖9 實驗?zāi)Ｐ统尚驼掌現(xiàn)ig.9 Photo of the experimental model

（4）制作滑坡模型的同時埋設(shè)土壓力計和坡面變形計?；w模型完成后靜置一個星期，使模型材料各項物理參數(shù)達到要求后再進行模型實驗。

（5）實驗開始時對模型施加前期預(yù)加荷載，但保證模型介質(zhì)趨于整體性完好狀態(tài)，記錄模型體頂部位移、樁頂?shù)奈灰?、樁前土壓力計?shù)據(jù)。持荷一段時間后，繼續(xù)分級施加推力荷載，每步荷載施加結(jié)束后均持荷一段時間，保證模型變形趨于穩(wěn)定后再進行下一步荷載的施加，直至抗滑樁破壞，實驗結(jié)束。

3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)排間距和聯(lián)系梁厚度的不同分為4種工況進行實驗研究。工況1，排間距110mm，無聯(lián)系梁；工況2，排間距110mm，聯(lián)系梁厚10mm；工況3，排間距110mm，聯(lián)系梁厚20mm；工況4，排間距140mm，聯(lián)系梁厚10mm。

3.1 實驗破壞現(xiàn)象及描述

當樁頂無聯(lián)系梁時，滑坡荷載施加后模型介質(zhì)逐漸被擠壓密實，荷載被傳遞到后排樁上，后排樁受到模型推力作用而發(fā)生變形。再繼續(xù)施加滑坡推力荷載，后排樁的變形加大，樁間土被擠壓密實，后排樁通過擠壓密實的樁間土把荷載傳遞到前排樁上，前后排樁開始共同受力。由于雙排樁的抗力作用，在后排樁至模型后緣的土體出現(xiàn)剪出隆起（圖10），抗滑樁發(fā)生破壞時，模型前緣出現(xiàn)明顯的剪出口。

圖10 無聯(lián)系梁的抗滑樁破壞形態(tài)Fig.10 Failure form of anti－slide piles without connect beam

改變樁頂約束條件，增加聯(lián)系梁的約束，重復(fù)上述實驗。由于樁頂聯(lián)系梁的作用，后排樁變形后其內(nèi)力通過樁頂聯(lián)系梁傳遞到前排樁，即后排樁開始發(fā)生變形時前后排樁就開始共同受力。由于模型后緣荷載及模型前緣抗滑樁提供的抗力共同作用，坡體前緣出現(xiàn)明顯的剪出口（圖11）。在模型后部出現(xiàn)應(yīng)力釋放條帶，即模型出現(xiàn)剪出隆起，隆起口位置較無聯(lián)系梁約束時相比向后有所推移。在抗滑樁發(fā)生破壞后，繼續(xù)施加荷載，模型發(fā)生破壞，實驗結(jié)束。

圖11 有聯(lián)系梁的抗滑樁破壞形態(tài)Fig.11 Failure form of anti－slide piles with connect beam

樁頂有/無聯(lián)系梁，滑坡體均在后排樁附近大致沿45°角剪出，如圖12所示。模型后緣的外荷載沿著此應(yīng)力釋放帶進行了應(yīng)力重新分布，一部分的荷載沿著應(yīng)力釋放帶被釋放，另外一部分荷載傳遞到模型前緣。重新分布的荷載遵循力在模型介質(zhì)內(nèi)的傳遞規(guī)律，與真實的滑坡體產(chǎn)生的滑坡推力動力學特性相似，說明本實驗?zāi)軌蜉^為真實地模擬滑坡荷載對抗滑樁的作用。

圖12 樁頂無聯(lián)系梁約束應(yīng)力分布圖Fig.12 Stress distribution on the pile tops without connect beam

3.2 聯(lián)系梁及排間距對抗滑性能的影響

由于實驗條件的限制，僅做了4種工況的實驗，主要研究有/無聯(lián)系梁、聯(lián)系梁厚度以及抗滑樁排間距因素對抗滑性能的影響。

對比工況1和工況2，可研究當排間距一定時，有/無聯(lián)系梁對抗滑性能影響的大?。粚Ρ裙r2和工況3可研究聯(lián)系梁厚度（剛度）對抗滑性能的影響；對比工況2和工況4可研究排間距對抗滑樁的影響。

3.2.1 樁身變形對比分析

樁身變形曲線如圖13所示。工況1和工況2相比較，在兩種組合結(jié)構(gòu)體系均達到破壞時，有聯(lián)系梁時樁頂?shù)膫?cè)向位移明顯小于無聯(lián)系梁的情況，樁頂有聯(lián)系梁的組合結(jié)構(gòu)體系側(cè)向位移是無聯(lián)系梁約束情況的67%；且抗滑樁的破壞點也比樁頂無聯(lián)系梁約束情況推遲了出現(xiàn)，樁頂無聯(lián)系梁約束體系在荷載施加到58kN附近時抗滑樁發(fā)生破壞，樁頂有聯(lián)系梁約束條件下在荷載施加到73kN附近時抗滑樁發(fā)生破壞，即抗滑樁的結(jié)構(gòu)整體效果得到了提高。

工況2和工況3相比較，當聯(lián)系梁能滿足強度要求時，厚度增加對抗滑樁位移的影響作用不大。工況2和工況4相比較，當排間距增大時，抗滑樁樁頂水平位移有所減小，但變化幅度不大。從整體來看，有聯(lián)系梁的抗滑樁體系的位移均較無聯(lián)系梁的位移小。

3.2.2 樁前荷載對比分析

樁前荷載隨滑坡推力增加而變化的曲線如圖14、圖15所示。

工況1和工況2相比較，在相同荷載作用下，有聯(lián)系梁約束的組合結(jié)構(gòu)體系前后排樁樁前荷載值均小于無聯(lián)系梁時的測得的荷載值。且在樁頂無聯(lián)系梁約束雙排樁組合體系破壞時，樁頂有聯(lián)系梁的組合體系仍未達到極值（未破壞），支護結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向承載力得到了較大幅度的提高，樁頂有聯(lián)系梁約束的組合結(jié)構(gòu)體系的抗力相對樁頂無聯(lián)系梁約束的情況提高了約40%。

圖13 抗滑樁樁頂水平位移曲線Fig.13 Horizontal displacement of the top of anti－slide piles

工況2與工況3相比較，排間距相同，聯(lián)系梁厚度（剛度）不同，在等量滑坡推力的作用下，樁前荷載值并無明顯變化，表明在聯(lián)系梁的強度能夠滿足變形要求時，聯(lián)系梁厚度（剛度）的增加對加強抗滑性能的影響作用不大。

圖14 不同約束條件下前排樁樁前荷載Fig.14 Load on front anti－slide piles

圖15 不同約束條件下后排樁樁前荷載Fig.15 Load on back anti－slide piles

工況2和工況4相比較，當聯(lián)系梁厚度相同，排間距不同時，在等量滑坡推力作用下，排間距小的支護結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向承載力較大。由于排間距的不同，前后排樁承受荷載的比例發(fā)生了變化，排間距大時前排樁承受荷載較排間距小時前排樁承受荷載大。有聯(lián)系梁的支護結(jié)構(gòu)體系的整體抗滑能力比無聯(lián)系梁時高。

4 結(jié)論

（1）基于雙排樁組合支護結(jié)構(gòu)體系中單樁側(cè)向承載力計算問題，進行了詳細的室內(nèi)模型實驗設(shè)計。設(shè)計內(nèi)容包括滑坡、抗滑樁和聯(lián)系梁的材料參數(shù)的選取，抗滑樁的埋設(shè)，數(shù)據(jù)采集加荷方法等方面。實驗結(jié)果表明，該實驗方法方便可行，可供雙排樁的抗滑承載力計算及設(shè)計借鑒。

（2）通過室內(nèi)模型實驗主要研究了有/無聯(lián)系梁、聯(lián)系梁厚度以及抗滑樁排間距對抗滑性能的影響。有聯(lián)系梁約束時雙排樁樁側(cè)向位移明顯小于樁頂無約束下的側(cè)向位移，破壞時其最大側(cè)向位移僅為無聯(lián)系梁約束時的67%左右。由于樁頂聯(lián)系梁的作用，支護結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向承載力得到了較大幅度的提高，樁頂有聯(lián)系梁約束的組合結(jié)構(gòu)體系的抗力相對樁頂無聯(lián)系梁約束的情況提高了約40%左右。

（3）在聯(lián)系梁的強度能夠滿足變形要求時，其厚度（剛度）的增加對加強抗滑性能的影響作用不大。在等量滑坡推力作用下，排間距小的支護結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向承載力較大。

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［2］余志成，施文華.深基坑支護設(shè)計與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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EXPERIMENT OF THE LATERAL LOAD ON A SINGLE PILE OF THE DOUBLE－ROW SUPPORTING PILES

Ma Qing－wen1，Song Shu－zhi2，Kong Ji－ming3
（1.Water Resources and Environment College，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China；2.Chengdu Survey and Design Institute，China Hydropower Engineering Consulting Group，Chengdu 610072，China；3.Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China）

The indoor model experiment was conducted to study how the connect beam，the beam thickness and the row space influence the anti－sliding performance of the piles.The load capacity of double－row piles with beams exceeds that of double－row piles without them by 40%.Thicker or stiffer beams won＇t enhance their anti－sliding performance much than they meet the deformation requirements.The supporting structure with smaller row space has larger capacity of lateral load.

double－row piles；load capacity；connect beam；indoor model

P642

A

1006－4362（2011）03－0078－06

2010－11－25 改回日期：2011－03－17

馬清文（1978－ ），男，博士，講師，巖土工程專業(yè)。