門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)模型試驗研究

趙波++王運生++王羽++王富強++翟永超++申通

摘要：為了對門架式抗滑樁的結(jié)構(gòu)特性有進一步的認(rèn)識和提升，進行了門架式抗滑樁三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗與門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)模型試驗。通過在樁身內(nèi)部貼置應(yīng)變片以及樁身的關(guān)鍵位置處放置千分表，來測量在推力荷載施加過程中，門架式抗滑樁的樁身應(yīng)力變化特點及關(guān)鍵位置點的位移變化特征。試驗結(jié)果表明：門架式抗滑樁樁前、后排樁樁頂位移大于滑動面處位移，后排樁樁身位移大于前排樁樁身位移；前、后排樁樁身內(nèi)力均呈現(xiàn)明顯的“s”型分布，樁頂應(yīng)力不為零，其數(shù)值隨著推力荷載的增大的而增大。

關(guān)鍵詞：門架式抗滑樁；三維地質(zhì)力學(xué)試驗；結(jié)構(gòu)模型試驗；結(jié)構(gòu)特性

中圖分類號：TU473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）01010105

收稿日期：20150713

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41521002、51408086）；國家重點實驗室基金（SKLGP2015Z001）

作者簡介：趙波（1989），男，博士生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治研究，（Email）goodman_zhao@163.com.

Received：20160713

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 41521002，51408086）； Opening Fund of State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection （No. SKLGP2015Z001）

Author brief：Zhao Bo （1989）， PhD candidate， main research interest： geological disaster prevention， （Email）goodman_zhao@163.com.Model test of the structure of portal antisliding piles

Zhao Bo1， 2， Wang Yunsheng1， Wang Yu3， Wang Fuqiang3， Zhai Yongchao4， Shen Tong1

（1. State key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology，

Chengdu 610059， P.R.China； 2. Design and Research Institute of Chongqing Construction Engineering Group Company

Limited， Chongqing 400050， P.R.China； 3. School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，

Chongqing 400074， P.R.China； 4. China First Highway Engineering Co.，Ltd， Beijing 100024， P.R.China）

Abstract：The geomechanical model testing based on pilesoil interaction and structure model test of portal antisliding piles are conducted to study its stress mechanism. Strain gauges are pasted in internal of piles to discuss its stress features， and dial indicators are placed at key positions to analysis its displacement features. The results showed that the displacement of rear pile is larger than front pile， and the displacement of pile top is larger than the position of sliding surfaces. The stress distribution of rear pile and front pile both present the “s” distribution and the stress value of top rear pile and front pile is not null whose value increases with the growth of thrust load.

Keywords：portal antisliding piles； geomechanical model testing； structure model test； structural characteristics

門架式抗滑樁是由前、后兩根相距一定間距的鋼筋混凝土抗滑樁以及一根連系橫梁組成，連系橫梁把前、后排樁在樁頂剛性連接起來，形成一個剛性整體支擋結(jié)構(gòu)。門架式抗滑樁作為一種較為典型的組合式支擋結(jié)構(gòu)，由于具有樁身剛度大，樁頂位移小，具有較好的支擋性能和收坡功能[15]。

眾多學(xué)者圍繞著門架式抗滑樁展開了多方面的研究：首先門架式抗滑樁的計算方法和模型被不斷提出，如：土壓力法、結(jié)構(gòu)變形法、有限元法和考慮樁土相互作用下的結(jié)構(gòu)計算方法[613]，這些方法實現(xiàn)了門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)計算由定性向定量的轉(zhuǎn)變。其次大量的結(jié)構(gòu)模型試驗和數(shù)值模擬也從另外一個角度對門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)優(yōu)越性進行了較為細(xì)致的分析和研究[1417]，以上這些研究均極大的促進了門架式抗滑樁的推廣應(yīng)用[18]。

但目前仍有部分問題還需要明晰，如：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型試驗是否能夠真實反映樁土相互作用下門架式抗滑樁的結(jié)構(gòu)特性。為此，課題組進行了考慮實際樁土相互作用下的門架式抗滑樁試驗和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型試驗，來進行相互驗證分析，驗證得到數(shù)據(jù)或規(guī)律的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，以期可以提高對門架式抗滑樁的科學(xué)認(rèn)知。

1試驗設(shè)計

1.1三維地質(zhì)力學(xué)試驗

實驗采用室外鋼架焊接模型，模型的具體組成及其尺寸見圖1。此模型長250 cm，寬170 cm?；瑤挥谂c水平夾角為10°左右的斜面。

圖1地質(zhì)力學(xué)試驗?zāi)Ｐ?/p>

Fig.1Physical model of portal pile門架式模型樁為鋼筋混凝土樁，此模型樁各部分的橫截面積（前排樁、后排樁、連系梁）均為8 cm×10 cm，前、后排樁樁高均為96 cm，前后排樁間距為68 cm，前、后排樁的錨固深度分別為：15、20 cm，此模型樁的配筋為Φ6的光面鋼筋，混凝土強度為C7.5，并在樁身內(nèi)部貼置應(yīng)變片，樁頂設(shè)置位移計來測量加載過程中的相關(guān)力學(xué)參數(shù)的變化。

滑帶土體采用砂土、粘土、水泥質(zhì)量比為6∶4∶0.5的比例來進行配比，同時每100 kg配合土中加入5 kg水進行均勻攪拌，然后均勻攤鋪壓實?；膊捎昧薈25的混凝土進行澆筑。同時，考慮模型樁的強度（C7.5），不能等到滑床混凝土達(dá)到齡期后在進行試驗，根據(jù)相關(guān)試驗，在滑床混凝土澆筑11 d左右開始進行試驗。同時為了減少滑床與滑體之間的摩擦，在滑床上鋪設(shè)一層聚乙烯薄膜來模擬滑帶。

1.2門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)模型試驗

如圖2所示為門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)模型試驗圖。此結(jié)構(gòu)模型為鋼筋混凝土樁，前、后排樁樁高均為140 cm，其中錨固段深度為50 cm，抗滑段為90 cm，前、后排樁橫截面積均為12 cm×18 cm，模型樁的配筋為Φ8鋼筋，混凝土強度為C20。

在樁身內(nèi)部貼置應(yīng)變片和在樁身C點（后排樁樁頂）、D點（前排樁樁頂）、K點（后排樁滑動面）、J點（前排樁滑動面），設(shè)置4個位移計來測量加載過程中樁身內(nèi)力變化和變形規(guī)律，見圖2。

圖2結(jié)構(gòu)模型試驗圖

Fig.2Structure model of portal pile2結(jié)果分析

2.1樁身位移分析

2.1.1三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗圖3所示為門架式抗滑樁后排樁樁頂位移隨著推力荷載變化圖。

由圖3可知，在滑坡推力較小時（推力荷載<100 kN），后排樁樁頂位移很小，且變化不大；滑坡推力>100 kN后，門架式抗滑后排樁樁頂開始迅速增大，并且其增長速率隨著推力荷載的增大而逐漸增大，并在推力荷載=150 kN時，樁頂位移達(dá)到了595 mm。這主要是因為：1）由于土體有“吸收”推力系統(tǒng)產(chǎn)生的推力來時自身變得“密實”的特點，故當(dāng)滑坡推力小于一定的值時，大部分的推力被樁后土體“吸收”，造成傳遞到門架式抗滑樁上的力較小，使得樁身形變小；當(dāng)推力荷載大于一定值后，樁后土體“吸收”的能量達(dá)到飽和，這時傳遞推力的效率就會增加，門架式抗滑樁所受的推力荷載值也就會迅速增加；2）門架式抗滑樁作為一種超靜定結(jié)構(gòu)，本身具有自我內(nèi)力調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)承受推力荷載在一定范圍內(nèi)時，門架式抗滑可以通過自身的調(diào)節(jié)來降低門架式抗滑樁的樁身位移，這也可能是導(dǎo)致位移變化不大的原因，當(dāng)推力荷載大于一定值后，門架式抗滑樁就需要產(chǎn)生一定的形變來來抵抗額外產(chǎn)生的滑坡推力，當(dāng)推力荷載大于一定值后，門架式抗滑樁開始產(chǎn)生快速變形。

圖3門架式抗滑樁后排樁樁頂位移變化圖

Fig.3The displacement distribution of rear pile head2.1.2門架式抗滑樁結(jié)構(gòu)模型試驗圖4（a）、（b）所示為前、后排樁樁頂和滑動面處的樁身位移隨推力荷載變化圖。從圖4（a）、（b）可知，他們曲線的分布形式均大致相同，均呈現(xiàn)樁頂處的位移較大（C點、D點），滑動面處較?。↘點、J點）；同時，隨著推力荷載的增大，樁頂處的位移值持續(xù)增大，滑動面處的位移值增長十分緩慢，兩者的位移差隨著推力的增大而增大。

圖4（c）、（d）所示為前、后排樁樁頂處的位移變化圖和滑動面處的樁身位移變化圖。從4（c）可知，在前后排樁樁頂處后排樁的在滑坡推力<1 000 kg時差距不大，但當(dāng)推力荷載>1 000 kg后，前、后排樁樁頂位移開始快速增大，同時，后排樁的增大速率比前排樁要大，導(dǎo)致前、后排樁樁頂位移呈現(xiàn)后排樁位移大于前排樁位移，并且隨著滑坡推力的增大，兩者的差距呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。從圖4（d）可知，前、后排樁滑動面處的樁身位移變化不大。

圖4門架式抗滑樁樁身位移圖

Fig.4The displacement of pile body2.2樁身內(nèi)力分析

2.2.1三維地質(zhì)力學(xué)試驗圖5為不同荷載推力作用下門架式抗滑樁后排樁的應(yīng)力分布圖，由圖5可知，門架式抗滑的應(yīng)力分布形式與傳統(tǒng)抗滑樁的內(nèi)力分布形式大致相同，均呈現(xiàn)典型的“s”形分布，但門架式抗滑樁樁頂彎矩值并不為零，而是呈現(xiàn)一個非零值，并且這個非零值隨著推力荷載的增大而增大。同時，隨著推力荷載的增大，其彎矩分布形式?jīng)]有發(fā)生變化，只是數(shù)值產(chǎn)生了變化。筆者認(rèn)為造成其樁頂內(nèi)力不為零的主要原因是由于樁頂連系梁的作用，連系橫梁將前、后排樁剛性連接在一起，前、后排樁的樁身內(nèi)力可以通過連系梁進行傳遞，實現(xiàn)內(nèi)力的重新分配，由于推力荷載會首先作用于后排樁，引起后排樁將部分內(nèi)力通過連系梁傳遞給前排樁，根據(jù)作用力與反作用力，后排樁受到一個反向的內(nèi)力，由此造成了后排樁樁頂內(nèi)力不為零。推力荷載越大，后排樁傳遞給前排樁的內(nèi)力也就越大，導(dǎo)致后排樁所受到的反向內(nèi)力也就越大，引起樁頂內(nèi)力越大。

圖6所示為門架式抗滑樁前排樁樁身彎矩分布圖。從圖6可知，前排樁的彎矩分布形式與后排樁大致相同，呈現(xiàn)典型的“s”形分布。同時其樁頂彎矩也不為零，并且這個非零值隨著推力荷載的增大而增大。造成這種現(xiàn)象主要是由于，后排樁通過連系梁把內(nèi)力傳遞給前排樁，使得前排樁樁頂?shù)膬?nèi)力并不為零，同時推力荷載越大，后排樁通過連系梁傳遞給前排樁的內(nèi)力也就越大，導(dǎo)致樁頂應(yīng)力值也就越大。

圖5門架式抗滑樁后

排樁樁身彎矩圖

Fig.5The bending moment

distribution of rear pile圖6門架式抗滑樁前

排樁樁身彎矩圖

Fig.6 The bending moment

distribution of front pile

2.2.2結(jié)構(gòu)模型試驗圖7為不同推力荷載作用下門架式抗滑樁后排樁樁身應(yīng)力分布圖。由圖7可知，門架式抗滑樁后排樁的樁身應(yīng)力同樣呈現(xiàn)典型的“s”形分布。只是上部的曲線相對于下部變得不是特別明顯，同時其樁頂?shù)膽?yīng)力也并不為零，這個非零值隨著滑坡推力的增大而增大，其原因見前述分析。

圖8為門架式抗滑樁不同推力荷載作用下前排樁樁身應(yīng)力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)前排樁樁身應(yīng)力分布形式同前排樁極為相似，也是呈現(xiàn)“s”形分布，同時其樁頂內(nèi)力也不為零。

圖7門架式抗滑樁后排樁樁身應(yīng)力圖

Fig.7The pile stress distribution of rear pile圖8門架式抗滑樁前排樁樁身應(yīng)力圖

Fig.8The pile stress distribution of front pile3兩組試驗共性與差異性分析

三維地質(zhì)力學(xué)試驗和結(jié)構(gòu)模型試驗均表明：門架式抗滑樁的樁身應(yīng)力分布呈現(xiàn)典型的“s”型分布，出現(xiàn)兩處反彎點，同時由于連系梁的存在，前、后排樁的樁頂應(yīng)力為非零值，并隨著滑坡推力的增大而增大。不難發(fā)現(xiàn)，門架式抗滑樁前后排樁由于樁頂連系梁的作用，使得前排樁可以通過連系梁進行樁身內(nèi)力的傳遞，使得前后排樁可以進行相互協(xié)調(diào)，可以明顯的提高整體的支擋的效果，這是組合式支擋結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)抗滑樁所具有的優(yōu)勢所在。

但在結(jié)構(gòu)模型試驗中，由于加載系統(tǒng)的局限性，使其不能像地質(zhì)力學(xué)試驗一樣通過樁土的相互作用來真實的模擬滑坡推力，致使滑動面以上的樁身應(yīng)力分布并沒有與地質(zhì)模型試驗一樣呈現(xiàn)較為明顯、平滑的變化。

4結(jié)論

1）由于土體“吸能”和樁身自我協(xié)調(diào)的作用，導(dǎo)致在推力荷載較小時，樁身位移變化不大，只要當(dāng)推力荷載大于一定程度后，樁身才會產(chǎn)生形變來抵抗額外的推力荷載。

2）門架式抗滑樁樁頂處的位移大于滑動面處的位移，前排樁樁頂位移小于后排樁樁頂位移，前后排樁在滑動面處的位移大致相等。

3）門架式抗滑樁前排樁的樁身內(nèi)力呈現(xiàn)典型的“s”形分布，這個分布與傳統(tǒng)抗滑樁相差不大。但是由于樁頂連系梁的作用，門架式抗滑樁前、后排樁樁頂處的內(nèi)力并不為零，并且這個非零值隨著推力荷載的增大而增大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李小兵.邊（滑）坡中門型抗滑樁計算分析方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

LI X B. Study on analysis method of gatetype antisliding piles in engineered slope or largescale landslide control [D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University， 2007. （in Chinese）

[2] 胡松，楊明輝.雙排抗滑樁樁土作用分析模型及其應(yīng)用[J].公路工程，2012，37（1）：712.

HU S， YANG M H. The analysis model of pilesoil interaction for the doublerow antisliding piles structure and its application [J]. Highway Engineering， 2012， 37（1）： 712. （in Chinese）

[3] 劉鴻.雙排抗滑樁計算方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

LIU H. Investigation on doublerow antisliding piles [D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University， 2007. （in Chinese）

[4] 鄧飚.門架式雙排抗滑樁模型試驗及計算方法研究[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

DENG B. Model test and calculation method research on portal doublerow antisliding piles [D]. Changsha：Central South University， 2014. （in Chinese）

[5] 張明瑞.門型抗滑樁支護滑坡時受力特性的數(shù)值模擬研究[D].南京：南京大學(xué)，2011.

ZHANG M R. Numerical modeling study on portal structure antisliding piles reinforcing landslide [D]. Nanjing： Nanjing University， 2011. （in Chinese）

[6] HEYMAN L. Measurement of the influene of lateral earth pressure on pile foundation[C]// Proc. 6th ICSMFE， Montreal， 1965： 257260.

[7] NICU N D， ANTES D R， KESSLER R S. Field measurements on instrumented piles under an overpass abutment [M]. Highway Research Record，1971：8892.

[8] OTEO C S. Discussion to poulos[M]. JSMFD， ASCE， 1974：365372.

[9] STEWART D P， JEWELL R J， RANDOLPH M F. Design of piled bridge abutments on soft clay for loading from lateral soil movements [J]. Geotechnique， 1994， 44（2）：176179.

[10] OTEO C S. Horizontally loaded pilesdeformation influence [C]// Proc， 9th ICSMFE， Tokyo，1997： 121129.

[11] MANA A I. Finite element analysis of deep excavation behavior [D]. Stanford University， 1997.

[12] 何頤華，楊斌，金寶森.雙排護坡樁試驗與計算的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1996，（2）：4349.

HE Y H， YANG B， JIN B S. A study on the test and calculation of doublerow fender piles [J]. Journal of Building Structures， 1996， 17（2）： 5866. （in Chinese）

[13] YING H W， CHU Z H. Finite element analysis of deep excavation with braced retaining structure of doublerow piles [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007（Sup2）：43254331.

[14] 錢同輝，唐輝明. 雙排門式抗滑樁的空間計算模型[J].巖土力學(xué)，2009，30（4）：11371142.

QIAN T H， TANG H M. Spatial calculation model for portal double row antislide piles [J].Rock and Soil Mechanics， 2009， 30（4）： 11371141. （in Chinese）

[15] 周翠英，劉祚秋，尚偉，等.門架式雙排抗滑樁設(shè)計計算新模式[J].巖土力學(xué)，2005，26（3）：441446.

ZHOU C Y， LIU Z Q， SHANG W，et al. A new mode for calculation of portal double row antisliding piles [J]. Rock and Soil Mechanics， 2005， 26（3）： 441446. （in Chinese）

[16] 申永江，鄧飚，楊明，等. 門架式雙排抗滑樁的彈塑性模型與計算分析[J]. 巖土力學(xué)，2014，35（6）：149156.

SHEN Y J， DENG B， YANG M. Elastoplastic models and calculation analysis of portal doublerow antislide piles [J]. Rock and Soil Mechanics， 2014， 35（6）： 149156. （in Chinese）

[17] 于洋，孫紅月，尚岳全.基于樁周土體位移的雙排抗滑樁計算模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（1）：172178.

YU Y， SUN H Y， SHANG Y Y. Calculation model of doublerow stabilizing piles based on displacement of soil around piles [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014，33（1）：172178. （in Chinese）

[18] DUNCAN J M.Analysis of soil movement around a deep excavation [J].Journal of Soil Mech and Found，ASCE， 1970， 96（5）： 5862.