預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)微型樁結(jié)構(gòu)抗滑性能影響的試驗(yàn)研究

胡田飛,朱本珍，劉建坤，鄭　靜，梁龍龍

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000)

微型樁是一種小孔徑的鉆孔加筋灌注樁，其直徑一般小于400 mm，加筋體通常采用鋼筋、鋼管及鋼軌等，多為大面積成群布置。由于微型樁具有非開(kāi)挖(機(jī)械)成孔、對(duì)地層適用性強(qiáng)、樁位布置靈活、對(duì)坡體擾動(dòng)小、施工安全快速等優(yōu)點(diǎn)，因此其在滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)和邊坡加固中應(yīng)用廣泛[1-2]。微型樁的截面積小、抗彎剛度有限，在滑坡推力作用下容易側(cè)向傾斜變形，因此一般在雙排或多排微型樁的頂部設(shè)置聯(lián)系梁或頂板構(gòu)成空間框架結(jié)構(gòu)，并與樁體周圍的巖土體形成復(fù)合骨架體系[3-4]，本文將該類形式的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為“傳統(tǒng)微型樁”。傳統(tǒng)微型樁仍然存在如下問(wèn)題：①樁體與巖土體容易協(xié)調(diào)蠕動(dòng)變形，不能嚴(yán)格控制加固后邊坡的位移，對(duì)于安全性要求較高或變形敏感的邊坡難以達(dá)到防治要求；②在邊坡巖土體力學(xué)強(qiáng)度低、變形模量小或?qū)扼w約束限制作用較弱的情況下，加固后邊坡的安全儲(chǔ)備提高有限，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，比如松散的堆積體邊坡；③結(jié)構(gòu)仍易出現(xiàn)側(cè)向傾斜位移而導(dǎo)致邊坡變形滑移，對(duì)于大、中型滑坡僅能作為應(yīng)急搶險(xiǎn)或輔助加固措施，例如相關(guān)規(guī)范[5]規(guī)定當(dāng)土質(zhì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂?shù)淖畲笏轿灰拼笥?0 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)預(yù)警并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，但是微型樁結(jié)構(gòu)頂部的水平位移容許值通常增加至30～50 mm[6]。因此傳統(tǒng)微型樁多應(yīng)用在滑坡的應(yīng)急搶險(xiǎn)和小型巖質(zhì)、硬質(zhì)土邊坡及安全性要求較低邊坡的防護(hù)中[7-8]。已有的研究和應(yīng)用結(jié)果均表明，剛性旋轉(zhuǎn)和傾斜彎曲變形是單根微型樁及其組合框架式結(jié)構(gòu)的主要破壞模式，是影響結(jié)構(gòu)極限承載力的主要因素[9-12]。

為提高微型樁的結(jié)構(gòu)抗滑承載力，基于綜合排樁剛架結(jié)構(gòu)和拉錨式擋土結(jié)構(gòu)2種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)，提出1種微型樁-錨索組合抗滑新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用若干根垂直或傾斜布置的微型樁、樁頂聯(lián)系梁和斜向預(yù)應(yīng)力錨索與周圍巖土體共同構(gòu)成了1個(gè)復(fù)合擋錨結(jié)構(gòu)體系[13]。斜向錨索的作用類似于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的錨拉約束，本文稱該新結(jié)構(gòu)體系為“錨索微型樁”。與傳統(tǒng)微型樁相比，錨索微型樁為主動(dòng)受力，提高了抗滑承載力。對(duì)于類似形式的大型錨索抗滑樁，工程界已進(jìn)行了大量研究[14-15]。關(guān)于錨索微型樁，則還處于對(duì)其支擋效果和抗滑承載力進(jìn)行宏觀描述與分析的階段[16-17]。

目前，對(duì)于錨索微型樁的變形、樁體內(nèi)外力分布及共同作用機(jī)制等結(jié)構(gòu)特性還缺乏深入細(xì)致的研究。本文通過(guò)雙排傳統(tǒng)微型樁和錨索微型樁加固土質(zhì)邊坡的模型試驗(yàn)，并結(jié)合相同條件的FLAC3D數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)邊坡中這2種結(jié)構(gòu)的變形破壞模式、受力特征及邊坡的變形特征進(jìn)行分析，探討錨索微型樁的抗滑機(jī)理。

1　模型試驗(yàn)

1.1　模型

模型試驗(yàn)分為傳統(tǒng)微型樁和錨索微型樁兩組，錨索微型樁試驗(yàn)布置如圖1所示，傳統(tǒng)微型樁則不設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。模型邊坡和微型樁及其附屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)通過(guò)基本參數(shù)試驗(yàn)確定。試驗(yàn)中采用多種測(cè)試元件對(duì)微型樁的受力和變形過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1　模型試驗(yàn)示意圖(單位：cm)

試驗(yàn)中幾何相似比Cl=10，重度相似比取為基礎(chǔ)相似比Cρ=1。其他各物理量的相似比見(jiàn)表1。

參照蘭州市城關(guān)區(qū)某高8.0 m的黃土邊坡建立邊坡模型，預(yù)先設(shè)置圓弧形滑動(dòng)面，試驗(yàn)箱尺寸為1.4 m(長(zhǎng))×0.8 m(寬)×1.0 m(高)。采用人工分層夯實(shí)的方式填筑邊坡，滑床和滑體的土性一致，以保持坡體的均勻性?；埠突w的材料配比為85%的黃土、13%的水及2%的膨潤(rùn)土，膨潤(rùn)土起減小變形模量、使邊坡易于成型的作用。擊實(shí)后土體的密度為18 kN·m-3，含水量為14.9%?；瑒?dòng)面為填充滑石粉泥漿的雙層聚乙烯薄膜，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)基本參數(shù)試驗(yàn)反演計(jì)算和直剪試驗(yàn)綜合確定，結(jié)果為黏聚力c=1.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ=24.2°?；w變形時(shí)會(huì)受到模型箱縱向側(cè)壁的摩阻力作用，為降低摩擦系數(shù)，在模型箱側(cè)壁上鋪設(shè)雙層塑料布，以模擬實(shí)際邊坡的自由邊界。

表1　物理量的相似比

微型樁原型為直徑300 mm、長(zhǎng)度7 m、樁心配3φ20鋼筋、C20混凝土灌注的圓樁。根據(jù)表1所示相似比例，模型樁直徑為30 mm，長(zhǎng)度為70 cm，樁心配1φ6鋼筋，將水泥∶砂=1∶2的水泥砂漿注入φ32 mm的PVC管而成。預(yù)應(yīng)力錨索采用φ2鋼絞線，施加100 N預(yù)應(yīng)力后錨定。聯(lián)系梁由水泥砂漿澆注制成，其尺寸為10 cm×5 cm×2 cm，并預(yù)留微型樁孔道和預(yù)置錨固螺栓，如圖2所示。

圖2　結(jié)構(gòu)模型

1.2　試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)及加載

位移測(cè)量采用機(jī)械式百分表，量程0～50 mm?？紤]到邊坡后緣存在應(yīng)力集中和邊坡側(cè)壁位移受邊界效應(yīng)影響，為不失一般性，在邊坡的中部平臺(tái)和坡腳位置設(shè)置1排沿滑動(dòng)方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成測(cè)線，觀察邊坡的變形特征。在其中一組微型樁結(jié)構(gòu)的聯(lián)系梁頂端前后側(cè)設(shè)置2個(gè)百分表，監(jiān)測(cè)豎直位移，編號(hào)為1#和2#，在聯(lián)系梁前端設(shè)置1個(gè)百分表，監(jiān)測(cè)水平位移，編號(hào)為3#，如圖3所示。

為保證位移和應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性，在另一組結(jié)構(gòu)的微型樁上成對(duì)粘貼應(yīng)變片，用于測(cè)試樁體的應(yīng)變，以避免可能的相互影響。應(yīng)變測(cè)試采用BX120-3AA型膠基箔式應(yīng)變片，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由INV2312N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀采集。根據(jù)梁的橫力彎曲理論和Hooke彈性定律，彎矩計(jì)算公式為

M=EI(ε1-ε2)/d

(1)

式中：EI為抗彎剛度；ε1和ε2分別為同一高度的樁前和樁后應(yīng)變；d為樁徑，彎矩以樁前受拉為正。

圖3　聯(lián)系梁位移監(jiān)測(cè)

為分析滑坡推力在微型樁、聯(lián)系梁及錨索各構(gòu)件間的力學(xué)傳遞機(jī)制，同時(shí)為保持荷載恒定，采用在坡頂加載平面堆置鉛沙袋的分級(jí)加載方式，每級(jí)1.5 kN，共分8級(jí)。為使堆載充分作用于滑體，每級(jí)加載之后待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后再施加下級(jí)荷載。若試驗(yàn)最后未達(dá)到大變形或破壞狀態(tài)，再利用油壓千斤頂進(jìn)行極限破壞試驗(yàn)。

2　數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

針對(duì)模型試驗(yàn)中部分指標(biāo)和現(xiàn)象觀測(cè)不便的困難，結(jié)合FLAC3D建立相同條件的數(shù)值計(jì)算模型，綜合分析2種結(jié)構(gòu)不同的變形破壞形式、受力特征及邊坡的變形特征，以驗(yàn)證錨索微型樁的抗滑性能。土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服條件為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，滑動(dòng)面采用Interface單元模擬，微型樁、聯(lián)系梁及預(yù)應(yīng)力錨索分別采用軟件內(nèi)置的Pile單元、Beam單元和Cable單元模擬。樁頂節(jié)點(diǎn)與聯(lián)系梁設(shè)置為剛性連接，錨索前端節(jié)點(diǎn)與聯(lián)系梁設(shè)置為鉸支連接，如圖4所示。在堆載平面上施加法向面力，模擬模型試驗(yàn)的堆載過(guò)程，每級(jí)加載1.5 kN，至15 kN。通過(guò)對(duì)照模型試驗(yàn)的可測(cè)物理量(地表位移和微型樁彎矩)，計(jì)算邊坡從塑性變形到最終破壞過(guò)程中位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及微型樁結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力、外力分布的變化特征。

圖4　數(shù)值計(jì)算模型

3　邊坡穩(wěn)定性分析

3.1　位移

圖5為用傳統(tǒng)和錨索微型樁加固后邊坡在逐級(jí)堆載過(guò)程中的變形。由圖5可見(jiàn)：傳統(tǒng)和錨索微型樁模型試驗(yàn)測(cè)得的位移曲線和數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，均呈逐級(jí)增加的趨勢(shì)。坡腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移比中部平臺(tái)的大，尤其在堆載至4.5 kN后坡腳的位移變化速率明顯增大，由此判斷4.5 kN是邊坡由蠕變狀態(tài)向大變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界荷載。這2種結(jié)構(gòu)的邊坡坡腳位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)差值呈由小變大(堆載由0 kN 變到10.5 kN)、再逐漸減小(堆載由12.0 kN變到15.0 kN)的趨勢(shì)；中部平臺(tái)位移數(shù)據(jù)差值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)則在9.0 kN。由此可見(jiàn)，相比邊坡中上部，坡腳位移的收斂速度較慢。

圖5　邊坡堆載—水平位移曲線

圖6為堆載12 kN時(shí)邊坡合位移場(chǎng)的分布特征。由圖6(a)可見(jiàn)，在傳統(tǒng)微型樁的支擋作用下，邊坡中后部的土體位移主要表現(xiàn)為壓縮沉降。結(jié)構(gòu)周圍的土體位移相比前后側(cè)要小，對(duì)后部坡體位移的支擋效果明顯。結(jié)構(gòu)將滑坡推力傳遞至穩(wěn)定的滑床中，滑動(dòng)面以下土體出現(xiàn)微小位移。由圖6(b)可見(jiàn)，在預(yù)應(yīng)力作用下，邊坡出現(xiàn)沿錨索傾角的軸向壓縮位移，可有效提高坡體及滑動(dòng)面的抗剪性能。相比傳統(tǒng)微型樁，錨索微型樁兼具支擋和錨固2種作用，結(jié)構(gòu)加固范圍增大，邊坡整體位移有所減小。

圖6　堆載12 kN邊坡合位移場(chǎng)(單位：mm)

3.2　大主應(yīng)力

堆載導(dǎo)致的應(yīng)力重分布狀態(tài)是邊坡變形和破壞的直接原因，因此邊坡應(yīng)力特征是分析新結(jié)構(gòu)抗滑機(jī)理的基礎(chǔ)。

圖7為堆載12 kN時(shí)邊坡大主應(yīng)力場(chǎng)的分布特征。由圖7可知，在微型樁結(jié)構(gòu)的周圍形成一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)，阻滯了堆載附加應(yīng)力和位移向前緣臨空面的傳遞。錨索微型樁加固邊坡的大主應(yīng)力場(chǎng)分布特征與傳統(tǒng)微型樁有所不同，一方面，增大了應(yīng)力集中范圍，使應(yīng)力分異現(xiàn)象加?。涣硪环矫妫鲬?yīng)力方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，與坡面夾角增大，提高了滑體側(cè)向切割面的抗滑力，有利于邊坡穩(wěn)定。結(jié)合圖5的位移場(chǎng)可知，由微型樁—聯(lián)系梁—巖土體構(gòu)成的空間骨架體系，截?cái)嗔酥禄瑧?yīng)力的傳遞和位移的持續(xù)累加，而預(yù)應(yīng)力錨索則進(jìn)一步增強(qiáng)了骨架體系的作用范圍和抗滑承載力。

圖7　堆載12 kN邊坡大主應(yīng)力場(chǎng)(單位：MPa)

4　結(jié)構(gòu)變形特征分析

4.1　雙排樁變形

堆載初期(1.5和3 kN)，大部分滑坡推力用來(lái)克服樁后土體的阻滑力和壓密邊坡后緣土體，因此2種微型樁結(jié)構(gòu)均沒(méi)有產(chǎn)生明顯位移。隨著堆載的逐級(jí)增加，傳遞至樁體的滑坡推力逐漸增大，位移開(kāi)始累計(jì)增加。在堆載初期，微型樁處于彈性狀態(tài)。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，堆載至6 kN時(shí)，傳統(tǒng)微型樁的樁體最大水平位移達(dá)到1.25 mm，錨索微型樁則為0.82 mm，然后隨堆載的增加樁體逐漸過(guò)渡至彈塑性受力狀態(tài)。

圖8為數(shù)值計(jì)算中傳統(tǒng)和錨索微型樁在逐級(jí)堆載過(guò)程中的變形特征。由圖8可見(jiàn)，在堆載作用下，微型樁結(jié)構(gòu)的變形分為2部分，一部分表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)彎曲變形導(dǎo)致的整體傾斜，水平側(cè)向位移自下而上逐漸增大；另一部分表現(xiàn)為截面剪力和彎矩導(dǎo)致的剪切和撓曲變形?；瑒?dòng)面上下兩側(cè)樁體均有分布，且滑動(dòng)面以上的破壞程度要比滑動(dòng)面以下嚴(yán)重。撓曲變形以滑動(dòng)面為轉(zhuǎn)軸，滑動(dòng)面上下側(cè)的撓曲變形方向相反，且同一側(cè)的撓曲變形呈中間大，兩頭(樁頭和滑動(dòng)面)相對(duì)較小的特征。相比傳統(tǒng)微型樁，錨索微型樁的側(cè)向傾斜變形明顯減小，說(shuō)明作為外拉系統(tǒng)的斜向預(yù)應(yīng)力錨索有效增強(qiáng)了新結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度；微型樁撓曲變形則明顯增大，有利于充分發(fā)揮樁體的力學(xué)性能，以嚴(yán)格控制邊坡蠕動(dòng)變形。

圖8　微型樁變形過(guò)程(放大系數(shù)：10)

堆載未能使結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形破壞，因此試驗(yàn)最后又進(jìn)行了油壓千斤頂極限破壞加載，以觀察樁體的破壞形態(tài)。圖9為傳統(tǒng)和錨索微型樁破壞試驗(yàn)后的形態(tài)。破壞試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)微型樁整體傾斜嚴(yán)重，樁體破壞主要表現(xiàn)為滑動(dòng)面附近的彎曲張拉斷裂和壓剪斷裂，如圖9(a)和(b)所示。這與文獻(xiàn)[9]中微型樁加固土質(zhì)邊坡時(shí)主要表現(xiàn)為剛性傾斜破壞和文獻(xiàn)[10]中微型樁加固巖質(zhì)邊坡時(shí)主要表現(xiàn)為滑動(dòng)面附近樁體剪切和張拉破壞的形式均有所不同，說(shuō)明邊坡土性和加載方式對(duì)微型樁的破壞形式有一定影響。巖土體的彈性模量越小，微型樁越容易發(fā)生剛性旋轉(zhuǎn)或側(cè)向傾斜變形。如圖9(c)所示，錨索微型樁雖有一定程度的側(cè)向傾斜變形，但比圖9(d)所示的傳統(tǒng)微型樁要小，另外有滑動(dòng)面兩側(cè)彎曲變形引起的塑性鉸破壞，說(shuō)明結(jié)構(gòu)組合方式對(duì)微型樁的變形特征也有較大影響。聯(lián)系梁的破壞形式表現(xiàn)為由微型樁沿滑動(dòng)方向推壓導(dǎo)致的張拉破壞，說(shuō)明作為外拉部件的預(yù)應(yīng)力錨索能夠有效限制聯(lián)系梁的水平位移。工程設(shè)計(jì)中，聯(lián)系梁的配筋方式也應(yīng)予以重視。

圖9　結(jié)構(gòu)變形破壞特征

4.2　聯(lián)系梁位移

在邊坡工程中，微型樁結(jié)構(gòu)頂部的水平位移容許值通常為30～50 mm[6]。根據(jù)相似關(guān)系，試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的位移為3～5 mm。模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果基本一致。圖10為錨索微型樁的聯(lián)系梁在逐級(jí)堆載過(guò)程中的位移變化特征。由圖10(a)可見(jiàn)，錨索微型樁的聯(lián)系梁水平位移比傳統(tǒng)微型樁小，與堆載量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。模型試驗(yàn)中，堆載至12 kN時(shí)，錨索微型樁的聯(lián)系梁水平位移為3.03 mm，傳統(tǒng)微型樁為3.44 mm，進(jìn)入極限平衡階段。堆載13.5 kN時(shí)傳統(tǒng)微型樁的聯(lián)系梁水平位移為5.16 mm，而堆載15 kN時(shí)錨索微型樁才達(dá)到5.08 mm，極限堆載量增加了約11%。這說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索有效增加了微型樁結(jié)構(gòu)的抗滑承載力。

由圖10(b)可見(jiàn)，2種微型樁結(jié)構(gòu)的聯(lián)系梁均出現(xiàn)向上的豎直位移，且聯(lián)系梁后端1#百分表的讀數(shù)始終大于前端2#百分表，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在彎曲過(guò)程中產(chǎn)生了整體拔出的趨勢(shì)，聯(lián)系梁出現(xiàn)剛性傾斜。在堆載到12.0 kN之前，兩者差值呈逐漸增大的規(guī)律，表明傾角持續(xù)增大。在堆載12.0 kN之后，傳統(tǒng)微型樁的聯(lián)系梁豎直位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這是由于結(jié)構(gòu)整體沿滑坡方向的傾斜變形嚴(yán)重，導(dǎo)致聯(lián)系梁高度下降，同時(shí)百分表差值基本穩(wěn)定，即傾角不變。而錨索微型樁在堆載12.0 kN之后，聯(lián)系梁豎直位移曲線依然繼續(xù)增加，但百分表差值逐漸減小，聯(lián)系梁又逐漸恢復(fù)至水平狀態(tài)，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的抗滑效果更優(yōu)。

圖10　聯(lián)系梁堆載—位移曲線

5　結(jié)構(gòu)共同作用機(jī)制分析

5.1　雙排樁彎矩

由于水泥砂漿強(qiáng)度低，微型樁進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)后很容易破裂，因此導(dǎo)致應(yīng)變片在堆載至6.0 kN時(shí)破壞，之后的測(cè)量值不夠準(zhǔn)確。圖11為傳統(tǒng)和錨索微型樁在逐級(jí)堆載過(guò)程中的彎矩分布特征?？梢钥闯?，堆載作用下，2種結(jié)構(gòu)的微型樁彎矩分布都呈反S型，正負(fù)彎矩的分界點(diǎn)在滑動(dòng)面附近。微型樁的剪力和彎矩存在一階導(dǎo)數(shù)關(guān)系，均屬橫向受力特征，因此不再贅述樁體的剪力分布特征。

滑動(dòng)面以上的樁體彎矩最大值始終大于滑動(dòng)面以下的彎矩最大值，且隨著堆載的增加，彎矩最大值位置逐漸向遠(yuǎn)離滑動(dòng)面方向移動(dòng)。以傳統(tǒng)微型樁為例，堆載3 kN時(shí)山側(cè)樁滑動(dòng)面以上的正彎矩最大值為12.76 N·m，距離滑動(dòng)面5 cm，滑動(dòng)面以下的負(fù)彎矩最大值為-5.5 N·m，距離滑動(dòng)面10 cm，正負(fù)彎矩最大值之比為2.3；河側(cè)樁正彎矩最大值為12.47 N·m，山側(cè)樁和河側(cè)樁的正彎矩最大值之比為1.02。堆載9 kN時(shí)，山側(cè)樁正彎矩最大值為42.83 N·m，距離滑動(dòng)面10 cm，正負(fù)彎矩最大值之比為1.8，山側(cè)樁和河側(cè)樁的正彎矩最大值之比為1.04。堆載15 kN時(shí)，山側(cè)樁正彎矩最大值為78.58 N·m，距離滑動(dòng)面15 cm，正負(fù)彎矩最大值之比為1.5，山側(cè)樁和河側(cè)樁的正彎矩最大值之比為1.03。這表明隨著堆載的增加，一方面，樁體正負(fù)彎矩最大值的比值逐漸減小，符合破壞時(shí)的雙塑性鉸彎曲破壞特征；另一方面，山側(cè)樁和河側(cè)樁的正彎矩最大值之比基本不變，表明聯(lián)系梁具有較強(qiáng)協(xié)調(diào)受力的能力。

圖11　微型樁彎矩分布

預(yù)應(yīng)力錨索則使樁體彎矩顯著增加，且正彎矩的最大值位置向上移動(dòng)，沿深度的分布也更加均勻。以山側(cè)樁為例，堆載3 kN時(shí)，錨索微型樁的正彎矩最大值為18.26 N·m，距離滑動(dòng)面5 cm，相比傳統(tǒng)微型樁增加43.1%。堆載9 kN時(shí)，錨索微型樁的正彎矩最大值為65.29 N·m，距離滑動(dòng)面15 cm，相比傳統(tǒng)微型樁增加52.4%。堆載15 kN時(shí)，錨索微型樁的正彎矩最大值為119.2 N·m，距離滑動(dòng)面15 cm，相比傳統(tǒng)微型樁增加51.7%。由此可知在加固工程中，預(yù)應(yīng)力錨索可以使微型樁盡早和充分地發(fā)揮抗滑效果，控制邊坡變形。

5.2　雙排樁側(cè)土壓力

圖12為傳統(tǒng)和錨索微型樁在逐級(jí)堆載過(guò)程中的側(cè)土壓力分布特征。由圖12可見(jiàn)，在逐級(jí)堆載作用下，錨索微型樁所受到的樁側(cè)土壓力比傳統(tǒng)微型樁大。2種結(jié)構(gòu)在滑動(dòng)面以下樁后土體抗力分布形式基本相同，呈倒三角形分布。而滑動(dòng)面以上滑坡推力分布則有所不同，傳統(tǒng)微型樁的滑坡推力基本呈上小下大的三角形分布，這是由于結(jié)構(gòu)傾斜變形嚴(yán)重，滑坡推力集中分布在滑動(dòng)面附近。而對(duì)于錨索微型樁，堆載3 kN時(shí)，滑坡推力呈正三角形分布；堆載9 kN時(shí)，滑坡推力呈梯形分布；堆載15 kN時(shí)，滑坡推力呈矩形分布；滑坡推力最大值也逐漸向上移動(dòng)。這些現(xiàn)象均表明微型樁的支擋效果和抗滑承載力得到了顯著提高。

圖12　微型樁側(cè)土壓力

傳統(tǒng)微型樁的山側(cè)樁上承擔(dān)的滑坡推力比河側(cè)樁大，錨索則改善了這種情況。堆載3 kN時(shí)，傳統(tǒng)微型樁的山側(cè)樁滑坡推力最大值為55.9 kPa，河側(cè)樁滑坡推力最大值為24.5 kPa，二者比值為1∶0.44；堆載9 kN時(shí)，二者比值為1∶0.65；堆載15 kN時(shí)，二者比值為1：0.71，說(shuō)明二者的關(guān)系隨著荷載水平的增加而增大。對(duì)于錨索微型樁，堆載3，9和15 kN時(shí)山側(cè)樁與河側(cè)樁的側(cè)土壓力最大值的比值依次為1∶0.49，1∶0.68和1∶0.87。由雙排樁的內(nèi)、外力分布特征分析可知，新結(jié)構(gòu)河側(cè)樁承擔(dān)的滑坡荷載比例比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)明顯提高，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索有效改善了排樁間的協(xié)調(diào)變形能力和共同作用效果，有利于發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)承載性能。

5.3　樁—錨荷載分擔(dān)比

根據(jù)邊坡滑動(dòng)面幾何特征和試驗(yàn)結(jié)果，確定逐級(jí)堆載過(guò)程中滑坡推力和錨索拉力的水平分量，見(jiàn)表2。在逐級(jí)堆載過(guò)程中，錨索拉力逐漸增大，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索在限制微型樁剛架結(jié)構(gòu)橫向變形的同時(shí)，通過(guò)樁錨協(xié)調(diào)變形承擔(dān)了部分滑坡推力。通過(guò)錨固段將荷載分散到滑床土體中，可以充分發(fā)揮穩(wěn)定地層的自承能力。

表2　錨索微型樁滑坡推力分配統(tǒng)計(jì)表

基于表2繪制錨索微型樁的樁—錨荷載分擔(dān)比曲線，如圖13所示，分擔(dān)比呈先增大、后減小和再增大的規(guī)律。在堆載初期(0～3 kN)，土體擠密壓實(shí)導(dǎo)致邊坡蠕動(dòng)變形，微型樁受力不斷增大，但樁錨協(xié)調(diào)變形值還較小，錨索拉力增速相對(duì)較慢，因此這個(gè)階段的樁—錨荷載分擔(dān)比逐漸增大。之后，由于堆載作用下的微型樁變形逐漸增大，隨著坡體壓縮變形和聯(lián)系梁剛性位移的累計(jì)，在堆載中期(4.5～10.5 kN)，新結(jié)構(gòu)處于彈塑性大變形階段，樁錨協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致錨索承擔(dān)的滑坡荷載比例不斷增大，但樁—錨荷載分擔(dān)比值始終>1，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)以支擋作用為主，預(yù)應(yīng)力錨索起輔助作用。堆載后期(12～15 kN)，新結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入極限破壞狀態(tài)，錨索自由段傾角不斷增大，傳遞至錨固段穩(wěn)定地層的滑坡荷載不斷增大，但比例開(kāi)始逐漸降低。結(jié)合結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以將結(jié)構(gòu)變形分為小變形(堆載0～3 kN)、大變形(堆載4.5～10.5 kN)和極限破壞(堆載12～15 kN)3個(gè)階段。因此，對(duì)于堆載誘發(fā)型滑坡，根據(jù)樁—錨荷載分擔(dān)比變化曲線的拐點(diǎn)可以判斷新結(jié)構(gòu)的變形和破壞狀態(tài)。

圖13　堆載—樁錨荷載分擔(dān)比曲線

6　結(jié)　論

(1)微型樁結(jié)構(gòu)的抗滑性能與其組合形式、加載方式均存在較大關(guān)系。新型的錨索微型樁屬于主動(dòng)加固體系，其預(yù)應(yīng)力錨索一方面增大了結(jié)構(gòu)—巖土體復(fù)合骨架體系的空間范圍，可以更加有效地阻滯致滑應(yīng)力的增大和傳遞，有利于控制邊坡變形；另一方面增大了傳統(tǒng)微型樁的側(cè)向剛度，可以有效限制結(jié)構(gòu)的剛性旋轉(zhuǎn)和側(cè)向傾斜變形，表現(xiàn)為樁體塑性鉸范圍和撓曲變形的增大。

(2)預(yù)應(yīng)力錨索優(yōu)化了傳統(tǒng)微型樁的內(nèi)力和外力分布形式。在堆載作用下，新結(jié)構(gòu)的樁體彎矩峰值增大，峰值位置向遠(yuǎn)離滑動(dòng)面的樁體兩側(cè)移動(dòng)，橫向受力更為均勻，對(duì)邊坡微小的蠕動(dòng)變形更為敏感。新結(jié)構(gòu)的樁側(cè)土壓力由三角形分布優(yōu)化為梯形和矩形分布，能及時(shí)和更有效地承擔(dān)堆載引起的滑坡推力。這些特征均有利于微型樁盡早和充分地發(fā)揮樁體材料的力學(xué)性能。

(3)預(yù)應(yīng)力錨索通過(guò)樁錨協(xié)調(diào)變形承擔(dān)了部分滑坡推力，有利于充分發(fā)揮穩(wěn)定地層的自承能力。在邊坡滑坡過(guò)程中，結(jié)構(gòu)變形可以分為小變形、大變形和極限破壞3個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的樁—錨荷載分擔(dān)比呈先增大、后減小和再增大的規(guī)律。樁—錨荷載分擔(dān)比始終大于1。錨索微型樁以支擋為主、錨固為輔。

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