圓形截面抗滑樁模型試驗(yàn)研究

顏志雄

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

相對于矩形截面抗滑樁，圓形截面抗滑樁因具有施工周期短、開挖時對土體擾動小、安全性高等優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于各類滑坡工程中[1-6]。針對圓形截面抗滑樁的抗滑機(jī)理及設(shè)計方法，很多學(xué)者進(jìn)行了研究。李乾南等[7]基于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中裂縫寬度計算公式，在分析各相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，提出圓形截面均勻配筋抗滑樁的裂縫寬度計算公式；周記名[8]討論了圓形截面抗滑群樁樁徑、樁長、承臺剛度、單樁排距對抗滑群樁抗滑效果的影響，得出等截面的矩形截面抗滑群樁所能承擔(dān)的滑坡推力與圓形截面抗滑群樁基本相等，驗(yàn)證了圓形截面抗滑群樁的工程適宜性；杜鴻[9]采用數(shù)值方法，分析了在不同樁間距條件下大直徑圓形抗滑樁對邊坡的加固效果；陳富堅等[10]推導(dǎo)了圓形截面抗滑樁非均勻?qū)ΨQ配筋的計算公式?？傮w來說，圓形截面抗滑樁的工作機(jī)理和理論體系尚不完善，為了保證實(shí)際工程中設(shè)計方案的可靠性，有必要進(jìn)行模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)原理

在模型試驗(yàn)中，模型與原型結(jié)構(gòu)必須滿足相似律的要求[11]。本次試驗(yàn)中各物理量相似比取值見表1。

相似條件即模型試驗(yàn)所應(yīng)遵守的相關(guān)準(zhǔn)則，是現(xiàn)象相似的必要條件。試驗(yàn)設(shè)計時充分考慮試驗(yàn)系統(tǒng)的幾何條件、邊界條件、試驗(yàn)材料、荷載條件等方面的相似。

表1 各物理量的相似比

1.1 幾何條件相似

因相似現(xiàn)象必定發(fā)生在幾何相似的空間內(nèi)，故模 型中各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸應(yīng)與實(shí)際情況相 似。本試驗(yàn)主要是滑坡尺寸、樁徑、樁長、樁間距等參數(shù)的幾何相似比相等。模型中各結(jié)構(gòu)的尺寸按照幾何相似比8∶1進(jìn)行制作。

1.2 邊界條件相似

主要根據(jù)滑坡的水平應(yīng)力傳遞特性進(jìn)行模擬。為了減小土體與試驗(yàn)槽側(cè)壁的摩擦，將側(cè)壁刷漆后涂抹潤滑油。此外，為充分模擬工程實(shí)際中抗滑樁的抗滑特性，在滑動面以上設(shè)置1條厚0.3 m的滑動帶，由含水率較大、內(nèi)摩擦角較小的黏性土構(gòu)成，并利用碎布片將滑動帶的上下表面與試驗(yàn)用土隔離，既保證位移的同步性，又保證滑動帶的有效性。

1.3 試驗(yàn)材料相似

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，對于主要材料盡可能采用與原型 基本相同的介質(zhì)。由于本試驗(yàn)主要研究樁結(jié)構(gòu)在橫向荷載下產(chǎn)生的變形和破壞特征，不考慮樁結(jié)構(gòu)及其周圍土體的動力特性，故土體的相似比不是主控因素，可放寬要求。試驗(yàn)用土選用粒徑0.25～0.35 mm的細(xì)砂與黏土配制而成。黏土取自云南一滑坡工點(diǎn)，配合比為細(xì)砂∶黏土=3.5∶1。為盡量滿足相似條件，模型樁選用與原型樁相同強(qiáng)度的混凝土、鋼筋，并采用相同的配筋率。

1.4 荷載條件相似

試驗(yàn)采用分級加載，利用厚0.08 m的鋼板作為加荷板，將施加在其后側(cè)的千斤頂推力傳遞到土體上。同時，控制不同高度千斤頂?shù)募虞d量，在試驗(yàn)過程中盡量使加荷板整體位移保持一致。

2 模型制作

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵栽颇弦徊捎每够瑯兜倪吰鹿こ虨樵?，原抗滑樁為圓形樁，長32 m，直徑1.6 m，配筋率1.5%，樁間距4.8 m。根據(jù)相似系數(shù)，制作2根模型樁，樁長4 m，直徑0.2 m，每根樁設(shè)置6根縱向鋼筋，配筋率1.5%。以0.6 m樁間距把模型樁設(shè)于模型槽內(nèi)。

為了保證圓形截面抗滑樁的安全，現(xiàn)場工程中額外布置了3根I20A熱軋工字鋼，占圓形樁截面面積的0.42%。受條件所限，本試驗(yàn)按照相似原理將其簡化為1根工字鋼，設(shè)于模型樁內(nèi)。模型樁的配筋情況及工字鋼截面尺寸見圖1。

圖1 模型樁的配筋情況及工字鋼截面尺寸(單位：mm)

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場地

圖2 模型槽結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

試驗(yàn)在陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室龍瑞高速公路外場試驗(yàn)基地進(jìn)行。模型槽尺寸為6.5 m(長)×1.5 m(寬)×6.0 m(高)。模型槽主要由反力墻、側(cè)壁、加荷板等組成，見圖2。為保證試驗(yàn)過程反力墻處于靜止?fàn)顟B(tài)，將反力墻按抗滑擋墻設(shè)計，墻身采用片石混凝土材料。加荷板為厚0.08 m的鋼板，由于滾輪作用加荷板在較小水平推力作用下即可產(chǎn)生位移。試驗(yàn)過程中，在千斤頂水平推力作用下控制加荷板的撓曲變形(按不超過3 mm控制)，以達(dá)到加荷板整體水平位移加載的目的。

3.2 量測系統(tǒng)

采用SDG型鋼筋計監(jiān)測微型樁的內(nèi)力變化，在每根樁的受拉側(cè)與受壓側(cè)鋼筋上各布設(shè)4個應(yīng)力測點(diǎn)(如圖3所示)，用CYT-202型鋼弦頻率儀采集其數(shù)據(jù)。

圖3 應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)示意(單位：cm)

3.3 試驗(yàn)方法

1)將細(xì)砂和黏土按3.5∶1.0的比例拌和制作含水率8%的坡體材料。

2)將模型樁插入模型槽底部預(yù)留的樁承臺孔洞內(nèi)，澆筑混凝土將模型樁底部固定在承臺上，養(yǎng)護(hù)1 d。

3)將坡體材料分層填入模型槽中，每隔20 cm對土體進(jìn)行壓實(shí)。填至加荷板底面(滑動面)時，設(shè)置厚0.3 m的滑動帶。坡體按坡率1∶1放坡。

4)采用分級加載，每一次加載完成后，靜置不少于10 min，待土體穩(wěn)定、鋼弦頻率儀讀數(shù)無浮動后，記錄鋼筋計的數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 鋼筋壓力測試結(jié)果

本次試驗(yàn)共加載9次，荷載逐級增加。根據(jù)平截面假定及彈性體假定，通過鋼筋計實(shí)測值計算出6根鋼筋以及工字鋼的總壓力值，取2根模型樁鋼筋計實(shí)測壓力值的平均值，得到每次加載后鋼筋壓力隨埋深變化曲線，見圖4。

圖4 模型樁鋼筋壓力隨埋深變化曲線

由圖4可知:在滑坡推力作用下滑動面(埋深2.0 m處)以上的模型樁以受拉為主，且在滑動面以上0.4 m處拉力達(dá)到最大值；滑動面以下的模型樁隨著加載的增加逐漸進(jìn)入受壓狀態(tài)，最終在滑動面以下1.2 m處壓力達(dá)到最大值。埋深0.8,1.6 m處鋼筋壓力隨加載的增加而增大，埋深2.4,3.2 m處鋼筋壓力隨荷載的增加而降低。

假設(shè)鋼筋的應(yīng)變與同一位置混凝土的應(yīng)變相等，達(dá)到極限強(qiáng)度的混凝土退出工作。依此計算混凝土承受的壓力。得出：在滑坡推力作用下混凝土承受的壓力遠(yuǎn)小于鋼筋承受的壓力；混凝土承受的彎矩也遠(yuǎn)小于鋼筋承受的彎矩。

4.2 彎矩和剪力計算結(jié)果

由鋼筋計實(shí)測值計算得出鋼筋應(yīng)力，進(jìn)而計算出圓形截面抗滑樁樁身彎矩。圓形截面抗滑樁樁身彎矩分布見圖5(a)。根據(jù)樁身彎矩分布可進(jìn)一步求得樁身各截面的剪力。樁身剪力分布見圖5(b)。

圖5 模型樁彎矩和剪力隨埋深變化曲線

由圖5可知：彎矩和剪力曲線均呈S形分布，存在反彎點(diǎn)。原因在于滑動面的存在使樁身上部與下部受力不同，分為上部抗滑段和下部錨固段。且隨著加載的增加，彎矩和剪力均逐漸增大。

4.3 裂縫觀測結(jié)果

觀測模型樁裂縫分布情況，發(fā)現(xiàn)裂縫遍布于整根樁上，均勻且細(xì)密。圖6所示裂縫位于埋深3～4 m處，由于裂縫微小不便于拍攝，對產(chǎn)生裂縫的部位用記號筆描粗處理。

圖6 模型樁裂縫分布情況

整根模型樁破壞最嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)在樁底部，距承臺頂部約0.1 m，模型樁受拉側(cè)混凝土出現(xiàn)了較深的裂縫，受壓側(cè)混凝土被壓碎(見圖7)?？梢娫诳够瑯兜氖芰^程中，該部位屬于圓形截面抗滑樁的脆弱區(qū)。

圖7 模型樁底部破壞情況

裂縫是在試驗(yàn)完成后開挖填土?xí)r才看到的，故沒有監(jiān)測到裂縫隨加載的逐步開裂過程。但是可以預(yù)見，如果在圓形截面抗滑樁縱筋內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，則可以有效控制裂縫開展，提高抗滑樁承載能力。

5 結(jié)語

通過對圓形截面抗滑樁進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)在滑坡推力作用下圓形截面抗滑樁中混凝土承受的彎矩遠(yuǎn)小于鋼筋承受的彎矩，即鋼筋承擔(dān)了大部分的滑坡推力作用。

2)在滑坡推力作用下圓形截面抗滑樁的彎矩和剪力曲線均呈S形分布，存在反彎點(diǎn)，隨著加載的增加彎矩和剪力均逐漸增大。

3)圓形截面抗滑樁在受力過程中產(chǎn)生的裂縫均勻分布，說明滑坡推力均勻作用在整根抗滑樁上。

4)圓形截面抗滑樁最大裂縫及破壞區(qū)域出現(xiàn)在模型樁底部，說明在模型試驗(yàn)條件下，圓形截面抗滑樁底部為最容易發(fā)生破壞的脆弱區(qū)。