不同截面形狀抗滑樁承載性狀對比試驗研究①

林麗萍， 朱興帥， 賀建清

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學院，湖南 湘潭411101； 2.湖南科技大學 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室，湖南 湘潭411201）

在滑坡治理中，抗滑樁依靠樁周土對樁的嵌固作用將滑坡推力傳遞至下部穩(wěn)定的地層中，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用平衡滑坡推力，以保證滑坡的整體穩(wěn)定。 在抗滑樁設(shè)計中，主要選用矩形和圓形兩種形式，很少考慮其他截面形式的抗滑樁［1］。 然而，不同截面形狀的抗滑樁有著不同的抗彎剛度，因此，對非典型截面抗滑樁的承載特性展開試驗研究，可為抗滑樁截面的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，對抗滑樁截面形式的設(shè)計提供參考，對滑坡治理具有實際工程應(yīng)用價值。

目前，國內(nèi)外大多學者對抗滑樁的研究主要圍繞樁身應(yīng)力分布特征以及樁-土相互作用面力學性狀展開［1-6］。 在不同截面形狀抗滑樁的承載特性研究方面［7-10］也進行了諸多研究。 但鑒于已有研究鮮有涉及非典型截面抗滑樁承載性狀的研究，本文模擬抗滑樁在邊坡工程當中的實際工作狀態(tài)，開展室內(nèi)模型試驗，通過改變抗滑樁截面形狀，對樁身應(yīng)變和樁后土體應(yīng)力進行分析，對比研究圓形樁、矩形樁及T 形截面抗滑樁的承載特性。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 試驗目的

利用自制的土工模型箱，對單排抗滑樁加固滑坡的過程進行模型試驗。 在各抗滑樁截面面積和樁間距相同的情況下，對比研究不同截面形式單排抗滑樁加固邊坡的演化過程，觀測試驗過程中模型樁的應(yīng)變及滑坡體不同部位的土壓力變化，分析不同截面形狀抗滑樁和滑坡體的受力變形特征。

1.2 模型試驗尺寸設(shè)計

依據(jù)相似比理論，室內(nèi)模型試驗應(yīng)以一定的相似關(guān)系來制作縮比模型進行相應(yīng)的抗滑樁試驗。 由于試驗設(shè)備承載能力及試驗環(huán)境因素的限制，很難滿足全部相似判據(jù)，受試驗條件限制，本次模型試驗只滿足幾何相似，幾何相似比Cl＝1。

1.3 模型試驗準備

1.3.1 設(shè)計模型箱

自制試驗模型箱如圖1 所示，它由鋼板梁焊接而成，箱體凈空尺寸：長1.5 m、寬1.4 m、高2.0 m。 箱體側(cè)面高度方向均勻設(shè)置6 道水平腹板增強箱體空間剛度。

圖1 自制土工模型箱

1.3.2 模型樁的制作與標定

在截面面積保持一致的前提條件下，設(shè)計方形、圓形和T 形3 種截面抗滑樁。 模型樁總長800 mm，嵌固滑床內(nèi)300 mm，橫截面積均為1 600 mm2，如圖2 所示。

圖2 不同橫截面模型樁截面圖（單位：mm）

試驗樁采用有機玻璃材料（PMMA）制作，選擇同一制造商生產(chǎn)的樁體材料，以提高試驗結(jié)果的可靠度。首先對樁身表面用打磨器具進行初始打磨，再使用180 目數(shù)細砂紙對樁身表面進行二次打磨，增加樁土之間摩阻力，以模擬實際工程中的樁土接觸面條件。打磨完畢，用502 膠粘貼應(yīng)變片，并用絕緣膠帶進行封閉以避免受潮和連接失效。

采用三等分點加載法測定材料的彈性模量，確定其抗彎剛度。

1.3.3 坡體材料

滑坡體采用花崗巖殘積土填筑，其物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型坡體材料物理力學參數(shù)

滑床用密實碎石土填筑，為保證滑床及嵌固端的穩(wěn)定性，填料中加入適量水泥拌合，增強滑床土體強度。

1.4 模型制作

1） 按100 mm 分層夯實填筑滑床，壓實度控制在90%。 滑床成型后，在斜坡面上鋪設(shè)兩層聚氯乙烯塑料布模擬滑面，并在塑料間涂抹黃油，降低粘聚力。

2） 滑床土體達到強度要求后，鉆挖樁間距200 mm、嵌固深度300 mm 的樁孔。 將已按要求粘貼應(yīng)變片的模型樁輕擊入孔。

3） 分層填筑滑坡體，壓實度仍控制在90%。

4） 按抗滑樁截面形狀，試驗分方形、圓形、矩形3組，每組4 根樁。 模型剖面及平面示意圖如圖3 所示。

1.5 測試系統(tǒng)

1） 采用百分表對模型樁頂部水平位移進行監(jiān)測。

2） 應(yīng)變片沿模型樁樁身的樁長方向，通長且對稱布置，間距設(shè)置為100 mm，上方距離模型樁樁頂100 mm，應(yīng)變片大小為5 mm × 3 mm，測試電阻為120 Ω。 將應(yīng)變片按設(shè)計間距布設(shè)后，使用502 膠水、“704”硅膠對應(yīng)變片進行密封防水處理。 其樁頂端超出滑體材料上表面50 mm，作為自由段，以便百分表的布設(shè)。

將布設(shè)在模型樁上的應(yīng)變片以半橋補償塊的方式分別連接至2 臺uT7121Y 式靜態(tài)式應(yīng)變儀的接口端進行測量。 測量前應(yīng)進行初始讀數(shù)，且每一次試驗前應(yīng)進行調(diào)平并清零。

3） 采用MFF 系列多點薄膜壓力測試系統(tǒng)，監(jiān)測試驗過程中滑體內(nèi)土壓力變化。 滑坡體內(nèi)共埋設(shè)薄膜壓力傳感器13 個，該傳感器直徑9.52 mm，厚0.2 mm，規(guī)格為110N，埋設(shè)于距離滑坡體坡頂面200 mm 處（如圖3（b）），呈3 列布置于樁后，平行樁軸心連線方向間距為100 mm，垂直樁軸心連線方向間距為50 mm。將壓力傳感器均連接好2 臺FFM 1208 系列數(shù)據(jù)采集機器（8 個測點）進行數(shù)據(jù)采集并接入電腦以儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 模型試驗示意圖（單位：mm）

1.6 試驗加載

檢查所有儀器連接是否有效，再次調(diào)平讀數(shù)，歸零處理。 在邊坡后緣對滑體分級加載，利用厚度20 mm、長1 200 mm 的半剛性承壓板將千斤頂荷載轉(zhuǎn)化為條形荷載。 每級荷載施加增量為2.0 kN，每級荷載維持30 min，使試驗樁受力達到穩(wěn)定后，再進行百分表、應(yīng)變儀和薄膜壓力測試系統(tǒng)讀數(shù)，逐級加載，直到樁間土體大量滑出即結(jié)束試驗，拆卸千斤頂、百分表等試驗儀器，并保存試驗數(shù)據(jù)。

1.7 內(nèi)力確定

依據(jù)彈性地基梁的基本計算原理，抗滑樁是受彎受剪構(gòu)件，從樁身截面應(yīng)變關(guān)系分析通過計算可得到抗滑樁的彎矩及剪力［11］。

測得試驗樁樁身同一位置兩側(cè)應(yīng)變差為Δε，可知樁身曲率φ（z）為：

式中z為坡頂面至監(jiān)測截面的距離，m；a 為截面高度，m。

樁身彎矩M（z）為：

式中EI 為抗彎剛度，N·m2。

樁側(cè)土反力p（z）為：

樁身撓曲線方程y（z）可通過對彎矩方程進行二次積分得到：

樁身彎矩分布與Lorentz 曲線的分布特征較相似，故可使用Lorentz 函數(shù)對試驗樁的彎矩進行擬合，彎矩方程M（z）及樁身剪力分布Q（z）的擬合公式為：

式中M0、A、ω 和z0均為Lorentz 函數(shù)的待定系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 樁頂位移分析

不同截面模型樁加載過程中樁頂位移值如圖4所示。

圖4 模型樁樁頂位移與荷載的關(guān)系曲線

由圖4 可見，在0 kN、2 kN、4 kN 荷載下，3 組試驗的樁頂水平位移增量不多，其原因是滑坡推力作用初期，荷載主要壓縮邊坡后緣土體，減少土體空隙，模型樁樁身并未承受所有的滑坡推力；當荷載加至6 kN后，逐級增加荷載，試驗樁樁頂位移變化有逐漸增大趨勢，圓形截面樁和方形截面樁樁頂位移值均大于T 形截面樁，且圓形截面樁樁頂位移值最大；當荷載達到14 kN 時，圓形截面樁及方形截面樁樁間滑體相對于樁身水平位移較大，滑體土逐漸從樁間滑出，并有少量樁間土滑塌，同時樁頂位移變化趨勢減小；當荷載達到18 kN 時，T 形截面樁也出現(xiàn)這一現(xiàn)象。

由圖4 可知，隨著荷載增大，即滑坡推力增加，3種樁形的樁頂位移差逐漸呈增大趨勢，且相同滑坡推力作用下不同樁形的樁頂位移量關(guān)系為：S圓＞S方＞ST，這是因為3 種截面形式的抗滑樁截面慣性距不相同，即IT（276154）＞I方（213333）＞I圓（203718）。 試驗過程中，圓形樁、方形樁的位移增量出現(xiàn)減小的趨勢是在滑坡推力達到14 kN 時，T 形樁是在滑坡推力18 kN 時。樁后土體在滑坡推力分別達到14 kN 及18 kN 時，樁間土體發(fā)生滑移甚至滑塌現(xiàn)象。 由土拱效應(yīng)分析，樁間土體能形成的土拱被破壞，導致作用在樁間土體的滑坡推力達到極限值致使土體滑移，致使通過土拱傳遞至試驗樁樁體的滑坡推力減小，因此從樁頂位移來看，表現(xiàn)出位移增量減小的趨勢。 在抗滑樁橫截面積相等的條件下，T 形截面樁樁后迎土面積大于其他兩類樁，更有益于端承型土拱的形成，因此T 形截面樁的樁后土拱發(fā)生破壞時，承受的滑坡推力最大。 抗彎剛度分析結(jié)果表明，T 形樁樁身抗彎剛度是方形樁的1.29 倍，是圓形樁的1.36 倍，顯然，T 形樁的樁頂位移相比更小。

2.2 樁身彎矩分布規(guī)律

分級荷載作用下，不同截面形狀抗滑樁樁身的彎矩分布曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，隨著下滑推力增大，試驗樁樁身各監(jiān)測點的彎矩值均出現(xiàn)增大的趨勢；在相同荷載作用下，3 種類型試驗樁的樁身彎矩較接近，且試驗樁的最大彎矩值點在200～300 mm 左右，即在滑動面與試驗樁樁交界處，隨著加載值持續(xù)增大，彎矩最大值點有向下移動的趨勢。

圖5 模型樁樁身彎矩分布曲線

2.3 樁后土體應(yīng)力分布

如圖3（b）所示，自左至右，以過第二根、第三根模型樁軸心且垂直樁軸心連線的剖面分別為Ⅰ剖面、Ⅲ剖面，以過第二根、第三模型樁之間的中點且垂直樁軸心連線的剖面為Ⅱ剖面，荷載施加到18 kN 時，各剖面樁后土體應(yīng)力分布曲線見圖6。

由圖6 不難發(fā)現(xiàn)，3 種樁的樁后土壓力均隨距樁軸心連線的垂直距離增大而減小，T 形樁樁后的土壓力值小于其余兩種樁形，這是因為T 形樁的樁后迎土面較大，有效避免了應(yīng)力集中。 Ⅱ剖面圓形截面樁樁后土壓力在0～150 mm 范圍內(nèi)呈近似線性增長，方形截面樁在0 ～50 mm 和50 ～100 mm 范圍內(nèi)土應(yīng)力出現(xiàn)兩次明顯的增長，由此可知樁間摩擦土拱作用與樁后樁承土拱作用獨立發(fā)揮效應(yīng)。 T 形截面樁樁后樁承土拱在100 ～150 mm 位置發(fā)揮效應(yīng)最好，其土體應(yīng)力增長速率較快。 T 形截面樁的樁后土體內(nèi)應(yīng)力分布更均勻，且土體應(yīng)力值更小，更有利于樁承土拱的形成。

圖6 模型樁樁后土壓力分布曲線

3 結(jié) 論

1） 其它條件相同的情況下，T 形截面樁的樁頂位移最小；T 形樁承受的極限荷載最大，圓形樁與方形樁相近，T 形截面抗滑樁具有更好的抗滑效果。

2） 不同截面形狀模型樁的樁身最大彎矩值位于滑動面與模型樁交界處，隨荷載持續(xù)增加，彎矩最大值點有下移趨勢。

3） T 形樁的樁后土體內(nèi)應(yīng)力分布更加均勻，值較小，有利于樁后承載土拱的形成。