拱形排列微型樁抗滑機理研究

姚禹龍， 肖維民， 張志偉， 潘汝江， 游晶越

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學土木工程學院，四川都江堰 611830；2. 四川建筑職業(yè)技術學院鐵道工程系, 四川成都 610399)

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拱形排列微型樁抗滑機理研究

姚禹龍1， 肖維民1， 張志偉2， 潘汝江1， 游晶越1

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學土木工程學院，四川都江堰 611830；2. 四川建筑職業(yè)技術學院鐵道工程系, 四川成都 610399)

傳統(tǒng)的微型樁布置形式在應對較復雜地形時易發(fā)生樁身受力不均、整體性降低等情況。利用拱結構應力分布均勻、主要承受軸向壓力等特點，將微型樁按拱形排列布置，樁頂用連系梁約束以共同承擔滑坡推力，即形成拱形排列微型樁抗滑結構。該結構用抗壓性能好的拱形混凝土剛性連系梁承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構件的作用，使樁身受力均勻。文章選取不同矢跨比情況下排列的微型樁體系，建立協(xié)調(diào)方程對連系梁與微型樁的受力進行分析。通過算例得出結論：拱形連系梁矢跨比增加，對微型樁的約束越明顯。

微型樁； 內(nèi)力分析； 拱形排列

1 國內(nèi)對微型樁的研究狀況

微型樁的樁徑一般小于400 mm且具有較大長細比，通常采用鉆孔、注漿等工藝進行施工。由于微型樁的孔徑較小，因此在工程中具有設計靈活性大、施工方便快捷等優(yōu)勢。近年來，微型樁作為一種新型結構越來越多的運用于中小型滑坡防治、邊坡加固等實際工程中[1]。國內(nèi)學者對微型樁的抗滑計算理論研究取得了一些成果，龔健等人[2]對微型樁單樁與群樁布置進行了水平荷載試驗；馮君[3]針對微型樁加固順層巖質邊坡的作用機理以及計算理論進行了研究，提出了微型樁單樁抗剪強度公式；肖世國[4]根據(jù)微型樁組合抗滑結構的特點，研究了其抗滑受力情況；孫書偉[5]研究了微型樁群-土相互作用機制并推導出計算公式；周德培[6]按照樁-土相互作用原則討論了頂梁固定微型樁的組合結構的抗滑機制并按照橫向約束的彈性地基梁法提出了設計計算理論；肖維民[7]對微型樁單樁與群樁的不同抗滑情況做了相關研究。與此同時，許多學者也進行了微型樁抗滑的相關模擬實驗，胡毅夫[8]通過模型試驗總結了微型樁雙排單樁與組合樁在加固邊坡時的抗滑特性；閆金凱[9]以黃土為滑坡介質，完成一系列微型樁與滑坡體相互作用的模型試驗；孫書偉[10]用模擬實驗的方法研究了框架微型樁結構抗滑特性；白晨光[11]對具有抗彎功能的微型樁在基坑支護中的設計與施工進行了研究；朱本珍[12]對微型樁群加固堆積層滑坡的加固效果和受力特性進行原位試驗。

目前對微型樁的抗滑計算理論的研究成果較多，但對其在不同布置形式下微型樁的受力模式與抗滑理論研究較少，本文針對目前微型樁不同布置形式的研究成果，總結出工程中常用的幾種微型樁布置的結構形式，并討論其布置形式的優(yōu)缺點。對于滑坡推力較大且地質條件復雜的坡面，微型樁傳統(tǒng)布置形式很難滿足設計要求。與此同時，一些學者對拱形排列抗滑樁在大型工程中的應用做了一定研究[13]，但是在微型樁上的應用較少且理論研究十分匱乏。

本文提出一種新型微型樁布置形式——拱形排列微型樁布置體系，該體系能發(fā)揮混凝土拱形連系梁受壓性能好的特點，使結構受力均勻，約束樁身位移，可運用在特殊的中小型邊坡加固工程中。

2 拱形排列微型樁抗滑機理研究

2.1 結構特性分析

將微型樁按拱形放置，使之成為一種在地面水平放置的拱結構。拱身承受邊坡滑較大的推力，拱腳處則選用較大截面的樁型以承受水平推力，如圖1所示。相對于傳統(tǒng)布置形式的微型樁，空間拱型排列微型樁體系有以下優(yōu)點：

圖1 拱形排列抗滑微型樁結構

(1)利用拱結構應力分布較為均勻、主要承受軸向壓力的特點，用抗壓性能好的混凝土剛性連系梁承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構件的作用，達到合理運用材料的目的。

(2)連系梁增加了體系的穩(wěn)定性，拱結構比桁架結構具有更大的力學優(yōu)點，有效控制樁頂位移。

(3)利用拱結構卸荷特點，使荷載通過梁沿兩側傳遞到拱腳較穩(wěn)定的結構上，從而減小由梁頂面直接傳遞的壓應力與微型樁所承受的彎矩，這對微型樁結構的整體穩(wěn)定性更加有利。

2.2 拱形排列微型樁受力情況分析

2.2.1 計算假定

計算基本假定：滑移面以上樁體看成是下端固定、頂端自由的懸臂樁，微型樁所承受的滑坡推力假設為均布荷載，令其值為q[6]。微型樁與頂梁的連接為固定連接，樁頂沿連系梁徑向移動不考慮切向位移。

2.2.2 拱形連續(xù)梁內(nèi)力情況

拱形連系梁可簡化為拱軸線在水平面內(nèi),拱軸作用有多余約束的高次超靜定無鉸拱。本文考慮連系梁與微型樁頂之間剪力，同時還考慮相互作用時連系梁的彎矩與扭矩，連系梁跨度為l。為便于分析連系梁內(nèi)力，建立如圖2所示整體坐標系xyz，和局部坐標系x′y′z′。其中，整體坐標系xyz原點O位于最左端微型樁頂，x軸為水平布置左右兩端微型樁的連線，向右為正；局部坐標系x′y′z′原點M為拱形連系梁上的任意一點，x′軸沿連系梁法向方向，y′軸沿拱形連系梁切向。以指向右端為正。

圖2 整體坐標系和局部坐標系示意

(1)

2.3 微型樁內(nèi)力及位移計算

(2)

2.4 力法柔度方程

(3)

3 算 例

3.1 模型建立與參數(shù)選取

某滑坡滑動面以上為硬塑性黏土，內(nèi)摩擦角φ=20°滑面以上取m=5 000 kN/m4，滑面以下取k=40 000 kN/m3。樁h=12.6 m，受荷段h1=6.1 m，錨固段h2=6.5 m，樁頂連系梁跨度l=8.2 m，設樁處滑坡推力q=302 kN/m，樁間距沿跨度方向為1.2 m,滑坡推力按三角形分布。單根微型樁采用3束φ32 的螺紋鋼，孔徑130 mm，樁與樁頂連系梁的彈性模量均為E= 2.6×107 kPa。計算上半部分時把樁體在滑面處視為固定端。兩端抗力樁為0#與7#樁，其他抗滑樁編號為1#～6#樁，其中1#、2#樁分別與4#、5#樁對稱布置，3#樁位于中間位置。

3.2 弧形連系梁內(nèi)力分布情況

應用MATLAB程序分別計算矢跨比f/l= 1 /16、1 /14、1 /12、1 /10、1/6、1 /4時的連系梁內(nèi)力圖，計算結果見圖3～圖7。

圖3 連系梁軸力

圖4 連系梁剪力

圖5 連系梁繞y′軸扭矩

圖6 連系梁繞z′軸扭矩

圖7 連系梁繞x′軸扭矩

由圖3可知，矢跨比較小時，隨矢跨比增加連系梁軸力增加，當矢跨比達到f/l=1/12后，隨矢跨比增加，軸力減小，且跨中部分減小幅度較大；由圖4可知，在樁頂處拱形連系梁剪力發(fā)生突變，隨矢跨比增加，剪力減小且其分布趨于均勻。可以看出，在同一矢跨比下拱形連系梁軸力值較剪力值要更大，甚至達到數(shù)倍，這說明拱形連系梁主要承受軸向壓力且受力較均勻，故用抗壓性能好的混凝土剛性連系梁來承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構件的作用。

由圖5～圖7可知，拱形連系梁繞y′軸扭矩在兩端呈現(xiàn)最大數(shù)值，中部則趨近于0，隨矢跨比增加，扭矩數(shù)值整體呈減小趨勢；拱形連系梁繞z′軸扭矩在兩端較大，隨矢跨比的增加，扭矩逐漸減小，端部扭矩減小明顯；隨矢跨比的增加，拱形連系梁繞x′軸彎矩增加，端部彎矩增加明顯，但連系梁繞x′軸彎矩始終較小；總體來講，連系梁x′軸彎矩較小，可忽略不計。當矢跨比增加時，拱形連系梁繞y′軸、z′軸的彎矩明顯減小且分布更加均勻合理。

3.3 微型樁內(nèi)力與位移特征

以2#樁為例，分別計算在不同矢跨比條件下，樁身在連系梁法向的內(nèi)力及位移。

圖8 微型樁剪力

圖9 微型樁彎矩

圖10 連系梁位移

從圖8、圖9所示的微型樁內(nèi)力變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，樁頂連系梁對微型樁頂起到了約束作用，隨矢跨比增大約束效果也得到加強，樁身沿法線方向剪力也隨之增加，尤其在樁頂增加最大，但總體來講矢跨比增加對剪力變化影響并不明顯；同樣的，在連系梁的約束作用下，樁身彎矩隨矢跨比的增加而增加。

由圖10可知，拱形連系梁對微型樁頂有較明顯的約束作用，隨矢跨比越大，樁頂以及樁身位移越小，約束效果也越明顯。

需要指出的是，實況微型樁滑面處位移并不為0，因此，在計算樁體上半部分受力時把樁體在滑面處視為固定是不完全恰當?shù)?。此方法對微型樁的受力情況做出了偏安全的簡化。內(nèi)力計算結果偏于保守?？紤]實際工程中微型樁樁體滑面處位移較小，為簡便計算，故在此忽略不計。

4 結 論

(1)本文研究微型樁與拱形連系梁之間的剪力作用，推導了連系梁與微型樁內(nèi)力與位移的計算公式，分析不同的矢跨比情況下的內(nèi)力位移分布規(guī)律。

(2)拱形連系梁隨矢跨比增加，剪力與彎矩均減小且趨于均勻；軸力值明顯大于剪力值且在其f/l=1/12時出現(xiàn)最大值，使得連系梁所用混凝土材料抗壓特性得到充分發(fā)揮。

(3)由于拱形排列微型樁頂部受到連系梁的約束作用，微型樁受荷段彎矩及剪力均有所增加，樁頂處最為明顯。

(4)隨連系梁矢跨比的增加，對樁頂位移的約束效果愈加明顯，相應地，樁身各處位移隨之減小。

5)拱形連系梁對微型樁起到約束作用，隨連系梁矢跨比增加，約束作用越明顯。這種布置形式能在一定程度上改善連系梁與微型樁的受力情況，使材料充分發(fā)揮作用，可運用于一些地形較為特殊的中小規(guī)模的滑坡治理工程中。

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[14] 曾令錄，林再星.鐵道部第二勘測設計院. 抗滑樁設計與計算[M]. 北京:中國鐵道出版社, 1983.

姚禹龍(1994～),男，本科，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究。

TU473.1+2 U417.1

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[定稿日期]2016-08-25