微型抗滑樁-連梁組合結(jié)構(gòu)抗滑機(jī)理試驗(yàn)研究

張?jiān)荷?雷國平 楊偉鴻 馬華 蘇棟，3 吳澤雄 洪成雨，3

1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518063；2.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518061；3.深圳大學(xué) 未來地下城市研究院，廣東 深圳 518061

微型抗滑樁造價(jià)低、施工快捷且對場地適應(yīng)性較強(qiáng)，已成為邊坡加固常用手段之一。與大直徑抗滑樁在樁后形成土拱效應(yīng)的抗滑機(jī)理不同，微型抗滑樁只能調(diào)動滑動面附近局部土體反力，產(chǎn)生相對較小的抗滑力，但往往進(jìn)行多排布置并通過在樁頂設(shè)置連梁或頂板形成組合結(jié)構(gòu)，整體上也具有較好的抗滑性能，可代替大直徑抗滑樁用于邊坡加固［1-3］。關(guān)于該組合結(jié)構(gòu)的受力特性已進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)和數(shù)值研究，主要集中在樁頂約束、臨界嵌固長度、微型抗滑樁間距等方面［4-6］。微型抗滑樁-連梁組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算主要采用彈性地基梁K法或m法［7-11］，沒有考慮微型抗滑樁的受力變形協(xié)調(diào)。王金梅等［12］考慮了微型抗滑樁上各部分受力特點(diǎn)，將微型抗滑樁分成上部摩擦受拉段、中部滑坡推力作用段和下部錨固段進(jìn)行分析，一定程度上反映了單樁的受力特性，但是沒有考慮多排樁及樁頂約束的影響。以上方法僅限于彈性階段的分析，沒有考慮樁土的塑性破壞。對于微型抗滑樁極限承載力，主要通過假設(shè)樁土形成復(fù)合體，并在一定程度上考慮各樁受力的不均勻性，通過計(jì)算樁內(nèi)加筋部分抗剪強(qiáng)度來分析結(jié)構(gòu)的極限承載力［13］。此類方法比較符合以樁剪切破壞為主的巖質(zhì)滑坡，而不適用于以彎曲破壞為主的土質(zhì)邊坡。

針對上述不足，本文展開模型試驗(yàn)，研究樁的塑性屈服過程以及該過程中組合結(jié)構(gòu)的受力變化，進(jìn)而揭示該結(jié)構(gòu)的抗滑機(jī)理。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型箱與加載裝置

設(shè)計(jì)可滑動的模型盒模擬邊坡土體滑動過程中對微型抗滑樁的剪切作用。模型試驗(yàn)裝置見圖1。模型箱主體由上部可滑動箱和下部固定箱兩部分構(gòu)成，豎向高度分別為0.6、0.7 m，水平凈長均為0.7 m，橫向凈寬均為0.4 m。模型箱正面采用20 mm 厚有機(jī)玻璃板，便于觀察土樣，其余部分均采用10 mm 厚鋁合金板。采用水平油壓千斤頂對上部箱體進(jìn)行加載，使上部土體發(fā)生整體滑動。千斤頂最大行程150 mm，最大推力10 t，試驗(yàn)加載速率約為0.11 mm/s。千斤頂和模型箱之間安裝一個(gè)量程為5 kN 的壓力傳感器，用于記錄試驗(yàn)過程中的總推力。模型箱滑動的垂直方向架設(shè)有高清照相機(jī)（分辨率5 472 × 3 648），每10 s對模型側(cè)邊拍照一次，用于監(jiān)測模型箱和樁頂?shù)奈灰啤?/p>

圖1 模型試驗(yàn)裝置（單位：mm）

1.2 模型樁

模型樁選用直徑10 mm、壁厚1 mm 的鋁合金管，主要物理參數(shù)見表1。微型抗滑樁外部沿樁長布設(shè)2 條OFDR 分布式光纖傳感器，位于樁截面兩側(cè)，且放入模型箱時(shí)2 條光纖所在平面與土體滑動方向平行，用于監(jiān)測微型抗滑樁沿滑動方向兩側(cè)的應(yīng)變，進(jìn)而分析樁內(nèi)力變化。光纖通過丙烯酸酯膠固定在樁表面，且通過強(qiáng)力膠帶進(jìn)行保護(hù)，光纖粘貼完成后通過懸臂梁彎曲測試進(jìn)行標(biāo)定，并在彎曲測試中加載直至模型樁發(fā)生塑性變形，據(jù)此獲取其屈服彎矩。光纖的測量精度為±1.0 × 10-6，采用靜態(tài)測量時(shí)測點(diǎn)間距為10 mm，采用動態(tài)測量時(shí)測點(diǎn)間距為1.812 mm。樁頂連梁采用2個(gè)矩形鋁合金條通過螺絲夾緊樁頂外露自由段的形式進(jìn)行模擬，連梁尺寸為210 mm × 30 mm × 10 mm。

表1 模型樁主要物理參數(shù)

1.3 土體材料與建模

試驗(yàn)選用平潭砂，其平均粒徑為0.41 mm，相對密度為2.662，最大、最小孔隙比分別為0.915、0.573，砂土相對密實(shí)度為45%。土樣采用分層壓實(shí)法制備，以保證其均勻性和可重復(fù)性。在土樣制備前先將微型抗滑樁通過一道橫梁固定在布設(shè)位置，然后每次稱取相應(yīng)的土樣（約25.38 kg），通過漏斗和軟管導(dǎo)入模型箱中，并平整壓實(shí)至相應(yīng)厚度（每層厚6 mm）。

1.4 模型試驗(yàn)參數(shù)

考慮微型抗滑樁結(jié)構(gòu)的抗滑效果受到樁頂連梁和嵌固長度的影響，共進(jìn)行4 次試驗(yàn)，包括1 次無樁試驗(yàn)和3次變參數(shù)試驗(yàn)，見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

在垂直滑坡方向微型抗滑樁的響應(yīng)區(qū)別不大，且當(dāng)該方向微型抗滑樁的間距（橫向間距）大于4～5 倍樁徑時(shí)，排樁在土體水平運(yùn)動作用下的響應(yīng)接近于單樁［14］，同時(shí)微型抗滑樁橫向連梁的作用較小。故主要研究一列縱向微型抗滑樁在土體水平運(yùn)動下的響應(yīng)。微型抗滑樁的平面布設(shè)見圖2，其縱向間距為6 倍樁徑。根據(jù)土體滑動方向，樁A 相當(dāng)于邊坡加固中的后緣樁，樁D則為前緣樁。

圖2 微型抗滑樁平面布置（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 樁頂位移

不同工況時(shí)樁頂位移見圖3、圖4?？芍囼?yàn)過程中樁頂發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)和下沉；不同工況相同位置樁的樁頂位移相差不大，略大于土體水平位移。部分樁在初始階段會出現(xiàn)微小上浮，但整體以軸向下沉為主，其中樁D 下沉量更大；在連梁的影響下，樁的軸向位移差異更大，連梁抑制了后緣樁的軸向位移而加大了前緣樁的軸向位移；在嵌固長度較小的情況下（工況Ⅲ），微型抗滑樁的軸向位移明顯變小，且在加載初期出現(xiàn)更為明顯的上浮位移，表明在該嵌固長度下樁的嵌固段有被拔出的趨勢。

圖3 工況Ⅱ時(shí)樁頂位移

圖4 不同工況時(shí)樁頂軸向位移

2.2 試驗(yàn)推力

千斤頂在試驗(yàn)過程中總推力見圖5?？芍合噍^于工況Ⅳ，微型抗滑樁明顯增加了滑動阻力；連梁提高了結(jié)構(gòu)抗滑力（工況Ⅱ高于工況Ⅰ），而降低樁嵌固長度（工況Ⅲ）后，樁的抗滑力又相對降低了。

圖5 千斤頂推力

2.3 微型抗滑樁內(nèi)力

工況Ⅰ時(shí)樁CⅠ在不同土體位移下內(nèi)力分布見圖6?？芍弘S著土體位移的增大，樁的內(nèi)力及土體橫向反力均有所提高，樁土相互作用主要集中在滑動面附近一定范圍內(nèi)。樁在滑動面處的彎矩較小，即微型抗滑樁的抗滑以在滑動面處提供剪力為主。滑動面以上出現(xiàn)了與滑動面以下相反的彎矩，且二者在數(shù)值上處在相同的量級，有可能出現(xiàn)上下均發(fā)生樁體塑性應(yīng)變的情況，這是微型抗滑樁與普通抗滑樁的主要區(qū)別之一。微型抗滑樁在滑動面處軸向受拉，在發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)后也能貢獻(xiàn)一部分抗滑作用。

圖6 工況Ⅰ時(shí)樁CⅠ內(nèi)力和樁土相互作用力沿樁身的分布

根據(jù)滑動面上下彎矩峰值M1、M2和滑動面處剪力F的發(fā)展趨勢，可將微型抗滑樁的內(nèi)力發(fā)展分為彈性受力階段（土體位移約40 mm 之前）和塑性屈服階段。在彈性受力階段，樁的內(nèi)力隨土體位移線性增加；而在塑性屈服階段，樁的最大彎矩逐漸接近并超過屈服彎矩，同時(shí)滑動面處F（即抗滑力）達(dá)到相對穩(wěn)定值，隨土體位移變化不大。各試驗(yàn)中微型抗滑樁均發(fā)生了塑性屈服，見圖7。

工況Ⅰ時(shí)樁內(nèi)力隨土體位移的變化見圖8。

由圖8（a）可知：最大絕對彎矩出現(xiàn)在滑動面以下，表明此試驗(yàn)中嵌固長度較長。前緣樁DⅠ在嵌固段的彎矩最大，并率先達(dá)到屈服彎矩，同時(shí)也導(dǎo)致該樁在滑體中的彎矩不再增加，所能提供的抗滑力（即在滑動面處的剪力）也開始降低。繼樁DⅠ之后，CⅠ和BⅠ先后在嵌固段進(jìn)入塑性階段，但仍能繼續(xù)調(diào)動滑體內(nèi)的樁土相互作用，使滑動面以上樁的彎矩繼續(xù)增加，樁的抗滑力持續(xù)緩慢增加。對于后緣樁AⅠ，其彎矩變化與樁DⅠ相反，即其在滑動段有達(dá)到屈服的趨勢，而在嵌固段則沒有。圖8（a）中顯示的彎矩超過屈服彎矩的情況與試驗(yàn)后對樁的觀察一致（參見圖7），樁BⅠ—DⅠ的嵌固段發(fā)生了明顯的塑性變形，雖然M1也有達(dá)到屈服彎矩的情況，但還沒有形成較大的塑性應(yīng)變。

圖7 微型抗滑樁塑性變形

圖8 工況Ⅰ時(shí)樁內(nèi)力隨土體位移變化

由圖8（b）可知：越靠近前緣的樁（如DⅠ），其彎矩峰值的埋深越小，這在一定程度上反映了群樁效應(yīng)對樁土相互作用的影響。一般地，樁的剛度相對土體越高，其最大彎矩位置與最大剪力位置之間的距離越大，據(jù)此可判斷在滑動段中前緣樁DⅠ受到的土體反力水平更低，而嵌固段中則相反是AⅠ，群樁效應(yīng)對邊緣樁的影響更顯著。同時(shí)，各樁彎矩峰值的埋深差異主要體現(xiàn)在塑性變形階段。

由圖8（c）可知：在彈性階段邊緣樁（AⅠ和DⅠ）提供的抗滑力高于中間樁（BⅠ和CⅠ），但整體上差別較??；在塑性階段邊緣樁的抗滑力明顯低于中間樁，且前緣樁DⅠ抗滑力出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象。

綜上，多排微型抗滑樁的受力及破壞過程并不統(tǒng)一，有明顯的漸進(jìn)性破壞特征，且多排樁產(chǎn)生群樁效應(yīng)使邊緣樁更容易達(dá)到塑性變形，從極限分析的角度難以準(zhǔn)確計(jì)算該結(jié)構(gòu)整體的抗滑力。

2.4 連梁對樁內(nèi)力的影響

工況Ⅱ時(shí)樁內(nèi)力隨土體位移的變化見圖9。對比圖8、圖9 可知：工況Ⅱ、工況Ⅰ中樁的塑性屈服類似，但在連梁作用下，工況Ⅱ中DⅡ樁更早進(jìn)入了塑性屈服，同時(shí)也帶動AⅡ樁發(fā)生塑性變形，提高了抗滑力。相比于工況Ⅰ，工況Ⅱ中滑動段樁身也出現(xiàn)明顯的塑性變形（樁AⅡ最為顯著），邊緣樁AⅡ和DⅡ分別在滑動段和嵌固段中彎矩最大，率先達(dá)到屈服破壞，而中間樁內(nèi)力發(fā)展介于二者之間。

圖9 工況Ⅱ時(shí)樁內(nèi)力隨土體位移變化

圖8、圖9土體位移30、100 mm時(shí)內(nèi)力情況分別代表樁彈性和塑性階段。經(jīng)對比可知，彎矩峰值的位置受連梁影響不大。在彈性階段，工況Ⅰ和工況Ⅱ彎矩較相近，但抗滑力已體現(xiàn)出較大差別，其中工況Ⅱ較高。在塑性階段，工況Ⅱ彎矩M2明顯高于工況Ⅰ，工況Ⅱ中后緣樁抗滑力仍較大，而前緣樁則相反，其原因與連梁對微型抗滑樁軸力的改變有關(guān)。

不同工況時(shí)土體位移40 mm、埋深10 cm 處樁軸力情況見圖10?？芍簩τ跊]有連梁的工況Ⅰ，該處的軸力以受拉為主；而工況Ⅱ，連梁明顯加大了后緣樁的受拉并使前緣樁在樁頂附近受壓，這與圖4（a）中連梁對樁軸向位移的影響相符。連梁對軸力的改變會產(chǎn)生二次彎矩，進(jìn)而影響微型抗滑樁的橫向受力。

圖10 土體位移40 mm時(shí)埋深10 cm處樁軸力（正值代表受拉）

連梁加大了后緣樁的受拉并使前緣樁受壓，改善了微型抗滑樁群的受力，提高了其抗滑力，并且該提升作用在樁的彈性受力階段即已發(fā)生。

2.5 嵌固長度對樁內(nèi)力的影響

工況Ⅲ時(shí)樁內(nèi)力隨土體位移的變化見圖11。對比圖9、圖11可知，工況Ⅲ中樁的塑性屈服與工況Ⅱ相反，由于樁的嵌固長度明顯變短，此時(shí)樁的塑性破壞主要發(fā)生在滑動段中（即M1位置）。參見圖7 可知，最嚴(yán)重的塑性變形出現(xiàn)在B、C樁位上，樁AⅢ塑性變形較小而樁DⅢ沒有發(fā)生塑性變形。

圖11 工況Ⅲ中樁內(nèi)力隨土體位移變化

試驗(yàn)中嵌固長度的減小程度對彎矩峰值位置的影響不明顯。在彈性階段，嵌固長度的減小對彎矩影響不大，但已全面降低各樁的抗滑力。在塑性階段，工況Ⅲ中M1要明顯高于工況Ⅱ，而M2則明顯低于工況Ⅱ，最終樁的抗滑力相對工況Ⅱ進(jìn)一步降低了。

綜上，相比于連梁對樁間受力的影響，過小的嵌固長度改變了樁的受力破壞模式，嚴(yán)重時(shí)更能使微型抗滑樁因被拔出而失效，參見圖4（b）。然而，通過嵌固長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使M1和M2同時(shí)達(dá)到抗彎強(qiáng)度，充分發(fā)揮微型抗滑樁的抗彎性能。

3 結(jié)論與建議

1）微型抗滑樁樁頂水平位移與土體位移相近，且受連梁和嵌固長度影響不大。微型抗滑樁在樁頂以軸向下沉位移為主，連梁會加大右側(cè)樁的下沉位移而抑制左側(cè)樁，減小嵌固長度會減小樁頂?shù)南鲁痢?/p>

2）樁頂連梁和足夠的嵌固長度均能加大抗滑結(jié)構(gòu)的承載力。微型抗滑樁在滑動面處彎矩較小，以提供抗剪力為主進(jìn)行抗滑。滑動面上下分別有一個(gè)彎矩峰值，二者方向相反但數(shù)值上處在相同量級，即有兩個(gè)可能出現(xiàn)樁體塑性彎曲破壞的位置。

3）受群樁效應(yīng)影響，后緣樁和前緣樁分別在滑動段和嵌固段中彎矩最大，率先達(dá)到塑性屈服，而中間樁內(nèi)力發(fā)展介于二者之間。在彈性階段邊緣樁的抗滑力要略高于中間樁，在塑性階段則相反。多排微型抗滑樁的受力及破壞過程并不統(tǒng)一，有明顯的漸進(jìn)性破壞特征。連梁加大了后緣樁的受拉并使前緣樁樁頂附近受壓，提高了其抗滑力。

4）后續(xù)可進(jìn)一步通過數(shù)值研究，建立該結(jié)構(gòu)破壞模式與各參數(shù)的定量關(guān)系，用于簡化承載力的計(jì)算。由于結(jié)構(gòu)破壞往往始于邊緣樁，可考慮改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過改變排間距或加強(qiáng)該部位樁的屈服強(qiáng)度來提高整體結(jié)構(gòu)的抗滑承載力。