蔡 強，石勝偉，韓新強，李乾坤

(1.中國地質調查局地質災害防治技術中心,成都 611734；2.中國地質科學院探礦工藝研究所,成都 611734)

兩種距徑比下微型組合抗滑樁物理模型試驗

蔡 強1，2，石勝偉1，2，韓新強1，2，李乾坤1，2

(1.中國地質調查局地質災害防治技術中心,成都 611734；2.中國地質科學院探礦工藝研究所,成都 611734)

通過開展2種距徑比下微型組合抗滑樁加固碎石土滑坡室內物理模型試驗,分析微型組合抗滑樁的受力變形特點,研究距徑比對微型組合抗滑樁整體抗滑性能的影響。試驗結果表明:①微型組合抗滑樁結構受力變形可分為3個階段(無變形階段—階段—性破壞階段)；②樁頂位移超過總樁長的3.6%,微型組合抗滑樁就進入塑性破壞階段；③樁頂連系梁有效約束了樁體位移,使得微型組合抗滑樁各排樁在位于滑面以上約l2/8處(l2為自由段長度)出現(xiàn)反彎點,且滑面以上l2/5、以下l1/10(l1為嵌固段長度)范圍內的樁身彎矩較大,且最大彎矩位于滑面以上l2/20處；④距徑比較小(即7.5)時,微型組合抗滑樁對樁間土體的“楔緊”作用較強,抗滑樁能承受更大的滑坡推力作用。

微型組合抗滑樁；距徑比；碎石土滑坡；受力變形；反彎點

2015,32(11):66-70,77

1 研究背景

近年來,微型組合抗滑樁因其自身優(yōu)勢,被逐漸用于滑坡防治工程中,且取得了良好的效果[1-4]。

樁間距影響了微型組合抗滑樁結構的受力變形特性,對結構抗滑能力的發(fā)揮起著重要作用,是微型組合抗滑樁結構設計時的重要參數(shù)[5]。目前不少的學者都對微型組合抗滑樁的受力變形特性進行了研究,周德培等[6]開展了頂板連接式微型樁組合結構抗滑機制的模型試驗研究,在滑坡推力作用下,各排微型樁均能承擔較大的彎矩,其中靠近滑坡后緣的排樁承擔的彎矩最大,其余2排樁承擔的彎矩相對較小。閆金凱等[7]開展了微型樁與滑坡體共同作用的大型物理模型試驗研究,微型樁各排樁在滑坡滑動時同時受力,且受力分布情況基本相同；各排樁同時發(fā)生破壞,破壞區(qū)域位于滑面上下各3倍樁徑左右的范圍內,為彎曲與剪切相結合的破壞模式。劉鴻等[8]進行了空間桁架微型樁體系抗滑機制試驗研究,在碎石土地質條件下,連系梁可以有效限制微型樁頂位移,并減小樁身彎矩,滑體中樁前土壓力分布相對較為均勻,各排微型樁樁體的彎矩大小分布比較接近,最大彎矩位于滑面處。

以上研究結論都沒有考慮樁間距對微型樁結構體系受力特性和抗滑能力發(fā)揮的影響。為進一步探討微型樁組合結構的受力變形特點,筆者引入距徑比(樁間距/樁徑)[9]這個概念,開展2種距徑比下微型組合抗滑樁物理模型試驗,研究2種距徑比下微型組合抗滑樁的受力變形特性及距徑比對微型組合抗滑樁整體抗滑性能的影響。

2 物理模型試驗設計

2.1 試驗目的和內容

利用模型試驗槽,開展2種距徑比條件下,微型組合抗滑樁加固碎石土滑坡的模型試驗,再現(xiàn)微型組合抗滑樁抗滑的全過程和特征。記錄樁頂位移和樁身應變,研究微型組合抗滑樁的受力變形特性。

微型組合抗滑樁室內模型參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 微型組合抗滑樁室內模型參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Physical parameters of indoor model test of micro-pile composite structure for resisting slide

2.2 模型材料

2.2.1 模型樁

模型樁選擇φ22 mm、壁厚1.2 mm、樁長3 m的冷拔無縫鋼管,并將鋼管內用砂漿灌注飽滿,后期進行一定的養(yǎng)護制作而成。將模型樁簡化為懸臂梁結構,在樁體頂端加集中荷載,通過多級加載進行模型樁的標定試驗,根據(jù)彈性力學的理論,得到模型樁的彈性模量E=0.608×104MPa。

2.2.2 滑床及滑體材料

用C20混凝土澆筑形成厚1.2 m的滑床,用以模擬完整性較好的基巖層。

滑體土的制作采用粉碎并篩分的砂巖條石與粉質黏土充分攪拌而成,使得粒徑＞2 mm的顆粒質量超過總質量的50%,這樣使滑體土有一個良好的級配；再根據(jù)滑體土的干濕程度進行含水量的適當調整,保證土體的含水量控制在10%～20%,滑體厚2.0 m。

在滑體填壓過程中,采用分層夯實。每層的填土厚度取為13 cm,夯實后土層厚度需要達到10 cm。經(jīng)分層埋填、夯實后,測試滑體的物理力學參數(shù)見表2。

表2 滑體材料的物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical properties of material of landslide mass

2.3 試驗模型

室內模型試驗的目的是為了通過幾何相似、動力學相似以及運動學相似,得到相似的微型樁加固碎石土滑坡的動力響應機理?？紤]到室內試驗具有的一定限制性,模型并不是完全制作成原型,而是在一定程度上理想化的模型。

滑坡模型槽的尺寸為480 cm×240 cm×360 cm (長×寬×高),滑床則采用素混凝土模擬,滑帶采用雙層聚乙烯薄膜模擬,樁頂連系梁采用C20混凝土現(xiàn)場澆筑,平面布置如圖1所示,剖面布置如圖2所示(順著滑坡推力的方向,將各排微型組合抗滑樁依次命名為第1排、第2排、第3排、第4排樁)。滑坡模型兩側通過模型槽側面帶有液壓傳感器的鋼板來約束。

圖1 試驗模型平面布置Fig.1 Layout of test model

圖2 模型2-2’剖面測點布置Fig.2 Layout of measuring points of section 2-2’

2.4 試驗設備

試驗設備包括模型框架、加載裝置、測試系統(tǒng)3部分。模型框架見圖3,伺服液壓推力控制系統(tǒng)見圖4。

圖3 模型框架Fig.3 Model framework

圖4 伺服液壓推力控制系統(tǒng)Fig.4 Control system for servo hydraulic thrust

(1)模型框架由模型槽、推板、滑床組成,起到將液壓千斤頂施加的力傳遞給模型介質的作用。

(2)加載裝置為伺服液壓推力控制系統(tǒng),由4個水平液壓千斤頂、8個豎向千斤頂和10個側向液壓千斤頂組成。

(3)測試系統(tǒng)由電阻式土壓力計、應變片、位移計和DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

2.5 荷載設計

試驗采用分級加載的方式,首先施加前期預壓荷載,然后分步施加各級水平推力荷載。沿滑動方向施加前期預壓荷載,使滑體模型介質趨于整體穩(wěn)定且能有效地傳遞荷載。每級荷載施加后,均要持荷一定時間,至樁結構受力和變形趨于穩(wěn)定后才施加下一級荷載。每級加載幅度設定為使擋土板向滑坡體前緣滑動10 mm,即滑坡后緣土體壓縮變形了10 mm。

2.6 測點布設

試驗測試包括樁身應變、樁前、后土壓力、樁體與滑體位移等內容。每次試驗測點布置原則一致,即每次試驗選取其中的一列均勻分布的樁作為測試樁。各測試樁的測點詳細布設圖如圖2所示。

位于滑體中間部位的單根微型樁(第4排樁),從滑面以上40 cm樁體直至樁頂,每隔30 cm安放1個位移計,共6個,用來測試樁身不同部位的變形,如圖5所示。

圖5 位移計布設Fig.5 Layout of displacement meters

3 試驗結果分析

由于物理試驗模型是完全對稱結構,在荷載條件相同的前提下,不考慮邊界條件的影響,同一排內的各根微型樁的受力特性是完全一致的。因此,可取位于滑體中間位置2-2'的4根測試樁(假定沿滑坡推力方向,測試樁的編號分別為1#,2#,3#,4#)作為研究對象,對比分析樁頂位移及樁身彎矩的變化規(guī)律,研究距徑比對微型組合抗滑樁的抗滑性能的影響。

3.1 樁頂位移與滑坡推力之間的關系

圖6是距徑比為7.5和10的樁頂位移與滑坡推力之間的關系曲線。

圖6 樁頂位移隨滑坡推力變化曲線Fig.6 Relation between displacement of pile at the top and landslide thrust

根據(jù)加載全過程中位于滑體中間位置2-2'的4根測試樁的樁頂位移的測試結果,發(fā)現(xiàn)4#樁樁頂位移最大,表明4#樁承受了較大的滑坡推力,會最先發(fā)生破壞,因此,以4#樁作為分析對象,研究2種距徑比下,樁頂位移的變化規(guī)律。

加載開始后,因滑坡后緣土體較厚,滑坡推力基本上消耗在后緣土體擠壓密實的過程中,這個階段, 4#樁樁頂位移基本上為0。隨著后緣土體密實度增大,滑坡推力首先傳遞到1#樁體上,使其產(chǎn)生位移,由于連系梁的約束作用,使得微型樁組合抗滑樁的整體性較好,因此,4#樁頂位移較小,只有1～2 mm。當滑坡推力超過50 kN后,4#樁樁頂位移快速增長,呈現(xiàn)出較好的線性增長。持續(xù)加載后,滑坡推力達到242.4 kN時,距徑比為10的微型組合抗滑樁4#樁樁頂位移曲線出現(xiàn)第1個突變點,此時,樁頂位移為18.3 mm(占樁長0.61%),而當滑坡推力到達244.55 kN時,距徑比為7.5的微型組合抗滑樁4#樁樁頂位移曲線也出現(xiàn)第1個突變點,對應的樁頂位移為18.6 mm(占樁長0.62%)。

不同距徑比的微型組合抗滑樁樁頂位移曲線之所以會出現(xiàn)突變點,這是因為滑坡后緣土體達到一定密實程度,傳遞到微型組合抗滑樁上的滑坡推力急劇增大,樁體開始提供主要的抗滑力。

隨著滑坡推力越來越大,樁頂位移曲線斜率變大,樁頂位移也呈現(xiàn)大幅度的增長趨勢,微型組合抗滑樁開始進入彈性受力狀態(tài)。這個階段,距徑比為7.5的4#樁樁頂位移始終較距徑比為10的樁頂位移要小,這說明距徑7.5的情況下,微型組合抗滑樁能承受更大的滑坡推力作用。當滑坡推力達到431.9 kN時,距徑比為10的微型組合抗滑樁4#樁樁頂位移曲線出現(xiàn)第2個突變點,此時,4#樁樁頂位移為110.5 mm(占樁長3.68%),樁體逐漸進入塑性破壞階段；當滑坡推力到達441.05 kN時,距徑比為7.5的微型組合抗滑樁4#樁樁頂位移曲線也出現(xiàn)第2個突變點,對應的樁頂位移為108.5 mm(占樁長3.62%),隨后樁體發(fā)生破壞。

綜上,通過4#樁樁頂位移變化規(guī)律,可以得出:

(1)樁頂位移超過總樁長的3.6%,微型組合抗滑樁就進入塑性破壞階段。

(2)距徑7.5時,微型組合抗滑樁對樁間土體的“楔緊”作用較強,較好地約束了樁體位移,使抗滑樁充分發(fā)揮抗滑作用,提供更大的抗滑力,承受更大的滑坡推力作用。

3.2 樁身彎矩分布曲線

圖7是距徑比為7.5和10的樁身彎矩圖(以受拉為正,受壓為負)。

由圖7可以看出,樁頂附近的彎矩較小,滑面(埋深200 cm處)以上40 cm(l2/5)、以下10 cm (l2/20)的范圍內的樁身彎矩較大,最大彎矩位于滑面以上10 cm(l2/20)處,表明滑坡推力集中作用在滑面以上40 cm(l2/5)區(qū)域。在樁體和坡體出現(xiàn)破壞以前,沿著滑坡推力的方向,各排樁的樁身彎矩依次減小,說明各排樁受到滑坡推力在依次減小；當?shù)?排樁出現(xiàn)破壞失效后,較大的滑坡推力集中在第2,3,4排抗滑樁體上,此時各排樁樁身彎矩快速增長。

在加載全過程中,各排樁樁頂都出現(xiàn)了負彎矩,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是連系梁約束了樁體位移,各排微型樁出現(xiàn)反彎點,1#,2#,3#,4#樁體反彎點基本都位于滑面以上約25 cm(l2/8)處。

距徑比為7.5的微型組合抗滑樁各排樁樁身彎矩的差異都不是很大,這是因為各排樁對樁間土體的緊箍作用顯著,滑坡推力在各排樁中均勻分布；同時,由于連系梁的存在,樁群的整體性較好,形成“一整堵抗滑擋土墻”,各排樁充分發(fā)揮自身的抗滑能力。

距徑比為10的微型組合抗滑樁1#,2#樁和3#, 4#樁樁體彎矩分別差異較小,但它們之間的差異較大,說明群樁的整體性不好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于距徑比過大,導致微型樁對樁間土體的約束力下降,土拱效應不顯著,形成的土拱強度不夠,在滑坡推力的作用下,較容易發(fā)生破壞,致使土體從樁間繞流,大部分的滑坡推力就傳遞到前排樁上,因此,彎矩快速增長,且增長的速度大于后排樁增長的速度。

4 結 論

針對2種距徑比的微型組合抗滑樁,利用一系列室內物理模型試驗,再現(xiàn)微型組合抗滑樁加固碎石土滑坡的受力變形過程,分析了微型樁樁頂位移和樁身彎矩的變化規(guī)律,研究距徑比對微型組合抗滑樁的抗滑能力的影響,得到以下幾點認識:

圖7 不同荷載下樁身彎矩分布曲線Fig.7 Bending moment diagram of pile with different loads

(1)微型組合抗滑樁的受力過程可以界定為3個階段:加載初期,大部分的滑坡推力作用在滑坡后緣土體上,使其擠壓密實,傳遞到抗滑樁上的滑坡推力較小,樁體基本處于無變形階段；當后緣土體的密實度達到一定程度后,樁后土拱效應顯著,抗滑樁產(chǎn)生較大的彈性變形,微型樁處于彈性抗滑階段；持續(xù)加載后,微型樁樁體位移和樁身彎矩快速增長,逐漸進入彈塑性破壞階段。

(2)樁頂位移超過總樁長的3.6%,微型組合抗滑樁就進入塑性破壞階段。

(3)連系梁有效約束了樁體位移,使得微型組合抗滑樁各排樁位于滑面以上約l2/8處出現(xiàn)反彎點；且滑面以上l2/5、以下l1/10范圍內的樁身彎矩較大,最大彎矩位于滑面以上l2/20處。

(4)距徑比較小(即7.5)時,微型組合抗滑樁對樁間土體的“楔緊”作用較強,抗滑樁能承受更大的滑坡推力作用。

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(編輯:王 慰)

Physical Model Test of Micro-Pile Composite Structure under Two Ratios of Spacing to Diameter

CAI Qiang1,2,SHI Sheng-wei1,2,HAN Xin-qiang1,2,LI Qian-kun1,2
(1.Technical Center for Geohazard Prevention and Control,China Geological Survey,Chengdu 611734,China；2.Institute of Exploration Technology,Chinese Academy Geological Sciences,Chengdu 611734,China)

Physical model test of landslide body containing gravel and soil reinforced by the micro-pile compositestructure was carried out under two ratios of spacing to diameter.Deformation of the structure was analyzed for acquiring the influence of ratio of spacing to diameter on the anti-slide performance.The test results show that deformation of the structure can be divided into three stages:no deformation stage,elastic anti-slide stage,and the elastic-plastic failure stage；then,when displacement at top of the pile exceeds 3.6%of the length of the pile,the structure enters the phase of plastic failure；subsequently,beams at the top of the pile effectively constrain displacement of the pile,so that inflection point occurred at the height of l2/8 measured upward from slip surface, where l2is the freedom length of the pile；moreover,the bending moment of pile was larger when the location is at the height of l2/5 above slip surface and l1/10 below the slip surface,where l1is the embedded length of the pile, and the maximum bending moment is located at the height of l2/20 above slip surface；finally,as ratio of spacing to diameter is less than 7.5,wedging effect of soil on micro-pile composite structure is stronger and the pile can withstand greater landslide thrust.

micro-pile composite structure；ratio of spacing to diameter；debris landslide；deformation under loading；inflection point

TU443

A

1001-5485(2015)11-0066-05

10.11988/ckyyb.20150344

2015-04-23；

2015-05-19

國土資源部地質礦產(chǎn)調查項目(1212011220170)

蔡 強(1982-),男,湖北鄂州人,工程師,博士,主要從事地質災害機理及防治技術研究方面的工作,(電話)028-66529323(電子信箱)cq863@163.com。