李兆光 何 暉 王 康

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

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抗滑微型樁工作性狀主要影響因素研究進(jìn)展

李兆光 何 暉 王 康

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

基于微型樁在滑坡治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從樁間距、樁頂約束、樁傾斜度和施工工藝四方面，分析了影響抗滑微型樁工作性狀的主要因素，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)與理論研究進(jìn)展，提出了一些抗滑微型樁的設(shè)計(jì)建議。

微型樁，滑坡，工作性狀，影響因素

1 概述

抗滑微型樁是一種新型的滑坡治理支擋結(jié)構(gòu)，具有施工靈活、機(jī)具小巧和適用地質(zhì)條件廣等優(yōu)點(diǎn)。微型樁是意大利人Lizzi于20世紀(jì)50年代發(fā)明的樁徑70 mm～300 mm的灌注樁，最早應(yīng)用于地基加固和基礎(chǔ)糾偏，近年來(lái)逐漸應(yīng)用到邊坡加固、滑坡治理等方面，它通過(guò)與土體形成樁土復(fù)合體來(lái)抵抗滑坡推力，已在一些實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的工程效果。評(píng)價(jià)微型樁的工作性狀是研究微型樁抗滑機(jī)理的重要任務(wù)，在影響微型樁工作性狀的各種因素中，目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在樁間距、樁頂約束、樁傾斜度和施工工藝等。一般利用物理模擬、數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析和理論分析，研究各因素下微型樁最佳工作性能和狀態(tài)。

2 各影響因素研究

2.1 樁間距

微型樁間距包括縱向的排間距和同一橫排內(nèi)的間距，以及不同組合形式的獨(dú)立微型樁群內(nèi)的樁間距。在抗滑微型樁的設(shè)計(jì)中，合理的樁間距可有效壓密樁間土體，充分利用樁間土拱效應(yīng)，形成樁土復(fù)合體。若樁間距太大，微型樁群的整體性能就會(huì)降低，進(jìn)而影響其承載力；若樁間距太小，一方面會(huì)由于群樁效應(yīng)影響其承載力，另一方面又會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。Konagai等[1]通過(guò)不同樁間距的變化研究了側(cè)向力作用下微型樁群的工作性狀，研究表明，當(dāng)微型樁群間距較小時(shí)，由于強(qiáng)烈的群樁效應(yīng)將整體近似等效為單根大直徑豎梁；隨著樁間距增大，將其視為分離的單樁更合適，但作者并沒(méi)有指出合理具體的樁間距。Bruce D.A.等[2]研究了側(cè)向受力的微型樁群，當(dāng)排間距達(dá)6倍～7倍樁徑時(shí)，排間的群樁效應(yīng)可以忽略不計(jì)；當(dāng)列間距(垂直于加載方向)超過(guò)3倍樁徑時(shí)，可忽略列間的群樁效應(yīng)。Brown等[3]通過(guò)有限元軟件對(duì)水平荷載下微型樁群的群樁效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析，比較了不同樁間距對(duì)單排樁和多排樁群樁的影響，發(fā)現(xiàn)群樁效應(yīng)對(duì)多排樁影響更顯著。同時(shí)當(dāng)群樁中樁間距為樁徑3倍時(shí)，微型樁群樁效應(yīng)十分明顯，當(dāng)樁間距為5倍時(shí)，群樁效應(yīng)幾乎可以忽略。王喚龍等[4]通過(guò)單樁繞流法基本原理，導(dǎo)出壓頂板微型樁組合結(jié)構(gòu)單元間樁距計(jì)算公式。分析了土體粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)繞流阻力的影響，認(rèn)為該計(jì)算公式更適用于c<20 kPa，φ<20°土質(zhì)條件。但對(duì)于組合結(jié)構(gòu)單元內(nèi)樁間距，并沒(méi)有進(jìn)行定量分析。谷栓成等[5]依據(jù)基于土拱效應(yīng)的普通抗滑樁樁間距分析，推導(dǎo)了微型樁的合理樁間距計(jì)算公式，并分析了最大樁間距影響因素?？准o(jì)名等[6]以單排微型樁為研究對(duì)象，通過(guò)物理模擬和數(shù)值分析，研究了碎石土滑坡與微型樁相互作用機(jī)理，試驗(yàn)共分3組，樁間距分別為4D，5D，6D。試驗(yàn)研究表明，樁間距4D時(shí)樁后土壓力、樁間土壓力波動(dòng)和樁體產(chǎn)生彎矩最大，其土拱效應(yīng)最明顯，抗滑效果相對(duì)較好。蘇媛媛[7]通過(guò)室內(nèi)大型剪切試驗(yàn)，對(duì)比分析單排微型樁、不同排間距矩形截面微型組合樁和不同樁間距圓形截面微型組合樁受水平方向加載的工作性狀，并推薦在工程中采用圓形截面樁間距為6D的組合結(jié)構(gòu)。何暉等[8]基于相似理論設(shè)計(jì)了微型樁加固陜南堆積層膨脹土滑坡模型，并通過(guò)自制的噴淋裝置和烘烤裝置模擬現(xiàn)實(shí)條件中的降雨和蒸發(fā)。試驗(yàn)測(cè)定距樁不同位置的土壓力表明，隨離樁距離增加，土壓力減小，土拱效應(yīng)減弱，在樁前100 mm處，僅10D樁距存在最大土壓力。

各項(xiàng)研究表明，微型樁間距主要通過(guò)不同樁距范圍下生成群樁效應(yīng)或土拱效應(yīng)來(lái)影響其抗滑性能。實(shí)際工程中，不同的地質(zhì)和物理?xiàng)l件影響了最佳微型樁間距，目前關(guān)于抗滑微型樁合理樁間距理論計(jì)算研究仍不完善。

2.2 樁頂約束

微型樁樁頂約束形式對(duì)微型樁及其組合結(jié)構(gòu)的受力能力，提高微型樁組合結(jié)構(gòu)整體性具有一定影響。目前主要采用平面桁架微型樁體系、空間桁架微型樁體系和頂板聯(lián)結(jié)式微型樁組合結(jié)構(gòu)等樁頂加固形式(見(jiàn)圖1)。

Andrew Z.B[9]通過(guò)大型邊坡加固模型試驗(yàn)，分析有無(wú)連梁?jiǎn)闻盼⑿蜆秲?nèi)力特點(diǎn)，認(rèn)為表面具有連系梁的微型樁能夠有效提高邊坡穩(wěn)定性。周德培等[10]介紹了微型樁的三種組合抗滑形式，并以頂梁連系的微型樁組合為例，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，測(cè)量得出頂梁的荷載—位移曲線，揭示了如圖2所示的組合微型樁AB，CD段受拉EF段受壓的抗滑機(jī)制，提出了橫向約束的彈性地基梁設(shè)計(jì)理論，并在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中取得了良好的效果。

胡毅夫等[11]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)比自然邊坡破壞、微型樁雙排單樁承載力邊坡及破壞和微型組合樁邊坡及破壞的抗滑特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示樁頂有連梁的組合樁比雙排單樁有效提高了抗滑承載力，減小了樁體破壞的裂紋傾角，依據(jù)P—S曲線建立方程解得組合樁抗剪強(qiáng)度比雙排單樁提高18.3%。方志森等[12]進(jìn)行了滑坡微型樁抗滑作用大型物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有連系梁時(shí)受荷段樁后土體抗力比無(wú)連梁時(shí)要大。無(wú)連梁在加載至40 kPa時(shí)出現(xiàn)第一條裂縫，而有連梁在44 kPa時(shí)仍未出現(xiàn)貫通裂縫，有連梁樁身破壞范圍大，但破碎程度相對(duì)較小。當(dāng)加載至臨滑荷載時(shí)，無(wú)連梁樁頂位移遠(yuǎn)大于有連梁，可見(jiàn)有連梁能有效控制微型樁樁頂位移。王樹(shù)豐等[13]通過(guò)有限差分法(FLAC3D)模擬，研究了微型樁群加固滑坡過(guò)程中連梁的作用。通過(guò)樁體承擔(dān)滑坡推力的監(jiān)測(cè)分析，不加連梁時(shí)樁體承擔(dān)推力的最大值比加連梁時(shí)要大90%以上，加連梁時(shí)各排樁之間力的分配較均勻。采用強(qiáng)度折減法分析加連梁比未加連梁穩(wěn)定性系數(shù)提高6%。徐小林等[14]從一般微型樁水平承載力計(jì)算思路出發(fā)，根據(jù)變m法(不同樁位導(dǎo)致m計(jì)算值不同)，建立了排架式微型樁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算公式。通過(guò)計(jì)算某高速路段松散滑坡體加固實(shí)例，證明該計(jì)算模型是有效的。劉鴻等[15]通過(guò)新的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，采用分級(jí)加載裝置，研究各排微型樁內(nèi)力分布模式，推導(dǎo)了空間桁架微型樁體系內(nèi)力分布的結(jié)構(gòu)分析解。試驗(yàn)和理論分析表明，隨著分級(jí)加載的進(jìn)行，各排樁樁身彎矩在深度方向有所增大，但樁身彎矩變化速率存在不同，應(yīng)擴(kuò)大抗滑段截面驗(yàn)算范圍；各排樁受到的土體抗力在深度方向有所減小，理論結(jié)果顯示其峰值位于樁頂，不同于實(shí)測(cè)的-0.2 m～-0.4 m，計(jì)算時(shí)應(yīng)降低滑坡體在地表的基床系數(shù)。

樁頂約束能使各排樁受力均勻，有效提高微型樁抗剪強(qiáng)度和水平承載能力。但目前各約束形式內(nèi)力計(jì)算方法研究不足。

2.3 樁傾斜度

微型樁體系常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是按一定間距布置且各樁相互平行，為滿足樁身承受更大彎矩，可采用與豎直方向呈一定夾角的傾斜式微型樁。

顧明等[16]通過(guò)土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)研究了砂土中直樁、斜樁在水平和偏心荷載作用下的單樁承載力、群樁荷載位移曲線、基樁位移和基樁內(nèi)力。結(jié)果表明無(wú)論水平加載還是偏心加載作用下，斜樁群樁較直樁群樁的承載力有顯著提高，對(duì)斜樁樁群小偏心(4.3D)加載下水平承載力略大于水平加載。水平偏心荷載下斜樁群樁中各基樁的位移方向與荷載方向的夾角較直樁群樁更大。斜樁群樁中的基樁軸力遠(yuǎn)大于直樁群樁，表明斜樁群樁可以通過(guò)基樁軸向受荷來(lái)更有效地抵抗水平荷載。胡明等[17]用 ANSYS 有限元軟件，應(yīng)用強(qiáng)度折減法原理，對(duì)傾斜微型樁加固邊坡后的邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行探討，研究了天然邊坡的穩(wěn)定系數(shù)及傾斜微型樁加固邊坡后的穩(wěn)定系數(shù)，并分析了傾斜微型樁加固邊坡的較優(yōu)角度。其他條件不變的情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著微型樁傾斜角的增大而增大，到微型樁傾斜角度為 60°時(shí)達(dá)到最大值 1.65。施艷秋等[18]認(rèn)為微型樁作為柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)上半部在滑面處視為固定端是不完全恰當(dāng)?shù)?，?yīng)考慮滑面處樁身變形協(xié)調(diào)，研究了傾角為α的人字形微型樁內(nèi)力計(jì)算方法，理論上比未考慮變形協(xié)調(diào)彎矩值減小81%，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證考慮變形協(xié)調(diào)更接近模擬結(jié)果。關(guān)于前后樁夾角的選取和它對(duì)樁身彎矩的影響，胡毅夫等[19]通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬了不同夾角下人字形微型樁樁身彎矩分布規(guī)律，結(jié)果顯示，人字形微型樁樁身彎矩呈倒S形分布，夾角為負(fù)時(shí)，樁身彎矩隨夾角絕對(duì)值增大而減??；夾角為正時(shí)，彎矩隨角度增大而增大，整體上負(fù)夾角樁彎矩小于正夾角樁。對(duì)比門(mén)型樁，人字形樁最大彎矩值要小25%以上，說(shuō)明人字形樁承受滑坡推力能力更強(qiáng)。

傾斜式微型樁將部分剪力轉(zhuǎn)化為軸力，減小了樁身彎矩，更大程度地發(fā)揮了材料強(qiáng)度。目前對(duì)傾斜式微型樁的研究工作多為理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)它在滑坡治理工程的實(shí)際應(yīng)用仍較為欠缺。

2.4 施工工藝

微型樁施工工藝主要有一次注漿、二次注漿和直接灌注細(xì)石混凝土，不同施工工藝對(duì)成樁質(zhì)量、承載性能等存在一定影響。

屈偉等[20]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，對(duì)采用一次注漿、二次注漿、直接灌注細(xì)石混凝土3種成樁工藝的微型樁進(jìn)行了研究。對(duì)水平承載力而言，二次注漿和直接灌注單樁的水平承載性能顯著優(yōu)于一次注漿的單樁水平承載性能，而不同施工工藝對(duì)群樁的水平受荷性能影響不大，基本可以忽略不計(jì)。郭亮等[21]對(duì)不同施工工藝微型樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水平荷載試驗(yàn)，根據(jù)樁頂荷載—位移曲線表明，二次注漿工藝水平承載力最大，對(duì)比發(fā)現(xiàn)二次注漿工藝樁頂水平位移是一次注漿的1/4，而樁側(cè)土水平抗力系數(shù)m值是一次注漿的27倍。利用 ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，樁和土剛度的提高都能增大微型樁水平承載力，模擬得最優(yōu)工作性能和經(jīng)濟(jì)的樁土剛度比為100∶1。同時(shí)根據(jù)樁身彎矩度最大彎矩出現(xiàn)在4D～5D，研究2D～5D深度范圍二次注漿對(duì)樁頂荷載位移曲線的影響，發(fā)現(xiàn)最佳注漿深度為4D。

目前研究表明，二次注漿工藝成樁質(zhì)量更佳，由于增強(qiáng)了樁頂混凝土強(qiáng)度，提高了樁周土體密實(shí)度，其水平承載力也得到顯著提高。

3 結(jié)語(yǔ)

1)微型樁以其施工靈活方便等優(yōu)點(diǎn)在滑坡治理工程中得到迅速推廣，各影響因素對(duì)發(fā)揮抗滑微型樁最佳工作性狀起著重要作用。在工程中應(yīng)用抗滑微型樁時(shí)，需要設(shè)置合理的樁間距以充分發(fā)揮樁間土拱效應(yīng)；采用樁頂約束的組合結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)微型樁承載能力；合理布置傾斜式微型樁，可以使滑坡推力作用下樁身彎矩更小；采用二次注漿施工工藝，成樁質(zhì)量更佳，承載力更高。

2)現(xiàn)階段多通過(guò)類(lèi)比抗滑樁特性來(lái)研究抗滑微型樁，缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)抗滑微型樁的設(shè)計(jì)理論，需要進(jìn)一步研究形成完整的抗滑微型樁設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工體系。

3)影響抗滑微型樁工作性狀的各種因素并不是孤立的，各因素之間存在相互作用關(guān)系，需進(jìn)一步探討特定工況下的最佳參數(shù)組合。

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On research progress of main influential factors of anti-sliding micro-pile performance

Li Zhaoguang He Hui Wang Kang

(CollegeofArchitecturalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

Based on the application of the micro-pile in landslide treatment, the paper analyzes the main factors affecting the performance of the anti-sliding micro-pile from the pile distance, limitation of pile top, pile inclination and construction craft, and points out some design for the anti-sliding micro-pile by combining with the related tests and theoretic research at home and abroad.

micro-pile, landslide, performance, influential factor

1009-6825(2016)27-0054-03

2016-07-11

李兆光(1990- )，男，在讀碩士； 何 暉(1962- )，男，教授； 王 康(1992- )，男，在讀碩士

TU473.1

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