燕曉東
(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)
微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)通過頂板或頂梁以一定距離連接多個(gè)微型樁,用于邊坡加固和深基坑支護(hù)[1]。針對(duì)微型樁組合結(jié)構(gòu)體系受力機(jī)制研究,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[2-9]。胡富貴等[10]基于混凝土管樁推導(dǎo)微型鋼管樁的極限抗彎承載力公式。巢萬(wàn)里[11]提出微型樁等效剛度的計(jì)算方法,基于混凝土鋼管樁抗彎承載力公式,并考慮受壓區(qū)水泥砂漿體的影響。武志信等[12]通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),對(duì)微型樁及樁間土的加速度峰值分布規(guī)律進(jìn)行了分析。
綜上所述,雖然微型樁得到重點(diǎn)關(guān)注和研究,但其在邊坡中受水平荷載下的受力機(jī)制還不成熟。因此本文依托某鐵路工程,推導(dǎo)微型樁變位和內(nèi)力的計(jì)算方法,同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究其受力機(jī)制,以期為今后類似工程使用該組合加固結(jié)構(gòu)提供參考。
本文采用微型樁組合結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路某四級(jí)開挖邊坡進(jìn)行加固處理,并開展了微型樁受力的原位測(cè)試,微型樁直徑為150 mm。中間排微型樁垂直布置,長(zhǎng)18 m;靠山側(cè)和靠路側(cè)微型樁與中間排微型樁成15°角,八字形布置,長(zhǎng)18.64 m。
單樁計(jì)算模型如圖1所示,從微型樁內(nèi)取一微段。
圖1 計(jì)算微段各物理量關(guān)系
由此可推導(dǎo)出基于m法求解微型樁變位和內(nèi)力的基本方程,m法計(jì)算具體可參考《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10093-2017),在此不再贅述。假設(shè)樁頂處的初參數(shù)為x0、φ0、M0、Q0,則樁的變位和內(nèi)力可按式(1)計(jì)算:
式中,α為變形系數(shù),;E、I分別為樁的彈模和抗彎慣性矩;x0、φ0、M0和Q0均為樁頂初參數(shù),即樁頂處的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力值;z=αy;Aiz、Biz、Ciz、Diz、Eiz、Fiz(i=1,2,…,6)為m法的 24 個(gè)影響函數(shù)。m法影響函數(shù)值的計(jì)算公式為:
式中,J0的取值方法:j=i時(shí),J0=1;j<i時(shí),J0=0;j>i時(shí),。
i取1~4的正整數(shù)值,表示各影響函數(shù)的第一個(gè)腳標(biāo);j取1~6的正整數(shù)值,依次與A、B、C、D、E及F六種影響函數(shù)相對(duì)應(yīng)。例如要求C2z,此時(shí)j=3,i=2,j>i,所以:
某嵌巖微型樁,滑體內(nèi)樁上作用了梯形荷載,集度為q和qΔ,按 “k”法計(jì)算的地基系數(shù)為K1,樁變形系數(shù)?;鶐r內(nèi)樁上無(wú)荷載,按 “k”法計(jì)算的地基系數(shù)為k2,樁變形系數(shù)。全樁的b0和EI相同。按公式(1)滑體內(nèi)的樁用其樁頂初參數(shù)x0、φ0、M0、Q0表示的計(jì)算公式為:
基巖內(nèi)的樁用滑體內(nèi)樁的樁頂初參數(shù)表示的變位和內(nèi)力計(jì)算公式為:
其中24個(gè)關(guān)于β2y的無(wú)量綱函數(shù)A1、B1……E4、F4 按式(5)計(jì)算:
基巖內(nèi)樁底的變位和內(nèi)力值按式(6)計(jì)算:
其中24個(gè)無(wú)量綱函數(shù)A1、B1……E4、F4中的β2y應(yīng)換為β2h2。如果滑體內(nèi)的樁用m法計(jì)算,則將β1換成α即可用以上各公式計(jì)算全樁的變位和內(nèi)力。
(1)測(cè)試材料選擇
測(cè)試試驗(yàn)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)(兩端含鋼筋)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)配套測(cè)試。在邊坡中埋入的錨桿和微型樁中的鋼筋按設(shè)計(jì)要求安裝相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力計(jì),鋼筋應(yīng)力計(jì)埋入土后受力產(chǎn)生相應(yīng)的變形以及對(duì)應(yīng)應(yīng)力值的變化。鋼筋應(yīng)力計(jì)與鋼筋的連接采用鋼套管,預(yù)備120個(gè)配套的鋼套管。
共計(jì)60個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)(兩端含鋼筋),用于兩個(gè)斷面的φ32鋼筋應(yīng)力測(cè)試,每個(gè)鋼筋計(jì)根據(jù)埋深不同對(duì)應(yīng)自己的導(dǎo)線長(zhǎng)度,要求包括:①配接線插頭;②按購(gòu)方需要編號(hào);③加長(zhǎng)導(dǎo)線。
(2)測(cè)試計(jì)劃方案
測(cè)試點(diǎn)對(duì)每個(gè)斷面微型樁中間一列3個(gè)孔中的每孔任何1根鋼筋和相鄰的上下級(jí)邊坡錨桿進(jìn)行測(cè)試。詳細(xì)布置見圖2。
圖2 測(cè)點(diǎn)詳細(xì)布置示意
DK63+160和DK63+240斷面微型樁相鄰上下級(jí)邊坡錨桿測(cè)點(diǎn)用M1(上級(jí)邊坡錨桿)、M2(下級(jí)邊坡錨桿)表示。斷面DK63+160-ZS-1表示DK63+160斷面微型樁中間列靠山側(cè)從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn);DK63+160-ZZ-1表示DK63+160斷面微型樁中間列中間排從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn);DK63+160-ZL-1表示DK63+160斷面微型樁中間列靠路側(cè)從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)到頂部距離布置見表1。
表1 鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置
(3)測(cè)試準(zhǔn)備工作
該測(cè)試共有兩個(gè)斷面,每個(gè)斷面有2根錨桿和微型樁中間列3個(gè)孔各1根鋼筋需要測(cè)試。由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)到坡面的距離不同,在購(gòu)買鋼筋應(yīng)力計(jì)的時(shí)候需提前設(shè)計(jì)好每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線長(zhǎng)度,并且多購(gòu)買了4個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)配置足夠長(zhǎng)的導(dǎo)線以備更換壞掉的鋼筋應(yīng)力計(jì)。每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)在購(gòu)買時(shí)都在導(dǎo)線末端貼上相應(yīng)的編號(hào),該編號(hào)跟測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)位置相對(duì)應(yīng)。
在測(cè)試儀器安裝前用便攜式綜合測(cè)試儀先測(cè)試是否有損壞的鋼筋應(yīng)力計(jì)。檢查完畢后把鋼筋應(yīng)力計(jì)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)整齊擺放在規(guī)定的倉(cāng)庫(kù)。擺放時(shí)在地面鋪一層木板,防止鋼筋應(yīng)力計(jì)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)受潮。
由于鋼筋應(yīng)力計(jì)兩頭自帶鋼筋,所以試驗(yàn)采用鋼套管連接鋼筋應(yīng)力計(jì)和鋼筋。每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)自帶的兩頭鋼筋長(zhǎng)度相等,這樣就需設(shè)計(jì)好連接鋼筋的長(zhǎng)度,根據(jù)測(cè)試點(diǎn)鋼筋整體長(zhǎng)度和鋼筋應(yīng)力計(jì)自帶的兩頭鋼筋長(zhǎng)度,將需要的鋼筋按設(shè)計(jì)要求截?cái)?,以保證截?cái)嗪蟮匿摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)連接后的長(zhǎng)度和測(cè)點(diǎn)鋼筋設(shè)計(jì)的整體長(zhǎng)度相吻合。需要的連接鋼筋截?cái)嗪蠛弯摻顟?yīng)力計(jì)一起送至加工車間進(jìn)行套絲。鋼筋應(yīng)力計(jì)兩頭鋼筋套絲時(shí)需把鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線緊緊綁扎在鋼筋應(yīng)力計(jì)上,防止在套絲過程中將導(dǎo)線扯壞。套絲完成后再用便攜式綜合測(cè)試儀檢查鋼筋應(yīng)力計(jì)是否完好。
(4)儀器安裝及孔洞砂漿灌注
在測(cè)試斷面按設(shè)計(jì)要求位置成孔后將鋼筋應(yīng)力計(jì)、截?cái)嗟匿摻?、鋼套筒和便攜式綜合測(cè)試儀在工地現(xiàn)場(chǎng)安裝。以DK63+160斷面上邊坡錨桿連接為例,先把截?cái)嗟匿摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)按照設(shè)計(jì)順序整齊擺放,然后依次用鋼套筒連接每段截?cái)嗟匿摻詈蛯?duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力計(jì)。連接時(shí)注意截?cái)噤摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)需連接緊密,用扳手加固,嚴(yán)禁出現(xiàn)連接段松動(dòng)現(xiàn)象。依次連接時(shí)注意將導(dǎo)線盡量放在同一側(cè),并且用鋼絲把導(dǎo)線緊緊綁扎在鋼筋上,防止導(dǎo)線在鋼筋入孔時(shí)被孔壁掛斷。連接緊密后,將連接好的鋼筋抬起,慢慢放入錨桿孔洞內(nèi),保證鋼筋下到孔底,露在外面的鋼筋頭需符合設(shè)計(jì)要求。鋼筋入孔后立即進(jìn)行灌漿。灌漿采用孔底翻漿,保證0.2 MPa的壓力。第一次灌漿直到漿液灌滿,并流出相應(yīng)稠度的漿液為止;第一次灌漿完成后隔一天進(jìn)行二次補(bǔ)漿,直到錨桿孔洞被漿液填滿為止。第一次灌漿后需要記錄錨桿測(cè)點(diǎn)的初始應(yīng)力值,并且將導(dǎo)線整齊地布放到一側(cè);施作一個(gè)混凝土坑,將鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線頭整齊置于混凝土坑中,并用蓋子蓋好。DK63+160斷面下邊坡錨桿和DK63+240斷面上、下邊坡錨桿鋼筋和鋼筋應(yīng)力計(jì)連接、入孔及灌漿工序與DK63+160斷面上邊坡錨桿的制作工序一致。各斷面測(cè)試錨桿處的格構(gòu)梁和微型樁臺(tái)帽制作完成后需要記錄數(shù)據(jù),每次測(cè)試完后需將導(dǎo)線接頭埋好。
對(duì)DK63+160斷面微型樁樁身軸力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。圖3為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的抗滑結(jié)構(gòu)各排樁樁身軸力隨時(shí)間的變化曲線;圖4為各排樁樁身軸力隨樁深分布曲線。據(jù)此可以得出如下結(jié)論:(1)不同位置樁軸力沿樁身分布極不均勻,且分布形式存在明顯差異;(2)靠山側(cè)斜樁,其樁身軸力大體呈反“S”型,樁體整體表現(xiàn)出正負(fù)軸力共同作用,即樁體即受拉也受壓;(3)中間樁整體基本均處于受拉作用下,呈現(xiàn)出一般巖土介質(zhì)邊坡中少有的雙弓型分布形式;(4)靠路側(cè)樁的樁身軸力表現(xiàn)出與靠山側(cè)斜樁相反的變化趨勢(shì),軸力曲線呈“S”型分布。
圖4 不同位置微型樁測(cè)點(diǎn)力隨樁深變化曲線
本文以某鐵路工程為依托,結(jié)合彈性地基梁計(jì)算理論,推導(dǎo)了微型樁變位和內(nèi)力的計(jì)算方法;同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究其受力機(jī)制,發(fā)現(xiàn)抗滑結(jié)構(gòu)樁身軸力差異明顯,沿推力方向依次呈現(xiàn)出反“S”型、雙弓型和“S”型,且各樁最大軸力均為拉力。