強(qiáng)小俊 雷云超 吳東東 張?jiān)荷?王東坡

1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518060；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

微型樁是邊坡預(yù)加固、滑坡治理的有效工程措施之一［1-2］。微型樁單樁抗彎承載能力差，常呈空間桁架微型樁體系［3-4］，學(xué)者對(duì)其加固模式和應(yīng)用效果進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［5］提出了網(wǎng)狀微型樁加固斜坡的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)［6］研究了微型樁的橫向受載工作性狀；文獻(xiàn)［7］對(duì)微型樁的排間距與群樁效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［8-9］對(duì)嵌巖樁的荷載傳遞特性和抗拔作用機(jī)理進(jìn)行了公式推導(dǎo)及模型驗(yàn)證；文獻(xiàn)［4，10-11］基于梁柱方程和p-y曲線提出了一種設(shè)計(jì)微型樁加固土坡的方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，提出了確定微型樁加固土質(zhì)邊坡極限抗力的分析方法，以此研究了微型樁群加固邊坡三維復(fù)合體形成的臨界條件和演化機(jī)制；文獻(xiàn)［12］進(jìn)行了坡頂施加豎向荷載下微型群樁加固黃土滑坡的模型試驗(yàn)，研究了微型樁加固滑坡體的承載機(jī)制、受力情況和破壞模式；文獻(xiàn)［13-15］分別采用千斤頂、振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)設(shè)備對(duì)微型樁進(jìn)行了相關(guān)研究。但就微型樁群的應(yīng)用與發(fā)展而言，還需在微型樁群臨界嵌固深度、受樁頂框架影響等方面做進(jìn)一步研究。

實(shí)際應(yīng)急工程中，因地形和工程耗材所限，微型樁常需沿坡面斜向布置進(jìn)行整體加固，但相關(guān)大型模型試驗(yàn)研究極少，理論滯后于實(shí)際應(yīng)用。因此，本文提出一種微型樁群框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，分析微型樁群框架結(jié)構(gòu)沿預(yù)設(shè)滑面斜向布置加固邊坡時(shí)的受力特征、破壞形式以及邊坡的變形破壞模式。

1 離心機(jī)物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

土工離心試驗(yàn)是在ng離心加速度空間中，用1/n的模型與原型應(yīng)力和應(yīng)變相等、變形和破壞過程相似，模擬原型的變形與破壞機(jī)制。試驗(yàn)在綜合考慮模型幾何、邊界條件和材料剛度因素后，依據(jù)試驗(yàn)條件，確定模型的幾何相似常數(shù)（原型/模型）為27、材料彈性模量相似常數(shù)為1、重力加速度相似常數(shù)為100，其余相似關(guān)系由三個(gè)基本量綱導(dǎo)出，見表1。

表1 離心試驗(yàn)原型與模型物理量相似關(guān)系

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用TLJ-500型土工離心試驗(yàn)機(jī)，加速度范圍為10g～250g，有效半徑4.5 m，100g加速度下最大荷重5 t，250g加速度下最大荷重2 t。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部尺寸為1.2 m（長(zhǎng)）×1.0 m（寬）×1.2 m（高），上部無(wú)蓋板可通過固定導(dǎo)軌放置激光位移傳感器，前部為透明有機(jī)玻璃；上部和前部均架設(shè)高速攝影機(jī)，全程錄像，為后續(xù)試驗(yàn)分析提供資料。

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)GB/T 38509—2020《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》，進(jìn)行2組模型試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制備2個(gè)模型，第一組試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑锳、B，第二組為C、D。試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)M邊坡在自然環(huán)境中1年的變形穩(wěn)定狀況，根據(jù)相似比設(shè)置n=100，由公式換算可知在離心機(jī)中運(yùn)行時(shí)間為53 min。離心加速度設(shè)計(jì)加載方案及試驗(yàn)實(shí)際加載曲線見圖1?？芍?，離心加速度在實(shí)際試驗(yàn)中約30 min達(dá)到100g后呈平臺(tái)式穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 離心加速度加載

1.4 模型設(shè)計(jì)及制作

1.4.1 滑床及滑體

澆筑滑床前，在模型箱中間嵌入1 cm厚木板作為兩個(gè)模型間的隔板；在模型箱內(nèi)壁布置聚乙烯塑料薄膜，使模型的邊界條件相似，并減小邊坡模型箱側(cè)壁的摩擦力。

滑床采用水灰比0.5的高強(qiáng)石膏模擬基巖。滑體采用粉質(zhì)黏土分層填筑至設(shè)計(jì)高度，坡率1∶0.6。為保證土體含水率、重度一致，填筑前將土樣按最優(yōu)含水率16.1%配置，然后分層均勻夯實(shí)，每層夯實(shí)后厚度10 cm，土體密度1.75 g/cm3。

為探究樁身受力分布，需固定圓弧狀滑動(dòng)面位置，故在滑床與滑體接觸面人工布設(shè)兩層0.12 mm厚聚乙烯塑料薄膜模擬滑面。

1.4.2 微型樁群框架結(jié)構(gòu)模型

微型樁群框架結(jié)構(gòu)模型主要由微型樁和頂部連接梁兩部分組成，見圖2。本次試驗(yàn)?zāi)M原型直徑300 mm微型樁框架結(jié)構(gòu)，綜合考慮相似比和試驗(yàn)條件，選取外徑為11mm、內(nèi)徑為9 mm、高h(yuǎn)（h隨坡面變化）的空心鋁棒作為微型樁模型材料；尺寸20 mm×10 mm、壁厚1 mm的方形鋁管為頂部連接梁材料。依據(jù)GB/T 38509—2020，模型樁沿滑床中軸線布設(shè)于滑動(dòng)面上，按照設(shè)計(jì)間距插入滑床上的設(shè)計(jì)孔中，沿坡腳方向依次插入第一排—第四排樁，用水灰比0.5的P·O 42.5R水泥漿澆筑樁周，牢固后填土夯實(shí)，然后將方形鋁管剛性連接至微型樁樁頂臨空段（實(shí)際采用2 mm鐵絲綁扎）。

圖2 微型樁群框架結(jié)構(gòu)模型

1.5 試驗(yàn)量測(cè)項(xiàng)目

1）位移。采用激光位移傳感器對(duì)邊坡模型進(jìn)行非接觸式高精度變形監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)坡體后緣頂部、坡腳剪出口和靠近坡腳的第三排樁樁頂位移。為監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部位移變形軌跡，在邊坡側(cè)面用墨線布置3 cm×3 cm位移網(wǎng)格線，并在交點(diǎn)處粘貼圓形貼紙。

2）樁前土壓力。土壓力計(jì)均勻布置于每層夯實(shí)土上，除B模型外，A、C、D模型各預(yù)埋土壓力計(jì)6個(gè)置于第二排—第四排樁后2 cm處，即測(cè)量第一排—第三排樁前土壓力的變化。第二排樁后土壓力計(jì)預(yù)埋在距滑動(dòng)面2 cm的土體中，第三排樁后土壓力計(jì)預(yù)埋土體深度為4、10、16 cm，第四排樁后土壓力計(jì)預(yù)埋土體深度為3、8 cm。

3）樁身應(yīng)變。試驗(yàn)通過監(jiān)測(cè)應(yīng)變間接求得彎矩。由文獻(xiàn)［4］可知多排樁加固邊坡時(shí)，前排樁所受彎矩最大，故在第三排、第四排單樁上樁前和樁后上中下等距對(duì)稱粘貼6片應(yīng)變片。

試驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)通過離心機(jī)配套設(shè)備采集，模型及儀器布設(shè)剖面如圖3所示。其中，模型C、D中土壓力測(cè)點(diǎn)分別為1#—6#和7#—12#。

圖3 模型示意及儀器布設(shè)剖面（單位：cm）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 第一組試驗(yàn)

第一組試驗(yàn)進(jìn)行有、無(wú)微型樁群框架結(jié)構(gòu)模型對(duì)比，見圖4。經(jīng)離心試驗(yàn)，有微型樁群框架結(jié)構(gòu)的A模型整體無(wú)明顯滑動(dòng)位移，僅有一條寬0.2 mm、深0.4 mm，呈弧形的橫向裂縫在邊坡后緣貫穿，另有少量的次生裂縫；微型樁群框架結(jié)構(gòu)與邊坡滑體結(jié)合形成樁-土復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了邊坡的抗剪強(qiáng)度，共同抵抗滑體推力，阻止其下滑。無(wú)微型樁群框架結(jié)構(gòu)的B模型發(fā)生了整體性滑動(dòng)，坡體表面形成多條裂縫，在滑坡后緣主要以橫向裂縫為主，有兩條主裂縫且貫通整個(gè)后緣，經(jīng)測(cè)量最大裂縫寬度約為2.1 cm，向下延伸6.3 cm。此外，B模型向前滑移后，A模型坡頂右側(cè)土壓力得到釋放并向右膨脹，進(jìn)而在其邊坡后緣發(fā)育了兩條縱向裂縫。

圖4 第一組試驗(yàn)后模型俯視圖

綜上，微型樁群框架結(jié)構(gòu)可有效加固邊坡，且在試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)基本沒有明顯變形和損壞。

2.2 第二組試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

第二組試驗(yàn)進(jìn)行了微型樁群框架結(jié)構(gòu)在兩種不同工況下加固邊坡的對(duì)比試驗(yàn)，見圖5?？芍耗Ｐ虲、D經(jīng)離心試驗(yàn)沿預(yù)設(shè)滑動(dòng)面產(chǎn)生不同程度的滑移、變形和破壞；模型D較模型C變形破壞更大，樁身在滑體表層有不同程度脫空現(xiàn)象。模型C坡頂產(chǎn)生了平均寬度為1.5 cm、深度為6 cm的主裂縫，土體在樁前、樁后微小破壞形成豎向和斜向發(fā)展的細(xì)小裂縫，平均延伸長(zhǎng)度3 cm，坡腳微小鼓脹形成兩條豎向裂縫；模型C四排樁樁前、樁后均產(chǎn)生了明顯豎向或斜向裂縫，平均延伸長(zhǎng)度7 cm，坡腳剪出口有較明顯鼓脹，形成2條明顯豎向裂縫。模型D坡頂產(chǎn)生了平均寬度為3 cm、深度為8 cm的橫向貫通裂縫，由側(cè)壁發(fā)展形成4條斜向或橫向裂縫，其中第一排樁側(cè)裂縫斜向發(fā)展至坡頂。兩個(gè)模型由坡頂貫通裂縫向滑體內(nèi)部發(fā)育次生滑面，次生滑面延伸至第三排樁附近，距離預(yù)設(shè)滑動(dòng)面約9 cm。試驗(yàn)結(jié)束后開挖坡體，發(fā)現(xiàn)模型C滑面處水泥澆筑表面基本完好，而模型D水泥擠壓破壞明顯。對(duì)樁身彎曲度進(jìn)行測(cè)量，模型C微型樁彎曲度第四排樁最大為6°，模型D第四排樁最大為24°、第一排樁最小為15°。

圖5 第二組試驗(yàn)后模型俯視圖

2.2.2 位移分析

模型C、D位移-時(shí)間曲線見圖6?？芍灰齐S時(shí)間對(duì)應(yīng)的離心加速度的增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，兩者正相關(guān)。

由圖6（a）可知：模型C坡頂沉降呈蠕變趨勢(shì)，無(wú)明顯突變；模型D坡頂沉降在約29.55 min（98.4g）時(shí)發(fā)生突變，最終坡頂沉降是模型C的1.35倍。

由圖6（b）、圖6（c）可知：模型坡腳、樁頂位移只有一個(gè)明顯突變點(diǎn)，坡腳突變均發(fā)生在約23 min（離心加速度剛增大到80g時(shí)），樁頂突變分別發(fā)生在約30 min（99.86g）、29 min（84.38g）；模型D坡腳最大位移7.28 cm，是模型C（4.96 cm）的1.47倍。結(jié)合樁身彎曲程度，將坡腳位移突變的時(shí)間點(diǎn)定為模型D樁身屈服點(diǎn)。模型C、D在離心機(jī)速度100g平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，模型均未繼續(xù)發(fā)生明顯的位移，表明樁身彎曲后仍能使邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 C、D模型位移-時(shí)間曲線

模型C、D滑體破壞方式一致，均為后緣裂縫前滑體沿預(yù)設(shè)滑面的整體滑移，且坡頂主貫通裂縫相對(duì)位置一致，不同的變形破壞主要集中在微型樁群樁身以及樁身和滑體表層接觸部分；模型C、D的微型群樁框架結(jié)構(gòu)都能有效防止和延緩邊坡滑體整體滑移和完全破壞。模型D隔板附近裂縫更發(fā)育，主要原因是其滑移沉降更大，導(dǎo)致其滑體上部臨空，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。

2.2.3 樁前土壓力分析

樁前土壓力隨時(shí)間變化曲線見圖7。

由圖7（a）—圖7（c）可知：模型C第二排樁前土壓力總體隨時(shí)間對(duì)應(yīng)加速度的增加呈階梯平臺(tái)式增長(zhǎng)，其中3#測(cè)點(diǎn)土壓力在29.63 min（98.34g）突增后持續(xù)衰減，這是由于次生滑面使周圍土體在向前蠕動(dòng)時(shí)應(yīng)力松弛；2#—4#測(cè)點(diǎn)土壓力均在30 min（100g）左右達(dá)到峰值，峰值比為1∶1.68∶1.38。第三排樁前土壓力變化趨勢(shì)同第二排樁，滑體底層的推力被第三排樁攔擋了，而中上部的滑體推力集中被攔擋在第四排樁后，導(dǎo)致5#、6#測(cè)點(diǎn)土壓力大小相差明顯；5#測(cè)點(diǎn)土壓力在34.2 min時(shí)上升至峰值321.79 kPa，是6#測(cè)點(diǎn)峰值的3.96倍。第一排—第三排樁前滑面處土壓力最大為183.14 kPa，峰值比為1.84∶2.24∶1，可知滑面上的土壓力主要集中在第2排樁前，且在滑體被第三排樁攔擋后，第一排樁前土壓力明顯衰減；6#測(cè)點(diǎn)位于滑面附近，由于微型樁的攔擋和上覆土層最少，是樁間土壓力最小的位置。

由圖7（d）—圖7（f）可知：模型D中第二排樁前土壓力總體亦呈階梯平臺(tái)式增長(zhǎng)，但相比模型C，在離心加速度100g平臺(tái)勻速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)土壓力明顯衰減現(xiàn)象，觀察試驗(yàn)視頻和開挖跡象，分析可知微型樁在承載滑體下滑力時(shí)發(fā)生了屈服，擠壓前方土體形成裂隙，且由于滑體底部形成的次生滑面（9#、10#測(cè)點(diǎn)之間），9#、10#測(cè)點(diǎn)土壓力衰減程度大于8#測(cè)點(diǎn)。此外，由于微型樁的屈服、內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面的形成，在上方的滑體向前微小位移卸荷作用下，10#測(cè)點(diǎn)土壓力繼續(xù)衰減，而次生滑面上方的滑體作為一個(gè)整體繼續(xù)作用，土壓力在衰減后趨于平穩(wěn)。其中9#測(cè)點(diǎn)土壓力通過兩個(gè)激增變化達(dá)到峰值469.7 kPa。12#測(cè)點(diǎn)由于滑面上滑體擠壓沉降密實(shí)處于穩(wěn)定階段，而滑體淺層處11#測(cè)點(diǎn)由于微型樁彎曲屈服后擠壓滑體表面形成裂隙和脫空，且第四排樁前臨空，土體應(yīng)力向前松弛，土壓力呈持續(xù)衰減趨勢(shì)。對(duì)比滑面上部3個(gè)土壓力曲線，第一排—第三排樁前滑面處土壓力最大為338.32 kPa，峰值比為1.28∶1.41∶1。第二排樁前土壓力達(dá)到峰值后的衰減對(duì)應(yīng)了微型樁屈服后，10#測(cè)點(diǎn)上部土體的裂隙形成以及次生滑面松弛了土體應(yīng)力，7#測(cè)點(diǎn)也受此影響，但軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育至第三排樁附近，而滑面上滑體在第四排樁前附近并未形成明顯發(fā)育的裂隙，在第三排、第四排樁的固定下，樁間土體相對(duì)穩(wěn)定，故12#測(cè)點(diǎn)土壓力處于穩(wěn)定峰值。

圖7 樁前土壓力隨時(shí)間變化曲線

在滑體荷載傳遞下，微型群樁框架結(jié)構(gòu)承載性能充分發(fā)揮，在設(shè)計(jì)離心加速度下并未完全破壞，仍起到穩(wěn)定邊坡的抗滑作用；模型C、D滑面處土壓力為第二排樁前最大，第一排樁前其次，第三排樁前最小。兩個(gè)模型的樁前土壓力總體增長(zhǎng)趨勢(shì)與離心加速度的加載曲線變化趨勢(shì)相同。

2.2.4 樁身彎矩分析

不同時(shí)刻樁身彎矩沿深度變化曲線見圖8。其中受拉側(cè)彎矩為正，受壓側(cè)彎矩為負(fù)。。

圖8 樁身彎矩沿深度變化曲線

由圖8可知：模型C、D微型樁的彎矩分布均呈反S形，正負(fù)彎矩分界點(diǎn)在滑面附近。模型C第三排、第四排樁正負(fù)彎矩最大值比值分別為2.03、2.49；D模型為3.83、3.21。模型C第三排、第四排樁正彎矩最大值之比為1∶2.3、最大正彎矩為4.2 N·m（40g），負(fù)彎矩最大值之比為1∶2.74、最大負(fù)彎矩為12.48 N·m（100g）；模型D第三排、第四排樁正彎矩最大值之比為2.81∶1和3.69∶1，最大正彎矩為15.54 N·m（100g）、最大負(fù)彎矩為60.08 N·m（100g）。由于樁頂連梁約束下微型樁對(duì)滑體的抵抗作用和滑床對(duì)樁身的嵌固作用，樁身所受最大推力或抗力集中在靠近滑面一側(cè)。分別對(duì)比模型C、D第三排、第四排樁抗滑段和嵌固段最大彎矩對(duì)應(yīng)的深度，樁身所受彎矩越大，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的深度越靠近滑面。由于模型C樁身在滑床的嵌固作用下傳遞荷載，最大彎矩出現(xiàn)在第四排樁嵌固段，滑面上抗滑段受最大受拉值也大于第三排樁上中部。模型D開挖后樁身與滑床澆筑表面有明顯破裂，表明樁身有明顯屈服，荷載傳遞后第三排樁承載了樁后滑體大部分推力，導(dǎo)致第三排樁抗滑段受壓值大于第四排樁，而第三排樁嵌固段受壓值也遠(yuǎn)大于第四排樁。

綜上，樁身澆筑在基巖滑床中時(shí)，嵌固段樁身彎矩大于抗滑段，且滑床對(duì)樁身的嵌固作用和框架梁對(duì)樁群的約束固定對(duì)樁身所受彎矩的分布有重要影響。在樁-框架-土復(fù)合結(jié)構(gòu)共同抗滑和樁-基巖復(fù)合結(jié)構(gòu)共同作用下，樁身在滑面附近單點(diǎn)彎曲。對(duì)比顯示，嵌固深度較深的模型C最大彎矩更小，抗滑效果優(yōu)于模型D。

3 結(jié)論

1）微型樁群框架結(jié)構(gòu)聯(lián)合抗拔、抗滑能力顯著，滑體產(chǎn)生較大位移后仍能抵抗滑體滑移，是一種有效的邊坡加固措施。

2）相較于微型樁布樁數(shù)量，微型樁的嵌固深度對(duì)邊坡加固效果的影響更加顯著，表明嵌固深度是微型樁群框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

3）在離心作用下，微型樁的布設(shè)導(dǎo)致滑體次生滑面、淺層裂隙和樁土脫空現(xiàn)象的形成，直接影響滑體中不同深度土壓力的分布及其大小?；w位移和土壓力大小的變化趨勢(shì)與離心加速度加載方式密切相關(guān)。

4）樁身在滑面分界處呈單點(diǎn)彎曲屈服，滑床對(duì)樁身的嵌固作用明顯；樁身彎矩呈反S形變化，嵌固段樁身所受彎矩大于抗滑段，嵌固段樁-滑床形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)滑體下滑力的承載起關(guān)鍵作用。