黄土高边坡桩钉复合支护的离心模型试验研究

黄英儒

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

影响高边坡工程稳定性的主要因素之一是因开挖施工扰动坡体,坡体发生过大变形而在其内部形成潜在滑面,坡体沿潜在滑面发生滑动失稳。许多工程实践都表明，大多数路堑高边坡的失稳破坏都是开挖施工方法不当造成的[2]。所以,研究路堑高边坡的开挖变形规律,寻求合理的开挖、支护方法,采用有效的工程措施控制坡体的过量变形,对于确保路堑高边坡工程安全稳定有着重要意义。以实际工程为原型,通过室内离心模拟试验,对比研究桩钉复合支护结构支护边坡的变形破坏模式,验证这种支护结构的合理性,从而为黄土地区使用这种支护结构提供理论依据,为今后此类工程的设计与施工提供参考。

1 模型设计

1.1 工程概况

郑西客运专线ZXZQ3标段DK208+237.625～DK208+338段设计为明洞,地表黄土覆盖。从地表往下,主要地层依次为：中更新统Q2黏质黄土,厚度大于20 m,具有中等～弱膨胀性；震旦系下统马家河组(Z1m)砂岩、泥岩。基岩从上往下,依次为全、强、弱风化带,其中全、强风化带的厚度分别为0～4 m,5～15 m。

1.2 模型比尺

根据相似原理[3～4],模型比尺一般由试验目的、原型尺寸和试验室设备条件决定。工程原型边坡三维尺寸：长100.375 m、宽度约60 m、高约35.5 m。模型拟采用西南交通大学土工离心机实验室的离心机之1号模型箱：长0.8 m,宽0.6 m,高0.6 m,选定模型尺n=100,则边坡的几何尺寸对照见表1。

表1 模型几何尺寸对照 m

1.3 分组设计

本次模型实验共分3组进行,意在比较边坡在不同支护形式下的变形、破坏方式,以及不同支护形式的作用效果。试验模型尺寸参照现场原型,3组模型外形基本一致,都设计为三级边坡,一级边坡均高169 mm,二、三级边坡高99 mm,每级边坡之间有20 mm宽平台过渡,分组具体情况如表2所示。试验采用分层卸砂来模拟现场边坡分步开挖过程。

表2 模型试验分组情况

1.4 主要构件的模拟

(1)土钉[5]材料

根据相似原理,本试验拟采用直径1 mm钢丝模拟孔径为10 cm,孔内采用φ25 mm钢筋外层注浆的土钉,根据相似比截成所需长度,在土钉一端预留5 mm做成弯钩以便挂网。把做好的钢丝表面打毛,然后涂AB胶,再在AB胶凝固之前粘上直径小于1 mm的细砂,使得钉砂胶结为整体,从而增大土钉与土体的接触面积。

(2)抗滑桩[6]材料

抗滑桩原型为C30钢筋混凝土灌注桩,桩截面尺寸为2.75 m×3.5 m,桩长为33 m。根据刚度EI相似的原理,本试验采用矩形铝管内灌水泥砂浆来模拟桩。按公式EI=EsIs+0.8EcIc换算后用1 mm厚的铝合金角铝制成现场桩1/100大小的模型框架,然后里面灌注与C15混凝土同弹模的水泥砂浆,刚度和强度参照现场桩的数值,按C15混凝土的相应配合比进行配比水泥砂浆[7]。桩模制作完成后要养护一段时间,待其强度达到要求再预埋到基岩里。

(3)面层材料

用高强度鱼线交叉缠绕每根土钉模型露出坡面的弯钩,把每一级边坡上的所有土钉用网连结在一起,最后抹上水泥砂浆将其固定形成与现场相似的柔性面层。

(4)填料

考虑粒径效应与几何尺寸效应[8～9],模型比尺放大了原状土体的离散性,因此模型边坡土体取工程原型坡体中的扰动土,在实验室用一定的技术手段重塑后作为填料,使其具有与原型土体相近的物理力学性质。

模型采用水泥和土按质量水泥、土1∶5的比例混合掺水后分层填筑夯实,并养护一段时间。以此模拟强度相当的基岩。

1.5 量测技术

(1)位移网格线

为了有效地捕获土体变形的信息,本试验采用了对标志点跟踪读数的方法。在模型填筑完成后,把模型侧面整平抹光,以模型右下方箱底与侧壁交点为坐标原点建立坐标系,用墨斗线把边坡侧面划分成3 cm×3 cm的网格,在网格线与线的交点上用大头针固定4 mm×4 mm的白色纸片作为标志点,并记录每个标志点的初始坐标,模型运转结束后,坡体侧面的网格点会随着边坡内部土体的位移变化而获得新的坐标。通过对边坡侧面网格点在模型运转前后坐标的相对变化分析，间接得出坡内土体位移的大小和方向。

(2)位移传感器

本次试验选用接触式位移传感器,型号为QSY9703,量程为0～10 mm,输出电压为0～4 V。

2 试验模拟过程

边坡模型制作完成后用密度稍大于土体密度的砂将开挖面以外的空间填筑并夯实,试验中以分层卸砂的形式来模拟现场的分步开挖。模拟开挖分3次进行,第一次开挖坡高99 mm,第二次开挖坡高99 mm,第三次开挖坡高169 mm。每级边坡开挖运行结束后,减速停机进行下一级开挖运行,直至全部开挖。每次运行离心力加载历程如图1所示。

每次运转离心机运转起始加速度为0g,并随时间的延长逐级增加,分别在20g、40g、60g、80g的离心力条件下稳定运行10 min,待模型土体位移、应变值变化很小之后,再继续增大离心加速度。最终加载至加速度100g,使得模拟坡体和现场的受力情况一样,在100g状态下分别运行10 min(M1),30 min(M2),45 min(M3)模拟现场开挖后2个月,6个月和9个月时间。

图1 加载历程(以第一组模型为例)

3 边坡变形及滑面分析

模型模拟现场分级开挖,每次开挖后边坡都会出现不同程度的变形,最后一次开挖完成运行后,边坡的变形破坏程度达到最大。文章将3组模型停机后的实测破坏面作对比分析如下。

3.1 模型一

在距模型右边界150 mm和模型下边界150 mm的一个三角形区域范围内的网格变形不明显,土体变形主要以竖直沉降为主,消除模型固结沉降的影响,可认为土体没有变形或者变形量不大。

在距坡面90～180 mm深度范围内的网格变形比较明显,局部地方网格严重扭曲变形,土体变形除了较明显的沉降外,还发生了较大的水平位移。

从图2可看出，这部分土体出现了很多小的裂缝,这些小的裂缝是滑体错动剪切形成,呈雁列状分布,形成一个圆弧形滑带,带长约570 mm,滑体沿着此滑带向前运移了125 mm。

图2 M1实测滑面(单位：mm)

3.2 模型二

在模型箱右下角距模型右边界90 mm和下边界90 mm一个三角形区域内，模型的变形主要以竖直沉降为主。这个三角区域以外的坡体除了发生竖直沉降外,还发生较明显的水平位移。与模型一相比,模型二的边坡土体变形范围变大,更多的土体被调动,并发生了运移。

在距坡面130～220 mm深度范围内的土体出现了很多小的裂缝,这些小的裂缝是滑体下滑错动剪切形成,呈雁列状分布,形成一个圆弧形滑带,滑带长约700 mm,滑体沿着此滑带向前运移了210 mm。

由图3可以看到，土钉加固范围内的土体未发生较大变形,整体沿着滑面[10]向前滑移,滑面清晰可见,第三级边坡上部土钉靠坡里一端有弯曲变形现象。由此说明随着开挖深度的增大,模型边坡由稳定状态趋于失稳,土钉作为模型二的支护手段,使得支护范围内的土体作为一个整体,没有发生大的变形,并且把潜在滑面向更深的土体内传递,起到了应有的作用,但是由于边坡太高,坡体含水量太大,模型边坡最终发生失稳滑坡。

图3 M2实测滑面(单位：mm)

3.3 模型三

在模型箱右下角距模型右边界120 mm和下边界120 mm一个三角形区域内，模型的变形主要以竖直沉降为主。这个三角区域以外的坡体除了发生竖直沉降外,还有水平位移趋势。

与模型一、模型二相比,边坡侧面的网格变形不明显,没有扭曲错动带,在距模型坡面平均距离110～140 mm深度范围内出现了一些小的裂缝,如图4所示。这些裂缝连成一个圆弧形的滑带,模型土体有沿此滑带运动的趋势,但是由于有抗滑桩的支护作用,尽管有少部分土体挤出,坡体整体处于稳定状态。

图4 M3实测滑面(单位：mm)

4 结 论

通过对3组模型实验结果的处理和分析,可以得到如下结论。

(1)模型边坡的变形随着开挖深度和离心加速度的增大而增大,第三次开挖后,模型一和模型二都发生了破坏,模型二在更小的离心加速度状态下失稳滑坡,滑体沿滑面滑移距离比模型一更远。

(2)模型二的破坏说明只用土钉支护边坡的支护形式不可行,土钉支护范围内的土体得到了加强,成为一个整体,但是土钉的支护作用会把潜在滑面传递到更深的土体中,当潜在滑面超出了土钉的支护范围,土钉支护范围内的土体就会整体下滑,加剧边坡的破坏程度。

(3)模型三没有发生破坏,说明土钉抗滑桩复合支护是可行的,土钉的加固作用把潜在滑面的剪出口限制在抗滑桩桩头以下,把滑坡推力传递到抗滑桩上。两种支护形式的有机结合,很好地发挥了各自在边坡支护中的优点,收到了比较好的支护效果。

[1]秦四清.土钉支护机理与优化设计[M].北京：地质出版社，1999.

[2]张倬元.滑坡防治工程的现状与发展展望[J].地质灾害与环境保护,2000,11(2):89-98．

[3]徐 挺.相似理论与模型试验[M].北京：中国农业机械出版社,1982.

[4]袁文忠.相似理论于静力学模型试验[M].成都：西南交通大学出版社，1998.

[5]陈福全,马时冬.土钉加固边坡的离心模型试验与分析[J].工业建筑,1999,29(9)：12-15.

[6]刘昌清.抗滑桩离心模型试验分析[C].中国青年学者岩土工程力学及其应用讨论会论文集，1994.

[7]刘 坚.钢与混凝土组合结构设计原理[M].北京：科学出版社,2005.

[8]徐光明,章为民.离心模型中的粒径效应和边界效应研究[J].岩土工程学报，1996,18(3)：80-86.

[9]李之光.相似与模化[M].北京：国防工业出版社,1982.

[10]刘 刚,宋宏伟,许增会,等.基坑中土钉最大轴力与潜在滑动面关系研究[A].矿山建设工程新进程.2006全国矿山建设学术会论文集(下册)[C].388-394.