单排与三排微型抗滑桩大型模型试验研究

辛建平，唐晓松，3，郑颖人，3，张 冬

（1.后勤工程学院 土木工程系，重庆 401311；2.后勤工程学院 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311；3.重庆市地质灾害防治工程技术研究中心，重庆 400041；4.济南军区房管局潍坊办事处，山东 潍坊 261031）

1 引言

微型桩，一般指直径小于300 mm的钻孔加筋灌注桩，但也有文献认为微型桩的直径可以达到400 mm[1]，常以群桩的形式工作。微型桩主要有非开挖施工、施工机具小、受地形影响小、桩位布置灵活、振动小、施工速度快、桩型小节省材料等特点。其作为一种新型抗滑结构，以常规抗滑桩不能替代的优点在边坡加固和滑坡治理，尤其是在一些应急抢修工程中得到了越来越广泛的应用，但目前对于微型桩的抗滑与破坏机制尚缺乏系统全面的认识，理论严重滞后于实际应用。

Brown等[2]通过有限元软件对水平荷载下桩群的群桩效应进行了数值分析，得出群桩中桩间距为3倍桩径时，微型群桩效应十分明显，当桩距为5倍桩径时，群桩效应几乎可以忽略；陈正等[3]利用有限元软件ABAQUS对现场柔性微型桩试验进行数值模拟，数值分析和现场实测结果基本一致；冯君等[4]应用有限元理论建立计算微型桩体系内力和变形的力学模型，并将该模型应用于渝怀铁路顺层岩质边坡加固计算中，取得了较好的效果；阎金凯[5]进行了大型物理模型试验，其模型为一黄土填筑边坡，得到桩心配筋微型桩的破坏模式为发生于滑面附近的受弯破坏，桩周配筋微型桩的破坏模式为发生于滑面附近弯曲与剪切相结合的破坏；胡毅夫等[6]对微型桩加固岩质边坡进行模型试验，得到微型抗滑桩有3种破坏方式：以滑面为转轴的弯曲、前桩在滑面附近的脱空以及在滑面附近的张拉断裂和剪切断裂。还有其他学者也做了该方面的研究[7－13]，如苏媛媛[7]、朱宝龙[12]、梁炯[13]等通过模型试验对微型桩的受力变形与破坏特性进行了研究。

目前微型抗滑桩大型模型试验极少，尤其是对不同类型边坡中桩体及坡体的破坏机制认识尚不明确一致，作者进行了单排和三排微型桩加固黏性土边坡的大型模型试验，主要对土质边坡中微型桩的破坏形式、桩体受力和坡体的破坏模式等方面进行了研究。

2 试验原理

本次试验采用物理模型进行模拟，原型和模型之间相同物理量之比称为相似比，即

式中：i 代表任一物理量，下标“p”和“m”分别代表原型和模型。

选取几何相似比λ、密度相似比λρ和应变相似比λε3个独立量推导其他物理量相似比。根据试验条件及可操作性，本次试验所取各相关物理量的相似比如表1所示：

表1 各物理量及相似比Table 1 Physical variables and similarity ratios

由于本试验主要研究微型桩结构在横向荷载下产生的变形和破坏特征，不考虑桩结构及其周围土体的动力特征，故土体的相似比不是主控因素，可放宽要求，而微型桩应尽量满足相似条件。

3 模型试验设计

3.1 试验装置

试验采用的模型箱水平长度为6.3 m，其中斜坡部分的长度为4.3 m，宽度为0.7 m，高度为3 m。加载装置为微机控制电液伺服千斤顶。试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental setup

3.2 坡体材料

试验模型参照重庆市沙坪坝区某一高20.5 m的纯土质边坡。土体类型为红黏土，在同一地点进行原地取样，保证土体性质基本一致，对模型进行人工分层填筑夯实，滑床与滑体土体性质一致。击实后的土体密度为1.9 g/cm3，含水率为26%。设置一圆弧形滑带，采用双层塑料膜进行模拟。在坡顶采用一块135 cm×65 cm×10 cm混凝土板作为传力装置，对坡体进行局部加载。模型尺寸如图2所示。

图2 边坡模型（单位：cm）Fig.2 Slope model(unit:cm)

3.3 桩体模型

实际工程中微型桩的配筋形式多样，有桩周配筋、桩心配筋、钢管注浆等形式，本试验采用了比较简单且易于操作的桩心配筋形式。桩体原型为直径为30 cm，长度为1 260 cm，桩心配3φ 32钢筋的圆桩，采用C20混凝土进行钻孔灌注。根据表1中的相似比试验桩体模型直径取4.5 cm，长取180 cm。采用C20自密实混凝土预制，最大骨料粒径为5 mm，桩心配1φ 8钢筋，图3为预制好的微型桩模型。

试验中除了几何尺寸外，抗弯刚度（EI）作为桩体抗滑的重要参数必须进行合理模拟，但实际中难以同时满足尺寸和材料参数的相似关系。微型桩原型抗弯刚度为10.206×106N·m2，按相似比要求微型桩模型抗弯刚度应为4.25×103N·m2，而实际抗弯刚度为4.46×103N·m2，误差为5.9%，在合理误差范围内。

如图4所示，横向桩间距为2.6倍桩径，即11.7 cm，纵向桩间距为4倍桩径，即18 cm。设有连系梁对桩顶进行纵向的固定，其长为46 cm，宽为9 cm，厚为6 cm。在模型箱一侧设有75 cm×45 cm的有机玻璃观察窗一个，第6列微型桩紧贴窗口布置以便在试验过程中进行观察。沿推力方向分别为第1、2、3排桩。

图3 桩体模型Fig.3 Piles model

图4 桩位及应变片布置平面图（单位：cm）Fig.4 Location of piles and layout of strain gauges(unit:cm)

图5 应变片布置纵面图（单位：cm）Fig.5 Strain gauges layout(unit:cm)

3.4 加载设计

本次试验采用1 000 kN级千斤顶进行竖向加载，电脑控制自动加载，精度为0.01 kN。每加载一次后进行实时测量数据，等数据基本稳定后进行下一级加载，直到破坏为止。各组试验的加载量如表2所示。

表2 试验荷载统计表Table 2 List of experimental loads

4 试验和检测系统

4.1 试验内容

试验分3组进行：①无桩边坡破坏试验；②单排桩边坡破坏试验；③三排桩边坡破坏试验。

4.2 模型制作

粘贴钢筋应变片，焊接电线；预制微型桩、连系梁和混凝土板；分层填筑滑床，预留桩位；铺设双层塑料膜模拟滑带；埋入桩体，进行桩位固定；分层填筑滑体；加压混凝土板；安装位移传感器。

4.3 测量系统

单排桩试验时测量了第3根桩的钢筋应变和混凝土应变，但由于混凝土强度低很容易破裂，应变片随即失效，所以三排桩试验时只测量了第3列桩的钢筋应变。根据数值模拟得知，桩体在滑带附近变形较大，故在滑带附近布置应变片较密，两端较疏。采用DH3816数据采集仪采集应变数据，千分表和伸缩位移传感器进行桩顶和剪出口位移的测量。应变片的布置如图4、5所示。

5 试验成果分析

5.1 坡体破坏形态

无桩时滑体沿预设滑带整体向前滑移，无其他破坏形式。

单排桩时从观察窗可以看出，桩体向前倾斜，并无裂缝产生，桩前滑体部分产生宽度为1～2 cm的斜裂缝，约呈45°方向，如图6(a)所示。从图6(b)可以看出，桩顶位置紧贴桩后产生一条贯通的横向裂缝，开挖后发现此裂缝向下延伸与观察窗看到的斜裂缝贯通，并在桩前滑体部分形成一个明显的弧形次生滑面，如图6(c)所示。坡体的整体破坏如图6(d)所示，滑体部分沿预设滑面整体滑出，完全破坏时剪出口位移为53.7 mm。

桩体刚度小、变形大，随荷载的增大桩后滑体沿预设滑面下滑，但由于桩前滑体较少、抗力较小，使桩体上1/3高度范围内位移较大，推挤桩前土体向前滑移形成了破裂面，最终形成一次性弧形滑面，所以破体内发生了两处滑移，但仍以预设滑面为主，坡体滑移示意图如图8所示。

图6 单排桩坡体破坏情况Fig.6 Failure form of slope with single-row micropiles

从观察窗可以看到，三排桩时数条明显的约呈45°～60°方向的裂缝，而且裂缝延伸到预设滑面以下，滑带附近的桩体仍然发生倾斜变形，第3排桩前出现脱空区，如图7(a)所示；从桩顶前侧坡面可以看到很多0.5～1 cm的竖向裂缝，布桩位置模型箱略有外鼓，如图7(b)所示，说明微型桩对土体起到了劈裂作用。开挖后发现，在布桩位置前方土体也形成了次生滑面，并与预设滑面贯通，桩体埋深上1/3范围内的土体呈松散状态，如图7(c)所示，松散体剥落后发现次生滑面延伸到第1排桩后坡面。坡体的整体破坏如图7(d)所示，桩顶水平位移为120.4 mm，剪出口位移为74.9 mm。与单排桩加固坡体相似，破体内发生了两处滑移破坏，如图8所示。

图7 三排桩坡体破坏情况Fig.7 Failure form of slope with triple-row micropiles

图8 坡体滑移面示意图Fig.8 Slip plane of slope

5.2 桩体变形与破坏特点

单排桩桩体变形与破坏形式与3排桩一致，故只以3排桩为例进行分析。图9(a)为3排桩的桩体变形示意图，直线为桩体原始位置与形状，曲线为桩体破坏后最终的位置与形状。可以看出，桩体在滑面两侧发生弯曲变形，分别发生在滑面以上50～70 cm范围内和滑面以下35～55 cm范围内，相当于原型在滑面以上3.5～4.9 m和滑面以下2.45～3.85 m范围内发生弯曲破坏，滑面附近桩体并无破坏，只是向前倾斜。这与苏媛媛[7]对微型桩加固土质边坡的研究结果基本一致，她得出桩体的破坏模式为滑面两侧弯曲变形引起的双塑性铰破坏，而且不同于胡毅夫等[6]得到的微型桩加固岩质边坡的破坏形式，他得到的桩体破坏为滑面附近的张拉断裂和剪切断裂。这说明桩体的破坏形式与坡体材料密切相关，土体弹性模量较小容易发生变形，而岩石弹性模量较大不易发生变形，这也就导致了桩体的破坏形式不同。

开挖后发现滑面以上的破坏程度要比滑面以下严重，第3排桩的破坏程度最大，第1排其次，第2排最小。图9(b)和图9(c)为滑面以上桩体的破坏状态，可以看出，桩体的破坏表现为弯曲引起的张拉与压剪破坏；从图9(a)的观察窗可以看出，滑面附近第1排桩的位移最大，第2排其次，第3排最小，经测量得预设滑面处3排桩的位移依次为：第1排12.5 cm，第2排11 cm，第3排10 cm，由此可知，桩体所受推力依次减小。

图9 桩体变形及破坏Fig.9 Deformation and failure pile

5.3 桩体弯矩分布

图10(a)、(b)分别是单排桩在极限荷载为330 kN时的弯矩分布图和三排桩在极限荷载为500 kN时的弯矩分布图。可以看出，无论是单排桩还是3排桩弯矩分布都呈反S型，正负弯矩的分界点在滑面下10～15 cm处，相当于原型的滑面下0.7～1.05 m处；滑面以上的弯矩最大值大于滑面以下的弯矩最大值，单排桩的正负弯矩最大值之比为1.26，三排桩第1排的正负弯矩最大值之比为5.05，第2排为1.19，第3排为2.14；三排桩中第1排所受正弯矩最大，第3排其次，第2排最小，三者之比为2.1:1.5:1；第1、2、3排的负弯矩相差不大，数值较小；第1排正弯矩变化比较剧烈，弯矩较大值分布比较集中，主要在滑面上20 cm范围内，相当于原型的滑面上1.4 m范围内，第2排正弯矩变化比较缓和，分布较广。弯矩的分布形式与苏媛媛[7]4倍桩径排距时的矩形截面组合桩所得结果类似：滑面以上弯矩前排桩>后排桩>中排桩，且中排桩弯矩分布相对比较均匀。

根据桩体破坏程度判断可知，第3排桩所受正弯矩应该最大，这与最终的监测结果不符，而且第3排桩的正弯矩分布呈波浪形。此现象可解释如下：

第3排桩破坏程度最严重可以归结于开挖方式造成的影响，由于从坡脚开挖，随着桩前抗滑体的减少，桩体所受推力增大，当桩前土体开挖完之后，第3排桩滑面以上不受任何桩前抗力，只受桩后推力，而其本身仍起到抵抗桩后推力的作用，即第2排桩和第1排桩仍然受到桩前抗力，所以最终导致开挖后第3排桩的破坏程度最大。第3排桩滑面以上桩身所受弯矩呈波浪形分布可以解释如下：①在加载初期，桩间土有效地将土压力均匀地从第1排传递到第3排，随着荷载的增大，滑体位移也逐步增加，由于桩间土受到桩体约束而发生强烈挤压，并产生多条裂缝，不能再均匀地传递土压力；②第3排桩前土体具有临空面，土体受桩体推力可自由向前滑移，而桩体由于自身强度和滑床的嵌固作用在滑面附近只发生了倾斜，所以导致第3排桩与土体发生了脱空破坏。以上两种原因最终使第3排桩身正弯矩呈波浪形分布。

图10 桩身弯矩分布Fig.10 Distributions of moment along pile shaft

5.4 坡体位移及承载力

无桩边坡只监测了剪出口位移，单排桩时所用桩顶位移计量程过小，故只采用剪出口的位移数据来对不同工况的坡体位移进行比较分析。然后对三排桩桩顶和剪出口的位移数据进行对比分析。

由图11(a)荷载-位移曲线可以看出，无桩边坡只有1个突变点，其后，位移随荷载的增大而迅速增长。而单排桩和三排桩加固的边坡其荷载-位移曲线有两个突变点，第2个突变点后位移的增长速率比第1个突变点后的速率更大，所以把第1个点定为屈服点，第2个点为破坏点。单排桩屈服点对应的荷载为270 kN，位移为16.5 mm；三排桩屈服点对应的荷载为420 kN，位移为16.7 mm。单排桩破坏点对应的荷载为330 kN，位移为53.7 mm；三排桩破坏点对应的荷载为500 kN，位移为74.9 mm。无桩时屈服点和破坏点重合，其对应的荷载为160 kN，位移为9 mm。由以上数据可以看出，加桩后屈服点所对应的位移比无桩时增大了近1倍，而破坏点所对应的位移增大了5～7倍，三排桩比单排桩也有所增大。说明微型桩加固边坡允许滑体发生较大位移，能有效延缓坡体垮塌破坏，适用于应急抢修工程。

按屈服点所对应的荷载来计算，单排桩边坡较无桩边坡承载力提高了68.8%，三排桩边坡较无桩边坡承载力提高了162.5%，而三排桩边坡较单排桩边坡提高了55.6%；按破坏点所对应的荷载来计算，单排桩边坡较无桩边坡承载力提高了106.3%，三排桩边坡较无桩边坡承载力提高了212.5%，而三排桩边坡较单排桩边坡提高了51.5%。可见桩体发生较大变形进入塑性状态能够充分发挥抗滑作用而提高承载力。

由图11(b)可以看出，三排桩桩顶的荷载-位移曲线只有一个明显的突变点，并且在剪出口曲线的屈服点和破坏点之间。所以在用荷载-位移曲线判断坡体屈服时采用剪出口曲线比较合理，判断坡体破坏时采用桩顶曲线比较保守、安全。

图11 荷载-位移曲线Fig.11 Load-displacement curves

6 结论

（1）坡体在加桩位置向前产生弧形次生滑面，最终与预设滑面贯通；对于三排桩加固的边坡，第3排桩前出现桩土脱空破坏，坡面产生纵向劈裂缝。

（2）桩体变形呈S形，主要发生滑面两侧弯曲变形引起的张拉与压剪破坏，滑面附近桩体并无破坏。

（3）桩体所受弯矩呈S形分布，反弯点在滑面附近，最大弯矩分布于滑面以上；对于三排桩，达到极限荷载时第1排所受弯矩最大，第3排其次，第2排最小。

（4）三排桩微型桩可有效提高边坡的承载力，具有良好的抗滑效果，允许滑体发生较大位移，可有效延缓坡体垮塌，适用于应急抢险工程。

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