微型抗滑群桩受力特性模型试验

刘开源，褚　楚，韩晓雷，石世刚

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)



微型抗滑群桩受力特性模型试验

刘开源1，褚楚2，韩晓雷1，石世刚1

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

摘要：通过模型箱试验，对微型抗滑群桩工作受力性状和桩顶连梁的作用进行了分析。分析结果表明：微型桩各排桩最大剪力在滑裂面附近，且从前排向后排依次减小，最大剪力截面位置依次上移。滑坡推力在微型桩上近似呈三角形分布，桩身中下部滑坡推力较大。桩身变形经历了一个整体弯曲到滑裂面附近的局部剪弯的过渡，抗滑合力下移，各排桩承担滑坡推力比例为1.00∶0.64∶0.44。桩顶连梁使极限承载力提高了11%，并且减小了坡体位移和桩身整体弯矩。连梁使前排桩上拔，后排桩下压，且能增大桩前桩间土压力，减小桩前桩身土压力。

关键词：微型群桩；模型试验；土压力；弯矩；连梁

0引言

微型桩一般是指直径小于300 mm，长细比大于30的钻孔注浆桩[1]。由于微型桩具有施工速度快、对场地要求小和承载能力较高等优点，近年来在中小型边坡治理、滑坡抢险和基坑支护等方面应用越来越广泛[2-3]，但对其抗滑受力性能的研究文献极少，对于微型桩的设计还没有完整的理论。文献[4-6]通过假设合理拱曲线和数值模拟，研究了单排微型桩土拱效应。文献[7-9]通过模型试验研究了抗滑微型桩合理桩间距和排距。文献[10-11]对微型群桩桩侧土压力及传递机理进行了研究。文献[12]利用双剪应力破坏准则对小桩的注浆压力进行了分析。以上文献从桩土复合体和小桩施工等方面研究了微型桩，但对微型群桩的受力特点、各排桩土压力分配及连梁作用涉及极少。

本文针对以上问题设置了4组试验和测量方案，对常见的梅花形布置微型桩的前后土压力、各排桩滑坡推力分配、弯矩特点和桩顶连梁作用等方面进行了分析，得出了一系列结论，旨在为微型桩的科学设计和合理应用提供依据。

1试验模型设计

试验采用人为设置坡体和滑裂面，自制水平加载设备在坡后施加水平力模拟滑坡推力。通过安置在桩前后及桩间土体内的土压力盒，测得桩体受力情况。通过安装在桩顶连梁、桩顶、坡顶和剪出口的位移计测量位移，监测桩顶位移及坡体变形情况。通过粘贴于桩体的应变片反推出桩体内力。

1.1　相似比设计

相似比Ci是原型和模型各种相同物理量的比值：

其中：i为任一种物理量；下标p和m分别代表原型和模型。运用相似三定理，并结合弹性力学基本方程以及岩土材料物理量，可以推导出地质力学模型试验的相似关系(如表1所示)，用于模型设计和模型试验结果的推广[13]。

1.2　试验分组及试验设备

试验共设置4组，分别用T0~T3表示，排距与桩间距数据如表2所示。表2中，d代表桩径。

表1　相似关系

表2　桩间距与排距

试验设备由自制多功能加载模型箱及测量检测系统组成。模型箱尺寸为：长128 cm，宽84 cm，高110 cm。为减小坡体两侧与箱体摩擦，减小边界效应，对箱壁刷两道清漆。

测量元件包括压力传感器、JWYDC-50型位移计、电阻式土压力盒和电阻应变片。数据采集系统包括应变综合采集仪和无纸记录仪。

1.3　模型制作、监测布置及加载方式

1.3.1模型制作、监测布置

模型坡体采用西安市临潼区的黄土，过筛后粒径小于3 mm。当土含水率为16.0%±0.5%时，夯实后的土密度为20 kg/m3。

试验模型坡采用层夯筑的方法，共9层。第5层土夯筑完成覆盖塑料布后，继续夯筑其余各层。经辅助试验测定内摩擦角φ=14.32°，而其余各夯筑层平均值为凝聚力C=25.64 kPa,内摩擦角φ=36.49°，故此面可以作为滑裂面。模型坡示意图见图1。

图1　模型坡示意图

模型桩采用加工过的榉木制成木棍，经辅助试验测定弹性模量E=13.2 GPa，与实际工程中的微型桩弹性模量接近，可以用来代替微型桩进行室内试验。桩长100 cm，直径2.2 cm，涂两道桐油做防水。

试验中用两道厚胶合板夹钢板作为顶压板(连系梁)，厚1.7 cm，其强度与刚度比桩大很多，可近似认为完全刚性。桩顶、坡顶和剪出口共布置8个位移计，测量模型坡变形量。桩身应变采用半桥接法，自上而下共粘贴7对应变片。

本文中所述桩前即为桩靠近加载方向的一面。靠近加载方向由近及远桩排编号依次为A排、B排、C排。

图2　土压力盒埋设位置图

本次试验在T0组未布设土压力盒；T1组试验只在正中心桩位前后布设；T2组A排、B排和C排，桩前、桩后和桩间土层中均埋设土压力盒。土压力盒埋设位置如图2所示。

本次试验采用先固定微型桩，后填土，达到设计土压力盒埋设标高后，埋设土压力盒。先用横梁将微型桩固定到设计位置，然后称量土倒入模型箱，每次填筑20 cm夯实到13 cm停止，填下一土层。待填筑到一定高度，模型桩可以自稳时去掉横梁。

滑床填筑完成后，铺设塑料布，然后填筑滑体。填筑工作完全结束后，依据事先在箱子侧壁贴好的标记，人工削出坡面。

1.3.2荷载设计及加载量设定

试验采用水平加载方式，模型箱背后有可滑动钢制加载板，厚度1 cm，与分离式千斤顶相连，将荷载传递到滑体背面。经试验测定，钢板与模型箱摩擦力极小，可忽略，加载板近似认为完全刚性。加载等级见表3。

表3　加载等级

加载前将位移计读数调0，记录土压力盒和应变片初始读数。每6 min确定荷载与位移能维持稳定后加下一级，直到数据不能稳定则判定为破坏。加载单位为t,数据处理时换算为kN或kPa。

图3　T0试验荷载位移曲线

图3为T0试验荷载位移曲线。曲线首段和末尾均存在直线段，分别对两个直线段进行线性拟合，在交点处做横坐标的垂线，与荷载位移曲线交点即认为是极限荷载值点。表4为各试验极限荷载值。

表4　各试验极限荷载

2试验结果分析

2.1　桩弯矩分析

微型桩在受力和工作方式方面与传统的抗滑桩不同。传统抗滑桩一般为刚性桩，桩后土体由于侧向抗压强度不足产生压裂破坏和整体转动，坡体丧失承载能力。而微型桩刚度小，是柔性支护结构，长细比较传统抗滑桩大很多。在荷载作用下，桩间土体塑性区重合，桩产生挠曲变形，使坡体产生较大变形[14]。一般抗滑桩将桩后土体的容许抗压强度作为验算指标，对于微型桩来说是不合理的。微型桩的设计必须以桩抗弯承载能力为基础，求得微型桩所能提供的最大抗滑力。

整理各组梅花形布置桩弯矩数据后，发现形式类似，现以T2试验数据加以分析，其他组不再赘述。T2组在荷载4 kN、8 kN、12 kN、16 kN和20 kN下，A排、B排、C排桩弯矩如图4所示。

图4　不同荷载时各排桩弯矩

从图4中可以看出：桩身弯矩由前排桩向后排逐排减小，说明3排桩所承载荷载大小是不同的。荷载为4 kN时，各排桩弯矩基本为0。荷载加到8 kN，桩顶附近、滑裂面以上36.5~40.0 cm和滑裂面以下0~10.0 cm，首先出现明显弯矩。加载到16 kN，3排桩弯矩差值明显，滑裂面上部为正，下部为负，说明上部桩前受压，下部桩前受拉，在滑裂面附近出现返弯点，桩上部受滑坡推力，将随滑体向前位移。此时达到T2试验极限荷载，A排、B排、C排桩最大弯矩分别为26.56 N·m、 21.25 N·m和21.60 N·m。弯矩斜率代表剪力，对比荷载16 kN与20 kN的弯矩图，各排桩最大剪力均在滑裂面附近，最大剪力的截面位置由前排向后排依次上移。

2.2　土压力分析

将试验滑裂面以上土压力数据绘图，如图5所示。桩前土压力即狭义的滑坡推力，荷载为4~8 kN时，桩顶与滑裂面出土压力首先增大，呈两个对顶的三角形分布。当荷载加到12 kN时，滑裂面附近土压力增量较桩顶附近大，土压力重心上移。土压力变化规律与之前基本相同，桩顶与滑裂面附近土压力继续增大。加载到16 kN，桩顶附近土压力小于12 kN时，说明桩顶有脱空趋势，结合图5可以看出：桩前土体中下部滑坡推力较大，使得桩中下部位移较大，连带桩顶向滑坡方向位移量大于桩顶自身受滑坡推力产生的位移量，桩顶脱空。20 kN时，桩顶完全脱空，土压力呈三角形。在土质类滑坡设计中，土压力一般很少采用三角形，多为梯形或矩形设计，偏于安全，此试验所得微型桩土压力形式可以指导设计。

图5　试验滑裂面以上土压力数据

分析桩后土压力，荷载加到8 kN时，桩底附近土压力首先增大，滑裂面以上3.5 cm，土压力为-6.67 kPa。桩体中部压力出现正值桩与土体脱空，滑裂面以上25.5 cm，土压力为1.36 kPa。说明桩体滑裂面以上中下部首先承担推力，且变形较大，使得中部脱空。加载12 kN时的规律与之前相同，但滑裂面附近压力增量变大。加载到16 kN，达到极限荷载，3.5 cm处压力继续增大，增量减小，25.5 cm处土压力变为正。

群桩桩顶有连梁存在，滑裂面附近各桩嵌固于滑床内，微型桩结构的中上刚度相对较小，故加载初期土压力呈对顶的三角形分布。当荷载较大时，桩顶及坡顶发生了明显水平位移，微型桩结构由整体弯曲过渡到滑裂面附近的局部剪弯，抗滑合力下移。桩前桩间土压力的分布形式与对应位置的桩前土压力分布形式类似。

整理埋设在各排桩间土压力盒的数据，得到各排桩承担滑坡推力的比例,A排∶B排∶C排为1.00∶0.64∶0.44。从数据中可以得出:各排承担推力比例呈递减趋势，最后一排(C排)承担推力仅为第一排(A排)的44%，但在微型桩设计中，各排桩配筋往往相同，这就导致迎滑第一排桩承载能力可能不足，最后一排能力不能完全发挥。因此，建议在设计时根据各排桩所承担推力的比例乘以一个折减系数，对后排桩配筋。

2.3　桩顶连梁作用对比分析

2.3.1位移对比分析

图6为T1组与T3组的桩顶位移对比，其中，T1组有连梁，T3组无连梁。从图6中可以看出：连梁使得桩顶位移减小，位移曲线弯起点后移，曲率变小，曲线更加平滑。从两次试验极限荷载看：T1组极限荷载为18.04 kN，T3组极限荷载为16.25 kN，T1组承载能力较T3组提高了11%。T3试验在15 kN时坡顶位移为4.21 mm。

T1试验中，荷载为16 kN时，位移为 2.93 mm，此时T1和T3试验均在稳定阶段，坡顶位移差值相差30.4%。这是因为连梁的存在使得3排桩整体性增强，桩土复合体刚度增大，后排桩抗滑能力得以发挥，桩体位移明显减小。

2.3.2桩顶竖向荷载位移曲线

对带有连梁的桩顶侧边缘处的竖向位移进行了监测。现以T1边坡试验为例进行分析，如图7所示。当荷载小于4 kN时，微型桩连梁后侧稍微向下移动；当荷载大于4 kN而小于15 kN时，压顶板后侧又逐渐上移到原位置；荷载达到15 kN后，压顶板后侧上移速率逐渐加快，产生明显竖向位移；超过破坏荷载21 kN后，连梁后侧竖向位移急剧增大。上述结果表明：当荷载较小时，前排微型桩滑裂面以上发生了轻微整体弯曲，使压顶板后侧轻微下移；荷载增大，滑体对微型桩前排桩产生上拔趋势，逐渐弥补并超过整体弯曲作用，产生显著向上的竖向位移；达到破坏荷载后，微型桩结构前侧桩上拔力超过了侧摩阻力，连梁前侧位移急剧增大。

图6 有无连梁坡顶位移对比图 图7 桩顶竖向荷载-位移

2.3.3土压力数据

图8　有无连梁土压力对比图

T3试验与T1试验的土压力对比，如图8所示。由图8可知：同样荷载作用下，桩顶有连梁的群桩桩前中下部的土压力要小于无连梁的，但上部土压力要明显大于桩顶无连梁的群桩，呈倒三角形分布。桩顶无连梁的微型群桩的桩后土压力，从埋设的土压力测点看，分布规律为上大下小，在达到或超过破坏荷载后，演变为下部土压力基本为0 kPa的倒三角形分布，说明无连梁微型桩在荷载作用下，主要是第3排桩的中部对桩后土体挤压，使桩后土体产生了整体位移。在桩间埋设的土压力盒的测量值显示：桩顶无连梁桩前桩间土压力为上小下大，而桩后桩间为上大下小。需要指出的是，桩顶有连梁的桩前桩间的土压力值比桩顶无连梁的大，而桩顶有连梁比桩顶无连梁的桩前土压力小。这是因为桩顶连梁将各桩连成一个整体结构，对桩间土的约束作用要强于桩顶无连梁，桩间土承担和传递了较多荷载，故桩前土压力相对较小。

2.3.4桩身弯矩

荷载为12 kN时，桩顶无连梁的滑裂面附近的桩身已经明显出现了弯矩。加载至14 kN，桩顶无连梁的3根桩的桩身弯矩出现了明显差异。荷载达到16 kN时，差异进一步扩大，主要表现在滑裂面以上0~14.5 cm和滑裂面以下-17.5 cm附近，自前向后3根桩的桩身弯矩最大值依次为23.15 N·m、 16.34 N·m和16.98 N·m；而桩顶有连梁的3根桩的桩身最大弯矩自前向后依次为15.25 kN、15.44 kN和14.04 kN。荷载达到18 kN后，3根桩的桩身弯矩差异更明显。

对比桩顶无连梁和有连梁的桩身弯矩，可以得出如下结论：桩顶连梁降低，各单桩的桩身弯矩曲线相对平缓；桩顶连梁协调各桩共同工作，使3根桩的弯曲抗力都得到了较好发挥；设有压顶板的微型桩群桩身上部的弯矩比下部大，说明压顶板可以调动桩身上部，提供更大的滑坡抗力。

3结论

(1)微型桩滑裂面以上桩前受压，下部桩前受拉。最大弯矩、剪力和弯矩返弯点都在滑裂面附近。各排桩剪力从前排向后排依次减小，最大剪力截面位置依次上移。滑坡推力在微型桩上近似呈三角形分布，桩身中下部滑坡推力较大，桩身变形经历了一个由整体弯曲到滑裂面附近的局部剪弯的过渡，抗滑合力下移，此过程中可能出现桩顶桩前脱空现象。桩后滑裂以上中下部土抗力首先增大，并在坡体破坏前发挥主要作用。

(2)3排桩受滑坡推力大小不同，从前排到后排依次减小，其比例为1.00∶0.64∶0.44。

(3)桩顶连梁能有效提高极限承载力，减小坡体位移，其中极限承载力提高了11%。

(4)连梁的存在使得前排桩产生上拔趋势，后排桩下压。滑裂面以上桩体土压力分布更加平滑，调配土压力分布，使得桩身受力更合理。

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第37卷第2期2016年 4月河南科技大学学报(自然科学版)JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vol.37No.2Apr.2016

文献标志码：A

中图分类号：TU473