增湿过程中结构性黄土强度对抗滑桩间距的影响

陶 虎，谢 晨，任建民，王军玺

(1 兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070；2 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；3 甘肃有色工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)



增湿过程中结构性黄土强度对抗滑桩间距的影响

陶 虎1,2，谢 晨3，任建民1,2，王军玺1,2

(1 兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070；2 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；3 甘肃有色工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)

【目的】 探讨增湿、扰动作用下结构性参数降低对土性参数和抗滑桩间距的影响。【方法】 通过单轴压缩试验，分析初始结构性参数随含水率变化的规律以及构度指标变化对结构性土黏聚力和内摩擦角的影响。在抗滑桩拱端的土拱效应中，通过静力平衡方程建立拱间距与黏聚力的关系，并将构度指标对黏聚力的影响引入公式，从而分析构度指标变化对土拱间距的影响。【结果】 构度指标随含水率的增大而减小，构度指标减弱导致黏聚力明显降低而内摩擦角变化较小，在增湿过程中将构度指标引入抗滑桩间距计算公式，其变化直接影响到抗滑桩间距的大小。【结论】 构度指标是影响抗滑桩间距大小的最主要因素之一，在抗滑桩设计中引入结构性参数这一指标，为合理确定抗滑桩间距提供了一种新的方法和理论。

黄土；增湿过程；构度指标；抗滑桩；黏聚力；抗滑桩间距

我国约有64万km2土地被黄土所覆盖，在双目显微镜下可见黄土由结构单元、胶结物和空隙3部分组成，在干旱半干旱的自然条件下具有较强的结构强度。土的结构性早在1925年就被土力学奠基人太沙基[1]所指出，只是因为定量描述的困难性以及形成原因的复杂性，使得结构性定量描述一直游离于对土物性的表述，但它的定性表述仍然显示出了其在土性机理[2]分析上的极其重要性。天然状态下黄土都存在结构性，如边坡、陡坎等保持陡直的状态就是依靠自身的结构强度，一旦增湿和加载，结构强度就会有所降低，如2013年7月甘肃岷县-漳县地震[3]，黄土体在降雨增湿后因地震作用诱发的滑坡造成大量人员伤亡；1989年3月甘肃永靖县盐锅峡库区黑方台焦家崖头土地在灌溉增湿后诱发了大滑坡[4]。研究表明，增湿是导致黄土结构强度降低的内在因素，而加载则是外因[5]。深入研究黄土的结构特性变化规律,有助于提高设计人员对结构性土性质的认识，进而在设计中合理选取土性参数。

近年来，随着经济建设的快速发展，黄土地区开展了大量平山造地、依山而建的工程项目，在降雨、堆载影响下极易造成黄土边坡失稳，对周围建筑和人员造成安全隐患。增湿过程中，土的结构性、结构强度及变形是动态变化的，而现行的《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025-2004)[6]假设完全饱和状态来考虑黄土湿陷性对工程的影响，存在设计上过于保守、经济效益上不可行的不足[7-8]。

抗滑桩大量运用于黄土地区边坡治理工程，由于抗滑桩具有抗滑能力大，对滑坡体稳定性扰动小，设桩位置灵活，能及时增加抗滑力而在边坡工程中得到大量应用。本研究通过研究增湿后黄土结构性变化规律，定量总结增湿过程土结构性参数变化对抗滑桩间距的影响，以期为抗滑桩的设计提供参考。

1 土的结构性

结构性是天然土固有的特性，土的结构实质上包括了反映土骨架联结特征的“胶结”和土骨架几何空间特征的“组构”。谢定义等[9]指出，由几何特征的“组构”和联结特征的“胶结”反映的土结构的可稳性和可变性的综合结构势，是决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素。土的结构性对土工程性质的重要性已成为共识,被认为是21世纪土力学的核心问题[10]。任何土都具有结构性，黄土的结构性尤为突出。结构性越强，在增湿后联结力越容易破坏，扰动作用使得黄土几何排列越不稳定；结构性越弱，增湿对联结力的影响则越不明显，扰动对黄土几何排列的影响也小，结构呈稳定状态。对比分析相同粒度、密度、湿度的原状黄土和重塑黄土，两者的抗剪强度差异性很大[11]，说明原状黄土结构在未遭到破坏时，具有较高的抗压和抗剪强度。

灵敏度仅反映了原状土扰动前后结构性的变化大小而忽略了增湿过程对结构的影响。邵生俊等[12]基于综合结构势理论提出了构度指标，在此认识上，文献[13]通过大量试验，提出了反映增湿和扰动影响的增湿灵敏度和扰动灵敏度，综合考虑了扰动作用和增湿过程对结构性土的影响。

1.1 构 度

采用单轴压缩试验，对相同含水率、粒度、密度的原状土、重塑土和饱和状态下原状土进行最大无侧限压缩试验，按照下式确定构度：

(1)

式中：mu为构度指标，反映结构性黄土的初始结构性大小；mw反映结构性黄土增湿后对水的灵敏度，称为增湿灵敏度；mr反映原状土结构完全扰动后强度的降低程度，称为扰动灵敏度；(qu)o、(qu)r、(qu)s分别表示原状土、重塑土、饱和原状土的最大无侧限抗压强度。

以兰州东Q2黄土为例，该土的干密度为1.56 g/cm3，天然含水率为10%，孔隙比为0.731。图1为兰州东Q2黄土在含水率为10%，15%，20%，25%，28%时构度指标mu、增湿灵敏度mw、扰动灵敏度mr的变化规律。由图1可知，该Q2黄土的初始结构性受增湿灵敏度的影响较大，而扰动灵敏度在不同含水率下变化较小，说明增湿是影响黄土结构性变化的最主要因素之一，而扰动灵敏度大小只与初始结构状态有关。

图 1mu-w关系曲线

Fig.1mu-wcurves of loess samples

1.2 结构性与强度指标的关系

黄土的结构强度易受应力状态(围压)和增湿(降雨)的影响，因此存在不稳定性。党进谦等[14]研究了黄土结构强度与初始含水率的关系，在摩尔-库伦准则中引入了不稳定黏聚力的概念。谢定义[2]指出，在土力学中，研究土结构性问题的根本目的在于揭示结构性及其变化的力学效果。

文献[15]通过三轴(UU)试验，测定结构性黄土在不同含水率下的构度指标(mu)与黏聚力(c)、内摩擦角(φ)的变化关系，结果如图2、3所示。图2表明，随着结构性指标增大黏聚力c增大；图3表明，结构性黄土的内摩擦角φ随构度mu的增大略有增加，但增加幅度较小。

随着含水率增大，黏聚力随构度的增大而增大，内摩擦角随构度基本保持不变。通过测定不同含水率状态下黄土的构度，即可以判别黏聚力的大小。

图 2 mu-c关系曲线

2 计算模型

Terzagi最早通过活动门试验验证了土体中存在拱的效应[16]，国内学者先后研究了黏土和软土地区抗滑桩土拱效应产生的机理，建立了土拱间距的计算方法[17-20]。土拱效应受拱间距和土结构强度变化的影响较大，对于结构性黄土，随着增湿过程，结构性减弱导致黏聚力降低，因此认识增湿后黄土结构性的变化规律，对合理确定黄土地区抗滑桩间距具有重要的科学意义。抗滑桩之间存在的土拱效应如图4所示。

图 4 抗滑桩之间的土拱效应

在土拱计算过程中做了如下假定：不计土拱自重作用，假设桩体周围黄土为各向同性的均质土；相邻两个桩之间形成的土拱形状为对称于跨中的抛物线；假定桩后坡体压力沿桩间均匀分布作用于土拱上，不计桩后土拱效应沿桩长从上至下逐渐减弱的影响。

2.1 受力分析

图 5 土拱受力分析图

根据结构力学三铰拱计算原理，建立拱轴的抛物线方程，有：

(2)

式中：x、m分别为抛物线上任意一点到原点的水平距离和垂直距离。

令λ=f/L，则(2)式可写成：

(3)

静止状态下拱端内力满足平衡关系，拱角支座反力为：

(4)

(5)

(6)

(7)

由于抗滑桩的存在，拱后形成拱效应，在z方向以挤压为主，而x和y方向则产生剪切作用。

图 6 拱脚支座反力示意图

2.2 桩间距的计算

影响原状黄土抗剪强度的主要因素为结构性强弱，在降雨、入渗等增湿过程中，土的结构性降低，导致土性参数的变化，最终使得土的抗剪切强度减弱。原状土由干燥状态转变为塑性流动状态时，土结构的胶结、固化作用丧失，土拱效应产生的拱端间距减小。一般采用桩侧壁土的摩擦阻力和抗剪强度确定桩间距的大小，当抗滑桩间距过大时，不能形成土拱效应，滑动土体会从桩间流出；当抗滑桩间距过小时，增加了抗滑桩的数量，导致费用增加，因此合理确定桩间距，才能充分发挥桩的作用，提高经济效益。

由于结构性土的强度随增湿扰动的影响呈非线性变化，因此线性的摩尔-库伦准则不再完全适用于结构性土。但是在摩尔-库伦准则中可以引入土的结构性参数，并以此来反映结构性土的强度特征，无疑可以简化问题。结构性参数影响下剪应力的计算公式[11]可表述为：

τ=c(mu)+σtanφ(mu)。

(8)

式中：τ为剪应力，σ为法向应力。黏聚力c、内摩擦角φ受构度mu变化的影响。从图2和3可知，构度增大的过程中黏聚力c也增大，而内摩擦角φ略有变化，因此可以忽略构度对内摩擦角的影响，则式(8)可以写成：

τ=c(mu)+σtanφ。

(9)

由(9)式可知，影响剪应力的主要因素为黏聚力c与法向应力σ的大小，在法向应力不变的情况下，可以认为是构度指标mu的变化对剪应力影响最大。

(10)

将式(5)代入(10)，得：

(11)

式(11)中，令β=t/L，得：

(12)

(13)

由于抗滑桩桩前土体被开挖，B点处于单向受剪状态，根据摩尔-库伦强度准则，得：

(14)

式(14)中τB为桩端剪应力。考虑结构性变化的影响，由于黏聚力c(mu)受构度指标影响较大，因此式(14)中B点的剪应力与结构性的关系为：

(15)

式(15)中，土的黏聚力c(mu)与构度指标呈函数关系，根据承载能力极限平衡方法，在外部荷载作用下，必须满足承载能力极限状态的要求，即：

τB≤τBmax。

(16)

式(16)中τBmax为拱端最大容许剪应力。在极限状态下，最大应力关系为：

τB=τBmax。

(17)

将式(13)、(15)代入式(17)，得：

(18)

在合理设置桩间距的情况下，在同一桩体后侧的局部区域内，土拱会在此处形成三角形受压区，如图 7所示。因此，确保该三角形受压区能正常发挥效应而不被破坏，应该满足摩尔-库伦强度准则，CD截面满足力的平衡，即：

Ncos (θ+δ)=c(mu)t+Nsin (θ+δ)tanφ。

(19)

式中：N为合力；θ为截面CD与水平面的夹角，cosθ=b/(2t)；δ为合力与水平面的夹角。

图 7 土拱三角形受压区示意图

图7中，Fx、Fy为N在X、Y方向的分力，对N与水平面的夹角δ，有：

(20)

将式(18)代入(12)式，得：

(21)

即：

(22)

整理式(22)，得：

(23)

将β代入(18)式，得：

(24)

将Fx、Fy、β、λ代入式(19)，得：

cos (θ+δ)-sin (θ+δ)tanφ=

(25)

通过式(20)、(25)及cosθ=b/(2t)的关系，解得拱间距L为：

珲春市旅游业目前处于快速发展阶段，作为吉林省唯一的口岸边境城市，地处三国交界。高铁开通后，截至2016年珲春市第三产业经济占比达到26.6%；全市接待国内外游客已达253.8万人，其中国内游客达到186.5万人；旅游业收入达到28.0亿元，实现了旅游经济快速增长。全市目前拥有四星级宾馆1家，三星级宾馆1家；旅行社16家，分社12家，其中出境组团社6家，边境组团社9家；国家4A级景区---防川风景名胜区[5]。

(26)

由图7的关系可知，相邻两抗滑桩中心之间的间距即为抗滑桩的桩距，大小等于(L+b)。由式(26)可知，影响抗滑桩间距的因素有土的构度指标、土拱与平面的夹角、土拱的作用力、抗滑桩宽度及土的内摩擦角。土性参数随着增湿的过程发生变化，因此在可能增湿的最大情况下确定结构性参数对应的凝聚力，将使得建造工程的费用降到最低。

2.3 实例分析

皋兰山滑坡位于兰州市北面，该区同时也是南北两山绿化的重点地带，除了自然降雨外，春、夏、秋季常采用喷灌灌溉。

滑坡体前缘高程1 750 m，后缘高程1 885 m，高差135 m。平面形态呈“苹果”状，滑体南北长160 m，东西宽275 m，滑体面积3.87×104m2，平均厚度25 m，总体积96.7×104m3，属中型滑坡。上部为浅黄色粉黄土，厚度5.7～27.8 m，呈现出滑体中部及后缘厚度大、前缘厚度小的分布特征。滑体下部以桔红色泥岩碎块、岩屑堆积为主，局部夹砂岩块体，厚度13.6～16.3 m。除了降雨因素之外，同时应考虑灌溉用水对滑坡的影响。随着下渗，含水率变化，测定构度与黏聚力、内摩擦角的关系，结果如表1所示。

表 1 不同含水率下滑坡土体的土性参数特征

土拱坡面与水平面的夹角为25°～40°，抗滑桩尺寸为2.5 m×3.0 m，推力为1 050 kN/m。随着含水率的变化，构度指标的降低将影响到土性参数的变化，通过式(26)计算桩间距L与构度指标mu、水平面夹角α的变化关系如图8所示。图8中，影响桩间距L的主要因素为土的构度指标与坡面夹角。构度指标越大，桩间距越大；构度指标逐渐减小，桩间距则减小。坡面夹角α增大，则抗滑桩间距也增大，与分力增大有关。因此，构度指标变化是影响桩间距的最主要因素。在表层采用排水措施，地面1 m以下平均构度值mu=19.5，相邻两桩的桩间距L+b=6.9 m，按照完全饱和则桩间距为4.5 m。全面了解土的结构性变化规律，正确认识结构性参数对土性参数的影响将直接影响抗滑桩间距的取值，最终影响工程投资。

图 8 不同夹角α时mu-L关系曲线

3 结 论

(1)黄土具有较强的结构性，可以采用构度指标来评价黄土的初始结构性，构度指标包含了增湿灵敏度和扰动灵敏度，其中增湿灵敏度可以反映结构性黄土在增湿后结构变化的剧烈程度。

(2)增湿影响黄土的结构性变化，其中初始结构性参数即构度的降低最终影响土性参数c、φ值。随着含水率增加，构度变化对c值影响较大而φ值变化较小，因此在摩尔-库伦准则中引入了土的结构性参数，并以此来反映结构性土的强度特征变化对黏聚力的影响。

(3)桩间土性参数的变化直接影响桩间距的大小，根据三角拱计算原理，通过静力平衡方程确定了结构性土桩间距的计算公式。该公式可以预测可能发生的最大增湿值，建立构度指标与土性参数的关系，最终可以合理确定最大桩间距。

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Effects of structural loess strength on interval of anti-slide piles during humidification process

TAO Hu1,2，XIE Chen3，REN Jianmin1,2，WANG Junxi1,2

(1SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China；2KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,Lanzhou,Gansu730070,China；3GansuEngineeringInvestigationDesignandResearchInstitute,Lanzhou,Gansu730000,China)

【Objective】 The influences of reduction of structural parameter under humidification and disturbance conditions on soil strength and interval between anti-slide piles were investigated.【Method】 The change of initial structural parameter along with water content and influence of structural index on cohesion and angle of internal fraction were analyzed based on uniaxial compression tests.The relation between interval of anti-slide piles and cohesion was established via the static equilibrium equation reflecting the stress conditions of arched soil between ends of anti-slide piles.Structural parameter of soil was also introduced to the cohesion to consider the effect of structure on interval between anti-slide piles.【Result】 Structural index decreased with the increase of water content,which decreased cohesion significantly and affected angle of internal frication.The interval between anti-slide piles related with the change of structural parameter after it was introduced into the computational formula.【Conclusion】 Structural index was one of the most important factors to determine interval of anti-slide piles.This paper presented a new method or theory to determine the interval between anti-slide piles by introducing structural parameter.

loess;humidification;structural index;anti-slide pile;adhesion;interval of anti-slide piles

时间:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.031

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.062.html

2015-06-12

国家自然科学基金项目(41272320)；中国地震局地震预测研究所基本科研业务费项目(2014IESLZ02)

陶 虎(1975-)，男，甘肃漳县人，副教授，博士，主要从事黄土力学及工程应用研究。E-mail:taohu01@126.com

TU473.1+4

A

1671-9387(2016)11-0215-06