姚禹龍， 肖維民， 張志偉， 潘汝江， 游晶越

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川都江堰 611830；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系, 四川成都 610399)

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拱形排列微型樁抗滑機理研究

姚禹龍1， 肖維民1， 張志偉2， 潘汝江1， 游晶越1

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川都江堰 611830；2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系, 四川成都 610399)

傳統(tǒng)的微型樁布置形式在應(yīng)對較復(fù)雜地形時易發(fā)生樁身受力不均、整體性降低等情況。利用拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻、主要承受軸向壓力等特點，將微型樁按拱形排列布置，樁頂用連系梁約束以共同承擔(dān)滑坡推力，即形成拱形排列微型樁抗滑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)用抗壓性能好的拱形混凝土剛性連系梁承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構(gòu)件的作用，使樁身受力均勻。文章選取不同矢跨比情況下排列的微型樁體系，建立協(xié)調(diào)方程對連系梁與微型樁的受力進行分析。通過算例得出結(jié)論：拱形連系梁矢跨比增加，對微型樁的約束越明顯。

微型樁； 內(nèi)力分析； 拱形排列

1 國內(nèi)對微型樁的研究狀況

微型樁的樁徑一般小于400 mm且具有較大長細(xì)比，通常采用鉆孔、注漿等工藝進行施工。由于微型樁的孔徑較小，因此在工程中具有設(shè)計靈活性大、施工方便快捷等優(yōu)勢。近年來，微型樁作為一種新型結(jié)構(gòu)越來越多的運用于中小型滑坡防治、邊坡加固等實際工程中[1]。國內(nèi)學(xué)者對微型樁的抗滑計算理論研究取得了一些成果，龔健等人[2]對微型樁單樁與群樁布置進行了水平荷載試驗；馮君[3]針對微型樁加固順層巖質(zhì)邊坡的作用機理以及計算理論進行了研究，提出了微型樁單樁抗剪強度公式；肖世國[4]根據(jù)微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)的特點，研究了其抗滑受力情況；孫書偉[5]研究了微型樁群-土相互作用機制并推導(dǎo)出計算公式；周德培[6]按照樁-土相互作用原則討論了頂梁固定微型樁的組合結(jié)構(gòu)的抗滑機制并按照橫向約束的彈性地基梁法提出了設(shè)計計算理論；肖維民[7]對微型樁單樁與群樁的不同抗滑情況做了相關(guān)研究。與此同時，許多學(xué)者也進行了微型樁抗滑的相關(guān)模擬實驗，胡毅夫[8]通過模型試驗總結(jié)了微型樁雙排單樁與組合樁在加固邊坡時的抗滑特性；閆金凱[9]以黃土為滑坡介質(zhì)，完成一系列微型樁與滑坡體相互作用的模型試驗；孫書偉[10]用模擬實驗的方法研究了框架微型樁結(jié)構(gòu)抗滑特性；白晨光[11]對具有抗彎功能的微型樁在基坑支護中的設(shè)計與施工進行了研究；朱本珍[12]對微型樁群加固堆積層滑坡的加固效果和受力特性進行原位試驗。

目前對微型樁的抗滑計算理論的研究成果較多，但對其在不同布置形式下微型樁的受力模式與抗滑理論研究較少，本文針對目前微型樁不同布置形式的研究成果，總結(jié)出工程中常用的幾種微型樁布置的結(jié)構(gòu)形式，并討論其布置形式的優(yōu)缺點。對于滑坡推力較大且地質(zhì)條件復(fù)雜的坡面，微型樁傳統(tǒng)布置形式很難滿足設(shè)計要求。與此同時，一些學(xué)者對拱形排列抗滑樁在大型工程中的應(yīng)用做了一定研究[13]，但是在微型樁上的應(yīng)用較少且理論研究十分匱乏。

本文提出一種新型微型樁布置形式——拱形排列微型樁布置體系，該體系能發(fā)揮混凝土拱形連系梁受壓性能好的特點，使結(jié)構(gòu)受力均勻，約束樁身位移，可運用在特殊的中小型邊坡加固工程中。

2 拱形排列微型樁抗滑機理研究

2.1 結(jié)構(gòu)特性分析

將微型樁按拱形放置，使之成為一種在地面水平放置的拱結(jié)構(gòu)。拱身承受邊坡滑較大的推力，拱腳處則選用較大截面的樁型以承受水平推力，如圖1所示。相對于傳統(tǒng)布置形式的微型樁，空間拱型排列微型樁體系有以下優(yōu)點：

圖1 拱形排列抗滑微型樁結(jié)構(gòu)

(1)利用拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻、主要承受軸向壓力的特點，用抗壓性能好的混凝土剛性連系梁承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構(gòu)件的作用，達到合理運用材料的目的。

(2)連系梁增加了體系的穩(wěn)定性，拱結(jié)構(gòu)比桁架結(jié)構(gòu)具有更大的力學(xué)優(yōu)點，有效控制樁頂位移。

(3)利用拱結(jié)構(gòu)卸荷特點，使荷載通過梁沿兩側(cè)傳遞到拱腳較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)上，從而減小由梁頂面直接傳遞的壓應(yīng)力與微型樁所承受的彎矩，這對微型樁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性更加有利。

2.2 拱形排列微型樁受力情況分析

2.2.1 計算假定

計算基本假定：滑移面以上樁體看成是下端固定、頂端自由的懸臂樁，微型樁所承受的滑坡推力假設(shè)為均布荷載，令其值為q[6]。微型樁與頂梁的連接為固定連接，樁頂沿連系梁徑向移動不考慮切向位移。

2.2.2 拱形連續(xù)梁內(nèi)力情況

拱形連系梁可簡化為拱軸線在水平面內(nèi),拱軸作用有多余約束的高次超靜定無鉸拱。本文考慮連系梁與微型樁頂之間剪力，同時還考慮相互作用時連系梁的彎矩與扭矩，連系梁跨度為l。為便于分析連系梁內(nèi)力，建立如圖2所示整體坐標(biāo)系xyz，和局部坐標(biāo)系x′y′z′。其中，整體坐標(biāo)系xyz原點O位于最左端微型樁頂，x軸為水平布置左右兩端微型樁的連線，向右為正；局部坐標(biāo)系x′y′z′原點M為拱形連系梁上的任意一點，x′軸沿連系梁法向方向，y′軸沿拱形連系梁切向。以指向右端為正。

圖2 整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系示意

(1)

2.3 微型樁內(nèi)力及位移計算

(2)

2.4 力法柔度方程

(3)

3 算 例

3.1 模型建立與參數(shù)選取

某滑坡滑動面以上為硬塑性黏土，內(nèi)摩擦角φ=20°滑面以上取m=5 000 kN/m4，滑面以下取k=40 000 kN/m3。樁h=12.6 m，受荷段h1=6.1 m，錨固段h2=6.5 m，樁頂連系梁跨度l=8.2 m，設(shè)樁處滑坡推力q=302 kN/m，樁間距沿跨度方向為1.2 m,滑坡推力按三角形分布。單根微型樁采用3束φ32 的螺紋鋼，孔徑130 mm，樁與樁頂連系梁的彈性模量均為E= 2.6×107 kPa。計算上半部分時把樁體在滑面處視為固定端。兩端抗力樁為0#與7#樁，其他抗滑樁編號為1#～6#樁，其中1#、2#樁分別與4#、5#樁對稱布置，3#樁位于中間位置。

3.2 弧形連系梁內(nèi)力分布情況

應(yīng)用MATLAB程序分別計算矢跨比f/l= 1 /16、1 /14、1 /12、1 /10、1/6、1 /4時的連系梁內(nèi)力圖，計算結(jié)果見圖3～圖7。

圖3 連系梁軸力

圖4 連系梁剪力

圖5 連系梁繞y′軸扭矩

圖6 連系梁繞z′軸扭矩

圖7 連系梁繞x′軸扭矩

由圖3可知，矢跨比較小時，隨矢跨比增加連系梁軸力增加，當(dāng)矢跨比達到f/l=1/12后，隨矢跨比增加，軸力減小，且跨中部分減小幅度較大；由圖4可知，在樁頂處拱形連系梁剪力發(fā)生突變，隨矢跨比增加，剪力減小且其分布趨于均勻?？梢钥闯觯谕皇缚绫认鹿靶芜B系梁軸力值較剪力值要更大，甚至達到數(shù)倍，這說明拱形連系梁主要承受軸向壓力且受力較均勻，故用抗壓性能好的混凝土剛性連系梁來承受軸向壓力，充分發(fā)揮受壓構(gòu)件的作用。

由圖5～圖7可知，拱形連系梁繞y′軸扭矩在兩端呈現(xiàn)最大數(shù)值，中部則趨近于0，隨矢跨比增加，扭矩數(shù)值整體呈減小趨勢；拱形連系梁繞z′軸扭矩在兩端較大，隨矢跨比的增加，扭矩逐漸減小，端部扭矩減小明顯；隨矢跨比的增加，拱形連系梁繞x′軸彎矩增加，端部彎矩增加明顯，但連系梁繞x′軸彎矩始終較??；總體來講，連系梁x′軸彎矩較小，可忽略不計。當(dāng)矢跨比增加時，拱形連系梁繞y′軸、z′軸的彎矩明顯減小且分布更加均勻合理。

3.3 微型樁內(nèi)力與位移特征

以2#樁為例，分別計算在不同矢跨比條件下，樁身在連系梁法向的內(nèi)力及位移。

圖8 微型樁剪力

圖9 微型樁彎矩

圖10 連系梁位移

從圖8、圖9所示的微型樁內(nèi)力變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，樁頂連系梁對微型樁頂起到了約束作用，隨矢跨比增大約束效果也得到加強，樁身沿法線方向剪力也隨之增加，尤其在樁頂增加最大，但總體來講矢跨比增加對剪力變化影響并不明顯；同樣的，在連系梁的約束作用下，樁身彎矩隨矢跨比的增加而增加。

由圖10可知，拱形連系梁對微型樁頂有較明顯的約束作用，隨矢跨比越大，樁頂以及樁身位移越小，約束效果也越明顯。

需要指出的是，實況微型樁滑面處位移并不為0，因此，在計算樁體上半部分受力時把樁體在滑面處視為固定是不完全恰當(dāng)?shù)摹４朔椒▽ξ⑿蜆兜氖芰η闆r做出了偏安全的簡化。內(nèi)力計算結(jié)果偏于保守?？紤]實際工程中微型樁樁體滑面處位移較小，為簡便計算，故在此忽略不計。

4 結(jié) 論

(1)本文研究微型樁與拱形連系梁之間的剪力作用，推導(dǎo)了連系梁與微型樁內(nèi)力與位移的計算公式，分析不同的矢跨比情況下的內(nèi)力位移分布規(guī)律。

(2)拱形連系梁隨矢跨比增加，剪力與彎矩均減小且趨于均勻；軸力值明顯大于剪力值且在其f/l=1/12時出現(xiàn)最大值，使得連系梁所用混凝土材料抗壓特性得到充分發(fā)揮。

(3)由于拱形排列微型樁頂部受到連系梁的約束作用，微型樁受荷段彎矩及剪力均有所增加，樁頂處最為明顯。

(4)隨連系梁矢跨比的增加，對樁頂位移的約束效果愈加明顯，相應(yīng)地，樁身各處位移隨之減小。

5)拱形連系梁對微型樁起到約束作用，隨連系梁矢跨比增加，約束作用越明顯。這種布置形式能在一定程度上改善連系梁與微型樁的受力情況，使材料充分發(fā)揮作用，可運用于一些地形較為特殊的中小規(guī)模的滑坡治理工程中。

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[14] 曾令錄，林再星.鐵道部第二勘測設(shè)計院. 抗滑樁設(shè)計與計算[M]. 北京:中國鐵道出版社, 1983.

姚禹龍(1994～),男，本科，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究。

TU473.1+2 U417.1

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[定稿日期]2016-08-25