鄧友生, 楊彪, 姚志剛, 高寧, 肇慧玲

(1．西安交通工程學(xué)院 軌道交通工程安全與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710300;2.西安科技大學(xué) 樁承結(jié)構(gòu)研究中心,陜西 西安 710054)

滑坡是指斜坡上的土體或巖體受河流沖刷、地下水活動(dòng)、雨水入滲、地震等影響,部分土體或巖體在重力為主的作用下沿一定的軟弱面或者軟弱帶整體或分散地向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象[1]。滑坡是我國(guó)比較頻發(fā)且嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一,對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大的威脅。常見(jiàn)的滑坡加固技術(shù)有抗滑樁、擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索等。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,抗滑樁技術(shù)的設(shè)計(jì)理論和研究方法已經(jīng)趨于成熟,是邊坡加固和滑坡防護(hù)工程中應(yīng)用最為廣泛的一種,尤其是在公路、鐵路等領(lǐng)域。雖然抗滑樁有著較好的工程效果,但存在受力不合理、樁頂位移大、使用工況受限等問(wèn)題。

h型抗滑樁對(duì)原有抗滑樁進(jìn)行改進(jìn)[2],使其在地質(zhì)條件較差的風(fēng)化巖層或松散地層也能發(fā)揮其阻滑能力。h型抗滑樁將前后兩根不等長(zhǎng)的抗滑樁平行布設(shè),前樁頂部與后樁某部位通過(guò)橫梁連接形成后排具有懸臂段的空間支護(hù)結(jié)構(gòu),因其形狀與字母“h”相似而稱為h型抗滑樁[3]。h型抗滑樁獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式使其受力更加均勻合理,有效降低了彎矩與剪力,從而降低了滑坡治理的成本[4]。Wang 等[5]提出了抗滑樁與懸壁梁作用分析方法,將門架式雙排抗滑樁與h型抗滑樁進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明h型抗滑樁具有較好的抗滑能力,在滑坡推力較大的滑坡工程中更具優(yōu)勢(shì)。張永杰等[6]根據(jù)h型抗滑樁的承載變形特征,將其分為阻滑段和錨固段,建立了h型抗滑樁內(nèi)力與變形簡(jiǎn)化計(jì)算方法,結(jié)合工程實(shí)例研究了不同工況下抗滑樁內(nèi)力與變形的發(fā)展規(guī)律,為h型抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。白皓等[7]對(duì)巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡h型抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型試驗(yàn),分析不同工況下結(jié)構(gòu)的承載特性。

雖然h型抗滑樁近年已有相關(guān)的研究與工程應(yīng)用,但有關(guān)h型抗滑樁加固滑坡體的力學(xué)機(jī)制和荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)等系統(tǒng)分析相對(duì)較少?；诖?本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn),深入研究h型抗滑樁在坡頂荷載作用下的受力特征,以期為實(shí)際工程提供參考。

1 相似原理

相似原理在物理模型試驗(yàn)中常用作指導(dǎo)模型試驗(yàn)的比尺選擇問(wèn)題,為模型試驗(yàn)的實(shí)際工況研究提供指導(dǎo),如尺寸的縮小或放大、參數(shù)的提高或降低、介質(zhì)性能的改變等。在本次試驗(yàn)中控制主要相似變量,結(jié)合已有的相關(guān)模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),并綜合考慮實(shí)際邊坡尺寸和室內(nèi)試驗(yàn)條件,確定模型試驗(yàn)的幾何相似比為1∶10[8-9]。結(jié)合相似原理,確定物理模型試驗(yàn)中各物理量的相似比見(jiàn)表1。

表1 各物理量的相似比

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 邊坡模型

本次試驗(yàn)在西安科技大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳大型物理模型試驗(yàn)箱中進(jìn)行,內(nèi)部?jī)艨粘叽鐬? m×1.95 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)。為方便試驗(yàn)過(guò)程的觀察及減少界面摩擦影響,模型箱兩側(cè)采用厚度為1 cm的鋼化玻璃封閉。試驗(yàn)坡體分為滑體、滑面和滑床三部分,滑體采用天然黃土,分層填筑壓實(shí);滑面為弧形,采用塑料薄膜模擬;滑床由顆粒級(jí)配良好的黃土加砂土混合分層填筑,嚴(yán)格控制壓實(shí)系數(shù)達(dá)到90%以上。充分考慮試驗(yàn)邊界效應(yīng)和模型箱尺寸,邊坡坡頂長(zhǎng)度為1.95 m,寬度為0.9 m,邊坡模型用土為配置的最優(yōu)含水率的黃土,邊坡屬于欠穩(wěn)邊坡,邊坡坡度設(shè)置為45°,不考慮地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,邊坡模型示意圖見(jiàn)圖1。

(a) 剖面圖

2.2 模型試驗(yàn)樁

在室內(nèi)模型試驗(yàn)樁材料的選擇上,很多學(xué)者分別采用了石膏、砂混合物、木棒、鋼筋混凝土與鋼管[10-12]等。結(jié)合相關(guān)模型試驗(yàn),考慮試驗(yàn)的便利性,本文選用304不銹鋼空心方管,截面尺寸為40 mm×40 mm,壁厚為1 mm,后排樁(長(zhǎng)樁)樁長(zhǎng)為700 mm,前排樁(短樁)樁長(zhǎng)為550 mm,前后排樁通過(guò)焊接連接,前后排樁距為150 mm,樁間距為190 mm,樁身布設(shè)應(yīng)變片與土壓力盒以監(jiān)測(cè)樁身在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置主要包括模型箱、加載裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。在邊坡模型制備完成后,將模型靜置兩天,使坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布重新調(diào)整平衡[13]。模型箱上部有三根固定反力架,使用分離式液壓式千斤頂精準(zhǔn)控制加載,并實(shí)時(shí)觀測(cè)壓力表變化,承壓板為兩塊40 cm×40 cm的鋼板,厚度為3 cm,可將千斤頂提供的集中荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載。在承壓板底部及周圍均勻鋪灑細(xì)沙使其均勻受力。主要試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

(a) 夯實(shí)基礎(chǔ)

本次試驗(yàn)采用慢速維持荷載法,每級(jí)荷載為28.4 kPa,分八級(jí)依次加載至227.2 kPa,每施加一級(jí)待樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)基本不變后再施加下一級(jí)荷載,同時(shí)記錄加載過(guò)程中的樁身彎矩、樁前土壓力和連梁軸力?？够瑯稇?yīng)變的采集使用BF1K-3EB全橋應(yīng)變片,中間五根樁應(yīng)變片的布置如圖3(a)所示。采用DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),采樣頻率為1 Hz。土壓力的測(cè)量采用YTDZ0301型應(yīng)變式微型土壓力盒,量程為0.1 MPa。在土體分層填筑過(guò)程中,在P4、P5、P6樁前側(cè)預(yù)埋土壓力盒,土壓力盒沿樁長(zhǎng)方向的布置如圖3(b)所示。

圖3 應(yīng)變片與土壓力盒布設(shè)圖(單位:mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樁身彎矩

為研究h型抗滑樁在模型試驗(yàn)逐級(jí)加載過(guò)程中樁身彎矩的變化,將采集的樁身截面應(yīng)變數(shù)據(jù)代入材料力學(xué)中的彎曲理論計(jì)算公式,求出h型樁不同樁身截面處的彎矩。利用其結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性,對(duì)P4、P5、P6三根h型樁的前后排樁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到h型抗滑樁前后排樁平均彎矩分布曲線。

后排樁樁身彎矩分布見(jiàn)圖4。由圖4可知,后排樁在各級(jí)荷載作用下的樁身彎矩變化規(guī)律基本為拋物線,彎矩隨著樁體埋深的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由于樁底置于穩(wěn)定土層,受荷載影響較小,故樁底在各級(jí)荷載作用下的彎矩變化較小。在八級(jí)荷載作用下,后排樁彎矩峰值為-34.6 kN·m,較一級(jí)荷載增大了28.39 kN·m,彎矩峰值出現(xiàn)在預(yù)設(shè)滑面上下一定范圍內(nèi),位于后排樁的中上部,如此可知滑體沿預(yù)設(shè)圓弧狀滑面發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)。

圖4 后排樁樁身彎矩分布

前排樁樁身彎矩分布見(jiàn)圖5。從圖5可知,前排樁在各級(jí)荷載作用下的樁身彎矩變化規(guī)律基本一致,彎矩峰值出現(xiàn)在樁頂連梁連接處,從一級(jí)荷載到八級(jí)荷載,彎矩增大了5.72倍。在后排樁向前排樁荷載傳遞過(guò)程中,h型樁連梁發(fā)揮了傳遞荷載的作用,連梁在荷載傳遞的過(guò)程中受壓,樁底彎矩接近于零且變化較小,樁底可視為鉸接。從一級(jí)荷載到八級(jí)荷載,樁身底部?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變動(dòng)較小,可知前排樁樁身底部受荷載影響較小。樁頂連梁位置,故在進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)時(shí)要考慮連接處局部加強(qiáng)措施以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖5 前排樁樁身彎矩分布

3.2 樁前土壓力

樁前土壓力對(duì)樁身具有約束作用,在土體出現(xiàn)塑性變形前,樁前土壓力越大表明土體對(duì)樁的支撐作用越好?？够瑯对诘挚够峦屏Φ耐瑫r(shí)可充分利用樁前穩(wěn)定土體的支撐作用。在荷載作用下P4、P5、P6的前后排樁的樁前土壓力分布曲線見(jiàn)圖6。

(a) 后排樁

由圖6可知,后排樁樁前土壓力分布情況為隨著坡頂荷載的逐級(jí)增加均勻變化,上部?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)變化幅度較小,越靠近樁底錨固段附近樁前土體提供的土體抗力越大。前排樁樁前土壓力分布趨勢(shì)與后排樁連梁以下規(guī)律一致,除連梁位置處外整體偏小。樁頂連梁連接處在一級(jí)荷載作用下與后排樁土壓力接近,隨著各級(jí)荷載的增加,前排樁樁頂處土壓力大小逐級(jí)增加,由18.72 kPa增大至49.28 kPa,增大了1.63倍。

3.3 連梁軸力

連梁軸力分布曲線見(jiàn)圖7。從圖7可知,隨著荷載級(jí)數(shù)的增加,連梁軸力相應(yīng)增大,從一級(jí)荷載到八級(jí)荷載,連梁軸力由1.3 kN增大至8.92 kN,增大了5.86倍。假定連梁受壓為正,由圖可知,連梁在荷載傳遞過(guò)程中進(jìn)行前后排樁的荷載傳遞,進(jìn)一步驗(yàn)證了橫梁傳力的規(guī)律。

圖7 連梁軸力分布曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)h型抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn),分析了h型抗滑樁后排樁、前排樁、連梁的受力特性及樁前土壓力分布情況,得到如下結(jié)論:

(1)h型抗滑樁后排樁在各級(jí)荷載作用下的樁身彎矩的變化規(guī)律呈拋物線狀,具體表現(xiàn)為后排樁樁身彎矩隨著樁體埋深的增大呈先增大后減小的趨勢(shì),彎矩峰值出現(xiàn)在預(yù)設(shè)滑面附近。

(2)前排樁樁身彎矩峰值出現(xiàn)在樁頂連梁附近,從荷載后排樁向前排樁傳遞過(guò)程中,h型抗滑樁連梁發(fā)揮了傳遞作用,樁頂連梁位置處彎矩值增幅較大,在進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)時(shí)要考慮連接處局部加強(qiáng)措施以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(3)前排樁和后排樁樁前土壓力分布隨著坡頂荷載的逐級(jí)增大均勻增加,前排樁樁頂連梁連接處在一級(jí)荷載作用下與后排樁土壓力接近,隨著各級(jí)荷載的增大,前排樁樁頂處土壓力大小逐級(jí)增大,由18.72 kPa增大至49.28 kPa,增大了1.63倍。