两种距径比下微型组合抗滑桩物理模型试验

蔡 强，石胜伟，韩新强，李乾坤

(1.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,成都 611734；2.中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 611734)

两种距径比下微型组合抗滑桩物理模型试验

蔡 强1，2，石胜伟1，2，韩新强1，2，李乾坤1，2

(1.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,成都 611734；2.中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 611734)

通过开展2种距径比下微型组合抗滑桩加固碎石土滑坡室内物理模型试验,分析微型组合抗滑桩的受力变形特点,研究距径比对微型组合抗滑桩整体抗滑性能的影响。试验结果表明:①微型组合抗滑桩结构受力变形可分为3个阶段(无变形阶段—阶段—性破坏阶段)；②桩顶位移超过总桩长的3.6%,微型组合抗滑桩就进入塑性破坏阶段；③桩顶连系梁有效约束了桩体位移,使得微型组合抗滑桩各排桩在位于滑面以上约l2/8处(l2为自由段长度)出现反弯点,且滑面以上l2/5、以下l1/10(l1为嵌固段长度)范围内的桩身弯矩较大,且最大弯矩位于滑面以上l2/20处；④距径比较小(即7.5)时,微型组合抗滑桩对桩间土体的“楔紧”作用较强,抗滑桩能承受更大的滑坡推力作用。

微型组合抗滑桩；距径比；碎石土滑坡；受力变形；反弯点

2015,32(11):66-70,77

1 研究背景

近年来,微型组合抗滑桩因其自身优势,被逐渐用于滑坡防治工程中,且取得了良好的效果[1-4]。

桩间距影响了微型组合抗滑桩结构的受力变形特性,对结构抗滑能力的发挥起着重要作用,是微型组合抗滑桩结构设计时的重要参数[5]。目前不少的学者都对微型组合抗滑桩的受力变形特性进行了研究,周德培等[6]开展了顶板连接式微型桩组合结构抗滑机制的模型试验研究,在滑坡推力作用下,各排微型桩均能承担较大的弯矩,其中靠近滑坡后缘的排桩承担的弯矩最大,其余2排桩承担的弯矩相对较小。闫金凯等[7]开展了微型桩与滑坡体共同作用的大型物理模型试验研究,微型桩各排桩在滑坡滑动时同时受力,且受力分布情况基本相同；各排桩同时发生破坏,破坏区域位于滑面上下各3倍桩径左右的范围内,为弯曲与剪切相结合的破坏模式。刘鸿等[8]进行了空间桁架微型桩体系抗滑机制试验研究,在碎石土地质条件下,连系梁可以有效限制微型桩顶位移,并减小桩身弯矩,滑体中桩前土压力分布相对较为均匀,各排微型桩桩体的弯矩大小分布比较接近,最大弯矩位于滑面处。

以上研究结论都没有考虑桩间距对微型桩结构体系受力特性和抗滑能力发挥的影响。为进一步探讨微型桩组合结构的受力变形特点,笔者引入距径比(桩间距/桩径)[9]这个概念,开展2种距径比下微型组合抗滑桩物理模型试验,研究2种距径比下微型组合抗滑桩的受力变形特性及距径比对微型组合抗滑桩整体抗滑性能的影响。

2 物理模型试验设计

2.1 试验目的和内容

利用模型试验槽,开展2种距径比条件下,微型组合抗滑桩加固碎石土滑坡的模型试验,再现微型组合抗滑桩抗滑的全过程和特征。记录桩顶位移和桩身应变,研究微型组合抗滑桩的受力变形特性。

微型组合抗滑桩室内模型参数统计如表1所示。

表1 微型组合抗滑桩室内模型参数统计Table 1 Physical parameters of indoor model test of micro-pile composite structure for resisting slide

2.2 模型材料

2.2.1 模型桩

模型桩选择φ22 mm、壁厚1.2 mm、桩长3 m的冷拔无缝钢管,并将钢管内用砂浆灌注饱满,后期进行一定的养护制作而成。将模型桩简化为悬臂梁结构,在桩体顶端加集中荷载,通过多级加载进行模型桩的标定试验,根据弹性力学的理论,得到模型桩的弹性模量E=0.608×104MPa。

2.2.2 滑床及滑体材料

用C20混凝土浇筑形成厚1.2 m的滑床,用以模拟完整性较好的基岩层。

滑体土的制作采用粉碎并筛分的砂岩条石与粉质黏土充分搅拌而成,使得粒径＞2 mm的颗粒质量超过总质量的50%,这样使滑体土有一个良好的级配；再根据滑体土的干湿程度进行含水量的适当调整,保证土体的含水量控制在10%～20%,滑体厚2.0 m。

在滑体填压过程中,采用分层夯实。每层的填土厚度取为13 cm,夯实后土层厚度需要达到10 cm。经分层埋填、夯实后,测试滑体的物理力学参数见表2。

表2 滑体材料的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical properties of material of landslide mass

2.3 试验模型

室内模型试验的目的是为了通过几何相似、动力学相似以及运动学相似,得到相似的微型桩加固碎石土滑坡的动力响应机理。考虑到室内试验具有的一定限制性,模型并不是完全制作成原型,而是在一定程度上理想化的模型。

滑坡模型槽的尺寸为480 cm×240 cm×360 cm (长×宽×高),滑床则采用素混凝土模拟,滑带采用双层聚乙烯薄膜模拟,桩顶连系梁采用C20混凝土现场浇筑,平面布置如图1所示,剖面布置如图2所示(顺着滑坡推力的方向,将各排微型组合抗滑桩依次命名为第1排、第2排、第3排、第4排桩)。滑坡模型两侧通过模型槽侧面带有液压传感器的钢板来约束。

图1 试验模型平面布置Fig.1 Layout of test model

图2 模型2-2’剖面测点布置Fig.2 Layout of measuring points of section 2-2’

2.4 试验设备

试验设备包括模型框架、加载装置、测试系统3部分。模型框架见图3,伺服液压推力控制系统见图4。

图3 模型框架Fig.3 Model framework

图4 伺服液压推力控制系统Fig.4 Control system for servo hydraulic thrust

(1)模型框架由模型槽、推板、滑床组成,起到将液压千斤顶施加的力传递给模型介质的作用。

(2)加载装置为伺服液压推力控制系统,由4个水平液压千斤顶、8个竖向千斤顶和10个侧向液压千斤顶组成。

(3)测试系统由电阻式土压力计、应变片、位移计和DH3816数据采集系统组成。

2.5 荷载设计

试验采用分级加载的方式,首先施加前期预压荷载,然后分步施加各级水平推力荷载。沿滑动方向施加前期预压荷载,使滑体模型介质趋于整体稳定且能有效地传递荷载。每级荷载施加后,均要持荷一定时间,至桩结构受力和变形趋于稳定后才施加下一级荷载。每级加载幅度设定为使挡土板向滑坡体前缘滑动10 mm,即滑坡后缘土体压缩变形了10 mm。

2.6 测点布设

试验测试包括桩身应变、桩前、后土压力、桩体与滑体位移等内容。每次试验测点布置原则一致,即每次试验选取其中的一列均匀分布的桩作为测试桩。各测试桩的测点详细布设图如图2所示。

位于滑体中间部位的单根微型桩(第4排桩),从滑面以上40 cm桩体直至桩顶,每隔30 cm安放1个位移计,共6个,用来测试桩身不同部位的变形,如图5所示。

图5 位移计布设Fig.5 Layout of displacement meters

3 试验结果分析

由于物理试验模型是完全对称结构,在荷载条件相同的前提下,不考虑边界条件的影响,同一排内的各根微型桩的受力特性是完全一致的。因此,可取位于滑体中间位置2-2'的4根测试桩(假定沿滑坡推力方向,测试桩的编号分别为1#,2#,3#,4#)作为研究对象,对比分析桩顶位移及桩身弯矩的变化规律,研究距径比对微型组合抗滑桩的抗滑性能的影响。

3.1 桩顶位移与滑坡推力之间的关系

图6是距径比为7.5和10的桩顶位移与滑坡推力之间的关系曲线。

图6 桩顶位移随滑坡推力变化曲线Fig.6 Relation between displacement of pile at the top and landslide thrust

根据加载全过程中位于滑体中间位置2-2'的4根测试桩的桩顶位移的测试结果,发现4#桩桩顶位移最大,表明4#桩承受了较大的滑坡推力,会最先发生破坏,因此,以4#桩作为分析对象,研究2种距径比下,桩顶位移的变化规律。

加载开始后,因滑坡后缘土体较厚,滑坡推力基本上消耗在后缘土体挤压密实的过程中,这个阶段, 4#桩桩顶位移基本上为0。随着后缘土体密实度增大,滑坡推力首先传递到1#桩体上,使其产生位移,由于连系梁的约束作用,使得微型桩组合抗滑桩的整体性较好,因此,4#桩顶位移较小,只有1～2 mm。当滑坡推力超过50 kN后,4#桩桩顶位移快速增长,呈现出较好的线性增长。持续加载后,滑坡推力达到242.4 kN时,距径比为10的微型组合抗滑桩4#桩桩顶位移曲线出现第1个突变点,此时,桩顶位移为18.3 mm(占桩长0.61%),而当滑坡推力到达244.55 kN时,距径比为7.5的微型组合抗滑桩4#桩桩顶位移曲线也出现第1个突变点,对应的桩顶位移为18.6 mm(占桩长0.62%)。

不同距径比的微型组合抗滑桩桩顶位移曲线之所以会出现突变点,这是因为滑坡后缘土体达到一定密实程度,传递到微型组合抗滑桩上的滑坡推力急剧增大,桩体开始提供主要的抗滑力。

随着滑坡推力越来越大,桩顶位移曲线斜率变大,桩顶位移也呈现大幅度的增长趋势,微型组合抗滑桩开始进入弹性受力状态。这个阶段,距径比为7.5的4#桩桩顶位移始终较距径比为10的桩顶位移要小,这说明距径7.5的情况下,微型组合抗滑桩能承受更大的滑坡推力作用。当滑坡推力达到431.9 kN时,距径比为10的微型组合抗滑桩4#桩桩顶位移曲线出现第2个突变点,此时,4#桩桩顶位移为110.5 mm(占桩长3.68%),桩体逐渐进入塑性破坏阶段；当滑坡推力到达441.05 kN时,距径比为7.5的微型组合抗滑桩4#桩桩顶位移曲线也出现第2个突变点,对应的桩顶位移为108.5 mm(占桩长3.62%),随后桩体发生破坏。

综上,通过4#桩桩顶位移变化规律,可以得出:

(1)桩顶位移超过总桩长的3.6%,微型组合抗滑桩就进入塑性破坏阶段。

(2)距径7.5时,微型组合抗滑桩对桩间土体的“楔紧”作用较强,较好地约束了桩体位移,使抗滑桩充分发挥抗滑作用,提供更大的抗滑力,承受更大的滑坡推力作用。

3.2 桩身弯矩分布曲线

图7是距径比为7.5和10的桩身弯矩图(以受拉为正,受压为负)。

由图7可以看出,桩顶附近的弯矩较小,滑面(埋深200 cm处)以上40 cm(l2/5)、以下10 cm (l2/20)的范围内的桩身弯矩较大,最大弯矩位于滑面以上10 cm(l2/20)处,表明滑坡推力集中作用在滑面以上40 cm(l2/5)区域。在桩体和坡体出现破坏以前,沿着滑坡推力的方向,各排桩的桩身弯矩依次减小,说明各排桩受到滑坡推力在依次减小；当第1排桩出现破坏失效后,较大的滑坡推力集中在第2,3,4排抗滑桩体上,此时各排桩桩身弯矩快速增长。

在加载全过程中,各排桩桩顶都出现了负弯矩,产生这种现象的主要原因是连系梁约束了桩体位移,各排微型桩出现反弯点,1#,2#,3#,4#桩体反弯点基本都位于滑面以上约25 cm(l2/8)处。

距径比为7.5的微型组合抗滑桩各排桩桩身弯矩的差异都不是很大,这是因为各排桩对桩间土体的紧箍作用显著,滑坡推力在各排桩中均匀分布；同时,由于连系梁的存在,桩群的整体性较好,形成“一整堵抗滑挡土墙”,各排桩充分发挥自身的抗滑能力。

距径比为10的微型组合抗滑桩1#,2#桩和3#, 4#桩桩体弯矩分别差异较小,但它们之间的差异较大,说明群桩的整体性不好。产生这种现象的主要原因是由于距径比过大,导致微型桩对桩间土体的约束力下降,土拱效应不显著,形成的土拱强度不够,在滑坡推力的作用下,较容易发生破坏,致使土体从桩间绕流,大部分的滑坡推力就传递到前排桩上,因此,弯矩快速增长,且增长的速度大于后排桩增长的速度。

4 结 论

针对2种距径比的微型组合抗滑桩,利用一系列室内物理模型试验,再现微型组合抗滑桩加固碎石土滑坡的受力变形过程,分析了微型桩桩顶位移和桩身弯矩的变化规律,研究距径比对微型组合抗滑桩的抗滑能力的影响,得到以下几点认识:

图7 不同荷载下桩身弯矩分布曲线Fig.7 Bending moment diagram of pile with different loads

(1)微型组合抗滑桩的受力过程可以界定为3个阶段:加载初期,大部分的滑坡推力作用在滑坡后缘土体上,使其挤压密实,传递到抗滑桩上的滑坡推力较小,桩体基本处于无变形阶段；当后缘土体的密实度达到一定程度后,桩后土拱效应显著,抗滑桩产生较大的弹性变形,微型桩处于弹性抗滑阶段；持续加载后,微型桩桩体位移和桩身弯矩快速增长,逐渐进入弹塑性破坏阶段。

(2)桩顶位移超过总桩长的3.6%,微型组合抗滑桩就进入塑性破坏阶段。

(3)连系梁有效约束了桩体位移,使得微型组合抗滑桩各排桩位于滑面以上约l2/8处出现反弯点；且滑面以上l2/5、以下l1/10范围内的桩身弯矩较大,最大弯矩位于滑面以上l2/20处。

(4)距径比较小(即7.5)时,微型组合抗滑桩对桩间土体的“楔紧”作用较强,抗滑桩能承受更大的滑坡推力作用。

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(编辑:王 慰)

Physical Model Test of Micro-Pile Composite Structure under Two Ratios of Spacing to Diameter

CAI Qiang1,2,SHI Sheng-wei1,2,HAN Xin-qiang1,2,LI Qian-kun1,2
(1.Technical Center for Geohazard Prevention and Control,China Geological Survey,Chengdu 611734,China；2.Institute of Exploration Technology,Chinese Academy Geological Sciences,Chengdu 611734,China)

Physical model test of landslide body containing gravel and soil reinforced by the micro-pile compositestructure was carried out under two ratios of spacing to diameter.Deformation of the structure was analyzed for acquiring the influence of ratio of spacing to diameter on the anti-slide performance.The test results show that deformation of the structure can be divided into three stages:no deformation stage,elastic anti-slide stage,and the elastic-plastic failure stage；then,when displacement at top of the pile exceeds 3.6%of the length of the pile,the structure enters the phase of plastic failure；subsequently,beams at the top of the pile effectively constrain displacement of the pile,so that inflection point occurred at the height of l2/8 measured upward from slip surface, where l2is the freedom length of the pile；moreover,the bending moment of pile was larger when the location is at the height of l2/5 above slip surface and l1/10 below the slip surface,where l1is the embedded length of the pile, and the maximum bending moment is located at the height of l2/20 above slip surface；finally,as ratio of spacing to diameter is less than 7.5,wedging effect of soil on micro-pile composite structure is stronger and the pile can withstand greater landslide thrust.

micro-pile composite structure；ratio of spacing to diameter；debris landslide；deformation under loading；inflection point

TU443

A

1001-5485(2015)11-0066-05

10.11988/ckyyb.20150344

2015-04-23；

2015-05-19

国土资源部地质矿产调查项目(1212011220170)

蔡 强(1982-),男,湖北鄂州人,工程师,博士,主要从事地质灾害机理及防治技术研究方面的工作,(电话)028-66529323(电子信箱)cq863@163.com。