抗滑微型桩工作性状主要影响因素研究进展

李兆光 何 晖 王 康

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)



抗滑微型桩工作性状主要影响因素研究进展

李兆光 何 晖 王 康

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)

基于微型桩在滑坡治理中的应用现状，从桩间距、桩顶约束、桩倾斜度和施工工艺四方面，分析了影响抗滑微型桩工作性状的主要因素，并结合目前国内外相关试验与理论研究进展，提出了一些抗滑微型桩的设计建议。

微型桩，滑坡，工作性状，影响因素

1 概述

抗滑微型桩是一种新型的滑坡治理支挡结构，具有施工灵活、机具小巧和适用地质条件广等优点。微型桩是意大利人Lizzi于20世纪50年代发明的桩径70 mm～300 mm的灌注桩，最早应用于地基加固和基础纠偏，近年来逐渐应用到边坡加固、滑坡治理等方面，它通过与土体形成桩土复合体来抵抗滑坡推力，已在一些实际应用中取得了良好的工程效果。评价微型桩的工作性状是研究微型桩抗滑机理的重要任务，在影响微型桩工作性状的各种因素中，目前国内外研究主要集中在桩间距、桩顶约束、桩倾斜度和施工工艺等。一般利用物理模拟、数值模拟，通过对比分析和理论分析，研究各因素下微型桩最佳工作性能和状态。

2 各影响因素研究

2.1 桩间距

微型桩间距包括纵向的排间距和同一横排内的间距，以及不同组合形式的独立微型桩群内的桩间距。在抗滑微型桩的设计中，合理的桩间距可有效压密桩间土体，充分利用桩间土拱效应，形成桩土复合体。若桩间距太大，微型桩群的整体性能就会降低，进而影响其承载力；若桩间距太小，一方面会由于群桩效应影响其承载力，另一方面又会造成经济上的浪费。Konagai等[1]通过不同桩间距的变化研究了侧向力作用下微型桩群的工作性状，研究表明，当微型桩群间距较小时，由于强烈的群桩效应将整体近似等效为单根大直径竖梁；随着桩间距增大，将其视为分离的单桩更合适，但作者并没有指出合理具体的桩间距。Bruce D.A.等[2]研究了侧向受力的微型桩群，当排间距达6倍～7倍桩径时，排间的群桩效应可以忽略不计；当列间距(垂直于加载方向)超过3倍桩径时，可忽略列间的群桩效应。Brown等[3]通过有限元软件对水平荷载下微型桩群的群桩效应进行了数值分析，比较了不同桩间距对单排桩和多排桩群桩的影响，发现群桩效应对多排桩影响更显著。同时当群桩中桩间距为桩径3倍时，微型桩群桩效应十分明显，当桩间距为5倍时，群桩效应几乎可以忽略。王唤龙等[4]通过单桩绕流法基本原理，导出压顶板微型桩组合结构单元间桩距计算公式。分析了土体粘聚力和内摩擦角对绕流阻力的影响，认为该计算公式更适用于c<20 kPa，φ<20°土质条件。但对于组合结构单元内桩间距，并没有进行定量分析。谷栓成等[5]依据基于土拱效应的普通抗滑桩桩间距分析，推导了微型桩的合理桩间距计算公式，并分析了最大桩间距影响因素。孔纪名等[6]以单排微型桩为研究对象，通过物理模拟和数值分析，研究了碎石土滑坡与微型桩相互作用机理，试验共分3组，桩间距分别为4D，5D，6D。试验研究表明，桩间距4D时桩后土压力、桩间土压力波动和桩体产生弯矩最大，其土拱效应最明显，抗滑效果相对较好。苏媛媛[7]通过室内大型剪切试验，对比分析单排微型桩、不同排间距矩形截面微型组合桩和不同桩间距圆形截面微型组合桩受水平方向加载的工作性状，并推荐在工程中采用圆形截面桩间距为6D的组合结构。何晖等[8]基于相似理论设计了微型桩加固陕南堆积层膨胀土滑坡模型，并通过自制的喷淋装置和烘烤装置模拟现实条件中的降雨和蒸发。试验测定距桩不同位置的土压力表明，随离桩距离增加，土压力减小，土拱效应减弱，在桩前100 mm处，仅10D桩距存在最大土压力。

各项研究表明，微型桩间距主要通过不同桩距范围下生成群桩效应或土拱效应来影响其抗滑性能。实际工程中，不同的地质和物理条件影响了最佳微型桩间距，目前关于抗滑微型桩合理桩间距理论计算研究仍不完善。

2.2 桩顶约束

微型桩桩顶约束形式对微型桩及其组合结构的受力能力，提高微型桩组合结构整体性具有一定影响。目前主要采用平面桁架微型桩体系、空间桁架微型桩体系和顶板联结式微型桩组合结构等桩顶加固形式(见图1)。

Andrew Z.B[9]通过大型边坡加固模型试验，分析有无连梁单排微型桩内力特点，认为表面具有连系梁的微型桩能够有效提高边坡稳定性。周德培等[10]介绍了微型桩的三种组合抗滑形式，并以顶梁连系的微型桩组合为例，进行了模拟试验，测量得出顶梁的荷载—位移曲线，揭示了如图2所示的组合微型桩AB，CD段受拉EF段受压的抗滑机制，提出了横向约束的弹性地基梁设计理论，并在工程设计计算中取得了良好的效果。

胡毅夫等[11]通过物理模型试验对比自然边坡破坏、微型桩双排单桩承载力边坡及破坏和微型组合桩边坡及破坏的抗滑特性，实验结果显示桩顶有连梁的组合桩比双排单桩有效提高了抗滑承载力，减小了桩体破坏的裂纹倾角，依据P—S曲线建立方程解得组合桩抗剪强度比双排单桩提高18.3%。方志森等[12]进行了滑坡微型桩抗滑作用大型物理模型试验，发现有连系梁时受荷段桩后土体抗力比无连梁时要大。无连梁在加载至40 kPa时出现第一条裂缝，而有连梁在44 kPa时仍未出现贯通裂缝，有连梁桩身破坏范围大，但破碎程度相对较小。当加载至临滑荷载时，无连梁桩顶位移远大于有连梁，可见有连梁能有效控制微型桩桩顶位移。王树丰等[13]通过有限差分法(FLAC3D)模拟，研究了微型桩群加固滑坡过程中连梁的作用。通过桩体承担滑坡推力的监测分析，不加连梁时桩体承担推力的最大值比加连梁时要大90%以上，加连梁时各排桩之间力的分配较均匀。采用强度折减法分析加连梁比未加连梁稳定性系数提高6%。徐小林等[14]从一般微型桩水平承载力计算思路出发，根据变m法(不同桩位导致m计算值不同)，建立了排架式微型桩组合结构计算公式。通过计算某高速路段松散滑坡体加固实例，证明该计算模型是有效的。刘鸿等[15]通过新的地质力学模型试验，采用分级加载装置，研究各排微型桩内力分布模式，推导了空间桁架微型桩体系内力分布的结构分析解。试验和理论分析表明，随着分级加载的进行，各排桩桩身弯矩在深度方向有所增大，但桩身弯矩变化速率存在不同，应扩大抗滑段截面验算范围；各排桩受到的土体抗力在深度方向有所减小，理论结果显示其峰值位于桩顶，不同于实测的-0.2 m～-0.4 m，计算时应降低滑坡体在地表的基床系数。

桩顶约束能使各排桩受力均匀，有效提高微型桩抗剪强度和水平承载能力。但目前各约束形式内力计算方法研究不足。

2.3 桩倾斜度

微型桩体系常见结构是按一定间距布置且各桩相互平行，为满足桩身承受更大弯矩，可采用与竖直方向呈一定夹角的倾斜式微型桩。

顾明等[16]通过土工离心机实验研究了砂土中直桩、斜桩在水平和偏心荷载作用下的单桩承载力、群桩荷载位移曲线、基桩位移和基桩内力。结果表明无论水平加载还是偏心加载作用下，斜桩群桩较直桩群桩的承载力有显著提高，对斜桩桩群小偏心(4.3D)加载下水平承载力略大于水平加载。水平偏心荷载下斜桩群桩中各基桩的位移方向与荷载方向的夹角较直桩群桩更大。斜桩群桩中的基桩轴力远大于直桩群桩，表明斜桩群桩可以通过基桩轴向受荷来更有效地抵抗水平荷载。胡明等[17]用 ANSYS 有限元软件，应用强度折减法原理，对倾斜微型桩加固边坡后的边坡稳定情况进行探讨，研究了天然边坡的稳定系数及倾斜微型桩加固边坡后的稳定系数，并分析了倾斜微型桩加固边坡的较优角度。其他条件不变的情况下，边坡稳定系数随着微型桩倾斜角的增大而增大，到微型桩倾斜角度为 60°时达到最大值 1.65。施艳秋等[18]认为微型桩作为柔性支护结构上半部在滑面处视为固定端是不完全恰当的，应考虑滑面处桩身变形协调，研究了倾角为α的人字形微型桩内力计算方法，理论上比未考虑变形协调弯矩值减小81%，通过数值模拟验证考虑变形协调更接近模拟结果。关于前后桩夹角的选取和它对桩身弯矩的影响，胡毅夫等[19]通过FLAC3D数值模拟了不同夹角下人字形微型桩桩身弯矩分布规律，结果显示，人字形微型桩桩身弯矩呈倒S形分布，夹角为负时，桩身弯矩随夹角绝对值增大而减小；夹角为正时，弯矩随角度增大而增大，整体上负夹角桩弯矩小于正夹角桩。对比门型桩，人字形桩最大弯矩值要小25%以上，说明人字形桩承受滑坡推力能力更强。

倾斜式微型桩将部分剪力转化为轴力，减小了桩身弯矩，更大程度地发挥了材料强度。目前对倾斜式微型桩的研究工作多为理论分析和数值模拟，对它在滑坡治理工程的实际应用仍较为欠缺。

2.4 施工工艺

微型桩施工工艺主要有一次注浆、二次注浆和直接灌注细石混凝土，不同施工工艺对成桩质量、承载性能等存在一定影响。

屈伟等[20]通过现场原型试验，对采用一次注浆、二次注浆、直接灌注细石混凝土3种成桩工艺的微型桩进行了研究。对水平承载力而言，二次注浆和直接灌注单桩的水平承载性能显著优于一次注浆的单桩水平承载性能，而不同施工工艺对群桩的水平受荷性能影响不大，基本可以忽略不计。郭亮等[21]对不同施工工艺微型桩进行现场水平荷载试验，根据桩顶荷载—位移曲线表明，二次注浆工艺水平承载力最大，对比发现二次注浆工艺桩顶水平位移是一次注浆的1/4，而桩侧土水平抗力系数m值是一次注浆的27倍。利用 ABAQUS 有限元软件进行数值模拟分析，桩和土刚度的提高都能增大微型桩水平承载力，模拟得最优工作性能和经济的桩土刚度比为100∶1。同时根据桩身弯矩度最大弯矩出现在4D～5D，研究2D～5D深度范围二次注浆对桩顶荷载位移曲线的影响，发现最佳注浆深度为4D。

目前研究表明，二次注浆工艺成桩质量更佳，由于增强了桩顶混凝土强度，提高了桩周土体密实度，其水平承载力也得到显著提高。

3 结语

1)微型桩以其施工灵活方便等优点在滑坡治理工程中得到迅速推广，各影响因素对发挥抗滑微型桩最佳工作性状起着重要作用。在工程中应用抗滑微型桩时，需要设置合理的桩间距以充分发挥桩间土拱效应；采用桩顶约束的组合结构，可以加强微型桩承载能力；合理布置倾斜式微型桩，可以使滑坡推力作用下桩身弯矩更小；采用二次注浆施工工艺，成桩质量更佳，承载力更高。

2)现阶段多通过类比抗滑桩特性来研究抗滑微型桩，缺乏专门针对抗滑微型桩的设计理论，需要进一步研究形成完整的抗滑微型桩设计、计算和施工体系。

3)影响抗滑微型桩工作性状的各种因素并不是孤立的，各因素之间存在相互作用关系，需进一步探讨特定工况下的最佳参数组合。

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On research progress of main influential factors of anti-sliding micro-pile performance

Li Zhaoguang He Hui Wang Kang

(CollegeofArchitecturalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

Based on the application of the micro-pile in landslide treatment, the paper analyzes the main factors affecting the performance of the anti-sliding micro-pile from the pile distance, limitation of pile top, pile inclination and construction craft, and points out some design for the anti-sliding micro-pile by combining with the related tests and theoretic research at home and abroad.

micro-pile, landslide, performance, influential factor

1009-6825(2016)27-0054-03

2016-07-11

李兆光(1990- )，男，在读硕士； 何 晖(1962- )，男，教授； 王 康(1992- )，男，在读硕士

TU473.1

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