铁路分级开挖边坡抗滑桩受力特征及现场监测研究

燕晓东

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 引言

微型桩复合结构通过顶板或顶梁以一定距离连接多个微型桩，用于边坡加固和深基坑支护[1]。针对微型桩组合结构体系受力机制研究，国内外诸多学者进行了相关试验和数值模拟[2－9]。胡富贵等[10]基于混凝土管桩推导微型钢管桩的极限抗弯承载力公式。巢万里[11]提出微型桩等效刚度的计算方法，基于混凝土钢管桩抗弯承载力公式，并考虑受压区水泥砂浆体的影响。武志信等[12]通过大型振动台试验，对微型桩及桩间土的加速度峰值分布规律进行了分析。

综上所述，虽然微型桩得到重点关注和研究，但其在边坡中受水平荷载下的受力机制还不成熟。因此本文依托某铁路工程，推导微型桩变位和内力的计算方法，同时通过现场监测研究其受力机制，以期为今后类似工程使用该组合加固结构提供参考。

2 工程背景

本文采用微型桩组合结构对铁路某四级开挖边坡进行加固处理，并开展了微型桩受力的原位测试，微型桩直径为150 mm。中间排微型桩垂直布置，长18 m；靠山侧和靠路侧微型桩与中间排微型桩成15°角，八字形布置，长18.64 m。

3 抗滑结构设计理论

3.1 弹性地基梁计算理论

单桩计算模型如图1所示，从微型桩内取一微段。

图1 计算微段各物理量关系

由此可推导出基于m法求解微型桩变位和内力的基本方程，m法计算具体可参考《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10093－2017)，在此不再赘述。假设桩顶处的初参数为x0、φ0、M0、Q0，则桩的变位和内力可按式(1)计算:

式中，α为变形系数，；E、I分别为桩的弹模和抗弯惯性矩；x0、φ0、M0和Q0均为桩顶初参数，即桩顶处的位移、转角、弯矩和剪力值；z＝αy；Aiz、Biz、Ciz、Diz、Eiz、Fiz(i＝1，2，…，6)为m法的 24 个影响函数。m法影响函数值的计算公式为:

式中，J0的取值方法:j＝i时，J0＝1；j＜i时，J0＝0；j＞i时，。

i取1～4的正整数值，表示各影响函数的第一个脚标；j取1～6的正整数值，依次与A、B、C、D、E及F六种影响函数相对应。例如要求C2z，此时j＝3，i＝2，j＞i，所以:

3.2 微型桩变位和内力计算方法

某嵌岩微型桩，滑体内桩上作用了梯形荷载，集度为q和qΔ，按 “k”法计算的地基系数为K1，桩变形系数。基岩内桩上无荷载，按 “k”法计算的地基系数为k2，桩变形系数。全桩的b0和EI相同。按公式(1)滑体内的桩用其桩顶初参数x0、φ0、M0、Q0表示的计算公式为:

基岩内的桩用滑体内桩的桩顶初参数表示的变位和内力计算公式为:

其中24个关于β2y的无量纲函数A1、B1……E4、F4 按式(5)计算:

基岩内桩底的变位和内力值按式(6)计算:

其中24个无量纲函数A1、B1……E4、F4中的β2y应换为β2h2。如果滑体内的桩用m法计算，则将β1换成α即可用以上各公式计算全桩的变位和内力。

4 现场测试方案设计

(1)测试材料选择

测试试验采用钢筋应力计(两端含钢筋)和便携式综合测试仪(JMZX-300X)配套测试。在边坡中埋入的锚杆和微型桩中的钢筋按设计要求安装相应的钢筋应力计，钢筋应力计埋入土后受力产生相应的变形以及对应应力值的变化。钢筋应力计与钢筋的连接采用钢套管，预备120个配套的钢套管。

共计60个钢筋应力计(两端含钢筋)，用于两个断面的φ32钢筋应力测试，每个钢筋计根据埋深不同对应自己的导线长度，要求包括:①配接线插头；②按购方需要编号；③加长导线。

(2)测试计划方案

测试点对每个断面微型桩中间一列3个孔中的每孔任何1根钢筋和相邻的上下级边坡锚杆进行测试。详细布置见图2。

图2 测点详细布置示意

DK63＋160和DK63＋240断面微型桩相邻上下级边坡锚杆测点用M1(上级边坡锚杆)、M2(下级边坡锚杆)表示。断面DK63＋160-ZS-1表示DK63＋160断面微型桩中间列靠山侧从上向下第1个测点；DK63＋160-ZZ-1表示DK63＋160断面微型桩中间列中间排从上向下第1个测点；DK63＋160-ZL-1表示DK63＋160断面微型桩中间列靠路侧从上向下第1个测点。每个测点到顶部距离布置见表1。

表1 钢筋应力计测点布置

(3)测试准备工作

该测试共有两个断面，每个断面有2根锚杆和微型桩中间列3个孔各1根钢筋需要测试。由于每个测点到坡面的距离不同，在购买钢筋应力计的时候需提前设计好每个钢筋应力计的导线长度，并且多购买了4个钢筋应力计配置足够长的导线以备更换坏掉的钢筋应力计。每个钢筋应力计在购买时都在导线末端贴上相应的编号，该编号跟测点设计位置相对应。

在测试仪器安装前用便携式综合测试仪先测试是否有损坏的钢筋应力计。检查完毕后把钢筋应力计和便携式综合测试仪(JMZX-300X)整齐摆放在规定的仓库。摆放时在地面铺一层木板，防止钢筋应力计和便携式综合测试仪(JMZX-300X)受潮。

由于钢筋应力计两头自带钢筋，所以试验采用钢套管连接钢筋应力计和钢筋。每个钢筋应力计自带的两头钢筋长度相等，这样就需设计好连接钢筋的长度，根据测试点钢筋整体长度和钢筋应力计自带的两头钢筋长度，将需要的钢筋按设计要求截断，以保证截断后的钢筋和钢筋应力计连接后的长度和测点钢筋设计的整体长度相吻合。需要的连接钢筋截断后和钢筋应力计一起送至加工车间进行套丝。钢筋应力计两头钢筋套丝时需把钢筋应力计的导线紧紧绑扎在钢筋应力计上，防止在套丝过程中将导线扯坏。套丝完成后再用便携式综合测试仪检查钢筋应力计是否完好。

(4)仪器安装及孔洞砂浆灌注

在测试断面按设计要求位置成孔后将钢筋应力计、截断的钢筋、钢套筒和便携式综合测试仪在工地现场安装。以DK63＋160断面上边坡锚杆连接为例，先把截断的钢筋和钢筋应力计按照设计顺序整齐摆放，然后依次用钢套筒连接每段截断的钢筋和对应测点的钢筋应力计。连接时注意截断钢筋和钢筋应力计需连接紧密，用扳手加固，严禁出现连接段松动现象。依次连接时注意将导线尽量放在同一侧，并且用钢丝把导线紧紧绑扎在钢筋上，防止导线在钢筋入孔时被孔壁挂断。连接紧密后，将连接好的钢筋抬起，慢慢放入锚杆孔洞内，保证钢筋下到孔底，露在外面的钢筋头需符合设计要求。钢筋入孔后立即进行灌浆。灌浆采用孔底翻浆，保证0.2 MPa的压力。第一次灌浆直到浆液灌满，并流出相应稠度的浆液为止；第一次灌浆完成后隔一天进行二次补浆，直到锚杆孔洞被浆液填满为止。第一次灌浆后需要记录锚杆测点的初始应力值，并且将导线整齐地布放到一侧；施作一个混凝土坑，将钢筋应力计的导线头整齐置于混凝土坑中，并用盖子盖好。DK63＋160断面下边坡锚杆和DK63＋240断面上、下边坡锚杆钢筋和钢筋应力计连接、入孔及灌浆工序与DK63＋160断面上边坡锚杆的制作工序一致。各断面测试锚杆处的格构梁和微型桩台帽制作完成后需要记录数据，每次测试完后需将导线接头埋好。

5 测试原始数据处理

对DK63＋160断面微型桩桩身轴力实测结果进行分析。图3为现场监测得到的抗滑结构各排桩桩身轴力随时间的变化曲线；图4为各排桩桩身轴力随桩深分布曲线。据此可以得出如下结论:(1)不同位置桩轴力沿桩身分布极不均匀，且分布形式存在明显差异；(2)靠山侧斜桩，其桩身轴力大体呈反“S”型，桩体整体表现出正负轴力共同作用，即桩体即受拉也受压；(3)中间桩整体基本均处于受拉作用下，呈现出一般岩土介质边坡中少有的双弓型分布形式；(4)靠路侧桩的桩身轴力表现出与靠山侧斜桩相反的变化趋势，轴力曲线呈“S”型分布。

图4 不同位置微型桩测点力随桩深变化曲线

6 结论

本文以某铁路工程为依托，结合弹性地基梁计算理论，推导了微型桩变位和内力的计算方法；同时通过现场监测研究其受力机制，发现抗滑结构桩身轴力差异明显，沿推力方向依次呈现出反“S”型、双弓型和“S”型，且各桩最大轴力均为拉力。