抗滑樁土拱效應的時效性試驗分析

王桂林,樊友全,2,張永興,董 捷

（1.重慶大學a.土木工程學院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400045;2.重慶高新工程勘察設(shè)計院有限公司,重慶 400042）

1943年,Terza-ghi通過活動門試驗[1]證實了土拱效應的存在。隨后,土拱理論在巖土工程界得到了越來越廣泛地應用[2],伴隨土拱理論研究的不斷深入,抗滑樁與其周邊介質(zhì)中的土拱效應也逐漸受到工程技術(shù)人員的重視。周德培[3]根據(jù)樁間土拱的靜力平衡原理及拱腳土體的強度條件,推導了工程設(shè)計中樁間距、正截面寬度與土拱矢高之間的關(guān)系式 。Chen[4]、 張 建 勛[5]、琚 曉 冬[6]賈 海 莉[7]、LiangR[8]、董捷[9]運用數(shù)值方法探討了土體強度、樁間距等相關(guān)因素變化對土拱效應及樁土承載比的影響。Pieter A[10]、Hong SH[11]主要對懸臂式樁板墻的拱效應展開了三維數(shù)值分析。鑒于樁間土與抗滑樁力學機理相當復雜,樁間土拱效應真實的應力傳遞規(guī)律還不是很清楚,采用模型試驗和數(shù)值模擬方法研究相對更為可靠。Law rence、吳漢輝等先后通過模型試驗對抗滑樁的拱效應作了相關(guān)研究[12-13],楊明、姚令侃等通過離心機對抗滑樁的土拱效應也作了很詳細的研究分析[14]。上述模型試驗加深了對樁間土拱效應的認識,但巖土體具有蠕變特性必然導致樁間土拱的形成具有一定的時效性,隨著時間推移土拱效應處在一個變化的過程中。董捷[15]提出采用突變效應替代常用的樁—土承載比衡量樁間土拱效應的強度及作用范圍,在此基礎(chǔ)上,總結(jié)三峽庫區(qū)高切坡抗滑支擋結(jié)構(gòu)常用的技術(shù)方法背景下,在對抗滑樁的工作機理及樁間土的傳力特征進行綜合分析的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)計了抗滑樁室內(nèi)推樁模型試驗,分析了1 kN 、2 kN外推力條件下抗滑樁樁后土體內(nèi)部的應力分布特征及土拱效應的時效性。

1 試驗模型箱的設(shè)計

試驗將模型樁安裝于一定尺寸的木箱內(nèi),在樁后木箱一定范圍內(nèi)填放土體,在此過程中安裝應力傳感器、百分表及應變片等儀器,通過千斤頂控制土體內(nèi)部所受到的推力,試驗過程中記錄樁間土的應力、應變、位移情況。通過該試驗研究,可以較真實地反應抗滑樁土體內(nèi)部的應力應變變化情況以及探討抗滑樁土拱效應的時效性。

試驗模型箱主要由底板、側(cè)板和腹板構(gòu)成。底板采用一塊15 mm厚的防潮板,側(cè)板材料為一塊15 mm厚防潮板與一塊細木工板粘合的復合板。模型箱主體長度為1 000 mm,模型箱2塊側(cè)板間的凈距為600mm,模型箱設(shè)計內(nèi)側(cè)箱高850 mm,抗滑樁高 710 mm,嵌固槽深 300 mm,模型樁固定在鋼管框架內(nèi)。嵌固槽布置了 3根懸臂樁,回填土為粉砂土并夯實。模型箱底部嵌固槽兩側(cè)腹板的凈距為 190 mm,土體材料設(shè)計填高400 mm,模型尺寸如圖1所示。由于模型推樁試驗的水平設(shè)計荷載不超過10 kN且模型箱主要承受因樁后土體壓縮產(chǎn)生的側(cè)向膨脹力,為減小模型箱側(cè)板在試驗加載過程中產(chǎn)生的撓曲變形,模型箱四周用3圈角鋼進行加固,拐角處采用焊接進行連接,采用不銹鋼管、對拉螺紋鋼加固模型箱的側(cè)板上部[16],制作好的模型箱和監(jiān)測設(shè)備如圖2所示。

圖1 模型試驗剖面示意圖

圖2 制作好的模型箱和監(jiān)測設(shè)備照片

2 外推力恒定條件下抗滑樁土拱效應的時效性試驗研究

進行抗滑樁室內(nèi)推樁模型試驗時,模型箱內(nèi)部土壓力計位于填土高度130 mm的層面上,距填土頂面270 mm。在樁間沿法向和樁背沿推力方向分別布置了8個微型電阻應變式土壓力計,從樁背平面算起,土壓力計間距均為50 mm。土壓力計的布置情況見圖3,樁后土體土拱效應的時效性。每10 m in記錄一次百分表的讀數(shù)和應變儀各個通道讀數(shù)。通過記錄百分表的讀數(shù)可以得出推土板的位移,通過記錄沿推力方向和法向的土壓力計的讀數(shù),分析抗滑樁土體內(nèi)部應力分布特征,進而分析土拱效應形成機理以及其時效性。

圖3 土壓力計布置情況

2.1 推土板位移測試數(shù)據(jù)分析

在1 kN和2 kN2個不同外推力條件下,推土板后安置百分表,記錄推土板的位移,推土板位移曲線見圖4。通過曲線可以發(fā)現(xiàn)：當千斤頂剛加載至1 kN時,推土板位移為13.59 mm,隨著時間的推移推土板位移緩慢增大且趨于平穩(wěn),樁土體保持穩(wěn)定;當千斤頂剛加載至2 kN的時候,推土板位移為19.01mm;推土板位移隨時間的增加土體變形呈現(xiàn)不收斂急劇增大的趨勢,模型樁的遮擋效應減弱。施加恒定荷載2 kN,維持加載150m in后,懸臂樁嚴重傾斜且樁后土體位移較大,樁間土垮塌嚴重,樁背處土體開裂嚴重。

圖4 推土板位移曲線

綜上所述,土拱效應不是固定不變的,它的形成過程具有明顯的時效性,樁—土相對位移隨著時間呈增大的趨勢。土體受到的外推力越大,土體蠕變越明顯。

2.2 土體內(nèi)部法向應力測試分析

外推力恒定為1 kN的時候,在距樁0～50mm土壓力隨時間的增長土壓力值先增大后逐漸減小,這是由于剛開始在樁間形成摩擦土拱,其主要憑借密實的拱腳側(cè)部及樁側(cè)表面的摩阻力形成土拱。并且土拱楔緊加強,但是隨著時間的推移,樁間土位移過大,土拱開始破壞,承載力開始下降,樁間土開始局部垮塌。在其他位置土壓力隨著時間的推移土壓力值緩緩增加,說明土體法向的楔緊持續(xù)加強,土拱效應越來越明顯。

外推力為2 kN時,土拱效應比外推力為1 kN時明顯。樁前0～50 mm的土體土壓力值在0.1 kPa左右,隨著時間的推移,土壓力值逐漸減小并且趨于零。這是由于樁間土體隨著時間的推移沿懸臂樁側(cè)面的相對位移較大,拱腳逐漸破壞,摩擦土拱效應消失,樁間土垮塌。在其他測試位置,土壓力值逐漸減小。土拱效應相比不考慮蠕變情況下樁間土拱效應要弱一些。

對比分析外推力恒定1 kN和2 kN的2個工況,從圖5曲線可以看出,隨著時間的變化,樁間土摩擦土拱破壞,易垮塌。隨著時間的推移,樁后土體應力減小,土拱效應變?nèi)?相對于不考慮蠕變情況下,考慮蠕變時,土拱影響范圍更大、土拱厚度變大,應力沿著法向擴散的范圍有很大的增長。

圖5 加載 1 kN、2 kN試驗法向土壓力值曲線

2.3 土體內(nèi)部推力方向的應力測試分析

抗滑樁的間距布置滿足一定要求時,外推力荷載通過土體應力重分布并最終由樁承擔。加載1 kN、2 kN,沿推力方向土壓力值曲線見圖6。外推力為1 kN時,樁背正后方0 mm土體受到樁體的約束,拱腳土體楔緊,承受的土壓力較大,并且隨著時間的增長楔緊效應在加強。樁后50～300 mm的位置位于土拱前的自由區(qū),推土板的推力通過土拱傳遞到樁背,隨著土拱效應的加強,自由區(qū)土體受到的推力逐漸減小。

圖6 加載1 kN、2 kN試驗沿推力方向土壓力值曲線

外推力為2 kN的時候,樁背后0～50mm范圍內(nèi)土體的土壓力值最大,拱腳附近土體楔緊范圍增大,主要是由于樁后和樁間土體不均勻變形所致。并且隨著時間的推移土壓力值持續(xù)增加,樁背處土拱效應增強;在50～350 mm范圍內(nèi)的土體的土壓力值較大,隨著時間的增長土壓力值略微增大。說明隨著時間的變化,土拱影響范圍也增加。

對比發(fā)現(xiàn),隨著推力的增大,樁背土拱范圍更大且土拱承載能力有較大的提高。水平土拱效應伴隨推力增長呈現(xiàn)出先增強而后逐漸擴展的現(xiàn)象,應力沿著法向擴散的范圍有很大的增長。

3 結(jié) 論

1）樁—土相對位移隨時間呈增大的趨勢。施加恒定荷載1 kN的時候土體變形量很小,樁土體保持穩(wěn)定;施加恒定荷載2 kN,隨著時間的推移土體變形呈現(xiàn)不收斂快速增長趨勢。土體受到的外推力越大,土體的蠕變越明顯。土拱效應不是固定不變的,它的形成過程具有明顯的時效性。

2）土體內(nèi)部法向應力測試結(jié)果表明：土拱效應隨著推力的增大而增強。隨著時間的推移,樁間土摩擦土拱破壞,易垮塌。隨著時間的推移,樁后土體應力減小,土拱效應變?nèi)?相對于不考慮蠕變情況下,考慮蠕變時,土拱影響范圍更大,土拱厚度變大,應力沿著法向擴散的范圍有很大的增長。

3）土體內(nèi)部沿推力方向應力測試結(jié)果表明：隨著推力的增大,樁背土拱范圍更大且土拱承載能力有較大的提高。水平土拱效應伴隨推力增長呈現(xiàn)出先增強而后逐漸擴展的現(xiàn)象。

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（編輯胡英奎）