微型樁處置堆積層滑坡室內模型試驗研究

(西安工業大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021)

近年來，我國滑坡災害時有發生，對人民生命財產安全造成了巨大的威脅。膨脹土堆積層滑坡由于其膨脹土具有吸水膨脹性、失水收縮性以及浸水承載力減弱等特性，性質極不穩定，給設計加固帶來困難[1-2]。而黃土具有多孔疏松的結構且凝聚力較高，遇水其強度大幅度降低，容易造成黃土堆積層滑坡的發生。這兩類滑坡普遍存在于我國地質構造獨特、氣候環境復雜的陜南地區，給當地的地災防治工作帶來了極大挑戰[3-4]。

如將微型樁技術應用于陜南膨脹土、黃土堆積層滑坡地區，因其受地形限制小、對地形環境擾動小、施工速度快、布置形式靈活、降低工程造價等優點給滑坡治理工作帶來了巨大的便利[5-10]。雖然，通過各種研究方法對微型樁加固滑坡的計算理論、設計方法已有較為充分的認識[11-13]，但國內微型樁治理滑坡的工程實例較少、經驗欠缺，理論和實踐還不能完全結合，對它的破壞形式、加固機理以及承載模式還沒有形成深入和完整的認識[14]，因此還需用大量的試驗和工程實踐來驗證、完善其理論。胡時友等[15]通過不同樁間距下雙排微型樁加固碎石土滑坡室內模型試驗，研究微型樁受力變形特性和滑坡推力傳遞規律。王波等[16]通過物理模型試驗研究了微型樁加固淺層堆積層沿下伏基巖頂面發生滑坡時的受力機理和破壞模式。閆金凱等[17]采用微型樁與滑坡相互作用的大型物理模型相似試驗，研究微型樁的破壞模式和受力變形規律。以上研究成果通過室內物理模型試驗研究加固單一土類滑坡時，微型樁的受力特性以及發生機理。但是在實際工程中，要在災害未發生或者發生以后迅速給出設計施工方案。因此，通過引入參照系數，可以為微型樁加固黃土以及膨脹土堆積層滑坡時，在布設形式相同的情況下給出快速有效的設計方案，能夠最大程度地減少災害帶來的不良影響。

本文主要針對微型樁加固膨脹土和黃土堆積層滑坡進行對比試驗研究。通過分析實驗數據，綜合對比微型樁加固膨脹土堆積層滑坡與加固黃土堆積層滑坡受力分布規律以及大小的差異，得到一個參照系數。利用該系數可使相同布設條件下的微型樁既可用于膨脹土滑坡也可用于黃土滑坡，能夠在加固兩類土質滑坡時快速提出處治方案。

1 物理模擬試驗設計

1.1 試驗原理

試驗利用物理模型箱體，開展試驗設計時盡可能做到與工程原型相似，以此得到的試驗結果才與工程實際比較相符。本次試驗幾何相似比為10，土體密度相似比為1，彈性模量相似比取10，結構應力相似比取10。微型樁樁體材料選用抗彎剛度為69 MPa的鋁管，樁長約1 m，樁徑約12 mm。

1.2 試驗設備

(1) 模型箱。本次試驗箱體模型尺寸為2.0 m×1.8 m×1.5 m。主體框架由截面積為50 mm×30 mm、壁厚3 mm的方形鋼管焊接組成，并在側面填充12 mm厚鋼化玻璃。依據試驗的設計最大加載，模型框架能充分保證試驗安全正常進行。

(2) 加載設備。試驗采用人工豎向分級加載的方式，加載設備主要有，鐵塊(5kg)，鋼槽(30kg)，沙袋(25kg)。為保證滑體受力均勻、加載穩定以及安全，在滑坡頂部加載區域放置一片尺寸為1 800 mm×600 mm，厚度為30 mm的模板，將荷載有序平穩地施加于模板上部。

(3) 監測裝置。試驗的監測和數據采集設備有：布設于樁頂的位移計，布設于樁后的土壓力盒，布設于樁身的應變片以及用于采集數據的CM-2B-64靜態電阻應變儀[18]。

1.3 模型設計

試驗滑床模型應具有足夠的強度和密度來模擬淺層堆積層滑坡，并能夠承受樁體嵌固段荷載。采用西安北郊黃土過篩，拌和石灰經人工分層夯實制成滑床。為使滑面更加平順易于滑體滑動，滑面制成圓弧型，并在其表面鋪蓋0.12 mm厚的雙層塑料薄膜，兩層之間涂抹潤滑油。滑體分別使用陜南山區膨脹土和西安市北郊黃土。滑體采用人工分層堆積夯實，每層堆積厚度10 cm。本試驗所用微型樁采用預埋的形式。在每根測試樁前，自滑面以上3 cm開始，每隔10 cm布設一個土壓力盒(共4個)。模型見圖1。

圖1 試驗模型示意Fig.1 Test model diagram

2 物理模型試驗部分

2.1 試驗參數選取

本次試驗主要研究在相同樁間距、排間距以及錨固深度情況下，微型樁加固膨脹土、黃土滑坡樁頂位移、樁前土壓力和樁身彎矩的差異。綜合得出一個較為可靠的參照系數，從而能在工程實際中更迅速地對兩類滑坡提供治理方案。參考前人研究，并考慮工程實際，選用的樁間距和排間距都為10D(D為微型樁外徑)，錨固深度為2L/5(L為樁長)采取梅花型布設并增加橫向連系梁。試驗模型布置見圖2。

圖2 微型樁平面布設圖(單位：mm)Fig.2 Layout of micro piles

2.2 試驗結果分析

2.2.1樁頂位移分析

根據試驗結果得到微型樁加固膨脹土堆積層滑坡、黃土堆積層滑坡的樁頂位移曲線分別見圖3，4。

圖3 膨脹土滑坡樁頂位移曲線Fig.3 Displacement curve of anti-slide pile top in expansive soil

由圖3～4可知：① 微型樁加固膨脹土堆積層滑坡時，一開始加載后土體將產生瞬時變形，樁體受到的下滑力較小，微型樁樁頂位移不明顯。當加載量達到5 kN時，樁頂位移有明顯增大的趨勢，其位移值為1.81 mm，表明微型樁進入彈性階段。隨著加載量的逐漸增大，3排微型樁樁頂位移也在同步持續增加。當加載至18.5 kN時，樁頂最大位移達到38.65 mm。② 相比之下，微型樁加固黃土堆積層滑坡時，開始同樣由于受到較小的下滑力，樁頂位移不明顯。但是當加載到3 kN，便產生了位移，其值為0.26 mm。當加載量超過17.5 kN時，樁頂位移曲線斜率明顯變大，微型樁處于彈性至失效階段。當加載值達到18.5 kN時，黃土堆積層滑坡的樁頂位移為26.51 mm。③ 由此可得：在微型樁加固膨脹土與黃土堆積層滑坡時，黃土堆積層滑坡產生的樁頂位移更小，微型樁的加固效果更為明顯。

圖4 黃土滑坡樁頂位移曲線Fig.4 Displacement curve of pile top in loess Landslide

2.2.2樁前土壓力分析

試驗樁在滑面以上間隔10 cm布設一個土壓力盒，共4個。編號依次為P1-1、P1-2、P1-3、P1-4，P2-1、P2-2、P2-3、P2-4，P3-1、P3-2、P3-3、P3-4。如圖5，6所示，在荷載不斷增加的情況下，3排微型樁中第一排樁樁前土壓力最大，因此，第一排樁對滑坡的發生將起到重要的作用。

(1) 微型樁加固黃土堆積層滑坡時，樁前土壓力表現為第一排樁P1-1、第二排樁P2-1、第三排樁P3-2增長速度最快且最大。同時，樁前土壓力在樁P1-4、P2-4處出現細微增長并負向變化。其原因是在加載量不斷增大時，滑體開始產生裂縫且其寬度不斷增加，而樁P1-4和P2-4接近滑坡表面，在裂縫持續增大的情況下，樁與土壓力盒之間產生位移偏差造成曲線先增大而后負向變化。當荷載增加至18.5 kN時，三排微型樁承受的下滑力依次減小，最大樁前土壓力分別為780.1，487.5，225.2 N。每排樁受力之比為1∶0.625∶0.289。

(2) 當微型樁加固膨脹土滑坡時，開始加載后，滑體首先產生土體瞬時變形，土壓力基本沒有增加。隨著荷載的不斷增加，土體持續壓縮變形，土拱效應不斷增強并且越接近滑面附近的下滑力增長越快，樁前土壓力激增直至第一排微型樁到達峰值，此后由第二排樁來主要承擔滑坡推力。荷載達到18.5 kN時，每排樁最大樁前土壓力分別為：1776.2，1246.2，1 068.3 N；受力之比為1∶0.702∶0.601。

圖5 黃土土滑坡樁前土壓力曲線Fig.5 Soil pressure curve in front of loess soil landslide pile

圖6 膨脹土滑坡樁前土壓力曲線Fig.6 Soil pressure curve in front of expansive soil landslide pile

(3) 通過以上兩組數據對比可以看出，在相同樁間距、排間距、嵌固深度以及加載量的條件下，微型樁在黃土堆積層滑坡比膨脹土堆積層滑坡中的樁前土壓力小。而過大的樁前土壓力表明微型樁對滑體的攔擋 作用較差，因此在加固膨脹土堆積層滑坡時，應該更加注意微型樁的支護參數設計。

2.2.3樁身彎矩分析

試驗測試樁選取每排中間位置的微型樁，沿樁身分別位于距樁頂70，60(滑面處)，55，50，40，30 cm處貼6個應變片。

樁身彎矩分布情況可以反映微型樁隨著荷載增加的受力情況并可反映微型樁加固膨脹土堆積層滑坡的效果。

(1) 微型樁加固膨脹土滑坡樁身彎矩見圖7。在一開始未施加荷載時，樁身各處彎矩均為0。隨著荷載的不斷增加，滑體持續移動形成樁間土拱，滑坡推力由土拱傳遞至微型樁，樁身彎矩迅速增加。可以看出，在距樁頂40 cm和60 cm處彎矩變化最為明顯。當加載至18.5 kN時，3排微型樁距離樁頂60 cm處的彎矩最大值分別為206.25，160.55，130.02 N·m；距離樁頂40 cm處的彎矩最大值分別為-56.25，-29.19，-28.05 N·m。第一排至第三排樁的樁身彎矩依次遞減。由此可知，樁體抗滑段承受的樁身彎矩比錨固段承受的彎矩大，所以在工程實際中，對于微型樁錨固深度的計算和設計應予重點關注。

(2) 微型樁加固黃土堆積層滑坡的樁身彎矩曲線與加固膨脹土滑坡的彎矩曲線變化趨勢相同(見圖8)：彎矩值隨著荷載的增加持續增大，沒有出現回彈的情況則可以認為微型樁進入塑性變形階段。最大正、負彎矩值出現在距樁頂60 cm和40 cm處。當荷載增加至18.5 kN時，3排樁距離樁頂60 cm處的彎矩最大值分別為101.92，77.50，62.61 N·m；距離樁頂40 cm處的彎矩最大值分別為-54.60，-22.51，-19.78 N·m。

(3) 可以看出兩種滑坡有著相同變化特點，因此一定程度上可以認為這是微型樁加固堆積層滑坡的受力特征之一。對照兩組滑坡微型樁加固數據可得：在微型樁排間距、樁間距、荷載量和嵌固深度一定的情況下，微型樁加固黃土堆積層滑坡時樁身彎矩更小，效果更佳。

2.3 黃土、膨脹土堆積層滑坡參照系數分析

微型樁治理兩類滑坡時的參照系數是根據微型樁的受力機理和破壞模式，主要考慮兩類堆積層滑坡在施加相同荷載時樁頂位移的比值，同時兼顧樁身彎矩與樁前土壓力的比例關系所得的系數。

圖7 膨脹土滑坡樁身彎矩曲線Fig.7 Moment curve of expansive soil landslide pile

圖8 黃土滑坡樁身彎矩曲線Fig.8 Moment curve of loess landslide pile

(1) 當加載至18.5 kN時，黃土堆積層滑坡的樁頂位移值為26.51 mm；而膨脹土堆積層滑坡的位移值達到了38.65 mm，則樁頂位移比為：1∶1.46。

(2) 同樣在荷載增加至18.5 kN時，加固黃土堆積層滑坡的3排微型樁最大樁前土壓力分別為780.1，487.5，225.2 N；而加固膨脹土堆積層滑坡的3排微型樁最大樁前土壓力分別為1 776.2，1 246.2，1 068.3 N。可以得到各排樁樁前土壓力比為1∶2.28，1∶2.56，1∶4.74。

(3) 此外，在距樁頂40cm處黃土、膨脹土堆積層滑坡3排微型樁最大樁身彎矩值分別為-54.60，-22.51，-19.78 N·m和-56.25，-29.19，-28.05 N·m。其每排樁對應比值是1∶1.03，1∶1.30，1∶1.42。距樁頂60 cm處黃土、膨脹土各排樁最大樁身彎矩值分別為101.92，77.50，62.61 N·m和206.25，160.55，130.02 N·m，其對應比值是1∶2.02，1∶2.07，1∶2.08。

綜上所述，可得到兩類滑坡關于樁頂位移、樁前土壓力和樁身彎矩的比例系數。由于滑體推力的作用，使得樁前土壓力逐漸增大并依次傳遞到各排微型樁，導致微型樁的樁頂位移和樁身彎矩的增長。但是作為柔性支護方式的微型樁其長細比較大，樁徑和抗彎剛度較小，只有當樁身形變即樁頂位移過大時，樁身彎矩才會迅速增大。綜合以上因素認為，參照系數以樁頂位移作為主要的參考因素，同時兼顧樁身彎矩與樁前土壓力的比例。因此，提出微型樁加固黃土與膨脹土堆積層滑坡的設計參照系數可在1.45～2.45間取值。

3 結 論

(1) 隨著下滑力不斷增加，滑體被逐漸擠密，樁間土拱逐漸形成，樁-土共同承擔下滑力。樁間土將大部分推力傳遞到微型樁樁身，產生樁頂位移并持續增大。隨著變形的發展，樁身彎矩也發生變化。直到樁前土壓力達到峰值，微型樁進入塑性變形階段并最終破壞。

(2) 微型樁樁身彎矩集中在樁身2/5～3/5范圍內，也是模型滑坡的滑面附近。所以在工程實際應用過程中應重視微型樁在滑面附近的設計合理性及施工質量。

(3) 根據樁頂位移、樁前土壓力和樁身彎矩監測數據可知，相同布設條件下微型樁加固黃土堆積層滑坡效果優于膨脹土堆積層滑坡。

(4) 通過比較微型樁加固黃土和膨脹土堆積層滑坡力學特性的數據，以及對實際工程施工、設計、安全等因素的兼顧考慮，提出微型樁加固黃土、膨脹土堆積層滑坡的設計參照系數可在1.45～2.45間取值。