h型抗滑樁受力性能模型試驗研究

鄧友生, 楊彪, 姚志剛, 高寧, 肇慧玲

(1．西安交通工程學院 軌道交通工程安全與智能控制重點實驗室,陜西 西安 710300;2.西安科技大學 樁承結構研究中心,陜西 西安 710054)

滑坡是指斜坡上的土體或巖體受河流沖刷、地下水活動、雨水入滲、地震等影響,部分土體或巖體在重力為主的作用下沿一定的軟弱面或者軟弱帶整體或分散地向下滑動的自然現象[1]。滑坡是我國比較頻發且嚴重的地質災害之一,對人類的生命財產安全構成了巨大的威脅。常見的滑坡加固技術有抗滑樁、擋土墻、預應力錨索等。經過多年的發展,抗滑樁技術的設計理論和研究方法已經趨于成熟,是邊坡加固和滑坡防護工程中應用最為廣泛的一種,尤其是在公路、鐵路等領域。雖然抗滑樁有著較好的工程效果,但存在受力不合理、樁頂位移大、使用工況受限等問題。

h型抗滑樁對原有抗滑樁進行改進[2],使其在地質條件較差的風化巖層或松散地層也能發揮其阻滑能力。h型抗滑樁將前后兩根不等長的抗滑樁平行布設,前樁頂部與后樁某部位通過橫梁連接形成后排具有懸臂段的空間支護結構,因其形狀與字母“h”相似而稱為h型抗滑樁[3]。h型抗滑樁獨特的結構形式使其受力更加均勻合理,有效降低了彎矩與剪力,從而降低了滑坡治理的成本[4]。Wang 等[5]提出了抗滑樁與懸壁梁作用分析方法,將門架式雙排抗滑樁與h型抗滑樁進行對比,結果表明h型抗滑樁具有較好的抗滑能力,在滑坡推力較大的滑坡工程中更具優勢。張永杰等[6]根據h型抗滑樁的承載變形特征,將其分為阻滑段和錨固段,建立了h型抗滑樁內力與變形簡化計算方法,結合工程實例研究了不同工況下抗滑樁內力與變形的發展規律,為h型抗滑樁的優化設計提供了參考。白皓等[7]對巖質邊坡和土質邊坡h型抗滑樁支擋結構進行模型試驗,分析不同工況下結構的承載特性。

雖然h型抗滑樁近年已有相關的研究與工程應用,但有關h型抗滑樁加固滑坡體的力學機制和荷載作用下的力學響應等系統分析相對較少。基于此,本文通過室內模型試驗,深入研究h型抗滑樁在坡頂荷載作用下的受力特征,以期為實際工程提供參考。

1 相似原理

相似原理在物理模型試驗中常用作指導模型試驗的比尺選擇問題,為模型試驗的實際工況研究提供指導,如尺寸的縮小或放大、參數的提高或降低、介質性能的改變等。在本次試驗中控制主要相似變量,結合已有的相關模型試驗經驗,并綜合考慮實際邊坡尺寸和室內試驗條件,確定模型試驗的幾何相似比為1∶10[8-9]。結合相似原理,確定物理模型試驗中各物理量的相似比見表1。

表1 各物理量的相似比

2 模型試驗設計

2.1 邊坡模型

本次試驗在西安科技大學結構大廳大型物理模型試驗箱中進行,內部凈空尺寸為4 m×1.95 m×2 m(長×寬×高)。為方便試驗過程的觀察及減少界面摩擦影響,模型箱兩側采用厚度為1 cm的鋼化玻璃封閉。試驗坡體分為滑體、滑面和滑床三部分,滑體采用天然黃土,分層填筑壓實;滑面為弧形,采用塑料薄膜模擬;滑床由顆粒級配良好的黃土加砂土混合分層填筑,嚴格控制壓實系數達到90%以上。充分考慮試驗邊界效應和模型箱尺寸,邊坡坡頂長度為1.95 m,寬度為0.9 m,邊坡模型用土為配置的最優含水率的黃土,邊坡屬于欠穩邊坡,邊坡坡度設置為45°,不考慮地下水對邊坡穩定性的影響,邊坡模型示意圖見圖1。

(a) 剖面圖

2.2 模型試驗樁

在室內模型試驗樁材料的選擇上,很多學者分別采用了石膏、砂混合物、木棒、鋼筋混凝土與鋼管[10-12]等。結合相關模型試驗,考慮試驗的便利性,本文選用304不銹鋼空心方管,截面尺寸為40 mm×40 mm,壁厚為1 mm,后排樁(長樁)樁長為700 mm,前排樁(短樁)樁長為550 mm,前后排樁通過焊接連接,前后排樁距為150 mm,樁間距為190 mm,樁身布設應變片與土壓力盒以監測樁身在荷載作用下的力學響應。

2.3 試驗方案

試驗裝置主要包括模型箱、加載裝置和數據采集裝置。在邊坡模型制備完成后,將模型靜置兩天,使坡體內部的應力分布重新調整平衡[13]。模型箱上部有三根固定反力架,使用分離式液壓式千斤頂精準控制加載,并實時觀測壓力表變化,承壓板為兩塊40 cm×40 cm的鋼板,厚度為3 cm,可將千斤頂提供的集中荷載轉化為均布荷載。在承壓板底部及周圍均勻鋪灑細沙使其均勻受力。主要試驗過程見圖2。

(a) 夯實基礎

本次試驗采用慢速維持荷載法,每級荷載為28.4 kPa,分八級依次加載至227.2 kPa,每施加一級待樁身應變數據基本不變后再施加下一級荷載,同時記錄加載過程中的樁身彎矩、樁前土壓力和連梁軸力。抗滑樁應變的采集使用BF1K-3EB全橋應變片,中間五根樁應變片的布置如圖3(a)所示。采用DH3816靜態數據采集系統采集數據,采樣頻率為1 Hz。土壓力的測量采用YTDZ0301型應變式微型土壓力盒,量程為0.1 MPa。在土體分層填筑過程中,在P4、P5、P6樁前側預埋土壓力盒,土壓力盒沿樁長方向的布置如圖3(b)所示。

圖3 應變片與土壓力盒布設圖(單位:mm)

3 試驗結果與分析

3.1 樁身彎矩

為研究h型抗滑樁在模型試驗逐級加載過程中樁身彎矩的變化,將采集的樁身截面應變數據代入材料力學中的彎曲理論計算公式,求出h型樁不同樁身截面處的彎矩。利用其結構和荷載的對稱性,對P4、P5、P6三根h型樁的前后排樁的試驗數據進行處理,得到h型抗滑樁前后排樁平均彎矩分布曲線。

后排樁樁身彎矩分布見圖4。由圖4可知,后排樁在各級荷載作用下的樁身彎矩變化規律基本為拋物線,彎矩隨著樁體埋深的增大呈現先增大后減小的趨勢。由于樁底置于穩定土層,受荷載影響較小,故樁底在各級荷載作用下的彎矩變化較小。在八級荷載作用下,后排樁彎矩峰值為-34.6 kN·m,較一級荷載增大了28.39 kN·m,彎矩峰值出現在預設滑面上下一定范圍內,位于后排樁的中上部,如此可知滑體沿預設圓弧狀滑面發生了相對滑動。

圖4 后排樁樁身彎矩分布

前排樁樁身彎矩分布見圖5。從圖5可知,前排樁在各級荷載作用下的樁身彎矩變化規律基本一致,彎矩峰值出現在樁頂連梁連接處,從一級荷載到八級荷載,彎矩增大了5.72倍。在后排樁向前排樁荷載傳遞過程中,h型樁連梁發揮了傳遞荷載的作用,連梁在荷載傳遞的過程中受壓,樁底彎矩接近于零且變化較小,樁底可視為鉸接。從一級荷載到八級荷載,樁身底部兩個監測點的數據變動較小,可知前排樁樁身底部受荷載影響較小。樁頂連梁位置,故在進行連梁設計時要考慮連接處局部加強措施以保證結構的穩定性。

圖5 前排樁樁身彎矩分布

3.2 樁前土壓力

樁前土壓力對樁身具有約束作用,在土體出現塑性變形前,樁前土壓力越大表明土體對樁的支撐作用越好。抗滑樁在抵抗滑坡推力的同時可充分利用樁前穩定土體的支撐作用。在荷載作用下P4、P5、P6的前后排樁的樁前土壓力分布曲線見圖6。

(a) 后排樁

由圖6可知,后排樁樁前土壓力分布情況為隨著坡頂荷載的逐級增加均勻變化,上部兩個測點相對變化幅度較小,越靠近樁底錨固段附近樁前土體提供的土體抗力越大。前排樁樁前土壓力分布趨勢與后排樁連梁以下規律一致,除連梁位置處外整體偏小。樁頂連梁連接處在一級荷載作用下與后排樁土壓力接近,隨著各級荷載的增加,前排樁樁頂處土壓力大小逐級增加,由18.72 kPa增大至49.28 kPa,增大了1.63倍。

3.3 連梁軸力

連梁軸力分布曲線見圖7。從圖7可知,隨著荷載級數的增加,連梁軸力相應增大,從一級荷載到八級荷載,連梁軸力由1.3 kN增大至8.92 kN,增大了5.86倍。假定連梁受壓為正,由圖可知,連梁在荷載傳遞過程中進行前后排樁的荷載傳遞,進一步驗證了橫梁傳力的規律。

圖7 連梁軸力分布曲線

4 結論

本文通過h型抗滑樁室內模型試驗,分析了h型抗滑樁后排樁、前排樁、連梁的受力特性及樁前土壓力分布情況,得到如下結論:

(1)h型抗滑樁后排樁在各級荷載作用下的樁身彎矩的變化規律呈拋物線狀,具體表現為后排樁樁身彎矩隨著樁體埋深的增大呈先增大后減小的趨勢,彎矩峰值出現在預設滑面附近。

(2)前排樁樁身彎矩峰值出現在樁頂連梁附近,從荷載后排樁向前排樁傳遞過程中,h型抗滑樁連梁發揮了傳遞作用,樁頂連梁位置處彎矩值增幅較大,在進行連梁設計時要考慮連接處局部加強措施以保證結構的穩定性。

(3)前排樁和后排樁樁前土壓力分布隨著坡頂荷載的逐級增大均勻增加,前排樁樁頂連梁連接處在一級荷載作用下與后排樁土壓力接近,隨著各級荷載的增大,前排樁樁頂處土壓力大小逐級增大,由18.72 kPa增大至49.28 kPa,增大了1.63倍。