鐵路分級(jí)開挖邊坡抗滑樁受力特征及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究

燕曉東

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)通過頂板或頂梁以一定距離連接多個(gè)微型樁，用于邊坡加固和深基坑支護(hù)[1]。針對(duì)微型樁組合結(jié)構(gòu)體系受力機(jī)制研究，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[2－9]。胡富貴等[10]基于混凝土管樁推導(dǎo)微型鋼管樁的極限抗彎承載力公式。巢萬里[11]提出微型樁等效剛度的計(jì)算方法，基于混凝土鋼管樁抗彎承載力公式，并考慮受壓區(qū)水泥砂漿體的影響。武志信等[12]通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)微型樁及樁間土的加速度峰值分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

綜上所述，雖然微型樁得到重點(diǎn)關(guān)注和研究，但其在邊坡中受水平荷載下的受力機(jī)制還不成熟。因此本文依托某鐵路工程，推導(dǎo)微型樁變位和內(nèi)力的計(jì)算方法，同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究其受力機(jī)制，以期為今后類似工程使用該組合加固結(jié)構(gòu)提供參考。

2 工程背景

本文采用微型樁組合結(jié)構(gòu)對(duì)鐵路某四級(jí)開挖邊坡進(jìn)行加固處理，并開展了微型樁受力的原位測(cè)試，微型樁直徑為150 mm。中間排微型樁垂直布置，長(zhǎng)18 m；靠山側(cè)和靠路側(cè)微型樁與中間排微型樁成15°角，八字形布置，長(zhǎng)18.64 m。

3 抗滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

3.1 彈性地基梁計(jì)算理論

單樁計(jì)算模型如圖1所示，從微型樁內(nèi)取一微段。

圖1 計(jì)算微段各物理量關(guān)系

由此可推導(dǎo)出基于m法求解微型樁變位和內(nèi)力的基本方程，m法計(jì)算具體可參考《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10093－2017)，在此不再贅述。假設(shè)樁頂處的初參數(shù)為x0、φ0、M0、Q0，則樁的變位和內(nèi)力可按式(1)計(jì)算:

式中，α為變形系數(shù)，；E、I分別為樁的彈模和抗彎慣性矩；x0、φ0、M0和Q0均為樁頂初參數(shù)，即樁頂處的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力值；z＝αy；Aiz、Biz、Ciz、Diz、Eiz、Fiz(i＝1，2，…，6)為m法的 24 個(gè)影響函數(shù)。m法影響函數(shù)值的計(jì)算公式為:

式中，J0的取值方法:j＝i時(shí)，J0＝1；j＜i時(shí)，J0＝0；j＞i時(shí)，。

i取1～4的正整數(shù)值，表示各影響函數(shù)的第一個(gè)腳標(biāo)；j取1～6的正整數(shù)值，依次與A、B、C、D、E及F六種影響函數(shù)相對(duì)應(yīng)。例如要求C2z，此時(shí)j＝3，i＝2，j＞i，所以:

3.2 微型樁變位和內(nèi)力計(jì)算方法

某嵌巖微型樁，滑體內(nèi)樁上作用了梯形荷載，集度為q和qΔ，按 “k”法計(jì)算的地基系數(shù)為K1，樁變形系數(shù)。基巖內(nèi)樁上無荷載，按 “k”法計(jì)算的地基系數(shù)為k2，樁變形系數(shù)。全樁的b0和EI相同。按公式(1)滑體內(nèi)的樁用其樁頂初參數(shù)x0、φ0、M0、Q0表示的計(jì)算公式為:

基巖內(nèi)的樁用滑體內(nèi)樁的樁頂初參數(shù)表示的變位和內(nèi)力計(jì)算公式為:

其中24個(gè)關(guān)于β2y的無量綱函數(shù)A1、B1……E4、F4 按式(5)計(jì)算:

基巖內(nèi)樁底的變位和內(nèi)力值按式(6)計(jì)算:

其中24個(gè)無量綱函數(shù)A1、B1……E4、F4中的β2y應(yīng)換為β2h2。如果滑體內(nèi)的樁用m法計(jì)算，則將β1換成α即可用以上各公式計(jì)算全樁的變位和內(nèi)力。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

(1)測(cè)試材料選擇

測(cè)試試驗(yàn)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)(兩端含鋼筋)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)配套測(cè)試。在邊坡中埋入的錨桿和微型樁中的鋼筋按設(shè)計(jì)要求安裝相應(yīng)的鋼筋應(yīng)力計(jì)，鋼筋應(yīng)力計(jì)埋入土后受力產(chǎn)生相應(yīng)的變形以及對(duì)應(yīng)應(yīng)力值的變化。鋼筋應(yīng)力計(jì)與鋼筋的連接采用鋼套管，預(yù)備120個(gè)配套的鋼套管。

共計(jì)60個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)(兩端含鋼筋)，用于兩個(gè)斷面的φ32鋼筋應(yīng)力測(cè)試，每個(gè)鋼筋計(jì)根據(jù)埋深不同對(duì)應(yīng)自己的導(dǎo)線長(zhǎng)度，要求包括:①配接線插頭；②按購(gòu)方需要編號(hào)；③加長(zhǎng)導(dǎo)線。

(2)測(cè)試計(jì)劃方案

測(cè)試點(diǎn)對(duì)每個(gè)斷面微型樁中間一列3個(gè)孔中的每孔任何1根鋼筋和相鄰的上下級(jí)邊坡錨桿進(jìn)行測(cè)試。詳細(xì)布置見圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)詳細(xì)布置示意

DK63＋160和DK63＋240斷面微型樁相鄰上下級(jí)邊坡錨桿測(cè)點(diǎn)用M1(上級(jí)邊坡錨桿)、M2(下級(jí)邊坡錨桿)表示。斷面DK63＋160-ZS-1表示DK63＋160斷面微型樁中間列靠山側(cè)從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn)；DK63＋160-ZZ-1表示DK63＋160斷面微型樁中間列中間排從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn)；DK63＋160-ZL-1表示DK63＋160斷面微型樁中間列靠路側(cè)從上向下第1個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)到頂部距離布置見表1。

表1 鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

(3)測(cè)試準(zhǔn)備工作

該測(cè)試共有兩個(gè)斷面，每個(gè)斷面有2根錨桿和微型樁中間列3個(gè)孔各1根鋼筋需要測(cè)試。由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)到坡面的距離不同，在購(gòu)買鋼筋應(yīng)力計(jì)的時(shí)候需提前設(shè)計(jì)好每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線長(zhǎng)度，并且多購(gòu)買了4個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)配置足夠長(zhǎng)的導(dǎo)線以備更換壞掉的鋼筋應(yīng)力計(jì)。每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)在購(gòu)買時(shí)都在導(dǎo)線末端貼上相應(yīng)的編號(hào)，該編號(hào)跟測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)位置相對(duì)應(yīng)。

在測(cè)試儀器安裝前用便攜式綜合測(cè)試儀先測(cè)試是否有損壞的鋼筋應(yīng)力計(jì)。檢查完畢后把鋼筋應(yīng)力計(jì)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)整齊擺放在規(guī)定的倉(cāng)庫(kù)。擺放時(shí)在地面鋪一層木板，防止鋼筋應(yīng)力計(jì)和便攜式綜合測(cè)試儀(JMZX-300X)受潮。

由于鋼筋應(yīng)力計(jì)兩頭自帶鋼筋，所以試驗(yàn)采用鋼套管連接鋼筋應(yīng)力計(jì)和鋼筋。每個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)自帶的兩頭鋼筋長(zhǎng)度相等，這樣就需設(shè)計(jì)好連接鋼筋的長(zhǎng)度，根據(jù)測(cè)試點(diǎn)鋼筋整體長(zhǎng)度和鋼筋應(yīng)力計(jì)自帶的兩頭鋼筋長(zhǎng)度，將需要的鋼筋按設(shè)計(jì)要求截?cái)啵员ＷC截?cái)嗪蟮匿摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)連接后的長(zhǎng)度和測(cè)點(diǎn)鋼筋設(shè)計(jì)的整體長(zhǎng)度相吻合。需要的連接鋼筋截?cái)嗪蠛弯摻顟?yīng)力計(jì)一起送至加工車間進(jìn)行套絲。鋼筋應(yīng)力計(jì)兩頭鋼筋套絲時(shí)需把鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線緊緊綁扎在鋼筋應(yīng)力計(jì)上，防止在套絲過程中將導(dǎo)線扯壞。套絲完成后再用便攜式綜合測(cè)試儀檢查鋼筋應(yīng)力計(jì)是否完好。

(4)儀器安裝及孔洞砂漿灌注

在測(cè)試斷面按設(shè)計(jì)要求位置成孔后將鋼筋應(yīng)力計(jì)、截?cái)嗟匿摻睢撎淄埠捅銛y式綜合測(cè)試儀在工地現(xiàn)場(chǎng)安裝。以DK63＋160斷面上邊坡錨桿連接為例，先把截?cái)嗟匿摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)按照設(shè)計(jì)順序整齊擺放，然后依次用鋼套筒連接每段截?cái)嗟匿摻詈蛯?duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力計(jì)。連接時(shí)注意截?cái)噤摻詈弯摻顟?yīng)力計(jì)需連接緊密，用扳手加固，嚴(yán)禁出現(xiàn)連接段松動(dòng)現(xiàn)象。依次連接時(shí)注意將導(dǎo)線盡量放在同一側(cè)，并且用鋼絲把導(dǎo)線緊緊綁扎在鋼筋上，防止導(dǎo)線在鋼筋入孔時(shí)被孔壁掛斷。連接緊密后，將連接好的鋼筋抬起，慢慢放入錨桿孔洞內(nèi)，保證鋼筋下到孔底，露在外面的鋼筋頭需符合設(shè)計(jì)要求。鋼筋入孔后立即進(jìn)行灌漿。灌漿采用孔底翻漿，保證0.2 MPa的壓力。第一次灌漿直到漿液灌滿，并流出相應(yīng)稠度的漿液為止；第一次灌漿完成后隔一天進(jìn)行二次補(bǔ)漿，直到錨桿孔洞被漿液填滿為止。第一次灌漿后需要記錄錨桿測(cè)點(diǎn)的初始應(yīng)力值，并且將導(dǎo)線整齊地布放到一側(cè)；施作一個(gè)混凝土坑，將鋼筋應(yīng)力計(jì)的導(dǎo)線頭整齊置于混凝土坑中，并用蓋子蓋好。DK63＋160斷面下邊坡錨桿和DK63＋240斷面上、下邊坡錨桿鋼筋和鋼筋應(yīng)力計(jì)連接、入孔及灌漿工序與DK63＋160斷面上邊坡錨桿的制作工序一致。各斷面測(cè)試錨桿處的格構(gòu)梁和微型樁臺(tái)帽制作完成后需要記錄數(shù)據(jù)，每次測(cè)試完后需將導(dǎo)線接頭埋好。

5 測(cè)試原始數(shù)據(jù)處理

對(duì)DK63＋160斷面微型樁樁身軸力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。圖3為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的抗滑結(jié)構(gòu)各排樁樁身軸力隨時(shí)間的變化曲線；圖4為各排樁樁身軸力隨樁深分布曲線。據(jù)此可以得出如下結(jié)論:(1)不同位置樁軸力沿樁身分布極不均勻，且分布形式存在明顯差異；(2)靠山側(cè)斜樁，其樁身軸力大體呈反“S”型，樁體整體表現(xiàn)出正負(fù)軸力共同作用，即樁體即受拉也受壓；(3)中間樁整體基本均處于受拉作用下，呈現(xiàn)出一般巖土介質(zhì)邊坡中少有的雙弓型分布形式；(4)靠路側(cè)樁的樁身軸力表現(xiàn)出與靠山側(cè)斜樁相反的變化趨勢(shì)，軸力曲線呈“S”型分布。

圖4 不同位置微型樁測(cè)點(diǎn)力隨樁深變化曲線

6 結(jié)論

本文以某鐵路工程為依托，結(jié)合彈性地基梁計(jì)算理論，推導(dǎo)了微型樁變位和內(nèi)力的計(jì)算方法；同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究其受力機(jī)制，發(fā)現(xiàn)抗滑結(jié)構(gòu)樁身軸力差異明顯，沿推力方向依次呈現(xiàn)出反“S”型、雙弓型和“S”型，且各樁最大軸力均為拉力。