微型樁側向承載特性現場大型模型試驗研究

鄭靜 安孟康

中鐵西北科學研究院有限公司， 蘭州 730000

在邊坡病害和滑坡治理中，微型樁作為側向受荷樁，因其單樁承載能力較小而成群布置，頂部采用聯系梁連接形成樁土共同作用的復合抗滑結構。由于微型樁具有布置靈活、高效、環保、可在狹小場地施工等特點，因而在邊坡和滑坡治理特別是應急搶險加固中得到廣泛應用，已有許多學者對其進行了研究。

胡毅夫等［1］通過模型試驗，發現前樁彎矩明顯比后樁的小，前后樁彎矩比約為0.65，提高連梁的線剛度有利于彎矩在前后樁的分配。辛建平等［2］通過數值模擬和室內模型試驗研究表明，不同類型邊坡微型樁的破壞機制完全不同，巖土混合邊坡樁體主要在滑面處和滑面以上分別發生彎剪破壞和彎曲破壞，巖質邊坡樁體主要是滑帶處錯動引起的剪切破壞，土質邊坡樁體主要是發生滑帶兩側的彎曲破壞。梁中勇等［3］通過室內極限抗彎承載力試驗得出，隨著彎矩增大，鋼管樁心配筋微型樁試件的中性軸往受壓側移動，承載力不斷提高，與無樁心配筋的微型鋼管樁相比，其極限抗彎承載力提高了50%。張力等［4］通過現場推樁試驗和數值模擬分析提出微型樁的樁間距和排間距應為3D ~7D（D為直徑），微型樁的錨固段長度應取1/3~1/2樁長。周德培等［5］通過對頂梁固定微型樁組合結構抗滑機制的分析討論表明，微型樁組合結構的抗滑效果是通過發揮微型樁的抗拉強度和樁土地基承載力的優勢來抵抗滑坡推力的。陳強等［6］通過離心試驗對注漿鋼管微型樁加固滑坡的機理和其受力特征研究得出，前樁所受的最大土壓力約為后樁的13.3%，后樁承受較大的滑坡推力，前樁的彎矩分布曲線由反S形逐漸變為S形，后樁的彎矩曲線一直呈S形。孫書偉等［7］通過模型試驗并結合數值分析研究得出，微型樁形成土拱的最大樁間距約為5.5D。

這些研究大都是基于室內試驗進行的，也有一些進行了現場推樁試驗，而現場推樁試驗條件下樁所承受的側向荷載與邊坡和滑坡滑動所產生的實際荷載也有所不同。本文采用坡頂堆載的現場大型模型試驗方法，研究微型樁群的側向承載特性，為其設計計算提供依據。由于目前以垂直布置微型樁的應用偏多，因而本文僅對垂直布置的微型樁試驗研究進行論述。

1 現場模型試驗方案

以現場地層為滑床、人工夯填土形成滑體、人為預設滑面建立滑坡試驗模型，按與實際微型樁一致的樁體材料和截面尺寸制作試樁。采用坡體前部開挖和滑體坡頂堆載的方式迫使滑體滑動， 通過安裝于樁頂的應變式電子尺和大量程百分表觀測微型樁頂的位移，通過埋設于微型樁前后的土壓力盒和粘貼于樁身的應變片采集數據，分析作用于微型樁上的滑坡推力大小、分布和樁身內力。

1.1 模型設計與制作

現場試驗模型長12.0 m，寬2.7 m，高6.6 m。滑床為中密的坡洪積碎石土。滑面采用在滑床表面鋪設建筑木模板形成硬質底面，再在其上鋪設彩鋼板，彩鋼板上鋪撒滑石粉，然后以雙層塑料薄膜平整覆蓋進行模擬。滑體由黃土和碎石土混合后經分層夯實填筑形成。為了減少滑體側摩阻力，滑體填筑形成側壁直立的無側限試驗滑坡體，見圖1。

圖1 模型試驗

為了方便應變片、土壓力盒等測試原件的布設，試樁采用截面尺寸為0.10 m×0.12 m的C30鋼筋混凝土矩形截面樁，樁長4.6 m。試驗樁設置兩排共計4根，矩形布置，前后排間距0.7 m，左右樁間距1.0 m。樁頂采用100×100 H型鋼橫梁連接。在試樁前后表面粘貼0.02 m（寬）×4.00 m（長）的不銹鋼帶，作為應變片粘貼層，以防止試驗樁表面局部開裂導致應變片破壞而影響數據采集。

1.2 測試元器件布設

試驗量測的物理量主要有樁頂位移、作用于樁上的土壓力、結構表面應變。采用的測試元件為百分表、土壓力盒、電阻應變片。

在微型樁前后兩樁樁頂安裝應變式電子尺和百分表，以量測樁頂水平位移并互相校核。在前后樁山側與河側兩邊埋設BWM28‐1MPa型土壓力盒量測滑坡推力和土壓力，土壓力盒埋設間距在滑面附近100 cm范圍內為25 cm，再向上下兩端間距由37.5 cm逐漸過渡到50 cm，共計埋設土壓力盒40枚。在樁身山側與河側兩邊和頂橫梁相應位置粘貼BE120‐3AA‐P100型電阻應變片以量測應變。樁身應變片在滑面附近125 cm范圍內按間距25 cm布設，其余位置按間距50 cm布設，共計44枚。頂橫梁應變片布設在梁的上下兩側，共計6枚。土壓力盒與應變片交錯布設，互不影響。具體土壓力盒和應變片的布設見圖2。

圖2 土壓力盒及應變片布置（單位：cm）

除百分表外，其他所有測試元器件數據均采用ZH‐S60型數據采集儀自動采集。

1.3 試驗過程

試驗開始時，首先拆除滑體兩側所有鋼管架以及模板等側支撐，進行各項數據的采集，等待樁頂位移穩定后，分兩次開挖坡體前部土體形成臨空面（參見圖1），相當于除去前部支撐，后續加載采用在坡頂按層碼砌40 kg土袋。試驗過程中連續記錄數據，每級加載待樁頂位移穩定后方可施加下一級荷載。穩定標準為樁頂位移變化率小于0.1 mm/h。具體荷載分級見表1。

表1 荷載分級

2 試驗結果與分析

當坡體加載至第十二級時，坡體出現縱向裂縫并向兩側變形而無法繼續加載，試驗停止，樁頂最大水平位移15 mm。通過開挖觀察，樁體除部分區段有微小裂縫外，并無其他破壞跡象。根據計算分析，樁體實際最大彎矩、剪力遠未達到承載能力。這主要是因為試驗滑坡體兩側壁直立且無側限，坡頂加載時產生了縱向的張裂縫并向兩側變形破壞，導致加載無法繼續進行，樁體受力難以繼續增大，仍在彈性范圍內工作而未破壞。

2.1 樁頂水平位移

樁頂水平位移由前后樁位移平均計算求得（實測前后樁樁頂水平位移基本一致，相差很小），具體樁頂水平位移-荷載-時間曲線見圖3。可知：隨著坡體前部土體的開挖和荷載的增加，樁頂水平位移逐漸增大。試驗中，前部坡體開挖后樁頂水平位移已接近10 mm，樁和坡體產生了較大的變形，且變形速率較大，主要是坡體前部土體開挖較快，樁體前部支撐力削弱過多所致，這也體現了垂直微型樁剛度較小而變形較大，隨著變形而逐漸受力的特點。當用土袋進行加載時，微型樁已完全受力而發揮作用，變形速率大大減小表明微型樁起到了支擋的作用。前后樁的樁頂水平位移基本一致，這也正是樁頂采用頂橫梁連接而樁群整體受力的結果。

圖3 樁頂水平位移-荷載-時間曲線

2.2 樁側土壓力

理論上，坡體未變形前樁側土壓力為靜止土壓力，但土壓力盒在安裝過程中由于受多種因素的影響其初始值與樁側靜止土壓力不一致，因而選擇實測值與初始值的差值即增量土壓力進行分析。滑面以上山側所受增量土壓力為滑坡推力。具體樁側增量土壓力見圖4。可知：

圖4 前后樁樁側增量土壓力

1）前后兩樁增量土壓力分布基本一致，滑面以上山側增量土壓力（滑坡推力）分布近似為三角形，只是自樁頂向下1.2 m范圍內出現了負值，說明增量土壓力減小，該段樁身向前移動與樁后滑體脫離，這也反映出垂直微型樁剛度較小，受力后樁頂變形較大的特點。前樁的最大增量土壓力約為后樁的122.7%（一次開挖）～145.7 %（加載13.63 kPa），與文獻［6］樁頂無橫梁連接微型樁試驗得出的結論完全不同，這也正是樁頂采用頂橫梁連接后前樁、后樁整體受力，后樁所受的部分滑坡推力通過頂橫梁傳遞到了前樁，前后樁的作用得到了充分發揮的效果。與不設頂橫梁僅靠樁間土傳力情況相比，前樁受力增加較多，樁群不均衡受力得到了改善。

2）滑面以上河側增量土壓力自樁頂向下1.2 m范圍內為正值，說明增量土壓力在增大，樁頂向前移動與樁前滑體擠密，與同范圍內山側增量土壓力減小正好對應，同樣反映出垂直微型樁剛度較小、受力后樁頂變形較大的特點；其余段增量土壓力為負值，說明河側土壓力較初始土壓力減小，樁前滑體已滑動，這與樁前滑動面貫通情況相一致。

3）滑面以下0.250~0.875 m內前后樁山側增量土壓力接近于0，這是由于滑床未滑動的結果；其余段山側土壓力為正值，這主要是因為微型樁在滑坡推力作用下樁身上段前移，底端向山側反翹造成的。滑面以下河側增量土壓力近似為倒三角形，這與樁身受力前傾形成的滑床段樁前巖土體抗力一致；且同等級荷載情況下，前樁的最大增量土壓力約為后樁的133.3%~140.0%，與滑面以上山側增量土壓力的變化相當，同樣也是樁頂采用頂橫梁連接前后樁而結構整體受力，后樁所受的部分滑坡推力通過頂橫梁傳遞到了前樁的效果。前后樁的受力分配可以通過頂橫梁剛度的變化進行調整，減小頂橫梁的剛度可以減小作用于前樁上的土壓力。

2.3 樁身彎矩

樁身截面彎矩通過布設在該截面樁體同一位置兩側的應變片所測應變計算求得。

根據應變實測數據計算的樁身彎矩見圖5。可知：荷載作用下，前后樁樁身彎矩分布均呈S形，正負彎矩的分界點在滑動面附近，這與文獻［8］室內試驗樁身彎矩分布一致。隨著荷載的增加，樁身彎矩隨之增大，但前樁滑面以下增幅明顯大于滑面以上和后樁的增幅。

圖5 前后樁樁身彎矩

在最大荷載作用下，后樁滑面以下樁身最大彎矩為滑面以上的90.9%，滑面上下最大正負彎矩相差僅9.1%，樁身材料強度得到充分利用；前樁滑面以下樁身最大彎矩為滑面以上最大彎矩的159.3%，滑面上下最大正負彎矩相差較大，但前樁滑面以上樁身最大彎矩為后樁的61.4%，滑面以下樁身最大彎矩為后樁的107.5%，前后樁樁身最大彎矩絕對值僅相差2.3%，因而從整體微型樁群來看，前后樁受力較為均衡且均發揮了較好的作用。這主要是因為作用于后樁的滑坡推力通過樁頂剛度較大的橫梁向前樁進行了部分傳遞，從而使前后樁整體受力來共同抵抗滑坡推力的作用。從整個樁群樁身彎矩角度分析，結構受力較為合理，但前樁樁身正負彎矩值相差較大，結構仍有優化的余地，可以通過頂橫梁剛度的調整進行優化，目的是在前后樁最大彎矩接近的前提下盡量減小樁身正負彎矩差距，從而有利于樁身材料的充分利用和樁群的統一設計。

2.4 頂橫梁彎矩

頂橫梁截面彎矩通過布設在該截面梁體上下兩側同一位置的應變片所測應變計算求得。

根據應變實測數據計算的頂橫梁彎矩見圖6。可知：頂橫梁彎矩在分布荷載較小時近似呈斜直線，從山側負彎矩至河側逐漸轉為正彎矩，也就是說頂橫梁山側端梁底部受拉，河側端梁頂部受拉。隨著荷載增大，山側端負彎矩增加，河側端正彎矩也增加，彎矩分布曲線從直線逐漸變為折線（弧形）。從最大彎矩來看，頂橫梁最大彎矩位于梁的兩端，且最大彎矩約為前后樁最大彎矩的6%，因而頂橫梁的作用主要是連接前后樁并傳遞荷載，其自身彎矩較小，在工程設計中可根據實際情況減小截面尺寸。

圖6 頂橫梁彎矩

3 結論

1）有頂橫梁連接的垂直微型樁群樁頂水平位移較小且前后樁基本一致，樁群整體受力較好。

2）前后兩樁所受山側滑坡推力分布近似為三角形，且三角形頂點在樁頂以下，自樁頂向下一定范圍內樁與樁后滑體脫離；滑面以下樁前（河側）增量土壓力分布近似為倒三角形，與樁身受力前傾形成的滑床段樁前巖土體抗力分布一致。

3）前后樁樁身彎矩分布均呈S形，正負彎矩的分界點在滑動面附近；由于有頂橫梁的連接并發揮傳力作用，前后樁最大彎矩絕對值僅相差2.3%，結構受力較為合理。

4）頂橫梁梁端彎矩最大，山側端梁底受拉，河側端梁頂受拉，且最大彎矩不到前后樁最大彎矩的10%。