抗滑樁加固紅砂巖風(fēng)化土路基邊坡模型試驗(yàn)

景彬余, 溫樹(shù)杰

(江西理工大學(xué) a.土木與測(cè)繪工程學(xué)院; b.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 贛州 341000)

0 引 言

公路邊坡的防護(hù)治理是地質(zhì)災(zāi)害防治的首要任務(wù), 抗滑樁由于具有很好的抗滑效果、造價(jià)適中、施工方便, 故在路基邊坡的滑坡治理中被廣泛應(yīng)用[1-3]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)抗滑樁受力分析作了大量的理論分析和試驗(yàn)研究[4-9]。如傅翔等[6]以砂土為滑體，對(duì)全埋式抗滑樁在橫向荷載作用下進(jìn)行了傾覆破壞試驗(yàn), 并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬得到了抗滑樁樁身內(nèi)力分布規(guī)律, 為實(shí)際工程應(yīng)用提供了技術(shù)參考; 張娟等[7]選取非擾動(dòng)黃土為試樣進(jìn)行了原位直剪試驗(yàn)和不同工況的抗滑樁模型試驗(yàn), 獲取了公路路塹邊坡黃土土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、土樣峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律, 揭示樁土相互作用過(guò)程與變形機(jī)理; 魏少偉等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比了圓形截面抗滑樁與矩形截面抗滑樁的抗滑能力; 葉金鉍等[9]通過(guò)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)原理, 設(shè)計(jì)并進(jìn)行了室內(nèi)雙排抗滑樁模型試驗(yàn), 得到了水平推樁模式下雙排抗滑樁的樁身響應(yīng); Bouafia[10]建立了抗滑樁加固砂性土邊坡模型, 研究了水平荷載作用下抗滑樁在砂性土邊坡中的變形。

紅砂巖是中、新生代的陸相紅色巖系, 主要分布在我國(guó)西南、華中、中南等地區(qū)各個(gè)盆地[11]。隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展, 在這些地區(qū)修筑公路、鐵路等各類工程時(shí), 出于經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等理念, 紅砂巖風(fēng)化土是這些地區(qū)常用的公路、鐵路路基填筑材料[12]。但目前關(guān)于紅砂巖風(fēng)化土路基中抗滑樁的模型試驗(yàn)鮮有報(bào)道, 且在實(shí)際工程中, 紅砂巖風(fēng)化土路基抗滑樁的設(shè)計(jì)往往需要借助工程經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)規(guī)范, 正是采用這種缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性的設(shè)計(jì)方法和理論, 給實(shí)際工程帶來(lái)了不必要的浪費(fèi)和安全隱患。這主要是由于紅砂巖風(fēng)化土性質(zhì)特殊、樁土相互作用機(jī)理復(fù)雜、抗滑樁與土體力學(xué)參數(shù)差異性較大, 抗滑樁在滑坡推力的作用下, 樁身受力大小、分布規(guī)律不夠明確, 樁身變形與荷載大小、荷載類型之間的關(guān)系不夠清晰等。因此, 本文通過(guò)抗滑樁加固紅砂巖風(fēng)化土路基邊坡模型, 采集數(shù)據(jù)并分析了抗滑樁在不同等級(jí)荷載的作用下樁體前后土壓力分布規(guī)律、樁身應(yīng)變和彎矩分布規(guī)律, 可為紅砂巖風(fēng)化土邊坡中抗滑樁的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 相似比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)邊坡模型在室內(nèi)大型試驗(yàn)箱中堆建, 模擬在靜載作用下抗滑樁在紅砂巖風(fēng)化土路基邊坡中的受力情況。模型參照大慶—廣州國(guó)家高速公路江西龍南里仁—楊村段的某一路基斷面, 路基邊坡填土為細(xì)顆粒紅砂巖風(fēng)化土, 滑床為中風(fēng)化粉砂巖。根據(jù)試驗(yàn)研究目的、試驗(yàn)條件以及操作的可行性, 選取應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)?、位移δ、?nèi)摩擦角φ、黏聚力c、彈性模量E、幾何尺寸L、泊松比μ及彎矩M為模型試驗(yàn)所涉及的9個(gè)關(guān)鍵物理量。選取幾何相似比CL=20、彈性模量相似比CE=1為基礎(chǔ)相似比, 由于材料重度不是主控因素, 可放寬要求, 表1為在本次試驗(yàn)中所用到的各個(gè)相關(guān)物理量以及其所對(duì)應(yīng)的相似關(guān)系。

表1 模型試驗(yàn)相似比

1.2 模型設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)的幾何相似比取1∶20, 實(shí)際路面寬度為15 m, 按幾何比例縮小, 即750 mm。模型樁采用空心圓形鋼管制作, 直徑為85 mm, 樁長(zhǎng)為1 600 mm(受荷段樁身長(zhǎng)L1=1 000 mm, 嵌固段樁身長(zhǎng)L2=600 mm), 其抗彎剛度為4.63×104N·m2。試驗(yàn)箱尺寸為3 m×1.5 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高), 長(zhǎng)邊兩側(cè)材料為鋼化玻璃, 短邊兩側(cè)材料為鋼板。模型箱底部鋪設(shè)用來(lái)模擬滑床的土石混合料[6], 碎石和黏土的比例為3∶2, 坡體材料為取自現(xiàn)場(chǎng)的紅砂巖風(fēng)化土, 保證土體性質(zhì)基本一致, 其力學(xué)參數(shù): 重度為20 kN/m3, 內(nèi)摩擦角15°, 黏聚力21 kPa, 含水率4%。本試驗(yàn)共制備4根模型樁, 分別為A、B、C、D樁, 樁凈間距為300 mm, 具體布置如圖1所示, 模型實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖1 抗滑樁加固邊坡模型

圖2 抗滑樁加固邊坡模型實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)方法與測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述如下:

(1)在模型樁樁前(迎滑面)和樁后(背滑面)分別自上而下對(duì)稱布置10組應(yīng)變片(型號(hào)為BX120-3AA), 樁前及樁后應(yīng)變片由樁頂往下編號(hào)分別為A0～A9、a0～a9, 間距均為100 mm, 如圖3所示。

圖3 土壓力盒與應(yīng)變片布置示意圖

(2)將碎石和黏土按體積比3∶2混合均勻, 配制含水量為4%的紅砂巖風(fēng)化土。

(3)繪制網(wǎng)格線, 在模型箱兩側(cè)均勻地涂抹凡士林。

(4)將模型樁按試驗(yàn)方案布置在模型箱中, 填筑碎石和黏土混合物, 將模型樁固定。

(5)將制作好的紅砂巖風(fēng)化土分層填筑進(jìn)模型箱中, 每層厚度為200 mm, 壓實(shí)度為95%。填筑過(guò)程中在樁前和樁后分別自上而下對(duì)稱布置9組土壓力盒(型號(hào)為ZS1430), 樁前及樁后土壓力盒由樁頂往下編號(hào)分別為H0～H8、h0～h8, 間距均為100 mm。

(6)安裝加載裝置(圖4), 試驗(yàn)加載采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械式液壓加載板進(jìn)行加載, 加載等級(jí)為5 kN, 共施加7級(jí)荷載, 最大荷載值為35 kN, 當(dāng)加載完一級(jí)荷載后需停頓10 min, 待坡體穩(wěn)定、儀器數(shù)據(jù)無(wú)浮動(dòng)后才能記錄數(shù)據(jù)、施加下一級(jí)荷載。

圖4 試驗(yàn)加載裝置

圖5為本次模型試驗(yàn)所用的多通道靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀(ZI-12000P)。該采集儀與電阻式傳感器配套使用, 可檢測(cè)多種接線方式傳感器的應(yīng)變輸出, 測(cè)量應(yīng)變、荷載等物理量, 還設(shè)有外置溫度補(bǔ)償器以最大程度減小溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土壓力分布規(guī)律

對(duì)B樁在不同荷載下樁前、樁后土壓力變化曲線進(jìn)行分析, 如圖6所示。土壓力呈非線性分布且隨著荷載的增大土壓力值也隨之增大; 在相同荷載作用下, 同一埋深位置處樁前土壓力值要大于樁后土壓力; 樁前土壓力的最大值出現(xiàn)在受荷段底部、樁后土壓力最大值出現(xiàn)在0.3L1～0.4L1。

當(dāng)荷載為5、10 kN時(shí)樁前土壓力并沒(méi)有明顯的變化(圖6a), 分析其原因?yàn)? 當(dāng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí), 樁前土體由于未達(dá)到一定密實(shí)程度, 故樁前土壓力的數(shù)值變化不明顯; 荷載與樁埋深不是線性關(guān)系, 當(dāng)施加15 kN級(jí)荷載及以上時(shí), 隨著樁埋深增加, 埋深0～0.4L1處的土壓力值變大, 埋深0.5L1處出現(xiàn)拐點(diǎn), 該點(diǎn)的土壓力值小于0.4L1處, 而埋深0.6L1～0.8L1處的土壓力值又隨著埋深的增加而增加, 其原因是在抗滑樁埋深0.4L1～0.6L1間的土體出現(xiàn)塑性區(qū), 但由于抗滑樁的存在, 坡體沒(méi)有發(fā)生滑動(dòng); 土拱效應(yīng)也是出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因之一, 在荷載的作用下, 樁前土體出現(xiàn)不均勻形變, 變形區(qū)的土體被非變形區(qū)的土體約束, 土體的抗剪強(qiáng)度將變形區(qū)的土壓力傳遞到非變形區(qū)[14]。

圖6 B樁不同荷載下樁前(a)、樁后(b)土壓力隨埋深分布

樁后土壓力分布的變化規(guī)律大致與樁前土壓力的變化規(guī)律相似(圖6b), 即H5處土壓力盒的值減小, 之后又隨著深度的增加而增加; 當(dāng)荷載從5 kN加載到30 kN時(shí), 其每級(jí)荷載作用下的樁后土壓力增量大致相同, 而當(dāng)荷載由30 kN增加至35 kN時(shí), 土體壓力增幅變大, 分析其原因?yàn)? 當(dāng)荷載過(guò)大時(shí), 抗滑樁之間的土體產(chǎn)生土拱效應(yīng), 土體在相鄰兩根抗滑樁之間發(fā)生累積, 且在抗滑樁樁后一側(cè)產(chǎn)生拱腳, 從而使測(cè)得的壓力值變大。

本次試驗(yàn)表明: 當(dāng)滑體為紅砂巖風(fēng)化土?xí)r, 樁后土壓力分布規(guī)律為兩端小、中間大, 土壓力的最大值在0.3L1～0.4L1; 樁前土壓力大致呈三角形分布, 但在0.5L1處出現(xiàn)了較大的拐點(diǎn), 通過(guò)計(jì)算得到滑坡推力合力作用點(diǎn)位于錨固界面以上0.34L1附近。從其他學(xué)者的模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看, 當(dāng)滑體為砂土[6]時(shí), 其滑坡推力合力作用點(diǎn)位于滑動(dòng)面以上0.2L1處; 滑體為黃土[13]時(shí), 其滑坡推力合力作用點(diǎn)位于滑面以上1/5L1～1/3L1處。

然而在實(shí)際工程中, 抗滑樁加固邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)通常假定滑坡推力按矩形分布[15], 滑坡推力合力作用點(diǎn)位于0.5L1處。因此, 在抗滑樁加固紅砂巖風(fēng)化土邊坡路基的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)降低滑坡推力合力作用點(diǎn)。

2.2 樁身應(yīng)變分析

對(duì)采集到的抗滑樁應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析得到抗滑樁樁前、樁后應(yīng)變分布, 如圖7所示。可知, 樁前應(yīng)變分布規(guī)律與樁后應(yīng)變分布規(guī)律大致相同, 大致呈拋物線型分布; 在樁身同一位置, 測(cè)得的樁前和樁后應(yīng)變值大小不一, 產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因有兩個(gè): 1)模型樁非理想的剛性體, 在受到土體壓力時(shí)產(chǎn)生柔性形變; 2)由圖6可知, 樁在土體中受到的樁前土壓力與樁后土壓力并不相同; 樁身應(yīng)變?yōu)榉蔷€性形變, 在計(jì)算樁身內(nèi)力時(shí)可采用彈性樁內(nèi)力計(jì)算方式[16]; 樁身應(yīng)變隨著抗滑樁埋深的增加而增大, 在同一級(jí)荷載作用下, 受荷段底端應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁頂應(yīng)變且在受荷段的底端達(dá)到最大值; 樁身應(yīng)變無(wú)明顯突變點(diǎn), 為連續(xù)變形, 借此可以判斷樁身在土體中的破壞大致為塑性彎折破壞。在不同荷載作用下, 樁前應(yīng)變隨樁埋深變化不大, 各級(jí)荷載之間變化幅度相差不大, 究其原因, 是在荷載作用下, 樁體變形處于彈性階段, 樁體未發(fā)生破壞; 在不同荷載作用下, 樁后應(yīng)變值在受荷段底端變化不大(荷載較小時(shí)除外), 是因?yàn)榇私孛婵拷豆潭? 碎石混合料在一定程度上約束了樁體的形變。

圖7 B樁不同荷載樁前(a)、樁后(b)應(yīng)變分布

2.3 樁身彎矩分析

抗滑樁樁身彎矩可由樁前、樁后的應(yīng)變經(jīng)換算得到

式中:M為截面彎矩;E為樁的彈性模量;I為樁的慣性矩;εa為抗滑樁樁前應(yīng)變;εb抗滑樁樁后的應(yīng)變;D為抗滑樁直徑。

將計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行整理, 得到抗滑樁的彎矩分布如圖8所示?？梢?jiàn), 樁身各點(diǎn)的彎矩值隨著加載量的增加都有不同程度的增大, 加載等級(jí)由5～10 kN時(shí), 彎矩值增幅較大, 之后每級(jí)加載的增幅大致相同; 0.4L1以上部分樁身的彎矩值隨埋深的變化不明顯, 可見(jiàn)0.4L1以上部分樁身不是主要受彎段; 0.4L1以下部分樁身的彎矩值隨埋深的增加而增大, 在受荷段底部彎矩達(dá)到最大, 因此在抗滑樁的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加受荷段底部的配筋率; 在不同荷載作用下, 樁身彎矩值在受荷段底端, 變化不大(荷載較小時(shí)除外), 原因?yàn)榇私孛婵拷豆潭? 碎石混合料在一定程度上約束了樁體的形變, 樁身彎矩是由樁身應(yīng)變經(jīng)過(guò)上式換算而得, 故樁身彎矩值在受荷段底端, 變化不大。

圖8 B樁樁身彎矩分布

3 結(jié) 論

(1)樁后土壓力呈兩端小中部大, 最大值出現(xiàn)在0.3L1～0.4L1(樁受荷段長(zhǎng)), 且在相同荷載作用下同一埋深位置處的樁后土壓力遠(yuǎn)小于樁前土壓力; 樁前土壓力大致呈三角形分布, 其合力作用點(diǎn)位于錨固界面以上1/3L1附近, 因此工程設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)降低滑坡推力合力作用點(diǎn)。

(2)樁身應(yīng)變?yōu)榉蔷€性形變, 且隨著抗滑樁埋深的增加而增大, 無(wú)明顯突變點(diǎn), 大致呈拋物線型分布, 在樁受荷段的底端達(dá)到最大值。

(3)樁身彎矩在不同荷載作用下的分布趨勢(shì)基本一致, 開(kāi)始隨埋深的變化不明顯, 當(dāng)達(dá)到0.4L1(樁受荷段長(zhǎng))后隨埋深的增加而增大, 最大值出現(xiàn)在受荷段底端, 在實(shí)際工程中應(yīng)適當(dāng)增加此處的配筋率。