（地质工程专业论文）注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡离心模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 注浆与钢管微型桩组合结构是加固滑坡的一种新型支挡措施。开始工程 技术人员认为钢管微型桩只能构造成树根桩来承受竖向荷载，最近2 0 年里， 钢管微型桩技术的快速发展改变了工程技术人员以往对钢管微型桩的片面认 识，人们逐渐认识到钢管微型单桩也能承受较大的横向荷载。越来越多的工 程师开始把钢管微型桩应用到基坑支护、边( 滑) 坡防治、震后重建工程中。但 钢管微型桩用于边坡加固或者滑坡治理方面计算理论相对滞后，其设计理论 也不是很完善，实际施工中主要参考抗滑桩的设计参数，专门针对钢管微型 桩的试验研究相对较少，需开展专门针对钢管微型桩的模型试验研究。 在这种现状下，本文借助于西南交通大学的大型土工离心机，进行了注 浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡的模型试验。试验中分两种工况，即无加 固措施和注浆与钢管微型桩组合结构加固措施，通过对试验现象和试验测得 数据的对比和分析，说明了注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡的效果，分 析了注浆与钢管微型桩的受力特性和变形情况，总结了注浆与钢管微型桩组 合结构在加固此类滑坡时的适用条件，并为施工设计提供了一定的参考依据。 通过试验的结果得出：对于含水量为2 3 6 及以下的膨胀土滑坡，采用 注浆与钢管微型桩加固措施是可行的，收到了比较好的加固效果，并指出了 在设计中要注意的问题；对于含水量为2 9 2 的膨胀土滑坡，不适合采用注 浆与钢管微型桩组合结构的方式加固。 关键词：离心模型试验；注浆；钢管微型桩；组合结构；滑坡加固 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s tr a c t g 】的砸n ga n ds t e e lm i c r o p i l e sc o m p o s i t es t r u c t u r e s a r ean e wt y p eo f l a n d s l i d em t a i n i n gm e a s u r e s a tf i r s t ，m i c r o - p i l e si sc o n s i d e r e da saw h o l es t r u c t u r e t ob e a rv e r t i c a ll o a d s h o w e v e r ，i nr e c e n t2 0y e a r s ，d u et ot h ed e v e l o p m e n to f m i c r o - p l e t e c h n o l o g y , t h ev i e w so nb e a r i n gc a p a c i t yo fm i c r o - p i l eh a v eb e e n c h a n g e c l i ti sg r a d u a l l yr e a l i z e dt h a ts i n g l em i c r o - p i l ei sa l s oa b l et or e s i s tl a t e r a l l o a d s a sar e s u l to ft h ea d v a n t a g e so fa p p l y i n gm i c r o - p i l e ，a t t e n t i o n sa r ep a i dt o m i c r o - p i l e a n dm i c r o - p i l e s a r eu s e dm o r ea n dm o r ei nf o u n d a t i o n p i t s u p p o r t i n g , s l o p ec o n t r o l l i n g a n dr e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t s a f t e r e a r t h q u a k e h o w e v e r , t h et h e o r yo nm i c r o p i l ea p p l i e di ns l o p ee n g i n e e r i n gf a l l sf a r b e h i n dp r a c t i c e i nv i e wo ft h er e s e a r c hs i t u a t i o n ，i ti sa nu r g e n tt a s kt os t a r t r e s e a r c h e so na n t i s l i d i n gm e c h a n i s mo fm i c r o - p i l ec o m p o s i t es t r u e t r r e i nt h i s t h e s i s ，g r o u t i n g a n ds t e e l m i c r o - p i l e sc o m p o s i t e s t n l c t e s r e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d em o d e lt e s t si sc a r r i e do u tb ys o u t h w e s tj i a o t o n g u n i v e r s i t y sl a r g e - s c a l ee a r t h w o r kc e n t r i f u g e t w ok i n d so fc i r c u m s t a n c ea r e p r o p o s e di nt h er e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d em o d e lt e s t , o n eo fw h i c hi sg r o u t i n ga n d s t e e lm i c r o - p i l e sc o m p o s i t es t r u c t u r e sr e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d em o d e lt e s tm e t h o d a n dt h eo t h e ro fw h i c hi sn or e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d em o d e lt e s tm e t h o d m o d e lt e s t i sd o n et os t u d yt h ed e f o r m a o o no fl a n d s l i d em o d e l ，a n dd i s t r i b u t i o nf o r mo fs t r e s s a c t e do ng r o u t i n ga n ds t e e lm i c r o - p i l e s t h ee f f e c to fg r o u t i n ga n ds t e e lm i c r o - p i l e s c o m p o s i t es t r u c t u r e sr e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d e i sd e s c r i b e db ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h em o d e lt e s t s s u i t a b l ec o n d i t i o nf o rg r o u t i n ga n ds t e e lm i c r o - p i l e s c o m p o s i t es t r u c t u r e sr e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d e a r ep r o p o s e d i nc o n c l u s i o n , i t p r o v i d ear e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o na b o u tr e i n f o r c e m e n tl a n d s l i d e t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h r o u g hd e e ps t u d i e si nt h em o d e lt e s t s f i r s to fa l l ， i ti sf e a s i b l et o a d o p tg r o u t i n ga n ds t e e lr e i n f o r c e m e n tm i c r o - p i l e sm e a s u r e s r e i n f o r c e m e n tf o rt h ew a t e rc o n t e n to fe x p a n s i v es o i ll a n d s l i d eb y2 3 6 o rb e l o w a tt h es a m et i m e , t h ep r o b l e m si nd e s i g n i n ga r ep o i n t e do u t s e c o n d ，g r o u t i n ga n d s t e e lr e i n f o r c e m e n tm i c r o - p i l e sm e a s u r e sa r en o ta p p l i c a b l ef o rt h ew a t e rc o n t e n t o fe x p a n s i v es o i ll a n d s l i d eb y2 9 2 t h u sg r o u t i n ga n ds t e e lr e i n f o r c e m e n t m i c r o - p i l e sa l en o ts u i t a b l et or e i n f o r c et h eg r e a t e rw a t e rc o n t e n tl a n d s l i d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“弦) 学位论文作者签名：易蓄东 嗍文1 愀砧 弓“ 禾咋 7 l 卜 名 一 躲 一 师 2 老 ： 导期揩巨 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文通过离心模型试验，分析了钢管微型桩的受力和变形特性，总结了 注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡的适用条件，对施工设计有一定的参考 价值，对该项加固技术的进一步推广有着重要的意义。 学位论文作者签名：岛青农 日期：必既7 铱厂占 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景和选题意义 滑坡是一种常见的地质灾害，它经常中断交通、堵塞河道、摧毁厂矿， 破坏村庄和农田，从而造成生命财产的重大损失。基于上述认识，有关滑 坡的防治工程一直为世人所关注。经过多年的工程实践和理论研究，国内 外在滑坡防治的各个方面都取得了很大成就，其中支挡抗滑结构的发展应 用尤为迅速，大、小型普通抗滑桩、预应力锚索抗滑桩【l 】、预应力锚索地 梁1 2 j 等新型桩锚结构已在工程实践中大量应用，并初步形成了较为成熟的 计算理论与施工方法。抗滑桩、抗滑挡墙等抗滑支挡结构作为“重型武器 ， 成为滑坡治理的主要防治措施，在过去数十年中治住了数以千计的滑坡， 但同时也花费了巨资。重力式挡土墙由于其截面大、污工数量多、施工进 度缓慢，在地形困难、石料缺乏地区应用不便，其使用上的缺点非常明显， 后来发展的桩锚结构等重型支挡结构也有施工进度缓慢，造价高等缺点。 滑坡防治通常是一项重型工程，我国每年施工的抗滑桩超过上万根，投资 达数亿元，单个抗滑桩就达数万元到数十万元，整个工程动辄数百万p 儿引。 因此有必要开发在治理方面更有效、在经济方面更合理的支挡结构。针对 此情况，提出了加固滑坡的一种新型支挡结构注浆与钢管微型桩组合 结构。 注浆与钢管微型桩组合结构是在滑坡体抗滑段采用两排或多排钻孔， 并在平面上布设成一定形状，再向管内高压灌注水泥砂浆，水泥浆液通过 钢管上有规律的孔向桩周围土体渗透，再通过挤压、劈裂和固化等方式， 使桩周一定范围内的土体得到加固，并形成钢管+ 水泥砂浆土复合体，从 而改善钢管桩的受力情况，钢管微型桩本身具有一定抗滑作用，压力注浆能 固结滑带、钢管桩周围及钢管桩桩排间的岩土体，使其强度提高，并使钢管 桩桩排及其之间被加固的岩土体形成一个抗滑整体，以此达到加固滑坡的 目的。注浆与钢管微型桩加固滑坡山体具有工艺简单，施工速度快，施工机 具便于调集和加固效果良好的特点，近年来已由单纯的抢险、救灾、应急 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的工程措施逐渐扩展到滑坡治理、路堤加固等工程，在地形陡峻、覆盖土 层较厚的山区公路、铁路斜坡段，也是一种适应性很强的永久性支挡结构。 虽然注浆技术与钢管微型桩p j 作为相对独立的治理措施，在理论与实践中 都有一定的研究【6 1t 7 l 【8 】1 9 1 ，但在实际工程使用中大多是经验性的，没有形 成相对完善的设计计算理论。将注浆与微型桩技术结合起来的注浆与钢管 微型桩组合结构兼具有两种技术的优越性，实用性突出，但对其系统的研 究还远远滞后于工程应用，其工作原理、受力性状和设计理论很不完善。 这些都限制了此项技术的推广应用。随着我国经济的发展，更多的公路、 铁路及水电等基础建设项目将陆续展开，这将会遇到更多的边坡变形破坏 与滑坡治理工程。鉴于这种现状，完全有必要对注浆与钢管微型桩组合结 构进行深入、系统的研究，使注浆与钢管微型桩组合结构【1o l 得到更广泛推 广和应用。本论文依托国家自然科学基金项目注浆与钢管微型桩组合结 构加固滑坡理论研究，进行了注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡的离心 模型试验，对注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡的加固效果，钢管微型 桩的受力、变形特性进行了研究，验证了这种在一定条件下该加固措施的 合理性，从而为今后使用这种加固措施提供试验依据，并为此类工程的设 计提供了一定的参考依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钢管微型桩国内外研究现状 钢管桩是随着炼钢和轧钢技术的迅猛发展而出现的一种新型桩u 。美 国自1 9 0 8 开始使用钢桩，欧洲也于1 9 3 0 年起增加了钢管桩在桥墩、高层 建筑基础的使用，对钢管桩的大量使用源于上世纪5 0 年代中期的日本，由 于日本在6 0 年代经济飞速发展，加上日本国土狭小，必须在沿海软弱地基 和人工围海造地上兴建各类高大且抗震建筑物。由于钢管桩的承载力大， 能承受较大的冲击力，也能承受较大的水平力，设计灵活，桩长容易调节， 易与上部结构结合，施工简便，对临近建筑物扰动作用小，机械化施工速 度快等优点，因此钢管桩的使用量不断扩大。我国于上世纪7 0 年代开始使 用钢管桩，自在上海宝钢一、二期工程建设中大量成功使用钢管桩以来， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 随着我国经济建设的快速发展，人们对钢管桩的优越性有了进一步的认识， 钢管桩已在高层建筑物基础、地铁施工、桥梁基础等工程中广泛使用。 钢管微型桩是在小型钻孔中，下入钢管，再进行压力注浆或灌注混凝 土，形成钢管混凝土钻孔桩。微型钢管桩集中了钢管桩和微型桩的优点， 主要应用于边坡工程、基坑支护工程、桩基础加固工程等。微型钢管桩作 为抗滑桩用于边坡加固工程时有以下特点： ( 1 ) 钢管及周围的水泥浆体形成的微型桩，密布在滑体上，并嵌入潜在 滑面以下的稳定土( 岩) 层足够深度，从而对滑体产生支挡作用，提高抗滑 力。微型桩一般竖向或近似竖向设置，与岩层面( 潜在滑动面) 夹角较小， 可以承受较大剪切力和弯曲。 ( 2 ) 多排微型钢管桩在滑坡推力的作用下，能够加固桩周和桩间土体， 提高土体的抗剪强度，并且多排微型桩以及其间被加固的岩土体形成了桩 一土复合结构共同承受载荷的作用。 ( 3 ) 通过钢管压力注浆，水泥浆体对岩土体充填，挤密，加固了钢管周 围的滑坡体、滑动带及滑床下的稳定岩土体，使微型钢管桩及其周围的岩 土体共同形成了一个复合型挡土墙。 ( 4 ) 微型钢管桩桩长一般不受地下障碍物限制，需要的场地宽度小，施 工速度快，对环境破坏小。 ( 5 ) 可以单独使用或与其他支挡工程如锚杆等配合使用。微型钢管抗滑 桩一般是成排布置，主要有独立成单排布置和呈平面或空间刚架体系布置。 根据微型钢管桩在边坡治理工程中布置方式的不同，微型钢管抗滑桩所起 的作用也不同。若独立成单排布置，桩与桩之间的间隔较大，载荷主要由 桩承担，故微型钢管桩的作用相当于常规桩。若微型钢管桩作为多排群桩 的形式布置，桩与桩之间的间隔较窄，且桩顶用联系梁相互连接起来，则 载荷由桩一土复合结构共同承受，微型钢管桩及其周围的岩土体共同形成 了一个复合型挡土墙，起着抗滑挡墙的作用。 在钢管微型桩的发展过程中，许多学者和工程人员做了很多有益的工 作。 在国外，1 9 9 7 年，在美国联邦公路局的资助下，t o m a r m o u r 等人出版 了微型桩设计与施工指南1 1 2 1 ，这是迄今为止最为完整地介绍微型桩的 著作。t o m a r m o u r 等人把微型桩按照设计方法和施工工艺进行分类，较为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 详细的介绍微型桩的施工工艺和桩身材料，同时也讨论了微型桩的应用范 围以及应用局限。此专著最大的成果是详细的讨论了微型桩用于基础作用 机理，也给出了较为完善的理论设计方法，但是并没有给出微型桩应用于 边坡工程的设计理论。几乎与此同时，日本高承载微型桩 ( h i g h e a p a e i t y m i e r o p i l e s ) 协会( j a m v ) 也展开了对为型桩的研究，并于2 0 0 2 年出版了高承载微型桩震后修复既有桩基的设计及施工手册。在这份文 献中，作者着重研究了应用于震后重建的微型桩的力学行为和设计方法， 同时也研究了倾斜微型群桩( o r o u p s o r b a t t e r e d m i r e o p i l e s ) 的工作性能，文献 的主要贡献在于为两种不同的地震类型提供了不同的设计方法【l 引。 近年来，许多研究者和研究机构逐渐把研究重心转向承受侧向荷载、 循环荷载和地震荷载的微型桩。各个国家也对微型桩加固边坡的作用有不 同的看法：意大利把微型桩的作用视为加强土体的抗剪性能，日本称其为 r r pt 法( r e t i c u l a t e dr o o t s p i l e ) ，将微型桩按布置方式分为受压或受拉两 类加固方法。 c a n t o n i t 6 1 ，j u r a n 1 4 】提出了网状微型桩加固斜坡的设计方法。 a o m a r b e n s l i m a n e t l 5 1 研究了微型单桩、群桩和网状微型桩在轴向和侧向受 荷作用下的地震响应。s u n g j u n e l e e i 拍l 研究了砂土中循环轴向荷载作用下 微型单桩的力学行为，他着重研究了微型桩桩侧摩阻力与传统c i p 桩的区 别。 王恭先【1 7 】根据己有的工程经验认为抗滑微型桩比较适合治理中小型 滑坡。 丁文光【坞1 在总结国外文献的基础上，认为微型桩处理滑坡的设计时需 要考虑破坏机理：( 1 ) 相邻微型桩之间土体的塑性变形；( 2 ) 滑面以上被加固土 体的滑动；( 3 ) 复合截面上结构的破坏：同时也给出了粗略的设计步骤：( 1 ) 计算 滑坡推力；( 2 ) 计算相邻桩间土体塑性变形的稳定性，确定微型桩横向间 距；( 3 ) 计算结构的抗滑稳定性，确定微型桩的总数：( 4 ) 复合截面的结构分析， 确定微型桩的排距；( 5 ) 计算微型桩锚固长度和钢筋与锁口梁的粘结长度，确 定微型桩桩长。 史佩栋、何开胜i l9 j 讨论了网状微型桩承受横向荷载时的设计方法，把 网状微型桩与土的复合结构当作“有筋土墙 ，给出完全不考虑桩土粘结和 考虑桩土完全粘结的理论计算公式，也给出了考虑桩土部分粘结的经验计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 算公式。在完全不考虑桩土粘结的情况下，将总荷载平均分配给单桩；在桩 土完全粘结的情况下，利用钢筋混凝土梁的计算方法计算“有筋土墙 ，梁 中的“钢筋 就是桩，“混凝土胗就是地基土，并认为地基土的抗拉强度为 零。但是常规计算钢筋混凝土矩形断面梁的“n 一法因为桩上模量相差 太大，并不实用。 冯君等人1 2 0 l 利用空间析架微型桩体系加固顺层岩质边坡，认为可将微 型桩的力学边界条件和位移边界条件等效为以下形式：即滑面以上桩与桩 之间用弹簧相连，用于模拟桩一岩土一桩之间的相互作用，根据桩间岩土 体的力学性质按“k 法或“m 法计算出地基弹性抗力系数k ，滑面以下 为稳定基岩，因此滑面以下各桩分别施加弹性支承，模拟滑床对桩一岩土 体复合型结构的弹性支承作用，地基弹性抗力系数根据滑床岩体的力学性 质按“k 一法或“m 法计算。 白晨光等【2 1 1 由于基坑周边空间狭小的原因，将具有抗弯功能微型桩成 功地进行了基坑支护：蒋鹏程等1 2 2 l 将树根桩应用于加固高路堤边坡研究； 丁光文【7 l 提出了微型桩在整治滑坡工程过程中的两种作用：边坡加固 作用和重力式挡墙作用。又基于整个微型桩结构共同作用的假设提出了微 型桩的设计步骤，并将其应用于鹰厦铁路k 1 1 3 + 3 4 4 k 1 1 3 + 4 4 0 段路堑边坡 的治理工程，取得较好效果。 陈礼剖2 3 j 总结了微型桩配合土钉墙支护基坑的成功经验； 谢晓华【9 l 等介绍了微型桩在某滑坡防治工程中应用的情况，讨论了花 管注浆加固与微型桩方案的优缺点。 龚健【2 4 1 对软土地基中的微型桩单桩及群桩进行了水平荷载试验，并对 试验结果进行了分析。试验结果表明，微型桩有较好的抵抗水平荷载的能 力，尤其是斜桩基础能有效地减小水平荷载引起的位移。 朱宝龙【2 5 1 等在钢管压力型抗滑挡墙在京珠高速公路k 1 0 8 滑坡治理中 的应用一文中，提出了钢管压力注浆型抗滑挡墙是一种将注浆方法与微 型桩群方法联合使用的技术，受力分析时可看作一个抗滑挡墙，其最大特 点是将滑坡中的一部分滑动体加固成抗滑体来达到对滑坡治理的目的。以 京珠高速公k 1 0 8 滑坡为例，采用钢管压力注浆型抗滑挡墙加固后，通过检 验得出，压力注浆对滑坡岩土体的力学性质有较大改善作用，对该处的滑 坡治理取得了较好的治理效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 目前我国将微型桩在滑坡治理中的应用比较广泛，但是对微型桩的抗 滑机理、加固机理的理论和试验研究尚少，对微型桩的设计计算也没有一 套成熟的理论。钢管微型桩结构是一个较为复杂的系统，迄今为止，对桩 与土的共同特性不能作出准确的理论分析，在实际设计中，桩土的许多参 数都是经验性的设计方法完全照搬桩基的设计理论。这样容易造成设计过 于保守造成资源浪费或设计不足达不到治理效果。 1 2 2 注浆国内外研究现状 注浆是借助于压力( 液压、气压) 或电化学的原理将具有胶凝能力的浆 液通过一定的管路注入土层( 或岩层) 中的空隙、裂隙与空洞中，将其中的 水分与空气赶走，将松散破碎的岩( 土) 层胶结起来，以达到改善岩( 土) 层 性能( 降低岩、土层的渗透性：提高岩、土层的强度与承载能力；减少岩、土 层的变形) 的目的的一种施工方法，主要有压密注浆、渗透注浆、劈裂注浆 与高压旋喷注浆四种【2 6 】。注浆技术目前已成为我国岩土工程技术领域的一 个重要分支，它具有施工设备简单、投资小、损耗少，操作工人少，工期 短、见效快，施工中产生的噪声和振动小、对环境影响小，在狭窄的场地 和矮小的空间均可施工，加固深度可深可浅、易于控制等许多优点【27 1 2 8 1 。 因而这种方法在土建、市政工程、水利电力、交通能源、隧道、地下铁道、 矿井、地下建筑等众多领域被广泛的应用，具有很好的经济效益和社会效 益【2 9 1 。 1 、注浆技术的发展 注浆的应用始于1 9 世纪初法国。1 8 0 2 年法国人查理斯贝里格尼首 次用冲击泵注入粘土和石灰加固港口砌筑墙：随后，英国汤姆孙隧道开始用 水泥浆填充注入：1 8 8 4 年，英国在印度建桥时首次采用化学药品固结砂获 得成功：1 8 8 7 年，德国切撒尔斯基利用一个钻孔注浓水玻璃，临近孔注氛 化钙，创造了原始的硅化法。二十世纪初，水玻璃注浆液及双液单系统、 双液双系统注入方式先后在比利时、荷兰得到应用直至现在。其后各国在 注浆技术的发展主要集中在浆材的发展及注入方式的研究1 3 0 1 。 就现代化的注浆技术而言，我国起步较晚，5 0 年代以前所做的工作甚 少，5 0 年代开始初步掌握注浆技术1 3 1 1 。我国于6 0 年代开始在水电行业采 用静压注浆法进行坝基基础注浆，随后冶金、煤炭、建筑、交通和铁道等 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 部门相继应用在矿山并巷、软基加固、边坡治理等。我国从7 0 年代未在铁 道行业开始进行高压喷射注浆法的研究和应用，随后在冶金、煤炭、水电、 建筑、交通等各部门进行了大量的工程应用。在注浆材料方面，我国于5 0 年代末和6 0 年代初，开始有机高分子化学注浆材料的研究工作，特别是我 国中科院著名化学家戴安邦研究员提出的硅酸聚合机理，较好地解释了水 玻璃的胶凝现象，推动了我国水玻璃注浆材料的发展，与此同时，结合工 程进行了实验和试用。如东北工学院的杜嘉鸿教授研制的无铬木素浆液和 硫木素浆液等高分子浆液。目前我国可自行生产水玻璃、丙烯酞胺、木素、 尿醛树脂、聚氨脂、环氧类、超细水泥、硅粉等多种注浆材料。在注浆设 备方面，我国自行研制了高压注浆柱塞泵、注浆钻机、调速齿轮泵、隔膜 式计量泵、高压管、混合器等注浆设备，注浆设备基本能自行生产。经过 近四十年的发展，我国注浆技术己经很成熟了，据不完全统计，目前我国 从事注浆研究和施工的人员、单位近年猛增，大小注浆公司近百家。综上 所述，这些均充分说明我国的注浆技术( 无论材料、方法、应用及规模) 均 已跻身于国际先进行列。 2 、注浆的问题及发展前景 注浆工法加固地层，随着发展应用已逐渐被人们所认识，尤其得到工 程界的重视。但存在的问题和发展前景也显而易见地突出来，目前存在的 主要问题是尚无完好的检测注浆工法的注入范围和判断固结状态的方法， 亦即达到注浆设计目的的可靠性差，这是该工法最大的缺点。由于解决这 些问题的软科学知识少，目前注浆施工还是靠经验进行设计和施工，而这 些已不能适应现实的需要，因此充实该领域的技术进步的欲望极为迫切， 随着科学技术的进步，计算机软件的开发应用，通过大力组织攻关是可以 解决好以上问题，该技术的应用领域会更广泛p 引。 1 3 土工离心模型试验的发展状况 1 3 1 国外发展状况 1 8 6 9 年1 月，法国人e d o u a r dp h i l l i p s 首先提出了采用离心机做模型试 验的设想。这一设想是将离心模型应用于研究法国到英国横跨英吉利海峡 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的大铁挢，根据弹性体的平衡方程推导出原型与模型之间的相似关系，提 出利用离心机产生的惯性力来增加模型的重力，用来研究结构的特性1 3 引。 但限于当时的条件，没有得到应用f 3 4 】。直到1 9 3 1 年，美国哥伦比亚大学 p h i l i pb u c k y 将此技术应用于煤矿坑顶稳定性的模型试验中【3 引，所用的离 心机半径仅为2 5 c m ，因所用离心机半径过小，未取得有价值的成果，在土 木工程界并未引起应有的重视。1 9 3 2 年，前苏联以鲍克洛夫斯基 ( p o k r o v s k y ) 和费德洛夫( e c f e d o r o v ) 为代表的学者们开始在大中型离心 机上对离心模拟技术进行了广泛的研究。从1 9 3 2 年之后约2 0 年，前苏联 先后建设完成了十多台离心机，研究领域涉及了土坝和土坡稳定、隧洞土 压力、运河工程、沼泽软土、矿山工程、挡土墙振动土压力以及土木工程 的许多领域。虽然6 0 年代后期建置的离心机规模稍大，半径达到2 - 2 5 m ， 并于1 9 7 4 年在巴库建成前苏联最大的离心机，半径5 5 m ，容量达到1 5 0 0 9 t ， 但由于其结构形式较为单一，加之测量设备较为简单，限制了它在岩土工 程研究领域中更大的发展p 引。 2 0 世纪6 0 年代后期，继美国和前苏联之后，离心模拟技术开始在英 国和日本发展起来。英国先后在s c h o f i e l d 等的领导下建立了近1 0 台离心 机【3 刀，在剑桥大学、曼彻斯特大学的科学技术研究所和西蒙工程试验室， 利物浦大学建立了四个土工离心模拟技术研究基地，以斯科菲尔德 ( ( a n s c h o f i e l d ) 和罗尔( p w r o w e ) 两位教授为中心开展研究，他们都是 研究土的本构关系的先驱者，坚定认为土的本构模型及其数值计算方法的 可靠性必须通过物理模型，即离心模型试验来验证。在日本，研究离心模 型试验最早的是大阪市立大学三笠正人( m m i k a s a ) 教授，他认为利用离 心模型试验研究土坡稳定、地基承载力是可靠而有效的方法。他曾利用离 心模型研究高9 0 m 堆石坝的抗震稳定、粘土层内钢板桩的破坏以及软粘土 自重作用下的固结理论。此后，日本除运输省港湾技术研究所建置了半径 3 3 m 的大型离心机外，东京工业大学研究机构也先后建立了类似的小型离 心机。1 9 6 9 年，第七届国际土力学与地基工程学术会议在墨西哥举行，在 会上来自英国、前苏联、日本的学者提交了关于离心模型试验方面的研究 论文，研究内容基本上都是土体边坡的稳定问题。 到了1 9 8 5 年，世界上有2 0 多个研究小组开展离心模型试验技术研究， 分布在英国、美国、日本、法国、丹麦、前联邦德国、意大利、荷兰、中 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 国等1 0 多个不同的国家。1 9 8 1 年国际土力学与基础工程学会成立了离心 模型技术委员会，以期扩大在该领域研究中各个国家、机构的联系，促进 技术交流。1 9 8 5 年国际土力学与基础工程学会在美国旧金山举办了第一次 关于离心模型试验技术的专题学术研讨会，会议出版了离心模型在上力学 中应用的第一本论文集。这次会议极大地推动了离心模型试验技术研究的 发展，成为离心模型试验技术的一个新的起点。 1 3 2 国内发展状况 我国早在五十年代中期就了解到模型试验在模拟土工建筑物原性状和 研究土力学基本理论等方面的良好作用。水利水电科学院曾收集了一些资 料，初步考虑了设置离心机的可行性。长江水利水电科学研究院在前苏联 专家的协助下也着手筹建容量为4 0 0 9 t 的大型离心机，不过限于当时的客 观条件，该项工程未能最终完成。1 9 8 0 年和1 9 8 4 年黄文熙教授先后率团 访问英国和美国，在考察土工离心模型试验技术后指出：“土工离心机模型 试验己成为验证计算方法和解决土工问题的一种强有力手段，是“土工模 型发展的里程碑 j 1 4 例。 7 0 年代末，长江科学院建成一台容量1 5 0 缈的较大型离心机，并于1 9 8 3 年正式运行。八十年代上海铁道学院、成都科学技术大学、南京水利科学 研究院、河海大学也分别建造了容量2 0 西至l o o g t 的中小型土工离心机。 在国家“七五 科技攻关期间，中国水利水电科学研究院建造了一台最大 加速度3 0 0 9 ，容量4 5 0 9 t 的大型土工离心机，该机于1 9 9 0 年建成，1 9 9 1 年正式投入使用1 4 ，南京水利水电科学研究院也同时建造了一台最大加速 度2 0 0 9 ，容量4 0 0 9 t 的大型土工离心机【4 2 】；清华大学水利水电工程系于1 9 9 3 年建成最大加速度2 5 0 9 ，容量5 0 昏的土工离心机。 通过近几十年的努力，我国土工离心模拟技术已取得很大发展，并于 1 9 8 7 年和1 9 9 1 年分别在武汉长江科学院和上海铁道学院召开了两届全国 土工离心模拟技术交流会。与国外主要进行工程机理、验证理论的研究内 容相比，我国在运用离心模型试验研究解决工程实际问题方面形成了自己 的特色，先后结合三峡围堰工程、三峡高边坡工程、瀑布沟坝基防渗墙、 小浪底斜墙堆石坝、天生桥面板坝、京九铁路加筋挡土墙、深圳五湾码头、 上海地下铁道、南水北调穿黄隧道工程、苏通长江大桥超长桩基础等国家 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 大型重点工程项目建设完成了大量的研究工作，还开展了加筋土机理研究、 边坡稳定、非饱和土、地震液化、新型大圆筒码头结构、软土地基加固机 理、污染物的迁移等方面的基本理论研究。从研究水平和软硬件设施上都 与国外基本保持同步。 l 。3 3 注浆与钢管微型桩的离心模拟试验研究 早期的边坡离心模型试验1 4 3 j 主要是为了研究边坡在实际条件下的变形 稳定性，为工程设计与施工提供可靠的依据，后来则主要是研究边坡形状、 材料以及加载因素等对边坡变形稳定性的影响以及滑坡发生的机理1 4 4 j 【4 5 1 f 4 6 l 0 英国立物浦大学( u n i v e r s i t yo fl i v e r p 0 0 1 ) 以及剑桥大学( u n i v e r s i t y o f c a m b r i d g e ) 有很多学者采用土工离心机研究各类桩基的特性，如n u n e z 等人 1 4 7 1 研究承受拉力的桩基，l y n d o n 等人f 4 8 】研究承受侧向荷载的大1 2 径桩在砂 土地基中的表面摩擦特性，试验采用的离心机加速度为7 0g ，保持干砂地基 的密度和桩长不变，对于不同的桩径、桩侧摩擦力以及侧向荷载的情况进行 了比较试验，发现在荷载较大的情况下，桩侧的摩擦力对桩体变形的影响较 大，光滑的桩变形较大，在桩体内产生的弯矩也较大，最大弯矩与侧向荷载呈 线性关系。 南京水科院魏汝龙等【4 9 】【5 0 j 曾采用铝合金模型方桩( 7 8m m 4 5r a m ) 和高岭土地基及岸坡模拟码头围堤桩基在边坡变性情况下的运行情况，试 验和计算比较了桩基直立的方案和增加一组斜桩( 顶桩或插桩方案) ，认为后 者大大增强了围堤的抗滑稳定，减少了侧向变形。通过与有限元分析结果比 较，认为试验值与计算值之差小于1 5 。 吴庆勇1 5 l 】通过南京水利研究院4 0 0 9 t 大型土工离心机，模拟了单、群 桩在竖向荷载作用下的受力性状。考虑了无泥皮和有泥皮两种情况，同时 通过在桩身埋设应变计来观测受竖向荷载作用下的单桩与群桩的应力一应 变特性，并且采用4 个不同桩距的群桩，研究了群桩的承台效应。 高长胜等人p 2 l 通过离心模型试验，对不同桩位与桩头条件下采用抗滑 桩加固边坡的变形破坏特性进行研究得出：设在边坡中部的抗滑桩在边坡 破坏前桩头水平位移最大，而在相同的破坏载荷作用下，设在中部的抗滑 桩比设在上、下部以及桩头固定比桩头自由时边坡破坏后的位移矢量要小， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 并得出抗滑桩设边坡中部以及桩头固定对边坡土体的遮挡效果及边坡安全 系数的提高最好的结论。 从目前的试验研究来看，专门针对钢管微型桩的试验研究较少，而对 钢管微型桩承受侧向荷载的研究也局限于单桩或成排的微型桩群，对于在 工程上已经应用的其他排列组合形式，如矩形、圆形截面的不成排微型抗 滑桩群却少有研究。由于研究的侧重点不一样，大部分学者对微型桩( 群) 侧向抗力的研究是将其视为桩基而进行的，在试验研究中对微型桩采用的 受载方式与微型抗滑桩的实际受载方式存在一定的差异。虽然如此，上述 试验研究的思路及一些结论还是为钢管微型桩的深入研究提供了有益的借 鉴。 钢管微型桩作为一种新型支挡结构，在边坡治理、滑坡修复及深基坑 支护工程中都已经得到广泛的应用，其应用发展中存在的一些问题迫切需 要广大科研工作者的深入研究和探讨，需开展专门针对微型桩的模型试验 研究，系统全面地分析钢管微型桩工作性状：如组合结构的整体力学性能、 荷载传递效应及破坏模式等。 1 4 研究目标、研究内容 1 4 1 论文研究目标 本论文依托国家自然科学基金项目注浆与钢管微型桩加固滑坡理论 研究，采用离心模型试验，对注浆与钢管微型桩组合结构加固滑坡进行室 内试验研究。研究注浆与钢管微型桩加固滑坡的工作状况、变形性状和边 坡的破坏模式以及注浆与钢管微型桩加固滑坡的适用条件。 1 4 2 研究内容 本文首先阐述了土工离心机的试验原理、离心机的力场与特性，为本 次注浆与钢管微型桩加固滑坡离心模型试验的方案的确定提供了理论基础； 然后对西南交通大学的土工离心机进行了简单叙述，根据试验原理提出本 次试验的各项主要模拟技术，包括：钢管微型桩的模拟；注浆效果的模拟；量 测技术的模拟等等：并结合实验室的现状与本次试验目的，确定了本次离心 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 试验的方案和步骤。 主要通过离心模型试验，观测注浆与钢管微型桩加固滑坡的加固效果， 总结注浆与钢管微型桩加固滑坡的工作状况、变形性状以及边坡破坏模式， 注浆与钢管微型桩的受力特性、变形特征和作用机理。研究内容体现在以 下几个方面。 l 、通过无加固措施和注浆与钢管微型桩加固措施的两组对比试验，检 验注浆与钢管微型桩加固滑坡的作用机理和加固效果，在此基础上通过含 水量的变化，分析注浆与钢管微型桩在两种不同含水量条件下加固滑坡时 的加固效果。 2 、对于无加固措施，通过实验结果的坡顶沉降，坡体水平位移，坡内 土体位移变形等方面分析，反映其坡体的变形破坏情况。 3 、对于注浆与钢管微型桩加固滑坡的效果，通过坡项沉降，坡体水平 位移，坡内土体位移变形以及对钢管微型桩的受力和变形分析，评价注浆 与钢管微型桩的加固作用和效果，得出该加固技术的使用条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章土工离心模型试验原理 2 1 土工离心模型试验的意义 土工离心模型试验技术是土力学和岩土工程领域中的一项新的物理模拟 技术，主要应用于：( 1 ) 模拟工程原型，为设计提供依据；( 2 ) 用试验数据验证和 发展土的本构模型及计算软件；( 3 ) 岩土工程的应用性基础研究和新现象研究， 为解释和发展诸如液化等现象的理论提供依据：( 4 ) 参数研究，为设计图表提供 数据；( 5 ) 教学；( 6 ) 军事用途。 土工离心模型试验的引入与发展有着重要意义。为精确计算土工建筑物 的变形和稳定问题，近代引入多种弹性、非线性和弹塑性模型，但获得计算 所需的物理参数却相当困难。同时，由于土工结构材料性质十分复杂，即使 严密的理论，也必须经实践验证才具适用性。这正是目前土工结构计算仍然 采用一些简便的计算方法加上安全系数的原因。在工程实践中，在施工期间 和竣工后，对原型工程进行现场量测和试验，以验证计算中假定的可靠性， 仍然是目前常用的工程研究方法之一。然而这些工作若能在工程之前完成， 对工程进行预测，甚至验证，则意义就更为重要。为此，不少工程设计在施 工之前，常利用小比例模型研究原型的整体或局部的表现，以免在费用上造 成浪费。但小比例模型试验所取得的资料都是定性的。如果想取得定量的资 料，就要制作较大的模型，甚至达到1 ：1 比尺的原型来进行模型试验。但模 型尺寸越接近实际结构物的尺寸，试验费用就越高，试验周期越长。同时， 在控制试验的条件上相应也带来许多困难。另外，土的力学性状与土受力时 所处的应力水平密切相关，土工结构和地基土层的应力、变形等性状主要由 土体自重产生，对模型除必须与原型保持几何相似外，还应使模型和原型二 者相对应的各点的应力一应变满足相似条件的要求。在一般的土工模型试验 中，如挡土墙、浅基础等许多模型试验，虽然取得了有一定意义的成果，但 其最大缺陷是不能模拟结构物所受的重力，因而对土与结构物的相互作用也 不能反映原型的真实表现，于是这类土工模型试验的实用价值是有限的。土 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 工建筑物或地基工程中，自重是一个主要的荷载，因此如何达到自重应力水 平而又不改变土的基本性状，就成为土工物理模型试验中的关键问题。要解 决这一问题，只有使模型置于加大的重力场中才能实现。于是，离心模型试 验就成为工程施工之前，预测建筑物( 构筑物) 的工作性状，验证设计参数及 计算结果和验证土的本构模型的强有力手段，对于特定工程在实施前作方案 比选直至破坏研究方面，尤具独特的经济效益和社会效益，这就使离心模拟 技术能够在岩土工程和土力学各个领域中得到广泛应用，也是近几十年来国 内外土工离心模拟技术飞速发展的主要原因。 2 2 离心模型试验的基本原理 2 2 1 概述 常规物理模型试验由于是在1 9 的重力场中进行试验，所以对建筑物结构 进行试验分析时，由于受到建筑物结构尺寸和试验时间的限制，很难对其整 体以及在很长运行过程中的情况进行试验分析。而将试验模型通过一定的缩 尺放置在行倍的重力场中，这些问题就都可以得到很大程度的解决，这就是 利用相似模拟来研究解决问题的方法。离心模拟技术就是其中有代表性的一 种。 离心模拟试验是把土工模型置于高速旋转的离心机所产生的离心力场 中，借助离心力场的作用来模拟土工结构物的自重惯性力。将模型置于馏的 重力场中，使模型材料加重行倍，将模型中点的自重应力提升至与原型中对 应点等量的程度，使模型满足重力相似条件，使常规物理模型试验中