（环境工程专业论文）注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究.pdf

注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 国家自然科学基金项目( n o 4 0 7 0 2 0 4 4 ) 资助 学位论文完成同期：垂型里：! 丝： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 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，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 东龋 签字日期：叫。年多月哆日 翩签字：友、蹶 签字日期：铆睁“月哆日 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 摘要 岩土边坡稳定问题一直是岩土工程界广泛关注的问题。注浆微型钢管组合桩 作为一种新型抗滑结构，以其施工方便、适应能力强等优点在边坡加固和滑坡治 理尤其是一些应急、抢修工程中都得到了广泛应用，但目前对于微型组合桩的抗 滑作用机理尚缺乏系统全面的认识。 论文主要对注浆微型钢管组合桩在土质边坡中的抗滑工作性状开展模型试 验研究。考虑不同的微型桩组合截面形式，对单排微型桩、桩排距分别为2 d ( d 为微型桩的直径) 、4 d 、6 d 和8 d 的矩形截面微型组合桩以及桩间距分别为2 5 d 、 4 d 和6 d 的圆形截面微型组合桩进行了室内模型试验。根据模型试验结果，对矩 形截面和圆形截面组合形式下注浆微型钢管组合桩的荷载分布特征、桩的内力变 形特征及其破坏模式进行了分析，给出了不同工况下微型组合桩的工作性状。 试验研究结果表明：微型组合桩从开始承担水平推力到破坏可分为三个阶段，分 别为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段，且不同的阶段，各单桩的受力存 在一定的差异；微型组合桩中各单桩的破坏模式为双塑性铰破坏。组合桩内的各 桩排间距越小，各桩后塑性区土体发生应力重叠的几率越大，从而可能导致组合 桩整体抗滑性能的下降；而组合桩内各桩排间距越大，则组合桩的整体协调性能 也就越差，同样可以导致组合桩整体抗滑性能的降低，因此，合理的桩间距应该 使群桩不利效应相对较低而整体协调性能相对较高，从而能够使微型组合桩发挥 其最大的承载性能。本次模型试验中，排距为6 d 的矩形截面微型组合桩和桩距 为6 d 的圆形截面微型组合桩的加固效果最佳，建议在实际工程中可优先考虑采 用桩排距为6 d 的矩形截面或桩间距为6 d 的圆形截面微型组合桩。 关键词：注浆微型钢管组合桩；模型试验；土质边坡；工作性状 m o d e lt e s t so ng r o u t e dm i c r os t e e l t u b ec o m p o s i t ep i l ei n e a r t hs l o p e a b s t r a c t g e o t e c h n i c a ls l o p es t a b i l i z a t i o np r o b l e mh a sb e e nb e c o m i n go n eo fm o s t i m p o r t a n tp r o b l e m si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d a ta l lt i m e s g r o u t e dm i c r o s t e e l - t u b ec o m p o s i t ep i l ei san e wt y p eo fr e t a i n i n gs t r u c t u r e w i t ht h ea d v a n t a g eo f i t sc o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y , t h ec o m p o s i t ep i l e sa r ew i d e l y u s e di ns l o p es t a b i l i z a t i o na n dl a n d s l i d er e m e d i a t i o n ，e s p e c i a l l yi ne m e r g e n c yr e p a i r p r o j e c t s h o w e v e r , i ti sl a c ko fs y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go nh o w a n dw h yt h et e c h n i q u ew o r k s i nt h i sa r t i c l e ，m o d e lt e s t sa r ed o n et os t u d yt h ea n t i - s l i d i n gb e h a v i o ro ft h e g r o u t e dm i c r os t e e l - t u b ec o m p o s i t ep i l e si ne a r t hs l o p e i nc o n s i d e r a t i o no fd i f f e r e n t s e c t i o ns h a p eo fc o m p o s i t em i c r o p i l e s ，t h et e s t i n gp r o g r a m sa r ed i v i d e di n t ot h r e es e t s ， t h a ti s ，o n er o wp i l em o d e l ；r e c t a n g l ec r o s ss e c t i o nc o m p o s i t em i c r o p i l em o d e l sw i t h r o wd i s t a n c e so f2 d ，4 d ，6 da n d8 d ( di sp i l ed i a m e t e r ) ；a n dc i r c u l a rc r o s ss e c t i o n c o m p o s i t em i c r o p i l em o d e l sw i mp i l es p a c i n g so f2 5 d 4 da n d6 d b a s e do n t h et e s t r e s u l t s ，t h el o a dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h e i n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o n b e h a v i o r so fp i l e s ，a n dt h ef a i l u r em o d e so fr e c t a n g l ea n dc i r c u l a rc r o s ss e c t i o n c o m p o s i t em i c r o p i l e s a r ea n a l y z e d t h eb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t e m i c r o p i l e su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d ea r ep r o p o s e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h r e eb e h a v i o r a ls t a g e so fc o m p o s i t em i c r o p i l e s ，t h a ti s ，e l a s t i cd e f o r m a t i o n s t a g e ，p l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g ea n df a i l u r es t a g e t h em o b i l i z e df o r c eo fe a c hp i l e d i f f e r si nd i f f e r e n ts t a g e t h ed a m a g ef o r mo fe a c hp i l ei nc o m p o s i t em i c r o p i l e sc a n b ed e f i n e da sd o u b l ep l a s t i ch i n g e sf a i l u r e w h e nt h ep i l es p a c i n go rr o wd i s t a n c e d e c r e a s e s ，t h ep r o b a b i l i t yo ft h ep l a s t i cz o n eo fs o i lb e h i n dt h em i c r o p i l e sc r o s sa n d o v e r l a pi n c r e a s e s ，w h i c hm a yd e g r a d e t h eo v e r a l la n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o p i l e s ；o nt h ec o n t r a r y , w h e nt h ep i l es p a c i n go rr o wd i s t a n c ei n c r e a c e s ，t h e o v e r a l lc o o r d i n a t i o np e r f o r m a n c eo fm i c r o p i l e sd e g r a d e s ，w h i c ha l s oc a nd e g r a d et h e o v e r a l la n t i - s l i d i n gp e r f o r m a n c eo fm i c r o p i l e s t h e r e f o r e ，r e a s o n a b l ep i l es p a c i n g s h o u l dr e d u c et h ea d v e r s eg r o u pe f f e c to fm i c r o p i l e sr e l a t i v e l y ，i m p r o v et h eo v e r a l l c o o r d i n a t i o np e r f o r m a n c eo fm i c r o p i l e sr e l a t i v e l ya n dc a nm o b i l i z et h eg r e a t e s tl a t e r a l b e a t i n gc a p a c i t y i n t h i s t e s t i n gp r o g r a m s ，r e c t a n g l e c r o s ss e c t i o nc o m p o s i t e m i c r o p i l e s 、航t 1 1r o w d i s t a n c eo f6 da n dc i r c u l a rc r o s ss e c t i o nc o m p o s i t em i c r o p i l e s w i t l lp i l es p a c i n go f6 dh a v eo p t i m u mr e i n f o r c e m e n te f f e c t s ot h e s et w og e o m e t r i c a r r a n g e m e n t sa r es u g g e s t e dt ob ec o n s i d e r e da sp f i o d 够i np r a c t i c a lp r o j e c t s k e yw o r d s ：g r o u t e dc o m p o s i t em i c r o s t e e l - t u b ep i l e s ；m o d e lt e s t ；e a r t hs l o p e ； b e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 1 绪论1 1 1 研究课题的提出1 1 2 微型桩的应用研究现状2 1 2 1 微型桩的分类2 1 2 2 微型桩应用发展历程5 1 2 3 微型抗滑桩设计计算方法国内外研究现状7 1 2 4 微型抗滑桩试验研究现状1 1 1 2 5 几个问题的探讨1 2 1 3 本文研究内容1 3 2 注浆微型钢管组合抗滑桩模型试验简述1 5 2 1 概j 盔1 5 2 2 模型试验设计15 2 2 1 相似条件15 2 2 2 模型试验装置16 2 2 3 模型材料2 0 2 2 5 量测项目和量测方法2 4 2 3 试验步骤及过程2 7 3 矩形截面微型组合桩模型试验结果及分析。3 1 3 1 单排微型桩试验结果及分析3l 3 1 1 荷载位移分析31 3 1 2 桩身内力变形分析3 2 3 1 3 滑面上桩身土压力分布情况3 6 3 1 4 单排微型桩的工作性状3 7 3 2 矩形截面组合桩试验结果及分析3 8 3 2 1矩形截面组合桩( 2 d 排距) 试验结果及分析3 8 3 2 2 矩形截面组合桩( 4 d 排距) 试验结果及分析4 4 3 2 3 矩形截面组合桩( 6 d 排距) 试验结果及分析5 0 3 2 4 矩形截面组合桩( 8 d 排距) 试验结果及分析5 6 3 3 矩形截面组合桩试验结果综合分析6 2 3 3 1 位移特征比较6 2 3 3 2 微型桩的受力特征6 4 3 3 3 桩土相互作用分析6 7 3 3 4 误差分析6 8 3 4 本章小结6 8 4 圆形截面微型组合桩模型试验结果及分析7 0 4 1 圆形截面组合桩( 2 5 d 桩距) 试验结果及分析7 0 i v 4 1 1 荷载位移分析7 0 4 1 2 桩身内力变形分析7 1 4 1 3 滑面上桩身土压力分布情况7 4 4 1 4 圆形截面微型组合桩( 2 5 d 桩距) 的工作性状7 6 4 2 圆形截面组合桩( 4 d 桩距) 中试验结果及分析7 6 4 2 1 荷载位移分析7 6 4 2 2 桩身内力变形分析7 7 4 2 3 滑面上桩身土压力分布情况8 0 4 2 4 圆形截面微型组合桩( 4 d 桩距) 的工作性状8 1 4 3 圆形截面组合桩( 6 d 桩距) 试验结果及分析8 1 4 3 1 荷载位移分析8 1 4 3 2 桩身内力变形分析8 2 4 3 3 滑面上桩身土压力分布情况8 5 4 3 4圆形截面微型组合桩( 6 d 桩距) 的工作性状8 6 4 4 圆形截面组合桩试验结果综合分析8 6 4 4 1 位移特征比较8 6 4 4 2 桩身内力变形对比分析8 8 4 4 3 滑面上土压力对比分析9 1 4 5 本章小结9 2 5 结论与展望。9 4 5 1 结 仑9 4 5 2 展望9 5 参考文献9 7 1 改谢1 0 0 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果1 0 1 v 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 1 绪论 1 1 研究课题的提出 随着现代城市建设的迅速发展和人口的高速增长，土地资源越来越紧张，人 类不得不开挖山体、利用有限的切坡地面进行各种工程建设和房屋开发，特别是 近年来铁路和高速公路以及水利等工程的大规模建设，这势必带来岩土边坡稳定 问题。由于不合理的开发利用及防护不当，经常出现大量的天然或人工边坡滑塌 失稳，造成人员和财产的重大损失【1 】。有人估计我国每年因滑坡灾害损失约2 0 - 3 0 亿元【2 】。滑坡灾害不仅造成巨大经济损失，而且有很大的社会和政治影响，因此 愈来愈多的人认识到防灾减灾也是促进国民经济的发展，也是解放和发展生产力。 如何有效地防治滑坡灾害，又能充分地利用有限的土地资源，成为岩土工程界广 泛关注的问题。 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在边( 滑) 坡防治工程的各个方面 取得了很大成就，其中抗滑支挡结构的发展应用尤为迅速。设置大口径抗滑桩、 抗滑挡墙等支挡结构或把滑体锚固的方法是目前常用的改善滑坡力学条件的有 效措施。但由于滑坡具有不可预见性和突发性特点，常规的措施和方法常常受到 地形交通条件、时间等方面因素的影响而难以实施，特别是在对一些突发性的滑 坡灾害抢险工作中，要求必须先采取应急措施，以缩短抢险时间，减少经济损失 【3 】；其次，普通抗滑桩通常都是采用增大桩体横截面( 或直径) 和材料强度的办 法来提高其抗滑能力，设计、施工过程中不仅不经济，而且会对已有滑坡有加剧 不稳定的影响；再次，对于一些特殊的地形，由于土质疏松、岩性较差、地下水 过多、地势较陡，使得开挖难度颇高，特别是在周围建有高层建筑群，开挖中可 能造成建筑群的震动、甚至坍塌，加上施工周期长，产生新的小规模滑坡，使得 施工方不得不花大力气去整治，甚至有些场地大型机械设备无法进场。鉴于传统 抗滑结构的上述缺陷，在复杂的地形、地质、交通和场地条件下，使用起来较为 困难，故迫切需要研究和应用新的抗滑桩技术1 4 。 目前，微型桩作为一种新型抗滑结构由于其在解决复杂地基和边坡稳定等问 题方面的优势，已经在国内外的一些滑坡防治、挡土结构、边坡支护( 深基坑开 挖支护、铁路路堤) 等抗滑工程中得到应用，并取得了较好的工程效果。所谓的 微型桩( m i c r o p i l e s ，d f i & f h w a ) ，又称树根桩( r o o tp i l e s ) ，迷你桩( m i n i p i l e s ) 或小口径钻孔组合桩( s m a l ld i a m e t e rg r o u t e dp i l e s ) ，口径小于3 0 0 m m ，长径比 较大( 一般大于3 0 ) ，桩体主要由压力灌注之水泥( 砂) 浆或细石混凝土与加筋 材所组成，依据其受力需求，加筋材可为钢筋、钢棒、钢管或型钢等。由于其孔 径较小，钢筋较多，施工工艺和锚杆类似，因此在工程上也常被称为大锚杆1 5 j 。 1 1 2 微型桩的应用研究现状 1 2 1 微型桩的分类 1 2 1 1 按用途分类 微型桩组合结构按用途可以分为结构承载型( s t r u c t u r es u p p o r t ) 和原位加固 型( i n s i t ur e i n f o r c e m e n t ) 5 一。 a 结构承载型( s t r u c t u r es u p p o r t ) 结构承载型微型桩，顾名思义，这种组合结构直接承受来自上部结构的荷载， 它主要有以下几个方面的应用。 ( 1 ) 新建工程 如果用微型桩代替传统桩，不仅可以相对增加桩身表面积，而且可以充分调 动桩间土体的抗压能力；工程实践证明，这种微型桩结构也具有很好的承受横向 荷载的能力。采用微型桩基础的新建工程，通常按桩基或复合地基理论进行基础 设计。 ( 2 ) 托换工程 基础托换工程是指对已有建筑物的地基加固。微型桩加固旧有结构基础的作 用主要表现在以下几个方面：阻止现有基础的下沉；提高现有基础的承载能力； 修复或者取代已经损坏的基础；可以抬高已经发生下陷的基础；传递上部荷载。 微型桩与现有基础有很好的联结效果，可以将上部结构的荷载直接传递至持力层 而无须新的桩帽。采用微型桩结构托换，由于施工时不破坏原地基的应力状态， 2 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 也不改变原建筑物已有的平衡状态，因而被广泛用于托换工程。 ( 3 ) 震后修复 日本将微型桩广泛应用于震后重建工作中，这是因为微型桩在震后重建工作 中有以下不可替代的优势：微型桩施工设备能在较为狭窄的场地施工，例如，当 桥梁桩基因地震发生破坏是时，桥面结构的存在使得施工空间非常狭窄，传统桩 的施工设备很难正常施工，但是微型桩施工设备却可以在此自由施工：微型桩有 较强的抗拉能力，微型桩相对传统桩，钢筋配置的比例要高得多，在地震荷载作 用下，桩的受力非常复杂。微型桩能保证基础有更高的承受拉压荷载的能力。 b 原位加固型0 ns i r er e i n f o r c e m e n t ) 如果微型桩布置的间距在一定的范围内，微型桩会与所包围的土体组成桩土 复合结构，共同抵抗作用在复合结构上的荷载。桩与土的粘结主要靠桩土之间的 摩擦力来提供。单桩间距超过这个范围，我们依然把桩间土体作为荷载作用在微 型桩上，或者认为土体仅限于传递荷载。原位加固型的微型桩主要用于基坑工程 和中小型边滑坡治理工程中。 ( 1 ) 边滑坡治理工程 微型桩治理边滑坡的布置型非常灵活。按照微型桩在坡体中的设置位置，微 型组合桩可分为2 种形式，即坡面加固型和平台加固型【8 】。图1 1 是坡面加固 型微型桩的几种组合形式。对于每层较为完整的顺层坡体，往往在其相对薄弱的 层面间发生滑移破坏，设计时关键问题是增强薄弱层面间的抗剪强度，此时可采 用独立布置的单根微型桩加固，如图1 1 ( a ) 所示。对于每层岩体较为破碎的坡体， 为了增加微型桩的抗弯能力，可以将各单根微型桩进行纵向连接，如图1 1 ( b ) 所示。对于浅表层容易产生滑移破坏的坡体，可将单根桩横向连接以加固易滑移 层，如图1 1 ( c ) 所示。图1 1 ( d ) 是将单根桩进行纵横向连接成框架结构，用以加 固较为破碎而又容易发生浅表层滑移破坏的坡体。 ( a ) 单根桩加固边坡( b ) 单根桩纵向连接加固边坡 图1 2 平台加固型微型组合桩【8 】 ( 2 ) 基坑工程 微型桩在基坑工程中的应用也相当广泛，当开挖深度在6 m 以内时，微型桩 可用作基坑围护或支护结构；当开挖深度在6 m 以上时，微型桩常用作防渗帷幕。 用于防渗帷幕时，微型桩本身就是一个大直径的注浆孔，成桩过程中浆液向 四周土层渗透，堵塞可渗的通道，使围护墙在开挖期不漏水。这类微型桩不布置 钢筋，采用纯水泥浆掺适量的促凝剂。 用于基坑支护时，为增强其水平承载力，微型桩常与其他支护结构联合共同 支护，根据微型桩在不同支护结构中的作用不刚9 ，1 0 】，又可将其分为在土钉墙支 护中作为辅助加强体的柔性微型桩( 吕科验等，2 0 0 7 1 1 】) 和在一些特殊环境中 与锚杆或锚索结合作为桩锚结构的刚性微型桩( 吴开国等，2 0 0 6 1 2 】) 。杨志银等 ( 2 0 0 6 ) 【1 3 】给出了复合土钉墙技术的设计方法。唐竞( 2 0 0 8 ) 1 1 4 】给出了微型钢 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 管桩与锚杆联合支护技术的设计方法。 作为柔性微型桩在土钉墙中主要作用：提高土体的强度指标改善初始应力 场；作为预支护体降低开挖瞬时土体次生应力的变化；减少边坡的变形量以 保证基坑环境的安全。作为刚性微型桩的桩锚结构作用：作为刚性微型桩其作用 与普通桩锚结构完全相同，由于其桩体直径在1 0 0 - - - 2 0 0r r m ，按照普通桩体配筋 无法满足抗弯要求，所以往往采用型钢和合适的锚杆加强，主要是适用于支护空 间狭小的特殊区域。 1 2 1 2 按设计方法分类 这种分类方法非常重要，它直接为微型桩的设计提供指导。文献 5 】认为微 型桩在空间上的布置型式直接影响微型桩的工作原理和工作性能。独立布置和成 群布置的微型桩的设计方法与网状结构微型桩的设计方法有很大的不同。 第一类：直接承受荷载或用于加固作用时承受主要荷载的独立微型桩和微型 群桩。 这类型的微型桩一般布置较为稀疏，微型桩不能与土体形成一个整体结构。 在进行微型桩设计时，每根微型桩独立承担结构荷载，需考虑桩土之间的相互作 用。这种微型桩结构可以取代多种传统类型的桩，且既可承受竖向荷载，也可承 受侧向荷载，把结构荷载传递到更大的深度，而稳定性更好。其荷载主要由桩中 钢筋和桩周土摩擦力来承担。国内外大部分应用微型桩的工程都属于这一类型。 文献【5 】详细讨论了用做结构基础的这种微型桩结构，给出了确定微型桩长度、 微型桩承受竖向荷载和侧向荷载的计算公式。但是当这种结构用于滑坡治理时， 其设计方法要复杂得多，目前并没有统一的意见。 第二类：微型桩与其周围的土体共同作用形成复合地基，共同承受荷载的网 状结构微型桩。 这种类型的微型桩布置较为密集，微型桩和其所包围的土体形成整体结构， 设计时，应把复合结构作为一个整体，无需考虑桩土间的相互作用。该结构可以 用于复合地基、深基坑开挖支护或者边( 滑) 坡治理工程。但其设计理论几乎是空 白，文献【1 5 1 6 用数值方法分别讨论了微型桩复合地基和微型加固边坡时的一 些基本规律，进一步的理论探讨值得期待。微型桩在基坑支护时，我们把微型桩 与土体组成的复合结构当作重力式挡土墙，计算墙后土压力、挡墙自重及重心、 验算挡墙强度，同时也要验算挡墙的抗滑稳定性，值得注意的是，对于滑动稳定 性的验算与挡土墙设计并不相同，而是把微型桩当作抗滑桩来抵抗滑动力【1 7 】 1 2 2 微型桩应用发展历程 微型桩是2 0 世纪5 0 年代由意大利人el 泣z i 所首创，并取得专利，由f o n d e d i l e 公司首先开发利用，最初的目的是为了用于加固在二战中受到破坏的历史性建筑 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 物和纪念碑，需要一种新的具备小位移、低扰动特点的加固技术。鉴于当时微型 桩的布置型式，人们把微型桩叫做树根桩( r o o tp i l e s ) ，树根桩的施工方式是预先 钻孔、实地浇筑、轻型加固、灌浆成桩。f o n d e d i l e 公司于1 9 6 2 年开始将树根桩技 术引入英联邦国家，主要用于加固历史剧建筑基础，到了1 9 6 5 年，这项技术被引 入德国，开始应用在城市地下交通工程中，尔后“树根桩”这个术语逐渐被“微型 桩取代7 1 。 由于微型桩的施工对建筑物干扰较小，所需空间小，能满足施工不影响建筑 物使用的要求，因此，最初多用于基础托换、补强。随着微型桩技术的不断成熟， 尤其是1 9 5 7 年网状结构微型桩( r e t i c u l a t e dr o o tp i l e s ) 支撑系统的出现，使微型桩的 应用不仅仅限于基础修复工程，而逐渐扩大到地铁工程、基坑支护挡土及岩土边 坡的稳定加固等【l8 1 。所谓网状结构微型桩是指竖向和斜向微型桩相互交叉，在 地基中形成一个三维的微型桩网。该支撑结构一般应用于边坡支护工程、码头加 固工程和地下建筑加固工程，另外还用于建筑支撑和地基加固工程19 7 8 年l i z z i 报道了设在粗砂中的微型群桩在不同排列下承载性能的研究结果，认为网状布置 的群桩较竖直平行布置的群桩承载力为高【1 9 】。 到了七十年代初期，随着意大利人专利的终止，该技术在国际上得到了真正 的发展，并形成了微型桩系列，很多新技术、新措施相继出现，使微型桩能更好 地应用于复杂的建筑结构、土质和环境中。1 9 7 8 年，k o r e c k 介绍了类型各异的小 直径钻孔灌浆桩，其中包括现浇钢筋混凝土型微型桩，锚固型的套管微型桩( t h e m i c r o p i l e t u b f i xt y p e ) 和微芯桩( t h em i n i c o r ep i l e ) 。在瑞典，鉴于普通微型桩 不能满足重荷载基础的修复与扩建的需要，在1 9 8 3 年成功研制了一种扩底小桩， 解决了这类重荷载基础的地基处理问题。马来西亚于1 9 8 7 年推出了造价低、施工 快、沉桩简易的预制静压小桩，解决了钻孔灌浆微型桩成本高昂的问题，为微型 桩的应用和推广揭开了新的一页。在西班牙，小桩被用于水蚀性石灰溶岩地区作 为建筑物基础。在南非的湿陷性土层中，1 9 8 5 年成功地用小桩处理了一幢房屋的 基础托换工程【1 9 ，2 0 1 。 1 9 7 3 年，f o n d e d i l e 公司将这项技术引入北美，但直到8 0 年代中期，美国人才 开始重视这项技术。19 9 2 年，p e a r l m a n 等人提供了一种考虑微型桩用于边坡加固 时的抗弯能力，同时也讨论了倾斜微型桩( 微型桩与滑面不垂直) 的轴向承载能力。 他们认为，使微型桩向边坡滑动的方向倾斜布置，可以积极调动微型桩的微型桩 的轴向承载力来抵挡坡体的滑动【2 。 1 9 9 3 年法国土木工程应用研究和试验所( i r e x ) 在国家土木工程学院的 f r a n c o i s s c h l o s s e r 教授和岩土力学教育研究中心的r o g e rf r a n k 博士的技术指导 下，开展了一项名为f o n d a t i o n sr e n f o r c 6 e sv e r t i c a l e m e n t ( f o i 迮v e r ) 的五年国 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 家研究计划，从理论研究、数值模拟、室内试验( 离心机试验) 、现场试验等方 面对微型桩进行了系统的研究。同年，美国联邦公路局f h w a ( t h ef e d e r a l h i g h w a ya u t h o r i t y ) 也开始投资对微型桩进行全面系统的研究，并于2 0 0 0 年出版 了微型桩设计与施工指南【5 】，这是迄今为止最为完整地介绍微型桩的著作。 该著作把微型桩按照设计方法和施工工艺进行分类，较为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，因为作者认为在这个 问题上工程师们的意见并不统_ 【5 1 。 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。2 0 0 0 年，a o m a rb e n s l i m a n e 2 2 】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。2 0 0 4 年，s u n gj u n el e e ( 2 3 】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。 1 9 8 2 年法国s o l e t a n c h e 公司来华进行技术交流，介绍微型桩技术在法国的应 用情况，引起了国内学术界的广泛重视，并由上海市基础工程公司和同济大学为 苏州虎丘塔地基加固而开发研究。此后微型桩在工程实践中逐步得到了应用，近 年来，在滑坡治理、边坡加固工程中也得到了一定的应用。 1 2 3 微型抗滑桩设计计算方法国内外研究现状 目前，国内外关于微型桩的应用研究主要集中在承受竖向荷载的地基加固、 基础纠偏等领域，近年来，由于其在解决复杂地基和边( 滑) 坡稳定等问题方面 的优势，开始在国内外的一些中小型滑坡防治( 尤其是滑坡应急抢险) 、挡土结 构、边坡支护( 深基坑开挖支护、铁路路堤) 等抗滑工程中得到应用，并取得了 较好的工程效果。以下对应用于抗滑工程中的微型抗滑桩的设计计算方法进行归 纳总结。目前，微型抗滑桩的设计计算方法可大致分为三类：第一类是基于普通 抗滑桩计算理论的方法；第二类是等效法；第三类是数值计算方法。 1 2 3 1基于普通抗滑桩计算理论的方法 该法源于一般被动桩的桩土相互作用理论，适用于微型桩布置较为稀疏，不 能与土体形成一个整体结构的情况，此时，荷载主要由桩承担，微型桩的作用相 当于普通抗滑桩。又可分为压力法和位移法。 压力法是在一定的假设前提下，确定桩与桩间土的相互作用模式，得到桩侧 土压力的分布模式，然后经过计算确定桩身最大弯矩和桩顶位移，或弯矩和位移 沿桩身的分布情况。l o e h r 等【2 4 】考虑微型桩加固边坡的三种极限状态得到桩的极 限抗滑力的分布形式，三种极限状态及在这三种极限状态下得到的三种极限抗力 身内力，该法未考虑桩间土体的作用。 位移法是直接依据桩土相对位移分布计算桩体侧向土压力、桩体位移及内力 的分布情况。用位移法分析桩土相互作用更为合理，但前提是必须己知无桩时土 体自由侧向位移的分布，然后将其叠加到桩上，w l l i t e 等【2 8 】在位移法的基础上采 用p y 曲线法分析了微型桩的变形和弯矩沿桩身的变化。 在压力法和位移法计算理念的基础上，可以采用弹性地基梁法或p - y 曲线法 进行抗滑桩的位移和内力计算。国内大多采用传递系数法计算滑坡推力，桩土 相互作用的模型一般采用w i n l d e r 弹性地基梁模型。微型桩为小口径钻孔施工， 对桩周岩( 土) 扰动小，考虑到桩身发生弯曲变形所受的抗力，计算时可按弹性 抗力考虑【2 9 1 。 p - y 曲线法是当前国际上较为流行的一种非线性弹塑性地基反力法，该法把 桩前连续土体简化为一系列离散的非线性弹簧，弹簧受荷性状由p - y 曲线进行描 述，其中p 为研究点处的土体抗力，y 为研究点处的局部侧向变形。b r u c e 等【3 0 】 建议采用p - y 曲线法计算水平荷载作用下微型桩的内力。对于群桩的计算，b r o w n 等【3 l j 考虑到由于群桩效应，群桩中后排桩桩前土体因应力松弛导致土反力降低， 于是引入一个水平地基反力折减系数p m u l t i p l i e r ( 简称p m ) ，对单桩的p - y 曲线 进行修正。这种方法概念明确，简易方便，关键是要有一个较能反映实际情况的 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 折减系数。 弹性地基梁法尽管在实际工程中应用十分广泛，但它只适用于水平位移较小 的桩，对于像微型抗滑桩这样的大位移桩，土的非线性特征较为突出，基于侧向 土压力与位移为线性关系的求解方法误差较大。而p - y 曲线法因其考虑了土的非 线性反应，既可用于小位移情况，也适用于较大的位移情况。但该法将桩周土体 假设为非连续体，因而不能很好的反应土体的连续性，而且要得到合适的p - y 曲 线，只能通过现场荷载试验或者采用标准的曲线形式，而这些标准形式的曲线只 适合于特定的土体类型。此外，p - y 曲线法没有统一完整的表达式，也就不可能 给出统一的形式解，所以在用p - y 曲线法求解时必须结合数值分析方法才能使用， 这些不足之处都限制了p - y 曲线法的应用。近年来，a s h o u r 等【3 2 ，3 3 】基于砂土和粘 土的常规三轴压缩试验，提出了一种计算水平荷载作用下弹性长桩的新模型应 变楔模型( s t r a i nw e d g em o d e l ) ，该模型不仅能考虑土体的连续性，其最大的优 点还在于所需参数都可以通过室内试验获得，而没有很复杂、无法直接通过室内 试验得到的参数。 用压力法确定桩身最大弯矩和桩项位移较为简单实用，故这种方法对工程设 计人员有较大的吸引力，但是该法最大的缺点是作用于桩上的滑坡推力大小和分 布难以准确估计，而且在计算过程中，滑坡推力的大小和分布不能随着结构和岩 土体的变形而作出相应的调整，所以计算结果偏差较大，一般偏于保守。位移法 适用于更为复杂的荷载和地层条件，但计算较繁琐，需编制计算程序，位移法更 主要的问题是确定土体的侧向位移，根据经验可知，估算土体的侧向位移比估算 沉降要困难得多【3 4 1 。一般情况下，土体的侧向变形只能通过实测得到，这使这 种方法的应用受到限制，而且这种方法对于群桩只能借助经验系数。 1 2 3 2 等效法 对于桩间距较小，微型桩与其所包围的土体形成一个整体结构共同承担荷载 的微型桩群，在计算时可将其作为一个复合结构整体等效为传统的挡土结构，然 后按该挡土结构的计算方法进行计算。根据等效方法的不同，又可分为以下几种 方法。 ( 1 ) 钢筋混凝土梁法。该法是由澳大利亚的h b r a n d l 提出的一种半经验半理 论的方法，计算时把微型桩与桩周岩土体的复合结构当作钢筋混凝土梁，按钢筋 混凝土梁的计算方法进行计算，作用于梁上的荷载就是锚着力和土压力，微型桩 代表钢筋而地基土代表混凝土，假定地基土的抗拉强度为零，给出了不考虑桩土 黏结和考虑桩土黏结的理论计算公式，同时给出了考虑桩土部分黏结的经验计算 公式【3 5 1 。 ( 2 ) 加筋土挡墙法。该法将微型桩看作是对现场地基的加筋，将桩土复合结 9 注浆微型钢管组合桩加固土质边坡模型试验研究 构视为加筋土挡土墙，计算时先按布置情况验算受拉、受压的受力模式，然后按 受力模式对内力外力进行计算分析【19 1 。 ( 3 ) 等效截面法。该法将微型桩组合结构作为一个柔性挡墙来考虑，根据变 形相等的原则进行截面等效后按挡土墙的计算理论进行设计验算【3 6 1 。 ( 4 ) 等效刚度法。该法将微型组合桩按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度 的地下连续墙，然后按照地下连续墙的计算理论进行计算【3 7 3 8 1 。 l i z z i 对微型桩群的模型试验表明：微型桩群对荷载的反作用是由加筋土作为 一个整体提供的，受荷载发生的破坏是整个桩土复合体的破坏，而不是单根桩 的破坏【19 i 。可见采用等效法更符合微型桩群的实际受力情况，但如何对微型桩 组合结构进行合理的等效是一个有待于深入探讨的问题。 1 2 3 3 数值计算方法 数值计算方法主要有有限单元法和有限差分法。 有限单元法可以方便的处理复杂结构的计算( 如各种不同的边界条件，各种 岩性条件，各种不同的荷载条件) 。为了确定桩及桩周土所分担的荷载和各桩的 荷载传递规律，用有限元法可以将计算分为二类：第一类为传统的桩土本构有限 元，所谓的桩土本构有限元就是要求在加固区的桩和土中分别设置单元，同时为 了模拟桩土界面的相互作用，可以在桩土界面设置接触面单元；第二类是复合 本构有限元，即将加固区视为由桩和土组成的均质各向异性的复合材料，通过合 理的方式建立能够反映复合体特征的本构方程，然后利用有限元法求解，这种本 构模型在分析群桩复合体划分单元时，不考虑桩的存在，无法模拟桩土之间的相 互作用，因而不能考虑桩土相互作用。孙少悦【l6 】用桩土复合本构模型和桩土弹 塑性本构模型