双排桩在滑坡治理中的应用

双排桩在滑坡治理中的应用

1多排桩室内模型试验研究的背景多排桩的滑动通常包括以下情况：（1）多排桩的分类；（2）多段式多出口滑动；（3）单排桩的潜力巨大，单排桩难以工作。在前两种情况下,每排桩的受力状态实际上和单排桩相同,可以对每排桩分别按照单排桩的情况进行处理,故本文讨论的对象是第三种情况,即只有一个滑动面的滑坡,因推力巨大,使用单排桩难以抵挡、或在经济技术上不合理,因而采用多排桩进行治理的场合。截止目前,有关多排桩室内试验研究的报道,只有20世纪70年代由铁道部第二勘测设计院所做的“排架桩与双排单桩对比模型试验”,这组试验是简易试验,试验的重点是“排架桩”。在多排桩的设计计算中,一般假定两排桩分别承担滑坡推力,每排桩承担的推力大小及其分布形式,不同的设计者采用的假定不尽相同,所以,借助于模型试验,对这些问题进行探讨是十分必要的。笔者所做的室内模型试验,主要针对人们最关心的多排桩不同桩排分担的滑坡推力的大小、分布形式及桩排之间的应力传递等问题进行的。试验把双排桩作为研究对象。2试验设施和模型设计2.1千斤顶模型试验系统本试验所用试验装置,是根据试验制模、加荷的特定要求而设计制做的,同时,为了满足多点测量的要求,采用了先进的量测系统。本试验装置由模型框架、加力系统和量测系统三大部分组成。模型试验框架如图1所示,由顶板、挡板、围板及观察窗和铺设于滑床上的导轨组成,起到将千斤顶施加的力传递给模型介质的作用。加力系统如图2所示,由油泵总成、多路稳压器和压力终端千斤顶三部分组成,可给不同油路供给不同压力的作用,分别提供试验所需的围压、主向前期荷载和滑坡推力等荷载。数据采集系统的硬件由传感器、数据采集仪和计算机组成。本试验选用线性较好的电阻应变式土压力传感器和自动化程度较高的UCAM—70A数据采集系统,满足了高速高精度采集数据的要求。2.2试验模型在模型设计当中,考虑了以下几个方面的因素。2.2.1考虑桩结构的考虑根据相似准则、试验条件和试验目的,试验中主要考虑满足几何相似、物理相似、应力相似和荷载相似。而对重量相似的要求,由于不考虑桩结构及其周围岩土的动力特征,且就桩身及周围岩土自重产生的竖向应力来说,对我们的研究对象桩结构在横向荷载作用下的变形行为和破坏特征的影响甚微,故不是主控因素,可以放松要求;另外,考虑岩土自重应力的作用主要是产生侧向应力,这种应力对桩后岩土拱的形成与桩前滑坡体被动破坏影响很大,因此我们用模拟等效侧向应力的方式加以解决,即在模型侧面施加围压荷载,使其产生的应力与滑体自重所产生的水平侧向应力等效。这样,可以认为,重量相似条件基本上得到了满足。根据试验条件和一般滑坡的规模,选取几何相似比CL=1:12。这样,在满足以上相似要求的情况下,即有:①C0=1,即模型上的应力和原型相同;②,即模型上的集中力为原型集中力的1/144;Cq=CL=1/12,即模型上的分布线载为原型的1/12。2.2.2模型框架与试验介质的模型力试验中取平行于滑坡主滑方向的一个滑坡条带为研究对象,假定其与相邻滑坡条带之间除侧向围压外没有其它作用力存在,即要求模型加力框架既可以给模型施加围压,又没有对模型试验介质的摩擦力。这一要求由模型框架的特殊功能和采取人为措施基本解决。(1)模型框架底部与模型外环境的摩阻力接近于零,模型框架对试验介质的模阻力较小。(2)人为措施:在试验介质和加力框架之间铺设双层塑料布,以减小加力框架对模型试验介质的摩擦力。2.2.3桩型设计要求根据以上相似要求,选取试验材料如下。(1)滑体。采用天然黄土滑体分层夯填而成,用以模拟除软塑、流塑黏性土滑体以外的土类滑坡。(2)滑床。采用一定比例的水泥土来模拟。滑床水泥土制作中不同层间用纸隔离,层理清晰,用以模拟破碎基岩。(3)模型桩。采用C30钢筋混凝土,与实际抗滑桩混凝土强度相同。最小桩截面相当于原型1.8m×2.4m,滑床水泥土最大极限抗压强度约2.5MPa,滑面以下桩身长度0.78m。取C30混凝土弹性模量E=3.00×104MPa,地基系数随深度变化的比例系数m=8×107N/m4,则桩的变形系数α=[mBp/(EI)]1/5=0.3245m,αh=0.3245×0.78=0.25<2.5,即试验中的桩型为刚性桩。(4)滑面。在滑床顶面铺设两层塑料薄膜,用以模拟滑面。由于受试验条件的限制,本试验中将滑动面设成水平面,而实际情况下,滑面一般有一定的倾角,作用于抗滑桩桩排的滑坡推力,可分解为分别平行或垂直于桩面的两个分力,后者使桩体发生位移从而影响桩侧应力分布,而前者仅影响桩体的竖向应力和桩底应力,因为我们的研究重点是桩侧应力,故将滑面设成水平实际上简化了抗滑桩受力状态,但这简化不影响试验结果。在滑体前缘设置平台,以便滑坡反翘剪出。本试验模拟的情况为第二排桩设在滑体抗滑段的双排桩。2.3水平侧向压力荷载本试验荷载采用分步分级施加。首先,将模型荷载分为三步,即侧向围压荷载,主向(模型纵向,以下同)前期荷载和滑坡推力荷载;然后对每分步荷载进行分级施加。由于侧向围压是模拟由滑体自重产生的水平侧向压力的荷载,按三角形分布形式。主向前期荷载是在滑坡推力方向施加的、旨在使滑体模型介质趋于整体稳定完好和传力有效而施加的荷载。其大小按等于滑体自重产生的主向水平侧应力、沿深度三角形分布的荷载进行考虑。侧向围压和主向前期荷载分成等量两级施加。滑坡推力荷载按照上下底出力比例为1:2的梯形分级等量施加(施加的荷载计算重心在83cm深度处,即滑体中桩长的5/9处),每级50kN。在每级荷载施加后,均要持荷一定时间,至桩结构受力和变形趋于稳定后才施加下一级荷载。2.4山坡模型滑坡模型如图3所示。2.5测试对象主要监测滑坡模型滑体斜坡坡顶、坡底位移和桩顶位移,以及不同桩排桩身、滑体和滑床土中不同位置的土压力。3资料分析的次数本部分试验共进行了三次,有关情况列于表1中。对这三次试验的成果资料进行比较分析后,发现试验的数据的一致性较强,故在进行资料分析时,主要列举双1次试验的情况,对其余两次试验,当有与双1次试验不同的情况出现时再加以说明。为便于陈述,我们约定:处于滑坡后部、首先受力的桩排称为第一排桩,另一排为第二排桩。3.1图1:美国专家书法优选择双1次试验中,在滑坡推力作用下的桩身受力分布图,如图4～图8所示。通过对试验的数据成果进行分析计算,求得三次试验中在各级滑坡推力荷载作用下,滑面以上桩体每桩的桩前、桩后受到的作用力的大小及其合力重心位置,分列于表2～表4中。3.1.1不同滑面第一排桩桩后的受力形式滑面以上桩身受力分布形式。从表2列出了各级荷载下的滑面以上桩身受到的滑坡推力、桩前抗力的合力作用点深度,表中的数据及图4、图5表明。(1)一排桩的滑坡推力重心的深度,在小等级荷载时接近于施加的滑坡推力荷载的重心深度(83cm),随着荷载等级的增加,逐渐下移到滑体中桩长的2/3处,即由梯形分布形式过度到三角分布形式。在土类滑坡的设计计算中,滑坡推力在桩上的分布形式一般很少采用三角形,这主要是出于安全因素的考虑。在之前进行的单排全埋式普通抗滑桩模型试验表明,在单排抗滑桩达到极限平衡状态之前,滑坡推力仅分布在滑体中桩长的下部80%桩段且呈三角形分布,双排桩第一排桩的滑体中桩后的受力形式,同单排桩并无不同,所以,土类滑坡的滑坡推力在多排桩第一排桩上的分布形式按三角形分布考虑是可行的。(2)二排桩的推力重心的深度,在加荷过程中基本保持在滑体中桩长的中部,即基本保持矩形分布形式。(3)一排桩的桩前抗力,其重心位置在三次试验中虽有变动,但总的来看在45～65cm深度处,也就是1/3滑体中桩长深度附近,可见一排桩的滑体桩前抗力分布形式接近于倒三角形。(4)第二排桩受到的滑体桩前抗力按重心位置来说,双2次试验在滑体中桩长的2/5处,呈倒梯形分布,双3次试验在滑体中桩长的中部附近,基本呈矩形分布,双1次试验在滑体中桩长的2/3附近,呈三角形分布,这种不一致性是多方面原因造成的,但总体上说,可以将第二排桩受到的滑体桩前抗力认为是矩形分布的。以上的试验结果表明,第一排桩受到的滑坡推力基本上呈梯形一三角形分布,这种分布形式与单排桩的滑坡推力分布形式相同;而第二排桩滑面以上桩后受到的作用力,基本呈矩形分布;桩排受到的滑体桩前抗力,在第二排桩上呈矩形分布形式,与单排桩相同,而在第一排桩上呈上大下小的倒梯形一倒三角形分布形式。为什么滑面以上第一排的桩前和第二排的桩后的桩身受力分布形式与单排桩的情况不一致呢?单排桩时,桩前土体一般按45°+φ/2的倾角破坏剪出,由于第二排桩的存在,两排桩间的滑体介质的受力变形特点与单排桩时的情况有所不同,使得第一排桩前的土体在被动剪出破坏时只能按大于45°+φ/2角破坏,由库仑土压力理论可知,当被动破坏面倾角增大时,土压力值也随着增大。同时,第一排桩对其桩前滑体的作用力经滑体的传递,作用于第二排桩,直接影响第二排桩桩后受力的分布形式。故在多排桩的设计计算中,应考虑桩排之间的相互影响。3.1.2滑床中第一排桩桩的受荷特点由图6和图7可见。(1)第一排桩桩后和第二排桩桩前所受到的滑床抗力和单排桩的情况相同:即在转动中心的下部和上部,分别存在一个呈三角形和倒梯形的分布区域。(2)第二排桩桩后所受的滑床抗力,表现出与单排桩不同的分布形式:在转动中心以上至滑面的范围内出现一个分布区,且随加荷进程,这一分布区域向上扩大,分布集度(土压力值)增大。(3)第一排桩桩前所受到的滑床抗力也表现出了与单排桩不同的分布形式:第一排桩的桩前抗力,在对应于第一排桩桩后转动中心以上抗力分布区的位置,有一个明显增大的分布区域,且随着荷载等级的增加,这一区域向下扩大,分布集度增大。图8表示了滑床中第一排桩桩前和第二排桩桩后受力的相互关系,可以看出,第二排桩桩后在转动中心以上滑床中桩段出现抗力分布区的部位,正好是第一排桩前滑床抗力的分布区,这说明滑床中两桩之间也存在相互影响——从双排桩的受力变形过程来看,滑床土受到第一排桩的桩前桩面施加的作用力,该作用力向前传递至第二排桩的桩后,在第二排桩的桩后产生一个不同于单排桩的分布区域;同样,由于第二排桩的存在,第一排桩桩前抗力的分布区表现出上述分布形式。3.2考虑数值大小上的推力由前面的讨论可知,由于第一排桩对桩排之间的滑体的作用力(第一排桩的滑体桩前抗力的反作用力)必然要向前传递作用于第二排桩,故第二排桩受到的推力作用,与第一排桩的滑体桩前抗力是有关的。表3中的数据表明了三次双排桩试验中,各级荷载下第一排桩每桩的滑体桩前抗力与第二排桩每桩受到的推力在数值大小上的关系,即两者是非常接近的。试验条件下,施加的滑坡推力荷载经由第一排桩桩后滑体介质,作用于第一排桩,引起第一排桩的变位,使桩排之间的滑体介质受力,进而引起第二排桩的受力与变形,故严格地说,试验条件下,滑坡推力全部作用与第一排桩,并不存在由两排桩分担滑坡推力的问题。但第二排桩的存在,提高了第一排桩的滑体桩前抗力,使第一排桩的抗滑能力有所提高,事实上也起到了“分担”滑坡推力的作用。但从现有的抗滑桩技术来看,用增加桩排数量来提高抗滑桩的抗滑能力在经济、施工的难易程度及工期上显然不如锚索抗滑桩等较新型的抗滑桩结构形式来得合理。把三次双排桩试验中,各级荷载下作用于两排桩推力的数值进行计算后,列入表4中,可以看出,两者之间的比例关系在各次试验各级荷载下,均表现出很好的一致性,即:试验条件下,第二排桩受到的推力,并不因桩排的布置形式(正对布置或梅花形布置)的不同而不同,而且两排桩的滑坡推力比为65%左右。4结论对于滑体物质为除软塑、流塑黏性土以外的土类滑坡,采用双排刚性桩进行治理且第二排设在滑体抗滑段时,有如下结论。4.1单排桩桩前、二次排桩桩前、成桩滑床抗力(1)第一排桩受到的滑坡推力,呈梯形一三角形分布,其重心位置随荷载等级的增加而下移,在设计中可按三角形分布考虑。(2)第二排桩受到的推力作用,呈矩形分布。(3)桩受到的滑体桩前抗力,在第一排桩上呈上大下小的倒梯形分布形式,在第二排桩上呈矩形分布。(4)桩排受到的滑床抗力,在第一排桩的桩后和第二排桩的桩前表现出与单排桩相同的分布形式:在第一排桩后为三角形,在第二排桩前为上部矩形、下部倒三角形,分布区域分别集中在桩转动中心以上、以下。桩排受到的滑床抗力,在第一排桩的桩前和第二排桩的桩后,表现出和单排桩试验不同的分布形式:除了在第一排桩的桩前和第二排桩的桩后有类似于单排桩时的分布形态外,还在桩的转动中心以上各增加了一个抗力分布区,这一区域随荷载等级的增加,分布区域和分布集度相应增大。4.2辅助支挡作用对于第一排桩桩间距是桩截面宽度的3倍左右的双排桩,