雙排樁在滑坡治理中的應(yīng)用

雙排樁在滑坡治理中的應(yīng)用

1多排樁室內(nèi)模型試驗(yàn)研究的背景多排樁的滑動通常包括以下情況：（1）多排樁的分類；（2）多段式多出口滑動；（3）單排樁的潛力巨大，單排樁難以工作。在前兩種情況下,每排樁的受力狀態(tài)實(shí)際上和單排樁相同,可以對每排樁分別按照單排樁的情況進(jìn)行處理,故本文討論的對象是第三種情況,即只有一個滑動面的滑坡,因推力巨大,使用單排樁難以抵擋、或在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上不合理,因而采用多排樁進(jìn)行治理的場合。截止目前,有關(guān)多排樁室內(nèi)試驗(yàn)研究的報道,只有20世紀(jì)70年代由鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院所做的“排架樁與雙排單樁對比模型試驗(yàn)”,這組試驗(yàn)是簡易試驗(yàn),試驗(yàn)的重點(diǎn)是“排架樁”。在多排樁的設(shè)計(jì)計(jì)算中,一般假定兩排樁分別承擔(dān)滑坡推力,每排樁承擔(dān)的推力大小及其分布形式,不同的設(shè)計(jì)者采用的假定不盡相同,所以,借助于模型試驗(yàn),對這些問題進(jìn)行探討是十分必要的。筆者所做的室內(nèi)模型試驗(yàn),主要針對人們最關(guān)心的多排樁不同樁排分擔(dān)的滑坡推力的大小、分布形式及樁排之間的應(yīng)力傳遞等問題進(jìn)行的。試驗(yàn)把雙排樁作為研究對象。2試驗(yàn)設(shè)施和模型設(shè)計(jì)2.1千斤頂模型試驗(yàn)系統(tǒng)本試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置,是根據(jù)試驗(yàn)制模、加荷的特定要求而設(shè)計(jì)制做的,同時,為了滿足多點(diǎn)測量的要求,采用了先進(jìn)的量測系統(tǒng)。本試驗(yàn)裝置由模型框架、加力系統(tǒng)和量測系統(tǒng)三大部分組成。模型試驗(yàn)框架如圖1所示,由頂板、擋板、圍板及觀察窗和鋪設(shè)于滑床上的導(dǎo)軌組成,起到將千斤頂施加的力傳遞給模型介質(zhì)的作用。加力系統(tǒng)如圖2所示,由油泵總成、多路穩(wěn)壓器和壓力終端千斤頂三部分組成,可給不同油路供給不同壓力的作用,分別提供試驗(yàn)所需的圍壓、主向前期荷載和滑坡推力等荷載。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成。本試驗(yàn)選用線性較好的電阻應(yīng)變式土壓力傳感器和自動化程度較高的UCAM—70A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),滿足了高速高精度采集數(shù)據(jù)的要求。2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谀Ｐ驮O(shè)計(jì)當(dāng)中,考慮了以下幾個方面的因素。2.2.1考慮樁結(jié)構(gòu)的考慮根據(jù)相似準(zhǔn)則、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)?zāi)康?試驗(yàn)中主要考慮滿足幾何相似、物理相似、應(yīng)力相似和荷載相似。而對重量相似的要求,由于不考慮樁結(jié)構(gòu)及其周圍巖土的動力特征,且就樁身及周圍巖土自重產(chǎn)生的豎向應(yīng)力來說,對我們的研究對象樁結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用下的變形行為和破壞特征的影響甚微,故不是主控因素,可以放松要求;另外,考慮巖土自重應(yīng)力的作用主要是產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力,這種應(yīng)力對樁后巖土拱的形成與樁前滑坡體被動破壞影響很大,因此我們用模擬等效側(cè)向應(yīng)力的方式加以解決,即在模型側(cè)面施加圍壓荷載,使其產(chǎn)生的應(yīng)力與滑體自重所產(chǎn)生的水平側(cè)向應(yīng)力等效。這樣,可以認(rèn)為,重量相似條件基本上得到了滿足。根據(jù)試驗(yàn)條件和一般滑坡的規(guī)模,選取幾何相似比CL=1:12。這樣,在滿足以上相似要求的情況下,即有:①C0=1,即模型上的應(yīng)力和原型相同;②,即模型上的集中力為原型集中力的1/144;Cq=CL=1/12,即模型上的分布線載為原型的1/12。2.2.2模型框架與試驗(yàn)介質(zhì)的模型力試驗(yàn)中取平行于滑坡主滑方向的一個滑坡條帶為研究對象,假定其與相鄰滑坡條帶之間除側(cè)向圍壓外沒有其它作用力存在,即要求模型加力框架既可以給模型施加圍壓,又沒有對模型試驗(yàn)介質(zhì)的摩擦力。這一要求由模型框架的特殊功能和采取人為措施基本解決。(1)模型框架底部與模型外環(huán)境的摩阻力接近于零,模型框架對試驗(yàn)介質(zhì)的模阻力較小。(2)人為措施:在試驗(yàn)介質(zhì)和加力框架之間鋪設(shè)雙層塑料布,以減小加力框架對模型試驗(yàn)介質(zhì)的摩擦力。2.2.3樁型設(shè)計(jì)要求根據(jù)以上相似要求,選取試驗(yàn)材料如下。(1)滑體。采用天然黃土滑體分層夯填而成,用以模擬除軟塑、流塑黏性土滑體以外的土類滑坡。(2)滑床。采用一定比例的水泥土來模擬?；菜嗤林谱髦胁煌瑢娱g用紙隔離,層理清晰,用以模擬破碎基巖。(3)模型樁。采用C30鋼筋混凝土,與實(shí)際抗滑樁混凝土強(qiáng)度相同。最小樁截面相當(dāng)于原型1.8m×2.4m,滑床水泥土最大極限抗壓強(qiáng)度約2.5MPa,滑面以下樁身長度0.78m。取C30混凝土彈性模量E=3.00×104MPa,地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)m=8×107N/m4,則樁的變形系數(shù)α=[mBp/(EI)]1/5=0.3245m,αh=0.3245×0.78=0.25<2.5,即試驗(yàn)中的樁型為剛性樁。(4)滑面。在滑床頂面鋪設(shè)兩層塑料薄膜,用以模擬滑面。由于受試驗(yàn)條件的限制,本試驗(yàn)中將滑動面設(shè)成水平面,而實(shí)際情況下,滑面一般有一定的傾角,作用于抗滑樁樁排的滑坡推力,可分解為分別平行或垂直于樁面的兩個分力,后者使樁體發(fā)生位移從而影響樁側(cè)應(yīng)力分布,而前者僅影響樁體的豎向應(yīng)力和樁底應(yīng)力,因?yàn)槲覀兊难芯恐攸c(diǎn)是樁側(cè)應(yīng)力,故將滑面設(shè)成水平實(shí)際上簡化了抗滑樁受力狀態(tài),但這簡化不影響試驗(yàn)結(jié)果。在滑體前緣設(shè)置平臺,以便滑坡反翹剪出。本試驗(yàn)?zāi)M的情況為第二排樁設(shè)在滑體抗滑段的雙排樁。2.3水平側(cè)向壓力荷載本試驗(yàn)荷載采用分步分級施加。首先,將模型荷載分為三步,即側(cè)向圍壓荷載,主向(模型縱向,以下同)前期荷載和滑坡推力荷載;然后對每分步荷載進(jìn)行分級施加。由于側(cè)向圍壓是模擬由滑體自重產(chǎn)生的水平側(cè)向壓力的荷載,按三角形分布形式。主向前期荷載是在滑坡推力方向施加的、旨在使滑體模型介質(zhì)趨于整體穩(wěn)定完好和傳力有效而施加的荷載。其大小按等于滑體自重產(chǎn)生的主向水平側(cè)應(yīng)力、沿深度三角形分布的荷載進(jìn)行考慮。側(cè)向圍壓和主向前期荷載分成等量兩級施加。滑坡推力荷載按照上下底出力比例為1:2的梯形分級等量施加(施加的荷載計(jì)算重心在83cm深度處,即滑體中樁長的5/9處),每級50kN。在每級荷載施加后,均要持荷一定時間,至樁結(jié)構(gòu)受力和變形趨于穩(wěn)定后才施加下一級荷載。2.4山坡模型滑坡模型如圖3所示。2.5測試對象主要監(jiān)測滑坡模型滑體斜坡坡頂、坡底位移和樁頂位移,以及不同樁排樁身、滑體和滑床土中不同位置的土壓力。3資料分析的次數(shù)本部分試驗(yàn)共進(jìn)行了三次,有關(guān)情況列于表1中。對這三次試驗(yàn)的成果資料進(jìn)行比較分析后,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的一致性較強(qiáng),故在進(jìn)行資料分析時,主要列舉雙1次試驗(yàn)的情況,對其余兩次試驗(yàn),當(dāng)有與雙1次試驗(yàn)不同的情況出現(xiàn)時再加以說明。為便于陳述,我們約定:處于滑坡后部、首先受力的樁排稱為第一排樁,另一排為第二排樁。3.1圖1:美國專家書法優(yōu)選擇雙1次試驗(yàn)中,在滑坡推力作用下的樁身受力分布圖,如圖4～圖8所示。通過對試驗(yàn)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析計(jì)算,求得三次試驗(yàn)中在各級滑坡推力荷載作用下,滑面以上樁體每樁的樁前、樁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不同滑面第一排樁樁后的受力形式滑面以上樁身受力分布形式。從表2列出了各級荷載下的滑面以上樁身受到的滑坡推力、樁前抗力的合力作用點(diǎn)深度,表中的數(shù)據(jù)及圖4、圖5表明。(1)一排樁的滑坡推力重心的深度,在小等級荷載時接近于施加的滑坡推力荷載的重心深度(83cm),隨著荷載等級的增加,逐漸下移到滑體中樁長的2/3處,即由梯形分布形式過度到三角分布形式。在土類滑坡的設(shè)計(jì)計(jì)算中,滑坡推力在樁上的分布形式一般很少采用三角形,這主要是出于安全因素的考慮。在之前進(jìn)行的單排全埋式普通抗滑樁模型試驗(yàn)表明,在單排抗滑樁達(dá)到極限平衡狀態(tài)之前,滑坡推力僅分布在滑體中樁長的下部80%樁段且呈三角形分布,雙排樁第一排樁的滑體中樁后的受力形式,同單排樁并無不同,所以,土類滑坡的滑坡推力在多排樁第一排樁上的分布形式按三角形分布考慮是可行的。(2)二排樁的推力重心的深度,在加荷過程中基本保持在滑體中樁長的中部,即基本保持矩形分布形式。(3)一排樁的樁前抗力,其重心位置在三次試驗(yàn)中雖有變動,但總的來看在45～65cm深度處,也就是1/3滑體中樁長深度附近,可見一排樁的滑體樁前抗力分布形式接近于倒三角形。(4)第二排樁受到的滑體樁前抗力按重心位置來說,雙2次試驗(yàn)在滑體中樁長的2/5處,呈倒梯形分布,雙3次試驗(yàn)在滑體中樁長的中部附近,基本呈矩形分布,雙1次試驗(yàn)在滑體中樁長的2/3附近,呈三角形分布,這種不一致性是多方面原因造成的,但總體上說,可以將第二排樁受到的滑體樁前抗力認(rèn)為是矩形分布的。以上的試驗(yàn)結(jié)果表明,第一排樁受到的滑坡推力基本上呈梯形一三角形分布,這種分布形式與單排樁的滑坡推力分布形式相同;而第二排樁滑面以上樁后受到的作用力,基本呈矩形分布;樁排受到的滑體樁前抗力,在第二排樁上呈矩形分布形式,與單排樁相同,而在第一排樁上呈上大下小的倒梯形一倒三角形分布形式。為什么滑面以上第一排的樁前和第二排的樁后的樁身受力分布形式與單排樁的情況不一致呢?單排樁時,樁前土體一般按45°+φ/2的傾角破壞剪出,由于第二排樁的存在,兩排樁間的滑體介質(zhì)的受力變形特點(diǎn)與單排樁時的情況有所不同,使得第一排樁前的土體在被動剪出破壞時只能按大于45°+φ/2角破壞,由庫侖土壓力理論可知,當(dāng)被動破壞面傾角增大時,土壓力值也隨著增大。同時,第一排樁對其樁前滑體的作用力經(jīng)滑體的傳遞,作用于第二排樁,直接影響第二排樁樁后受力的分布形式。故在多排樁的設(shè)計(jì)計(jì)算中,應(yīng)考慮樁排之間的相互影響。3.1.2滑床中第一排樁樁的受荷特點(diǎn)由圖6和圖7可見。(1)第一排樁樁后和第二排樁樁前所受到的滑床抗力和單排樁的情況相同:即在轉(zhuǎn)動中心的下部和上部,分別存在一個呈三角形和倒梯形的分布區(qū)域。(2)第二排樁樁后所受的滑床抗力,表現(xiàn)出與單排樁不同的分布形式:在轉(zhuǎn)動中心以上至滑面的范圍內(nèi)出現(xiàn)一個分布區(qū),且隨加荷進(jìn)程,這一分布區(qū)域向上擴(kuò)大,分布集度(土壓力值)增大。(3)第一排樁樁前所受到的滑床抗力也表現(xiàn)出了與單排樁不同的分布形式:第一排樁的樁前抗力,在對應(yīng)于第一排樁樁后轉(zhuǎn)動中心以上抗力分布區(qū)的位置,有一個明顯增大的分布區(qū)域,且隨著荷載等級的增加,這一區(qū)域向下擴(kuò)大,分布集度增大。圖8表示了滑床中第一排樁樁前和第二排樁樁后受力的相互關(guān)系,可以看出,第二排樁樁后在轉(zhuǎn)動中心以上滑床中樁段出現(xiàn)抗力分布區(qū)的部位,正好是第一排樁前滑床抗力的分布區(qū),這說明滑床中兩樁之間也存在相互影響——從雙排樁的受力變形過程來看,滑床土受到第一排樁的樁前樁面施加的作用力,該作用力向前傳遞至第二排樁的樁后,在第二排樁的樁后產(chǎn)生一個不同于單排樁的分布區(qū)域;同樣,由于第二排樁的存在,第一排樁樁前抗力的分布區(qū)表現(xiàn)出上述分布形式。3.2考慮數(shù)值大小上的推力由前面的討論可知,由于第一排樁對樁排之間的滑體的作用力(第一排樁的滑體樁前抗力的反作用力)必然要向前傳遞作用于第二排樁,故第二排樁受到的推力作用,與第一排樁的滑體樁前抗力是有關(guān)的。表3中的數(shù)據(jù)表明了三次雙排樁試驗(yàn)中,各級荷載下第一排樁每樁的滑體樁前抗力與第二排樁每樁受到的推力在數(shù)值大小上的關(guān)系,即兩者是非常接近的。試驗(yàn)條件下,施加的滑坡推力荷載經(jīng)由第一排樁樁后滑體介質(zhì),作用于第一排樁,引起第一排樁的變位,使樁排之間的滑體介質(zhì)受力,進(jìn)而引起第二排樁的受力與變形,故嚴(yán)格地說,試驗(yàn)條件下,滑坡推力全部作用與第一排樁,并不存在由兩排樁分擔(dān)滑坡推力的問題。但第二排樁的存在,提高了第一排樁的滑體樁前抗力,使第一排樁的抗滑能力有所提高,事實(shí)上也起到了“分擔(dān)”滑坡推力的作用。但從現(xiàn)有的抗滑樁技術(shù)來看,用增加樁排數(shù)量來提高抗滑樁的抗滑能力在經(jīng)濟(jì)、施工的難易程度及工期上顯然不如錨索抗滑樁等較新型的抗滑樁結(jié)構(gòu)形式來得合理。把三次雙排樁試驗(yàn)中,各級荷載下作用于兩排樁推力的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后,列入表4中,可以看出,兩者之間的比例關(guān)系在各次試驗(yàn)各級荷載下,均表現(xiàn)出很好的一致性,即:試驗(yàn)條件下,第二排樁受到的推力,并不因樁排的布置形式(正對布置或梅花形布置)的不同而不同,而且兩排樁的滑坡推力比為65%左右。4結(jié)論對于滑體物質(zhì)為除軟塑、流塑黏性土以外的土類滑坡,采用雙排剛性樁進(jìn)行治理且第二排設(shè)在滑體抗滑段時,有如下結(jié)論。4.1單排樁樁前、二次排樁樁前、成樁滑床抗力(1)第一排樁受到的滑坡推力,呈梯形一三角形分布,其重心位置隨荷載等級的增加而下移,在設(shè)計(jì)中可按三角形分布考慮。(2)第二排樁受到的推力作用,呈矩形分布。(3)樁受到的滑體樁前抗力,在第一排樁上呈上大下小的倒梯形分布形式,在第二排樁上呈矩形分布。(4)樁排受到的滑床抗力,在第一排樁的樁后和第二排樁的樁前表現(xiàn)出與單排樁相同的分布形式:在第一排樁后為三角形,在第二排樁前為上部矩形、下部倒三角形,分布區(qū)域分別集中在樁轉(zhuǎn)動中心以上、以下。樁排受到的滑床抗力,在第一排樁的樁前和第二排樁的樁后,表現(xiàn)出和單排樁試驗(yàn)不同的分布形式:除了在第一排樁的樁前和第二排樁的樁后有類似于單排樁時的分布形態(tài)外,還在樁的轉(zhuǎn)動中心以上各增加了一個抗力分布區(qū),這一區(qū)域隨荷載等級的增加,分布區(qū)域和分布集度相應(yīng)增大。4.2輔助支擋作用對于第一排樁樁間距是樁截面寬度的3倍左右的雙排樁,