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微型桩,又称小口径钻孔灌注桩,其桩径一般小于300mm,是一种典型的非排水桩。它的特点是布桩灵活,可以以任意角度安装,适应于所有土层和地质条件。过去微型桩主要应用于地基支护当中承受竖向荷载,而运用于滑坡支护当中较少。近些年来,在国内外微型桩成功应用于滑坡支护当中已有好些案例,然而对微型群桩各桩的受力情况的不解以及缺乏对桩土如何相互作用的认识阻止了微型桩的普遍应用。本文通过微型抗滑桩室内模型试验及相应的数值模型,研究微型抗滑桩支护下的滑坡稳定性,旨在为微型抗滑桩应用于原位滑体中提供基本的设计参考。
本文首先通过微型抗滑桩室内模型试验,了解微型桩的抗滑机理、变形破坏形式以及微型桩-土相互作用方式。然后根据室内模型试验监测数据所分析的结果接合试验过程中所观察到得现象,对桩-土共同作用作出如下两种假定:①桩土之间无相对滑动,桩土之间的相互作用类似于弹性地基梁模型;②当滑坡推力达到一定值时,桩土之间发生相对滑动,它们之间的作用除垂直于桩轴方向的法向力外,还有沿桩身的摩擦力,且以桩周摩擦力为主。接着借助数值模拟软件对上述两种桩-土相互作用模型建模并分析计算结果。最后根据室内模型试验结果和数值模拟结果提出微型抗滑桩的理论计算公式。
室内模型试验是以相似理论为依据,通过因次分析原理导出相似准则、确定相似系数、建立相似模型。试验共分两组,第一组试验的长径比为75,距径比为10;第二组试验的长径比为75,距径比为12.5。试验中所用到的试验监测仪器有位移计、土压力盒、应变片和力学传感器。位移计用来测定桩项位移或者滑体位移;土压力盒用来测定桩前士抗力或者推板前土体内部压力;应变片等间距的布置在监测桩的桩身上,用来测定桩身应变,然后通过相应换算公式得到桩身弯矩;力学传感器可以直接测得千斤顶作用于推板上的荷载。所有传感器监测的数据除力学传感器直接读取外,其它都由DH3816应变式采集仪采集。
微型抗滑桩的数值模型因桩-土相互作用方式不同分两种工况进行模拟:用ansys分析桩土之间无相对滑动的情况,用flac3d模拟桩土之间有相对摩擦滑动的情况。在用ansys模拟微型抗滑桩与桩周土的相互作用方式时,用的是节点重合命令merge;滑动面采用的是contacl73单元与targel70单元以生成接触对的方式模拟。flac3d处理微型桩与桩周土相互作用方式主要是通过设置和调节pile单元法向和切向弹簧的物理参数从而将微型桩与桩周土的力学传递特性联系起来;flac3d在模拟滑动面时主要是通过interface命令在已有网格表面生成接触单元,然后通过设定接触面参数来反应滑动面的特性。
总结微型抗滑桩室内模型试验结果及相对应的数值模型分析结果得出如下几点认识:
(1)微型抗滑桩与普通抗滑桩的承载作用机理大不相同,受荷时,前者主要发生弯曲变形,主要承受弯曲荷载,其次承受轴向荷载;后者主要发生剪切破坏,主要承受剪力。
(2)整个滑体微型抗滑桩模型在承受水平荷载时,微型桩的主要受荷区域或者变形区域集中在滑带上下附近,在桩顶处受荷比较小,当所承受的水平荷载不大时,桩顶几乎不承受桩前士抗力。
(3)在滑动方向上,当微型抗滑桩群由三排微型桩组成时(约定直接承受滑坡推力的为第一排桩,其后依次为第二、三排桩),第一排桩顶与第二排桩顶之间的连续梁区域较其他地方承受较大的滑动方向上的水平应力。垂直于滑动方向上,各排桩之间承受的水平应力较小,表明施加的滑动方向的荷载。主要在该方向传递。
(4)当整个滑体微型抗滑桩模型承受一定荷载后,由于各微型桩发生弯曲变形,将对连续梁产生向土体方向的拉应力,各排桩对连续梁产生的拉应力各不相同,其中直接承受滑坡推力的第一排桩对连续梁产生的拉应力最大,其后各排桩对连续梁产生的拉应力依次减小。
(5)当滑体所承受的荷载不大于其抗剪强度时,滑体中各土层压力分布均匀,整个微型桩群不承受外荷载(不考虑桩自重和土体对桩的挤压应力);当滑体所承受的荷载超过其抗滑力时,微型桩才逐渐承受荷载,且随着外荷载的增加,各土层压力分布越混乱,微型桩桩身受荷区域从滑带上下附近向桩两端增加。
(6)微型群桩将基岩受荷区分成明显的两块,分别是桩前受拉区和桩后受压区,这两块区域的共同特点是在微型群桩附近各应力最大,离桩越远各应力相应减小。这两块区域不是固定不变的,而是随加载力的增加而逐渐变化,变化情况是桩前受拉区缓慢增加,桩后受压区相应减小,当桩前受拉区增加到第三排桩所在位置时,荷载达到模型所能承受的极限荷载,这也许能解释当受荷水平超一定水平后,第二排桩受力最小的缘故。
(7)当所加荷载不大于整个滑体抗滑桩模型所能承受极限荷载的60%时,桩土之间的力的传递方向与主滑方向平行,可以将桩土之间的作用看成winkler弹性地基梁模型;但当所施加的荷载大于60%时,由于滑带附近桩身发生过度弯曲,对桩顶产生轴向拉力,桩土之间增加了沿轴向的摩擦力,此时桩土共同作用继续看成winkler地基模型时已不恰当。
文章最后通过室内模型试验和数值模拟所得出的结论接合前人所作的研究,作出了在一定条件下微型抗滑桩的理论计算公式。该公式以把弹性地基系数看成常量或者变量而分成两种计算方法:①弹性地基梁理论计算方法;②弹性地基系数计算方法。这两种方法的桩土相互作用形式是一样的,只是桩前土抗力随深度的变化而不相同。这两种理论公式的推导都需作如下几点假设:
(1)滑坡体为碎石士或则砂土;
(2)下覆地层为基岩或则坚硬的土层;
(3)微型桩嵌入滑体的深度与嵌入基岩的深度比为1/3~1/2;
(4)滑坡推力不大于整个滑体微型抗滑桩模型所能承受极限荷载的60%。
(5)微型桩垂直于滑带,无倾斜,以成排的方式布置,且各微型桩之间的桩间距应为8~12倍的桩径;