微型桩处置堆积层滑坡室内模型试验研究

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

近年来，我国滑坡灾害时有发生，对人民生命财产安全造成了巨大的威胁。膨胀土堆积层滑坡由于其膨胀土具有吸水膨胀性、失水收缩性以及浸水承载力减弱等特性，性质极不稳定，给设计加固带来困难[1-2]。而黄土具有多孔疏松的结构且凝聚力较高，遇水其强度大幅度降低，容易造成黄土堆积层滑坡的发生。这两类滑坡普遍存在于我国地质构造独特、气候环境复杂的陕南地区，给当地的地灾防治工作带来了极大挑战[3-4]。

如将微型桩技术应用于陕南膨胀土、黄土堆积层滑坡地区，因其受地形限制小、对地形环境扰动小、施工速度快、布置形式灵活、降低工程造价等优点给滑坡治理工作带来了巨大的便利[5-10]。虽然，通过各种研究方法对微型桩加固滑坡的计算理论、设计方法已有较为充分的认识[11-13]，但国内微型桩治理滑坡的工程实例较少、经验欠缺，理论和实践还不能完全结合，对它的破坏形式、加固机理以及承载模式还没有形成深入和完整的认识[14]，因此还需用大量的试验和工程实践来验证、完善其理论。胡时友等[15]通过不同桩间距下双排微型桩加固碎石土滑坡室内模型试验，研究微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律。王波等[16]通过物理模型试验研究了微型桩加固浅层堆积层沿下伏基岩顶面发生滑坡时的受力机理和破坏模式。闫金凯等[17]采用微型桩与滑坡相互作用的大型物理模型相似试验，研究微型桩的破坏模式和受力变形规律。以上研究成果通过室内物理模型试验研究加固单一土类滑坡时，微型桩的受力特性以及发生机理。但是在实际工程中，要在灾害未发生或者发生以后迅速给出设计施工方案。因此，通过引入参照系数，可以为微型桩加固黄土以及膨胀土堆积层滑坡时，在布设形式相同的情况下给出快速有效的设计方案，能够最大程度地减少灾害带来的不良影响。

本文主要针对微型桩加固膨胀土和黄土堆积层滑坡进行对比试验研究。通过分析实验数据，综合对比微型桩加固膨胀土堆积层滑坡与加固黄土堆积层滑坡受力分布规律以及大小的差异，得到一个参照系数。利用该系数可使相同布设条件下的微型桩既可用于膨胀土滑坡也可用于黄土滑坡，能够在加固两类土质滑坡时快速提出处治方案。

1 物理模拟试验设计

1.1 试验原理

试验利用物理模型箱体，开展试验设计时尽可能做到与工程原型相似，以此得到的试验结果才与工程实际比较相符。本次试验几何相似比为10，土体密度相似比为1，弹性模量相似比取10，结构应力相似比取10。微型桩桩体材料选用抗弯刚度为69 MPa的铝管，桩长约1 m，桩径约12 mm。

1.2 试验设备

(1) 模型箱。本次试验箱体模型尺寸为2.0 m×1.8 m×1.5 m。主体框架由截面积为50 mm×30 mm、壁厚3 mm的方形钢管焊接组成，并在侧面填充12 mm厚钢化玻璃。依据试验的设计最大加载，模型框架能充分保证试验安全正常进行。

(2) 加载设备。试验采用人工竖向分级加载的方式，加载设备主要有，铁块(5kg)，钢槽(30kg)，沙袋(25kg)。为保证滑体受力均匀、加载稳定以及安全，在滑坡顶部加载区域放置一片尺寸为1 800 mm×600 mm，厚度为30 mm的模板，将荷载有序平稳地施加于模板上部。

(3) 监测装置。试验的监测和数据采集设备有：布设于桩顶的位移计，布设于桩后的土压力盒，布设于桩身的应变片以及用于采集数据的CM-2B-64静态电阻应变仪[18]。

1.3 模型设计

试验滑床模型应具有足够的强度和密度来模拟浅层堆积层滑坡，并能够承受桩体嵌固段荷载。采用西安北郊黄土过筛，拌和石灰经人工分层夯实制成滑床。为使滑面更加平顺易于滑体滑动，滑面制成圆弧型，并在其表面铺盖0.12 mm厚的双层塑料薄膜，两层之间涂抹润滑油。滑体分别使用陕南山区膨胀土和西安市北郊黄土。滑体采用人工分层堆积夯实，每层堆积厚度10 cm。本试验所用微型桩采用预埋的形式。在每根测试桩前，自滑面以上3 cm开始，每隔10 cm布设一个土压力盒(共4个)。模型见图1。

图1 试验模型示意Fig.1 Test model diagram

2 物理模型试验部分

2.1 试验参数选取

本次试验主要研究在相同桩间距、排间距以及锚固深度情况下，微型桩加固膨胀土、黄土滑坡桩顶位移、桩前土压力和桩身弯矩的差异。综合得出一个较为可靠的参照系数，从而能在工程实际中更迅速地对两类滑坡提供治理方案。参考前人研究，并考虑工程实际，选用的桩间距和排间距都为10D(D为微型桩外径)，锚固深度为2L/5(L为桩长)采取梅花型布设并增加横向连系梁。试验模型布置见图2。

图2 微型桩平面布设图(单位：mm)Fig.2 Layout of micro piles

2.2 试验结果分析

2.2.1桩顶位移分析

根据试验结果得到微型桩加固膨胀土堆积层滑坡、黄土堆积层滑坡的桩顶位移曲线分别见图3，4。

图3 膨胀土滑坡桩顶位移曲线Fig.3 Displacement curve of anti-slide pile top in expansive soil

由图3～4可知：① 微型桩加固膨胀土堆积层滑坡时，一开始加载后土体将产生瞬时变形，桩体受到的下滑力较小，微型桩桩顶位移不明显。当加载量达到5 kN时，桩顶位移有明显增大的趋势，其位移值为1.81 mm，表明微型桩进入弹性阶段。随着加载量的逐渐增大，3排微型桩桩顶位移也在同步持续增加。当加载至18.5 kN时，桩顶最大位移达到38.65 mm。② 相比之下，微型桩加固黄土堆积层滑坡时，开始同样由于受到较小的下滑力，桩顶位移不明显。但是当加载到3 kN，便产生了位移，其值为0.26 mm。当加载量超过17.5 kN时，桩顶位移曲线斜率明显变大，微型桩处于弹性至失效阶段。当加载值达到18.5 kN时，黄土堆积层滑坡的桩顶位移为26.51 mm。③ 由此可得：在微型桩加固膨胀土与黄土堆积层滑坡时，黄土堆积层滑坡产生的桩顶位移更小，微型桩的加固效果更为明显。

图4 黄土滑坡桩顶位移曲线Fig.4 Displacement curve of pile top in loess Landslide

2.2.2桩前土压力分析

试验桩在滑面以上间隔10 cm布设一个土压力盒，共4个。编号依次为P1-1、P1-2、P1-3、P1-4，P2-1、P2-2、P2-3、P2-4，P3-1、P3-2、P3-3、P3-4。如图5，6所示，在荷载不断增加的情况下，3排微型桩中第一排桩桩前土压力最大，因此，第一排桩对滑坡的发生将起到重要的作用。

(1) 微型桩加固黄土堆积层滑坡时，桩前土压力表现为第一排桩P1-1、第二排桩P2-1、第三排桩P3-2增长速度最快且最大。同时，桩前土压力在桩P1-4、P2-4处出现细微增长并负向变化。其原因是在加载量不断增大时，滑体开始产生裂缝且其宽度不断增加，而桩P1-4和P2-4接近滑坡表面，在裂缝持续增大的情况下，桩与土压力盒之间产生位移偏差造成曲线先增大而后负向变化。当荷载增加至18.5 kN时，三排微型桩承受的下滑力依次减小，最大桩前土压力分别为780.1，487.5，225.2 N。每排桩受力之比为1∶0.625∶0.289。

(2) 当微型桩加固膨胀土滑坡时，开始加载后，滑体首先产生土体瞬时变形，土压力基本没有增加。随着荷载的不断增加，土体持续压缩变形，土拱效应不断增强并且越接近滑面附近的下滑力增长越快，桩前土压力激增直至第一排微型桩到达峰值，此后由第二排桩来主要承担滑坡推力。荷载达到18.5 kN时，每排桩最大桩前土压力分别为：1776.2，1246.2，1 068.3 N；受力之比为1∶0.702∶0.601。

图5 黄土土滑坡桩前土压力曲线Fig.5 Soil pressure curve in front of loess soil landslide pile

图6 膨胀土滑坡桩前土压力曲线Fig.6 Soil pressure curve in front of expansive soil landslide pile

(3) 通过以上两组数据对比可以看出，在相同桩间距、排间距、嵌固深度以及加载量的条件下，微型桩在黄土堆积层滑坡比膨胀土堆积层滑坡中的桩前土压力小。而过大的桩前土压力表明微型桩对滑体的拦挡 作用较差，因此在加固膨胀土堆积层滑坡时，应该更加注意微型桩的支护参数设计。

2.2.3桩身弯矩分析

试验测试桩选取每排中间位置的微型桩，沿桩身分别位于距桩顶70，60(滑面处)，55，50，40，30 cm处贴6个应变片。

桩身弯矩分布情况可以反映微型桩随着荷载增加的受力情况并可反映微型桩加固膨胀土堆积层滑坡的效果。

(1) 微型桩加固膨胀土滑坡桩身弯矩见图7。在一开始未施加荷载时，桩身各处弯矩均为0。随着荷载的不断增加，滑体持续移动形成桩间土拱，滑坡推力由土拱传递至微型桩，桩身弯矩迅速增加。可以看出，在距桩顶40 cm和60 cm处弯矩变化最为明显。当加载至18.5 kN时，3排微型桩距离桩顶60 cm处的弯矩最大值分别为206.25，160.55，130.02 N·m；距离桩顶40 cm处的弯矩最大值分别为-56.25，-29.19，-28.05 N·m。第一排至第三排桩的桩身弯矩依次递减。由此可知，桩体抗滑段承受的桩身弯矩比锚固段承受的弯矩大，所以在工程实际中，对于微型桩锚固深度的计算和设计应予重点关注。

(2) 微型桩加固黄土堆积层滑坡的桩身弯矩曲线与加固膨胀土滑坡的弯矩曲线变化趋势相同(见图8)：弯矩值随着荷载的增加持续增大，没有出现回弹的情况则可以认为微型桩进入塑性变形阶段。最大正、负弯矩值出现在距桩顶60 cm和40 cm处。当荷载增加至18.5 kN时，3排桩距离桩顶60 cm处的弯矩最大值分别为101.92，77.50，62.61 N·m；距离桩顶40 cm处的弯矩最大值分别为-54.60，-22.51，-19.78 N·m。

(3) 可以看出两种滑坡有着相同变化特点，因此一定程度上可以认为这是微型桩加固堆积层滑坡的受力特征之一。对照两组滑坡微型桩加固数据可得：在微型桩排间距、桩间距、荷载量和嵌固深度一定的情况下，微型桩加固黄土堆积层滑坡时桩身弯矩更小，效果更佳。

2.3 黄土、膨胀土堆积层滑坡参照系数分析

微型桩治理两类滑坡时的参照系数是根据微型桩的受力机理和破坏模式，主要考虑两类堆积层滑坡在施加相同荷载时桩顶位移的比值，同时兼顾桩身弯矩与桩前土压力的比例关系所得的系数。

图7 膨胀土滑坡桩身弯矩曲线Fig.7 Moment curve of expansive soil landslide pile

图8 黄土滑坡桩身弯矩曲线Fig.8 Moment curve of loess landslide pile

(1) 当加载至18.5 kN时，黄土堆积层滑坡的桩顶位移值为26.51 mm；而膨胀土堆积层滑坡的位移值达到了38.65 mm，则桩顶位移比为：1∶1.46。

(2) 同样在荷载增加至18.5 kN时，加固黄土堆积层滑坡的3排微型桩最大桩前土压力分别为780.1，487.5，225.2 N；而加固膨胀土堆积层滑坡的3排微型桩最大桩前土压力分别为1 776.2，1 246.2，1 068.3 N。可以得到各排桩桩前土压力比为1∶2.28，1∶2.56，1∶4.74。

(3) 此外，在距桩顶40cm处黄土、膨胀土堆积层滑坡3排微型桩最大桩身弯矩值分别为-54.60，-22.51，-19.78 N·m和-56.25，-29.19，-28.05 N·m。其每排桩对应比值是1∶1.03，1∶1.30，1∶1.42。距桩顶60 cm处黄土、膨胀土各排桩最大桩身弯矩值分别为101.92，77.50，62.61 N·m和206.25，160.55，130.02 N·m，其对应比值是1∶2.02，1∶2.07，1∶2.08。

综上所述，可得到两类滑坡关于桩顶位移、桩前土压力和桩身弯矩的比例系数。由于滑体推力的作用，使得桩前土压力逐渐增大并依次传递到各排微型桩，导致微型桩的桩顶位移和桩身弯矩的增长。但是作为柔性支护方式的微型桩其长细比较大，桩径和抗弯刚度较小，只有当桩身形变即桩顶位移过大时，桩身弯矩才会迅速增大。综合以上因素认为，参照系数以桩顶位移作为主要的参考因素，同时兼顾桩身弯矩与桩前土压力的比例。因此，提出微型桩加固黄土与膨胀土堆积层滑坡的设计参照系数可在1.45～2.45间取值。

3 结 论

(1) 随着下滑力不断增加，滑体被逐渐挤密，桩间土拱逐渐形成，桩-土共同承担下滑力。桩间土将大部分推力传递到微型桩桩身，产生桩顶位移并持续增大。随着变形的发展，桩身弯矩也发生变化。直到桩前土压力达到峰值，微型桩进入塑性变形阶段并最终破坏。

(2) 微型桩桩身弯矩集中在桩身2/5～3/5范围内，也是模型滑坡的滑面附近。所以在工程实际应用过程中应重视微型桩在滑面附近的设计合理性及施工质量。

(3) 根据桩顶位移、桩前土压力和桩身弯矩监测数据可知，相同布设条件下微型桩加固黄土堆积层滑坡效果优于膨胀土堆积层滑坡。

(4) 通过比较微型桩加固黄土和膨胀土堆积层滑坡力学特性的数据，以及对实际工程施工、设计、安全等因素的兼顾考虑，提出微型桩加固黄土、膨胀土堆积层滑坡的设计参照系数可在1.45～2.45间取值。