抗滑桩应力-应变特性试验研究

抗滑桩应力-应变特性试验研究

1模型试验的一般程序抗滑桩研究的主要方法包括模型试验和数值分析。数值分析方法方便且投资少,但其精度依赖于桩-土相互作用参数、土体特性等参数的正确选取。而模型试验可以根据需要具体设定,控制边界条件、桩土材料特性,信息量大,可信度高,还可以验证数值模拟分析。但模型试验也有其自身的局限性,需要与其它研究手段相结合以准确分析抗滑桩应力-应变特性及变形过程。2抗滑桩室内通用模型试验2.1桩周土体破坏机理(1)文献研究了桩前滑体具有不同极限抗滑力时抗滑桩的受力情况,桩埋入滑动面以下的深度不同时抗滑桩的受力情况,桩前滑体的抗滑力、桩身变位、弯矩及抗力的变化情况。该试验采用有机玻璃模拟抗滑桩,滑动面用砂、黄油、机油和滑石粉以一定比例调配而成,桩前体的砂为疏松状态,滑床内的砂分层夯实至紧密状态。研究表明滑动面的存在和作用,决定了抗滑桩的受力条件。当滑动面以下桩前滑体的极限抗滑力(由滑动面的强度所控制)被克服,即虽有滑动面而不能真正起作用时,抗滑桩与普通地基中的侧向受荷桩无本质区别;当滑动面以上桩前滑体的极限抗滑力起作用时,最初,这部分抗滑力随下滑力的增加而逐渐增大,分布图式近抛物线,待抗滑力基本不再增大,分布图式近于矩形或梯形,且稳定的抗力值与桩前滑体的极限抗滑力基本一致。(2)文献在滑体的被动区设置单排抗滑桩,提出了滑体为松散介质时,作用在抗滑桩上的下滑力、桩前滑体抗力和锚固段地层反力的分布规律。该试验采用四块有机玻璃粘结而成模拟抗滑桩,2～3mm的石英砂模拟破碎岩体或含石较多的堆积层滑坡,滑动面采用塑料薄膜,在设桩位置的滑动面以下设置0.5m×0.5m×1.2m的石蜡、砂、木屑混融体模拟软弱基岩。研究表明当滑体为松散介质时,下滑力基本为三角形,合力重心在滑动面以上0.3h上(h上为滑动面以上桩长)处。桩前滑体抗力图形接近抛物线,合力重心约在滑动面以上0.45h上处。桩前滑体抗力的大小和分布,除与滑体和滑动面性质有关外,还与该滑体的大小和形状以及桩前滑体的滑面倾角有关。滑体越大,桩前滑体的滑面倾角越缓,抗力越大,但不可能超过桩前滑体的剩余抗力。滑动面以下的抗力图形为两个对顶的三角形,桩底支承条件接近自由端。(3)文献在文献的基础上采用砂粘土模拟粘土滑坡或以粘性土为填充物的堆积层滑坡和坡积层滑坡,研究滑体为粘性土的抗滑桩。研究表明,当滑体为粘性土时,作用在抗滑桩上的下滑力仍然为三角形分布,下滑力重心约在滑动面以上0.26h上(h上为滑动面以上桩长)处,与滑体为松散介质时下滑力的重心接近;桩前滑体抗力图形接近抛物线形,合力的重心约在滑动面以上0.6h上处,较滑体为松散介质时的滑体抗力的重心略高。当桩间距较大时,相当大的一部分下滑力从桩间溜走,与通过抗滑桩传至滑体的下滑力一起推动该滑体向前移动,滑动面以下的抗力为两个对顶的三角形,桩底弯矩为零,桩底支承条件接近自由。(4)文献采用空心硬铝作为试桩材料,石英砂为试验砂土,研究了桩周土破坏机理。作者进行理论推导并试验验证了抗滑桩桩周土体的破坏区域可分为三个区域,如图1所示。①桩后被动Ⅰ区:该区内土体的极限承载力与桩宽B近似地成线形函数关系,当H≤H0与H近似成三次函数关系,与桩侧边宽度B1无关;②桩后被动Ⅱ区:该区内土体的极限承载力,在一定范围内,与侧边宽度和桩宽之比B1/B近似成线性函数关系,与H(H≥H0)成二次函数关系;③桩前主动Ⅲ区:该区内土体的主动推力,近似地与H成线性函数关系,与B近似成二次函数关系。主动推力远远小于被动区土体的作用力。其中H0为:桩后存在一深度H0,发生破坏时,位于H0以内的土体向前向上运动,在桩后地面处形成隆起现象;位于H0以下的土体,不能向上运动,而处在一种水平运动状态。(5)文献进行了粘性土中抗滑桩试验,旨在考察工作状态下抗滑桩的内力和变位,尤其是桩间距对它们的影响。试验采用有机玻璃作为模型桩,充分重塑的长沙红粘土作为滑体和滑床土。该试验不同于别的模型试验之处在于设计了一种模型槽(如图2所示),无需另加外力,在土体重力作用下,即能提供较大的下滑力。作者认为其它模型试验以人工加载来提供下滑力,其加载原理类似一个大剪切盒,由于外加推力的存在,很大程度上影响着桩后推力(即下滑力)的分布图式,必然与天然滑坡有较大的差别。研究表明在单排抗滑桩试验中,随着桩间距的减小,桩身弯矩和桩头位移随之减小,而桩身所受总下滑力和总抗力却不断增大。(6)文献做了一系列试验,明确抗滑桩结构各桩排之间滑坡推力的分配问题。试验研究在非粘性土和粘性土中进行,利用密实粘土作为不移动的滑床土体,直径20cm和40cm的钢管做模型桩。研究表明,由桩排组成的防滑坡支挡结构设计时,若桩下端固定在不移动的土体中,而上端为自由端,则桩排(紧靠滑坡推力传递那侧的为第一排)之间的滑坡推力可采取如下分配数值:二排的——第1排:0.55,第2排:0.45;三排的——第1排:0.5,第2排:0.3,第3排:0.2;四排的——第1排:0.35,第2排:0.3,第3排:0.2,第4排:0.15。2.2桩顶埋深对滑体的影响深埋式抗滑桩一般是指桩顶在地面以下有一定埋深的抗滑桩。文献进行了深埋桩的模型试验和数值模拟,说明深埋桩的受力分布规律、适用条件,以及深埋桩受到的滑坡推力大小与桩顶埋深之间的关系。试验采用天然黄土分层夯填,模拟滑体,试验介质满足与原型滑体岩土等强度的要求,1∶8水泥土模拟滑床,250号钢筋混凝土做模型桩,与实际抗滑桩混凝土强度相当,滑床面上铺设两层塑料薄膜模拟滑面。研究表明:(1)滑坡推力如表1。(2)桩顶埋深率越大,桩前滑体直接承受的滑坡推力也就越大。(3)滑体的变形区域主要集中在地表面至桩顶面以上滑体,在桩前坡面上表现为水平和纵向裂缝。2.3预应力锚索抗滑桩预应力锚索抗滑桩是一种新型结构,具有主动、柔性支护,机械化程度高、劳动强度低,开挖工程量小,对滑坡扰动小,施工过程安全保障有较大增加的优点。(1)文献进行了室内试验,得到了该结构受力及抗滑性的一些规律。试验采用10cm厚人工拌和的均匀软塑状粘土模拟滑床,滑体的模拟填料为某地常见的坡积物,用人工筛选去大于12cm的块石,每层填0.3m后用人工夯实,逐层填至设计高度(2.2m)。在距试验桩桩顶10.0cm处设有一根ϕ14的钢筋拉杆,其中施加6kN的预应力,以模拟锚索,两组中的拉杆上贴应变片。试验结果表明,锚索桩和悬臂桩桩顶变位相差最大达7倍,显示出锚索桩抗滑性能的优越。预应力的施加对土体产生了“主动”的反压力,改变了土压力的分布规律。即悬臂桩的三角形分布变为近似梯形分布。由于锚索中的预应力,使桩前的一部分土体受压,该受压区的岩土力学特性改变,其c、φ值将增大,这对于边坡的稳定,阻止边坡滑动是有利的。(2)文献通过室内预应力锚索抗滑桩的模型试验,以石英粉砂和细砂为模拟材料,得出几组试验数据,探讨了抗滑桩在破裂结构滑体中的受力状态和分布规律。试验采用两种滑体材料,一种为石英粉、细砂、油按比例拌和,分层夯实形成滑体;另一种为细粉砂,最大粒径3mm。采用1∶4的水泥砂浆模拟滑床。在滑床上预先铺设塑料薄膜模拟滑动面。采用矩形木条作为抗滑桩,铜芯导线模拟预应力锚索,倾角为20°,一端固定在滑床深处,另一端连接桩顶。对抗滑桩嵌岩部分作如下处理:用含水量为20%的粘土胶结在混凝土滑床中,胶结深度为桩长的1/3。根据试验分析,预应力锚索抗滑桩在散体材料的滑坡体中,滑坡推力对抗滑桩的作用大致呈矩形分布。桩前滑体抗力较小,作为抗滑力可以作为安全储备来考虑。3基于桩前滑动体模型分析的抗滑桩设计抗滑桩受力、变形状态与自重引起的应力有很大关系。在土工离心模型试验中,可以采用与原型具有相同物理参数的材料制造模型,用离心力来加大模型的应力量值,使之达到原型的水平。因此离心模型试验中的应力应变关系及其它特性与原型完全等效,可以重现原型特性,较逼真地模拟现场复杂的条件,经济地预测现场不同规格和尺寸的桩的反应性态。文献针对不同情况,按普通悬臂抗滑桩进行离心模型试验,共进行8组,通过改变桩间距、基底材料及桩前土体坡度形式来分析不同情况下抗滑桩的受力及变形情况。试验模拟的抗滑桩桩长为24m,模型的几何尺寸按原型的1/100设计,试验时离心机加速度为100g。滑床、滑坡体和抗滑桩均由原型材料制作,在滑体与滑床之间铺两层塑料布模拟滑动面,并在塑料布中间涂上凡士林以达到充分润滑的目的。桩的埋深为全长的1/2。通过改变桩前滑动体的形状,来模拟不同的桩前抗力对抗滑桩受力的影响。研究表明,在滑坡体材料为粘性土时,桩顶端有一段受负弯矩的作用,桩身最大弯矩位置与计算值相比明显偏下。抗滑桩沿桩身的最大弯矩随桩间距的增大而增大,但最大弯矩与桩间距的比值则随桩间距的增大而减小。即使桩间距达10m,仍然能形成土拱作用。桩前土体所提供的抗力对抗滑桩的受力有较大的影响,桩前土体自身的稳定性越好,对抗滑桩的受力状态越有利。桩底约束条件接近固定端时,桩底