降雨入渗条件下的桩-土共同作用研究

降雨入渗条件下的桩-土共同作用研究

邓尧 李潇 蔡琳

陇东学院

甘肃省庆阳市745000

摘要：在建筑工程领域中，微型桩作为一种高效、经济的处理技术，正逐渐展现出其不可或缺的重要性。随着城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进，微型桩以其独特的优势在各类工程项目中得到了广泛应用。但国内外针对其各方面研究主要侧重于为微型桩的竖向承载力，对于微型桩水平承载性能方案的研究有所欠缺。而微型桩在滑坡治理工程中，主要发挥作用为水平承载力。为此进行研究，了解人工降雨对边坡失稳特征的影响机理，以及微型桩加固技术在边坡过程中的作用机理，为相关领域的技术人员提供参考。

关键词：降雨强度；微型桩；物理模型试验；桩身变形破坏模式；桩身内力

0引言

20世纪50年代，意大利工程师Lizzi首次在古建筑的地下室维修中提出了微型桩技术。微型桩渐渐出现在大众的视野之中。由于微型桩具有施工快捷方便，体积小，施工快速，适用范围广、绿色等优点，它的运用范围越来越广泛。据QYResearch报告， 全球微型桩市场规模预计在未来几年内将持续扩大。其原因在于三方面：一、基础建设设施的不断推进，带给它广阔的发展空间；二、国家推动环保和可持续发展，促进了微型桩以及其他绿色设施的发展；三、微型桩自身的优点以及工程技术的不断创新，带给它新的活力。

虽然大量学者做了不同降雨条件下微型桩-土共同作用机理的研究体系还不够完善。因此，我国需要编制一套基于演化过程的滑坡防治关键技术标准用于指导微型桩的运用。

1.微型桩物理模型试验方案设计

1.1相似理论

1.1.1相似理论的基本原理

桩的相似理论基于相似理论的基本原理，即在一定的相似条件下，模型桩的行为和性能与实际桩在相同条件下的行为和性能是相似的。通过满足几何相似、运动相似、力的相似相似条件，可以建立起模型桩和实际桩之间的相似关系，进而利用模型试验结果预测实际桩的性能。

1.1.1桩的相似准测

为了满足桩的相似条件，需要遵循几何相似准测：

几何相似：模型桩和实际桩的几何形状和尺寸应保持相似，以确保桩在受力时的变形和应力分布相似。测量得出实际桩的外径为160cm、内径为140cm、桩身长532cm。选模型比尺n=100，因此模型桩的外径为1.6cm、内径为1.4cm、桩长为53.2cm。

1.2测试内容与方法

1.2.1土压力的测量

本实验在微型桩桩身布设BW11-1.2型土压力盒，测试微型桩受力以及土中压力，后用DH3816N静态应变测试系统四号机采集数据，研究土压力的变化。

1.2.2桩身弯矩的测量

同土压力测试一致，在桩身布设若干应力片，通过采集仪收集工况变化下应力片的变化，之后利用桩身应变数据做以处理得到桩身弯矩分布情况。数据采集仪器任然使用DH3816N静态应变测试系统四号机。

1.2.3土层基本参数的测量

桩基的受力与变形特性取决于土层的物理的力学指标，因此，模型地基土应满足设计要求的物理力学指标。试验中填筑材料为甘肃陇东地区黄土， 通过固结试验、含水量实验和直剪切，测得模型土的密度、孔隙率、含水率、粘聚力等力学参数指标，见表2.1。

表2.1

2.微型桩的物理模型试验研究

2.1试验设计

2.1.1试验材料

（1）模拟箱及降雨平台

该模拟箱由框架及数面铁板制成，其中一面为亚克力板，试验过程中方便观察土坡滑移的状况，其长宽高为2.2mΧ1.2mΧ1.2m,上部布设四个降雨装置，可通过设备控制降雨强度。降雨平台采用JLC-RY2便携式人工模拟降雨系统。

（2）微型桩

原型空心桩外径为160cm、内径为140cm，采用C30混凝土，弹性模量为30Gpa。微型桩为空心铝镁合金管，外径为1.6cm、内径为1.4cm，弹性模量为60Gpa。计算模型桩的抗弯刚度根据如下四式：

原型桩与微型桩数据见表2.1。

表2.1

（3）应变片

选用BF120-5AA应力片                                                      

（4）土压力盒

选用BW11-1.2型土压力盒

（5）数据采集仪

数据采集采用DH3816N静态应变测试系统四号机。

2.1.2微型桩及各类传感器的布设

(1) 微型桩的布设:

试验中微型桩沿模拟箱宽度方向采用单排布设。箱内宽111.4cm，布设4根微型桩，桩间距取四倍桩径，即8.0cm，桩身与模拟箱前部距离100cm[3]，如图2.4所示。

(2) 应变片的布设:

应变片粘贴在桩侧，桩身前后各布置1个应变片，随后每隔13cm布置一组应变片，每根桩共布置4组应变，共计8个应变片[2]。如图2.5所示

(3)土压力盒的布设:

土压力盒竖向同应变片的布设位置埋设。                                                                     

2.1.3试验步骤

第一组：

（1）按设计填筑夯实黄土，使滑体达到设计高度和角度；

（2）开启降雨系统，模拟小雨、中雨、大雨三种条件，观察滑体的变化；

（3）试验结束后，观察其状态，在模拟箱亚克力板边测量滑体发生的位移。

第二组:

(1)对使用的应力片和土压力盒与采集仪进行连接测试，确定设备无误；

（2）将确定无误的设备与微型桩连接；

（3）预留布桩位置。放桩时应注意应力片和土压力盒数据线的连接；

（4）连接采集仪；

2.2试验结果及分析

2.2.1正面破坏分析

无桩试验中，模拟小雨工况下，历时一小时滑体上侧出现一条微小而又平行于滑面的缝隙，说明此刻滑坡体已经开始沿着滑面有了向前滑移的趋势。试验进入中雨阶段，随时间变化，缝隙开始扩大，沿水平方向伸长，在试验结束后，呈现一条贯穿模拟箱的裂缝。最后在模拟大雨工况阶段中，滑坡体上出现多条平行于滑面的裂缝，在大雨的冲刷下，逐渐加宽加大，最后导致滑坡体崩塌破坏。

后期，在同样高度以及坡度的滑体内布设了四根微型桩，布设位置如图。在这组试验中，小雨强度的条件下，未对滑坡体造成破坏，滑坡体保持完整。在强度调制中雨后，滑坡体上逐渐出现一条微小裂缝，在历时两个半小时以后，滑坡体上呈现两条缝隙。后进行大雨强度试验，滑坡体变化大，模拟箱左侧出现深裂缝，右侧出现明显滑移，裂缝贯穿整个模拟箱。

2.2.2侧面位移分析

对于无桩试验而言，在小、中雨的强度下，滑坡体的位移并不算严重，但在降雨强度加大到大雨时，由于滑坡体的崩塌，侧面位移发生明显的变化，从表3.1和3.2中可以看见位移发现明显的折断。相较于无桩试验，微型桩试验侧面破坏并不严重，位移逐渐增加，对滑坡体的影响较小。

3.结语

本文通过物理模型试验，在不同降雨强度条件下，研究了有无微型桩对滑坡体的影响以及微型桩桩身内力，对此得到了一些新的认识。但是本论文还有许多的缺点和不足，例如该试验选选用的土体材料为单一的黄土，与实际土质的构造相差甚远，其次现实中的滑坡还受许多自然环境的影响，例如地下水位等，以至于该模拟试验所得到的规律是单一片面的。

参考文献

[1]董芸秀.超大直径空心独立复合桩基础承载特性及工程设计研究[M].中国矿业大学出版社，2022. 

[2]李凯.抗滑微型桩物理模型试验研究[D].长安大学，2021.

[3]吴鹏.降雨条件下微型桩-土共同作用机理研究[D].湖北工业大学，2017.

[4]李昌龙.山区公路滑坡微型桩受力机理及应用研究[D].贵州大学，2017.

[5]严绍军，唐辉明，项伟.降雨对滑坡稳定性影响过程分析[J].水文地质工程地质，2007，02：33-36.