增濕過程中結構性黃土強度對抗滑樁間距的影響

陶 虎，謝 晨，任建民，王軍璽

(1 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3 甘肅有色工程勘察設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

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增濕過程中結構性黃土強度對抗滑樁間距的影響

陶 虎1,2，謝 晨3，任建民1,2，王軍璽1,2

(1 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3 甘肅有色工程勘察設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

【目的】 探討增濕、擾動作用下結構性參數降低對土性參數和抗滑樁間距的影響?！痉椒ā?通過單軸壓縮試驗，分析初始結構性參數隨含水率變化的規律以及構度指標變化對結構性土黏聚力和內摩擦角的影響。在抗滑樁拱端的土拱效應中，通過靜力平衡方程建立拱間距與黏聚力的關系，并將構度指標對黏聚力的影響引入公式，從而分析構度指標變化對土拱間距的影響?！窘Y果】 構度指標隨含水率的增大而減小，構度指標減弱導致黏聚力明顯降低而內摩擦角變化較小，在增濕過程中將構度指標引入抗滑樁間距計算公式，其變化直接影響到抗滑樁間距的大小?！窘Y論】 構度指標是影響抗滑樁間距大小的最主要因素之一，在抗滑樁設計中引入結構性參數這一指標，為合理確定抗滑樁間距提供了一種新的方法和理論。

黃土；增濕過程；構度指標；抗滑樁；黏聚力；抗滑樁間距

我國約有64萬km2土地被黃土所覆蓋，在雙目顯微鏡下可見黃土由結構單元、膠結物和空隙3部分組成，在干旱半干旱的自然條件下具有較強的結構強度。土的結構性早在1925年就被土力學奠基人太沙基[1]所指出，只是因為定量描述的困難性以及形成原因的復雜性，使得結構性定量描述一直游離于對土物性的表述，但它的定性表述仍然顯示出了其在土性機理[2]分析上的極其重要性。天然狀態下黃土都存在結構性，如邊坡、陡坎等保持陡直的狀態就是依靠自身的結構強度，一旦增濕和加載，結構強度就會有所降低，如2013年7月甘肅岷縣-漳縣地震[3]，黃土體在降雨增濕后因地震作用誘發的滑坡造成大量人員傷亡；1989年3月甘肅永靖縣鹽鍋峽庫區黑方臺焦家崖頭土地在灌溉增濕后誘發了大滑坡[4]。研究表明，增濕是導致黃土結構強度降低的內在因素，而加載則是外因[5]。深入研究黃土的結構特性變化規律,有助于提高設計人員對結構性土性質的認識，進而在設計中合理選取土性參數。

近年來，隨著經濟建設的快速發展，黃土地區開展了大量平山造地、依山而建的工程項目，在降雨、堆載影響下極易造成黃土邊坡失穩，對周圍建筑和人員造成安全隱患。增濕過程中，土的結構性、結構強度及變形是動態變化的，而現行的《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB 50025-2004)[6]假設完全飽和狀態來考慮黃土濕陷性對工程的影響，存在設計上過于保守、經濟效益上不可行的不足[7-8]。

抗滑樁大量運用于黃土地區邊坡治理工程，由于抗滑樁具有抗滑能力大，對滑坡體穩定性擾動小，設樁位置靈活，能及時增加抗滑力而在邊坡工程中得到大量應用。本研究通過研究增濕后黃土結構性變化規律，定量總結增濕過程土結構性參數變化對抗滑樁間距的影響，以期為抗滑樁的設計提供參考。

1 土的結構性

結構性是天然土固有的特性，土的結構實質上包括了反映土骨架聯結特征的“膠結”和土骨架幾何空間特征的“組構”。謝定義等[9]指出，由幾何特征的“組構”和聯結特征的“膠結”反映的土結構的可穩性和可變性的綜合結構勢，是決定各類土力學特性的一個最為根本的內在因素。土的結構性對土工程性質的重要性已成為共識,被認為是21世紀土力學的核心問題[10]。任何土都具有結構性，黃土的結構性尤為突出。結構性越強，在增濕后聯結力越容易破壞，擾動作用使得黃土幾何排列越不穩定；結構性越弱，增濕對聯結力的影響則越不明顯，擾動對黃土幾何排列的影響也小，結構呈穩定狀態。對比分析相同粒度、密度、濕度的原狀黃土和重塑黃土，兩者的抗剪強度差異性很大[11]，說明原狀黃土結構在未遭到破壞時，具有較高的抗壓和抗剪強度。

靈敏度僅反映了原狀土擾動前后結構性的變化大小而忽略了增濕過程對結構的影響。邵生俊等[12]基于綜合結構勢理論提出了構度指標，在此認識上，文獻[13]通過大量試驗，提出了反映增濕和擾動影響的增濕靈敏度和擾動靈敏度，綜合考慮了擾動作用和增濕過程對結構性土的影響。

1.1 構 度

采用單軸壓縮試驗，對相同含水率、粒度、密度的原狀土、重塑土和飽和狀態下原狀土進行最大無側限壓縮試驗，按照下式確定構度：

(1)

式中：mu為構度指標，反映結構性黃土的初始結構性大??；mw反映結構性黃土增濕后對水的靈敏度，稱為增濕靈敏度；mr反映原狀土結構完全擾動后強度的降低程度，稱為擾動靈敏度；(qu)o、(qu)r、(qu)s分別表示原狀土、重塑土、飽和原狀土的最大無側限抗壓強度。

以蘭州東Q2黃土為例，該土的干密度為1.56 g/cm3，天然含水率為10%，孔隙比為0.731。圖1為蘭州東Q2黃土在含水率為10%，15%，20%，25%，28%時構度指標mu、增濕靈敏度mw、擾動靈敏度mr的變化規律。由圖1可知，該Q2黃土的初始結構性受增濕靈敏度的影響較大，而擾動靈敏度在不同含水率下變化較小，說明增濕是影響黃土結構性變化的最主要因素之一，而擾動靈敏度大小只與初始結構狀態有關。

圖 1mu-w關系曲線

Fig.1mu-wcurves of loess samples

1.2 結構性與強度指標的關系

黃土的結構強度易受應力狀態(圍壓)和增濕(降雨)的影響，因此存在不穩定性。黨進謙等[14]研究了黃土結構強度與初始含水率的關系，在摩爾-庫倫準則中引入了不穩定黏聚力的概念。謝定義[2]指出，在土力學中，研究土結構性問題的根本目的在于揭示結構性及其變化的力學效果。

文獻[15]通過三軸(UU)試驗，測定結構性黃土在不同含水率下的構度指標(mu)與黏聚力(c)、內摩擦角(φ)的變化關系，結果如圖2、3所示。圖2表明，隨著結構性指標增大黏聚力c增大；圖3表明，結構性黃土的內摩擦角φ隨構度mu的增大略有增加，但增加幅度較小。

隨著含水率增大，黏聚力隨構度的增大而增大，內摩擦角隨構度基本保持不變。通過測定不同含水率狀態下黃土的構度，即可以判別黏聚力的大小。

圖 2 mu-c關系曲線

2 計算模型

Terzagi最早通過活動門試驗驗證了土體中存在拱的效應[16]，國內學者先后研究了黏土和軟土地區抗滑樁土拱效應產生的機理，建立了土拱間距的計算方法[17-20]。土拱效應受拱間距和土結構強度變化的影響較大，對于結構性黃土，隨著增濕過程，結構性減弱導致黏聚力降低，因此認識增濕后黃土結構性的變化規律，對合理確定黃土地區抗滑樁間距具有重要的科學意義?？够瑯吨g存在的土拱效應如圖4所示。

圖 4 抗滑樁之間的土拱效應

在土拱計算過程中做了如下假定：不計土拱自重作用，假設樁體周圍黃土為各向同性的均質土；相鄰兩個樁之間形成的土拱形狀為對稱于跨中的拋物線；假定樁后坡體壓力沿樁間均勻分布作用于土拱上，不計樁后土拱效應沿樁長從上至下逐漸減弱的影響。

2.1 受力分析

圖 5 土拱受力分析圖

根據結構力學三鉸拱計算原理，建立拱軸的拋物線方程，有：

(2)

式中：x、m分別為拋物線上任意一點到原點的水平距離和垂直距離。

令λ=f/L，則(2)式可寫成：

(3)

靜止狀態下拱端內力滿足平衡關系，拱角支座反力為：

(4)

(5)

(6)

(7)

由于抗滑樁的存在，拱后形成拱效應，在z方向以擠壓為主，而x和y方向則產生剪切作用。

圖 6 拱腳支座反力示意圖

2.2 樁間距的計算

影響原狀黃土抗剪強度的主要因素為結構性強弱，在降雨、入滲等增濕過程中，土的結構性降低，導致土性參數的變化，最終使得土的抗剪切強度減弱。原狀土由干燥狀態轉變為塑性流動狀態時，土結構的膠結、固化作用喪失，土拱效應產生的拱端間距減小。一般采用樁側壁土的摩擦阻力和抗剪強度確定樁間距的大小，當抗滑樁間距過大時，不能形成土拱效應，滑動土體會從樁間流出；當抗滑樁間距過小時，增加了抗滑樁的數量，導致費用增加，因此合理確定樁間距，才能充分發揮樁的作用，提高經濟效益。

由于結構性土的強度隨增濕擾動的影響呈非線性變化，因此線性的摩爾-庫倫準則不再完全適用于結構性土。但是在摩爾-庫倫準則中可以引入土的結構性參數，并以此來反映結構性土的強度特征，無疑可以簡化問題。結構性參數影響下剪應力的計算公式[11]可表述為：

τ=c(mu)+σtanφ(mu)。

(8)

式中：τ為剪應力，σ為法向應力。黏聚力c、內摩擦角φ受構度mu變化的影響。從圖2和3可知，構度增大的過程中黏聚力c也增大，而內摩擦角φ略有變化，因此可以忽略構度對內摩擦角的影響，則式(8)可以寫成：

τ=c(mu)+σtanφ。

(9)

由(9)式可知，影響剪應力的主要因素為黏聚力c與法向應力σ的大小，在法向應力不變的情況下，可以認為是構度指標mu的變化對剪應力影響最大。

(10)

將式(5)代入(10)，得：

(11)

式(11)中，令β=t/L，得：

(12)

(13)

由于抗滑樁樁前土體被開挖，B點處于單向受剪狀態，根據摩爾-庫倫強度準則，得：

(14)

式(14)中τB為樁端剪應力?？紤]結構性變化的影響，由于黏聚力c(mu)受構度指標影響較大，因此式(14)中B點的剪應力與結構性的關系為：

(15)

式(15)中，土的黏聚力c(mu)與構度指標呈函數關系，根據承載能力極限平衡方法，在外部荷載作用下，必須滿足承載能力極限狀態的要求，即：

τB≤τBmax。

(16)

式(16)中τBmax為拱端最大容許剪應力。在極限狀態下，最大應力關系為：

τB=τBmax。

(17)

將式(13)、(15)代入式(17)，得：

(18)

在合理設置樁間距的情況下，在同一樁體后側的局部區域內，土拱會在此處形成三角形受壓區，如圖 7所示。因此，確保該三角形受壓區能正常發揮效應而不被破壞，應該滿足摩爾-庫倫強度準則，CD截面滿足力的平衡，即：

Ncos (θ+δ)=c(mu)t+Nsin (θ+δ)tanφ。

(19)

式中：N為合力；θ為截面CD與水平面的夾角，cosθ=b/(2t)；δ為合力與水平面的夾角。

圖 7 土拱三角形受壓區示意圖

圖7中，Fx、Fy為N在X、Y方向的分力，對N與水平面的夾角δ，有：

(20)

將式(18)代入(12)式，得：

(21)

即：

(22)

整理式(22)，得：

(23)

將β代入(18)式，得：

(24)

將Fx、Fy、β、λ代入式(19)，得：

cos (θ+δ)-sin (θ+δ)tanφ=

(25)

通過式(20)、(25)及cosθ=b/(2t)的關系，解得拱間距L為：

琿春市旅游業目前處于快速發展階段，作為吉林省唯一的口岸邊境城市，地處三國交界。高鐵開通后，截至2016年琿春市第三產業經濟占比達到26.6%；全市接待國內外游客已達253.8萬人，其中國內游客達到186.5萬人；旅游業收入達到28.0億元，實現了旅游經濟快速增長。全市目前擁有四星級賓館1家，三星級賓館1家；旅行社16家，分社12家，其中出境組團社6家，邊境組團社9家；國家4A級景區---防川風景名勝區[5]。

(26)

由圖7的關系可知，相鄰兩抗滑樁中心之間的間距即為抗滑樁的樁距，大小等于(L+b)。由式(26)可知，影響抗滑樁間距的因素有土的構度指標、土拱與平面的夾角、土拱的作用力、抗滑樁寬度及土的內摩擦角。土性參數隨著增濕的過程發生變化，因此在可能增濕的最大情況下確定結構性參數對應的凝聚力，將使得建造工程的費用降到最低。

2.3 實例分析

皋蘭山滑坡位于蘭州市北面，該區同時也是南北兩山綠化的重點地帶，除了自然降雨外，春、夏、秋季常采用噴灌灌溉。

滑坡體前緣高程1 750 m，后緣高程1 885 m，高差135 m。平面形態呈“蘋果”狀，滑體南北長160 m，東西寬275 m，滑體面積3.87×104m2，平均厚度25 m，總體積96.7×104m3，屬中型滑坡。上部為淺黃色粉黃土，厚度5.7～27.8 m，呈現出滑體中部及后緣厚度大、前緣厚度小的分布特征?；w下部以桔紅色泥巖碎塊、巖屑堆積為主，局部夾砂巖塊體，厚度13.6～16.3 m。除了降雨因素之外，同時應考慮灌溉用水對滑坡的影響。隨著下滲，含水率變化，測定構度與黏聚力、內摩擦角的關系，結果如表1所示。

表 1 不同含水率下滑坡土體的土性參數特征

土拱坡面與水平面的夾角為25°～40°，抗滑樁尺寸為2.5 m×3.0 m，推力為1 050 kN/m。隨著含水率的變化，構度指標的降低將影響到土性參數的變化，通過式(26)計算樁間距L與構度指標mu、水平面夾角α的變化關系如圖8所示。圖8中，影響樁間距L的主要因素為土的構度指標與坡面夾角。構度指標越大，樁間距越大；構度指標逐漸減小，樁間距則減小。坡面夾角α增大，則抗滑樁間距也增大，與分力增大有關。因此，構度指標變化是影響樁間距的最主要因素。在表層采用排水措施，地面1 m以下平均構度值mu=19.5，相鄰兩樁的樁間距L+b=6.9 m，按照完全飽和則樁間距為4.5 m。全面了解土的結構性變化規律，正確認識結構性參數對土性參數的影響將直接影響抗滑樁間距的取值，最終影響工程投資。

圖 8 不同夾角α時mu-L關系曲線

3 結 論

(1)黃土具有較強的結構性，可以采用構度指標來評價黃土的初始結構性，構度指標包含了增濕靈敏度和擾動靈敏度，其中增濕靈敏度可以反映結構性黃土在增濕后結構變化的劇烈程度。

(2)增濕影響黃土的結構性變化，其中初始結構性參數即構度的降低最終影響土性參數c、φ值。隨著含水率增加，構度變化對c值影響較大而φ值變化較小，因此在摩爾-庫倫準則中引入了土的結構性參數，并以此來反映結構性土的強度特征變化對黏聚力的影響。

(3)樁間土性參數的變化直接影響樁間距的大小，根據三角拱計算原理，通過靜力平衡方程確定了結構性土樁間距的計算公式。該公式可以預測可能發生的最大增濕值，建立構度指標與土性參數的關系，最終可以合理確定最大樁間距。

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Effects of structural loess strength on interval of anti-slide piles during humidification process

TAO Hu1,2，XIE Chen3，REN Jianmin1,2，WANG Junxi1,2

(1SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China；2KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,Lanzhou,Gansu730070,China；3GansuEngineeringInvestigationDesignandResearchInstitute,Lanzhou,Gansu730000,China)

【Objective】 The influences of reduction of structural parameter under humidification and disturbance conditions on soil strength and interval between anti-slide piles were investigated.【Method】 The change of initial structural parameter along with water content and influence of structural index on cohesion and angle of internal fraction were analyzed based on uniaxial compression tests.The relation between interval of anti-slide piles and cohesion was established via the static equilibrium equation reflecting the stress conditions of arched soil between ends of anti-slide piles.Structural parameter of soil was also introduced to the cohesion to consider the effect of structure on interval between anti-slide piles.【Result】 Structural index decreased with the increase of water content,which decreased cohesion significantly and affected angle of internal frication.The interval between anti-slide piles related with the change of structural parameter after it was introduced into the computational formula.【Conclusion】 Structural index was one of the most important factors to determine interval of anti-slide piles.This paper presented a new method or theory to determine the interval between anti-slide piles by introducing structural parameter.

loess;humidification;structural index;anti-slide pile;adhesion;interval of anti-slide piles

時間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.031

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.062.html

2015-06-12

國家自然科學基金項目(41272320)；中國地震局地震預測研究所基本科研業務費項目(2014IESLZ02)

陶 虎(1975-)，男，甘肅漳縣人，副教授，博士，主要從事黃土力學及工程應用研究。E-mail:taohu01@126.com

TU473.1+4

A

1671-9387(2016)11-0215-06