张 力 ,赵振宇,刘力璇,李 超,李 鑫，邱树茂

(1. 贵州三独高速公路建设有限公司，贵州 黔南布依族苗族自治州 558000;2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081；3. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

微型桩在意大利古建筑中初次使用后便迅速发展，成为目前在边坡防护中最具代表性的抗滑支挡结构之一[1].微型桩技术的出现，可以有效减少边坡支护存在的各种问题，如：大型施工机械难以进入环境恶劣的滑坡场地、工程施工的干扰大，易造成危险边坡的滑动破坏、抵御边坡破坏的安全性较差、施工成本高、效率低等.高效、环保的微型桩在边坡治理、基坑支护、抢险救灾等实际工程中应用更加广泛.

近年来,针对微型桩的研究逐渐深入，冯君[2]根据边坡的变形破坏特征提出了三种微型桩结构类型，建立了力、位移模型，分析了桩和土体的相互作用机理.周银宝等[3-4]结合工程实例说明了滑坡治理中微型桩的设计方法、抗滑机理，阐述了利用微型桩进行边坡加固的方案，并通过实际工程验证了该治理措施的可行性.施颖[5]通过对边坡及微型桩的数值分析，得到了影响边坡加固效果的因素并给出了加固效果较好的形式.曾昌海[6]采用框架式微型桩对实际工程进行数值分析，说明了框架式微型桩的优点.刘鸿[7]通过研究框架梁连接的微型桩结构，明确提出组合结构中桩的抗剪、抗弯性能和土的抗力作用都得到较大增强.卢春灿等[8]结合实际滑坡环境及边坡的发生和发展过程，提出了边坡抗滑处置措施.刘凯[9]总结了国内外对微型桩结构的研究，并就存在的问题提出建议.孔纪名[10]通过实验研究了微型桩的抗滑机理并提出了影响微型桩抗滑的因素及其最优范围.孙书伟[11-12]通过对比试验，证明了微型桩在边坡防护中更具优势；通过数值模拟微型桩群-土坡体系对微型桩抗滑力进行了参数影响设计和分析，为工程设计和安全评价提供了依据.张振[13]结合具体施工，较为详细地探讨了微型桩的技术要点.苏媛媛[14]总结了微型桩结构的设计及计算方法并概括了其适用条件.李鑫[15]建立了不同的微型桩支护模型，探究了不同桩布置和间距对整体结构受力的影响.

综上所述，微型桩在工程实际中虽然已经得到了较为深入的研究和广泛的应用，但对微型桩设计参数取值的研究不足，无法满足工程实际需要.鉴于此，本文作者基于现有理论，通过分析、模拟、现场试验等方法，对微型桩结构进行建模设计，并将桩参数进行分析优化，使微型桩结构能更好应用于工程实际中.

1 抗滑机理及现场试验

1.1 抗滑机理

如图1所示，在微型桩结构中，单个微型桩通过钢筋混凝土顶板有效联结形成微型桩群.

相互作用抗滑机理：1)微型桩多设置为三排，其上布置钢筋混凝土顶板，微型桩与顶板发挥一致的变形协调作用，增强结构的挤土作用，共同抵抗边坡滑动；2)微型桩群锚固至相对稳定的地层，将荷载和应力传至周围稳定土层，提供较大的水平抗滑力；3)微型桩和顶板联结形成空间刚架结构，相较于传统单个抗滑桩而言，侧向刚度更大，边坡防护效果更优.

图1 锚索-微型桩复合结构空间示意Fig.1 Spatial structure of anchor pile composite structure

1.2 现场试验

试验路段选取依托项目某高速公路贵州境内路堤段.基本地质情况如下：

1)层岩性：第四系全新统残坡积层、侏罗系下统自流井组.

2)地质构造：工程场区无断裂构造，岩层呈单斜产出，岩层产状270°∠8°，岩体较破碎.

3)滑坡特征：推移式滑坡.

试验选择在滑坡治理段进行，现场采用推桩的试验方式.实验过程中，采用千斤顶水平对称布置施加水平力，并在千斤顶与钢板接触的位置设置球形铰座，保证作用力水平通过桩身轴线.千斤顶分级慢速加载，并对结构从加载到破坏的全过程进行监测.

安装在桩顶的百分表，用以测量并记录微型桩的桩顶位移变化，并将试验数据进行整理，绘制桩顶位移变化曲线，将之与数值模拟出的桩顶位移变化曲线进行对比，进而判断数值模拟模型的优劣及试验结果的准确性.现场试验示意图如图2所示.

图2 现场试验示意图Fig.2 Schematic diagram of field test

2 数值模拟与优化设计

通过目前在已有工程中应用愈加广泛的数值模拟，进行模拟分析，探究组合结构的荷载分配规律、相应参数取值范围等，并结合相应的现场监测实验结果，证实结构建模的准确性，以及结论的可靠性，从而进行进一步的分析和优化.

2.1 现场试验数值模拟分析

模型由4部分构成，应用三维实体单元模拟；桩-土和桩-岩接触采用三维接触单元模拟，模型尺寸为10 m×10 m×18 m，微型桩径150 mm，长8 m，且微型桩位于每个单元的中心处，划分网格后有限元模型单元数30 066，节点数43 619.

在模型侧面、前面、后面和底面分别施加位移边界条件，并用MidasGTS来模拟施工阶段水平荷载的逐级加载过程，模型考虑地层压力的永久荷载.其中，加载量每增加13.3 kPa，相应滑坡推力吨位增加8 t.主要结构部件参数见表1.接触单元输入参数见表2.

表1 主要结构部件参数

表2接触单元输入参数

Tab.2 Input parameters of contact unit(kN·m-3)

名称剪切刚度模量法向刚度模量桩-岩接触界面2.6×1072.6×109桩-土接触界面6.67×1056.67×107

图3所示为有限元建模整体结构及试验现场桩顶位移监测设备布置情况.通过现场检测数据和数值模拟结果对比可知，两者具有良好的拟合性，变化曲线相似，如图4所示,结构建模、模拟分析具有一定的精确性和指导意义.

图3 建模结果及试验段布置Fig.3 Modeling results and test section layout

图4 实测数据与模拟结果对比Fig.4 Comparisons between measured data and simulated results

2.2 结果分析及优化设计

2.2.1 桩参数优化设计

1)桩间距的优化设计.

在数值模拟中，桩间距分别选择为3D～11D(D为微型桩的直径)，桩间距与位移关系见图5和图6.

随着桩间距的增大，土拱效应逐渐减小，土体的抗滑作用减小，微型桩应力增大，桩顶位移逐渐增大.当桩间距为3D～7D(即0.45～1.05 m)时，桩间距减小，桩顶水平位移减小；而超过7D之后，桩间距减小对桩顶位移贡献较少.其次，由图6可知首排桩承担主要荷载，在具体应用中应适当减小其间距.

综上，为满足更高的稳定性和经济性要求，桩间距应取为3D～7D.

2)排间距的优化设计.

选取3D～11D进行排间距的模拟，曲线见图7.

随着排间距的增大，首排桩的桩顶位移增大，抗滑效应增大，其余均减小.在实际工程中，可在一定范围内适当增大排间距，提高结构稳定性，充分发挥单根等效桩的作用.综上，排间距取值应为3D～7D.

3)锚固段长度的优化设计.

保持微型桩自由段长度为3 m，锚固段长度从1.0～5.0 m等差变化，结果如图8所示.

图6 桩顶位移-桩间距关系Fig.6 Relationship between pile top displacement and pile spacing

图7 桩顶位移-排间距关系Fig.7 Relationship between pile top displacement and row spacing

图8 桩顶位移-锚固长度关系Fig.8 Relationship between the displacement of pile top and length of anchorage section

微型桩锚固段长度增加，桩顶位移波动变化.当锚固段长度占桩长的比例由25%增加到45%时，每排桩的位移降幅分别达8.5%、9.5%、10%.图8中，最明显的拐点出现在锚固长度占桩长约45%(2.5 m)时，之后提高比例至50%(3 m)时，出现位移反弹，但幅度较小.综上，锚固段长度宜选取为全部桩长的1/3～1/2.

2.2.2 土体参数优化设计

随着微型桩施工过程的进行，桩周土体的性质会发生较大变化，若设计中不考虑土体参数在过程中的变化，会使结果过于保守，造成材料浪费.由于土体注浆后，土体参数发生变化，且变化并不规律，在确定了可能的土体参数变化范围后，假设注浆技术对土体参数改变是等差的，并进行抗滑力研究，具体数据见表3.桩顶位移与土体改善率的关系见图9.

表3 注浆后桩周土体物理性质参数

图9 桩顶位移-土体改善率关系Fig.9 Relationship between the displacement of pile topand improvement rate of soil around pile

研究表明，部分土体参数的增大，会造成桩体位移的显著减小，且改善率对抗滑能力的提高效果相比结构自身参数的变化效果更显著.因而在实际工程中应充分考虑土体受注浆作用产生的参数变化对整体抗滑性能的影响，并进行试验模拟及合理设计.

3 结论

通过现场试验和数值模拟相结合的方法，分析了微型桩结构的受力特性，研究了结构自身参数及岩土参数的变化对结构性能的影响，并提出合理的参数优化设计：

1)微型桩的桩间距和排间距应为3D～7D.

2)微型桩的锚固段长度应取1/3～1/2个桩长.

3)合适的注浆技术会改变土体参数，进而影响微型桩的加固作用.