打入型反滤体在预制桩墙式护岸上的二维物理模型试验

陈亚军¹，袁承斌²，史宏俊³，桑迪⁴，纪伟¹，李宁¹，邹福建¹，洪艳⁵

（1 徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221006；

2 扬州大学,江苏 扬州 225009；

3 南京水科院瑞迪科技集团有限公司，江苏 南京 210029；

4 新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002

 5 徐州市水利工程运行管理中心,江苏 徐州 221000）

摘要：预制桩护岸已广泛应用于水利水务、水运、城市建设等领域，但其因挤土效应及施工偏差等原因而产生桩间漏土也是一大痛点，而打入型反滤体采用在不开挖预制桩后土方的情况下将土工织物筒袋紧贴预制桩布置，能有效解决这一难题，达到了挡土反滤的效果。如何能更好的利用筒袋自身的挡土性能、合理确定桩间距至关重要，目前研究桩间净距尚少。本文通过室内竖向分级加载物理模型试验，研究了土工筒袋在不利工况下的受力性状，同时针对不同桩间净距下组合体上方土体的土压力变化、筒袋袋体的环向应变变化进行了监测与分析，初步得出了桩间合理净距，为后续具体设计及施工奠定了基础。

关键词：预制桩护岸；打入型反滤体；二维物理模型试验；桩间合理净距

0 引言

在传统预制桩护岸的施工过程中，为避免桩间距过大而导致桩间产生漏土，影响护岸结构的安全性，施工人员会尽可能地缩小桩间距，并在桩墙后铺设土工布做反滤。然而，这种方法不仅会增加工程开挖面，扰动桩后土体，还会影响施工进度，增加建设成本^[1]；桩间距过小还会影响护岸内外的生态交互。国内外在桩间距的研究方面已经取得了一定的进展，主要集中在桩间距的确定方法和影响因素的分析上，如何研发非开挖预制桩墙式生态护岸技术、具体确定合理桩间距研究不多^[2-17]。为此，陈亚军^[18]提出了一种用于防止预制桩桩间漏土的打入型反滤体技术，如图1所示。该技术通过在预制桩后打入土工织物筒袋，并在其内灌入砂砾石，有效解决了桩间漏土以及护岸内外生态交互不畅等问题，实现了护岸的装配化与生态化共存^[19]。在满足管桩护岸稳定性和安全性的条件下，课题组采用室内试验对打入型土工筒袋在不同桩间净距下的试验效果进行了研究，初步得到组合结构下较为合理的桩间净距。本文重点阐述室内管桩与筒袋组合体二维模型分级加载试验情况。

1 试验总体思路

受试验场地等限制，且桩后真实土压力不便于模拟，本次将试验装置简化，设计模型装置。将桩水平向挡土，模拟成竖向挡土，通过对其后加载模拟土压力大小，观察土工筒袋的受力、变形情况。同时由于管桩的刚度远大于土工筒袋整体，可以不考虑管桩位移对筒袋整体的影响。因此，试验中使用支座固定管桩，以便于更好地控制桩间净距的大小。通过千斤顶进行竖向分级加载试验，并对各级荷载下管桩与筒袋上方土体的土压力变化、土工筒袋的环向应变情况进行监测，然后对不同桩间净距下监测数据的变化规律进行对比分析，以此得到组合体受力性状与应用效果较优的桩间净距。试验整体布置的效果示意图如图2所示。

图2 试验整体布置的效果示意图

2 分级加载试验设计

2.1 试验材料选取与工况组合设计

本试验预制桩采用PC管桩，桩直径为300mm，土工织物筒袋采用聚丙烯长丝纺粘针刺非织造土工布制作而成^[20]，标称强度15kN/m，筒袋直径为172mm。筒袋内填土和筒袋上方填土均采用中粗砂，中粗砂的参数见表1。

2.2 试验装置设计

本试验装置主要分为模型箱装置、加载装置、测量装置和数据采集分析装置。模型箱主体结构由立柱、侧板、加劲板、连接板及高强度螺栓等构件组成，其内部尺寸为2.5m×1.35m×0.95m，模型箱整体布置及固定方式如图3所示；加载装置由反力钢架、连接板、LTR-1型拉压式压力传感器、螺旋千斤顶、钢板和分配梁组成，通过压力传感器测量施加的实际荷载，具体加载装置如图4所示；测量装置主要为压力传感器、数字显示器、土压力盒和应变片，其中，土压力盒和应变片的布置方案如图5所示；数据采集分析装置采用DH3820型高速静态数据采集器和DHDAS动态信号采集分析系统，对土压力盒和应变片的数据进行采集与分析。

（a）模型箱整体布置                       （b）模型箱固定方法

图3 模型箱整体布置及固定方式示意图

图4 加载装置立面图

图5 测量装置的布置示意图（单位：mm）

2.3 试验步骤

（1）准备工作

首先根据预定的桩间净距调节管桩支座的间距，然后通过起重机吊装管桩。安装完成后，对模型箱内进行初步填砂。接着将土工织物筒袋水平放置在两桩之间，并合理规划应变片导线的引出位置。然后按照规划区域进行分层回填，5cm一层，回填后进行压实，每层压实遍数6遍~8遍。在分层回填的过程中，按照布置方案把土压力盒固定在对应位置，并把导线从同一方向引出。最后安装加载系统，过程中确保连接板、压力传感器、千斤顶、连接板和分配梁在水平和竖直方向均处于中间筒袋的轴心位置。

（2）试验过程

对各测量元件的数据进行归零处理，归零完成后开始加载。通过千斤顶开始分级加载，初始荷载为4kN，每级荷载增量4kN。每级荷载加载完成后，对数据采集系统内的数据进行观测，若观测的数据变化幅度很小，则表明此时整体结构处于相对稳定的状态，维持该稳定状态一段时间后再进行下一级加载，直到加载到最大预定荷载后停止^[22]。

完成上一工况的加载后，先将加载系统卸除，再打开模型箱一侧侧板，开始初步清运砂土；在清土过程中，从上而下逐层取出土压力盒和土工筒袋。清土完毕后，将管桩吊出模型箱，重新设置底座的间距，即实现下一工况的布置，最后重复试验即可。

3 试验数据的分析与处理

3.1 试验现象分析

分级加载前，土工筒袋的截面形态为类圆形，筒袋顶部、底部密实度均匀；分级加载试验后，土工筒袋顶部发生略微塌陷压缩，筒袋底部出现略微下垂，筒袋的位置也有所下降。图6是加载结束并搬离筒袋后的样子，图中管桩上的黑线是加载前沿着管桩与筒袋接触缝所划的线。可以明显看到，管桩表面的湿润区域越过了加载前接触缝所在的位置（加载前管桩表面干燥），这意味着土工筒袋在加载后发生了下移。

此外，本次试验在加载前后均对土工筒袋与管桩的高度差进行了测量，测量方式如图7所示，不同桩间净距下的测量数据见表3。

图6 土工筒袋发生下移的示意图                         图7 高差的测量方式

通过表3可知：桩间净距越大，土工筒袋与管桩的高度差在加载前后的变化量也越大，即土工筒袋的位移量也越大。因此在土工筒袋的位移量方面，桩间净距50mm的工况明显优于其他工况。

3.2 组合体上方土体的土压力变化分析

本次试验在土工筒袋和管桩正上方各布置5个土压力盒，以此监测不同桩间净距下组合体上方土压力变化，通过对比分析不同桩间净距下的变化规律确定合理净距。

各土压力盒在不同桩间净距、不同加载量下的数据见表5。以土压力盒离桩顶的垂直距离为横坐标，以土压力值为纵坐标，绘制不同高度、不同桩间净距下的土压力盒的数据变化曲线图，如图8所示。

表4 加载量28kN下的土压力盒数据记录表（单位：kPa）

注：加载前已做归零处理，P1-P5为管桩上方的土压力盒，P6-P10为管桩上方的土压力盒。

图8 不同桩间净距下管桩上方、筒袋上方土压力盒的数据变化曲线图

结合上述图表可以发现：各土压力盒在四种桩间净距下的数据都随着加载量的增加而增加，且土压力盒越靠近施加荷载的位置，土压力值越大。同时，管桩上方土压力盒的数据较大于筒袋上方土压力盒的数据。这是由于管桩和土体的刚度差异较大，荷载通过填土传递时，刚性管桩会抵抗变形，迫使应力在桩顶区域集中；而筒袋的刚度较低，对土体的侧向约束小，应力扩散的速度更快。因此，筒袋上方土压力盒的数据相对较低。

此外，随着桩间净距的增大，同一土压力盒的数据呈现逐渐降低的趋势。这是由于桩间净距越小，管桩的群桩效应越发明显，组合体上方土体的应力叠加更强。随着桩间净距增大，群桩效应也相应地减弱，进而导致土压力盒的数据降低。从总体上来看，在桩间净距50mm的工况下，组合体上方的土体可以承担更多的荷载，更有利于整体结构的稳定性。

3.3 土工筒袋袋体的环向应变情况分析

本次试验在每个土工筒袋上都环向布置了4个应变片，以此监测不同桩间净距下土工筒袋袋体的环向应变情况，通过对比分析不同桩间净距下的变化规律来确定合理净距。

本节针对②号土工筒袋的袋体环向应变情况展开分析，并将应变片所在位置重新命名，具体如图9所示。各个应变片在不同桩间净距、不同加载量下的数据见表5至表8，将其绘制成散点曲线图，如图10至图11所示。

图9应变片所在位置示意图

结合上述图表可以发现以下规律：

（1）土工筒袋顶部（B点）发生压应变，筒袋底部（D点）发生拉应变，这与加载后的试验现象相吻合。实际试验中，由于土工筒袋的填充很难做到压实度100%，筒袋顶部在竖向荷载作用下易发生塌陷皱缩，进而B点产生压应变。而筒袋底部由于处于悬空状态，只能依靠袋体的张力支撑，进而导致袋体发生纤维拉伸。此外，土工筒袋顶部的两侧（A、C点）发生的也是压应变。在竖向荷载作用下，筒袋两侧本应产生侧向扩张变形，但由于相邻管桩的约束限制了其侧向位移，袋体转而向内部收缩，进而A、C点的环向应变表现为压应变。

（2）随着桩间净距的增大，A、C点的压应变呈现降低的趋势。这是由于桩间净距的增大，管桩对土工筒袋两侧的约束相应地减弱，A、C点的压应变也随之下降。如果桩间净距进一步的扩大，A、C点也可能产生轻微拉伸变形。

（3）随着桩间净距的增大，B点的压应变呈现上升的趋势。这是由于桩间净距的增大，管桩对土工筒袋的支撑相应地减弱，筒袋顶部向管桩传递的荷载也相对减少，进而B点承受的荷载增加，产生的压应变也随之上升。

（4）随着桩间净距的增大，D点的拉应变呈现上升的趋势。这是由于桩间净距越大，管桩对筒袋的侧向约束越弱，筒袋底部的下垂变形也越严重，进而底部袋体的拉伸也随着之加剧，D点产生的拉应变也相应地增大。

（5）在日常河道治理的应用中，一般打桩直接挡土高度不超过3m。考虑到地面附加荷载的影响，筒袋最下部所承受的土压力一般不超过60kPa，本试验的最终加载量足以模拟这一情况。通过上述图表可以发现，各个桩间净距下的应变数据相差不大，筒袋袋体的应变量均不足1%，而袋体材料的伸长率在40%-100%，远远大于应变量。因此在日常技术应用时，土工筒袋因应变过大而导致破坏的可能性较低。可能导致其破坏、失稳的诱因主要为：如果桩间净距过大，在临土侧土压力的影响下，土工筒袋可能从桩间挤出。

4 结论与展望

本文通过室内试验的方法，对打入型土工筒袋技术在不同桩间净距下的应用效果进行了研究，通过对比分析发现：在桩间净距50mm的工况下，组合体上方的土体可以承担更多的荷载，更有利于整体结构的稳定性；在土工筒袋整体的位移方面，桩间净距为50mm的工况明显优于其他桩间净距工况；不同桩间净距下的应变数据依旧相差不大，筒袋袋体的应变量也远远小于袋体材料的伸长率。

下一步可以采用现场原位试验来对桩体及土工筒袋进行研究，以更加准确地反映工程实际状况。此外，对于土工筒袋和预制桩的理论研究仍不够深入，后续可以从以下两个方面展开研究：一是深入研究土工筒袋与预制桩的协同作用机制，比如分析两者在不同工况下的荷载传递机制；二是深入研究土工筒袋在水土耦合作用下的渗透机制。通过建立完善的理论分析模型，为工程实践提供更为可靠的理论支撑。

参考文献

[1] 吕英明．兰州地铁深基坑围护桩合理桩间距研究[D]．甘肃：兰州交通大学，2016．

[2] A S Jamill, H O Abbas. Effect of Screw Piles Spacing on Group Compressive Capacity in Soft Clay[C]//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2021, 1076(1): 012098.

[3] A Souri, M Y Abu-Farsakh, G Z Voyiadjis. Effect of pile spacing on the static lateral behavior of vertical and battered pile groups[M]//IFCEE 2018. 2018: 121-131.

[4] M Khari, K A Kassim, A Adnan. An experimental study on pile spacing effects under lateral loading in sand[J]. The scientific world journal, 2013.

[5] K M Rollins, K G Olsen, D H Jensen, et al. Pile spacing effects on lateral pile group behavior: Analysis[J]. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2006, 132(10): 1272-1283.

[6] D A Bruce, A W Cadden, P J Sabatini. Practical advice for foundation design-micropiles for structural support[M]//contemporary issues in foundation engineering. 2005: 1-25.

[7] T K Garala, G S P Madabhushi. Role of pile spacing on dynamic behavior of pile groups in layered soils[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2021, 147(3): 04021005.

[8] A Amini, N Solaimani. The effects of uniform and nonuniform pile spacing variations on local scour at pile groups[J]. Marine Georesources & Geotechnology, 2018, 36(7): 861-866.

[9]王乾坤．抗滑桩的桩间土拱和临界间距的探讨[J]．武汉理工大学学报，2005，(08)：64-67．

[10] J Long, M Li, L Cui, et al. A method fo calculating stabilizing pile spacing by integrating the mechanical characteristics of soil arching[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2022, 15(3): 299.

[11]宋丽，许领，李杭州等．考虑中间主应力影响的非饱和黄土边坡抗滑桩间距研究[J]．岩土力学，2024，45(S1)：517-524．

[12]王哲，许四法，庄迎春．双排筒桩海堤受力性状分析[J]．岩土工程学报，2011，33(S2)：367-372．

[13] G Q Du, S J Wang, Y T Qin, et al. Determination of spacing between anchored piles in row for deep foundation pit[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 204: 2736-2739.

[14]惠炜，吴跃东，赵颖慧．基于土拱效应的遮帘桩合理桩间距分析[J]．长江科学院院报，2015，32(12)：67-71+86．

[15] J yan Liu, Y Liu, X hua Song. Research on the reasonable pile spacing of micro pile composite soil nailing[C]//IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2017, 81(1): 012157.

[16] C Xu, Z Huang. An experimental study of characteristics of solitary-wave-induced scour around a pile breakwater with a discussion on effects of the distance between piles[J]. Journal of Earthquake and Tsunami, 2022, 16(03): 2240002.

[17] G H Yang, H Q Li. Analysis on Infulence of Pile Spacing Acting on Bearing Capacity of Pile and Soil under Pile Cap Together[J]. Advanced Materials Research, 2011, 250: 1671-1674.

[18] 陈亚军．一种防止挤土桩桩间漏土的土工织物筒袋及其施工方法：中国，CN111980034A[P]．2020-11-24．

[19] 陈亚军，张玉龙，李宁等．打入型土工筒袋在河道塌坡生态治理中的应用[J]．江苏水利，2024，(07)：42-46.

[20] GB/T 17639-2023,土工合成材料 长丝纺粘针刺非织造土工布[S]. 北京：中国标准出版社,2023.

[21] 陈亚军，李宁，于际凯等．浅谈八一大沟滑坡段生态治理方案[C]//河海大学，河北工程大学，浙江水利水电学院，北京水利学会，天津市水利学会．2023（第二届）城市水利与洪涝防治学术研讨会论文集．徐州市水利建筑设计研究院有限公司 江苏 徐州，2023：89-96．

[22] 吴腾辉．关于桩基静载试验的常见问题分析及处理措施[J]．江西建材，2022，(09)：238-239+246.

基金项目:江苏省水利科技项目资助科研项目（编号：2022009）

作者简介：陈亚军（1979年2月），男，江苏盐城人，江苏省高层次人才培养计划“333工程”第七期第三层次培养对象，正高级工程师（水利工程）、高级工程师（建设工程），硕士，注册土木工程师（水利水电、岩土）、一级造价工程师，主要从事水利工程、岩土工程、桥梁工程等方面的设计和科研工作。E-mail：45688580@qq.com。

通讯作者：袁承斌（1968年9月），男，江苏如东人，副教授，硕士生导师，主要从事建筑材料、水利工程施工技术、水工装配式建筑物的教学与研究工作。E-mail：cbyuan@yzu.edu.cn