懸臂式單錨抗滑樁加固黃土滑坡的模型試驗(yàn)

張 濤，門玉明，石勝偉，李尋昌，梁 炯

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734；2.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

錨索（桿）抗滑樁是在普通抗滑樁及錨桿技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式，由于其在樁頂施加了強(qiáng)有力的預(yù)應(yīng)力錨索（桿），因而滑坡推力由錨桿和抗滑樁共同承擔(dān)［1］。近年來，該技術(shù)已在巖土工程界得到了廣泛應(yīng)用，且取得了一定的工程效果。但由于其應(yīng)用歷時(shí)較短，人們對(duì)于其在滑坡防治中的承載機(jī)理、受力形式及其破壞模式等問題還沒有充分的認(rèn)識(shí)。盡管國內(nèi)學(xué)者對(duì)錨索抗滑樁進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，如部分學(xué)者［2—8］對(duì)錨索抗滑樁的內(nèi)力計(jì)算進(jìn)行過相關(guān)研究；曾德榮等［9］通過模型試驗(yàn)研究，得出錨索預(yù)應(yīng)力的施加改變了普通抗滑樁的受力結(jié)構(gòu)，使抗滑樁由懸臂改變?yōu)椋◤椥裕┖喼Щ蛞欢藦椥灾С辛硪欢斯潭ǖ慕Y(jié)構(gòu)，此外錨索預(yù)應(yīng)力的施加也改變了土壓力的分布規(guī)律，使其由懸臂樁的三角形分布改變?yōu)榻频奶菪畏植?；曾云華等［10］通過室內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的模型試驗(yàn)，得出滑坡推力對(duì)抗滑樁的作用大致呈矩形分布；劉慶濤等［11］基于ANSYS有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)抗滑樁細(xì)觀受力特征進(jìn)行了研究，得出在相同深度條件下，施加的荷載與樁頂位移量呈線性關(guān)系，而在相同荷載作用下，抗滑樁在深度較小階段，其深度與抗滑樁的變形呈非線性變化，隨著抗滑樁深度的增加，抗滑樁深度與抗滑樁的變形趨于線性關(guān)系。但是，由于錨索（桿）抗滑樁屬于多體系（巖土體-抗滑樁-錨索）的耦合問題，研究難度較大，研究進(jìn)展一直較緩慢。因此，為了深入研究錨桿抗滑樁的受力形式、承載機(jī)理及其破壞模式，筆者所在項(xiàng)目組開展了一系列有關(guān)錨桿抗滑樁的理論及試驗(yàn)研究［12—15］，并取得了一些有意義的研究成果。本文主要介紹懸臂式單根錨桿抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn)的相關(guān)研究成果，并重點(diǎn)研究懸臂式單錨抗滑樁樁側(cè)地層抗力、樁身內(nèi)力分布規(guī)律及其破壞模式，以為錨桿抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 錨桿抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

本次錨桿抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn)以西安北郊典型黃土為介質(zhì)建立滑坡模型，人工預(yù)設(shè)滑面，并采用坡頂豎向施加荷載方式使滑坡體滑動(dòng)。試驗(yàn)中通過土壓力盒、應(yīng)變片、位移計(jì)等測試手段，監(jiān)測錨桿抗滑樁的受力及其變形破壞情況，從而確定錨桿抗滑樁的承載機(jī)理和破壞模式。為了滿足模型試驗(yàn)的幾何、物理及荷載相似的條件，本次試驗(yàn)?zāi)M斷面尺寸為1 000 mm×1 500mm，抗滑樁樁長為20m，幾何相似比為λL=1∶20。建立的錨桿抗滑樁加固黃土滑坡的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

1.2 模型準(zhǔn)備

（1）滑床、滑體及滑帶?；病⒒w采用黃土進(jìn)行分層填筑，夯實(shí)后重度約為18.5kN／m3?；瑤Р捎秒p層聚乙烯塑料薄膜模擬，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)無錨桿抗滑樁試驗(yàn)時(shí)滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的加載量及滑坡推力反算確定為：c=3.1kPa，φ=15°。

（2）抗滑樁及錨桿?？够瑯稑堕L1.0 m，橫截面為50mm×80mm 的矩形；樁后配筋采用3φ8，樁前配筋采用2φ8，箍筋為雙肢φ4，間距為100mm；綁扎鋼筋籠后，用細(xì)石混凝土灌注，強(qiáng)度為C20。錨桿自由段長0.40 m，為單根φ10 鋼筋；錨固段長1.0 m，直徑D 為0.06m，采用M15水泥砂漿澆筑。錨桿抗滑樁實(shí)體模型見圖2。

（3）錨桿抗滑樁的布設(shè)。試驗(yàn)中布設(shè)4根抗滑樁，并對(duì)應(yīng)抗滑樁布設(shè)4根錨桿，錨桿錨頭距抗滑樁樁頂距離為0.05m，錨桿入射角為20°，見圖3?？够瑯堕g距為0.4m，兩側(cè)距模型外邊緣為0.3m；抗滑樁嵌固段為0.5m，滑面以上懸臂段為0.5m。

模型抗滑樁在整個(gè)澆筑過程采用人工振搗，制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的試件，并對(duì)其分別進(jìn)行7d、14d、28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)［16］，以獲得模型混凝土材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，其結(jié)果見表1。模型抗滑樁縱筋的抗 拉強(qiáng)度fy為430 N／mm2，彈性模量Es為2.05×105N／mm2。

表1 模型混凝土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical indexes of the concrete material

1.3 監(jiān)測內(nèi)容

在抗滑樁樁前、樁后分別布設(shè)一定數(shù)量的土壓力計(jì)，用以監(jiān)測樁體與土體之間相互作用的變化關(guān)系；在抗滑樁及錨桿主筋上分別貼設(shè)一定數(shù)量的應(yīng)變片，用以監(jiān)測抗滑樁及錨桿的內(nèi)力變化情況；在抗滑樁樁頂及坡面分別布設(shè)以一定數(shù)量的位移計(jì)，用以監(jiān)測樁體及滑坡體的變形情況，具體詳見圖1。

1.4 加載設(shè)計(jì)

堆載測試前，先對(duì)錨桿施加1.5kN 預(yù)應(yīng)力，然后通過人工堆載沙袋施加荷載，單次加載量設(shè)計(jì)為6kPa。數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為3 600s，每級(jí)加載后，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可施加下一級(jí)荷載，直至滑坡模型及錨桿抗滑樁變形破壞。本次試驗(yàn)共施加72kPa的荷載。

2 結(jié)果與分析

2.1 滑坡變形的時(shí)間判斷

圖4為模型試驗(yàn)中錨桿抗滑樁樁頂水平及豎向位移隨加載量變化的曲線圖。

由圖4可知：加載至48kPa之前，各測點(diǎn)位移曲線平緩增長，樁頂位移速度約在0～2.4mm／d范圍內(nèi)，滑坡處于勻速變形階段；加載至60kPa后，位移曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，樁頂位移速度在2.4～8.6mm／d范圍內(nèi)，滑坡開始加速變形；加載至72kPa后，位移曲線急劇遞增，樁頂位移速度在8.6～16.7 mm／d范圍內(nèi)，滑坡失穩(wěn)，錨桿抗滑樁發(fā)生破壞。由此可以判斷，加載48kPa時(shí)，滑坡模型處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)錨桿抗滑樁樁頂水平位移約為8mm。

2.2 錨桿抗滑樁受力分析

2.2.1 抗滑樁樁身各測點(diǎn)土壓力的變化規(guī)律

圖5為單錨抗滑樁試驗(yàn)中C 樁樁后及樁前各測點(diǎn)土壓力隨加載量變化的曲線圖。由圖5可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）C樁樁后受荷段測點(diǎn)土壓力變化規(guī)律。C樁樁后埋深0.35m、0.15m 處（距樁頂0.35m、0.15 m 處）土壓力隨加載量增加而增大，但埋深0.35m 處土壓力在加載72kPa后迅速增大且不再趨于穩(wěn)定，而埋深0.15m 處土壓力在加載60kPa后反而逐漸減?。垡妶D5（a）］。這是由于樁體加載后，在滑坡推力作用下向滑坡前緣緩慢移動(dòng)，且由于樁前土抗力的作用，越靠近滑面，樁體變形越小，導(dǎo)致滑面附近土壓力不斷增大。而在錨桿的拉力作用下，抗滑樁樁頂受到錨桿拉力的約束，致使抗滑樁樁頂與滑體緊密接觸。顯然，滑坡推力主要由抗滑樁樁前土抗力及錨桿拉力來承擔(dān)，當(dāng)錨桿抗滑樁發(fā)生一定的位移變形后，樁體受荷段中上段與滑體擠壓程度相對(duì)減少，致使樁體受荷段中上部土壓力在加載后期緩慢減小，而樁體受荷段中下部的土壓力一直持續(xù)增大。

（2）C樁樁后嵌固段測點(diǎn)土壓力變化規(guī)律。C樁樁后埋深0.95m 處（距樁頂0.95m 處）土壓力在加載48kPa前緩慢增大，且基本穩(wěn)定；但加載48 kPa后該處土壓力逐漸增大，且在加載72kPa后急劇增大且不再趨于穩(wěn)定［見圖5（a）］。這是由于試驗(yàn)中的抗滑樁埋深不深，抗滑樁為剛性樁，在滑坡推力的作用下樁底與樁后土擠壓緩慢增大，土壓力隨著加載量的增加而緩慢增大，但在加載48kPa后，由于錨桿抗滑樁發(fā)生明顯的變形，滑面以下嵌固段繞樁底順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)加劇，致使樁底與樁后土擠壓加劇，故此測點(diǎn)的土壓力隨加載量增加而不斷增大。C樁樁后埋深0.75m 處及0.55m 處（距樁頂0.75 m 處及0.55m 處）土壓力在加載后緩慢減小直至為0［見圖5（a）］，這是由于錨桿抗滑樁受滑坡推力作用后，樁體有向前緣變形的趨勢，導(dǎo)致滑面附近的樁體與滑床出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

（3）C樁樁前嵌固段測點(diǎn)土壓力變化規(guī)律。C樁樁前埋深0.55m 處及0.75m 處（距樁頂0.55m處及0.75m 處）土壓力隨加載量不斷增大，且逐漸趨于穩(wěn)定，但在加載72kPa后急劇增大而不再趨于穩(wěn)定［見圖5（b）］。這是由于滑床的嵌固作用，越靠近滑面的樁體變形越大，樁土擠壓加劇，導(dǎo)致其土壓力不斷增大。C樁樁前埋深0.95m 處（距樁頂0.95 m 處）土壓力隨著加載量增加而不斷減小［見圖5（b）］，這是由于抗滑樁繞樁底順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，致使樁底與樁前土擠壓松弛，土壓力逐漸減小。

2.2.2 抗滑樁樁身各測點(diǎn)土壓力的分布規(guī)律

圖6為單錨抗滑樁試驗(yàn)中C 樁樁后及樁前各測點(diǎn)土壓力分布情況。由圖6可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）錨桿抗滑樁樁后土壓力分布規(guī)律［見圖6（a）］。①C樁樁后滑坡推力分布情況：加載前，C 樁樁后受荷段滑坡推力呈現(xiàn)上大下小的倒梯形分布；加載后，由于C 樁樁前土體抗力及錨桿的拉力作用，致使越靠近滑面的土壓力不斷增大，而C 樁樁頂部位測點(diǎn)土壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即埋深0.45m 處測點(diǎn)土壓力不斷增大，而埋深0.15m處土壓力先增大而后減小?？梢姡^桿抗滑樁樁后受荷段滑坡推力隨著加載量的增加，由倒梯形分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯闲∠麓蟮娜切畏植?。②C 樁樁后滑床抗力分布情況：加載前，C樁樁后嵌固段滑床抗力呈現(xiàn)上大下小的倒三角形分布；加載后，C 樁樁體繞樁底順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)加劇，致使樁底部與樁后土擠壓加劇，故此測點(diǎn)的土壓力隨加載量增加而不斷增大，即埋深0.95m 處土壓力不斷加大，而滑面附近的樁體與樁后滑床逐漸脫離，形成脫空區(qū)，故此測點(diǎn)的土壓力隨加載量增加而不斷減小，即埋深0.55 m、0.75m 兩處測點(diǎn)土壓力不斷減小?？梢姡^桿抗滑樁樁后嵌固段滑床抗力隨著加載量的增加，由倒三角形分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯闲∠麓蟮娜切畏植肌?/p>

（2）錨桿抗滑樁樁前土壓力分布規(guī)律［見圖6（b）］。加載前，土壓力自上至下依次增大，C樁樁前滑床抗力分布呈現(xiàn)上小下大的三角形分布；加載后，錨桿抗滑樁在滑坡推力作用下，沿滑坡前緣發(fā)生位移變形，C樁樁體對(duì)樁前土擠壓加劇，致使埋深0.55m、0.75m 兩處土壓力顯著增大；同時(shí)，由于滑面以下嵌固段繞樁底順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，致使樁底部與樁前土擠壓松弛，土壓力隨著加載量的增大而不斷減小，故埋深0.95m 處土壓力逐漸減小。可見，隨著加載量的增加，錨桿抗滑樁樁前滑床抗力分布由上小下大三角形分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯洗笙滦〉牡谷切畏植肌?/p>

2.3 錨桿抗滑樁內(nèi)力分析

2.3.1 抗滑樁樁身彎矩分析

根據(jù)梁的彎曲理論，有

將式（1）至（3）聯(lián)立，求得抗滑樁樁身彎矩的計(jì)算公式為

式中：EI為抗滑樁的抗彎剛度（N·m2）；εy、εl分別為抗滑樁樁身表面處的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變（10-6）；h為抗滑樁橫截面的厚度（m）。

由前述抗滑樁試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，抗滑樁橫截面為50mm×80mm 的矩形樁，即b=50mm，h=80mm；又由表1可知，模型樁E=21.1kN／mm2，模型樁I=bh3／12=50×803÷12=2.13×106mm4，則模型樁的抗彎剛度EI=4.49×104N·m2，代入式（4）得

通過試驗(yàn)測試，可取得樁身表面處的拉應(yīng)變、壓應(yīng)變（εy、εl），再根據(jù)公式（5）對(duì)抗滑樁樁背及樁前鋼筋應(yīng)變進(jìn)行分析，即可得到樁體的彎矩分布圖。

圖7為C樁樁身彎矩分布圖。由圖7可知：滑面以上最大彎矩在滑面以上0.25 m 處左右，滑面以下最大彎矩在滑面以下0.15m 處左右，而C 樁樁頂及樁底彎矩始終幾乎為零，且滑面以上樁身彎矩要遠(yuǎn)大于滑面以下；C 樁主要受彎段在滑面以上0.15～0.40m 處，當(dāng)加載48kPa后，受彎段的彎矩值開始顯著增大，特別是滑面以上0.25 m 處的彎矩值在加載72kPa后增至4 174.86N·m。由于彎矩基本位于C樁樁前滑面以上，因而可以判斷該彎矩主要由錨桿來提供，也就是說錨桿分擔(dān)了很大一部分滑坡推力。此外，從彎矩圖也可間接說明C樁的嵌固深度偏長，其合理范圍應(yīng)在40cm 左右。

2.3.2 錨桿應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖8為抗滑樁C樁對(duì)應(yīng)錨桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

由圖8可以看出：滑面兩側(cè)40cm 左右的范圍為錨桿的應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力最大位置大致位于滑面兩側(cè)20cm 位置處，其中滑面外側(cè)的應(yīng)力值要略大于滑面內(nèi)側(cè)。這是由于錨桿受力并不完全處于軸向受拉狀態(tài)，在滑面處由于滑體的錯(cuò)動(dòng)，鋼筋發(fā)生剪切變形，導(dǎo)致滑面以內(nèi)向上彎曲、滑面以外向下彎曲，也即錨桿在滑面附近處于彎曲和軸向拉力組合狀態(tài)。

根據(jù)鋼筋混凝土規(guī)范，φ10 鋼筋的彈性模量為2.1×105MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為210MPa，由σ=E·ε可得出鋼筋屈服時(shí)的應(yīng)變值近似為1 000με。由于測試過程中采用的放大系數(shù)為10倍，因此抗滑樁模型鋼筋屈服時(shí)的應(yīng)變值為10 000με。從圖8C樁對(duì)應(yīng)的錨桿應(yīng)變曲線看，錨桿鋼筋應(yīng)力集中處的應(yīng)變值小于屈服時(shí)的應(yīng)變值，也即錨桿鋼筋尚處于彈性變形狀態(tài)。

2.4 錨桿抗滑樁破壞模式分析

2.4.1 抗滑樁破壞模式

圖9為C樁典型剖面開挖特征照片。

由圖9可知：C樁在滑面以上約0.25m 處出現(xiàn)彎折破壞，斷裂裂紋明顯；而在滑面以下出現(xiàn)約30 cm 的脫空區(qū)，C樁彎曲變形，且距滑面約0.2m 處出現(xiàn)細(xì)微的裂紋?？梢?，C樁在錨桿拉力、滑坡推力和C樁樁前土體抗力（主要為樁前滑面以下）共同作用下，在C 樁樁前滑面以上約0.25m 處出現(xiàn)彎矩集中現(xiàn)象，導(dǎo)致該位置的樁身材料出現(xiàn)塑性屈服。隨著荷載和時(shí)間的增加，在該位置產(chǎn)生塑性鉸，樁體失去承載能力而發(fā)生破壞，這種破壞模式可以稱為塑性單鉸破壞。塑性鉸位于樁前滑面以上，一般出現(xiàn)在抗滑樁彎矩最大值附近，與樁體破壞位置對(duì)應(yīng)。

對(duì)應(yīng)圖7的C 樁樁身彎矩分布規(guī)律可見，之所以出現(xiàn)塑性單鉸，主要是由于滑面上下正負(fù)彎矩?cái)?shù)值相差較大，如C 樁彎矩主要位于樁前滑面以上。若在正負(fù)彎矩相當(dāng)?shù)那闆r下，C 樁就應(yīng)會(huì)在滑面上下出現(xiàn)兩個(gè)塑性鉸。雖然該模型試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)兩個(gè)塑性鉸破壞，但從理論上來講，這種破壞模式是存在的，且可推斷出，隨著錨桿排數(shù)的增加，塑性鉸位置應(yīng)相應(yīng)上移，錨桿約束作用也更強(qiáng)。綜上可知，在錨桿約束作用下，抗滑樁的破壞模式主要為塑性單鉸（或雙絞）彎折破壞。

2.4.2 錨桿破壞模式

由圖9可見，錨桿的破壞表現(xiàn)為兩個(gè)特征：一是錨桿在滑坡體錯(cuò)動(dòng)下，于滑面內(nèi)外附近分別出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，致使錨桿在滑面以內(nèi)出現(xiàn)向上彎曲、滑面以外出現(xiàn)向下彎曲的現(xiàn)象；二是從開挖坡面情況看，錨桿錨固段底部均有不同程度的滑移（見圖10），其中A、C、D 樁對(duì)應(yīng)錨桿的滑移長度為6cm，B 樁對(duì)應(yīng)錨桿的滑移長度為5.5cm。

對(duì)應(yīng)圖8錨桿應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖分析可知，錨桿受力不完全是處于軸向受拉狀態(tài)，在滑面附近還發(fā)生了剪切變形，即錨桿受力變形處于彎曲和軸向拉力組合狀態(tài)，其破壞模式主要為彎剪-滑移破壞。

綜上分析可見，錨桿抗滑樁破壞模式見圖11。

3 結(jié)論

通過開展懸臂式單根錨桿抗滑樁加固黃土滑坡的模型試驗(yàn)研究，可以初步得到以下結(jié)論：

（1）抗滑樁樁頂錨桿的約束作用，改變了普通抗滑樁不合理的受力結(jié)構(gòu)。在滑坡推力作用下，錨桿抗滑樁受荷段的樁后受壓、樁前受拉，而嵌固段樁后受拉、樁前受壓，受力形式呈“S”曲線狀。

（2）懸臂式錨桿抗滑樁樁前、樁后土壓力分布模式不是一成不變的，而是隨著錨桿抗滑樁在荷載作用下的變形破壞而逐漸改變的。

（3）懸臂式錨桿抗滑樁的破壞模式主要為塑性鉸彎折破壞。根據(jù)滑面上下抗滑樁彎矩集中現(xiàn)象，可分為塑性單鉸、塑性雙絞彎折破壞兩種模式。本次模型試驗(yàn)中，由于滑面以上彎矩集中程度遠(yuǎn)大于滑面以下，因此僅在滑面以上出現(xiàn)塑性單鉸彎折破壞。

（4）土體中的錨桿受力不完全是處于軸向受拉狀態(tài)，在滑面附近還發(fā)生剪切變形，即錨桿受力變形處于彎曲和軸向拉力組合狀態(tài)，其破壞模式主要為彎剪-滑移破壞。

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