不同截面形態(tài)的空心抗滑樁支擋效果對比研究

易靖松，張世林，孫金輝，鮮杰良，蔡佳君

(中國地質科學院探礦工藝研究所/中國地質調查局地質災害防治技術中心，四川 成都 611734)

在抗滑樁的運用研究過程中，空心抗滑樁引起了越來越多的關注和研究?？招目够瑯兑蚱渥陨淼慕Y構特點，具有集抗滑樁和集水井于一體的優(yōu)點，用于邊坡治理不但和傳統(tǒng)抗滑樁一樣可以承受較大的橫向荷載，而且由于其空心構造，可以降低滑體內地下水位，降低滑體重度，提高滑體自身的穩(wěn)定性，且受力更加合理。相比于傳統(tǒng)抗滑樁，空心截面抗滑樁更經濟，特別是在樁身長，受力大，截面的鋼筋和砼用量多的情況下，更能體現(xiàn)出它的優(yōu)越性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂够瑯禰1～6]。

空心抗滑樁的截面形式跟傳統(tǒng)抗滑樁一樣，一般有矩形或圓形，都是利用樁體自身的強度將滑體剩余下滑力傳遞到滑面以下穩(wěn)定地層，從而保證邊坡的整體穩(wěn)定[7～10]。雖然空心抗滑樁具有以上諸多優(yōu)點，但在實際工程案例中，卻很少看到空心抗滑樁的使用，原因在于空心抗滑樁在邊坡治理工程的研究歷程中缺少更多的理論和優(yōu)化技術來支撐。基于這種情況，本文以緩傾順層巖質滑坡為試驗模型，對矩形和圓形空心抗滑樁展開了一系列對比研究。

1 實驗準備

1.1 實驗總體布置

在紅層的砂泥巖互層地區(qū)，時常發(fā)生較大規(guī)模的緩傾順層基巖滑坡，造成大量的人員傷亡和財產損失，而該類滑坡的地質模型通常是堅硬的砂巖層下覆軟弱的泥巖層，砂巖層形成滑體，軟弱泥巖泥化后形成滑帶。基于此，本項研究以緩傾順層基巖滑坡為模型，根據試驗室現(xiàn)有模型槽尺寸(3 m×2 m×1 m)設計制作滑體模型。實驗分兩組進行：一組為矩形截面集水空心抗滑樁，一組為圓形截面空心抗滑樁。

實驗采用液壓千斤頂設備施加荷載，空心樁位于滑體中部，采用全埋式布置，前緣為4根懸臂式實心抗滑樁。由于本文主要研究不同截面形態(tài)的空心抗滑樁支擋效果，因此，對前緣的實心抗滑樁不作對比研究。本項2組實驗總體布置平面圖見圖1，圖中未標注尺寸的均以mm為單位。

圖1 不同截面空心樁實驗模型圖(單位：mm)Fig.1 Experimental model of hollow piles of different cross sections(mm)

1.2 抗滑樁設計

(1)尺寸設計

根據相似比理論，本次試驗按圓形樁基于原型樁尺寸為外徑3 m、內徑2.2 m，矩形樁原型外圍尺寸3 m×2 m設計，室內模型試驗采用縮尺比例為1∶10的幾何相似模型，擬設定坡度為10°?？紤]到用相同材料比較容易滿足相似條件, 采用“放松重力效應”模型，即選擇以下相似比參數(shù)：

cl=1/10,cE=1,cμ=1

根據單值量判據相等，得到下列各單值量的相似常數(shù)：模型上施加的集中力為原型的1/100；模型上施加的線荷載為原型的1/10； 模型上施加的面荷載為與原型相等。具體尺寸設計方案見表1。

表1 空心抗滑樁尺寸設計方案表Table 1 Dimensional design scheme of a hollow pile

若假設原型樁間距為8 m，則對應的模型樁間距為0.8 m，共2根；根據相似比參數(shù)，選取整個模型的幾何尺寸為長3.5 m、寬1.6 m、高1 m，樁間距0.8 m(圖2)。

模型槽沿滑坡周邊用角鋼焊接，內設木板，形成框架，滑床用混凝土澆注而成，使用粉質黏土或細砂配比模擬滑面，厚度1 cm。

圖2 試驗模型剖面圖Fig.2 Profile of the test model

(2)配筋設計

空心抗滑樁的截面分為矩形和圓形兩種形式。矩形樁外截面尺寸為200 mm×300 mm，內截面尺寸為120 mm×220 mm；空心樁受拉一側配筋為5Ф6，受壓一側配筋為4Ф6，箍筋采用Ф2﹫100，混凝土標號為C25，樁間距0.8 m，配筋圖見圖3(a)。

圓形抗滑樁外截面直徑為300 mm，內截面直徑為220 mm；鋼筋間距60 mm，配筋為14Ф6，箍筋采用Ф2﹫100，混凝土標號為C25，樁間距0.8 m，配筋圖見圖3(b)。

圖3 不同截面空心樁配筋示意圖Fig.3 Reinforcement for hollow piles of different cross sections

(3)測點布置設計

①應變數(shù)據測點：在抗滑樁的縱向受力鋼筋表面每隔10 cm設置應變片。應變片采用粘貼的方式布設在鋼筋表面，用于測量鋼筋的應變，并用來計算抗滑樁上的剪力和彎矩。矩形樁每根樁上設置應變片30片，圓形樁每根樁上設置應變片48片，布設示意圖見圖4。

圖4 不同截面空心樁應變片布設圖Fig.4 Layout of the strain gauge of hollow piles of different sections

②樁身壓力測試：采用土壓力盒測試樁身受力。樁的自由端，壓力盒埋設在內側；樁的嵌固段，壓力盒埋設在外側；每隔10 cm埋設一個壓力盒，每根樁埋設8只壓力盒。布設示意圖如圖5。

③排水孔布置

排水孔布置如下：空心圓樁排水孔在樁后分布4排，孔間距5 cm，上、下排水孔距離樁頂、樁底均為15 cm；空心方樁排水孔在樁后分布2排，孔間距為5 cm，上、下排水孔距離樁頂、樁底均為15 cm。

1.3 試驗模型設計

根據試驗室現(xiàn)有模型槽(圖6)尺寸(3 m×2 m×1 m)設計制作滑體模型，待抗滑樁滑體模型、位移傳感器、土壓力盒以及樁上應變片制作和安裝完畢穩(wěn)定后，利用布置于滑坡后緣的千斤頂對其進行水平加載，加載分級進行。在加載的過程中，用靜態(tài)數(shù)據采集儀持續(xù)地存儲相關數(shù)據，直至模型完全破壞。在上述模型槽上鋪設約40 cm厚的砂巖板作為滑床，然后在此滑床表面鋪設一層厚約2 cm的紅黏土作為滑帶?；鎯A角10°，滑體尺寸3 m×2 m；滑體采用砂巖板材堆砌而成，板材之間用素混凝土粘結；試驗樁體按照前述設計，采用鋼筋混凝土制作。按照上述過程制作好滑床、抗滑樁模型后，按照設計將其組裝為試驗模型(圖6)。

圖6 組裝好的試驗模型Fig.6 Assembled test model

(4)數(shù)據采集

數(shù)據采集是通過測試試件—傳感器—數(shù)據采集儀器—計算機等連接流程實現(xiàn)的。應變片、土壓力盒、位移計分別是采用1/4橋、半橋、全橋的形式與采集系統(tǒng)連接在一起。而采集系統(tǒng)與計算機的連接是通過專業(yè)的數(shù)據采集軟件實現(xiàn)人機互動的。

2 實驗結果分析

2.1 不同截面樁身彎矩分析

試驗中所采集到的數(shù)據為實測拉力K，需將其換算成用于分析的相關物理量。換算目標為彎矩，公式如下[11～15]：

矩形截面樁身彎矩與應力換算公式：

K=C=α1fcbx；M=K(h0-x/2)

(1)

圓形截面樁身彎矩與應力換算公式：

M=Kπr3/4

(2)

式中：K——單根受拉鋼筋的拉力/kN；

C——受壓區(qū)混凝土承受的壓力/MPa；

fc——混凝土軸心抗壓強度設計值/MPa；

α1——強度與受壓區(qū)混凝土最大應力fc的比值；

b——截面寬度/m；

x——按等效矩形應力圖計算的受壓區(qū)高度/m；

M——抗滑樁的抵抗彎矩/N·m；

h0——截面有效高度/m；

r——圓形截面抗滑樁半徑/m。

通過數(shù)據采集系統(tǒng)，獲取了多組實驗數(shù)據，運用式 (1) 和 (2) 對實驗數(shù)據進行換算，獲得各測點的彎矩值，整理相關曲線如下:

圖7 不同截面空心樁樁前彎矩與埋深關系Fig.7 Diagram showing the relation of the bending moment before pile and buried depth of hollow piles of different cross sections

通過樁前彎矩分布圖(圖7)可以看出：兩類空心樁前彎矩整體上呈對三角形分布，體現(xiàn)出隨著荷載增加彎矩同步增加的特征，呈現(xiàn)出較均勻增加的特點。不同之處在于，在各級荷載下，矩形截面空心抗滑樁彎矩在樁頂至樁頂下1/3樁長處彎矩值很小，近乎為零；過了樁頂以下1/3后，彎矩開始均勻增加，反彎點出現(xiàn)在滑面位置附近，在滑面下0.5 m處出現(xiàn)最大值，約為280 N·m。圓形截面空心抗滑樁彎矩值隨荷載增加自樁頂處開始均勻增加，反彎點出現(xiàn)在樁頂下1/3樁長處，在滑面以上0.5 m處出現(xiàn)最大值，約為55 N·m。

通過樁身彎矩分布圖(圖8)可以看出：矩形截面抗滑樁在荷載小于200 MPa時，樁身彎矩值較小，隨樁埋深呈不規(guī)則的線性分布，隨著荷載逐漸增大，當荷載大于200 MPa，樁身彎矩隨樁埋深逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布；圓形截面抗滑樁在荷載小于100 MPa時，樁身彎矩值較小，隨樁埋深呈不規(guī)則的線性分布，當荷載大于100 MPa，樁身彎矩隨樁埋深逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布。

圖8 不同截面空心樁樁身彎矩與埋深關系圖Fig.8 Diagram showing the relation of the pile bending moment and buried depth of hollow piles of different cross sections

分析認為：樁身彎矩呈線性分布，主要是因為荷載初始緩慢施加過程中，滑體裂隙及樁身混凝土內部的空隙逐漸閉合，傳遞到樁內鋼筋應力計的荷載非常小，所以彎矩變化不大；而隨著荷載逐漸增大，當依靠鋼筋來承擔主要抗滑作用時，彎矩隨埋深增加就逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布。

綜上對比分析可以看出，矩形截面空心抗滑樁最大彎矩可達280 N·m，而圓形截面空心抗滑樁破壞彎矩最小時為54 N·m，最大時為170 N·m；同時，圓形截面空心樁在荷載施加100 MPa時就轉為指數(shù)分布，而矩形截面空心樁是在200 MPa才開始轉為指數(shù)分布的。由此可見，矩形截面空心抗滑樁的抗彎能力優(yōu)于圓形截面空心抗滑樁。

2.2 不同截面樁身應力分析

通過樁身應力分布圖(圖9)可以看出：矩形截面空心抗滑樁和圓形截面空心抗滑樁樁身應力均隨著滑坡推力的增加大致呈現(xiàn)出加速的增加趨勢，同時，矩形截面空心樁和圓形截面空心樁所貼3#、4#、5#應變片測得的應力較其它測點應力大，而此測點正是位于滑面處及滑面上、下兩個測點。這說明在滑面上、下8 cm這段出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

圖9 不同截面空心樁樁身應力與滑坡推力關系圖Fig.9 Diagram showing the relation of pile stress and landslide thrust of hollow piles of different cross sections

不同之處在于，矩形截面空心樁在荷載增大到62 kN時，應力集中段壓力表現(xiàn)為明顯的加速增長，同時樁身最大應力達到170 kN；而圓形截面空心樁在荷載44 kN時，應力集中段壓力便表現(xiàn)為明顯的加速增長，樁身最大應力為25 kN。

綜合以上樁身應力的對比分析可以看出：矩形截面空心抗滑樁能承受更大的滑坡推力，具有更好的抗滑效果，但矩形截面空心樁和圓形截面空心樁空心方樁和空心圓樁均是在滑面上下8 cm段出現(xiàn)應力集中。實際工程中，可適當增強該段位置的配筋。

2.3 集水孔布置前后彎矩對比分析

由于矩形截面空心抗滑樁的抗滑效果和抗彎能力明顯優(yōu)于圓形截面空心抗滑樁，所以，只針對矩形截面空心抗滑樁集水孔布置前后的彎矩做對比試驗。試驗選取交錯布孔、豎排直線布孔和不布孔三種情況下的樁體破壞時的樁身應力(圖10)。空心樁樁體內的水采用虹吸排水裝置排出，當樁體內水位上漲致觸發(fā)裝置的浮球位置時，虹吸裝置便啟動，開始排水，抽出樁孔內的水。

圖10 布置集水孔前后樁身應力變化曲線Fig.10 Stress curve of pile body before and after arranging water hole

通過分布曲線關系(圖10)可以看出：在未布置集水孔時，樁體發(fā)生破壞時滑面位置受到的應力約172 MPa；交錯布置集水孔時，樁體發(fā)生破壞時滑面受到的應力約為155 MPa；豎排直線布置集水孔時，樁體發(fā)生破壞時滑面受到的應力約132 MPa。因此可以看出，布置集水孔前后對樁體承載能力有一定的影響，導致承載能力有所降低，交錯布置集水孔時，承載力約降低10%，豎排直線布置承載力約降低25%。

綜上分析，在工程選用空心樁工程時，應首先考慮水對邊坡穩(wěn)定性的影響大小，確定是否需要布置集水孔來減小滑坡推力，若需要，則宜采用交錯布置的方式。

2.4 破壞特征分析

試驗完成后，分別觀察樁體破壞情況。從破壞圖片(圖11)可以看出，圓形截面空心抗滑樁破壞程度明顯嚴重些，樁體在沿著滑面附近位置被完全剪斷，剪切位移達15 cm；從矩形截面空心抗滑樁破壞形態(tài)看出，樁體基本沒有被剪斷，只是在樁底端出現(xiàn)局部的破壞，但是樁身出現(xiàn)兩條沿著排水孔貫穿的裂縫，這說明樁在沿著排水孔布置位置抵抗變形能力最弱，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致形成貫通性裂縫。

通過以上分析，矩形截面空心抗滑樁主要表現(xiàn)為受擠壓破壞形態(tài)，而圓形截面空心抗滑樁表現(xiàn)為沿滑面處受剪而破壞的形態(tài)。

圖11 不同截面空心樁的破壞形態(tài)Fig.11 Failure pattern of hollow piles of different cross sections

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

為了進一步驗證試驗結果，本文采用Midas/GTS 有限元軟件進行前期地層網格模型的生成，借助Midas/GTS導入FLAC3D中的接口程序，將在Midas/GTS軟件中建立好的地層網格模型導入到FLAC3D中[16]，形成如下矩形截面空心樁和圓形截面空心樁數(shù)值模型(圖12)。

圖12 不同截面空心樁數(shù)值模型圖Fig.12 Numerical model of hollow piles of different cross sections

3.2 計算參數(shù)

通過試驗材料配比計算及相關經驗值，選取計算參數(shù)見表2。

表2 計算參數(shù)取值Table 2 Values of the calculated parameters

3.3 計算結果分析

利用以上模型和參數(shù)，將抗滑樁設置為彈性模型，并改變相應參數(shù)，計算得到模型的位移云圖(圖13)及樁體的受力云圖(圖14)。

通過圖13可以看出，在相同的荷載和參數(shù)條件下，矩形截面空心樁模型滑體后部位移量約15～17.5 mm，前緣位移量約為10～12.5 mm；而圓形截面空心樁模型滑體后部位移約為27.5～32.5 mm，前緣位移量也達到22.5～25 mm；

圖13 不同截面空心樁模型整體位移云圖Fig.13 Overall displacement cloud map of hollow piles of different cross sections

對比兩者位移量可以發(fā)現(xiàn)：在相同荷載和參數(shù)條件下，圓形截面空心樁模型滑體的后部位移和前緣位移均明顯大于矩形截面樁，進一步說明了矩形截面空心樁對坡體的支擋效果優(yōu)于圓形截面空心樁，這也與室內模型實驗的結果較一致。

通過模擬獲得的兩類截面樁體的受力云圖(圖14)，可以發(fā)現(xiàn)，矩形截面空心樁和圓形截面空心樁的最大受力部位均出現(xiàn)在滑面位置附近處，即滑面位置附近受到的支撐力最大；再對比樁體受到的最大支撐力，矩形截面樁體受到的最大支撐力為3 268 kN,而圓形截面最大支撐力為3 048 kN，這也說明了矩形截面的承載能力更好。

圖14 不同截面空心樁樁體受力云圖Fig.14 Stress nephogram cloud map of hollow piles of different cross sections

同時，通過觀察兩類樁體的受力分布，自由端支撐力隨著樁頂往下逐漸增大，在滑面位置附近達到最大值；再隨著進入錨固段至樁底部，支撐力逐漸變小，只是上部自由端支撐力的變化速率小于下部錨固段支撐力變化速率，這也與室內試驗獲得樁體彎矩效果一致。

4 結論

(1)在樁體結構上，矩形截面空心樁體的承載能力優(yōu)于圓形截面空心樁體。

(2)樁身最大彎矩分布在滑面上下約5 cm處，分布范圍約占樁體自由段長度的1/4～1/2范圍，建議在設計中加強樁底至滑面以上1/2范圍內的結構配筋。

(3)空心樁增加集水孔布置后，由于設孔位置會出現(xiàn)應力集中，對樁體承載能力有一定影響，集水孔直線布置時的影響大于集水孔交錯布置時的影響，交錯布置時，樁體承載能力與未布置集水孔的樁體比較，承載能力約下降10%。

(4)對于圓形空心樁，試驗發(fā)現(xiàn)，采用偏心截面設計的圓形樁的承載能力明顯高于采用同心圓截面設計的圓形樁，建議后期加強對偏心截面樁設計方法的研究。

總之，圓形截面空心抗滑樁和矩形截面空心抗滑樁在邊坡治理過程中各有優(yōu)勢，圓形截面空心抗滑樁在抗滑效果與承載力方面不及矩形截面空心抗滑樁，但其具有施工條件要求低、成孔快、便于機械化施工等特點，使其在邊坡應急搶險領域具有較大的應用空間。因此，是實際工程中，應結合具體的案例條件，選擇合適的樁形。