分層填筑對樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)加固邊坡試驗研究

李玉瑞，吳紅剛，賴天文，牌立芳，趙 金

(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；3. 中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730000；4. 西部環(huán)境巖土及場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

隨著我國西部大開發(fā)政策實施以來，西部地區(qū)大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)如火如荼進行，然而我國西部為多山區(qū)，由于不同的地形地貌、特殊土，加之降雨、地震等自然災(zāi)害以及爆破等工程擾動的影響，極易出現(xiàn)滑坡病害。因此眾研究工作者對滑坡治理工程措施展開大量的研究，其中各種支擋結(jié)構(gòu)和土的相互作用影響成為研究的一大熱點。

李長冬[1]深入研究了抗滑樁與滑坡相互作用的機理，提出了基于土拱效應(yīng)的抗滑樁最小樁間距計算模型和最大樁間距計算模型；馮文娟等[2]利用FLAC3D能夠相對準確的模擬滑坡傳力和抗滑樁受力過程，提出了一種抗滑樁設(shè)計新方法；葉海林等[3]利用動力有限差分軟件FLAC3D，考慮了樁與巖土體地震荷載下動力相互作用，提出動力強度折減分析法；王新剛等[4]研究應(yīng)力-滲流耦合作用下抗滑樁加固庫區(qū)滑坡位移和受力特征，探討了滑坡-抗滑樁相互作用體系的防治效果；陳新澤[5]利用FLAC3D數(shù)值模擬模型試驗方法，分析了預(yù)應(yīng)力錨拉樁的相互作用機制，并評價了加固效果。李凱玲等[6]研究分析了錨索-抗滑樁-巖土體相互作用，并建立了新的錨索抗滑樁計算理論。BRANDON[7]和TAN[8]分析了不同工況下抗滑樁的受力規(guī)律，為優(yōu)化抗滑樁設(shè)計提供參考；蘇美選等[9]利用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，較好的考慮抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、滑坡體及錨固地層之間的相互作用、共同工作特性，為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計提供了參考。吳潤澤等[10]采用FLAC3D分析了不同預(yù)應(yīng)力作用下錨索樁滑坡推力的分布規(guī)律，得出樁背總樁土相互作用力的相對大小決定了錨索預(yù)應(yīng)力對樁后滑坡推力的分布形式。鄭桐等[11]通過離心振動臺模型試驗，分析了錨索抗滑樁與樁間土的相互作用及響應(yīng)規(guī)律，為驗證和發(fā)展錨索抗滑樁的抗震設(shè)計理論、數(shù)值模擬方法、厘清抗震加固機制及破壞模式提供翔實的資料。蒲建軍等[12]對比分析了在橫向荷載作用下抗滑樁及樁板式擋墻(后置式擋土板)兩種支護結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(考慮深層滑坡)，為邊坡支護結(jié)構(gòu)形式的選擇提供參考。以上眾學(xué)者通過模型試驗以及數(shù)值模擬的方法研究了各種錨索抗滑樁與滑坡的相互作用規(guī)律，為邊(滑)坡的支護和錨索抗滑樁的設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

有時限于工程實際，在邊(滑)坡治理支護完成后不可避免的要求回填，這與刷方減載的原則相悖，針對這方面還鮮有學(xué)者進行研究。本文依據(jù)特定工程實際，考慮工后分級回填對樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的影響進行研究，以期得到回填對支擋結(jié)構(gòu)受力以及邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為類似工程提供有益的借鑒。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 試驗原型與目的

本試驗以攀枝花機場12#滑坡治理工程為原型，該機場以半填半挖的方式建筑在地質(zhì)環(huán)境較差的緩傾順層砂泥巖斜坡上，最大填方邊坡高度達128 m，較高填方坐落在自穩(wěn)定性較差的順層地段坡體上堵塞了地下水通道，加之土面區(qū)降水易下滲到下伏基巖頂面，下伏基巖是強風(fēng)化的砂泥巖互層且傾向坡外，泥巖受水軟化，形成了滑帶。該滑坡的治理一方面選用多錨點錨索抗滑樁進行支擋；另一方面，為了達到機場通航規(guī)定的最小土面區(qū)寬度，需要在滑坡后部進行填方，因該滑坡位于易家坪老滑坡之上，為了避免老滑坡復(fù)蘇，應(yīng)減少回填量，因此選用可以快速收坡的新型加筋土分層回填技術(shù)來減少回填，降低滑坡推力。現(xiàn)場加筋土回填如圖1所示。

現(xiàn)場加筋土回填過程中，經(jīng)監(jiān)測邊坡水平位移、沉降、抗滑樁錨索軸力等均產(chǎn)生了較大的變化(圖2)，尤其為累積水平位移隨填土高度發(fā)生了明顯的增長，給邊坡穩(wěn)定性帶來了重大的威脅。本次試驗研究目的為通過模型試驗以及有限元數(shù)值分析來模擬加筋土分層回填進行其對樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)加固邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。

圖1 加筋土回填竣工圖Fig.1 Completion map of reinforced soil backfilling

圖2 某測試點變形圖Fig.2 Deformation of a testing point

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)滑坡地層情況以及滑坡治理工程，采用尺寸相似比CL=50進行模型試驗設(shè)計(圖3)。

圖3 模型設(shè)計斷面圖(單位：cm)Fig.3 Section map of the designed model(unit: cm)

模型試驗材料設(shè)計如下：

(1)土體材料：坡體的主要填料為黏土?；膊糠植捎盟檬摇灭ね?1∶3∶9的配比進行分層夯實模擬；滑帶為模型試驗中關(guān)鍵部位，為了使坡體的滑動過程連續(xù)，本次試驗特采用特氟綸薄膜來模擬，其耐高溫、耐腐蝕、無油自潤滑(圖4)；滑體部分采用過篩的黏土填筑，每級回填土之間鋪設(shè)防護網(wǎng)來模擬加筋材料(圖5)，每級回填20 cm。

圖4 特氟綸薄膜鋪設(shè)實物圖Fig.4 Picture of teflon thin film

圖5 模擬加筋材料鋪設(shè)實物圖Fig.5 Picture of simulated reinforced material

(2)錨索抗滑樁：抗滑樁選用松木切割加工制作，尺寸為前排懸臂式樁6 cm×8 cm×84 cm，后排埋入式樁5.6 cm×7.6 cm×80 cm。錨索采用兩排直徑為6 mm螺紋桿來模擬，其提供斜向拉力，上、下排錨索傾角分別為22°、24°，自由端由塑料波紋管包裹連接樁頂，錨固端外套直徑12 mmPVC管(管長24 cm)，管內(nèi)澆筑石膏模擬(圖6(a))，錨固端錨固在滑床深處(圖6(b))。

圖6 錨索制作及裝置圖Fig.6 Production and setting of anchorage cable

1.3 試驗量測系統(tǒng)

由于天氣原因以及松木與應(yīng)變片的適應(yīng)性問題，全部量測數(shù)據(jù)沒有完全捕捉到，根據(jù)試驗有效數(shù)據(jù)的傳感器(柔性位移計、百分表)進行標識(圖3)，測試樁如圖4所示，其中柔性位移計選用湖南億測無線傳感系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場試驗裝置見圖7。

圖7 現(xiàn)場試驗圖Fig.7 Picture of field test

1.4 試驗工況模擬

回填土總分四層，每次回填高度20 cm，每層回填土之間鋪設(shè)防護網(wǎng)來模擬加筋土，每回填一層待讀數(shù)穩(wěn)定再回填下一級，試驗過程及工況階段模擬見表1。

表1 試驗過程及工況階段模擬Table 1 Test process and working condition

2 試驗結(jié)果分析

(1)柔性位移計位移

利用柔性位移計量測后排樁樁頂前后加筋土水平位移。分析整個試驗過程中柔性位移計測點水平位移隨時間變化趨勢，如圖8(a)所示，一層回填工況，樁后水平位移明顯大于樁前水平位移，但一層回填工況之后，樁后水平位移增長趨勢緩慢，基本沒有發(fā)生變化；樁前水平位移隨著回填工況一直保持增長趨勢，每層回填初期都存在一個位移的突變，之后緩慢增長。分析原因：樁后測點受到后排埋入式樁樁頂拱效應(yīng)的影響，水平位移受到限制，因此加筋土回填對樁后的水平位移沒有較大的影響；由于樁前土運動相對自由，故其水平位移在隨著上層加筋土回填發(fā)生變化。分析各工況下兩測點的凈水平位移量如圖8(b)所示，樁前測點加筋土水平位移隨著回填層數(shù)的增加，變形量也在逐級增加，這表明上層加筋土回填對于后排樁樁前的水平位移影響較大，施工中宜增設(shè)錨索框架等支護結(jié)構(gòu)進行限制其水平位移。

圖8 測點水平位移Fig.8 Horizontal displacement curve at measuring points

(2)樁頂位移

利用百分表量測樁頂位移，如圖9(a)所示，后排樁為埋入式樁，由于存在樁前土體提供抗力，樁頂位移在前兩層加筋土回填并沒有發(fā)生位移，在第三層回填時才出現(xiàn)了較小的水平位移，同時由于存在錨索的拉力，樁頂位移發(fā)展緩慢；前排懸臂式樁首次回填便出現(xiàn)了較小的位移，隨著回填層數(shù)增加，樁頂位移也逐漸增大。分析各工況樁頂位移凈變形量如圖9(b)所示，在二層回填時，前排樁凈變形量達到最大值，第四層回填，樁頂凈變形量減小，表明錨索逐漸發(fā)揮了作用，提供的拉力逐漸增大。

圖9 樁頂水平位移變形圖Fig.9 Horizontal displacement curve of pile top

3 數(shù)值模擬分析

運用有限元軟件進行數(shù)值模擬分析，使用土體本構(gòu)模型和各種結(jié)構(gòu)單元來真實模擬邊坡坡體及其復(fù)雜邊界條件，包括坡體的土巖接觸面、坡體內(nèi)部的原始滑移帶等地層結(jié)構(gòu)，得到坡體的彈塑性變形及其應(yīng)力應(yīng)變，支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，以及支護體系與土體相互作用的受力機制。此外，采用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析，可以按照土體的強度破壞條件直接計算得到塑性剪切面的位置，并通過強度折減比例獲得安全系數(shù)，彌補極限平衡分析中由于各種假定所導(dǎo)致的誤差。

3.1 有限元軟件采用單元類型

(1)實體單元：模擬地層、填土和抗滑樁，為15節(jié)點的高階三角形單元，其精度非常高，可以更加準確的計算單元應(yīng)力應(yīng)變。

(2)錨索單元：模擬預(yù)應(yīng)力錨索的自由段，為2節(jié)點彈簧單元，可以承受拉、壓荷載。

(3)嵌入式梁單元：模擬預(yù)應(yīng)力錨索的注漿段，由可以承受拉、壓、彎、剪荷載的5節(jié)點梁單元，和梁單元周圍附加的沿其長度的10節(jié)點特殊接觸單元，表達注漿段與周圍巖土體的摩擦接觸作用。

(4)格柵單元：模擬土工加筋材料，為5節(jié)點單元，僅可承受拉應(yīng)力，可與接觸面單元組合表達加筋材料與填土的共同作用。

(5)接觸面單元：模擬抗滑樁、土工筋材與周圍土體的接觸作用，以及土巖分界面、地層原始滑移帶等，為10節(jié)點單元，表達兩種材料相互接觸時的剪切、拉壓作用。

3.2 有限元模型建立

選取攀枝花機場12#滑坡中部3-3斷面為代表進行有限元分析，根據(jù)設(shè)計資料，其支護結(jié)構(gòu)為樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)支擋體系， 根據(jù)3-3斷面地層狀況及滑坡形態(tài)、支護設(shè)計方案，建立的有限元分析模型如圖10所示。

圖10 有限元分析模型圖Fig.10 Finite element analysis model

模型參數(shù)取值如表2所示。

表2 模型參數(shù)取值Table 2 Model parameters

加筋土的加筋材料選取土工格柵，其彈性模量：E=20 000 kN/m2,抗拉強度Ft=200 kN；預(yù)應(yīng)力錨索自由段E=3.5×105kN/m2，錨固段E=8.8×105kN/m2，單錨承載力特征值F=1 100 kN/m2，錨索間距L=6 m，初始預(yù)應(yīng)力值P=660 kN，為錨索設(shè)計荷載的60%。

3.3 加筋土分層回填影響分析

本次分析分別對四級加筋土分層填筑4個工況進行分析

(1)邊坡位移與塑性區(qū)發(fā)展分析

從四級加筋土分層填筑過程加筋土邊坡的變形情況看，如圖11～圖13所示，隨著回填高度增加，豎向位移主要向后排樁以后的方向發(fā)展，在后排樁頂部形成位移拱效應(yīng)；水平位移主要在后排樁以前的坡面方向發(fā)展，樁前位移逐漸大于樁后位移，這與模型試驗加筋土水平位移表現(xiàn)出同樣的規(guī)律；填土內(nèi)塑性區(qū)主要沿后排樁頂、坡面及填土加筋末端發(fā)育。后排樁頂?shù)乃苄詤^(qū)發(fā)展由填土與樁體較大的剛度差異引起，使得填土的豎向位移在樁頂受到明顯約束，樁頂剪切帶逐步延伸至坡面附近。

圖11 水平位移云圖Fig.11 Horizontal displacement cloud map

圖12 豎向位移云圖Fig.12 Vertical displacement cloud map

圖13 塑性區(qū)發(fā)展圖Fig.13 Development of plastic zone

(2)錨索抗滑樁受力分析

①后排樁

錨索鎖定階段樁身荷載主要為樁頂錨索預(yù)應(yīng)力，在土巖分界面(滑帶)處彎矩達到5 359 kN·m，剪力為1 008 kN，外側(cè)受拉。第一級加筋填土之后樁頂產(chǎn)生約3.9 mm位移，樁身受力模式不變，最大彎矩下降到4 518 kN·m，剪力為983 kN。隨著邊坡填土增高，產(chǎn)生的水平推力不斷加大，樁頂水平位移逐步增加(第四級填土后達到102.5 mm)，樁身受力模式改變?yōu)閮?nèi)側(cè)受拉，第四級填土后滑帶處彎矩達到14 730 kN·m，剪力為2 038 kN，如圖14～圖15所示。

由上述計算結(jié)果可見，后排樁的受力模式從錨索力控制的外側(cè)受拉逐步轉(zhuǎn)化為水平推力控制的內(nèi)側(cè)受拉，期間錨索承載力逐步發(fā)揮。

圖14 彎矩圖Fig.14 Bending moment diagram

圖15 剪力圖Fig.15 Shear diagram

②前排樁

錨索鎖定階段樁身荷載主要為樁頂錨索預(yù)應(yīng)力，在土巖分界面(滑帶)處彎矩達到2 029 kN·m，剪力為1 147 kN，外側(cè)受拉；樁頂彎矩2 526 kN·m，剪力為466 kN；可見此時錨索預(yù)應(yīng)力為抗滑樁結(jié)構(gòu)的控制荷載。第一級加筋填土之后樁頂產(chǎn)生約14.4 mm位移，最大彎矩發(fā)生在土巖分界面滑帶處為6 737 kN·m，對應(yīng)的最大剪力為1 485 kN；此時樁頂彎矩減小到2 399 kN·m。隨著邊坡填土增高，產(chǎn)生的水平推力不斷加大，樁頂水平位移逐步增加(第四級填土后達到81.9 mm)，樁身受力模式改變?yōu)閮?nèi)側(cè)受拉，第四級填土后滑帶處彎矩達到22 890 kN·m，剪力為2 021 kN，如圖16～圖17所示。

由上述計算結(jié)果可見，前排樁受力模式從起初錨索力控制的外側(cè)受拉逐步轉(zhuǎn)化為水平推力控制的內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩也從樁頂移動到滑帶附近，滑帶附近為主要受剪斷面。

圖16 彎矩圖Fig.16 Bending moment diagram

圖17 剪力圖Fig.17 Shear diagram

③錨索

錨索內(nèi)力隨填土級數(shù)變化如表3所示，前兩級加筋土工況下前排樁錨索軸力增長較快，后兩級加筋土工況后排樁錨索軸力增長較快，如圖18所示，這與高填方情況下后排樁身承受更大的水平荷載有關(guān)。此外，在第三級加筋填土工況所有錨索軸力基本達到或者超過了其設(shè)計荷載(后排樁錨索軸力設(shè)計荷載為2 200 kN，前排樁錨索軸力設(shè)計荷載為1 100 kN)，按照設(shè)計要求，在該工況下應(yīng)將錨索預(yù)應(yīng)力釋放至設(shè)計荷載的70%，待第四級填土結(jié)束且基本達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，根據(jù)錨索內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果決定是否需要補張拉至錨索的設(shè)計鎖定荷載。如果在第三級加筋填土工況下不釋放錨索預(yù)應(yīng)力，第四級填土工況下錨索軸力增長為設(shè)計荷載的1.23～1.58倍，處于極限荷載的范圍。

表3 錨索軸力表(最大值：kN)Table 3 Anchorage axial force meter(max：kN)

圖18 錨索軸力隨填土級數(shù)變化圖Fig.18 The variation of the axial force of the anchorage cable with the fill series

(3)邊坡穩(wěn)定性分析

圖19 各級填土穩(wěn)定系數(shù)圖Fig.19 Stability coefficients of filling at all levels

通過強度折減法對各個工況的邊坡進行穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果見圖19，前三級加筋填土工況下經(jīng)過強度折減之后均形成從填土頂部坡腳剪出的潛在滑面，在第四級填土工況時形成沿抗滑樁頂面剪出的潛在滑動面。隨著樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)體系的逐步形成，該邊坡的穩(wěn)定性達到了較高的安全系數(shù)。

4 結(jié) 論

本文通過模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，對加筋土分級回填對樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的影響進行分析，得到如下主要結(jié)論及建議：

(1)隨著回填高度的增加，水平位移主要向后排樁以前的坡面方向發(fā)展，因此在每層坡面宜增設(shè)錨索框架等結(jié)構(gòu)進行支擋；豎向位移主要向后排樁以后的方向發(fā)展，在后排樁頂部形成位移拱效應(yīng)；

(2)隨著回填高度的增加，后排樁頂?shù)乃苄詤^(qū)發(fā)展由填土與樁體較大的剛度差異引起，使得填土的豎向位移在樁頂受到明顯約束，樁頂剪切帶逐步延伸至坡面附近，因此在后排樁頂回填時宜增設(shè)墊層結(jié)構(gòu)來減弱變形不協(xié)調(diào)問題；

(3)隨著回填高度的增加，前、后排樁的受力模式從錨索力控制的外側(cè)受拉逐步轉(zhuǎn)化為水平推力控制的內(nèi)側(cè)受拉，期間錨索承載力逐步發(fā)揮，樁身最大彎矩由樁頂逐漸轉(zhuǎn)移到滑面位置；

(4)前兩級加筋土工況下前排樁錨索軸力增長較快，后兩級加筋土工況后排樁錨索軸力增長較快，這表明高填方情況下后排樁身承受更大的水平荷載；

(5)通過強度折減法分析各回填工況下的邊坡穩(wěn)定性，得出隨著樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)體系的逐步形成，該邊坡的穩(wěn)定性達到了較高的安全系數(shù)。