錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡可視化模型試驗

陳建峰，杜長城，祁 昊，彭 銘，石振明

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.中國（廣東）自由貿易區(qū)前海蛇口片區(qū)管理委員會，廣東 深圳 518052）

錨拉樁是在抗滑樁上安裝預應力錨索，以減小抗滑樁樁身彎矩和剪力，并減小滑坡體位移量和較快穩(wěn)定滑坡體的一種支擋結構。錨拉樁與錨索框架梁形成的組合結構既可依靠錨拉樁限制坡體深層變形，又可利用預應力錨索限制坡表變形、減小錨拉樁設計荷載，因此可同時保證邊坡整體和局部穩(wěn)定［1-2］。

目前對抗滑樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡已開展了一些研究。Yuan等［3］對抗滑樁和錨索框架梁組合結構加固邊坡進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)組合結構可使邊坡的滑移模式發(fā)生改變。Li等［4］對抗滑樁和錨索框架梁組合結構加固邊坡進行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)錨索和抗滑樁協(xié)同受力，其荷載分擔比分別為33.9 %和66.1 %。趙曉彥等［5］對抗滑樁和錨索框架梁組合結構加固邊坡的設計方法進行優(yōu)化，實現(xiàn)了錨索預應力和抗滑樁被動力的協(xié)調作用。付曉等［6-7］研究地震作用下抗滑樁和錨索框架梁組合結構加固邊坡的動力響應特性，結果表明錨索與抗滑樁協(xié)同受力，且地震作用強弱對樁和錨的荷載分擔比有較大影響。陳建峰等［8］采用三維有限元模擬抗滑樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡方案的穩(wěn)定性，分析不同強度折減系數(shù)下抗滑樁和錨索的受力特性以及抗滑樁和錨索的荷載分擔規(guī)律。

目前還未有對錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡開展研究的報道。本文采用一種光學鍍膜用玻璃砂（高純度熔融石英砂）和2種礦物油制備成的透明土［8-11］，開展錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡的可視化模型試驗及無加固邊坡的對比試驗，并結合粒子圖像測速技術，展現(xiàn)邊坡內部位移場演化及其滑移破壞過程，以探討錨拉樁和錨索框架梁在加固邊坡過程中的協(xié)同作用機制，為相關支擋工程的設計提供參考。

1 模型試驗概況

1.1 模型尺寸及試驗裝置

錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡模型試驗模擬的原型邊坡高度6 m、坡度37°、基巖傾角50°。距離坡腳4 m 處的坡中布置有截面尺寸為0.8 m×0.8 m的方形抗滑樁。樁長4 m，樁間距3.2 m，抗彎剛度EI=1.02×109N·m2。坡面沿x方向布設有2排錨索框架，每排3 根。相鄰錨索沿x方向間距為1.4 m，沿y方向間距為1.6 m。錨索外徑40 mm，孔徑110 mm，錨固段長2 m，自由段長8～ 9 m。試驗取模型率N=40。圖1為縮尺后的模型示意圖。

圖1 模型示意（單位：cm）Fig.1 Schematic view of modeling (unit: cm)

模型試驗裝置主要包括模型箱、加載系統(tǒng)、數(shù)碼相機和數(shù)據采集系統(tǒng)，如圖2 所示。根據模型率制作模型箱，其內部長、寬、高分別為55 cm、16 cm、35 cm。箱側壁為19 mm厚鋼化玻璃，四周用角鋼固定，相鄰箱壁的連接處用玻璃膠密封。坡頂設置有剛性條形加載板，截面長、寬分別為15.6 cm×8 cm。可通過調節(jié)加載板與水平面之間的傾角以產生不同深度的滑動面。試驗加載板傾角固定為10°。加載裝置如圖3所示。

圖2 試驗裝置布置Fig.2 Site layout of experimental apparatus

圖3 加載裝置Fig.3 Loading device

加載系統(tǒng)為WDW-600KN 伺服控制電子萬能試驗機，采用位移控制方式加載。觀測剖面（即抗滑樁和錨索中心線連線形成的縱剖面，距離箱壁4 cm）上均勻布置有示蹤粒子（圖1），用以結合粒子圖像測速技術分析邊坡土體位移場。試驗中使用分辨率為2 592×1 728的佳能550D數(shù)碼相機拍攝照片。

試驗的同時開展了無加固邊坡的對比試驗，以確定其滑動面及其穩(wěn)定性，為錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡模型試驗提供合理的錨拉樁長度。

1.2 試驗材料

模型邊坡材料為均質透明砂土，其由光學鍍膜用玻璃砂與孔隙液體配制而成。玻璃砂SiO2質量分數(shù)為99.99 %，折射率為1.458 5，顆粒比重為2.24，平均粒徑D50=1.42 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.08，曲率系數(shù)Cc=1.16?？紫兑后w為3#白油和15#白油按體積比為5：1 混合配置的折射率為1.458 3 的無色、透明液體。此液體折射率與玻璃砂折射率基本一致，因此透明砂土的透明厚度可達14 cm。試驗按相對密實度Dr=85 %建造均勻的透明土邊坡，其初始孔隙比為0.628。通過直剪試驗得到該密實度下透明土的黏聚力c=0，內摩擦角φ=45°。通過室內一維壓縮試驗可得在100～ 200 kPa 荷載范圍內透明土壓縮模量Es=18.1 MPa，壓縮指數(shù)Cc=0.04，屬于低壓縮性土。

基巖采用水泥砂漿進行制作，其配比為水、水泥、砂的質量比為1：2：4。養(yǎng)護1 周后，其黏聚力c=3.54 MPa，內摩擦角為φ=46°。

支擋結構包括抗滑樁、錨索和框架梁。模型樁為鋁合金制方形管樁，其截面邊長D=2 cm，壁厚t=0.5 mm。錨索采用直徑1 mm的鋼絞線模擬，錨固段長5 cm，自由段長由原型縮尺后得到。錨固段的制作方式參照文獻［7］，以模擬錨索的拔出失效，如圖4 a所示。采用WDW-600 kN 伺服控制電子萬能試驗機對錨索的極限拉拔荷載進行了標定，其極限拉拔力約為15.8 N。模型框架梁采用鋁合金制成，如圖4 b所示，其長、寬、厚分別為14 cm、6.5 cm、0.7 cm。

圖4 錨索框架梁照片F(xiàn)ig.4 Photo of anchor cable frame beam

1.3 試驗步驟

（1）按照指定水灰比和試驗方案制作基巖，并按規(guī)范養(yǎng)護1周，而后將基巖放入模型箱中，其周邊用硅橡膠涂抹密封。

（2）將15#白油和3#白油按比例配制透明土孔隙液體并緩緩加入模型箱，而后將玻璃砂分層填入，按相對密實度85 %分層振密至地基高度15 cm，同時將抗滑樁底端埋入指定位置。將示蹤粒子均勻布置于支擋結構兩側，形成觀測剖面。

（3）將邊坡成型裝置放入模型箱內并與箱體固定，繼續(xù)填入玻璃砂，按相對密實度85 %分層振密至邊坡高度15 cm，同步布置示蹤粒子。

（4）拆除邊坡成型裝置，通過穿孔螺栓將錨索和抗滑樁樁頭、框架梁節(jié)點連接起來。通過向外旋轉螺桿實現(xiàn)錨索預應力施加，觀察并記錄預應力動態(tài)變化情況直到預應力值穩(wěn)定為止。

（5）布置數(shù)碼相機并調整至合適位置，以得到清晰完整的邊坡剖面圖像，并設定連續(xù)2 張照片的拍攝時間間隔為10 s。

（6）固定條形荷載并將其調整至指定位置，而后啟動萬能試驗機按2 mm·min-1的速率進行加載，同時進行數(shù)據和圖像采集。采用基于MATLAB 的Geo-PIV 粒子圖像測速分析程序對圖像進行分析，以獲得邊坡位移矢量圖。

2 試驗結果與分析

2.1 無加固邊坡的變形破壞特征

圖5為無加固邊坡坡頂（即加載區(qū)）荷載-位移曲線。由圖可見，坡頂荷載隨豎向位移先逐漸增大至峰值應力48 kPa，而后逐漸減小。

圖5 無加固邊坡的荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of unreinforced slope

圖5 曲線上標注了豎向位移s與坡高H的比值s/H分別為3.3 %、6.5 %、8.8 %和12.8 %所對應的點。圖6 則為這些點對應的邊坡位移矢量圖，圖中橫坐標和縱坐標均通過除以抗滑樁截面邊長D進行歸一化處理。由圖6可見，當s/H=3.3 %時，邊坡變形較小，且主要集中在坡頂，邊坡土體被壓密；在荷載達到峰值時（s/H=6.5 %），土體位移向下和向坡面方向發(fā)展，坡體位移明顯增大；隨著繼續(xù)加載至s/H=8.8 %時，土體變形范圍擴大并持續(xù)向坡面方向發(fā)展；繼續(xù)加載至s/H=12.8 %時，土體位移進一步增大，且根據圖中位移矢量的方向和大小可判斷邊坡內滑動土體與周圍土體存在明顯的分界面，此分界面即為邊坡滑動面（圖6 d）。

圖7 為加載至s/H=12.8 %時邊坡的變形圖，坡體內形成了一條近似圓弧形狀的滑動面，與圖6 d位移矢量圖揭示的滑動面一致。

圖6 無加固邊坡的位移矢量Fig.6 Displacement vector of unreinforced slope

圖7 加載末期無加固邊坡的變形Fig.7 Deformation of unreinforced slope at the end of loading

2.2 錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡的變形破壞特征

模型試驗中的錨拉樁嵌固長度是根據圖7 所得出的無加固邊坡滑動面深度確定的。依據滑坡防治設計規(guī)范［12］，初步選定錨拉樁嵌固長度時，樁嵌固長度可取樁長的1/4～ 1/3，而本文樁側壁土體性質一般，其最終長度取為樁長的2/5。圖8 為錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡所對應的坡頂荷載-位移曲線。由圖可見，組合結構加固邊坡的坡頂極限承載力為168 kPa，其值較無加固邊坡提升了約250 %，這說明錨拉樁和坡面錨索框架組合結構可顯著提升邊坡的承載能力和穩(wěn)定性。

圖8 曲線上標注了s/H分別為 3.3 %、7.2 %、11.3 %和17.6 %所對應的點。圖9 為各標注點對應的邊坡位移矢量圖。由圖可見，加載初期s/H=3.3 %，邊坡變形較小，僅樁頂及加載板附近土體產生微小位移；繼續(xù)加載至s/H=7.2 %時，土體有向下和向坡面方向的發(fā)展趨勢，但土體位移總體不大；加載至峰值荷載s/H=11.3 %時，土體變形范圍明顯加大加深，同時上部第1、第2 排錨索相繼變形失效，錨拉樁發(fā)生輕微傾斜；最終加載至s/H=17.6 %時，土體位移進一步增大，錨拉樁發(fā)生明顯傾斜，樁身錨索也發(fā)生失效，并于土體內部發(fā)展出切過樁端和坡腳的滑動面（圖10）。

圖8 錨拉樁-錨索框架梁加固邊坡的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curve of slope stabilized with anchored piles and anchor cable frame beams

圖9 錨拉樁-錨索框架梁加固邊坡的位移矢量Fig.9 Displacement vector of slope stabilized with anchored piles and anchor cable frame beams

圖10 加載末期錨拉樁-錨索框架梁加固邊坡的變形Fig.10 Deformation of slope stabilized with an?chored piles and anchor cable frame beams at the end of loading

比較組合結構加固邊坡與無加固邊坡的變形特征，可見組合結構加固邊坡的上部淺層變形明顯減弱，說明錨索框架有效解決了坡體淺層變形過大問題。此外，組合結構加固邊坡的滑面較無加固邊坡變深，這是由于錨索框架和錨拉樁的聯(lián)合約束作用，使得土體變形向深部發(fā)展并最終近水平剪出。

2.3 錨拉樁-錨索框架梁組合結構的錨索軸力變化

圖11 為組合結構中錨索軸力隨s/H的變化曲線。由圖可見，加載初期s/H≤ 3.3 %時，第1、第2排錨索以及錨拉樁錨索的軸力均逐漸增大，但第1排錨索軸力增加速率明顯大于其他2 排；加載至s/H=7.6 %時，第1排錨索軸力達到峰值14.8 N，而第2 排錨索和錨拉樁錨索軸力繼續(xù)增大；加載至s/H=10.2 %時，第1 排錨索軸力越過峰值降至4.9 N，而第2 排錨索軸力達到峰值15.8 N，錨拉樁錨索軸力仍在繼續(xù)增大；加載至坡頂極限荷載s/H=11.3 %時，第2 排錨索軸力越過峰值降至10.0 N，錨拉樁錨索軸力仍在增大；繼續(xù)加載至s/H=11.9 %時，錨拉樁錨索軸力達到峰值16.1 N；加載末期s/H=17.6 %時，3排錨索軸力均降至殘余值。

圖11 錨索軸力隨s/H值的變化曲線Fig.11 Axial force of anchor cables versus s/H

錨拉樁錨索軸力變化可反映作用于錨拉樁的荷載變化。在限制邊坡變形過程中，坡體上部的第1、第2排錨索框架與坡體下部的錨拉樁結構存在協(xié)同受力現(xiàn)象。對于推移式滑坡，在坡頂加荷過程中，從上至下的3排錨索軸力先后達到峰值，其對應的s/H分別為7.6 %、10.2 %和11.9 %。結合圖8坡頂荷載-位移曲線，上述坡頂位移對應的坡頂荷載分別為122 kPa、164 kPa 和165 kPa。定義邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為坡頂極限承載力與坡頂荷載之比。則第1排錨索失效時，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為168 kPa/122 kPa=1.38；第2 排錨索失效時，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為168 kPa/164 kPa=1.02。由此可見，錨拉樁-錨索框架梁組合結構并未在第1排錨索失效時出現(xiàn)“多米諾骨牌”效應，仍具有較高穩(wěn)定性，需進一步提高坡頂荷載才可使第2 排錨索失效。當?shù)? 排錨索失效時，坡頂荷載接近邊坡極限承載力。當?shù)?排錨索失效時，坡頂荷載已衰減至極限承載力以下，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

這說明錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固推移式滑坡時，3 排錨索共同分擔荷載，但最上面的錨索首先發(fā)揮作用，承受荷載最大。在其拔出失效后，后面的錨索依次發(fā)揮作用直至拔出失效，同時邊坡的穩(wěn)定性逐步降低。因此，目前基于極限平衡理論將所有錨索的極限拉拔力作為抗滑力分量，計算得到的錨拉樁-錨索框架梁組合結構的穩(wěn)定性是偏于危險的。建議驗算錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固推移式滑坡整體穩(wěn)定性時，同時驗算最上面錨索的穩(wěn)定安全系數(shù)，使其滿足工程所需的安全系數(shù)，由此可保證整個加固邊坡的穩(wěn)定性。

3 結論

基于透明土技術，開展了一組無加固邊坡的對比試驗和一組嵌固長度為2/5倍樁長的錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡的可視化模型試驗，并結合粒子圖像測速技術，展現(xiàn)邊坡內部位移場演化及滑移破壞過程以及對錨拉樁-錨索框架梁組合結構的受力特性展開分析，主要得出以下結論：

（1）錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固邊坡較無加固邊坡的極限承載力大幅提升，其滑面較無加固邊坡的滑面加深很多。

（2）錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固推移式滑坡時，其受力機制為最上面的錨索首先發(fā)揮作用，在其拔出失效后，后面的錨索依次發(fā)揮作用直至拔出失效，同時邊坡的穩(wěn)定性逐步降低。

（3）由于在坡頂極限荷載下錨索并不同時發(fā)揮其極限抗拔力，因此目前基于極限平衡理論將所有錨索的極限抗拔力作為抗滑力分量而計算得到的錨拉樁-錨索框架梁組合結構的穩(wěn)定性偏于危險。

（4）建議驗算錨拉樁-錨索框架梁組合結構加固推移式滑坡整體穩(wěn)定性時同時驗算最上面錨索的穩(wěn)定安全系數(shù)，使其滿足工程所需的安全系數(shù)，由此可保證整個加固邊坡的穩(wěn)定性。

作者貢獻聲明：

陳建峰：提出研究思路，撰寫與修改論文。

杜長城：處理實驗數(shù)據，撰寫與修改論文。

祁 昊：設計實驗方案，開展模型試驗，整理數(shù)據，撰寫論文。

彭 銘：指導模型試驗。

石振明：指導模型試驗。