h型抗滑桩抗滑机制模型试验研究

刘新荣，欧明喜，3，郑颖人，张永兴，周 杨

（1.重庆大学 土木工程学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045；2.后勤工程学院 军事建筑工程系，重庆401311；3.昆明理工大学 建筑工程学院，昆明650500）

采用抗滑桩（亦称锚固桩）治理滑坡，中国于20世纪50年代开始使用，国外始于20世纪30年代。抗滑桩是利用桩与周围岩土体的共同作用把滑坡推力传递到稳定地层，即利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力，抗滑桩在一定程度上改善了滑坡状态，使滑坡向稳定转化［1］。h型排架抗滑桩自1983年在川黔线路堤滑坡治理中成功应用以来，在中国得到了广泛的应用。由于其前后排桩之间有横梁将其连接成整体，故其刚度较大，能够提供较大的抗力。

关于双排桩的研究相对较多，而关于h型抗滑桩的报道较少。Wang等［2］对双排桩在基坑工程中应用的空间效应进行了三维模拟分析，通过变换计算参数，计算得出一些可供参考的结论。郑刚等［3］提出了考虑桩土相互作用的平面杆系有限元双排桩分析模型，在计算中取得了满意的计算结果。周翠英等［4］将前、后排桩及中间连系梁和桩间土视为一个整体；前排桩和后排桩受到的地基土的抗力简化为弹性支承，提出了桩间土对前排桩和后排桩的作用模式和作用力计算分析模型。杨波等［5］采用强度折减的有限元法，讨论了双排桩在3种不同类型滑坡中桩前抗力、桩后推力、实际承担推力等的变化规律。Zhang等［6］采用有限元方法对双排桩的复合土拱进行了探讨，分析了桩体的变形和内力，并对双排桩的优化设计提出了建议。吕美君等［7］从理论上分析了双排桩的结构和受力特点，探讨了不同分布形式的滑坡推力在两排桩上的分配问题。Xiao［8］对无连接双排桩和门架式双排桩进行了对比分析，认为应用门架式双排桩更为经济，并对门架式双排桩合理间距进行了研究。肖世国［9］认为可以将h型抗滑桩以滑面为界分为上下两个部分进行计算分析，并分别提出了上半部分及下半部分的计算理论。赵海玲［10］、张泽坤［11］采用有限元方法对h型抗滑桩进行了数值分析研究，得出了一些有益的结论。

以上针对双排抗滑桩的研究对认识双排抗滑桩的抗滑机制具有很好的指导作用，但是用于治理滑坡的h型抗滑桩在作用机制上不同于双排门架式抗滑桩，因此不能直接套用双排门架抗滑桩的理论体系。已有的针对h型抗滑桩的研究，只是对其结构计算进行了初步的探讨，或者是对某个具体的工程进行数值分析。目前尚没有h型抗滑桩系列模型试验的报道，笔者将进行不同锚固深度、不同前后桩间距的h型抗滑桩模型试验来研究其抗滑机制。

1 物理模型试验

文献［12］认为尽管各国计算滑坡推力大小及桩前抗力大小的方法不尽相同，但是结果却相差不大，而在滑坡推力及桩前抗力的分布形式上却有很大的分歧。然而抗滑桩的设计合理性在很大程度上取决于对滑坡推力及抗力分布形式的正确认识。对于滑面以下部分，文献［9］认为可以按照弹性地层中的弹性桩进行结构计算，计算过程可以参见文献［13－14］。笔者试验的主要目的就是确定h型抗滑桩滑面以上部分前桩、后桩的受力情况。

1.1 模型试验装置

模型试验装置如图1所示，主要由模型试验箱、加载系统、数据采集系统组成。

图1 试验装置整体图

1）模型试验箱：采用角钢焊接作为骨架，由底板和四周的侧板组成。为加强其刚度，在箱体中部加设2道角钢。尺寸为0.9m×1.0m×0.4m。

2）加载系统：由垫块、杠杆、加载框、标准试块组成，试验之前需要进行称重。

3）数据采集系统：土压力盒采用应变式微型土压力盒，由丹东前阳工程测试仪器厂生产，量程0～10kPa，满量程精度±0.1%。通过DH3816数据采集仪采集数据信号，然后在PC机上读取相关数据。

1.2 模型试验材料

1）滑体：材料取自某滑坡体，其自然状态物理力学性质指标如表1所示。

表1 自然状态土体物理力学参数

2）滑床：采用击实状态的滑体土体，其物理力学性质指标如表2所示。

表2 击实状态土体物理力学参数

3）模型桩：抗滑桩采用25mm×25mm空心不锈钢管焊接而成，正立面如图2所示，7组试验所用桩模型各部分尺寸如表3所示，试验设计坡，角为45°，变换连系梁长度同时改变冒出长度，使前后桩顶都能置于坡面。

4）滑面：采用双层薄膜纸模拟滑面。

图2 h型抗滑桩示意图

表3 模型桩尺寸 mm

1.3 模型试验步骤

模型试验正立面示意图如图3所示，按以下主要步骤进行试验：

图3 h型抗滑桩布置图

1）根据滑床部分土体含水率需要，首先计算出滑床部分需要的自然状态土体重量，然后进行晾晒，当土体达到最优含水率12.6%时，分层压实成图示滑床形状。

2）在滑床上铺设双层薄膜纸模拟滑面，为消除模型箱两侧的摩擦阻力，在模型箱两侧同样粘贴双层光滑薄膜纸。

3）在桩体上标记锚固线位置及压力盒布设位置，土压力盒布置位置如图4所示。定位后排桩（伸出横梁），然后将桩体压入至设计深度。

图4 土压力盒的布置位置

4）分层压实滑体土，为保证土体的均匀性，将每10cm高度作为一个分层，倒入相应质量的土体，然后压实至预先标记的高度线处，同时在标记土压力盒位置安装土压力盒，然后将其切成如图所示的坡面形状。

5）静置2d，让土体内部应力自动调整平衡，连接土压力盒与应变仪及电脑，进行数据初始平衡。如图1所示，在模型顶部平台上安装事先称重的垫块，然后依次安装杠杆、加载框、标准试块，经计算所加荷载为18.09kPa。

6）开始采集数据，监测其中某个点的土压力变化情况，当其量测值趋于稳定时结束试验。

1.4 试验数据整理

试验共进行7组，试验1～4主要体现在锚固深度从88mm增加到220mm，试验4～7锚固深度相同，前后桩间距从250mm减小到100mm。限于篇幅，只列出部分具有代表性的试验结果，见图5～11，图中负号表示桩后侧推力。

图5 试验1前桩试验结果

图6 试验4前桩试验结果

图7 试验7前桩试验结果

2 试验结果分析

图8 试验1后桩试验结果

图9 试验4后桩试验结果

图10 试验6后桩试验结果

图5 、6、7分别为试验1、4、7的前桩所受坡体压力试验结果，图中直线为试验实测值的线性拟合线，从图中可以看出拟合线与实测结果具有很好的相关性。根据h型抗滑桩的作用机制认为由于结构向前变形挤压桩前坡体，坡体会对前桩产生被动抗力，前桩后侧所受坡体推力应为静止土压力与后桩通过桩间岩土体传递到前桩的弹性压力之和。分析以上3组试验结果及其他组试验结果可以看出，h型抗滑桩前桩的前侧抗力和后侧推力分布不受其锚固深度和前后桩间距的影响，都可以按三角形分布来考虑。

图11 试验7后桩试验结果

图8 、9、10、11分别为试验1、4、6、7的后桩所受坡体压力试验结果，前侧抗力线性拟合和后侧推力曲线拟合情况如图中所示，从图中可以看出拟合线与实测结果具有很好的相关性。分析以上4组试验结果及其他组试验结果可以看出，h型抗滑桩后桩的前侧抗力在考虑简化计算和误差允许的情况下可近似为矩形分布。

在前4组试验中，后桩后侧推力呈抛物线分布，但是随着锚固深度的增加，抗滑桩抵抗侧向变形的能力不断增强，滑坡推力的合力作用点逐渐上移。当锚固深度不变，前后桩间距逐渐减小时，抗滑桩抵抗侧向变形能力逐渐减弱，后侧推力分布从重心偏上的抛物线分布逐渐过渡到抛物线分布，最后趋于矩形分布。当前后桩间距逐渐减小相当于从双排抗滑桩逐步向单排抗滑桩转换，滑坡推力的分布应该逐渐接近单桩的滑坡推力分布，而文献［1］中建议的当滑体是一种粘聚力较大的土层时，单桩滑坡推力分布图式可近似按矩形考虑，试验结果刚好与此相吻合，这也说明了笔者试验的可靠性。综合上述分析可以得出，粘性土中h型抗滑桩的滑坡推力分布不仅与滑体性质有关，还跟抗滑桩的锚固深度及前后桩间距有关。可以认为随着抗滑桩抵抗侧向变形能力的不断减弱，滑坡推力分布形式依次为：重心偏上的抛物线分布、抛物线分布、矩形分布。

3 结 论

1）作用于h型抗滑桩的主要荷载滑坡推力不能简单的认为其在粘性土中为矩形分布、砂性土中为三角形分布、介于两者之间的为梯形分布。从试验结果可以看出，滑坡推力的分布形式还与抗滑桩的锚固深度和前后桩间距有关。

2）粘性土中的h型抗滑桩，前桩前侧抗力和后侧推力都可以按三角形分布进行计算，后桩的前侧抗力可以近似为矩形分布。对于滑坡推力的分布形式必须考虑抗滑桩锚固深度和前后桩间距的影响，可以认为随着抗滑桩抵抗侧向变形能力的不断减弱，滑坡推力从重心偏上的抛物线分布逐渐向抛物线分布过渡，最后趋向于矩形分布。

3）h型抗滑桩作为一种具有较大侧向刚度的结构形式，其比单桩能够承担更大的滑坡推力。虽然在工程中已有大量应用，但是理论研究工作却远远跟不上实践需求。笔者的模型试验研究虽然得出了一些有益的结论，但没有充分考虑模型的相似问题，很多问题尚需进一步研究。

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