悬臂式单锚抗滑桩加固黄土滑坡的模型试验

2015-12-05门玉明石胜伟李寻昌

安全与环境工程 2015年3期

张涛，门玉明，石胜伟，李寻昌，梁炯

（1.中国地质调查局地质灾害防治技术中心，四川成都 611734；2.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054）

锚索（杆）抗滑桩是在普通抗滑桩及锚杆技术基础上发展起来的一种新型结构形式，由于其在桩顶施加了强有力的预应力锚索（杆），因而滑坡推力由锚杆和抗滑桩共同承担［1］。近年来，该技术已在岩土工程界得到了广泛应用，且取得了一定的工程效果。但由于其应用历时较短，人们对于其在滑坡防治中的承载机理、受力形式及其破坏模式等问题还没有充分的认识。尽管国内学者对锚索抗滑桩进行了相关的试验研究，如部分学者［2—8］对锚索抗滑桩的内力计算进行过相关研究；曾德荣等［9］通过模型试验研究，得出锚索预应力的施加改变了普通抗滑桩的受力结构，使抗滑桩由悬臂改变为（弹性）简支或一端弹性支承另一端固定的结构，此外锚索预应力的施加也改变了土压力的分布规律，使其由悬臂桩的三角形分布改变为近似的梯形分布；曾云华等［10］通过室内预应力锚索抗滑桩的模型试验，得出滑坡推力对抗滑桩的作用大致呈矩形分布；刘庆涛等［11］基于ANSYS有限元数值模拟方法，对抗滑桩细观受力特征进行了研究，得出在相同深度条件下，施加的荷载与桩顶位移量呈线性关系，而在相同荷载作用下，抗滑桩在深度较小阶段，其深度与抗滑桩的变形呈非线性变化，随着抗滑桩深度的增加，抗滑桩深度与抗滑桩的变形趋于线性关系。但是，由于锚索（杆）抗滑桩属于多体系（岩土体-抗滑桩-锚索）的耦合问题，研究难度较大，研究进展一直较缓慢。因此，为了深入研究锚杆抗滑桩的受力形式、承载机理及其破坏模式，笔者所在项目组开展了一系列有关锚杆抗滑桩的理论及试验研究［12—15］，并取得了一些有意义的研究成果。本文主要介绍悬臂式单根锚杆抗滑桩室内模型试验的相关研究成果，并重点研究悬臂式单锚抗滑桩桩侧地层抗力、桩身内力分布规律及其破坏模式，以为锚杆抗滑桩的优化设计提供一定的依据。

1 锚杆抗滑桩室内模型试验

1.1 试验原理

本次锚杆抗滑桩室内模型试验以西安北郊典型黄土为介质建立滑坡模型，人工预设滑面，并采用坡顶竖向施加荷载方式使滑坡体滑动。试验中通过土压力盒、应变片、位移计等测试手段，监测锚杆抗滑桩的受力及其变形破坏情况，从而确定锚杆抗滑桩的承载机理和破坏模式。为了满足模型试验的几何、物理及荷载相似的条件，本次试验模拟断面尺寸为1 000 mm×1 500mm，抗滑桩桩长为20m，几何相似比为λL=1∶20。建立的锚杆抗滑桩加固黄土滑坡的试验模型见图1。

1.2 模型准备

（1）滑床、滑体及滑带。滑床、滑体采用黄土进行分层填筑，夯实后重度约为18.5kN／m3。滑带采用双层聚乙烯塑料薄膜模拟，其抗剪强度参数经无锚杆抗滑桩试验时滑坡体处于极限平衡状态时的加载量及滑坡推力反算确定为：c=3.1kPa，φ=15°。

（2）抗滑桩及锚杆。抗滑桩桩长1.0 m，横截面为50mm×80mm 的矩形；桩后配筋采用3φ8，桩前配筋采用2φ8，箍筋为双肢φ4，间距为100mm；绑扎钢筋笼后，用细石混凝土灌注，强度为C20。锚杆自由段长0.40 m，为单根φ10 钢筋；锚固段长1.0 m，直径D 为0.06m，采用M15水泥砂浆浇筑。锚杆抗滑桩实体模型见图2。

（3）锚杆抗滑桩的布设。试验中布设4根抗滑桩，并对应抗滑桩布设4根锚杆，锚杆锚头距抗滑桩桩顶距离为0.05m，锚杆入射角为20°，见图3。抗滑桩间距为0.4m，两侧距模型外边缘为0.3m；抗滑桩嵌固段为0.5m，滑面以上悬臂段为0.5m。

模型抗滑桩在整个浇筑过程采用人工振捣，制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的试件，并对其分别进行7d、14d、28d抗压强度试验和混凝土应力-应变试验［16］，以获得模型混凝土材料的物理力学性质指标，其结果见表1。模型抗滑桩纵筋的抗拉强度fy为430 N／mm2，弹性模量Es为2.05×105N／mm2。

表1 模型混凝土材料的基本物理力学性质指标Table 1 Basic physical and mechanical indexes of the concrete material

1.3 监测内容

在抗滑桩桩前、桩后分别布设一定数量的土压力计，用以监测桩体与土体之间相互作用的变化关系；在抗滑桩及锚杆主筋上分别贴设一定数量的应变片，用以监测抗滑桩及锚杆的内力变化情况；在抗滑桩桩顶及坡面分别布设以一定数量的位移计，用以监测桩体及滑坡体的变形情况，具体详见图1。

1.4 加载设计

堆载测试前，先对锚杆施加1.5kN 预应力，然后通过人工堆载沙袋施加荷载，单次加载量设计为6kPa。数据采集时间间隔为3 600s，每级加载后，待数据稳定后方可施加下一级荷载，直至滑坡模型及锚杆抗滑桩变形破坏。本次试验共施加72kPa的荷载。

2 结果与分析

2.1 滑坡变形的时间判断

图4为模型试验中锚杆抗滑桩桩顶水平及竖向位移随加载量变化的曲线图。

由图4可知：加载至48kPa之前，各测点位移曲线平缓增长，桩顶位移速度约在0～2.4mm／d范围内，滑坡处于匀速变形阶段；加载至60kPa后，位移曲线发生转折，桩顶位移速度在2.4～8.6mm／d范围内，滑坡开始加速变形；加载至72kPa后，位移曲线急剧递增，桩顶位移速度在8.6～16.7 mm／d范围内，滑坡失稳，锚杆抗滑桩发生破坏。由此可以判断，加载48kPa时，滑坡模型处于极限平衡状态，此时锚杆抗滑桩桩顶水平位移约为8mm。

2.2 锚杆抗滑桩受力分析

2.2.1 抗滑桩桩身各测点土压力的变化规律

图5为单锚抗滑桩试验中C 桩桩后及桩前各测点土压力随加载量变化的曲线图。由图5可以发现如下规律：

（1）C桩桩后受荷段测点土压力变化规律。C桩桩后埋深0.35m、0.15m 处（距桩顶0.35m、0.15 m 处）土压力随加载量增加而增大，但埋深0.35m 处土压力在加载72kPa后迅速增大且不再趋于稳定，而埋深0.15m 处土压力在加载60kPa后反而逐渐减小［见图5（a）］。这是由于桩体加载后，在滑坡推力作用下向滑坡前缘缓慢移动，且由于桩前土抗力的作用，越靠近滑面，桩体变形越小，导致滑面附近土压力不断增大。而在锚杆的拉力作用下，抗滑桩桩顶受到锚杆拉力的约束，致使抗滑桩桩顶与滑体紧密接触。显然，滑坡推力主要由抗滑桩桩前土抗力及锚杆拉力来承担，当锚杆抗滑桩发生一定的位移变形后，桩体受荷段中上段与滑体挤压程度相对减少，致使桩体受荷段中上部土压力在加载后期缓慢减小，而桩体受荷段中下部的土压力一直持续增大。

（2）C桩桩后嵌固段测点土压力变化规律。C桩桩后埋深0.95m 处（距桩顶0.95m 处）土压力在加载48kPa前缓慢增大，且基本稳定；但加载48 kPa后该处土压力逐渐增大，且在加载72kPa后急剧增大且不再趋于稳定［见图5（a）］。这是由于试验中的抗滑桩埋深不深，抗滑桩为刚性桩，在滑坡推力的作用下桩底与桩后土挤压缓慢增大，土压力随着加载量的增加而缓慢增大，但在加载48kPa后，由于锚杆抗滑桩发生明显的变形，滑面以下嵌固段绕桩底顺时针转动加剧，致使桩底与桩后土挤压加剧，故此测点的土压力随加载量增加而不断增大。C桩桩后埋深0.75m 处及0.55m 处（距桩顶0.75 m 处及0.55m 处）土压力在加载后缓慢减小直至为0［见图5（a）］，这是由于锚杆抗滑桩受滑坡推力作用后，桩体有向前缘变形的趋势，导致滑面附近的桩体与滑床出现脱空现象。

（3）C桩桩前嵌固段测点土压力变化规律。C桩桩前埋深0.55m 处及0.75m 处（距桩顶0.55m处及0.75m 处）土压力随加载量不断增大，且逐渐趋于稳定，但在加载72kPa后急剧增大而不再趋于稳定［见图5（b）］。这是由于滑床的嵌固作用，越靠近滑面的桩体变形越大，桩土挤压加剧，导致其土压力不断增大。C桩桩前埋深0.95m 处（距桩顶0.95 m 处）土压力随着加载量增加而不断减小［见图5（b）］，这是由于抗滑桩绕桩底顺时针转动，致使桩底与桩前土挤压松弛，土压力逐渐减小。

2.2.2 抗滑桩桩身各测点土压力的分布规律

图6为单锚抗滑桩试验中C 桩桩后及桩前各测点土压力分布情况。由图6可以发现如下规律：

（1）锚杆抗滑桩桩后土压力分布规律［见图6（a）］。①C桩桩后滑坡推力分布情况：加载前，C 桩桩后受荷段滑坡推力呈现上大下小的倒梯形分布；加载后，由于C 桩桩前土体抗力及锚杆的拉力作用，致使越靠近滑面的土压力不断增大，而C 桩桩顶部位测点土压力呈现先增大后减小的趋势，即埋深0.45m 处测点土压力不断增大，而埋深0.15m处土压力先增大而后减小。可见，锚杆抗滑桩桩后受荷段滑坡推力随着加载量的增加，由倒梯形分布逐渐转变为上小下大的三角形分布。②C 桩桩后滑床抗力分布情况：加载前，C桩桩后嵌固段滑床抗力呈现上大下小的倒三角形分布；加载后，C 桩桩体绕桩底顺时针转动加剧，致使桩底部与桩后土挤压加剧，故此测点的土压力随加载量增加而不断增大，即埋深0.95m 处土压力不断加大，而滑面附近的桩体与桩后滑床逐渐脱离，形成脱空区，故此测点的土压力随加载量增加而不断减小，即埋深0.55 m、0.75m 两处测点土压力不断减小。可见，锚杆抗滑桩桩后嵌固段滑床抗力随着加载量的增加，由倒三角形分布逐渐转变为上小下大的三角形分布。

（2）锚杆抗滑桩桩前土压力分布规律［见图6（b）］。加载前，土压力自上至下依次增大，C桩桩前滑床抗力分布呈现上小下大的三角形分布；加载后，锚杆抗滑桩在滑坡推力作用下，沿滑坡前缘发生位移变形，C桩桩体对桩前土挤压加剧，致使埋深0.55m、0.75m 两处土压力显著增大；同时，由于滑面以下嵌固段绕桩底顺时针转动，致使桩底部与桩前土挤压松弛，土压力随着加载量的增大而不断减小，故埋深0.95m 处土压力逐渐减小。可见，随着加载量的增加，锚杆抗滑桩桩前滑床抗力分布由上小下大三角形分布逐渐转变为上大下小的倒三角形分布。

2.3 锚杆抗滑桩内力分析

2.3.1 抗滑桩桩身弯矩分析

根据梁的弯曲理论，有

将式（1）至（3）联立，求得抗滑桩桩身弯矩的计算公式为

式中：EI为抗滑桩的抗弯刚度（N·m2）；εy、εl分别为抗滑桩桩身表面处的拉应变和压应变（10-6）；h为抗滑桩横截面的厚度（m）。

由前述抗滑桩试验设计可知，抗滑桩横截面为50mm×80mm 的矩形桩，即b=50mm，h=80mm；又由表1可知，模型桩E=21.1kN／mm2，模型桩I=bh3／12=50×803÷12=2.13×106mm4，则模型桩的抗弯刚度EI=4.49×104N·m2，代入式（4）得

通过试验测试，可取得桩身表面处的拉应变、压应变（εy、εl），再根据公式（5）对抗滑桩桩背及桩前钢筋应变进行分析，即可得到桩体的弯矩分布图。

图7为C桩桩身弯矩分布图。由图7可知：滑面以上最大弯矩在滑面以上0.25 m 处左右，滑面以下最大弯矩在滑面以下0.15m 处左右，而C 桩桩顶及桩底弯矩始终几乎为零，且滑面以上桩身弯矩要远大于滑面以下；C 桩主要受弯段在滑面以上0.15～0.40m 处，当加载48kPa后，受弯段的弯矩值开始显著增大，特别是滑面以上0.25 m 处的弯矩值在加载72kPa后增至4 174.86N·m。由于弯矩基本位于C桩桩前滑面以上，因而可以判断该弯矩主要由锚杆来提供，也就是说锚杆分担了很大一部分滑坡推力。此外，从弯矩图也可间接说明C桩的嵌固深度偏长，其合理范围应在40cm 左右。

2.3.2 锚杆应力-应变分析

图8为抗滑桩C桩对应锚杆的应力-应变曲线图。

由图8可以看出：滑面两侧40cm 左右的范围为锚杆的应力集中区域，且应力最大位置大致位于滑面两侧20cm 位置处，其中滑面外侧的应力值要略大于滑面内侧。这是由于锚杆受力并不完全处于轴向受拉状态，在滑面处由于滑体的错动，钢筋发生剪切变形，导致滑面以内向上弯曲、滑面以外向下弯曲，也即锚杆在滑面附近处于弯曲和轴向拉力组合状态。

根据钢筋混凝土规范，φ10 钢筋的弹性模量为2.1×105MPa，强度设计值为210MPa，由σ=E·ε可得出钢筋屈服时的应变值近似为1 000με。由于测试过程中采用的放大系数为10倍，因此抗滑桩模型钢筋屈服时的应变值为10 000με。从图8C桩对应的锚杆应变曲线看，锚杆钢筋应力集中处的应变值小于屈服时的应变值，也即锚杆钢筋尚处于弹性变形状态。

2.4 锚杆抗滑桩破坏模式分析

2.4.1 抗滑桩破坏模式

图9为C桩典型剖面开挖特征照片。

由图9可知：C桩在滑面以上约0.25m 处出现弯折破坏，断裂裂纹明显；而在滑面以下出现约30 cm 的脱空区，C桩弯曲变形，且距滑面约0.2m 处出现细微的裂纹。可见，C桩在锚杆拉力、滑坡推力和C桩桩前土体抗力（主要为桩前滑面以下）共同作用下，在C 桩桩前滑面以上约0.25m 处出现弯矩集中现象，导致该位置的桩身材料出现塑性屈服。随着荷载和时间的增加，在该位置产生塑性铰，桩体失去承载能力而发生破坏，这种破坏模式可以称为塑性单铰破坏。塑性铰位于桩前滑面以上，一般出现在抗滑桩弯矩最大值附近，与桩体破坏位置对应。

对应图7的C 桩桩身弯矩分布规律可见，之所以出现塑性单铰，主要是由于滑面上下正负弯矩数值相差较大，如C 桩弯矩主要位于桩前滑面以上。若在正负弯矩相当的情况下，C 桩就应会在滑面上下出现两个塑性铰。虽然该模型试验中没有出现两个塑性铰破坏，但从理论上来讲，这种破坏模式是存在的，且可推断出，随着锚杆排数的增加，塑性铰位置应相应上移，锚杆约束作用也更强。综上可知，在锚杆约束作用下，抗滑桩的破坏模式主要为塑性单铰（或双绞）弯折破坏。

2.4.2 锚杆破坏模式

由图9可见，锚杆的破坏表现为两个特征：一是锚杆在滑坡体错动下，于滑面内外附近分别出现应力集中点，致使锚杆在滑面以内出现向上弯曲、滑面以外出现向下弯曲的现象；二是从开挖坡面情况看，锚杆锚固段底部均有不同程度的滑移（见图10），其中A、C、D 桩对应锚杆的滑移长度为6cm，B 桩对应锚杆的滑移长度为5.5cm。

对应图8锚杆应力-应变曲线图分析可知，锚杆受力不完全是处于轴向受拉状态，在滑面附近还发生了剪切变形，即锚杆受力变形处于弯曲和轴向拉力组合状态，其破坏模式主要为弯剪-滑移破坏。

综上分析可见，锚杆抗滑桩破坏模式见图11。