锚杆抗滑桩与普通抗滑桩加固黄土滑坡的对比试验研究

张 涛，门玉明，石胜伟，李寻昌

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

锚杆抗滑桩与普通抗滑桩加固黄土滑坡的对比试验研究

张 涛1,2，门玉明3，石胜伟1,2，李寻昌3

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

通过开展3组不同桩锚结构(普通抗滑桩、锚杆抗滑桩)加固黄土滑坡的模型试验，测得不同桩锚模型的土体抗力、桩身弯矩及锚杆的应变，对不同结构形式的锚杆抗滑桩的受力形式、内力分布及破坏模式进行对比分析。结果表明：黄土滑坡防治中，锚杆抗滑桩受力结构呈“S”曲线状，桩顶位移平顺延续，土体抗力及桩身弯矩分布更均匀；增加桩顶锚杆排数，可以增大抗滑力；普通抗滑桩的破坏模式主要为塑性单铰破坏，锚杆抗滑桩主要为塑性单铰(或双铰)破坏，锚杆主要为弯剪-滑移破坏，桩周土主要为土拱塑性破坏。研究结果可为黄土滑坡防治中锚杆抗滑桩的设计理论提供技术支撑。

锚杆抗滑桩；普通抗滑桩；模型对比试验；黄土滑坡；破坏模式

1 研究背景

自20世纪50年代开始，我国大量采用抗滑桩治理滑坡，直至80年代初，锚索(杆)抗滑桩作为一种新型防治技术，在工程中得到重视和应用，因其改变了普通桩不合理受力形式，具有截面较小、埋深较浅、造价较低等优势。近年来，锚索(杆)抗滑桩在公路、铁路、水利水电、边坡防治等领域得到广泛应用，取得良好的工程效果。

当前，国内对锚索(杆)抗滑桩防治技术的研究主要集中在内力计算和工程应用方面，而在试验研究和数值模拟方面成果较少。国内的马骥[1]、徐良德等[2]、闵顺南等[3]、周德培等[4]、刘小丽[5]、戴自航[6]、励国良[7]主要在内力计算方面做了大量研究；曾德荣等[8]、曾云华等[9]通过模型试验，探讨了预应力锚索抗滑桩的受力分布规律；郑明新等[10]、张友良等[11]、李双洋等[12]在数值模拟方面取得了一定的研究成果。由于锚索(杆)抗滑桩应用和研究历时较短，其设计计算理论仍滞后于工程应用；同时，锚索(杆)抗滑桩与黄土滑坡的相互作用机制、破坏模式等也未得到充分的认可，更没有针对锚索(杆)抗滑桩的专门设计规范或行业标准出台。黄土具有强烈的水敏性，其结构在遇水条件下极易发生破坏，进而导致黄土滑坡的发生，锚索(杆)抗滑桩作为黄土滑坡常用的防治技术之一，有必要进一步加强其承载机理、受力形式和破坏模式研究，完善其设计理论和方法。为此，中国地质调查局组织相关单位开展了一系列有关锚杆抗滑桩的理论及试验研究[13-19]，本文主要介绍普通抗滑桩、锚杆抗滑桩(单锚、双锚)加固黄土滑坡的3组试验研究对比成果，为黄土滑坡防治中锚杆抗滑桩的设计理论提供技术支撑。

2 锚杆抗滑桩试验设计

2.1 试验原理

滑坡模型采用西北典型黄土分层夯实填筑，人工设置弧形状滑面，并在滑体顶部分级施加竖向荷载，直至滑坡模型整体破坏。通过布设土压力计、应变计、位移计等传感器，测试锚杆抗滑桩的内力变化规律、分布形式及模型变形情况，从而确定锚杆抗滑桩的内力规律、分布规律及破坏模式。本次试验共设计3组模型试验，分别为普通抗滑桩、锚杆(单锚、双锚)抗滑桩物理模型试验。在满足模拟材料尽量相似的条件下，采用几何相似比为1∶20来模拟工程中常用的截面为1.0 m×1.5 m、长为10～20 m的抗滑桩。试验模型示意图见图1。

图1 3组滑坡模型试验剖面图

2.2 试验准备

模型桩横断面均为50 mm×80 mm，桩后配筋为3Φ8 mm，桩前配筋为2Φ8 mm，箍筋为双肢Φ4 mm@100 mm，采用C20混凝土浇筑。锚杆为HRB335级Φ10 mm钢筋，自由段长40～60 cm，锚固段为直径D=60 mm、长1.0 m的M15水泥砂浆浇筑体。

3组试验中每组均匀设置4根桩，间距0.4 m，两侧桩距箱体边缘0.3 m。试验桩对应桩中心布设锚杆，入射角20°，单锚杆的锚头距桩顶距离为5 cm，双锚上下排间距为10 cm。试验桩均为悬臂桩，受荷段(滑面以上)均为0.5 m，普通桩嵌固段(滑面以下)0.8 m，单锚桩嵌固段0.5 m，双锚桩嵌固段0.3 m。桩锚实体模型见图2。

图2 桩锚实体模型照片Fig.2 Photos of pile-anchor (single anchor) and common anti-slide pile models

滑床及滑体为黄土分层填筑，滑带为圆弧状，采用双层聚乙烯塑料薄膜模拟，其参数经反算确定，经测试和计算得出模型的基本物理力学参数，见表1。

表1 试验基本物理力学参数

图3 监测点布设示意图Fig.3 Layout of monitoring points

2.3 测试内容

在模型桩前后分别布设土压力计，以测试桩体前后土体抗力及分布情况；在模型桩及锚杆主筋上贴设应变片，以测试桩体及锚杆的内力变化；在桩顶前部及滑体坡面布置位移计，以监测桩体和滑体的位移变化。以单锚抗滑桩试验为例，其监测点布置见图3。

2.4 加载设计

加载前，对锚杆施加预应力至1.5 kN，待数据稳定后以沙袋形式在滑体顶部施加荷载，单次加载量为6 kPa，测得数据稳定后再加下一级荷载，直至滑坡模型整体变形破坏。其中，普通桩共施加54 kPa的荷载，锚杆桩(单锚)共施加72 kPa的荷载，锚杆桩(双锚)共施加78 kPa的荷载。

3 试验结果对比分析

3.1 测点位移变化对比分析

3组试验各测点的位移对比如图4所示。

图4 3组试验的各测点位移对比Fig.4 Comparison of displacement of measuring points among three tests

从图4可知：

(1) 普通桩位移曲线在加载54 kPa前呈线性增长，桩体在该阶段下呈弹性变形，但加载54 kPa后5 h位移突然跳跃式增大，说明抗滑桩发生脆性折断破坏。单锚桩位移曲线在加载60 kPa前呈线性增长，桩呈弹性变化；60～72 kPa之间，呈上凹增长，桩呈弹塑性变化；72 kPa后位移剧增，桩体塑性变形。双锚桩位移曲线在加载72 kPa前呈线性增长，加载72 kPa后，增长幅度加大，且一段时候后仍能稳定，说明桩体在加载72 kPa后呈弹塑性变化。表2为不同桩随荷载量的变形情况。

表2 不同桩随荷载的变形情况

(2) 普通桩位移曲线突变不连续，锚杆桩位移曲线平顺连续，说明普通桩变形破坏为突变式破坏，而锚杆桩为渐进式破坏。

(3) 在同级荷载下，普通桩位移最大，单锚桩次之，双锚桩最小。说明增加桩顶锚杆排数，可以增大抗滑力。

3.2 桩身受力对比分析

图5为3组试验中抗滑桩桩身土压力的分布图，从图5可得如下规律。

(1) 桩后推力对比：普通桩呈中间大两侧小的三角分布，集中于滑面以上20 cm内；单锚桩集中在滑面以上30 cm内；双锚抗集中在滑面以上40 cm内；在同等荷载下，普通桩受力最集中，单锚桩次之，双锚桩最均匀。

(2) 桩前抗力对比：普通桩集中于滑面以下0.25 m内，呈上大下小的倒三角分布；单锚桩与普通桩分布类似，但分布范围更广；双锚桩分布更均匀，呈上小下大的梯形分布。双锚桩分布形态不同，与嵌固段较短有关，桩底有绕锚固点转动趋势。

(3) 桩后最大压力和作用点见表3，在同等荷载下，普通桩受力最大、合力作用点最低；单锚桩次之，双锚桩最小、合力作用点最高。可见，增加桩顶锚杆排数，合力作用点往上移。

图5 不同抗滑桩桩身土压力分布

表3 桩后最大压力和最大合力作用点位置

图6 3组试验桩的结构破坏照片Fig.6 Photos of structure failure in three tests

3.3 桩体内力对比分析

图6为3组试验桩的结构破坏特征照片，从图6可见：普通桩桩顶与滑体脱空，因锚杆的拉力作用，单锚桩和双锚桩在滑面以上与滑体紧密接触，向坡外弯曲变形。3种桩在滑面以下均有脱空区，但普通桩范围和距离最大、单锚桩次之、双锚桩最小。

图7为3组试验桩的桩身弯矩对比。

图7 3组试验桩的桩身弯矩对比Fig.7 Comparison of bending moments of pile shafts among three tests

从图7可知：

(1) 普通桩和双锚桩均只有一个弯矩极值点，但普通桩位于滑面以下25 cm处，双锚桩位于滑面以上25 cm处；而单锚桩具有2个极值点，一个在滑面以上25 cm处，一个在滑面以下15 cm处。说明随着锚杆排数的增加，锚杆对弯矩的贡献率增大，桩体弯矩极值点上移，受力分布更均匀。

(2) 普通桩稳定性主要由嵌固段的嵌固作用和受荷段桩体抗力维持，属悬臂式侧向受荷桩，其弯矩分布与悬臂梁类似，桩顶为0，滑面附近处达最大值，受力极为集中。锚杆桩因锚杆拉力的作用，桩体受力结构呈“S”曲线状，整个桩体的弯矩和剪力减少，设计中桩体的埋深和截面尺寸都可适当减少。

3.4 桩身受力与桩体内力对比分析

普通桩中，因嵌固段较深，滑面以下主要受桩前抗力及桩底抗力，滑面以上主要为滑坡推力，致使桩体内力在滑面以下一定位置发生集中，即弯矩极值点；单锚桩中，桩体受力在滑面以上为滑坡推力及锚索拉力，致使桩体内力滑面以上一定位置也发生了集中；双锚桩中，因嵌固段较浅，滑面以下主要为桩底抗力，桩体内力仅在滑面以上出现集中区，且整体分布均匀。可见，桩体受力的方式决定了桩体内力的分布和集中区域，即决定了桩体的变形破坏位置和模式。

图8 锚杆应变对比Fig.8 Comparison of anchor strain

图9 锚杆抗滑桩破坏情况对比Fig.9 Comparison of destruction conditions of anti-slide anchor piles

3.5 锚杆应变对比分析

图8为试验中锚杆应变的分布，图9为模型开挖的典型剖面情况。从图8、图9可知：

(1) 单排锚杆在滑面内外侧附近各有一个应变集中点，而双排锚杆中只有上排锚杆在滑面内侧附近有一个集中点，且单排锚杆的最大应变是双排锚杆的3～4倍，说明单排锚杆的应变集中程度更大，更易破坏，而双排锚杆应变更均匀。

(2) 从锚杆的开挖看，锚杆底端均有不同程度的滑移，其中单锚A，C，D桩对应锚杆的滑移长度均为6 cm，B桩为5.5 cm；双锚桩中A桩对应锚杆滑移距离为3 cm，B桩和D桩锚杆均为1.5 cm，C桩锚杆为2 cm。这说明，对于土体中的锚杆，受力滑移是土层锚杆的一种破坏形式。

(3) 双锚桩锚杆的应变及滑移距离均小于单锚桩锚杆，且双锚桩中的压力和弯矩数据也小于单锚。说明双锚的施加对滑体的移动产生了一个较大的主动约束和限制作用，导致其变形和受力减小。

3.6 破坏模式分析

通过3组试验，可得出抗滑桩、锚杆及桩周土的破坏模式。

3.6.1 桩的破坏模式

普通桩和双锚桩只有一个弯矩极值点，并在该处发生弯折破坏，只是普通桩在滑面以下，而双锚桩在滑面以上。因桩体塑性破坏点只有一个，其破坏模式为塑性单铰破坏(模式1)，见图10(a)。

单锚桩因在滑面上下各有一个弯矩极值点，并在相应位置发生弯折破坏，破坏点有2个，为塑性双铰破坏(模式2)，见图10(b)。

图10 桩的破坏模式Fig.10 Failure modes of piles

可见，桩体的破坏模式均为塑性铰破坏，只因塑性破坏点个数不一样，破坏模式不完全相同，分单铰和双铰2种模式。

3.6.2 锚杆的破坏模式

锚杆的破坏有2种模式：一是在滑面内外侧附近均出现弯剪变形，二是在锚杆轴向拉力作用下，锚杆底端与土体滑移脱空，说明锚杆既有弯剪变形也有轴向滑移变形，为弯剪-滑移破坏模式。

3.6.3 桩周土的破坏模式

因桩的刚度远大于土体强度，在滑坡推力作用下，桩周土体被挤压并最终出现土拱塑性破坏，即桩周土的破坏模式为土拱隆起塑性破坏。

4 结 论

根据3组模型试验对比研究，可得到锚杆抗滑桩加固黄土滑坡的受力机制及破坏模式，所得结论特别适用于黄土地区滑床为土层的滑坡，主要有以下几点：

(1) 普通桩位移突变不连续，锚杆桩位移平顺连续，锚杆桩受力结构呈“S”曲线状，土体抗力及桩身弯矩分布更均匀。

(2) 锚杆排数增加，合力作用点上移，锚杆对弯矩的贡献率增大，受力更均匀，不仅可增大抗滑力，还可减小桩的埋深。

(3) 单排锚杆具有2个应变集中点，应力值大，集中程度大；而双排锚杆仅上排具有一个集中点，且应力较小，分布较均匀。

(4) 普通桩的破坏模式主要为塑性单铰破坏，锚杆桩为塑性单铰(或双铰)破坏，锚杆为弯剪-滑移破坏，桩周土为土拱隆起破坏。

(5) 黄土滑坡防治中，普通桩和双锚桩均只有一个塑性破坏点，而单锚桩具有2个，建议加强桩体易发生塑性破坏位置的配筋强度。

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(编辑：罗 娟)

Comparative Model Test of Anti-slide Anchor Pile and CommonAnti-slide Pile to Reinforce Loess Landslide

ZHANG Tao1,2, MEN Yu-ming3, SHI Sheng-wei1,2,LI Xun-chang3

(1.Institute of Mineral Prospecting Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611734,China;2.Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control, China Geological Survey, Chengdu 611734, China;3.College of Geology Engineering and Geomatics，Chang’an University, Xi’an 710054, China)

The stress form, internal force distribution and failure mode of anti-slide anchor piles of different structures are compared and analyzed by measuring the soil resistance, bending moment of piles body and the strain of anchor in three model tests of reinforcing loess landslide by different pile-anchor structures (common anti-slide pile and anti-slide anchor pile). Results show that 1) in the prevention and control of loess landslide, the stress of anti-slide anchor pile displays an "S" shape, and the displacement of pile top is smooth and continuous, and the distributions of soil resistance and bending moment of pile body are more uniform; 2) increasing the number of anchors at the top of pile could increase the anti-slide force; 3) the failure mode of common anti-slide pile is mainly plastic single hinge damage, while that of anti-slide anchor pile is mainly single hinge (or double hinges) damage; the main failure of anchor is bending-shear slip damage, and that of the soil around pile is mainly plastic failure of soil arch. The research results provide technical support for the design theory of anti-slide anchor pile in loess landslide prevention and control.

anti-slide anchor pile; common anti-slide pile; comparative model test; loess landslide; failure mode

2016-04-19；

2016-06-05

中国地质调查局二级项目(DD20160278)；中国地质调查局工作项目(1212011220171，1212010914021)

张 涛(1985-)，男，湖南耒阳人，工程师，硕士，主要从事地质工程及地质灾害等方面的研究工作，(电话)17716156286(电子信箱)zhangtao0877@163.com。

10.11988/ckyyb.20160364

2017,34(7):70-76

TU473;TU45

A

1001-5485(2017)07-0070-07