分层填筑对桩-锚-加筋土组合结构加固边坡试验研究

2018-12-27李玉瑞吴红刚赖天文牌立芳

中国地质灾害与防治学报 2018年6期

李玉瑞，吴红刚，赖天文，牌立芳，赵金

(1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070； 2. 中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730030；3. 中国中铁滑坡工程实验室，甘肃兰州 730000；4. 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，甘肃兰州 730000)

0 引言

随着我国西部大开发政策实施以来，西部地区大规模基础建设如火如荼进行，然而我国西部为多山区，由于不同的地形地貌、特殊土，加之降雨、地震等自然灾害以及爆破等工程扰动的影响，极易出现滑坡病害。因此众研究工作者对滑坡治理工程措施展开大量的研究，其中各种支挡结构和土的相互作用影响成为研究的一大热点。

李长冬[1]深入研究了抗滑桩与滑坡相互作用的机理，提出了基于土拱效应的抗滑桩最小桩间距计算模型和最大桩间距计算模型；冯文娟等[2]利用FLAC3D能够相对准确的模拟滑坡传力和抗滑桩受力过程，提出了一种抗滑桩设计新方法；叶海林等[3]利用动力有限差分软件FLAC3D，考虑了桩与岩土体地震荷载下动力相互作用，提出动力强度折减分析法；王新刚等[4]研究应力-渗流耦合作用下抗滑桩加固库区滑坡位移和受力特征，探讨了滑坡-抗滑桩相互作用体系的防治效果；陈新泽[5]利用FLAC3D数值模拟模型试验方法，分析了预应力锚拉桩的相互作用机制，并评价了加固效果。李凯玲等[6]研究分析了锚索-抗滑桩-岩土体相互作用，并建立了新的锚索抗滑桩计算理论。BRANDON[7]和TAN[8]分析了不同工况下抗滑桩的受力规律，为优化抗滑桩设计提供参考；苏美选等[9]利用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，较好的考虑抗滑桩、预应力锚索、滑坡体及锚固地层之间的相互作用、共同工作特性，为预应力锚索抗滑桩的设计提供了参考。吴润泽等[10]采用FLAC3D分析了不同预应力作用下锚索桩滑坡推力的分布规律，得出桩背总桩土相互作用力的相对大小决定了锚索预应力对桩后滑坡推力的分布形式。郑桐等[11]通过离心振动台模型试验，分析了锚索抗滑桩与桩间土的相互作用及响应规律，为验证和发展锚索抗滑桩的抗震设计理论、数值模拟方法、厘清抗震加固机制及破坏模式提供翔实的资料。蒲建军等[12]对比分析了在横向荷载作用下抗滑桩及桩板式挡墙(后置式挡土板)两种支护结构的受力及变形特点(考虑深层滑坡)，为边坡支护结构形式的选择提供参考。以上众学者通过模型试验以及数值模拟的方法研究了各种锚索抗滑桩与滑坡的相互作用规律，为边(滑)坡的支护和锚索抗滑桩的设计提供了基础。

有时限于工程实际，在边(滑)坡治理支护完成后不可避免的要求回填，这与刷方减载的原则相悖，针对这方面还鲜有学者进行研究。本文依据特定工程实际，考虑工后分级回填对桩-锚-加筋土组合结构加固边坡的影响进行研究，以期得到回填对支挡结构受力以及边坡稳定性的影响规律，为类似工程提供有益的借鉴。

1 模型试验设计

1.1 试验原型与目的

本试验以攀枝花机场12#滑坡治理工程为原型，该机场以半填半挖的方式建筑在地质环境较差的缓倾顺层砂泥岩斜坡上，最大填方边坡高度达128 m，较高填方坐落在自稳定性较差的顺层地段坡体上堵塞了地下水通道，加之土面区降水易下渗到下伏基岩顶面，下伏基岩是强风化的砂泥岩互层且倾向坡外，泥岩受水软化，形成了滑带。该滑坡的治理一方面选用多锚点锚索抗滑桩进行支挡；另一方面，为了达到机场通航规定的最小土面区宽度，需要在滑坡后部进行填方，因该滑坡位于易家坪老滑坡之上，为了避免老滑坡复苏，应减少回填量，因此选用可以快速收坡的新型加筋土分层回填技术来减少回填，降低滑坡推力。现场加筋土回填如图1所示。

现场加筋土回填过程中，经监测边坡水平位移、沉降、抗滑桩锚索轴力等均产生了较大的变化(图2)，尤其为累积水平位移随填土高度发生了明显的增长，给边坡稳定性带来了重大的威胁。本次试验研究目的为通过模型试验以及有限元数值分析来模拟加筋土分层回填进行其对桩-锚-加筋土组合结构加固边坡稳定性的影响规律研究。

图1 加筋土回填竣工图Fig.1 Completion map of reinforced soil backfilling

图2 某测试点变形图Fig.2 Deformation of a testing point

1.2 试验设计

根据滑坡地层情况以及滑坡治理工程，采用尺寸相似比CL=50进行模型试验设计(图3)。

图3 模型设计断面图(单位：cm)Fig.3 Section map of the designed model(unit: cm)

模型试验材料设计如下：

(1)土体材料：坡体的主要填料为黏土。滑床部分采用水∶石灰∶黏土=1∶3∶9的配比进行分层夯实模拟；滑带为模型试验中关键部位，为了使坡体的滑动过程连续，本次试验特采用特氟纶薄膜来模拟，其耐高温、耐腐蚀、无油自润滑(图4)；滑体部分采用过筛的黏土填筑，每级回填土之间铺设防护网来模拟加筋材料(图5)，每级回填20 cm。

图4 特氟纶薄膜铺设实物图Fig.4 Picture of teflon thin film

图5 模拟加筋材料铺设实物图Fig.5 Picture of simulated reinforced material

(2)锚索抗滑桩：抗滑桩选用松木切割加工制作，尺寸为前排悬臂式桩6 cm×8 cm×84 cm，后排埋入式桩5.6 cm×7.6 cm×80 cm。锚索采用两排直径为6 mm螺纹杆来模拟，其提供斜向拉力，上、下排锚索倾角分别为22°、24°，自由端由塑料波纹管包裹连接桩顶，锚固端外套直径12 mmPVC管(管长24 cm)，管内浇筑石膏模拟(图6(a))，锚固端锚固在滑床深处(图6(b))。

图6 锚索制作及装置图Fig.6 Production and setting of anchorage cable

1.3 试验量测系统

由于天气原因以及松木与应变片的适应性问题，全部量测数据没有完全捕捉到，根据试验有效数据的传感器(柔性位移计、百分表)进行标识(图3)，测试桩如图4所示，其中柔性位移计选用湖南亿测无线传感系统进行数据采集，现场试验装置见图7。

图7 现场试验图Fig.7 Picture of field test

1.4 试验工况模拟

回填土总分四层，每次回填高度20 cm，每层回填土之间铺设防护网来模拟加筋土，每回填一层待读数稳定再回填下一级，试验过程及工况阶段模拟见表1。

表1 试验过程及工况阶段模拟Table 1 Test process and working condition

2 试验结果分析

(1)柔性位移计位移

利用柔性位移计量测后排桩桩顶前后加筋土水平位移。分析整个试验过程中柔性位移计测点水平位移随时间变化趋势，如图8(a)所示，一层回填工况，桩后水平位移明显大于桩前水平位移，但一层回填工况之后，桩后水平位移增长趋势缓慢，基本没有发生变化；桩前水平位移随着回填工况一直保持增长趋势，每层回填初期都存在一个位移的突变，之后缓慢增长。分析原因：桩后测点受到后排埋入式桩桩顶拱效应的影响，水平位移受到限制，因此加筋土回填对桩后的水平位移没有较大的影响；由于桩前土运动相对自由，故其水平位移在随着上层加筋土回填发生变化。分析各工况下两测点的净水平位移量如图8(b)所示，桩前测点加筋土水平位移随着回填层数的增加，变形量也在逐级增加，这表明上层加筋土回填对于后排桩桩前的水平位移影响较大，施工中宜增设锚索框架等支护结构进行限制其水平位移。

图8 测点水平位移Fig.8 Horizontal displacement curve at measuring points

(2)桩顶位移

利用百分表量测桩顶位移，如图9(a)所示，后排桩为埋入式桩，由于存在桩前土体提供抗力，桩顶位移在前两层加筋土回填并没有发生位移，在第三层回填时才出现了较小的水平位移，同时由于存在锚索的拉力，桩顶位移发展缓慢；前排悬臂式桩首次回填便出现了较小的位移，随着回填层数增加，桩顶位移也逐渐增大。分析各工况桩顶位移净变形量如图9(b)所示，在二层回填时，前排桩净变形量达到最大值，第四层回填，桩顶净变形量减小，表明锚索逐渐发挥了作用，提供的拉力逐渐增大。

图9 桩顶水平位移变形图Fig.9 Horizontal displacement curve of pile top

3 数值模拟分析

运用有限元软件进行数值模拟分析，使用土体本构模型和各种结构单元来真实模拟边坡坡体及其复杂边界条件，包括坡体的土岩接触面、坡体内部的原始滑移带等地层结构，得到坡体的弹塑性变形及其应力应变，支护结构的变形和内力，以及支护体系与土体相互作用的受力机制。此外，采用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析，可以按照土体的强度破坏条件直接计算得到塑性剪切面的位置，并通过强度折减比例获得安全系数，弥补极限平衡分析中由于各种假定所导致的误差。

3.1 有限元软件采用单元类型

(1)实体单元：模拟地层、填土和抗滑桩，为15节点的高阶三角形单元，其精度非常高，可以更加准确的计算单元应力应变。

(2)锚索单元：模拟预应力锚索的自由段，为2节点弹簧单元，可以承受拉、压荷载。

(3)嵌入式梁单元：模拟预应力锚索的注浆段，由可以承受拉、压、弯、剪荷载的5节点梁单元，和梁单元周围附加的沿其长度的10节点特殊接触单元，表达注浆段与周围岩土体的摩擦接触作用。

(4)格栅单元：模拟土工加筋材料，为5节点单元，仅可承受拉应力，可与接触面单元组合表达加筋材料与填土的共同作用。

(5)接触面单元：模拟抗滑桩、土工筋材与周围土体的接触作用，以及土岩分界面、地层原始滑移带等，为10节点单元，表达两种材料相互接触时的剪切、拉压作用。

3.2 有限元模型建立

选取攀枝花机场12#滑坡中部3-3断面为代表进行有限元分析，根据设计资料，其支护结构为桩-锚-加筋土组合结构支挡体系，根据3-3断面地层状况及滑坡形态、支护设计方案，建立的有限元分析模型如图10所示。

图10 有限元分析模型图Fig.10 Finite element analysis model

模型参数取值如表2所示。

表2 模型参数取值Table 2 Model parameters

加筋土的加筋材料选取土工格栅，其弹性模量：E=20 000 kN/m2,抗拉强度Ft=200 kN；预应力锚索自由段E=3.5×105kN/m2，锚固段E=8.8×105kN/m2，单锚承载力特征值F=1 100 kN/m2，锚索间距L=6 m，初始预应力值P=660 kN，为锚索设计荷载的60%。

3.3 加筋土分层回填影响分析

本次分析分别对四级加筋土分层填筑4个工况进行分析

(1)边坡位移与塑性区发展分析

从四级加筋土分层填筑过程加筋土边坡的变形情况看，如图11～图13所示，随着回填高度增加，竖向位移主要向后排桩以后的方向发展，在后排桩顶部形成位移拱效应；水平位移主要在后排桩以前的坡面方向发展，桩前位移逐渐大于桩后位移，这与模型试验加筋土水平位移表现出同样的规律；填土内塑性区主要沿后排桩顶、坡面及填土加筋末端发育。后排桩顶的塑性区发展由填土与桩体较大的刚度差异引起，使得填土的竖向位移在桩顶受到明显约束，桩顶剪切带逐步延伸至坡面附近。

图11 水平位移云图Fig.11 Horizontal displacement cloud map

图12 竖向位移云图Fig.12 Vertical displacement cloud map

图13 塑性区发展图Fig.13 Development of plastic zone

(2)锚索抗滑桩受力分析

①后排桩

锚索锁定阶段桩身荷载主要为桩顶锚索预应力，在土岩分界面(滑带)处弯矩达到5 359 kN·m，剪力为1 008 kN，外侧受拉。第一级加筋填土之后桩顶产生约3.9 mm位移，桩身受力模式不变，最大弯矩下降到4 518 kN·m，剪力为983 kN。随着边坡填土增高，产生的水平推力不断加大，桩顶水平位移逐步增加(第四级填土后达到102.5 mm)，桩身受力模式改变为内侧受拉，第四级填土后滑带处弯矩达到14 730 kN·m，剪力为2 038 kN，如图14～图15所示。

由上述计算结果可见，后排桩的受力模式从锚索力控制的外侧受拉逐步转化为水平推力控制的内侧受拉，期间锚索承载力逐步发挥。

图14 弯矩图Fig.14 Bending moment diagram

图15 剪力图Fig.15 Shear diagram

②前排桩

锚索锁定阶段桩身荷载主要为桩顶锚索预应力，在土岩分界面(滑带)处弯矩达到2 029 kN·m，剪力为1 147 kN，外侧受拉；桩顶弯矩2 526 kN·m，剪力为466 kN；可见此时锚索预应力为抗滑桩结构的控制荷载。第一级加筋填土之后桩顶产生约14.4 mm位移，最大弯矩发生在土岩分界面滑带处为6 737 kN·m，对应的最大剪力为1 485 kN；此时桩顶弯矩减小到2 399 kN·m。随着边坡填土增高，产生的水平推力不断加大，桩顶水平位移逐步增加(第四级填土后达到81.9 mm)，桩身受力模式改变为内侧受拉，第四级填土后滑带处弯矩达到22 890 kN·m，剪力为2 021 kN，如图16～图17所示。

由上述计算结果可见，前排桩受力模式从起初锚索力控制的外侧受拉逐步转化为水平推力控制的内侧受拉，最大弯矩也从桩顶移动到滑带附近，滑带附近为主要受剪断面。

图16 弯矩图Fig.16 Bending moment diagram

图17 剪力图Fig.17 Shear diagram

③锚索

锚索内力随填土级数变化如表3所示，前两级加筋土工况下前排桩锚索轴力增长较快，后两级加筋土工况后排桩锚索轴力增长较快，如图18所示，这与高填方情况下后排桩身承受更大的水平荷载有关。此外，在第三级加筋填土工况所有锚索轴力基本达到或者超过了其设计荷载(后排桩锚索轴力设计荷载为2 200 kN，前排桩锚索轴力设计荷载为1 100 kN)，按照设计要求，在该工况下应将锚索预应力释放至设计荷载的70%，待第四级填土结束且基本达到稳定状态之后，根据锚索内力监测结果决定是否需要补张拉至锚索的设计锁定荷载。如果在第三级加筋填土工况下不释放锚索预应力，第四级填土工况下锚索轴力增长为设计荷载的1.23～1.58倍，处于极限荷载的范围。