舟曲江顶崖滑坡抗滑桩桩身响应监测分析*

周 勇 王仲凯 杨校辉

(①兰州理工大学， 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室， 兰州 730050， 中国) (②兰州理工大学， 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 兰州 730050， 中国) (③兰州理工大学， 土木工程学院， 兰州 730050， 中国)

0 引 言

高边坡泥石流滑坡等地质灾害治理问题因其复杂性给我国工程地质工作者带来了巨大的挑战。抗滑桩是滑坡治理中主要的治理措施之一，已在边坡工程中得到广泛应用。抗滑桩的受力变形是目前国内外学者研究的重要课题之一。由于滑坡内部土石分布复杂且易受降雨等因素影响，仅凭地质勘察进行抗滑桩的设计施工，不能完全地掌握滑坡内部的真实力学作用效应，因此，需要在施工后一定时间段内监测抗滑桩的真实受力情况，分析其监测数据，为抗滑桩的合理设计提供科学依据，同时，监测结果也可以检验滑坡防治工程的治理效果(王秀丽等， 2015)。

目前滑坡治理方法研究成果丰富，各种监测技术不断进步：施斌等(2018)介绍了一种可以获得地面沉降过程中多场多参量数据、实现全断面精细化监测的分布式光纤监测技术，但缺乏大量的实际监测工程为依据。刘永莉等(2012)成功运用BOTDR技术监测分析了某滑坡的抗滑桩应变； 畅建伟等(2013)对深层滑坡体人工挖孔抗滑桩受力进行了长期监测和研究，但缺乏一定的理论支撑； 冯树荣等(2014)针对某边坡抗滑桩的受力进行了监测和三维数值分析，研究了其稳定性； 张会远等(2015)对滑坡进行了长期GPS地表位移和抗滑桩应力监测，建立单筋矩形截面受弯构件模型计算抗滑桩弯矩，并分析了抗滑桩的工作状态； 王贵华等(2019)基于桩-锚变形协调原理，考虑到滑坡的滑床为多层复合的条件，建立多层复合滑床下锚索抗滑桩计算分析模型，并编写了改进的算法计算程序，进行了模型改进和程序编写，但缺乏大量的实际监测数据作为其支撑； 罗勇等(2019)依托保宜高速车峰坪大型碎石堆积层滑坡治理工程，采用实际位移监测，并对比Slide数值模拟计算加固后边坡的安全系数，研究了斜坡的稳定状态； 李登峰等(2018)分析了桩截面尺寸对土拱性状的影响，结合力学计算解释了土拱效应中土拱类型和高度变化的原因，但缺乏实际工程中大量的工程监测数据作为其理论支撑； 张磊等(2019)采用BOTDR分布式光纤感测技术对某滑坡抗滑桩变形进行长期监测分析，在监测数据的基础上，对抗滑桩内力进行反演分析并与抗滑桩设计值进行对比，从抗滑桩内力分布状态及外在环境影响因素对抗滑桩稳定性进行了分析和评价； 胡时友等(2018)进行了抗滑桩加固滑坡体模型试验三维模拟，分析了滑体位移、应力、桩身位移和弯矩变化，补充研究了抗滑短桩加固滑坡体的抗滑机理； 韩贺鸣等(2019)采用光纤监测和PSO-SVM预测模型对马家沟滑坡深部位移进行了短期预测，预测结果较好； 张静等(2018)采用SBAS-InSAR技术提取了盘锦地区地面数据，完成了沉降速率和累积沉降量的监测。以上学者从不同方面极大地丰富了滑坡治理中的理论及实践方法研究，并取得一定的成果，但是沿抗滑桩深度方向的全桩应力、应变监测仍相对缺乏，相应的全方位监测数据收集分析和方法研究有待学者进一步发掘。

本文以舟曲江顶崖滑坡治理工程为背景，采用弦式钢筋应力计、弦式埋入应变计、数据采集系统和无线传输系统，对抗滑桩内部钢筋应力与混凝土应变进行监测，对监测结果进行研究，分析了抗滑桩的内力与变形及抗滑桩工作状态和影响因素，对同类抗滑桩工程具有一定的参考价值。

1 工程概况与特点

舟曲县地处青藏高原东缘，西秦岭西翼与岷山山脉交汇地区，属构造侵蚀中高山地貌。舟曲县属北亚热带向北温带的过渡区，降水主要集中在5～9月份，春秋两季降水量各占年降水量的25.1%和24.7%，夏季平均降水量219.8mm，占年降水量的49.2%，冬季仅为4.9mm，占年降水量的1.1%。

江顶崖滑坡地处舟曲县南峪乡南峪村，位于白龙江北岸，紧临白龙江河道，地理坐标为东经104°25′33″，北纬33°43′15″。本滑坡抗滑桩治理位置如图 1所示位于滑坡下部，工程区斜坡地势总体向西南方向倾斜，山顶海拔2052m，坡脚海拔1241m，相对高差811m，地形起伏大，山坡坡度20°～45°。

图 1 滑坡平面图Fig. 1 Planar graph of the landslide

江顶崖滑坡位于斜坡体下部，前缘高程1241m，后缘高程1418m，相对高差177m，整体上缓下陡，后部、中部较为平缓，坡度13°～15°； 下部、前缘较为陡峭，坡度20°～25°，整体平均20°，坡面地形起伏大。滑坡体后部发育滑坡洼地，中部、下部及前缘裂缝发育。工程区内分布的地层较复杂，岩层主要由志留系、泥盆系的碎屑岩-灰岩组成，土体有滑坡堆积碎石土与冲洪积碎石土； 工程区地处秦岭东西褶皱带，构造活动强烈，断层发育； 水文地质条件简单，滑坡体内含有地下水。

江顶崖滑坡体为老滑坡的复活，多年来一直处于蠕滑变形状态，加之坡体结构破碎，岩土体松散，在连续强降雨、白龙江河水冲刷、掏蚀等外界诱发因素共同作用下处于不稳定状态。本次治理采用矩形抗滑桩，如图 1所示，抗滑桩位于滑坡体下部，为避免桩心距过大，难以形成土拱效应，也难发挥桩前土的抗力，采用桩心距为5.5m的单排桩进行支挡，桩平面尺寸为： 4m×3m。抗滑桩共计39根，为人工挖孔桩，长度40m，伸入滑动面以下20m左右。背筋根数为172根，面筋根数为30根，面筋和背筋均采用HRB400级钢筋，保护层厚度100mm，面筋间距155mm，桩混凝土强度等级C35，桩箍筋级别HRB335，间距400mm。

2 抗滑桩监测方案

在滑坡前缘选取某根抗滑桩进行监测，监测内容包含弦式钢筋应力计监测抗滑桩钢筋应力和埋入式应变计监测抗滑桩混凝土的应变。分别在抗滑桩受拉侧布置钢筋应力计，在抗滑桩受压侧布置钢筋应力计和弦式埋入应变计。监测采用的仪器为 JMZX-425HAT型高性能智能数码弦式钢筋计和JMZX-215HAT高性能智能数码弦式埋入应变计，采用JMZX-32A型和JMZX-16A型数据采集系统，配合数据无线传输系统远程收集数据使用。监测仪器自2019年8月30日开始收集数据，每日于0：00和12：00收集2次监测数据，由无线传输系统传送回收集终端。

监测仪器的布置与特点：抗滑桩桩长40m，单根抗滑桩内选取靠山侧中部、靠河侧中部共计a和b 两个平面点位，每个点位内沿深度方向每隔5m布置一个弦式钢筋应力计，共布置7个弦式钢筋应力计，分别在5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m深处； 弦式钢筋计与单根HRB400级钢筋牢固焊接，焊接时采用湿毛巾缠绕浇水降温以防焊接温度过高烧坏弦式钢筋计。与弦式钢筋计布置方式相似，埋入式应变计沿抗滑桩深度方向每隔5m布置一个，一个点位布置7个弦式埋入应变计，分别在5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m深处，弦式埋入应变计与单根HRB400级钢筋卡扣连接，连接在应变计两端较粗部位，避免连接在弦式应变计中部细杆影响监测效果(图2)。

3 监测结果分析

江顶崖滑坡治理工程中抗滑桩自施工完成后开始进行全桩监测，自8月30日开始进行监测，数据分析选取每周五12：00的数据进行整理并分析，得出江顶崖抗滑桩桩身监测点在监测期间的变化情况。

3.1 弦式钢筋应力监测分析

抗滑桩监测a点位于抗滑桩靠山一侧，由钢筋应力曲线图 3可以看出，该点位钢筋单根最大拉应力在35m深处，为112.5MPa，最大压应力在10m深处，为6.3MPa。在监测时间段内单筋受力在-6.3～112.5MPa范围，钢筋均未达到弹塑性或塑性状态，处于弹性工作状态。

图 3 a点钢筋应力曲线Fig. 3 Stress curve of steel bar at the point a

a点位压应力只出现在埋深10m处，此深度单筋压应力周增加值由8月30日的-0.9MPa/周减小为9月13日的-4.5MPa/周，在9月20日此处钢筋既不受压也不受拉，在此时间之后不再受压，此深度单根钢筋拉应力周增加值由9月27日的2.7MPa/周递减为10月4日的0.1MPa/周并保持3周递减为0.9MPa，在11月8日之后应力值保持为9MPa不再发生变化。而15m深度抗滑桩钢筋在8月30日之后5周内应力稍有变化，在10月6日之后保持为16.2MPa不再发生变化。此点位35m深单根钢筋拉应力周增加值逐渐减小，由10月4日的4.5MPa/周减小为11月10日的1.8MPa/周。由a点监测数据可以看出抗滑桩的周应力变化量有一个递减的趋势并逐步趋于稳定，抗滑桩在抵抗滑坡推力并逐渐达到一个平衡。

图 4 b点钢筋应力曲线Fig. 4 Stress curve of steel bar at the point b

抗滑桩监测b点处于抗滑桩靠河(受压)一侧，钢筋应力曲线图如图 4所示(20m深度的弦式钢筋应力计在抗滑桩施工中遭到损坏，无法读取数据)。该点位钢筋单根最大拉应力在30m深处，为20.4MPa，全过程中未出现压应力。钢筋应力在监测时间段内整体较小，钢筋均未达到弹塑性或塑性，处于弹性工作状态。

b点处单根钢筋拉应力周增加值的最大值为0.8MPa/周，此峰值分别在8月30日深度25m处、9月27日深度25m和深度35m处达到。此处周平均应力最大值在30m深度处，为19.3MPa。10m深处的钢筋应力平均值为3.08MPa，且钢筋应力平均周变化量小于0.03MPa，应力几乎不发生变化。

b点与a点相比在5m深度处单根钢筋受拉应力较小，说明此抗滑桩在5m深处由靠山(受拉)一侧承受较大的应力，抗滑桩作为支挡结构抵抗了很大部分应力。a位置处平均周应力改变量最大值发生在5～10m深度内，而b位置处平均周应力改变量最大值发生在25～30m深度，江顶崖滑坡治理还包含削坡工程，将滑坡上部和东西两侧进行了削坡减载，使得滑坡下滑力减小，江顶崖滑坡在治理后经历了降雨，滑坡表面并无明显积水，但由于岩土体松散和巨大的降雨量使得大部分土体处于饱水状态，土体变重，引起下滑力变大。抗滑桩施工完成后，滑坡推力先作用在抗滑桩靠山(受拉)一侧，滑坡岩土体和桩产生接触，压实滑坡岩土体同时给抗滑桩施加水平方向推力，逐渐产生变形协调，变形逐渐变小，滑坡体与抗滑桩共同作用并逐步趋向稳定。监测阶段钢筋应力出现先增大后趋于稳定的趋势，是因为江顶崖滑坡是在原有老滑坡基础上产生的新滑坡，断层多滑带深，滑坡推力作用于桩上，抗滑桩发挥自身刚度特点抵抗滑坡推力，从而逐渐趋向于受力平衡。

3.2 弦式埋入应变监测分析

弦式埋入应变计布置于a位置处，抗滑桩混凝土应变曲线如图 5所示(25m深度的弦式埋入应变计在抗滑桩施工中遭到损坏，无法读取数据； 35m深度的弦式埋入应变计连接线被破坏，仅有5组数据)。

图 5 抗滑桩混凝土应变曲线Fig. 5 Concrete strain curve of the anti-slide pile

由图 5可以看出，弦式应变计的监测数据规律性较差，尤其在15m深度处。其中8月30日和11月18日的数据为负值与其他数据不符，应该舍弃。在10m深度以上均为负值，表示此区域此时受压，最大压应变为-18.35με， 15m以下以及30m以上均为正值(不包含缺失部分)，说明此深度范围受拉，最大拉应变为34με。混凝土应变的变化区间为-18.35～34με，变化范围较小，均小于设计值。

混凝土应变在监测时间段内显著变大，在深度10～25m范围呈现较大峰形，这是因为抗滑桩承受滑坡体推力产生微小变形。由于此次遭到不可抗力因素(实验中个别传感器损坏)，数据并不十分完整，不能完全体现滑坡推力作用下的抗滑桩的响应，仍需要持续监测以获取更多长期优质监测数据。

4 抗滑桩弯矩计算

4.1 弦式钢筋计应力计算

弦式钢筋计生产厂家提供的应力计算公式以及温度改变对应力计算的修正公式分别如下：

(1)

(2)

式中：F0为应力计的应力值(kN)；F1为修正后的应力值(kN)；K为弦式钢筋应力计的标定系数；K0=0.00071186；f0为零点频率(Hz)；fi为测量频率(Hz)；T为测量温度；T0为基准温度；M为混凝土温度系数；M0为温度系数初始值(M0=12.2)。

4.2 弯矩计算模型

抗滑桩弯矩由单筋矩形截面受弯构件模型(图 6)计算，采用此计算模型要满足的条件如下：

(1)满足正截面承载力计算的基本假定：

①构件正截面在弯曲变形后依然保持平面，即截面中的应变按线性规律分布；

②不考虑截面受拉区混凝土承受拉力，即拉力全部由受拉钢筋承担；

③当混凝土的压应变εc≤ε0时，应力与应变关系曲线为抛物线；εc>ε0时，应力与应变关系曲线为水平线，其极限压应变取εcu，相应的最大压应力为σ0。

④钢筋应力σs，取钢筋应变εs与其弹性模量Es的乘积，但不得大于其设计强度fy。

图 6 单筋矩形正截面受弯构件模型Fig. 6 Single-side reinforced rectangular flexural member simplified mode

(2)为使所设计的截面保持在适筋梁的范围内，应满足：

ξ≤ξb

(3)

或

x≤xb=ξbh0

(4)

ρ≥ρmin

(5)

(3)不考虑混凝土和钢筋应力发展阶段性；

(4)不考虑受压侧钢筋的应力。

式中：εc为受压区混凝土压应变；ε0为对应于混凝土压应力刚达到混凝土轴心抗压强度设计值时的混凝土压应变；εcu为正截面处于非均匀受压时的混凝土极限压应变；ξ为相对受压区高度；ξb为相对界限受压区高度；ρ为配筋率；ρmin为最小配筋率。

将由弦式钢筋应力计拉力计算式所得单根钢筋应力值F1与受拉侧钢筋的设计根数n相乘即可得到受拉侧钢筋总应力F。图 6中，由力学平衡条件可得：

α1fcbx=F

(6)

即

(7)

根据力矩平衡，可以求得深度x处的弯矩为：

(8)

式中：F为受拉端钢筋总拉力(kN)；fc为混凝土轴心抗压设计强度(kN·m-2)；α1为混凝土受压区等效矩形应力系数；b为截面宽度(m)；x为应力图形换算成矩形后的受压区高度(m)；M为受弯构件弯矩(kN·m)。

经上述模型方法可将监测数据代入式(7)和式(8)求得不同深度处的弯矩，并可绘制弯矩随深度变化曲线如图 7所示。

图 7 基于监测数据计算的抗滑桩弯矩Fig. 7 Bending moment of anti-slide pile based on monitored data

从图 7可知，抗滑桩监测数据计算所得到的最大弯矩值为11月15日的3618.8kN·m，远小于设计弯矩最大值，抗滑桩还具备很大的安全储备空间。抗滑桩设计的最大弯矩出现在27～33m深度范围内，由监测计算得到的弯矩图可以看出与设计最大弯矩位置基本一致。弯矩变化最大的时间主要在浇筑完成的5周时间内，平均周增加量达652kN·m，主要原因是：江顶崖滑坡处于南峪滑坡群内，此滑坡长期处于蠕动微弱变形状态，抗滑桩的施工使得原有坡体受力状态发生改变，滑坡推力变为由抗滑桩承担，且这个时间段内有强烈降雨，增大了土体的含水率，使得滑坡推力变大，抗滑桩弯矩明显增大。随着时间的增加，原有坡体与抗滑桩形成新的受力模式，改善了滑坡状态。在2019年10月4日之后弯矩的增量逐渐减小，表明新的桩土受力模式已经形成，大大改善了原有滑坡紧张的地层岩性，使得滑坡逐渐趋于稳定，抗滑桩起到了有效的抗滑作用，在监测期间抗滑桩处于安全稳定工作状态。

5 数值模拟

为深入研究类似滑坡体抗滑桩桩身应力-应变，积累抗滑桩设计研究经验，借助有限元软件PLAXIS 3D建立三维分析模型，对抗滑桩桩身响应进行分析。其中抗滑桩采用桩单元，抗滑桩材料为混凝土，具体材料参数取值见表 1，计算过程中不考虑桩后土体对桩的作用力，也不考虑桩周围的护壁尺寸，假定抗滑桩在整个过程中满足变形协调，土体本构模型采用莫尔-库仑模型。模型尺寸350m×28m×300m，其中沿滑坡方向为350m，沿纵向为300m，土层参数见表1，模型底面采用固定约束，上表面采用自由边界，计算模型中土单元数28527个，节点数44291个。模型网格划分如图 8所示。模型施工抗滑桩前取自重应力为初始应力，并在自重应力下计算至平衡状态，清零速度场和位移场，并以此为初始状态进行模拟。在初始状态之后，模拟施工抗滑桩，考虑到滑坡上部有部分土体，施加外荷载用以模拟上部土体自重计算，模拟外荷载沿竖直方向(图 8)，大小为2000kN·m-2。通过PLAXIS 3D建立三维分析模型计算并导出结果，得到抗滑桩的弯矩变化数据整理如图 9所示。

表 1 设计参数表Table 1 Design parameters

图 8 模型网格划分和桩位置图Fig. 8 Model meshing diagram and position of pile diagram

图 9 模拟抗滑桩弯矩与设计弯矩对比图Fig. 9 Comparison diagram of simulated anti-slide pile bending moment and design bending moment

由图 9可知，有限元软件PLAXIS 3D所模拟的抗滑桩所得弯矩与设计弯矩变化趋势相似，在0～10m深度模拟弯矩变化量逐渐递增，抗滑桩在10m以下模拟弯矩变化量的递增量减小，在20m深度以下弯矩又有明显剧增，并在30m深度位置弯矩达到最大值，与设计弯矩变化基本保持一致。设计弯矩总是略大于软件模拟弯矩，说明设计存在一定的安全度，抗滑桩目前处于安全状态。PLAXIS 3D软件可以较好地模拟抗滑桩的工作状态，为数值模拟研究抗滑桩提供了新方法。

6 结 论

通过分析江顶崖滑坡抗滑桩的监测结果可得出以下结论：

(1)监测结果表明：智能弦式钢筋应力计监测到的单根钢筋最大应力为112.5MPa，远小于设计值，弦式应变计监测到的最大应变为34με，监测数据周变化量逐渐减小并缓慢趋于稳定，抗滑桩与周围岩土体正在形成新的变形协调，抗滑桩有效地支挡了滑坡，处于安全工作状态。

(2)江顶崖滑坡是老滑坡堆积体上产生的新滑坡，滑坡层次结构复杂多样，抗滑桩桩身受到不均匀的推力，从监测数据可知钢筋应力和混凝土应变值在27～33m深度范围发生明显突变，此深度范围与设计滑面吻合。

(3)采用矩形截面受弯构件计算得到的抗滑桩弯矩曲线与设计曲线基本吻合，表明抗滑桩在保证监测准确和数据有效的基础上可以进行内力的简化计算。对比PLAXIS 3D软件模拟弯矩和设计弯矩，两者变化趋势基本一致，软件模拟是可靠有效的研究手段之一。