錨桿抗滑樁與普通抗滑樁加固黃土滑坡的對比試驗研究

張 濤，門玉明，石勝偉，李尋昌

(1．中國地質(zhì)科學院 探礦工藝研究所，成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，成都 611734；3．長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054)

錨桿抗滑樁與普通抗滑樁加固黃土滑坡的對比試驗研究

張 濤1,2，門玉明3，石勝偉1,2，李尋昌3

(1．中國地質(zhì)科學院 探礦工藝研究所，成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，成都 611734；3．長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054)

通過開展3組不同樁錨結(jié)構(gòu)(普通抗滑樁、錨桿抗滑樁)加固黃土滑坡的模型試驗，測得不同樁錨模型的土體抗力、樁身彎矩及錨桿的應(yīng)變，對不同結(jié)構(gòu)形式的錨桿抗滑樁的受力形式、內(nèi)力分布及破壞模式進行對比分析。結(jié)果表明：黃土滑坡防治中，錨桿抗滑樁受力結(jié)構(gòu)呈“S”曲線狀，樁頂位移平順延續(xù)，土體抗力及樁身彎矩分布更均勻；增加樁頂錨桿排數(shù)，可以增大抗滑力；普通抗滑樁的破壞模式主要為塑性單鉸破壞，錨桿抗滑樁主要為塑性單鉸(或雙鉸)破壞，錨桿主要為彎剪-滑移破壞，樁周土主要為土拱塑性破壞。研究結(jié)果可為黃土滑坡防治中錨桿抗滑樁的設(shè)計理論提供技術(shù)支撐。

錨桿抗滑樁；普通抗滑樁；模型對比試驗；黃土滑坡；破壞模式

1 研究背景

自20世紀50年代開始，我國大量采用抗滑樁治理滑坡，直至80年代初，錨索(桿)抗滑樁作為一種新型防治技術(shù)，在工程中得到重視和應(yīng)用，因其改變了普通樁不合理受力形式，具有截面較小、埋深較淺、造價較低等優(yōu)勢。近年來，錨索(桿)抗滑樁在公路、鐵路、水利水電、邊坡防治等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得良好的工程效果。

當前，國內(nèi)對錨索(桿)抗滑樁防治技術(shù)的研究主要集中在內(nèi)力計算和工程應(yīng)用方面，而在試驗研究和數(shù)值模擬方面成果較少。國內(nèi)的馬驥[1]、徐良德等[2]、閔順南等[3]、周德培等[4]、劉小麗[5]、戴自航[6]、勵國良[7]主要在內(nèi)力計算方面做了大量研究；曾德榮等[8]、曾云華等[9]通過模型試驗，探討了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的受力分布規(guī)律；鄭明新等[10]、張友良等[11]、李雙洋等[12]在數(shù)值模擬方面取得了一定的研究成果。由于錨索(桿)抗滑樁應(yīng)用和研究歷時較短，其設(shè)計計算理論仍滯后于工程應(yīng)用；同時，錨索(桿)抗滑樁與黃土滑坡的相互作用機制、破壞模式等也未得到充分的認可，更沒有針對錨索(桿)抗滑樁的專門設(shè)計規(guī)范或行業(yè)標準出臺。黃土具有強烈的水敏性，其結(jié)構(gòu)在遇水條件下極易發(fā)生破壞，進而導(dǎo)致黃土滑坡的發(fā)生，錨索(桿)抗滑樁作為黃土滑坡常用的防治技術(shù)之一，有必要進一步加強其承載機理、受力形式和破壞模式研究，完善其設(shè)計理論和方法。為此，中國地質(zhì)調(diào)查局組織相關(guān)單位開展了一系列有關(guān)錨桿抗滑樁的理論及試驗研究[13-19]，本文主要介紹普通抗滑樁、錨桿抗滑樁(單錨、雙錨)加固黃土滑坡的3組試驗研究對比成果，為黃土滑坡防治中錨桿抗滑樁的設(shè)計理論提供技術(shù)支撐。

2 錨桿抗滑樁試驗設(shè)計

2.1 試驗原理

滑坡模型采用西北典型黃土分層夯實填筑，人工設(shè)置弧形狀滑面，并在滑體頂部分級施加豎向荷載，直至滑坡模型整體破壞。通過布設(shè)土壓力計、應(yīng)變計、位移計等傳感器，測試錨桿抗滑樁的內(nèi)力變化規(guī)律、分布形式及模型變形情況，從而確定錨桿抗滑樁的內(nèi)力規(guī)律、分布規(guī)律及破壞模式。本次試驗共設(shè)計3組模型試驗，分別為普通抗滑樁、錨桿(單錨、雙錨)抗滑樁物理模型試驗。在滿足模擬材料盡量相似的條件下，采用幾何相似比為1∶20來模擬工程中常用的截面為1.0 m×1.5 m、長為10～20 m的抗滑樁。試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D見圖1。

圖1 3組滑坡模型試驗剖面圖

2.2 試驗準備

模型樁橫斷面均為50 mm×80 mm，樁后配筋為3Φ8 mm，樁前配筋為2Φ8 mm，箍筋為雙肢Φ4 mm@100 mm，采用C20混凝土澆筑。錨桿為HRB335級Φ10 mm鋼筋，自由段長40～60 cm，錨固段為直徑D=60 mm、長1.0 m的M15水泥砂漿澆筑體。

3組試驗中每組均勻設(shè)置4根樁，間距0.4 m，兩側(cè)樁距箱體邊緣0.3 m。試驗樁對應(yīng)樁中心布設(shè)錨桿，入射角20°，單錨桿的錨頭距樁頂距離為5 cm，雙錨上下排間距為10 cm。試驗樁均為懸臂樁，受荷段(滑面以上)均為0.5 m，普通樁嵌固段(滑面以下)0.8 m，單錨樁嵌固段0.5 m，雙錨樁嵌固段0.3 m。樁錨實體模型見圖2。

圖2 樁錨實體模型照片F(xiàn)ig.2 Photos of pile-anchor (single anchor) and common anti-slide pile models

滑床及滑體為黃土分層填筑，滑帶為圓弧狀，采用雙層聚乙烯塑料薄膜模擬，其參數(shù)經(jīng)反算確定，經(jīng)測試和計算得出模型的基本物理力學參數(shù)，見表1。

表1 試驗基本物理力學參數(shù)

圖3 監(jiān)測點布設(shè)示意圖Fig.3 Layout of monitoring points

2.3 測試內(nèi)容

在模型樁前后分別布設(shè)土壓力計，以測試樁體前后土體抗力及分布情況；在模型樁及錨桿主筋上貼設(shè)應(yīng)變片，以測試樁體及錨桿的內(nèi)力變化；在樁頂前部及滑體坡面布置位移計，以監(jiān)測樁體和滑體的位移變化。以單錨抗滑樁試驗為例，其監(jiān)測點布置見圖3。

2.4 加載設(shè)計

加載前，對錨桿施加預(yù)應(yīng)力至1.5 kN，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后以沙袋形式在滑體頂部施加荷載，單次加載量為6 kPa，測得數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再加下一級荷載，直至滑坡模型整體變形破壞。其中，普通樁共施加54 kPa的荷載，錨桿樁(單錨)共施加72 kPa的荷載，錨桿樁(雙錨)共施加78 kPa的荷載。

3 試驗結(jié)果對比分析

3.1 測點位移變化對比分析

3組試驗各測點的位移對比如圖4所示。

圖4 3組試驗的各測點位移對比Fig.4 Comparison of displacement of measuring points among three tests

從圖4可知：

(1) 普通樁位移曲線在加載54 kPa前呈線性增長，樁體在該階段下呈彈性變形，但加載54 kPa后5 h位移突然跳躍式增大，說明抗滑樁發(fā)生脆性折斷破壞。單錨樁位移曲線在加載60 kPa前呈線性增長，樁呈彈性變化；60～72 kPa之間，呈上凹增長，樁呈彈塑性變化；72 kPa后位移劇增，樁體塑性變形。雙錨樁位移曲線在加載72 kPa前呈線性增長，加載72 kPa后，增長幅度加大，且一段時候后仍能穩(wěn)定，說明樁體在加載72 kPa后呈彈塑性變化。表2為不同樁隨荷載量的變形情況。

表2 不同樁隨荷載的變形情況

(2) 普通樁位移曲線突變不連續(xù)，錨桿樁位移曲線平順連續(xù)，說明普通樁變形破壞為突變式破壞，而錨桿樁為漸進式破壞。

(3) 在同級荷載下，普通樁位移最大，單錨樁次之，雙錨樁最小。說明增加樁頂錨桿排數(shù)，可以增大抗滑力。

3.2 樁身受力對比分析

圖5為3組試驗中抗滑樁樁身土壓力的分布圖，從圖5可得如下規(guī)律。

(1) 樁后推力對比：普通樁呈中間大兩側(cè)小的三角分布，集中于滑面以上20 cm內(nèi)；單錨樁集中在滑面以上30 cm內(nèi)；雙錨抗集中在滑面以上40 cm內(nèi)；在同等荷載下，普通樁受力最集中，單錨樁次之，雙錨樁最均勻。

(2) 樁前抗力對比：普通樁集中于滑面以下0.25 m內(nèi)，呈上大下小的倒三角分布；單錨樁與普通樁分布類似，但分布范圍更廣；雙錨樁分布更均勻，呈上小下大的梯形分布。雙錨樁分布形態(tài)不同，與嵌固段較短有關(guān)，樁底有繞錨固點轉(zhuǎn)動趨勢。

(3) 樁后最大壓力和作用點見表3，在同等荷載下，普通樁受力最大、合力作用點最低；單錨樁次之，雙錨樁最小、合力作用點最高?？梢姡黾訕俄斿^桿排數(shù)，合力作用點往上移。

圖5 不同抗滑樁樁身土壓力分布

表3 樁后最大壓力和最大合力作用點位置

圖6 3組試驗樁的結(jié)構(gòu)破壞照片F(xiàn)ig.6 Photos of structure failure in three tests

3.3 樁體內(nèi)力對比分析

圖6為3組試驗樁的結(jié)構(gòu)破壞特征照片，從圖6可見：普通樁樁頂與滑體脫空，因錨桿的拉力作用，單錨樁和雙錨樁在滑面以上與滑體緊密接觸，向坡外彎曲變形。3種樁在滑面以下均有脫空區(qū)，但普通樁范圍和距離最大、單錨樁次之、雙錨樁最小。

圖7為3組試驗樁的樁身彎矩對比。

圖7 3組試驗樁的樁身彎矩對比Fig.7 Comparison of bending moments of pile shafts among three tests

從圖7可知：

(1) 普通樁和雙錨樁均只有一個彎矩極值點，但普通樁位于滑面以下25 cm處，雙錨樁位于滑面以上25 cm處；而單錨樁具有2個極值點，一個在滑面以上25 cm處，一個在滑面以下15 cm處。說明隨著錨桿排數(shù)的增加，錨桿對彎矩的貢獻率增大，樁體彎矩極值點上移，受力分布更均勻。

(2) 普通樁穩(wěn)定性主要由嵌固段的嵌固作用和受荷段樁體抗力維持，屬懸臂式側(cè)向受荷樁，其彎矩分布與懸臂梁類似，樁頂為0，滑面附近處達最大值，受力極為集中。錨桿樁因錨桿拉力的作用，樁體受力結(jié)構(gòu)呈“S”曲線狀，整個樁體的彎矩和剪力減少，設(shè)計中樁體的埋深和截面尺寸都可適當減少。

3.4 樁身受力與樁體內(nèi)力對比分析

普通樁中，因嵌固段較深，滑面以下主要受樁前抗力及樁底抗力，滑面以上主要為滑坡推力，致使樁體內(nèi)力在滑面以下一定位置發(fā)生集中，即彎矩極值點；單錨樁中，樁體受力在滑面以上為滑坡推力及錨索拉力，致使樁體內(nèi)力滑面以上一定位置也發(fā)生了集中；雙錨樁中，因嵌固段較淺，滑面以下主要為樁底抗力，樁體內(nèi)力僅在滑面以上出現(xiàn)集中區(qū)，且整體分布均勻。可見，樁體受力的方式?jīng)Q定了樁體內(nèi)力的分布和集中區(qū)域，即決定了樁體的變形破壞位置和模式。

圖8 錨桿應(yīng)變對比Fig.8 Comparison of anchor strain

圖9 錨桿抗滑樁破壞情況對比Fig.9 Comparison of destruction conditions of anti-slide anchor piles

3.5 錨桿應(yīng)變對比分析

圖8為試驗中錨桿應(yīng)變的分布，圖9為模型開挖的典型剖面情況。從圖8、圖9可知：

(1) 單排錨桿在滑面內(nèi)外側(cè)附近各有一個應(yīng)變集中點，而雙排錨桿中只有上排錨桿在滑面內(nèi)側(cè)附近有一個集中點，且單排錨桿的最大應(yīng)變是雙排錨桿的3～4倍，說明單排錨桿的應(yīng)變集中程度更大，更易破壞，而雙排錨桿應(yīng)變更均勻。

(2) 從錨桿的開挖看，錨桿底端均有不同程度的滑移，其中單錨A，C，D樁對應(yīng)錨桿的滑移長度均為6 cm，B樁為5.5 cm；雙錨樁中A樁對應(yīng)錨桿滑移距離為3 cm，B樁和D樁錨桿均為1.5 cm，C樁錨桿為2 cm。這說明，對于土體中的錨桿，受力滑移是土層錨桿的一種破壞形式。

(3) 雙錨樁錨桿的應(yīng)變及滑移距離均小于單錨樁錨桿，且雙錨樁中的壓力和彎矩數(shù)據(jù)也小于單錨。說明雙錨的施加對滑體的移動產(chǎn)生了一個較大的主動約束和限制作用，導(dǎo)致其變形和受力減小。

3.6 破壞模式分析

通過3組試驗，可得出抗滑樁、錨桿及樁周土的破壞模式。

3.6.1 樁的破壞模式

普通樁和雙錨樁只有一個彎矩極值點，并在該處發(fā)生彎折破壞，只是普通樁在滑面以下，而雙錨樁在滑面以上。因樁體塑性破壞點只有一個，其破壞模式為塑性單鉸破壞(模式1)，見圖10(a)。

單錨樁因在滑面上下各有一個彎矩極值點，并在相應(yīng)位置發(fā)生彎折破壞，破壞點有2個，為塑性雙鉸破壞(模式2)，見圖10(b)。

圖10 樁的破壞模式Fig.10 Failure modes of piles

可見，樁體的破壞模式均為塑性鉸破壞，只因塑性破壞點個數(shù)不一樣，破壞模式不完全相同，分單鉸和雙鉸2種模式。

3.6.2 錨桿的破壞模式

錨桿的破壞有2種模式：一是在滑面內(nèi)外側(cè)附近均出現(xiàn)彎剪變形，二是在錨桿軸向拉力作用下，錨桿底端與土體滑移脫空，說明錨桿既有彎剪變形也有軸向滑移變形，為彎剪-滑移破壞模式。

3.6.3 樁周土的破壞模式

因樁的剛度遠大于土體強度，在滑坡推力作用下，樁周土體被擠壓并最終出現(xiàn)土拱塑性破壞，即樁周土的破壞模式為土拱隆起塑性破壞。

4 結(jié) 論

根據(jù)3組模型試驗對比研究，可得到錨桿抗滑樁加固黃土滑坡的受力機制及破壞模式，所得結(jié)論特別適用于黃土地區(qū)滑床為土層的滑坡，主要有以下幾點：

(1) 普通樁位移突變不連續(xù)，錨桿樁位移平順連續(xù)，錨桿樁受力結(jié)構(gòu)呈“S”曲線狀，土體抗力及樁身彎矩分布更均勻。

(2) 錨桿排數(shù)增加，合力作用點上移，錨桿對彎矩的貢獻率增大，受力更均勻，不僅可增大抗滑力，還可減小樁的埋深。

(3) 單排錨桿具有2個應(yīng)變集中點，應(yīng)力值大，集中程度大；而雙排錨桿僅上排具有一個集中點，且應(yīng)力較小，分布較均勻。

(4) 普通樁的破壞模式主要為塑性單鉸破壞，錨桿樁為塑性單鉸(或雙鉸)破壞，錨桿為彎剪-滑移破壞，樁周土為土拱隆起破壞。

(5) 黃土滑坡防治中，普通樁和雙錨樁均只有一個塑性破壞點，而單錨樁具有2個，建議加強樁體易發(fā)生塑性破壞位置的配筋強度。

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(編輯：羅 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

中國地質(zhì)調(diào)查局二級項目(DD20160278)；中國地質(zhì)調(diào)查局工作項目(1212011220171，1212010914021)

張 濤(1985-)，男，湖南耒陽人，工程師，碩士，主要從事地質(zhì)工程及地質(zhì)災(zāi)害等方面的研究工作，(電話)17716156286(電子信箱)zhangtao0877@163.com。

10.11988/ckyyb.20160364

2017,34(7):70-76

TU473;TU45

A

1001-5485(2017)07-0070-07