巖土邊坡格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿模型試驗(yàn)研究

摘 要：格構(gòu)梁和預(yù)應(yīng)力錨桿可用于增強(qiáng)黃土邊坡的穩(wěn)定性并防止其崩塌。文章研究設(shè)計(jì)了具有加固機(jī)制的格構(gòu)梁和預(yù)應(yīng)力錨桿（LBPAR），并在黃土地區(qū)巖土邊坡的圓形滑移面上進(jìn)行模型試驗(yàn)。通過(guò)格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿分析了黃土斜坡與格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿之間的相互作用，采用設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛嘶⌒位瑒?dòng)面滑床滑動(dòng)質(zhì)量的穩(wěn)定性，通過(guò)大型物理模型試驗(yàn)探討了格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿中格構(gòu)梁的內(nèi)力分布情況。結(jié)果表明：格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效加固滑坡體，提高黃土地區(qū)邊坡的整體穩(wěn)定性；隨著豎向荷載的作用，主錨桿的軸向拉應(yīng)力不斷增大，錨桿的彎曲區(qū)域集中在滑動(dòng)表面2 m以?xún)?nèi)，最大彎矩達(dá)到70 N·m；滑動(dòng)體同時(shí)受到豎向荷載壓力、格構(gòu)梁壓力和自重的作用，最大土壓力值在格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)附近。實(shí)踐證明，該方法在黃土地區(qū)巖土邊坡的滑坡工程設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：巖土邊坡；格構(gòu)梁；預(yù)應(yīng)力錨桿；室內(nèi)模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1+4

0"引言

黃土是一種松散的沉積物，自第四紀(jì)以來(lái)在干旱氣候條件下通過(guò)風(fēng)化沉積形成。黃土由固相、液相和氣相組成，形成滑動(dòng)床，我國(guó)是世界上黃土分布最廣的國(guó)家之一。黃土總面積近63.1×104 km2，占我國(guó)陸地面積的近6%。沉積后形成的黃土土層被雨水侵蝕，形成了千溝萬(wàn)壑的現(xiàn)狀［1］。且黃土滑坡、流動(dòng)滑坡和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害影響著人們的生活和生計(jì)，崩塌、邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害受制于人類(lèi)對(duì)坡腳的干預(yù)［2］。因此，公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)和城區(qū)等建筑不可避免地受到黃土滑坡危害的威脅，且需要新的工藝進(jìn)一步有效提高黃土地區(qū)巖土邊坡的抗滑性能。

格構(gòu)錨固技術(shù)是一種輕型柔性場(chǎng)地結(jié)構(gòu)，可便捷地與其他防滑坡結(jié)構(gòu)相結(jié)合，適用于高陡滑坡的安全防護(hù)，并可與各種形式的柔性植被保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合。任祥等［3］提出了一種格構(gòu)錨固技術(shù)穩(wěn)定斜坡的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了一種物理模型試驗(yàn)，利用光纖監(jiān)測(cè)研究加固模型斜坡的演變過(guò)程，以提高樁在填土中的拉拔能力，進(jìn)而有助于控制邊坡填土沿界面的拉伸變形。而上述邊坡加固方法仍易使黃土邊坡產(chǎn)生位移［4］。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿的試驗(yàn)研究和機(jī)理研究，且螺栓直徑、間距和力學(xué)性能等因素影響著圓形滑面黃土滑坡的加固效果［5］。同時(shí)，還需要研究滑體、滑床、預(yù)應(yīng)力錨桿和格構(gòu)梁之間土體和錨桿的相互作用。

基于此，本研究提出了一種利用格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿分析黃土地區(qū)滑坡穩(wěn)定性及其加固機(jī)理的方法。設(shè)計(jì)一個(gè)具有弧形滑動(dòng)面的黃土小型真實(shí)滑坡模型，建立一個(gè)加筋結(jié)構(gòu)模型，以加強(qiáng)滑床上的滑動(dòng)體，根據(jù)格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿的荷載壓力特性，研究弧形滑動(dòng)面滑床滑動(dòng)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1"試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

1.1"格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿模型

本研究主要關(guān)注采用格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)黃土邊坡進(jìn)行加固的機(jī)理。如圖1所示，格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿由格構(gòu)梁和預(yù)應(yīng)力錨桿兩部分組成?；瑒?dòng)體通過(guò)支撐系統(tǒng)固定在滑床上，預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固部分錨固在滑床上，可防止滑動(dòng)體沿滑動(dòng)表面向下滑動(dòng)［6］?；瑒?dòng)體在格構(gòu)梁壓力產(chǎn)生的預(yù)緊荷載作用下被壓實(shí)，格構(gòu)梁通過(guò)錨桿將滑動(dòng)體固定在滑床上。在試驗(yàn)?zāi)M研究中，假定滑動(dòng)材料是均勻的，不考慮地下水和地表水的滲流［7］，只考慮了滑動(dòng)體的總變形和靜載荷下土壤的破壞，固定格構(gòu)梁被假定為相對(duì)于土壤的剛性部件，滑動(dòng)床在整個(gè)研究過(guò)程中被認(rèn)為是穩(wěn)定的。

1.2"室內(nèi)模型箱設(shè)計(jì)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)全尺寸黃土滑坡模型試驗(yàn)箱，以研究具有弧形滑動(dòng)面的格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿的加固機(jī)制。試驗(yàn)箱長(zhǎng)10.0 m、高7.5 m、寬6.6 m。模型箱內(nèi)壁貼有塑料板，以減少邊緣效應(yīng)并保持濕度恒定［8］。黃土斜坡模型的橫截面為直角梯形。試驗(yàn)中使用的黃土來(lái)自西安南郊的一個(gè)建筑工地。模型的頂部和底部長(zhǎng)度分別為6.5 m和9.25 m。斜坡與水平面成60°角。在滑動(dòng)塊和滑床之間設(shè)計(jì)了一個(gè)弧形滑動(dòng)面，拱形半徑為6.855 m，拱弦與水平面的夾角為43°?；瑒?dòng)塊通過(guò)預(yù)設(shè)的弧形滑動(dòng)面與滑床接觸，滑動(dòng)塊頂部的寬度為2.815 m。在試驗(yàn)過(guò)程中，首先用黃土逐層壓實(shí)模型的滑動(dòng)床。在壓實(shí)過(guò)程中，模型土的壓縮系數(shù)選為1.2。壓實(shí)土壤的實(shí)際重量和含水率分別為20.7 kN/m3和15%?；⌒位瑒?dòng)面由雙層塑料板組成，作為滑動(dòng)體和滑動(dòng)床之間的接觸邊界材料，具有良好的滑動(dòng)性能［9］。

同時(shí)，黃土邊坡滑動(dòng)體中還填充了人工分層夯實(shí)的黃土，并在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪惭b了土壓力傳感器、位移傳感器、應(yīng)力計(jì)和應(yīng)變計(jì)傳感器。如圖2所示，沿著預(yù)應(yīng)力錨桿安裝了帶箔電阻的應(yīng)變片，四個(gè)應(yīng)變片分別布置在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)截面的上、下、前、后四個(gè)方向。錨桿通常配有應(yīng)變片，用于測(cè)量試驗(yàn)中錨固段和自由段的應(yīng)變［10］。在滑動(dòng)面附近50 cm范圍內(nèi)，錨固部分和自由部分的應(yīng)變片之間的距離為20 cm，其余自由部分的應(yīng)變片之間的距離為80 cm。使用TST3826靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試和分析系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變片和位移傳感器的應(yīng)變測(cè)試。應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)由XL-DSY01六線(xiàn)智能讀數(shù)系統(tǒng)采集，土壓力傳感器的數(shù)據(jù)由XHY-ZH1 讀數(shù)儀采集。

2"結(jié)果與討論

2.1"滑動(dòng)體的變形

隨著垂直荷載的增加，滑動(dòng)體的位移持續(xù)變化。圖3為滑動(dòng)體位移曲線(xiàn)，通過(guò)在滑動(dòng)體頂部和斜坡底部的位移測(cè)量點(diǎn)采集數(shù)據(jù)得到，預(yù)應(yīng)力錨桿將滑塊固定在格構(gòu)梁和滑床之間。在該試驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)載荷為6 kPa時(shí)，坡頂會(huì)出現(xiàn)小的位移，而坡底則沒(méi)有位移。當(dāng)荷載達(dá)到12 kPa時(shí)，坡底剪切口的位置發(fā)生變化，滑體開(kāi)始滑移。隨著荷載逐漸增大，錨桿中間自由段的應(yīng)力逐漸增大，格構(gòu)梁連接處的應(yīng)變值和連接處中間跨度的應(yīng)變值也隨之增大。當(dāng)荷載的最終應(yīng)力達(dá)到42 kPa時(shí)，坡頂?shù)淖罱K位移達(dá)到66 mm，坡底的位移達(dá)到72 mm，且滑動(dòng)體在荷載作用下沿著圓形滑坡體滑動(dòng)。預(yù)應(yīng)力錨桿通過(guò)格構(gòu)梁對(duì)滑動(dòng)體施加壓應(yīng)力，并增加滑動(dòng)面上的摩擦力。同時(shí)，由于滑動(dòng)體在滑動(dòng)面位置發(fā)生位移，錨桿發(fā)生部分彎曲。坡腳和坡頂?shù)奈灰迫鐖D3所示。當(dāng)垂直荷載應(yīng)力為42 N/mm2時(shí)，坡腳的位移達(dá)到72 mm。

2.2"錨桿軸向力變化

圖4為中間垂直布置的錨桿在荷載作用下從滑塊頂部到底部的軸向力變化曲線(xiàn)。由圖4可知，隨著垂直荷載的施加，主錨桿的軸向拉應(yīng)力不斷增加，且從下到上，第一排的軸向力與其他各排明顯不同。第一排靠近剪切出口，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，第一排錨桿的預(yù)應(yīng)力隨著垂直荷載的增加而不斷減小。土體受到預(yù)應(yīng)力作用，格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)滑動(dòng)體進(jìn)行壓縮。當(dāng)預(yù)應(yīng)力荷載為5 N/mm2時(shí)，錨桿的應(yīng)力為32.5 MPa；當(dāng)預(yù)應(yīng)力荷載為10 N/mm2時(shí)，錨桿的應(yīng)力為65 MPa。從第2排到第4排，錨桿的受力不斷增加。第一排和第五排不同，在加載過(guò)程中，第一排錨桿預(yù)應(yīng)力的軸向會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力松弛。在滑動(dòng)體的整體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，位置變化導(dǎo)致第五排錨桿的壓縮土移動(dòng)，造成部分應(yīng)力損失。

2.3"錨桿軸向拉伸應(yīng)力與彎矩變化

下頁(yè)圖5為錨桿隨荷載變化的軸向拉伸應(yīng)力曲線(xiàn)。由圖5明顯可知，以滑動(dòng)面為邊界，錨固段和自由段之間的應(yīng)力值變化很大。錨固區(qū)最大應(yīng)力為140 N/mm2，平均應(yīng)力為60 N/mm2。此時(shí)，整個(gè)邊坡滑動(dòng)體的土壤受到垂直和側(cè)向的擠壓，部分土壤在與滑動(dòng)床、錨桿和格構(gòu)梁接觸時(shí)，逐漸處于剪切破壞狀態(tài)。由于滑動(dòng)體和滑動(dòng)床的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸向拉伸預(yù)應(yīng)力錨桿受到局部的絕對(duì)力的影響，導(dǎo)致滑動(dòng)體的位移和變形增加，且可觀察到自由區(qū)的錨桿軸向拉伸應(yīng)力數(shù)值較大，最大應(yīng)力為143 N/mm2，最小應(yīng)力為16 N/mm2。下頁(yè)圖6為預(yù)應(yīng)力錨桿彎矩變化情況。分析圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了加載過(guò)程中不同位置的彎矩分布規(guī)律，錨桿在滑動(dòng)面兩側(cè)彎曲。錨桿的彎曲區(qū)域集中在距離滑動(dòng)面2 m的范圍內(nèi)，最大彎矩達(dá)到70 N·m。在應(yīng)變計(jì)位置為3.3 m時(shí)，出現(xiàn)最小彎矩為-52.2 N·m。顯然，錨桿在錨固段的軸向應(yīng)變很小，自由段的應(yīng)力隨滑動(dòng)體的整體運(yùn)動(dòng)而變化。在軸向力的作用下，錨桿受到與其粘結(jié)的水泥砂漿體的阻力影響，與其粘結(jié)的水泥砂漿體受到滑動(dòng)床土體阻力的影響，起到錨固作用。錨固段的水泥砂漿外表面與滑動(dòng)層接觸，錨桿的軸向力通過(guò)砂漿傳遞給滑動(dòng)層。

2.4"討論

格構(gòu)梁可以保護(hù)滑動(dòng)體，防止滑動(dòng)體沿滑動(dòng)面下滑。在外加荷載的過(guò)程中，試驗(yàn)研究了邊坡的變形、格構(gòu)梁的裂縫分布以及每根錨桿的拉力特征。試驗(yàn)研究表明，滑動(dòng)體呈向下滑動(dòng)趨勢(shì)，錨桿和格構(gòu)梁共同加強(qiáng)了滑動(dòng)體的穩(wěn)定性，且在滑坡部分的垂直荷載作用下，被壓滑坡對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了抵消。在實(shí)際的加固工程中，滑動(dòng)體的折疊性和松弛性是由結(jié)構(gòu)梁在壓實(shí)后局部壓縮滑動(dòng)體所引起的，黃土的特征受環(huán)境的影響。此外，錨固力也因壓縮土的變形而受到破壞。然而，在荷載作用下，滑動(dòng)體的垂直力抵消了預(yù)應(yīng)力的損失，在滑坡推力或滑坡垂直荷載作用下，部分應(yīng)力被壓縮滑塊抵消。在實(shí)際工程中，黃土邊坡的特性受黃土的區(qū)域特性、環(huán)境條件和加固方法的影響，對(duì)于失去預(yù)應(yīng)力的錨桿來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力會(huì)因壓縮土的變形而消失。然而，在外部荷載的作用下，滑動(dòng)體的垂直力將抵消預(yù)應(yīng)力的損失。在設(shè)計(jì)時(shí)，可取消剪力出口附近的錨桿，以便為最底層錨桿留出足夠的空間。最底層的錨桿應(yīng)與剪力口之間留出足夠的空間。滑動(dòng)體在滑動(dòng)過(guò)程中受到垂直荷載、格構(gòu)梁壓力和自重的作用，最大土壓力值位于格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)附近，梁離地面越近，垂直底部格構(gòu)梁的土壓力越大。在試驗(yàn)過(guò)程中，各組均未出現(xiàn)明顯的滑坡失穩(wěn)跡象，錨桿的最大拉力與錨桿的極限承載力相差甚遠(yuǎn)，而格構(gòu)梁接縫和跨中出現(xiàn)多條裂縫，表明錨桿的破壞結(jié)構(gòu)已達(dá)到承載力極限狀態(tài)。

3"結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)錨桿的加固機(jī)理、加固邏輯和加固理論進(jìn)行了修正，并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)所提出的加固機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)黃土邊坡的力學(xué)特性進(jìn)行了加固試驗(yàn)研究。討論內(nèi)容包括滑動(dòng)體的變形特性、錨桿的應(yīng)力分布以及整個(gè)加載過(guò)程中的系統(tǒng)分析。從中推斷出的主要結(jié)論總結(jié)如下。

（1）格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效加固滑坡體，提高黃土邊坡的整體穩(wěn)定性。滑動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)滑移直接與錨固力相關(guān)。隨著豎向荷載均布豎向荷載的增加，土體力學(xué)性質(zhì)中滑動(dòng)體的變形導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。當(dāng)最終載荷值達(dá)到42 kPa時(shí)，坡頂?shù)淖罱K位移達(dá)到66 mm，坡腳的位移達(dá)到72 mm。

（2）格構(gòu)梁-預(yù)應(yīng)力錨桿是一種柔性黃土斜坡支撐系統(tǒng)，在滑動(dòng)面兩側(cè)設(shè)有彎曲的錨桿，錨桿通過(guò)格構(gòu)梁對(duì)滑動(dòng)體施加壓應(yīng)力。隨著荷載的增加，主錨桿的軸向拉應(yīng)力不斷增加，錨桿的彎曲區(qū)域集中在滑動(dòng)面2 m范圍內(nèi)。最大彎矩達(dá)到70 N·m。

（3）滑動(dòng)體同時(shí)受到垂直荷載壓力、格構(gòu)梁壓力和自重的作用，最大土壓力值出現(xiàn)在格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)附近，而且梁離地面越近，垂直底部格構(gòu)梁的底土壓力就越大。雖然黃土斜坡不同部位的土質(zhì)相同，但其力學(xué)特性卻不同。

參考文獻(xiàn)：

［1］葛長(zhǎng)山，韓"雷，陸"正，等.巖土混合邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)數(shù)值模擬：以深圳金園路邊坡為例［J］.地質(zhì)學(xué)刊，2023，47（1）：106-112.

［2］韓冬冬，門(mén)玉明，王"鵬.格構(gòu)梁剛度及間距對(duì)錨桿格構(gòu)梁受力影響的模型試驗(yàn)［J］.工業(yè)建筑，2021，51（3）：136-141.

［3］任"祥，汪班橋，李"楠.地震作用下錨固滑坡的動(dòng)力響應(yīng)特性研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，51（5）：676-681.

［4］戚玉亮，王光譜.錨桿格構(gòu)梁+土釘植草+鋼管樁擋墻的組合支護(hù)方法在某半巖半土高邊坡加固中的應(yīng)用研究［J］.廣州建筑，2017，45（5）：15-18.

［5］董建華，張"媛，朱彥鵬，等.框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡錨固結(jié)構(gòu)的隨機(jī)地震反應(yīng)及動(dòng)力可靠度分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（10）：26-33.

［6］周"勇，朱彥鵬.框架預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)坡面水平位移的理論分析與模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，29（S2）：3 820-3 829.

［7］董建華，吳曉磊，師利君，等.季節(jié)凍土區(qū)框架錨桿支護(hù)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2023，36（5）：75-87.

［8］王江榮，劉"碩，蒲曉妮，等.地震工況下蘭州南繞城高速公路路塹高邊坡格構(gòu)支護(hù)效果評(píng)價(jià)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2020，47（10）：53-60.

［9］梅"嶺，田"璐，顧偉偉.考慮膨脹力的錨桿格構(gòu)梁支護(hù)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，32（2）：298-303.

［10］范"剛，張建經(jīng)，付"曉，等.雙排樁加預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡錨索軸力地震響應(yīng)特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（6）：1 095-1 103.20240318