姚愛(ài)軍，史高平，梅 超

(北京工業(yè)大學(xué) 巖土與地下工程研究所，北京 100124)

1 引 言

地震是邊坡及其抗滑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的誘發(fā)因素，地震作用下邊坡及其抗滑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是巖土工程中十分關(guān)心的問(wèn)題之一。我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，處在兩大強(qiáng)地震帶上，各類(lèi)建筑工程的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，以往的強(qiáng)烈地震在山區(qū)丘陵地區(qū)的城鎮(zhèn)居住區(qū)、道路、水工構(gòu)筑物等區(qū)域產(chǎn)生了大量崩塌、滑坡等次生災(zāi)害，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失[1]?？够瑯妒沁吰录庸讨卫碇谐Ｓ玫募夹g(shù)措施，土巖復(fù)合邊坡是工程建設(shè)中最常見(jiàn)的邊坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。經(jīng)災(zāi)區(qū)調(diào)查情況可知，抗滑樁加固措施對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有良好效果。加強(qiáng)邊坡及其抗滑樁地震反應(yīng)研究，揭示抗滑樁內(nèi)力變化規(guī)律，探索抗滑樁抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施具有重要的工程意義[2]。

對(duì)抗滑樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的主要方法有模型試驗(yàn)和數(shù)值分析。數(shù)值分析方法簡(jiǎn)單、方便且投資少，但其精度主要依賴(lài)于樁-土相互作用參數(shù)、土體特性等參數(shù)的正確選取[3]。模型試驗(yàn)根據(jù)需要具體工程設(shè)定，控制邊界條件、樁土材料特性，信息量大，可信度高，還可以對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證分析，但模型試驗(yàn)也有自身的局限性，需要與其他研究手段相結(jié)合，以準(zhǔn)確地分析抗滑樁應(yīng)力-應(yīng)變特性及變形過(guò)程[4－5]。在土巖復(fù)合邊坡的動(dòng)力響應(yīng)方面，特別是針對(duì)土巖復(fù)合邊坡類(lèi)型和抗滑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的研究較少，進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的報(bào)道就更少[6－8]。本文對(duì)土巖復(fù)合邊坡及其抗滑樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震模型試驗(yàn)，揭示邊坡及抗滑樁地震響應(yīng)規(guī)律。

2 工程概況

試驗(yàn)工程為四川省綿陽(yáng)市涪江之畔科學(xué)城的某小區(qū) 1～6號(hào)樓西南側(cè)邊坡，邊坡長(zhǎng) 170 m，高約13 m，屬典型的淺丘斜坡地段。據(jù)勘察資料及巖土工程勘察報(bào)告，選具有代表性的剖面進(jìn)行研究，選取的斷面包括3層土：層①素填土（Q4 ml），層②黏土（Q3 bl），層③粉砂質(zhì)泥巖（K1C）。巖土工程參數(shù)，素填土：γ=18.5 kN/m3，c=9.8 kPa，φ= 12.4°，黏土：重度γ= 19.6 kN/m3，黏聚力c = 39.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ= 12.6°；粉砂質(zhì)泥巖：γ= 24.6 kN/m3，c = 88.4 kPa，φ= 30.2°。工程地質(zhì)剖面圖如1所示，試驗(yàn)過(guò)程中將邊坡模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體尺寸示意圖如圖2所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖(單位：m)Fig.1 Engineering geological profile(unit: m)

圖2 邊坡和加速度計(jì)示意圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of slope and accelerometer(unit:mm)

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c條件

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的大型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸3 m×3 m，最大承載重為10 t，最大加速度為1 g。本試驗(yàn)選取20 m長(zhǎng)邊坡進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)比例尺（1/n）為1/20。試驗(yàn)邊坡模型高 0.685 m，長(zhǎng) 1 m。抗滑樁截面尺寸為75 mm×100 mm，高57 cm。裝載邊坡的模型箱選用自行設(shè)計(jì)長(zhǎng)×寬×高為2 m×1 m×1 m的有機(jī)玻璃模型箱，可以減少巖土體與箱壁的摩擦，在試驗(yàn)過(guò)程中也便于觀(guān)察巖土體內(nèi)部變化。在模型箱內(nèi)壁涂以潤(rùn)滑劑，并在底部鋪設(shè)1 cm厚的泡沫，以減少反射波的影響，將邊界影響降到最低。

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽?/h3>

試驗(yàn)用邊坡模型根據(jù)相似定律進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)相似理論可知，模型的幾何相似是現(xiàn)象相似的先決條件，因而在模型設(shè)計(jì)中把幾何相似關(guān)系作為基本條件。試驗(yàn)中所取的相似比是，模型︰原型=1︰20，根據(jù)模型試驗(yàn)相似理論原理，計(jì)算得出邊坡模型材料的參數(shù)為，素填土：密度ρ= 1.89 g/cm3，c = 0.49 kPa，φ= 12.4°；黏土：ρ= 2 g/cm3，c = 1.96 kPa，φ= 12.6°；粉砂質(zhì)泥巖：ρ= 2.51 g/cm3，c = 4.42 kPa，φ= 30.2°。結(jié)合多組直剪試驗(yàn)，并通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定邊坡材料的配比（均為體積比）為①底層粉砂質(zhì)泥巖：細(xì)沙︰水泥粉︰水=15︰1︰4，②中層黏土：粉土︰膨潤(rùn)土︰水=15︰2︰1，③頂層素填土：直接選用粉土。

對(duì)于混凝土抗滑樁的模擬，若按與原型同樣強(qiáng)度的水泥砂漿制作，實(shí)際制作往往很困難，對(duì)于承受以水平荷載為主的抗滑樁，應(yīng)按樁身橫向抗壓剛度相似要求選用模型樁。如果直接使用鋼筋混凝土來(lái)制作模型樁的話(huà)，對(duì)樁截面尺寸為1.5 m×2 m的混凝土抗滑樁，設(shè)計(jì)的模型樁樁寬度只有不到 10 cm，制作將非常困難，所以需采用其他相似材料來(lái)制作混凝土抗滑樁的模型。

本試驗(yàn)為定性分析實(shí)驗(yàn)，且為了易于分析抗滑樁的內(nèi)力變化，選取松木為抗滑樁材料，底部嵌固于粉砂質(zhì)泥巖層，以模擬嵌巖懸臂抗滑樁，見(jiàn)圖3。

3.3 傳感器的布設(shè)

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面布置1個(gè)加速度計(jì)，記錄輸入到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的地震波加速度時(shí)程，邊坡坡體內(nèi)共埋設(shè)了9個(gè)微型加速度計(jì)，記錄邊坡內(nèi)部不同位置的地震響應(yīng)過(guò)程，邊坡模型的幾何尺寸及加速度計(jì)位置見(jiàn)圖2。

圖3 嵌巖懸臂抗滑樁Fig.3 Embedded in the rock cantilevered sliding piles

試驗(yàn)采用單排抗滑樁加固邊坡頂部，樁間距為4倍的樁寬，即300 mm，在中間的1根抗滑樁的樁身外側(cè)粘貼6對(duì)應(yīng)變計(jì)，左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，圖4為應(yīng)變?cè)诳够瑯渡系牟贾梦恢茫⊿1～S6為應(yīng)變計(jì)編號(hào)）。應(yīng)變計(jì)測(cè)定了抗滑樁不同位置（S1～S6）的軸向應(yīng)變時(shí)程。

圖4 抗滑樁應(yīng)變計(jì)布置（單位：mm）Fig.4 Arrangement of strain gauge of pile(unit: mm)

3.4 地震波的選用

為了系統(tǒng)地研究嵌巖懸臂抗滑樁的抗震性能，選擇汶川地震重華鎮(zhèn)波(51 JYC)東西方向的地震記錄作為地震輸入。地震發(fā)生于四川省重華鎮(zhèn)，北緯31.956°，東經(jīng) 103.400104.985°，地震發(fā)生時(shí)間是2008年 5月 12日 14︰28︰04，地震記錄持續(xù)250 s，最大加速度峰值為0.281 g。圖5為其加速度時(shí)程曲線(xiàn)。

圖5 重華鎮(zhèn)地震波Fig.5 Earthquake motion of Chonghua town

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)共有2組，受振動(dòng)臺(tái)性能限制，本試驗(yàn)選取最大加速度峰值附近20 s作為試驗(yàn)用波。第一組試驗(yàn)過(guò)程中，將原波壓縮和放大，分別將加速度最大峰值控制在0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g，依次在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入，觀(guān)察不同加速度峰值邊坡的破壞，分析邊坡內(nèi)部加速度和樁身應(yīng)變的地震響應(yīng)規(guī)律。第二組試驗(yàn)將抗滑樁取出，留下自然邊坡，再按照第一組試驗(yàn)地震波的輸入順序輸入地震波，觀(guān)察自然邊坡的破壞形態(tài)，和第一組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。

4.1 邊坡表觀(guān)變化

第一組抗滑樁加固邊坡模型依次輸入地震波的過(guò)程中，輸入加速度峰值0.1 g的地震波后，邊坡基本無(wú)變化；輸入加速度峰值0.2 g的地震波后，邊坡兩側(cè)斜坡部分對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)細(xì)微裂縫；輸入加速度峰值0.3 g的地震波后，兩側(cè)裂縫增多加長(zhǎng)，坡體頂面出現(xiàn)零散細(xì)微裂縫，少量土體下滑；輸入加速度峰值0.4 g的地震波后，坡體頂部零散裂縫貫通在一起，并與兩側(cè)裂縫連接，最大縫寬 5 mm。坡體有滑移趨勢(shì)，滑落土體增多，坡頂沉降明顯，抗滑樁防護(hù)范圍內(nèi)的邊坡上部相對(duì)于兩邊壁土體略有凸起，表明了抗滑樁的局部加固效果。第二組自然邊坡模型輸入加速度峰值0.1 g的地震波后，即出現(xiàn)明顯裂縫，土體滑落，隨著地震波峰值增大，裂縫增多加長(zhǎng)加寬，土體滑落明顯，邊坡滑移，最終邊坡破壞，見(jiàn)圖6。

圖6 自然邊坡破壞形態(tài)Fig.6 Failure pattern of natural slope

通過(guò)兩組試驗(yàn)對(duì)比，懸臂抗滑樁加固后的邊坡在地震作用下的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自然邊坡，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于自然邊坡，說(shuō)明懸臂抗滑樁起到了良好的邊坡加固效果。

4.2 加速度地震響應(yīng)分析

邊坡土體內(nèi)部放置的加速度傳感器測(cè)定了不同位置的地震響應(yīng)曲線(xiàn)，圖7為典型部位的加速度計(jì)量測(cè)的時(shí)程曲線(xiàn)，圖中A1～A9為加速設(shè)計(jì)。

圖7 邊坡不同部位的地震響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.7 Response curves of acceleration history in the slope

分別對(duì)比加速度計(jì)A1、A4、A7、A9的加速度峰值，A2、A5、A8的加速度峰值和A3、A6的加速度峰值，得到A1、A4、A7、A9所測(cè)量的加速度峰值依次增大，如圖8中A1、A4、A7、A9的加速度峰值比較所示。A2、A5、A8三個(gè)加速度計(jì)所測(cè)量的加速度峰值依次增大，A3、A6兩個(gè)加速度計(jì)所測(cè)量的加速度峰值依次增大，相同的規(guī)律說(shuō)明，邊坡在地震過(guò)程中不管是水平部分還是斜坡部分的加速度反應(yīng)都隨著高程的增加出現(xiàn)放大效果，邊坡頂部的加速度峰值最大。

圖8 加速度峰值比較圖Fig.8 Comparison of peak accelerations

在懸臂抗滑樁附近的A2、A5、A8和A3、A6的放大效應(yīng)沒(méi)有A1、A4、A7、A9明顯，說(shuō)明懸臂抗滑樁附近的地震反應(yīng)受到抑制，這是因?yàn)閼冶劭够瑯兜募庸绦?yīng)和樁間土體成拱作用，使附近土體的動(dòng)力響應(yīng)受到限制，使得該位置的加速度幅值相對(duì)較小。對(duì)比A2、A3和A5、A6的加速度峰值，得到A3、A6的加速度峰值分別略小于A2、A5的加速度峰值，說(shuō)明樁前土體的地震響應(yīng)略小于樁后土體，懸臂抗滑樁對(duì)斜坡地震響應(yīng)有減弱作用。對(duì)加速度的分析表明，采取懸臂抗滑加固可以限制邊坡的動(dòng)力響應(yīng)，減弱起控制作用的斜坡地震反應(yīng)。

4.3 樁身應(yīng)變地震響應(yīng)分析

應(yīng)變計(jì)測(cè)定了抗滑樁不同位置（S1～S6）的軸向應(yīng)變時(shí)程，該時(shí)程可以反映出懸臂抗滑樁不同位置的彎矩時(shí)程，得出懸臂抗滑樁樁身彎矩變化規(guī)律。圖9為懸臂抗滑樁壓應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)。式（1）表示出應(yīng)變和彎矩的關(guān)系，由于彎矩的變化規(guī)律和壓應(yīng)變的變化規(guī)律相一致，所以，壓應(yīng)變的變化曲線(xiàn)可反映樁身彎矩的變化。

式中：εs、εc為樁身截面平均拉、壓應(yīng)變；h為樁身截面高度；ρ為樁身截面平均曲率半徑；E為樁身材料彈性模量，松木取10 GPa；I為樁身截面慣性矩；M為樁身截面彎矩。

圖9 抗滑樁應(yīng)變時(shí)程變化Fig.9 Strain history of pile

圖9中曲線(xiàn)不考慮震前樁身的靜力應(yīng)變，只表現(xiàn)出了抗滑樁震前和震后的動(dòng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變?？够瑯兜撞康?S1、S2位置的應(yīng)變很小，幾乎不產(chǎn)生彎矩，這是因?yàn)?S1、S2嵌固于粉砂質(zhì)泥巖層內(nèi)，幾乎相當(dāng)于懸臂梁的固定端，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，S3應(yīng)變突然變大，且應(yīng)變最大，說(shuō)明S3位置彎矩最大，S3位于滑坡帶以上，抗滑樁上半部分受到了由于地震產(chǎn)生的滑坡土體的推力，使抗滑樁 S3位置以上受彎。S3、S4、S5、S6應(yīng)變依次減小，說(shuō)明樁身彎矩依次變小，這是因?yàn)殡S樁身高度增加，所受的滑坡土體推力減弱，彎矩變化規(guī)律類(lèi)似于懸臂梁的懸臂部分受到不均勻荷載產(chǎn)生的彎矩變化。震后懸臂抗滑樁樁身應(yīng)變隨高度的變化規(guī)律如圖 10所示。

圖10 抗滑樁應(yīng)變示意圖Fig.10 Sketch of strain of pile

5 結(jié) 論

（1）地震作用下自然邊坡模型破壞嚴(yán)重，而懸臂抗滑樁加固邊坡模型未出現(xiàn)明顯破壞，邊坡穩(wěn)定性良好，懸臂抗滑樁起到一定的邊坡加固效果。

（2）地震過(guò)程中邊坡內(nèi)部地震加速度自下而上逐漸放大，邊坡頂部放大效果達(dá)到最大；懸臂抗滑樁的加固效應(yīng)和樁間土體成拱作用使附近土體的動(dòng)力響應(yīng)受到限制。

（3）懸臂抗滑樁的嵌固端與懸臂部分分界面隨著地震波的輸入應(yīng)變急劇增大，懸臂部分隨著高度增加應(yīng)變減小，反映了懸臂抗滑樁彎矩的“凸”形分布規(guī)律。

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