林麗萍， 朱興帥， 賀建清

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭411101； 2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

在滑坡治理中，抗滑樁依靠樁周土對樁的嵌固作用將滑坡推力傳遞至下部穩(wěn)定的地層中，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用平衡滑坡推力，以保證滑坡的整體穩(wěn)定。 在抗滑樁設(shè)計(jì)中，主要選用矩形和圓形兩種形式，很少考慮其他截面形式的抗滑樁［1］。 然而，不同截面形狀的抗滑樁有著不同的抗彎剛度，因此，對非典型截面抗滑樁的承載特性展開試驗(yàn)研究，可為抗滑樁截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對抗滑樁截面形式的設(shè)計(jì)提供參考，對滑坡治理具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

目前，國內(nèi)外大多學(xué)者對抗滑樁的研究主要圍繞樁身應(yīng)力分布特征以及樁-土相互作用面力學(xué)性狀展開［1-6］。 在不同截面形狀抗滑樁的承載特性研究方面［7-10］也進(jìn)行了諸多研究。 但鑒于已有研究鮮有涉及非典型截面抗滑樁承載性狀的研究，本文模擬抗滑樁在邊坡工程當(dāng)中的實(shí)際工作狀態(tài)，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過改變抗滑樁截面形狀，對樁身應(yīng)變和樁后土體應(yīng)力進(jìn)行分析，對比研究圓形樁、矩形樁及T 形截面抗滑樁的承載特性。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

利用自制的土工模型箱，對單排抗滑樁加固滑坡的過程進(jìn)行模型試驗(yàn)。 在各抗滑樁截面面積和樁間距相同的情況下，對比研究不同截面形式單排抗滑樁加固邊坡的演化過程，觀測試驗(yàn)過程中模型樁的應(yīng)變及滑坡體不同部位的土壓力變化，分析不同截面形狀抗滑樁和滑坡體的受力變形特征。

1.2 模型試驗(yàn)尺寸設(shè)計(jì)

依據(jù)相似比理論，室內(nèi)模型試驗(yàn)應(yīng)以一定的相似關(guān)系來制作縮比模型進(jìn)行相應(yīng)的抗滑樁試驗(yàn)。 由于試驗(yàn)設(shè)備承載能力及試驗(yàn)環(huán)境因素的限制，很難滿足全部相似判據(jù)，受試驗(yàn)條件限制，本次模型試驗(yàn)只滿足幾何相似，幾何相似比Cl＝1。

1.3 模型試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.3.1 設(shè)計(jì)模型箱

自制試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淙鐖D1 所示，它由鋼板梁焊接而成，箱體凈空尺寸：長1.5 m、寬1.4 m、高2.0 m。 箱體側(cè)面高度方向均勻設(shè)置6 道水平腹板增強(qiáng)箱體空間剛度。

圖1 自制土工模型箱

1.3.2 模型樁的制作與標(biāo)定

在截面面積保持一致的前提條件下，設(shè)計(jì)方形、圓形和T 形3 種截面抗滑樁。 模型樁總長800 mm，嵌固滑床內(nèi)300 mm，橫截面積均為1 600 mm2，如圖2 所示。

圖2 不同橫截面模型樁截面圖（單位：mm）

試驗(yàn)樁采用有機(jī)玻璃材料（PMMA）制作，選擇同一制造商生產(chǎn)的樁體材料，以提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠度。首先對樁身表面用打磨器具進(jìn)行初始打磨，再使用180 目數(shù)細(xì)砂紙對樁身表面進(jìn)行二次打磨，增加樁土之間摩阻力，以模擬實(shí)際工程中的樁土接觸面條件。打磨完畢，用502 膠粘貼應(yīng)變片，并用絕緣膠帶進(jìn)行封閉以避免受潮和連接失效。

采用三等分點(diǎn)加載法測定材料的彈性模量，確定其抗彎剛度。

1.3.3 坡體材料

滑坡體采用花崗巖殘積土填筑，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型坡體材料物理力學(xué)參數(shù)

滑床用密實(shí)碎石土填筑，為保證滑床及嵌固端的穩(wěn)定性，填料中加入適量水泥拌合，增強(qiáng)滑床土體強(qiáng)度。

1.4 模型制作

1） 按100 mm 分層夯實(shí)填筑滑床，壓實(shí)度控制在90%。 滑床成型后，在斜坡面上鋪設(shè)兩層聚氯乙烯塑料布模擬滑面，并在塑料間涂抹黃油，降低粘聚力。

2） 滑床土體達(dá)到強(qiáng)度要求后，鉆挖樁間距200 mm、嵌固深度300 mm 的樁孔。 將已按要求粘貼應(yīng)變片的模型樁輕擊入孔。

3） 分層填筑滑坡體，壓實(shí)度仍控制在90%。

4） 按抗滑樁截面形狀，試驗(yàn)分方形、圓形、矩形3組，每組4 根樁。 模型剖面及平面示意圖如圖3 所示。

1.5 測試系統(tǒng)

1） 采用百分表對模型樁頂部水平位移進(jìn)行監(jiān)測。

2） 應(yīng)變片沿模型樁樁身的樁長方向，通長且對稱布置，間距設(shè)置為100 mm，上方距離模型樁樁頂100 mm，應(yīng)變片大小為5 mm × 3 mm，測試電阻為120 Ω。 將應(yīng)變片按設(shè)計(jì)間距布設(shè)后，使用502 膠水、“704”硅膠對應(yīng)變片進(jìn)行密封防水處理。 其樁頂端超出滑體材料上表面50 mm，作為自由段，以便百分表的布設(shè)。

將布設(shè)在模型樁上的應(yīng)變片以半橋補(bǔ)償塊的方式分別連接至2 臺uT7121Y 式靜態(tài)式應(yīng)變儀的接口端進(jìn)行測量。 測量前應(yīng)進(jìn)行初始讀數(shù)，且每一次試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行調(diào)平并清零。

3） 采用MFF 系列多點(diǎn)薄膜壓力測試系統(tǒng)，監(jiān)測試驗(yàn)過程中滑體內(nèi)土壓力變化。 滑坡體內(nèi)共埋設(shè)薄膜壓力傳感器13 個(gè)，該傳感器直徑9.52 mm，厚0.2 mm，規(guī)格為110N，埋設(shè)于距離滑坡體坡頂面200 mm 處（如圖3（b）），呈3 列布置于樁后，平行樁軸心連線方向間距為100 mm，垂直樁軸心連線方向間距為50 mm。將壓力傳感器均連接好2 臺FFM 1208 系列數(shù)據(jù)采集機(jī)器（8 個(gè)測點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并接入電腦以儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 模型試驗(yàn)示意圖（單位：mm）

1.6 試驗(yàn)加載

檢查所有儀器連接是否有效，再次調(diào)平讀數(shù)，歸零處理。 在邊坡后緣對滑體分級加載，利用厚度20 mm、長1 200 mm 的半剛性承壓板將千斤頂荷載轉(zhuǎn)化為條形荷載。 每級荷載施加增量為2.0 kN，每級荷載維持30 min，使試驗(yàn)樁受力達(dá)到穩(wěn)定后，再進(jìn)行百分表、應(yīng)變儀和薄膜壓力測試系統(tǒng)讀數(shù)，逐級加載，直到樁間土體大量滑出即結(jié)束試驗(yàn)，拆卸千斤頂、百分表等試驗(yàn)儀器，并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.7 內(nèi)力確定

依據(jù)彈性地基梁的基本計(jì)算原理，抗滑樁是受彎受剪構(gòu)件，從樁身截面應(yīng)變關(guān)系分析通過計(jì)算可得到抗滑樁的彎矩及剪力［11］。

測得試驗(yàn)樁樁身同一位置兩側(cè)應(yīng)變差為Δε，可知樁身曲率φ（z）為：

式中z為坡頂面至監(jiān)測截面的距離，m；a 為截面高度，m。

樁身彎矩M（z）為：

式中EI 為抗彎剛度，N·m2。

樁側(cè)土反力p（z）為：

樁身撓曲線方程y（z）可通過對彎矩方程進(jìn)行二次積分得到：

樁身彎矩分布與Lorentz 曲線的分布特征較相似，故可使用Lorentz 函數(shù)對試驗(yàn)樁的彎矩進(jìn)行擬合，彎矩方程M（z）及樁身剪力分布Q（z）的擬合公式為：

式中M0、A、ω 和z0均為Lorentz 函數(shù)的待定系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樁頂位移分析

不同截面模型樁加載過程中樁頂位移值如圖4所示。

圖4 模型樁樁頂位移與荷載的關(guān)系曲線

由圖4 可見，在0 kN、2 kN、4 kN 荷載下，3 組試驗(yàn)的樁頂水平位移增量不多，其原因是滑坡推力作用初期，荷載主要壓縮邊坡后緣土體，減少土體空隙，模型樁樁身并未承受所有的滑坡推力；當(dāng)荷載加至6 kN后，逐級增加荷載，試驗(yàn)樁樁頂位移變化有逐漸增大趨勢，圓形截面樁和方形截面樁樁頂位移值均大于T 形截面樁，且圓形截面樁樁頂位移值最大；當(dāng)荷載達(dá)到14 kN 時(shí)，圓形截面樁及方形截面樁樁間滑體相對于樁身水平位移較大，滑體土逐漸從樁間滑出，并有少量樁間土滑塌，同時(shí)樁頂位移變化趨勢減??；當(dāng)荷載達(dá)到18 kN 時(shí)，T 形截面樁也出現(xiàn)這一現(xiàn)象。

由圖4 可知，隨著荷載增大，即滑坡推力增加，3種樁形的樁頂位移差逐漸呈增大趨勢，且相同滑坡推力作用下不同樁形的樁頂位移量關(guān)系為：S圓＞S方＞ST，這是因?yàn)? 種截面形式的抗滑樁截面慣性距不相同，即IT（276154）＞I方（213333）＞I圓（203718）。 試驗(yàn)過程中，圓形樁、方形樁的位移增量出現(xiàn)減小的趨勢是在滑坡推力達(dá)到14 kN 時(shí)，T 形樁是在滑坡推力18 kN 時(shí)。樁后土體在滑坡推力分別達(dá)到14 kN 及18 kN 時(shí)，樁間土體發(fā)生滑移甚至滑塌現(xiàn)象。 由土拱效應(yīng)分析，樁間土體能形成的土拱被破壞，導(dǎo)致作用在樁間土體的滑坡推力達(dá)到極限值致使土體滑移，致使通過土拱傳遞至試驗(yàn)樁樁體的滑坡推力減小，因此從樁頂位移來看，表現(xiàn)出位移增量減小的趨勢。 在抗滑樁橫截面積相等的條件下，T 形截面樁樁后迎土面積大于其他兩類樁，更有益于端承型土拱的形成，因此T 形截面樁的樁后土拱發(fā)生破壞時(shí)，承受的滑坡推力最大。 抗彎剛度分析結(jié)果表明，T 形樁樁身抗彎剛度是方形樁的1.29 倍，是圓形樁的1.36 倍，顯然，T 形樁的樁頂位移相比更小。

2.2 樁身彎矩分布規(guī)律

分級荷載作用下，不同截面形狀抗滑樁樁身的彎矩分布曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，隨著下滑推力增大，試驗(yàn)樁樁身各監(jiān)測點(diǎn)的彎矩值均出現(xiàn)增大的趨勢；在相同荷載作用下，3 種類型試驗(yàn)樁的樁身彎矩較接近，且試驗(yàn)樁的最大彎矩值點(diǎn)在200～300 mm 左右，即在滑動(dòng)面與試驗(yàn)樁樁交界處，隨著加載值持續(xù)增大，彎矩最大值點(diǎn)有向下移動(dòng)的趨勢。

圖5 模型樁樁身彎矩分布曲線

2.3 樁后土體應(yīng)力分布

如圖3（b）所示，自左至右，以過第二根、第三根模型樁軸心且垂直樁軸心連線的剖面分別為Ⅰ剖面、Ⅲ剖面，以過第二根、第三模型樁之間的中點(diǎn)且垂直樁軸心連線的剖面為Ⅱ剖面，荷載施加到18 kN 時(shí)，各剖面樁后土體應(yīng)力分布曲線見圖6。

由圖6 不難發(fā)現(xiàn)，3 種樁的樁后土壓力均隨距樁軸心連線的垂直距離增大而減小，T 形樁樁后的土壓力值小于其余兩種樁形，這是因?yàn)門 形樁的樁后迎土面較大，有效避免了應(yīng)力集中。 Ⅱ剖面圓形截面樁樁后土壓力在0～150 mm 范圍內(nèi)呈近似線性增長，方形截面樁在0 ～50 mm 和50 ～100 mm 范圍內(nèi)土應(yīng)力出現(xiàn)兩次明顯的增長，由此可知樁間摩擦土拱作用與樁后樁承土拱作用獨(dú)立發(fā)揮效應(yīng)。 T 形截面樁樁后樁承土拱在100 ～150 mm 位置發(fā)揮效應(yīng)最好，其土體應(yīng)力增長速率較快。 T 形截面樁的樁后土體內(nèi)應(yīng)力分布更均勻，且土體應(yīng)力值更小，更有利于樁承土拱的形成。

圖6 模型樁樁后土壓力分布曲線

3 結(jié) 論

1） 其它條件相同的情況下，T 形截面樁的樁頂位移最?。籘 形樁承受的極限荷載最大，圓形樁與方形樁相近，T 形截面抗滑樁具有更好的抗滑效果。

2） 不同截面形狀模型樁的樁身最大彎矩值位于滑動(dòng)面與模型樁交界處，隨荷載持續(xù)增加，彎矩最大值點(diǎn)有下移趨勢。

3） T 形樁的樁后土體內(nèi)應(yīng)力分布更加均勻，值較小，有利于樁后承載土拱的形成。