h型抗滑樁抗滑機制模型試驗研究

摘 要：為了探討h型抗滑樁加固滑坡體的作用機制，利用專門設計的物理模型試驗裝置，在室內進行了不同錨固深度、不同前后樁間距的抗滑樁模型試驗。試驗結果可以看出：粘聚力較大地層中h型抗滑樁前樁前側抗力和后側推力呈三角形分布，后樁的前側抗力呈矩形分布，對于后樁的后側推力試驗中有拋物線、重心偏上的拋物線、矩形3種分布形式。由此可知，在確定粘聚力較大地層中h型抗滑樁結構計算圖式時，前樁前側抗力和后側推力都可以按三角形分布計算，后樁前側抗力按矩形分布計算，后樁后側推力分布不僅要考慮滑體力學性質，還應根據抗滑樁錨固深度及前后樁間距具體分析。

關鍵詞：h型抗滑樁；模型試驗；抗力分布；推力分布；錨固

中圖分類號：TU473.1 文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2013）02003305

采用抗滑樁（亦稱錨固樁）治理滑坡，中國于20世紀50年代開始使用，國外始于20世紀30年代。抗滑樁是利用樁與周圍巖土體的共同作用把滑坡推力傳遞到穩定地層，即利用穩定地層的錨固作用和被動抗力來平衡滑坡推力，抗滑樁在一定程度上改善了滑坡狀態，使滑坡向穩定轉化[1]。h型排架抗滑樁自1983年在川黔線路堤滑坡治理中成功應用以來，在中國得到了廣泛的應用。由于其前后排樁之間有橫梁將其連接成整體，故其剛度較大，能夠提供較大的抗力。

劉新榮，等：h型抗滑樁抗滑機制模型試驗研究

關于雙排樁的研究相對較多，而關于h型抗滑樁的報道較少。Wang等 [2]對雙排樁在基坑工程中應用的空間效應進行了三維模擬分析，通過變換計算參數，計算得出一些可供參考的結論。鄭剛等[3]提出了考慮樁土相互作用的平面桿系有限元雙排樁分析模型，在計算中取得了滿意的計算結果。周翠英等[4]將前、后排樁及中間連系梁和樁間土視為一個整體；前排樁和后排樁受到的地基土的抗力簡化為彈性支承，提出了樁間土對前排樁和后排樁的作用模式和作用力計算分析模型。楊波等[5]采用強度折減的有限元法，討論了雙排樁在3種不同類型滑坡中樁前抗力、樁后推力、實際承擔推力等的變化規律。Zhang等[6]采用有限元方法對雙排樁的復合土拱進行了探討，分析了樁體的變形和內力，并對雙排樁的優化設計提出了建議。呂美君等[7]從理論上分析了雙排樁的結構和受力特點，探討了不同分布形式的滑坡推力在兩排樁上的分配問題。Xiao[8]對無連接雙排樁和門架式雙排樁進行了對比分析，認為應用門架式雙排樁更為經濟，并對門架式雙排樁合理間距進行了研究。肖世國[9]認為可以將h型抗滑樁以滑面為界分為上下兩個部分進行計算分析，并分別提出了上半部分及下半部分的計算理論。趙海玲[10]、張澤坤[11]采用有限元方法對h型抗滑樁進行了數值分析研究，得出了一些有益的結論。

以上針對雙排抗滑樁的研究對認識雙排抗滑樁的抗滑機制具有很好的指導作用，但是用于治理滑坡的h型抗滑樁在作用機制上不同于雙排門架式抗滑樁，因此不能直接套用雙排門架抗滑樁的理論體系。已有的針對h型抗滑樁的研究，只是對其結構計算進行了初步的探討，或者是對某個具體的工程進行數值分析。目前尚沒有h型抗滑樁系列模型試驗的報道，筆者將進行不同錨固深度、不同前后樁間距的h型抗滑樁模型試驗來研究其抗滑機制。

1 物理模型試驗

文獻[12]認為盡管各國計算滑坡推力大小及樁前抗力大小的方法不盡相同，但是結果卻相差不大，而在滑坡推力及樁前抗力的分布形式上卻有很大的分歧。然而抗滑樁的設計合理性在很大程度上取決于對滑坡推力及抗力分布形式的正確認識。對于滑面以下部分，文獻[9]認為可以按照彈性地層中的彈性樁進行結構計算，計算過程可以參見文獻[1314]。筆者試驗的主要目的就是確定h型抗滑樁滑面以上部分前樁、后樁的受力情況。

1.1 模型試驗裝置

模型試驗裝置如圖1所示，主要由模型試驗箱、加載系統、數據采集系統組成。

1）模型試驗箱：采用角鋼焊接作為骨架，由底板和四周的側板組成。為加強其剛度，在箱體中部加設2道角鋼。尺寸為0.9 m×1.0 m×0.4 m。

2）加載系統：由墊塊、杠桿、加載框、標準試塊組成，試驗之前需要進行稱重。

3）數據采集系統：土壓力盒采用應變式微型土壓力盒，由丹東前陽工程測試儀器廠生產，量程0～10 kPa，滿量程精度±0.1%。通過DH3816數據采集儀采集數據信號，然后在PC機上讀取相關數據。

1.2 模型試驗材料

1）滑體：材料取自某滑坡體，其自然狀態物理力學性質指標如表1所示。

2）滑床：采用擊實狀態的滑體土體，其物理力學性質指標如表2所示。

3）模型樁：抗滑樁采用25 mm×25 mm空心不銹鋼管焊接而成，正立面如圖2所示，7組試驗所用樁模型各部分尺寸如表3所示，試驗設計坡，角為45°，變換連系梁長度同時改變冒出長度，使前后樁頂都能置于坡面。

4）滑面：采用雙層薄膜紙模擬滑面。

1.3 模型試驗步驟

模型試驗正立面示意圖如圖3所示，按以下主要步驟進行試驗：

1）根據滑床部分土體含水率需要，首先計算出滑床部分需要的自然狀態土體重量，然后進行晾曬，當土體達到最優含水率12.6%時，分層壓實成圖示滑床形狀。

2）在滑床上鋪設雙層薄膜紙模擬滑面，為消除模型箱兩側的摩擦阻力，在模型箱兩側同樣粘貼雙層光滑薄膜紙。

3）在樁體上標記錨固線位置及壓力盒布設位置，土壓力盒布置位置如圖4所示。定位后排樁（伸出橫梁），然后將樁體壓入至設計深度。

4）分層壓實滑體土，為保證土體的均勻性，將每10 cm高度作為一個分層，倒入相應質量的土體，然后壓實至預先標記的高度線處，同時在標記土壓力盒位置安裝土壓力盒，然后將其切成如圖所示的坡面形狀。

5）靜置2 d，讓土體內部應力自動調整平衡，連接土壓力盒與應變儀及電腦，進行數據初始平衡。如圖1所示，在模型頂部平臺上安裝事先稱重的墊塊，然后依次安裝杠桿、加載框、標準試塊，經計算所加荷載為18.09 kPa。

6）開始采集數據，監測其中某個點的土壓力變化情況，當其量測值趨于穩定時結束試驗。

1.4 試驗數據整理

試驗共進行7組，試驗1～4主要體現在錨固深度從88 mm增加到220 mm，試驗4～7錨固深度相同，前后樁間距從250 mm減小到100 mm。限于篇幅，只列出部分具有代表性的試驗結果，見圖5～11，圖中負號表示樁后側推力。

2 試驗結果分析

圖5、6、7分別為試驗1、4、7的前樁所受坡體壓力試驗結果，圖中直線為試驗實測值的線性擬合線，從圖中可以看出擬合線與實測結果具有很好的相關性。根據h型抗滑樁的作用機制認為由于結構向前變形擠壓樁前坡體，坡體會對前樁產生被動抗力，前樁后側所受坡體推力應為靜止土壓力與后樁通過樁間巖土體傳遞到前樁的彈性壓力之和。分析以上3組試驗結果及其他組試驗結果可以看出，h型抗滑樁前樁的前側抗力和后側推力分布不受其錨固深度和前后樁間距的影響，都可以按三角形分布來考慮。

圖8、9、10、11分別為試驗1、4、6、7的后樁所受坡體壓力試驗結果，前側抗力線性擬合和后側推力曲線擬合情況如圖中所示，從圖中可以看出擬合線與實測結果具有很好的相關性。分析以上4組試驗結果及其他組試驗結果可以看出，h型抗滑樁后樁的前側抗力在考慮簡化計算和誤差允許的情況下可近似為矩形分布。

在前4組試驗中，后樁后側推力呈拋物線分布，但是隨著錨固深度的增加，抗滑樁抵抗側向變形的能力不斷增強，滑坡推力的合力作用點逐漸上移。當錨固深度不變，前后樁間距逐漸減小時，抗滑樁抵抗側向變形能力逐漸減弱，后側推力分布從重心偏上的拋物線分布逐漸過渡到拋物線分布，最后趨于矩形分布。當前后樁間距逐漸減小相當于從雙排抗滑樁逐步向單排抗滑樁轉換，滑坡推力的分布應該逐漸接近單樁的滑坡推力分布，而文獻[1]中建議的當滑體是一種粘聚力較大的土層時，單樁滑坡推力分布圖式可近似按矩形考慮，試驗結果剛好與此相吻合，這也說明了筆者試驗的可靠性。綜合上述分析可以得出，粘性土中h型抗滑樁的滑坡推力分布不僅與滑體性質有關，還跟抗滑樁的錨固深度及前后樁間距有關。可以認為隨著抗滑樁抵抗側向變形能力的不斷減弱，滑坡推力分布形式依次為：重心偏上的拋物線分布、拋物線分布、矩形分布。

3 結 論

1）作用于h型抗滑樁的主要荷載滑坡推力不能簡單的認為其在粘性土中為矩形分布、砂性土中為三角形分布、介于兩者之間的為梯形分布。從試驗結果可以看出，滑坡推力的分布形式還與抗滑樁的錨固深度和前后樁間距有關。

2）粘性土中的h型抗滑樁，前樁前側抗力和后側推力都可以按三角形分布進行計算，后樁的前側抗力可以近似為矩形分布。對于滑坡推力的分布形式必須考慮抗滑樁錨固深度和前后樁間距的影響，可以認為隨著抗滑樁抵抗側向變形能力的不斷減弱，滑坡推力從重心偏上的拋物線分布逐漸向拋物線分布過渡，最后趨向于矩形分布。

3）h型抗滑樁作為一種具有較大側向剛度的結構形式，其比單樁能夠承擔更大的滑坡推力。雖然在工程中已有大量應用，但是理論研究工作卻遠遠跟不上實踐需求。筆者的模型試驗研究雖然得出了一些有益的結論，但沒有充分考慮模型的相似問題，很多問題尚需進一步研究。

參考文獻：

[1]鐵道部第二勘測設計院. 抗滑樁設計與計算[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]Wang Z H， Zhou J. Threedimensional numerical simulation and earth pressure alalysis on doublerow piles with consideration of spatial effects [J]. Journal of Zhejiang Universityscience A： Applied Physics Engineering， 2011， 12（10）： 758770.

[3]鄭剛， 李欣， 劉暢， 等. 考慮樁土相互作用的雙排樁分析[J]. 建筑結構學報， 2004， 25（1）： 99106.

Zheng G， Li X， Liu C， et al. Analysis of doublerow piles in consideration of the pilesoil interaction [J]. Journal of Building Structure， 2004， 25（1）： 99106.

[4]周翠英， 劉祚秋， 尚偉， 等. 門架式雙排抗滑樁設計計算新模式[J]. 巖土力學， 2005， 26（3）： 441449.

Zhou C Y， Liu Z Q， Shang W， et al. A new model for calculation of portal double row antisliding piles [J]. Rock and Soil Mechanics， 2005， 26（3）： 441449.

[5]楊波， 鄭穎人， 趙尚毅， 等. 雙排抗滑樁在三種典型滑坡的計算與受力規律分析[J]. 巖土力學， 2010， 31（Sup1）： 237244.

Yang B， Zheng Y R， Zhao S Y， et al. Towrow antislide piles in three kinds of typical landslide computations and stress rule analysis [J]. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31（Sup1）： 237244.

[6]Zhang J W， Guo Y C， Xue Q， et al. Optimization design of doublerow piles composite gravity arch supporting system [C]//Proceedings of the 2011 GeoHunan International ConferenceSlope Stability and Earth Retaining Walls， Reston： ASCE， 2011.

[7]呂美君， 晏鄂川. 埋入式雙排抗滑樁滑坡推力分配研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2005， 24（Sup1）： 48664871.

Lyu M J， Yan E C. Study on distribution laws of landslidethrust in doublerow embedded antislide piles [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（Sup1）： 48664871.

[8]Xiao S G. Comparison of the mechanical characteristics of doublerow piles and doortype piles with medium and small row spacing in a largescale landslide [C]// Proceedings of the 2010 International Conference of Logistics Engineering and Management， Reston： ASCE， 2010.

[9]肖世國. 邊（滑）坡治理中h型組合抗滑樁的分析方法及工程應用[J]. 巖土力學， 2010， 31（7）： 21462151.

Xiao S G. Analytical method for htype combined antislide pile retaining langslide or excavated slope and its application to practical projects [J]. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31（7）： 21462151.

[10]趙海玲. h形抗滑樁變形性狀的研究[D]. 成都： 四川大學， 2005.

[11]張澤坤. h型抗滑樁的有限元分析[D]. 成都： 西南交通大學， 2008.

[12]戴自航. 抗滑樁滑坡推力和樁前滑體抗力分布規律的研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2002， 21（4）： 517521.

Dai Z H. Study on distrubution laws of landslidethrust and resistence of sliding mass acting on antislide piles [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002， 21（4）： 517521.

[13]Hassiotis S， Chameau J L， Gunaratne M. Design methods for stabilization of slopes with piles [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmetal Engineering， 1997， 123（4）： 341323.

[14]Ito T， Matsui T， Hong W P. Design method for stabilizing piles against landslideone row of piles[J]. Soils and Foundations， 1981， 21（1）： 2137.

（編輯 胡英奎）