徐 駿，李安洪，肖世國(guó)

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

1 引 言

對(duì)于一些較大型滑坡，因滑坡推力巨大，使用單排樁往往難以達(dá)到加固目的，因此，一般考慮采用雙排樁或多排樁進(jìn)行治理。對(duì)于后陡、前緩型的折線型滑面，后排樁通常會(huì)承擔(dān)較大滑坡推力，此時(shí)還應(yīng)考慮采用埋入式抗滑樁以減小抗滑樁分擔(dān)滑坡推力。目前對(duì)于雙排樁（通常樁排間距較?。┑难芯枯^多[1－3]，但對(duì)于空間距離較大（＞10a，a為抗滑樁直徑）的雙排樁或多排抗滑樁中各排抗滑樁承擔(dān)滑坡推力的大小及分布形式、樁后的抗力如何計(jì)算、如何合理確定排樁間距、埋入式抗滑樁承擔(dān)多少推力、其結(jié)構(gòu)內(nèi)力如何計(jì)算、樁的長(zhǎng)度如何設(shè)計(jì)等問(wèn)題，按照目前常規(guī)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚不能有效解決。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有限元強(qiáng)度折減法可以充分考慮樁-土共同作用[4－8]，通過(guò)強(qiáng)度折減可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[9]。有限元強(qiáng)度折減法相比于傳統(tǒng)極限平衡法的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于安全系數(shù)和臨界滑動(dòng)面的精確求解，而且在于可以再現(xiàn)巖土體中變形發(fā)展的過(guò)程，特別是在進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)勢(shì)更明顯,從而為解決大型滑坡多排樁設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題提供了一種思路。

為此本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)折線型滑面滑坡進(jìn)行了4組試驗(yàn)工況的研究，并結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法，獲得不同排間距、不同設(shè)樁位置及樁埋入深度時(shí)作用于兩排樁上的坡體壓力分布規(guī)律，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2 折線型滑面滑坡樁排推力模型試驗(yàn)研究

本文選用寶成線某典型折線型滑面滑坡（如圖1所示）進(jìn)行研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀苫w、滑帶和基巖3大部分組成，對(duì)其分別配置不同的相似材料加以模擬。由于滑帶的力學(xué)性質(zhì)對(duì)滑坡體的滑動(dòng)起著決定性的作用，所以對(duì)滑帶的模擬是試驗(yàn)材料配置的重點(diǎn)。模型試驗(yàn)槽長(zhǎng)×寬×高尺寸為 5.8 m×0.9 m×3.0 m，模型槽前面為透明鋼化玻璃，以便正面觀察坡體狀況，模型槽后面為光滑的水泥墻面，左側(cè)為封閉面，右側(cè)為敞開面，如圖2所示。

圖1 折線型滑面滑坡Fig.1 Landslide with polygonal line slip surface

圖2 室內(nèi)模型試驗(yàn)槽Fig.2 Indoor model test trough

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)于本試驗(yàn)類型，結(jié)合工程實(shí)際情況，并考慮具體問(wèn)題的可操作性，幾何相似比取為CL=1: 40，設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷湫蜋M斷面圖如圖 3所示，前排樁設(shè)在抗滑段，距離滑面出口約76.5 cm處（原型30.6 m），排間距考慮為75、135 cm兩種情況，這樣所進(jìn)行的4組試驗(yàn)工況分別為：

（1）前排樁距離滑面出口 75 cm，排間距為75 cm，前后樁體均為全長(zhǎng)式；

（2）前排樁位置及長(zhǎng)度不變，排間距75 cm不變，后樁體為埋入式，埋入深度為設(shè)樁位置滑體厚度的1/3；

（3）前排樁位置及長(zhǎng)度不變，排間距變?yōu)?35 cm，后樁體為埋入式，埋入深度為設(shè)樁位置滑體厚度的1/3；

（4）在試驗(yàn)工況2中將后樁埋入深度改為設(shè)樁位置滑體厚度的1/2。

工況1代表性試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D3所示。其中測(cè)試儀器采用小直徑（3 cm）電阻應(yīng)變式低量程壓力盒，間距為10 cm，沿抗滑樁受荷段等間距布置，并采用 YJ26電阻應(yīng)變儀量測(cè)數(shù)據(jù)。各抗滑樁均在坡體填筑過(guò)程中設(shè)置完畢。

圖3 代表性試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬篶m）Fig.3 The typical test model (unit: cm)

2.1.1 試驗(yàn)參數(shù)

重度相似比取為Cγ=1，則根據(jù)相似定律可知，應(yīng)力相似比為Cσ=1: 40。根據(jù)原型材料特征，通過(guò)相似換算可以得到相應(yīng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧蠀?shù)：滑帶c=0.0 kPa，φ=21°，γ=20 kN/m3；滑體 c=0.0 kPa，φ=24.3°，γ=21 kN/m3；基巖 c =20 kPa，φ=28°，γ=22 kN/m3，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，γ為重度。根據(jù)這些基本關(guān)系通過(guò)室內(nèi)正交配比試驗(yàn)配置相似材料模擬原型材料。

2.1.2 相似材料

（1）滑坡體各層材料的模擬

本項(xiàng)試驗(yàn)中對(duì)滑帶采用以細(xì)砂為主適量拌和滑石粉來(lái)模擬，根據(jù)參數(shù)要求通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定其適合配比。根據(jù)同樣方法，對(duì)滑體主要采用中砂、重晶石粉以一定配比模擬，對(duì)基巖主要采用粗砂、重晶石粉、鐵粉等以一定配比模擬。各組試驗(yàn)滑帶、 滑體及基巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各組試驗(yàn)滑帶、滑體及基巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Related parameters for all test models

（2）抗滑樁的模擬

考慮實(shí)際工程中樁身多用C30混凝土，其彈性模量28 GPa，于是換算到模型樁身材料的彈性模量應(yīng)為Em=28/40=0.7 GPa。據(jù)此可選擇樁體材料，試驗(yàn)中以石膏材料為主，進(jìn)行石膏、水、水泥不同配比試驗(yàn)，由試驗(yàn)測(cè)得的彈性模量最終確定出其適合配比。根據(jù)實(shí)際室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，模型抗滑樁樁身材料的彈性模量為0.86 GPa。抗滑樁截面原型尺寸為2 m×3 m，于是模型尺寸為5 cm×7.5 cm。模型樁間距20 cm（相應(yīng)原型為8 m），沿模型槽寬度方向?qū)ΨQ布置3根，其中中間1根為測(cè)試樁。模型樁長(zhǎng)根據(jù)前述4組具體試驗(yàn)工況而定。

2.2 試驗(yàn)載荷工況

在每組布樁類型下，模型試驗(yàn)一般均分為如下3種載荷工況：

工況 1：模擬天然狀況，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪瓿珊蟮囊话銧顟B(tài)；

工況2：模擬強(qiáng)度折減狀況，在工況1的基礎(chǔ)上向滑帶內(nèi)注水，以促進(jìn)坡體滑動(dòng)；

工況3：模擬超載狀況，在工況2的基礎(chǔ)上再在坡面堆載（滑體中后部），以進(jìn)一步加劇坡體滑動(dòng)。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

填筑過(guò)程中，對(duì)滑帶土采用較高的含水率（20%）模擬雨水入滲到滑帶；超載采用面積堆載方式，坡面超載量5 kPa。這兩種情況下坡面變形顯著增大，滑體推壓抗滑樁致使樁體變位相對(duì)顯著，坡體沿滑帶產(chǎn)生明顯滑移變形。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樁排推力規(guī)律包括兩個(gè)方面：一是樁排分擔(dān)推力的規(guī)律；二是樁身推力分布形式的規(guī)律。主要考慮樁排間距、設(shè)樁形式、沉埋深度3個(gè)因素對(duì)樁排分擔(dān)推力規(guī)律的影響，樁排分擔(dān)推力規(guī)律根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理為表2～4。因試驗(yàn)條件限制，樁身推力分布形式采用數(shù)值模擬方法研究。

表2 后排樁兩種排間距對(duì)前、后排樁受力的影響比較（單位：kN/m）Table 2 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile row distances (unit: kN/m)

表3 后排樁兩種設(shè)樁形式對(duì)前、后排樁受力的影響比較（單位：kN/m）Table 3 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile setting types (unit: kN/m)

表4 后排樁兩種沉埋深度對(duì)前、后排樁受力的影響比較（單位：kN/m）Table 4 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile embedded depths (unit: kN/m)

（1）樁排間距影響：由表2可見，兩種樁排間距對(duì)前、后排樁的綜合影響不同，對(duì)于后排樁，較大排間距時(shí)受力較為有利；對(duì)于前排樁，較小排間距時(shí)受力較為有利。具體問(wèn)題需要具體分析比較綜合確定。在較大排間距情況下，后、前排樁有效滑坡推力之比為 1: 0.509；在較小排間距的情況下，后、前排樁有效滑坡推力之比為 1: 0.192。間距較大時(shí)，兩排樁分擔(dān)推力更趨合理。

（2）設(shè)樁形式（全長(zhǎng)樁或沉埋樁）影響：由表3可見，兩種設(shè)樁形式對(duì)前、后排樁的綜合影響不同，對(duì)于后排樁，沉埋式比全長(zhǎng)式受力有利；對(duì)于前排樁，全長(zhǎng)式（僅后排樁）時(shí)比沉埋式（僅后排樁）時(shí)受力有利。但綜合比較而言，沉埋式比全長(zhǎng)式一般更有經(jīng)濟(jì)合理性。

（3）沉埋深度影響：由表4可見，兩種沉埋深度對(duì)前、后排樁的綜合影響不同，對(duì)于后排樁，沉埋深度較大時(shí)受力比較有利；對(duì)于前排樁，沉埋深度（僅后排樁）較小時(shí)受力比較有利。但綜合比較而言，在一定范圍內(nèi)，沉埋深度較大時(shí)一般更具經(jīng)濟(jì)合理性。

3 折線型滑面滑坡樁排推力規(guī)律有限元強(qiáng)度折減法分析

為研究樁身推力分布形式規(guī)律，彌補(bǔ)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究的局限性（樁身推力分布形式需要較多測(cè)點(diǎn)），考慮采用數(shù)值分析方法研究樁身推力分布形式。為選擇合適的計(jì)算程序，分別采用PLAXIS和ANSYS進(jìn)行了二維及三維對(duì)比計(jì)算，從其計(jì)算結(jié)果來(lái)看，具體的推力大小有差異，但其推力分布形式及推力分擔(dān)比例規(guī)律比較接近，因此，采用應(yīng)用較廣的ANSYS軟件[10－12]對(duì)模型試驗(yàn)不同沉埋深度情況進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減法模擬分析，根據(jù)滑體、滑帶、基巖及抗滑樁確定材料類型并劃分網(wǎng)格如圖4所示。ANSYS默認(rèn)采用的是摩爾-庫(kù)侖不等角六邊形外接圓 D-P屈服準(zhǔn)則，與傳統(tǒng)摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果有較大誤差[7－8]，因此，本文均采用平面應(yīng)變條件下的摩爾-庫(kù)侖匹配 D-P準(zhǔn)則[13]、關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。強(qiáng)度折減具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[7－9]。

圖4 折線型滑面滑坡計(jì)算模型Fig.4 Numerical model of landslide with polygonal line slip surface

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果（如圖5所示）可以看出，隨著樁頂埋深的增加，后排樁沿樁身滑坡推力分布形式逐步由三角形（全長(zhǎng)樁）向矩形（大于2/3全長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)）改變。因此在埋入式抗滑樁設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意沿樁身推力分布形式的選擇，以免設(shè)計(jì)存在安全隱患。

圖5 折線型滑面滑坡樁身推力分布形式Fig.5 Distribution mode of landslide thrust along the pile

4 結(jié) 論

（1）樁排間距的改變能有效改善折線型滑坡前、后排樁分擔(dān)滑坡推力的比例，使得各排樁受力更為合理。

（2）改變后排樁樁頂埋入深度也能有效改善前、后排樁分擔(dān)滑坡推力的比例，在工程措施允許時(shí)，可考慮采用埋入式抗滑樁對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，使得各排樁分擔(dān)的滑坡推力更為合理。

（3）從模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用試驗(yàn)工況1的全長(zhǎng)樁設(shè)計(jì)方案（如圖 3）時(shí)后排樁承擔(dān)滑體推力占了較大比例，因此，該類滑坡的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)加大后部抗滑樁所占的滑坡推力的比例，從而保證工程措施的安全。

（4）樁排間距、樁頂埋深對(duì)各排樁分擔(dān)滑坡推力的比例影響較大，特別是樁頂埋深不同時(shí)推力分布形式會(huì)發(fā)生改變，因此，在此類大型滑坡多排、埋入式抗滑樁加固設(shè)計(jì)中，建議先采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)各排樁分擔(dān)滑坡推力的比例進(jìn)行計(jì)算，避免因人為估計(jì)不足留下安全隱患。

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