祝廷尉，胡新麗，徐 聰，雍 睿

（中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074）

1 引 言

嵌巖樁是一種穿過上覆土層且嵌入基巖的較大直徑的樁型，能夠承受一定的豎向荷載和水平向荷載。應(yīng)用于抗滑工程中的嵌巖樁，在水平向荷載作用下的工作機制不同于豎向力作用下的工作機制。在水平力和力矩作用下樁為受彎構(gòu)件，樁身產(chǎn)生水平變形和彎曲應(yīng)力，外力荷載的一部分由樁身承擔(dān)，另一部分通過樁傳給樁側(cè)土體。樁克服樁本身材料強度產(chǎn)生撓曲變形，隨著撓曲變形的發(fā)展，樁側(cè)土體產(chǎn)生擠壓而產(chǎn)生抗力，將阻止樁身撓曲變形的進一步發(fā)展，從而構(gòu)成復(fù)雜的樁土相互作用體系。在過去相當(dāng)長的時期內(nèi)，人們往往偏重于研究樁承受豎向荷載的工作性能，對于樁承受側(cè)向荷載作用時工作性能的研究較少?？够こ讨袠锻料嗷プ饔醚芯糠椒ㄖ饕欣碚撃Ｐ屯茖?dǎo)、模型試驗計算及數(shù)值分析等[1-5]。

滑坡物理模型試驗是一種有效的研究技術(shù)方法，是以相似材料制作成的模型來研究野外大型滑坡的滑動特性。模型試驗方法能夠直觀地觀測滑坡體在滑動過程中的滑動特征，也能通過監(jiān)測手段定量地獲取滑體中的土壓力、樁身應(yīng)變、滑體位移等參數(shù)，從定性和定量兩個角度分別闡明滑坡發(fā)生發(fā)展。熊治文[6]通過模型試驗，對深埋式抗滑樁的受力分布規(guī)律進行了研究，給出深埋式抗滑樁的受力特點、適用條件，認(rèn)為深埋式比全埋式抗滑樁更經(jīng)濟合理。魏作安等[7]利用有光纖和電測器件的物理模型試驗裝置，研究了抗滑樁與滑坡體之間的相互作用，獲得了抗滑樁的受力狀況和滑體作用在抗滑樁上的滑坡推力函數(shù)，揭示出抗滑樁與滑體之間的相互作用機制。孫書偉等[8]的模型試驗結(jié)果表明，在滑坡推力作用下框架微型樁結(jié)構(gòu)中微型樁頂水平位移與荷載之間為雙曲函數(shù)關(guān)系。錢同輝等[9]基于框架模型試驗，認(rèn)為當(dāng)滑坡推力達(dá)到一定值時整個框架式抗滑樁與樁間土體組成一個受空間協(xié)同交互作用的框架整體，具有很好的等效連拱支擋作用和較好的剛度及穩(wěn)定性，抗滑效果顯著。閆金凱等[10-11]通過一系列微型樁與滑坡相互作用的大型物理模型試驗，分析了微型樁在滑坡中的作用機制和破壞形式，給出了提高抗滑特性的微型樁設(shè)計方案。胡修文等[12]、羅先啟等[13]、張元才等[14]也分別對趙樹嶺、石榴樹包、溜沙坡滑坡進行了室內(nèi)物理模型試驗，深入研究了滑坡的發(fā)生發(fā)展機制和抗滑樁的抗滑特性，取得了較多的研究成果。Frank 等[15]根據(jù)大型野外監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，著重分析實測的p-y 曲線，進而分析了抗滑樁的側(cè)向受荷響應(yīng)。Jeong 等[16]通過一系列物理模型試驗，研究了樁體在側(cè)向荷載下的響應(yīng)機制，對不同樁徑和加載工況下的受荷情況進行了對比分析。

關(guān)于嵌巖抗滑樁抗滑特性的物理模型試驗開展研究的較少，對抗滑樁與滑坡的復(fù)雜相互作用機制及破壞方式等方面的研究也不夠深入。為了分析抗滑樁加固滑坡后抗滑樁與滑坡土體相互作用機制，本次以三峽庫區(qū)馬家溝滑坡為研究對象，研制了物理模型試驗裝置，依據(jù)相似理論建立相應(yīng)相似模型，從樁后推力、樁前抗力及樁身彎矩等幾方面分析了嵌巖樁在加固滑坡中的抗滑特性。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 試驗原理

為了研究嵌巖樁的抗滑特性及與滑體的協(xié)同變形，本試驗依據(jù)馬家溝滑坡形態(tài)制作了框架式滑坡模型。試驗系統(tǒng)由滑坡體模型、抗滑樁模型、加載系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)四部分組成，監(jiān)測主要內(nèi)容包括土壓力監(jiān)測和抗滑樁樁身應(yīng)變監(jiān)測?；诨履Ｐ驮囼炏嗨评碚?，導(dǎo)出模型試驗中不同參數(shù)的相似比。試驗以人工配制的相似材料為滑坡介質(zhì)，采用MTS加載系統(tǒng)在滑坡后緣施加均勻荷載來模擬后部滑體推力。通過埋置于主滑面方向和各樁前后的土壓力盒，監(jiān)測模型樁的受力情況，成對粘貼于模型樁各側(cè)的應(yīng)變片，監(jiān)測模型樁受荷時樁身彎矩分布規(guī)律。根據(jù)試驗結(jié)果，確定滑坡模型的破壞形式及模型樁的受力特征和彎矩分布規(guī)律，試驗?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測裝置見圖1。

圖1 試驗?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測裝置布置圖Fig.1 Arrangement of test model and monitoring instrument

2.2 馬家溝滑坡一號滑坡體概況

馬家溝滑坡位于長江支流吒溪河左岸支溝-馬家溝至卡子灣滑坡右側(cè)的山坡體上，滑坡平面形態(tài)呈舌形展布，剪出口伸入吒溪河中，淹沒于水位以下，滑坡中間軸線地形上明顯突出形成鼓包，南側(cè)邊緣地貌上以沖溝為界，北側(cè)中前緣以馬家溝為界（見圖2）。主滑方向290°，前后緣寬度分別為150 m 和210 m，縱向長537.9 m，滑坡堆積體最大厚度為17.5 m，最小厚度為8.9 m，平均厚度為13.2 m?；w面積為9.68×104m2，體積為127.8×104m3。

圖2 馬家溝滑坡平面圖Fig.2 Plans of Majiagou landslide

滑坡體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本上一致，由坡堆積形成的粉質(zhì)黏土夾碎塊石構(gòu)成，為細(xì)砂巖和泥巖。坡堆積物主要為粉質(zhì)黏土，部分為人工堆積，滑帶土體由強風(fēng)化的粉砂質(zhì)泥巖組成?；驳貙訛橘_系遂寧組地層，巖層傾向為270°～290°，傾角為25°～30°，與滑坡主滑方向相接近。巖性為中厚層灰白色長石石英質(zhì)細(xì)砂巖和褐紅色薄層粉砂質(zhì)泥巖互層。根據(jù)其結(jié)構(gòu)差異和形態(tài)特征劃分為2個單元（一號滑坡體和二號滑坡體），一號滑體抗滑樁附近范圍為模型試驗?zāi)M滑坡原型。

一號滑坡體整體為緩坡型山梁，其地層產(chǎn)狀為270°∠20～25°，而邊界兩側(cè)及前緣巖層產(chǎn)狀發(fā)生明顯倒轉(zhuǎn)，形成反翹，其產(chǎn)狀為200°∠22～35°。根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)試驗，確定馬家溝一號滑坡體滑體天然重度為21.14 kN/m3，滑帶土抗剪強度黏聚力為16～18 kPa，內(nèi)摩擦角為17°～19°。

2.3 相似比例設(shè)計

滑坡物理模型須滿足原型與模型的幾何相似、物理量相似、初始狀態(tài)相似和邊界條件相似[17]。根據(jù)試驗條件及試驗操作的可行性，本試驗以幾何相似比CL=1∶40，彈性模量相似比CE=1為基礎(chǔ)相似比，根據(jù)相似理論列出π 項式，計算各物理量的相似比為：Cq=1∶40，Cp=1∶1 600，Cσ=1，Cε=1，CAc=1∶1 600，CAs=1∶1 600，其中q為樁身所受線荷載；p為樁身所受集中力；σ為樁身應(yīng)力；ε為樁身應(yīng)變；Ac為樁身截面積；As為配筋截面積。

根據(jù)相似比例，模型樁的重度為原型的40 倍，無法滿足。考慮到試驗中模型樁主要承受水平荷載作用，樁的重度對試驗結(jié)果影響不大，可放松此要求。

2.4 滑坡-抗滑樁相似材料的制備

2.4.1 滑床與滑體

滑床基巖較穩(wěn)定，采用磚石砌體構(gòu)筑，并以砂漿抹面并輔以石膏薄層構(gòu)筑堅固、光滑且透水性較弱的表面?；w土材料取自同一地點，保證滑體性質(zhì)基本一致，模型試驗中滑體近似為均質(zhì)材料?；w土配比材料主要由39%的江砂（過2 mm 篩）、49.1%的滑體土（過2 mm 篩）、11%的自來水、0.9%的膨潤土（0.9%）構(gòu)成（見圖3）。江砂主要用來增加內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)，江砂對水起到很好的吸附作用，易于滑體成型，滑體土用來增加黏聚力、減小滲透系數(shù)，膨潤土則用來減小內(nèi)摩擦角和變形模量。

2.4.2 滑帶

圖3 滑體相似材料Fig.3 Similar material for landslide body

滑帶的黏聚力和內(nèi)摩擦角相對滑體要小，由于相似材料難以做到完全相似，黏聚力不能過低，否則滑坡模型難以成型，而普通的材料又難以模擬出滑坡滑動的狀態(tài)。本次試驗采用玻璃珠（過4 mm篩）和滑體土的混合材料模擬滑帶，滑帶配比方案確定為60%的玻璃珠、32%的滑體土、8%的自來水（見圖4）。這種材料既能模擬出滑帶的透水性質(zhì)，又能模擬出滑帶較弱的抗剪強度，符合滑坡模型材料滑帶的物理力學(xué)性質(zhì)的要求。反復(fù)的配比試驗中發(fā)現(xiàn)，該配比確定的相似滑帶材料抗剪強度黏聚力值為9.86 kPa，內(nèi)摩擦角為18.01°（見表1）。由于滑帶層在模型試驗中較薄，堆筑過程中采用簡單壓實壓密的方法。

圖4 滑帶相似材料Fig.4 Similar material for slide band

表1 原型與模型巖土體的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of in-situ rock mass and model materials

2.4.3 抗滑樁

試驗滑坡模型設(shè)置了6 根模型樁，模型樁結(jié)構(gòu)圖。原型樁樁長22 m，受荷段h1=14 m，嵌固段h2=8 m，截面為2 m×3 m，樁間距為6 m。根據(jù)相似比例，試驗樁樁長55 cm，嵌固段為20 cm，截面為5 cm×7.5 cm，樁間距為15 cm。原型樁樁身采用C30 混凝土，主筋采用HRB335 鋼筋，箍筋采用HPB235 鋼筋，樁的縱向配筋率ρ=1.369%，箍筋的配筋率ρsv=0.4021%。由彈性模量相似比CE=1，配筋率的相似比Cρ=1，試驗樁樁身采用C30 混凝土，試驗樁的縱向配筋率取ρ=1.369%，試驗樁采用φ 0.8 mm 的鋼絲，見圖5。

圖5 模型樁結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure chart of model pile

通過反復(fù)配比試驗，單樁所需材料用量為：水0.481 kg，水泥0.944 kg，砂1.727 kg，石子3.048 kg。單樁采用6 根φ3 mm 的乙級冷拔低碳光面鋼絲作為主筋，由于樁寬度較小，設(shè)置了2 排抗拉鋼筋：第1排設(shè)置2 束鋼絲，每束由2 根鋼絲組成；第2 排設(shè)置2 根鋼絲。架立筋由14號鐵絲（φ 2 mm）組成。箍筋從樁頂往下20 cm 段取間距4 cm，其他間距取2.5 cm。

2.5 試驗設(shè)備

2.5.1 滑坡模型及加載系統(tǒng)

試驗?zāi)Ｐ偷脑蜑轳R家溝一號滑坡中前部，以剖面2為基準(zhǔn)線，兩側(cè)各18 m 范圍滑坡。在對滑坡模型概化的基礎(chǔ)上，模型試驗在自主設(shè)計的模型試驗框架內(nèi)進行，框架裝置設(shè)計尺寸（長×寬×高）為2.0 m×1.0 m×1.5 m。模型尺寸長200 cm，寬90 cm，后部高度為125 cm，后部滑體厚度為35.2 cm，滑面傾角為15°左右，后部稍陡（見圖6）。

圖6 滑坡模型示意圖Fig.6 Sketch of landslide model

反復(fù)的配比試驗中發(fā)現(xiàn)，擊實數(shù)達(dá)到每層左邊40 擊、中間80 擊、右邊40 擊時，模型材料的密度能控制在2.0 g/cm3左右?；履Ｐ鸵悦繉?5 cm 的厚度從滑床往上分層堆筑。土樣夯實過程中夯實標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，每處夯擊數(shù)基本相同，每錘的夯落高度基本相同。為了檢驗夯擊效果，每隔幾層用環(huán)刀取樣，測試土樣的物理力學(xué)性能指標(biāo)，包括重度和抗剪強度指標(biāo)。

試驗采用MTS-505.60 電液伺服加載試驗與分析系統(tǒng)，按照試驗計劃，在一定時間內(nèi)以MTS 向滑體后緣沿滑面方向逐漸施加荷載，直至滑坡破壞，施加推力的大小以馬家溝滑坡相應(yīng)區(qū)段條塊剩余推力為依據(jù)。根據(jù)研究[18]，一般滑坡推力的分布有三角形、矩形和梯形3 種。國內(nèi)多用矩形分布，合力作用點位于滑面以上的中分點0.5h1處(h1為滑面以上樁長)。考慮到加載方案的可行性，MTS 加載系統(tǒng)施加均布荷載作用在滑塊上，采用分級加載，各級加載階段均包括加載和維持2個過程，完整加載過程見表2。

表2 模型試驗加載過程Table 2 Model test loading process

2.5.2 監(jiān)測方案

試驗監(jiān)測中傳感器元件為TXR-2030 型微型土壓力盒和BX120-10AA 型電阻式應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DT80G 數(shù)據(jù)采集儀。

監(jiān)測內(nèi)容包括滑動面主方向土壓力、抗滑樁前后兩側(cè)土壓力和樁身應(yīng)變，根據(jù)模型對稱性，取2、3號樁為研究對象。在2、3號樁前后1～2 cm 的土體中埋設(shè)土壓力盒，每根樁前后各豎直埋5個，間距相等。為了得到滑坡后緣和滑體前部土壓力數(shù)據(jù)，分別在后緣和滑坡中間部位各埋設(shè)了1 組土壓力盒，后緣3個中間4個。模型試驗土壓力盒布置圖見圖7。

圖7 模型試驗土壓力盒及應(yīng)變片布置圖Fig.7 Arrangement of soil pressure cell and strain gauge

在樁身四側(cè)等距布置應(yīng)變片，每面5個，總計40個。樁身應(yīng)變片的粘貼采用了強力AB 膠、環(huán)氧樹脂及密封膠等材料，首先用磨砂紙清理模型樁表面使其平整，涂抹強力AB 膠使應(yīng)變片成對固定在模型樁表面，待完全固定后涂抹環(huán)氧樹脂及密封膠使其密閉；土壓力盒的埋置采用人工埋置，隨著滑體模型的分層堆筑，每堆筑15 cm 高度的滑體就布置相應(yīng)位置的土壓力盒，并壓實土壓力盒周圍的土體。模型試驗傳感器布置圖如圖7 所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滑體土壓力規(guī)律分析

以2號模型樁為例分析嵌巖樁的抗滑特性。

（1）主滑動面的土壓力分析。

圖8、9 分別為滑坡后緣及滑坡中部的土壓力全過程曲線。試驗開始時刻，后緣滑體土壓力分布形式受滑體自重應(yīng)力所控制，土壓力值從模型坡表隨著深度增加依次變大。當(dāng)施加后緣推力荷載后，后緣滑體中土壓力值變化比較大，土壓力值迅速有較大幅度的增加，且上部滑體的增加幅度大于下部滑體，整個加載過程中滑坡后緣土壓力呈階梯狀變化，每增加一級荷載，土壓力值在加載時間段內(nèi)隨之增加，維持時間段內(nèi)基本保持不變。當(dāng)土壓力值明顯減小時，表明該土壓力盒周圍滑體發(fā)生滑動破壞。由圖8 中可以看出，最上部處土壓力盒在第3 級荷載時發(fā)生破壞，但整個滑坡模型仍在緩慢滑動，直至第6 級荷載時滑坡模型發(fā)生破壞，標(biāo)志模型試驗結(jié)束，破壞時最大土壓力值為8.38 kPa。由圖9 可見，前4 級加載過程中模型中部滑體土壓力值的分布形式受滑體自重應(yīng)力所控制，土壓力值從模型坡表隨著深度增加依次變大，且土壓力值基本維持在1 kPa 內(nèi)不變，與同一時段同一位置處后緣土壓力值相差5～6 倍，表明滑體后部推力并未傳遞至滑坡中間，大部分由模型樁承擔(dān)后部荷載。施加第5 級荷載時，上部滑體土壓力值明顯上升，表明滑體后緣推力已經(jīng)傳遞到滑體中間，在該階段中上部滑體的土壓力值受后部推力的作用呈階梯狀增長形式，下部滑體土壓力值受滑體自重應(yīng)力的控制變化較小，到第6 級荷載時土壓力值有輕微減小趨勢，滑坡模型破壞，試驗結(jié)束。

（2）樁后和樁前土壓力分析。

圖8 滑坡模型后緣土壓力全過程Fig.8 Full process curves of soil pressure in the back of model

圖9 滑坡模型中部土壓力全過程Fig.9 Full process curves of soil pressure in the middle of model

圖10、11 分別為2號樁樁后和樁前土壓力隨深度變化曲線圖。樁后土壓力變化規(guī)律為：在試驗開始時刻，土壓力值隨深度呈三角形分布形式，加載第1級荷載時，深6 cm 處土壓力值增長幅度較大，滑動面處土壓力值較小。隨著加載等級的提高，各測點土壓力值持續(xù)增大。在第3 級荷載作用下（1 869 kN），樁后推力隨深度增加呈先增大后減小的變化趨勢，基本為拋物形分布形式[18]，合力作用點約在滑動面以上0.5h1(h1為滑面以上樁長)附近。上部滑體推力集中作用在自由端12～22 cm 處。破壞時樁后推力最大值為11.56 kPa，最大土壓力值位于埋深18 cm處。樁后土壓力分布形式發(fā)生變化是由于后緣滑體產(chǎn)生的樁后推力作用，未施加推力之前土壓力分布受滑體自重的控制呈三角形分布形式；當(dāng)后緣滑體推力傳遞至樁后，樁后推力基本呈常見的拋物型分布。樁前土壓力變化規(guī)律是在整個試驗階段中樁前抗力隨深度呈三角形分布形式，坡表處抗力較小，接近滑動面處抗力值較大；樁前土壓力隨著加載等級的提高緩慢增加，變化程度不大，是由于滑坡后緣推力傳遞至抗滑樁上，抗滑樁在荷載作用下變形較小導(dǎo)致樁前土體基本未滑動，土壓力值基本上都在0～0.6 kPa 范圍內(nèi)波動。最大土壓力值為1.89 kPa。

圖10 2號樁樁后土壓力分布Fig.10 Depth-soil pressure curves of the back of pile No.2

圖11 2號樁樁前土壓力分布Fig.11 Depth-soil pressure curves of the front of pile No.2

3.2 模型樁樁身應(yīng)變規(guī)律分析

模型樁的樁身彎矩不能直接測出，可通過成對粘貼于抗滑樁樁身上的應(yīng)變片，測試出樁后的樁身應(yīng)變 εback及樁前樁身應(yīng)變 εfront，依據(jù)材料力學(xué)彎曲理論中學(xué)公式，可以計算出相應(yīng)測點處的樁身彎矩，其中，ES為微型樁的彈性模量；W為抗彎截面系數(shù)。繪制3號模型樁樁身彎矩分布圖，如圖12 所示。

圖12 3 樁樁身彎矩分布Fig.12 Bending moment diagram of pile No.3

分析3號樁主滑方向樁身彎矩圖可以看出，嵌巖樁埋深0～15 cm 段承受的彎矩較大，表明此段為嵌巖樁的主要受力區(qū)域；埋深0.3h1處為最大彎 矩截面，在最大彎矩截面以上，隨著深度的增加，彎矩不斷增大，在最大彎矩截面以下，隨著深度的增大，彎矩不斷減??；滑動面處彎矩絕對值較小。發(fā)生破壞時，樁身最大彎矩點位于10 cm 處，最大彎矩絕對值為0.76 kN·m。

3.3 滑坡模型破壞形式分析

圖13為加載第3 級荷載和第6 級荷載時滑坡模型變形實物圖。由13 圖可以看出，滑坡破壞始于樁后土體，首先在滑坡模型右側(cè)產(chǎn)生張拉裂隙，左側(cè)裂隙也有所發(fā)育但裂隙寬度明顯小于右側(cè)裂隙，主要原因是由于模型框架兩側(cè)制作材料性質(zhì)不同而產(chǎn)生的邊界效應(yīng)。隨著加載等級提高，樁后土體推力集中在模型樁的自由端中上部，模型嵌固樁水平位移較小且承受絕大部分樁后推力，由于明顯的阻滑效果，樁后滑體沿主滑方向的運動受阻，進而發(fā)生了向上方向的越樁滑動，直至第6 級荷載，滑坡模型發(fā)生局部破壞。

圖13 滑坡模型破壞實物圖Fig.13 View of the construction of slope model

4 結(jié) 論

（1）樁后推力隨深度增加呈先增大后減小的變化趨勢，基本為拋物形分布，合力作用點約在滑動面以上模型抗滑樁自由段1/2 處。主滑面上土壓力在滑坡后緣變化較大，樁前土壓力和滑體中間主滑面土壓力較小，主要是由于模型樁明顯的抗滑特性承擔(dān)了大部分滑坡推力。

（2）嵌巖樁埋深0～15 cm 段為主要彎矩承受區(qū)域，滑動面以上模型樁自由段1/3 處為最大彎矩截面，滑動面處彎矩絕對值較小。滑坡模型試驗結(jié)束時模型樁承受0.76 kN·m 的彎矩值，模型破壞后模型樁仍然具有抗滑能力。

（3）嵌巖模型樁樁身彎矩分布形式不同于普通加固抗滑樁的彎矩分布形式?；履Ｐ屯馏w的破壞范圍位于自由段附近，破壞模式為樁后滑體發(fā)生局部越樁滑動破壞。

試驗表明用框架式物理模型試驗來研究嵌巖樁的抗滑特性是可行的，能對樁后推力、樁前抗力及樁身彎矩等進行研究。由于實際情況不能使每個條件都嚴(yán)格的滿足相似比，如材料重度相似沒有滿足，模型試驗結(jié)果反映的并不是真實的狀態(tài)，條件允許時進行現(xiàn)場試驗所得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

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