易靖松，張世林，孫金輝，鮮杰良，蔡佳君

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所/中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

在抗滑樁的運(yùn)用研究過(guò)程中，空心抗滑樁引起了越來(lái)越多的關(guān)注和研究?？招目够瑯兑蚱渥陨淼慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有集抗滑樁和集水井于一體的優(yōu)點(diǎn)，用于邊坡治理不但和傳統(tǒng)抗滑樁一樣可以承受較大的橫向荷載，而且由于其空心構(gòu)造，可以降低滑體內(nèi)地下水位，降低滑體重度，提高滑體自身的穩(wěn)定性，且受力更加合理。相比于傳統(tǒng)抗滑樁，空心截面抗滑樁更經(jīng)濟(jì)，特別是在樁身長(zhǎng)，受力大，截面的鋼筋和砼用量多的情況下，更能體現(xiàn)出它的優(yōu)越性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂够瑯禰1～6]。

空心抗滑樁的截面形式跟傳統(tǒng)抗滑樁一樣，一般有矩形或圓形，都是利用樁體自身的強(qiáng)度將滑體剩余下滑力傳遞到滑面以下穩(wěn)定地層，從而保證邊坡的整體穩(wěn)定[7～10]。雖然空心抗滑樁具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工程案例中，卻很少看到空心抗滑樁的使用，原因在于空心抗滑樁在邊坡治理工程的研究歷程中缺少更多的理論和優(yōu)化技術(shù)來(lái)支撐?；谶@種情況，本文以緩傾順層巖質(zhì)滑坡為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)矩形和圓形空心抗滑樁展開了一系列對(duì)比研究。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)總體布置

在紅層的砂泥巖互層地區(qū)，時(shí)常發(fā)生較大規(guī)模的緩傾順層基巖滑坡，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而該類滑坡的地質(zhì)模型通常是堅(jiān)硬的砂巖層下覆軟弱的泥巖層，砂巖層形成滑體，軟弱泥巖泥化后形成滑帶?；诖?，本項(xiàng)研究以緩傾順層基巖滑坡為模型，根據(jù)試驗(yàn)室現(xiàn)有模型槽尺寸(3 m×2 m×1 m)設(shè)計(jì)制作滑體模型。實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行：一組為矩形截面集水空心抗滑樁，一組為圓形截面空心抗滑樁。

實(shí)驗(yàn)采用液壓千斤頂設(shè)備施加荷載，空心樁位于滑體中部，采用全埋式布置，前緣為4根懸臂式實(shí)心抗滑樁。由于本文主要研究不同截面形態(tài)的空心抗滑樁支擋效果，因此，對(duì)前緣的實(shí)心抗滑樁不作對(duì)比研究。本項(xiàng)2組實(shí)驗(yàn)總體布置平面圖見圖1，圖中未標(biāo)注尺寸的均以mm為單位。

圖1 不同截面空心樁實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D(單位：mm)Fig.1 Experimental model of hollow piles of different cross sections(mm)

1.2 抗滑樁設(shè)計(jì)

(1)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)相似比理論，本次試驗(yàn)按圓形樁基于原型樁尺寸為外徑3 m、內(nèi)徑2.2 m，矩形樁原型外圍尺寸3 m×2 m設(shè)計(jì)，室內(nèi)模型試驗(yàn)采用縮尺比例為1∶10的幾何相似模型，擬設(shè)定坡度為10°。考慮到用相同材料比較容易滿足相似條件, 采用“放松重力效應(yīng)”模型，即選擇以下相似比參數(shù)：

cl=1/10,cE=1,cμ=1

根據(jù)單值量判據(jù)相等，得到下列各單值量的相似常數(shù)：模型上施加的集中力為原型的1/100；模型上施加的線荷載為原型的1/10； 模型上施加的面荷載為與原型相等。具體尺寸設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 空心抗滑樁尺寸設(shè)計(jì)方案表Table 1 Dimensional design scheme of a hollow pile

若假設(shè)原型樁間距為8 m，則對(duì)應(yīng)的模型樁間距為0.8 m，共2根；根據(jù)相似比參數(shù)，選取整個(gè)模型的幾何尺寸為長(zhǎng)3.5 m、寬1.6 m、高1 m，樁間距0.8 m(圖2)。

模型槽沿滑坡周邊用角鋼焊接，內(nèi)設(shè)木板，形成框架，滑床用混凝土澆注而成，使用粉質(zhì)黏土或細(xì)砂配比模擬滑面，厚度1 cm。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭鎴DFig.2 Profile of the test model

(2)配筋設(shè)計(jì)

空心抗滑樁的截面分為矩形和圓形兩種形式。矩形樁外截面尺寸為200 mm×300 mm，內(nèi)截面尺寸為120 mm×220 mm；空心樁受拉一側(cè)配筋為5Ф6，受壓一側(cè)配筋為4Ф6，箍筋采用Ф2﹫100，混凝土標(biāo)號(hào)為C25，樁間距0.8 m，配筋圖見圖3(a)。

圓形抗滑樁外截面直徑為300 mm，內(nèi)截面直徑為220 mm；鋼筋間距60 mm，配筋為14Ф6，箍筋采用Ф2﹫100，混凝土標(biāo)號(hào)為C25，樁間距0.8 m，配筋圖見圖3(b)。

圖3 不同截面空心樁配筋示意圖Fig.3 Reinforcement for hollow piles of different cross sections

(3)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

①應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)：在抗滑樁的縱向受力鋼筋表面每隔10 cm設(shè)置應(yīng)變片。應(yīng)變片采用粘貼的方式布設(shè)在鋼筋表面，用于測(cè)量鋼筋的應(yīng)變，并用來(lái)計(jì)算抗滑樁上的剪力和彎矩。矩形樁每根樁上設(shè)置應(yīng)變片30片，圓形樁每根樁上設(shè)置應(yīng)變片48片，布設(shè)示意圖見圖4。

圖4 不同截面空心樁應(yīng)變片布設(shè)圖Fig.4 Layout of the strain gauge of hollow piles of different sections

②樁身壓力測(cè)試：采用土壓力盒測(cè)試樁身受力。樁的自由端，壓力盒埋設(shè)在內(nèi)側(cè)；樁的嵌固段，壓力盒埋設(shè)在外側(cè)；每隔10 cm埋設(shè)一個(gè)壓力盒，每根樁埋設(shè)8只壓力盒。布設(shè)示意圖如圖5。

③排水孔布置

排水孔布置如下：空心圓樁排水孔在樁后分布4排，孔間距5 cm，上、下排水孔距離樁頂、樁底均為15 cm；空心方樁排水孔在樁后分布2排，孔間距為5 cm，上、下排水孔距離樁頂、樁底均為15 cm。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)室現(xiàn)有模型槽(圖6)尺寸(3 m×2 m×1 m)設(shè)計(jì)制作滑體模型，待抗滑樁滑體模型、位移傳感器、土壓力盒以及樁上應(yīng)變片制作和安裝完畢穩(wěn)定后，利用布置于滑坡后緣的千斤頂對(duì)其進(jìn)行水平加載，加載分級(jí)進(jìn)行。在加載的過(guò)程中，用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀持續(xù)地存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，直至模型完全破壞。在上述模型槽上鋪設(shè)約40 cm厚的砂巖板作為滑床，然后在此滑床表面鋪設(shè)一層厚約2 cm的紅黏土作為滑帶?；鎯A角10°，滑體尺寸3 m×2 m；滑體采用砂巖板材堆砌而成，板材之間用素混凝土粘結(jié)；試驗(yàn)樁體按照前述設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土制作。按照上述過(guò)程制作好滑床、抗滑樁模型后，按照設(shè)計(jì)將其組裝為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖6)。

圖6 組裝好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.6 Assembled test model

(4)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是通過(guò)測(cè)試試件—傳感器—數(shù)據(jù)采集儀器—計(jì)算機(jī)等連接流程實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)變片、土壓力盒、位移計(jì)分別是采用1/4橋、半橋、全橋的形式與采集系統(tǒng)連接在一起。而采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的連接是通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同截面樁身彎矩分析

試驗(yàn)中所采集到的數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)拉力K，需將其換算成用于分析的相關(guān)物理量。換算目標(biāo)為彎矩，公式如下[11～15]：

矩形截面樁身彎矩與應(yīng)力換算公式：

K=C=α1fcbx；M=K(h0-x/2)

(1)

圓形截面樁身彎矩與應(yīng)力換算公式：

M=Kπr3/4

(2)

式中：K——單根受拉鋼筋的拉力/kN；

C——受壓區(qū)混凝土承受的壓力/MPa；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/MPa；

α1——強(qiáng)度與受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)力fc的比值；

b——截面寬度/m；

x——按等效矩形應(yīng)力圖計(jì)算的受壓區(qū)高度/m；

M——抗滑樁的抵抗彎矩/N·m；

h0——截面有效高度/m；

r——圓形截面抗滑樁半徑/m。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取了多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用式 (1) 和 (2) 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，獲得各測(cè)點(diǎn)的彎矩值，整理相關(guān)曲線如下:

圖7 不同截面空心樁樁前彎矩與埋深關(guān)系Fig.7 Diagram showing the relation of the bending moment before pile and buried depth of hollow piles of different cross sections

通過(guò)樁前彎矩分布圖(圖7)可以看出：兩類空心樁前彎矩整體上呈對(duì)三角形分布，體現(xiàn)出隨著荷載增加彎矩同步增加的特征，呈現(xiàn)出較均勻增加的特點(diǎn)。不同之處在于，在各級(jí)荷載下，矩形截面空心抗滑樁彎矩在樁頂至樁頂下1/3樁長(zhǎng)處彎矩值很小，近乎為零；過(guò)了樁頂以下1/3后，彎矩開始均勻增加，反彎點(diǎn)出現(xiàn)在滑面位置附近，在滑面下0.5 m處出現(xiàn)最大值，約為280 N·m。圓形截面空心抗滑樁彎矩值隨荷載增加自樁頂處開始均勻增加，反彎點(diǎn)出現(xiàn)在樁頂下1/3樁長(zhǎng)處，在滑面以上0.5 m處出現(xiàn)最大值，約為55 N·m。

通過(guò)樁身彎矩分布圖(圖8)可以看出：矩形截面抗滑樁在荷載小于200 MPa時(shí)，樁身彎矩值較小，隨樁埋深呈不規(guī)則的線性分布，隨著荷載逐漸增大，當(dāng)荷載大于200 MPa，樁身彎矩隨樁埋深逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布；圓形截面抗滑樁在荷載小于100 MPa時(shí)，樁身彎矩值較小，隨樁埋深呈不規(guī)則的線性分布，當(dāng)荷載大于100 MPa，樁身彎矩隨樁埋深逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布。

圖8 不同截面空心樁樁身彎矩與埋深關(guān)系圖Fig.8 Diagram showing the relation of the pile bending moment and buried depth of hollow piles of different cross sections

分析認(rèn)為：樁身彎矩呈線性分布，主要是因?yàn)楹奢d初始緩慢施加過(guò)程中，滑體裂隙及樁身混凝土內(nèi)部的空隙逐漸閉合，傳遞到樁內(nèi)鋼筋應(yīng)力計(jì)的荷載非常小，所以彎矩變化不大；而隨著荷載逐漸增大，當(dāng)依靠鋼筋來(lái)承擔(dān)主要抗滑作用時(shí)，彎矩隨埋深增加就逐漸變?yōu)橹笖?shù)分布。

綜上對(duì)比分析可以看出，矩形截面空心抗滑樁最大彎矩可達(dá)280 N·m，而圓形截面空心抗滑樁破壞彎矩最小時(shí)為54 N·m，最大時(shí)為170 N·m；同時(shí)，圓形截面空心樁在荷載施加100 MPa時(shí)就轉(zhuǎn)為指數(shù)分布，而矩形截面空心樁是在200 MPa才開始轉(zhuǎn)為指數(shù)分布的。由此可見，矩形截面空心抗滑樁的抗彎能力優(yōu)于圓形截面空心抗滑樁。

2.2 不同截面樁身應(yīng)力分析

通過(guò)樁身應(yīng)力分布圖(圖9)可以看出：矩形截面空心抗滑樁和圓形截面空心抗滑樁樁身應(yīng)力均隨著滑坡推力的增加大致呈現(xiàn)出加速的增加趨勢(shì)，同時(shí)，矩形截面空心樁和圓形截面空心樁所貼3#、4#、5#應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力較其它測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大，而此測(cè)點(diǎn)正是位于滑面處及滑面上、下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。這說(shuō)明在滑面上、下8 cm這段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 不同截面空心樁樁身應(yīng)力與滑坡推力關(guān)系圖Fig.9 Diagram showing the relation of pile stress and landslide thrust of hollow piles of different cross sections

不同之處在于，矩形截面空心樁在荷載增大到62 kN時(shí)，應(yīng)力集中段壓力表現(xiàn)為明顯的加速增長(zhǎng)，同時(shí)樁身最大應(yīng)力達(dá)到170 kN；而圓形截面空心樁在荷載44 kN時(shí)，應(yīng)力集中段壓力便表現(xiàn)為明顯的加速增長(zhǎng)，樁身最大應(yīng)力為25 kN。

綜合以上樁身應(yīng)力的對(duì)比分析可以看出：矩形截面空心抗滑樁能承受更大的滑坡推力，具有更好的抗滑效果，但矩形截面空心樁和圓形截面空心樁空心方樁和空心圓樁均是在滑面上下8 cm段出現(xiàn)應(yīng)力集中。實(shí)際工程中，可適當(dāng)增強(qiáng)該段位置的配筋。

2.3 集水孔布置前后彎矩對(duì)比分析

由于矩形截面空心抗滑樁的抗滑效果和抗彎能力明顯優(yōu)于圓形截面空心抗滑樁，所以，只針對(duì)矩形截面空心抗滑樁集水孔布置前后的彎矩做對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選取交錯(cuò)布孔、豎排直線布孔和不布孔三種情況下的樁體破壞時(shí)的樁身應(yīng)力(圖10)?？招臉稑扼w內(nèi)的水采用虹吸排水裝置排出，當(dāng)樁體內(nèi)水位上漲致觸發(fā)裝置的浮球位置時(shí)，虹吸裝置便啟動(dòng)，開始排水，抽出樁孔內(nèi)的水。

圖10 布置集水孔前后樁身應(yīng)力變化曲線Fig.10 Stress curve of pile body before and after arranging water hole

通過(guò)分布曲線關(guān)系(圖10)可以看出：在未布置集水孔時(shí)，樁體發(fā)生破壞時(shí)滑面位置受到的應(yīng)力約172 MPa；交錯(cuò)布置集水孔時(shí)，樁體發(fā)生破壞時(shí)滑面受到的應(yīng)力約為155 MPa；豎排直線布置集水孔時(shí)，樁體發(fā)生破壞時(shí)滑面受到的應(yīng)力約132 MPa。因此可以看出，布置集水孔前后對(duì)樁體承載能力有一定的影響，導(dǎo)致承載能力有所降低，交錯(cuò)布置集水孔時(shí)，承載力約降低10%，豎排直線布置承載力約降低25%。

綜上分析，在工程選用空心樁工程時(shí)，應(yīng)首先考慮水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響大小，確定是否需要布置集水孔來(lái)減小滑坡推力，若需要，則宜采用交錯(cuò)布置的方式。

2.4 破壞特征分析

試驗(yàn)完成后，分別觀察樁體破壞情況。從破壞圖片(圖11)可以看出，圓形截面空心抗滑樁破壞程度明顯嚴(yán)重些，樁體在沿著滑面附近位置被完全剪斷，剪切位移達(dá)15 cm；從矩形截面空心抗滑樁破壞形態(tài)看出，樁體基本沒(méi)有被剪斷，只是在樁底端出現(xiàn)局部的破壞，但是樁身出現(xiàn)兩條沿著排水孔貫穿的裂縫，這說(shuō)明樁在沿著排水孔布置位置抵抗變形能力最弱，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致形成貫通性裂縫。

通過(guò)以上分析，矩形截面空心抗滑樁主要表現(xiàn)為受擠壓破壞形態(tài)，而圓形截面空心抗滑樁表現(xiàn)為沿滑面處受剪而破壞的形態(tài)。

圖11 不同截面空心樁的破壞形態(tài)Fig.11 Failure pattern of hollow piles of different cross sections

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，本文采用Midas/GTS 有限元軟件進(jìn)行前期地層網(wǎng)格模型的生成，借助Midas/GTS導(dǎo)入FLAC3D中的接口程序，將在Midas/GTS軟件中建立好的地層網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLAC3D中[16]，形成如下矩形截面空心樁和圓形截面空心樁數(shù)值模型(圖12)。

圖12 不同截面空心樁數(shù)值模型圖Fig.12 Numerical model of hollow piles of different cross sections

3.2 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)材料配比計(jì)算及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，選取計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)取值Table 2 Values of the calculated parameters

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用以上模型和參數(shù)，將抗滑樁設(shè)置為彈性模型，并改變相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算得到模型的位移云圖(圖13)及樁體的受力云圖(圖14)。

通過(guò)圖13可以看出，在相同的荷載和參數(shù)條件下，矩形截面空心樁模型滑體后部位移量約15～17.5 mm，前緣位移量約為10～12.5 mm；而圓形截面空心樁模型滑體后部位移約為27.5～32.5 mm，前緣位移量也達(dá)到22.5～25 mm；

圖13 不同截面空心樁模型整體位移云圖Fig.13 Overall displacement cloud map of hollow piles of different cross sections

對(duì)比兩者位移量可以發(fā)現(xiàn)：在相同荷載和參數(shù)條件下，圓形截面空心樁模型滑體的后部位移和前緣位移均明顯大于矩形截面樁，進(jìn)一步說(shuō)明了矩形截面空心樁對(duì)坡體的支擋效果優(yōu)于圓形截面空心樁，這也與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較一致。

通過(guò)模擬獲得的兩類截面樁體的受力云圖(圖14)，可以發(fā)現(xiàn)，矩形截面空心樁和圓形截面空心樁的最大受力部位均出現(xiàn)在滑面位置附近處，即滑面位置附近受到的支撐力最大；再對(duì)比樁體受到的最大支撐力，矩形截面樁體受到的最大支撐力為3 268 kN,而圓形截面最大支撐力為3 048 kN，這也說(shuō)明了矩形截面的承載能力更好。

圖14 不同截面空心樁樁體受力云圖Fig.14 Stress nephogram cloud map of hollow piles of different cross sections

同時(shí)，通過(guò)觀察兩類樁體的受力分布，自由端支撐力隨著樁頂往下逐漸增大，在滑面位置附近達(dá)到最大值；再隨著進(jìn)入錨固段至樁底部，支撐力逐漸變小，只是上部自由端支撐力的變化速率小于下部錨固段支撐力變化速率，這也與室內(nèi)試驗(yàn)獲得樁體彎矩效果一致。

4 結(jié)論

(1)在樁體結(jié)構(gòu)上，矩形截面空心樁體的承載能力優(yōu)于圓形截面空心樁體。

(2)樁身最大彎矩分布在滑面上下約5 cm處，分布范圍約占樁體自由段長(zhǎng)度的1/4～1/2范圍，建議在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)樁底至滑面以上1/2范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)配筋。

(3)空心樁增加集水孔布置后，由于設(shè)孔位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)樁體承載能力有一定影響，集水孔直線布置時(shí)的影響大于集水孔交錯(cuò)布置時(shí)的影響，交錯(cuò)布置時(shí)，樁體承載能力與未布置集水孔的樁體比較，承載能力約下降10%。

(4)對(duì)于圓形空心樁，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用偏心截面設(shè)計(jì)的圓形樁的承載能力明顯高于采用同心圓截面設(shè)計(jì)的圓形樁，建議后期加強(qiáng)對(duì)偏心截面樁設(shè)計(jì)方法的研究。

總之，圓形截面空心抗滑樁和矩形截面空心抗滑樁在邊坡治理過(guò)程中各有優(yōu)勢(shì)，圓形截面空心抗滑樁在抗滑效果與承載力方面不及矩形截面空心抗滑樁，但其具有施工條件要求低、成孔快、便于機(jī)械化施工等特點(diǎn)，使其在邊坡應(yīng)急搶險(xiǎn)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用空間。因此，是實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合具體的案例條件，選擇合適的樁形。