顏志雄

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

相對于矩形截面抗滑樁，圓形截面抗滑樁因具有施工周期短、開挖時對土體擾動小、安全性高等優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于各類滑坡工程中[1-6]。針對圓形截面抗滑樁的抗滑機理及設(shè)計方法，很多學者進行了研究。李乾南等[7]基于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中裂縫寬度計算公式，在分析各相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，提出圓形截面均勻配筋抗滑樁的裂縫寬度計算公式；周記名[8]討論了圓形截面抗滑群樁樁徑、樁長、承臺剛度、單樁排距對抗滑群樁抗滑效果的影響，得出等截面的矩形截面抗滑群樁所能承擔的滑坡推力與圓形截面抗滑群樁基本相等，驗證了圓形截面抗滑群樁的工程適宜性；杜鴻[9]采用數(shù)值方法，分析了在不同樁間距條件下大直徑圓形抗滑樁對邊坡的加固效果；陳富堅等[10]推導了圓形截面抗滑樁非均勻?qū)ΨQ配筋的計算公式。總體來說，圓形截面抗滑樁的工作機理和理論體系尚不完善，為了保證實際工程中設(shè)計方案的可靠性，有必要進行模型試驗加以驗證。

1 試驗原理

在模型試驗中，模型與原型結(jié)構(gòu)必須滿足相似律的要求[11]。本次試驗中各物理量相似比取值見表1。

相似條件即模型試驗所應(yīng)遵守的相關(guān)準則，是現(xiàn)象相似的必要條件。試驗設(shè)計時充分考慮試驗系統(tǒng)的幾何條件、邊界條件、試驗材料、荷載條件等方面的相似。

表1 各物理量的相似比

1.1 幾何條件相似

因相似現(xiàn)象必定發(fā)生在幾何相似的空間內(nèi)，故模 型中各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸應(yīng)與實際情況相 似。本試驗主要是滑坡尺寸、樁徑、樁長、樁間距等參數(shù)的幾何相似比相等。模型中各結(jié)構(gòu)的尺寸按照幾何相似比8∶1進行制作。

1.2 邊界條件相似

主要根據(jù)滑坡的水平應(yīng)力傳遞特性進行模擬。為了減小土體與試驗槽側(cè)壁的摩擦，將側(cè)壁刷漆后涂抹潤滑油。此外，為充分模擬工程實際中抗滑樁的抗滑特性，在滑動面以上設(shè)置1條厚0.3 m的滑動帶，由含水率較大、內(nèi)摩擦角較小的黏性土構(gòu)成，并利用碎布片將滑動帶的上下表面與試驗用土隔離，既保證位移的同步性，又保證滑動帶的有效性。

1.3 試驗材料相似

根據(jù)試驗?zāi)康?，對于主要材料盡可能采用與原型 基本相同的介質(zhì)。由于本試驗主要研究樁結(jié)構(gòu)在橫向荷載下產(chǎn)生的變形和破壞特征，不考慮樁結(jié)構(gòu)及其周圍土體的動力特性，故土體的相似比不是主控因素，可放寬要求。試驗用土選用粒徑0.25～0.35 mm的細砂與黏土配制而成。黏土取自云南一滑坡工點，配合比為細砂∶黏土=3.5∶1。為盡量滿足相似條件，模型樁選用與原型樁相同強度的混凝土、鋼筋，并采用相同的配筋率。

1.4 荷載條件相似

試驗采用分級加載，利用厚0.08 m的鋼板作為加荷板，將施加在其后側(cè)的千斤頂推力傳遞到土體上。同時，控制不同高度千斤頂?shù)募虞d量，在試驗過程中盡量使加荷板整體位移保持一致。

2 模型制作

本試驗?zāi)Ｐ鸵栽颇弦徊捎每够瑯兜倪吰鹿こ虨樵?，原抗滑樁為圓形樁，長32 m，直徑1.6 m，配筋率1.5%，樁間距4.8 m。根據(jù)相似系數(shù)，制作2根模型樁，樁長4 m，直徑0.2 m，每根樁設(shè)置6根縱向鋼筋，配筋率1.5%。以0.6 m樁間距把模型樁設(shè)于模型槽內(nèi)。

為了保證圓形截面抗滑樁的安全，現(xiàn)場工程中額外布置了3根I20A熱軋工字鋼，占圓形樁截面面積的0.42%。受條件所限，本試驗按照相似原理將其簡化為1根工字鋼，設(shè)于模型樁內(nèi)。模型樁的配筋情況及工字鋼截面尺寸見圖1。

圖1 模型樁的配筋情況及工字鋼截面尺寸(單位：mm)

3 模型試驗

3.1 試驗場地

圖2 模型槽結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

試驗在陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室龍瑞高速公路外場試驗基地進行。模型槽尺寸為6.5 m(長)×1.5 m(寬)×6.0 m(高)。模型槽主要由反力墻、側(cè)壁、加荷板等組成，見圖2。為保證試驗過程反力墻處于靜止狀態(tài)，將反力墻按抗滑擋墻設(shè)計，墻身采用片石混凝土材料。加荷板為厚0.08 m的鋼板，由于滾輪作用加荷板在較小水平推力作用下即可產(chǎn)生位移。試驗過程中，在千斤頂水平推力作用下控制加荷板的撓曲變形(按不超過3 mm控制)，以達到加荷板整體水平位移加載的目的。

3.2 量測系統(tǒng)

采用SDG型鋼筋計監(jiān)測微型樁的內(nèi)力變化，在每根樁的受拉側(cè)與受壓側(cè)鋼筋上各布設(shè)4個應(yīng)力測點(如圖3所示)，用CYT-202型鋼弦頻率儀采集其數(shù)據(jù)。

圖3 應(yīng)力測點布設(shè)示意(單位：cm)

3.3 試驗方法

1)將細砂和黏土按3.5∶1.0的比例拌和制作含水率8%的坡體材料。

2)將模型樁插入模型槽底部預(yù)留的樁承臺孔洞內(nèi)，澆筑混凝土將模型樁底部固定在承臺上，養(yǎng)護1 d。

3)將坡體材料分層填入模型槽中，每隔20 cm對土體進行壓實。填至加荷板底面(滑動面)時，設(shè)置厚0.3 m的滑動帶。坡體按坡率1∶1放坡。

4)采用分級加載，每一次加載完成后，靜置不少于10 min，待土體穩(wěn)定、鋼弦頻率儀讀數(shù)無浮動后，記錄鋼筋計的數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 鋼筋壓力測試結(jié)果

本次試驗共加載9次，荷載逐級增加。根據(jù)平截面假定及彈性體假定，通過鋼筋計實測值計算出6根鋼筋以及工字鋼的總壓力值，取2根模型樁鋼筋計實測壓力值的平均值，得到每次加載后鋼筋壓力隨埋深變化曲線，見圖4。

圖4 模型樁鋼筋壓力隨埋深變化曲線

由圖4可知:在滑坡推力作用下滑動面(埋深2.0 m處)以上的模型樁以受拉為主，且在滑動面以上0.4 m處拉力達到最大值；滑動面以下的模型樁隨著加載的增加逐漸進入受壓狀態(tài)，最終在滑動面以下1.2 m處壓力達到最大值。埋深0.8,1.6 m處鋼筋壓力隨加載的增加而增大，埋深2.4,3.2 m處鋼筋壓力隨荷載的增加而降低。

假設(shè)鋼筋的應(yīng)變與同一位置混凝土的應(yīng)變相等，達到極限強度的混凝土退出工作。依此計算混凝土承受的壓力。得出：在滑坡推力作用下混凝土承受的壓力遠小于鋼筋承受的壓力；混凝土承受的彎矩也遠小于鋼筋承受的彎矩。

4.2 彎矩和剪力計算結(jié)果

由鋼筋計實測值計算得出鋼筋應(yīng)力，進而計算出圓形截面抗滑樁樁身彎矩。圓形截面抗滑樁樁身彎矩分布見圖5(a)。根據(jù)樁身彎矩分布可進一步求得樁身各截面的剪力。樁身剪力分布見圖5(b)。

圖5 模型樁彎矩和剪力隨埋深變化曲線

由圖5可知：彎矩和剪力曲線均呈S形分布，存在反彎點。原因在于滑動面的存在使樁身上部與下部受力不同，分為上部抗滑段和下部錨固段。且隨著加載的增加，彎矩和剪力均逐漸增大。

4.3 裂縫觀測結(jié)果

觀測模型樁裂縫分布情況，發(fā)現(xiàn)裂縫遍布于整根樁上，均勻且細密。圖6所示裂縫位于埋深3～4 m處，由于裂縫微小不便于拍攝，對產(chǎn)生裂縫的部位用記號筆描粗處理。

圖6 模型樁裂縫分布情況

整根模型樁破壞最嚴重的區(qū)域出現(xiàn)在樁底部，距承臺頂部約0.1 m，模型樁受拉側(cè)混凝土出現(xiàn)了較深的裂縫，受壓側(cè)混凝土被壓碎(見圖7)。可見在抗滑樁的受力過程中，該部位屬于圓形截面抗滑樁的脆弱區(qū)。

圖7 模型樁底部破壞情況

裂縫是在試驗完成后開挖填土時才看到的，故沒有監(jiān)測到裂縫隨加載的逐步開裂過程。但是可以預(yù)見，如果在圓形截面抗滑樁縱筋內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，則可以有效控制裂縫開展，提高抗滑樁承載能力。

5 結(jié)語

通過對圓形截面抗滑樁進行模擬試驗，得出以下結(jié)論：

1)在滑坡推力作用下圓形截面抗滑樁中混凝土承受的彎矩遠小于鋼筋承受的彎矩，即鋼筋承擔了大部分的滑坡推力作用。

2)在滑坡推力作用下圓形截面抗滑樁的彎矩和剪力曲線均呈S形分布，存在反彎點，隨著加載的增加彎矩和剪力均逐漸增大。

3)圓形截面抗滑樁在受力過程中產(chǎn)生的裂縫均勻分布，說明滑坡推力均勻作用在整根抗滑樁上。

4)圓形截面抗滑樁最大裂縫及破壞區(qū)域出現(xiàn)在模型樁底部，說明在模型試驗條件下，圓形截面抗滑樁底部為最容易發(fā)生破壞的脆弱區(qū)。