周云濤，石勝偉，蔡 強(qiáng)，李乾坤，王林峰

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.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；3.重慶交通大學(xué)山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引言

抗滑樁作為滑坡工程中常用的治理技術(shù)之一，在近幾十年來(lái)應(yīng)用較為廣泛[1]。但在抗滑樁應(yīng)用過程中，常由于降雨、施工爆破、地震等多發(fā)因素而產(chǎn)生一定變形[2-3]，變形嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)滑坡體的破壞，嚴(yán)重影響交通干線、基礎(chǔ)設(shè)施、人員等生命財(cái)產(chǎn)安全。如1989年3月，英國(guó)特雷弗至雷克斯?jié)h姆郡的公路發(fā)生滑坡災(zāi)害[4]，導(dǎo)致公路路面嚴(yán)重開裂，采用錨拉樁治理后一年滑坡再次發(fā)生滑移，誘發(fā)樁體產(chǎn)生5°的傾斜變形，最大傾斜角度可達(dá)15°，該滑坡在1990—2001年仍以每年9 mm的速率緩慢變形；位于西班牙南部?jī)?nèi)華達(dá)州的迭斯馬滑坡[5]，2001年3月18日發(fā)生變形破壞，前緣部分沖毀塞爾維亞至阿爾默的高速公路，經(jīng)深井排水系統(tǒng)與錨拉樁治理完成后，于2009年12月至2010年2月再次出現(xiàn)復(fù)活跡象，導(dǎo)致抗滑樁變形，并具有突發(fā)破壞的趨勢(shì)；同樣位于四川省汶川縣的某段高速公路滑坡治理工程，采用懸臂式抗滑樁加樁間擋土板治理數(shù)年后發(fā)生變形問題(圖1)，抗滑樁發(fā)生明顯傾斜，角度約6°，同時(shí)伴隨樁間板脫離樁體、板間錯(cuò)動(dòng)、移位等現(xiàn)象。由此可見，抗滑樁變形問題突出，采用何種技術(shù)修復(fù)加固變形抗滑樁、變形加固機(jī)制以及修復(fù)加固設(shè)計(jì)計(jì)算等問題亟待研究。

圖1 汶川縣某段高速公路滑坡抗滑樁發(fā)生傾斜Fig.1 Inclined anti-sliding piles on a section of highway, Wenchuan

工程實(shí)踐表明[6-7]，施加預(yù)應(yīng)力錨索是修復(fù)加固變形抗滑樁行之有效的手段之一。目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者僅對(duì)錨拉樁的變形破壞機(jī)理[8-9]、加固機(jī)制[10-11]、設(shè)計(jì)計(jì)算方法[12-14]、加固效果評(píng)價(jià)[15]等方面開展了相關(guān)研究，但采用預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)變形抗滑樁的加固機(jī)制以及設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，而模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合是研究錨拉樁加固機(jī)制的重要手段[16-17]。本文在開展系列大型野外模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步得到了采用預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)加固變形抗滑樁的機(jī)制，為了進(jìn)一步驗(yàn)證此機(jī)制，對(duì)模型試驗(yàn)開展數(shù)值模擬分析，并討論修復(fù)加固所需的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)等內(nèi)容。研究成果對(duì)于變形抗滑樁的修復(fù)加固工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀挥谒拇ㄊ〗褪薪鸸獯逡还愤吰律?，邊坡表面較為光滑，為順層灰?guī)r質(zhì)坡體。模型填筑于斜坡表面，模型順坡長(zhǎng)4.0 m，寬3.4 m，高2.0 m。加載裝置為4個(gè)圓柱形千斤頂，通過傳力板對(duì)坡體進(jìn)行施加荷載。千斤頂后緣修筑有反力墻，可提供200T反力，滿足試驗(yàn)需求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2和圖3所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.2 Sketch map of test model

1.2 模型材料

滑體：滑體為黏性土，采用人工分層填筑夯實(shí)，擊實(shí)后的土體密度為2.1 g/cm3，含水量為18%。

滑面：設(shè)置一順層滑帶，采用雙層塑料薄膜均勻涂抹潤(rùn)滑油進(jìn)行模擬，黏聚力為0.9 kPa，內(nèi)摩擦角為5°。

基巖：滑床為完整灰?guī)r質(zhì)基巖，巖體強(qiáng)度較高，微風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀為116°∠23°。

抗滑樁模型：樁體截面尺寸為24 cm×30 cm，抗滑樁樁長(zhǎng)3.0 m，其中懸臂段長(zhǎng)2.0 m，嵌固段長(zhǎng)1.0 m。采用C20標(biāo)號(hào)混凝土預(yù)制，樁周配4根Φ16鋼筋為主筋，箍筋采用雙肢Φ8，間距150 mm。圖3可見安裝完成的抗滑樁模型?？够瑯稒M向樁間距為1.0 m，從左至右依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Model of site test

錨索：錨索為單根Φ15.2鋼絞線，設(shè)置于每根樁頂以下80 cm位置，錨索與水平面夾角為10°，錨索錨固段鎖固于基巖內(nèi)，長(zhǎng)2.0 m，自由段長(zhǎng)3.2 m。

1.3 加載方案

加載方案分為抗滑樁變形加載和預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)加載?？够瑯蹲冃卧囼?yàn)采用分級(jí)加載方式，直至抗滑樁出現(xiàn)微裂紋為止。待抗滑樁產(chǎn)生微裂紋后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)加載，同樣采用分級(jí)加載方式，并監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)，直至抗滑樁產(chǎn)生明顯裂縫或已有微裂紋擴(kuò)展為止。

1.4 量測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中對(duì)中間2#、3#抗滑樁前后鋼筋應(yīng)變、混凝土表面應(yīng)變、樁頂位移、樁后土壓力進(jìn)行測(cè)量。鋼筋應(yīng)變片與混凝土應(yīng)變片每隔30 cm均勻布設(shè)，土壓力盒沿滑面依次向上每隔30 cm均勻布設(shè)，同時(shí)在樁頂部位設(shè)置位移計(jì)。

1.5 模型試驗(yàn)主要結(jié)論

(1)在一定限值范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力錨索可有效控制變形抗滑樁樁頂位移，降低樁身彎矩，提高變形抗滑樁承載能力，從而達(dá)到加固變形抗滑樁的目的；

(2)采用錨索修復(fù)變形抗滑樁存在最大錨固力限值，最大錨固力與滑坡推力、樁頂位移以及錨索施加位置直接相關(guān)；

(3)滑坡推力作用下變形抗滑樁樁后土壓力呈正三角形分布，施加預(yù)應(yīng)力錨索后樁后土壓力呈折線型分布。

2 模型試驗(yàn)數(shù)值分析

2.1 模型的建立

2.1.1 模型尺寸

試驗(yàn)的模擬模型由基巖、坡體、滑面、抗滑樁、錨索構(gòu)成?；鶐r模型長(zhǎng)9.5 m，后緣高5.0 m，前緣高1.1 m，平臺(tái)長(zhǎng)0.6 m，坡度23°；坡體頂面與基巖面平行，垂直高度2 m，底面長(zhǎng)4.0 m，頂面長(zhǎng)3.2 m；滑面面積為4.0 m×4.3 m；抗滑樁長(zhǎng)3.0 m，嵌固段1.0 m，自由段2.0 m，樁體截面尺寸為24 cm×30 cm；錨索長(zhǎng)5.0 m，錨固段長(zhǎng)2.0 m，自由段長(zhǎng)3.0 m，距離樁頂80 cm，與水平方向的夾角為10°。圖4為建立的模型網(wǎng)格。

圖4 試驗(yàn)數(shù)值模型Fig.4 Numerical simulation model of test

2.1.2 本構(gòu)模型

模型中的基巖與坡體均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，基巖與坡體之間的滑面采用界面單元模擬，抗滑樁與錨索采用FLAC-3D程序自帶的Pile結(jié)構(gòu)單元與Cable結(jié)構(gòu)單元。

2.1.3 計(jì)算參數(shù)

基巖、坡體、滑面、抗滑樁、錨索等模型計(jì)算參數(shù)見表1。

2.1.4 邊界條件

位移邊界條件：基巖模型底面為全部固定邊界，前緣面(X=9.5)與后緣面(X=0)在X軸方向固定，左側(cè)面(Z=3.4)與右側(cè)(Z=0)在Z軸方向固定，其余為自由邊界。

應(yīng)力邊界條件：將滑坡推力等效為均布荷載施加于坡體后緣，均布荷載隨加載步數(shù)線性增大。

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

2.2.1 預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)加固變形抗滑樁機(jī)制驗(yàn)證

通過試驗(yàn)分析得出，預(yù)應(yīng)力錨索的施加可有效控制變形抗滑樁樁頂位移，降低樁身彎矩，提高變形抗滑樁承載能力，從而達(dá)到加固變形抗滑樁的目的。

為了驗(yàn)證上述預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)加固變形抗滑樁機(jī)制，可從樁頂位移、樁身彎矩變化規(guī)律進(jìn)行分析。如圖5所示，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的樁頂位移數(shù)據(jù)均顯示，在滑坡荷載作用下，樁頂位移逐漸非線性增大。當(dāng)滑坡荷載達(dá)到50～80 kN時(shí)，樁頂位移變化速率顯著增加，表明抗滑樁已進(jìn)入急劇變形階段，具有破壞的趨勢(shì)，在3#樁滑面以上5 cm位置出現(xiàn)的樁身微裂紋(圖6)印證了此現(xiàn)象。當(dāng)變形抗滑樁施加預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)后，樁頂位移隨預(yù)應(yīng)力荷載基本不變化，甚至樁頂位移具有降低的趨勢(shì)，由此表明，錨索預(yù)應(yīng)力可顯著控制抗滑樁變形，起到修復(fù)加固的作用。同時(shí)，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的樁頂位移曲線對(duì)比分析可以得出，兩者的變化規(guī)律基本相同，具有一致性，均是隨滑坡荷載非線性增加，施加預(yù)應(yīng)力錨索后樁頂位移基本無(wú)變化，在樁頂位移數(shù)值上誤差不超過20%，驗(yàn)證了此數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

圖5 滑坡荷載(預(yù)應(yīng)力)作用下的樁頂位移曲線(3#樁)Fig.5 Displacement curves of pile top under the action of landslide force(prestress) (for pile 3#)

圖6 3#樁樁身微裂紋Fig.6 Micro-crack of pile 3#

圖7 不同樁身位置的彎矩分布Fig.7 Bending moment distribution of different section of the pile

樁身彎矩是評(píng)價(jià)抗滑樁承載性能的關(guān)鍵指標(biāo)[18](圖7)，在滑坡荷載作用下，樁身彎矩分布呈現(xiàn)為反“S”型，最大正彎矩出現(xiàn)在樁身1 m位置，最大負(fù)彎矩在滑面處(樁身2 m位置)，隨著滑坡荷載的增加，最大正彎矩逐漸降低，最大負(fù)彎矩逐漸增加，這與文獻(xiàn)[19]分析結(jié)果一致。當(dāng)滑坡荷載達(dá)到80 kN時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大彎矩值為-4.1 kN·m。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)變形抗滑樁時(shí)，隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增加可以發(fā)現(xiàn)，首先最大負(fù)彎矩與最大正彎矩均降低，然后最大正彎矩逐漸向滑面位置轉(zhuǎn)移，而最大負(fù)彎矩逐漸向樁頂位置轉(zhuǎn)移，總體而言，錨索預(yù)應(yīng)力作用下的樁身彎矩分布由反“S”型向正“S”型轉(zhuǎn)變。由此可見，在預(yù)應(yīng)力錨索修復(fù)變形抗滑樁過程中，樁身彎矩首先經(jīng)歷一個(gè)減小的過程，樁身彎矩降低，相應(yīng)地，抗滑樁所能承受的荷載將增加，預(yù)應(yīng)力錨索也就達(dá)到了修復(fù)加固抗滑樁的目的。同時(shí)，隨著預(yù)應(yīng)力荷載的逐步增加，樁身彎矩轉(zhuǎn)為正“S”型并逐漸增大，在彎矩最大值未超過臨界彎矩值時(shí)，所施加的錨索預(yù)應(yīng)力均是有效的，而其預(yù)應(yīng)力荷載的上限即是抗滑樁所能施加的最大錨固力值，在本次試驗(yàn)中，經(jīng)過最大彎矩值反算得出，當(dāng)滑坡推力為50 kN時(shí)，最大錨固力值為38.5 kN。

綜上所述，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的樁頂位移曲線與彎矩分布均表明，采用錨索預(yù)應(yīng)力可控制樁頂變形和降低彎矩，并存在錨索預(yù)應(yīng)力上限值，驗(yàn)證了錨索預(yù)應(yīng)力修復(fù)加固變形抗滑樁機(jī)制。

2.2.2 變形抗滑樁修復(fù)加固的最大錨固力

通過模型試驗(yàn)分析得出，錨索修復(fù)變形抗滑樁存在最大錨固力限值，最大錨固力與滑坡推力、樁頂位移以及錨索施加位置直接相關(guān)。由于模型試驗(yàn)難以考慮多級(jí)滑坡推力、樁頂位移以及錨索施加位置等因素，為了驗(yàn)證此結(jié)果，采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行模擬分析。

在模擬不同滑坡推力下的最大錨固修復(fù)力時(shí)，首先對(duì)模型施加指定滑坡荷載，再分級(jí)施加錨索預(yù)應(yīng)力，以抗滑樁初始屈服為控制條件，其對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力荷載即為最大錨固力。經(jīng)過模擬計(jì)算，得出了不同滑坡推力下的最大錨固修復(fù)力(圖8)。隨著滑坡推力的增加，最大錨固力呈現(xiàn)為三次拋物線降低趨勢(shì)。由此可見，滑坡推力越大，樁后土壓力越大，錨索預(yù)應(yīng)力為一集中荷載，樁身所承受的剪力由樁后土壓力與錨索預(yù)應(yīng)力的差值計(jì)算獲得，在樁身抗剪強(qiáng)度一定且確保樁身不破壞的條件下，滑坡推力愈大，相應(yīng)的錨索預(yù)應(yīng)力愈小。前述提到，當(dāng)模型試驗(yàn)滑坡推力為50 kN時(shí)，經(jīng)反算最大錨固力值為38.5 kN，而圖8中顯示，數(shù)值模擬得到的最大錨固力值約40 kN，誤差僅3.8%，驗(yàn)證了本次數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖8 不同滑坡推力下的最大錨固修復(fù)力Fig.8 The maximum repair anchoring force under the different landslide thrust

樁頂位移是抗滑樁變形的直觀表征，可以直接反映樁頂?shù)淖冃螤顟B(tài)[2]。通過施加滑坡推力致使樁體變形到指定樁頂位移，然后施加錨索預(yù)應(yīng)力至抗滑樁初始屈服，對(duì)應(yīng)的錨索預(yù)應(yīng)力值即為最大錨固修復(fù)力。圖9給出了模擬獲得的最大錨固修復(fù)力隨樁頂位移的變化曲線，當(dāng)樁頂處于初始位置(樁頂位移為0)時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大錨固修復(fù)力為87.5 kN，表明抗滑樁在不受滑坡推力條件下的極限承載力為87.5 kN，因此，在滑坡推力作用下的抗滑樁所能施加的錨固力均將小于此值；隨著樁頂位移的增大，最大錨固修復(fù)力近似呈現(xiàn)為負(fù)指數(shù)降低的趨勢(shì)。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在錨索預(yù)應(yīng)力作用下，樁頂位移得到有效控制，但樁頂位移不會(huì)隨著預(yù)應(yīng)力的增加而降低，因此，施加的錨索預(yù)應(yīng)力完全作用于抗滑樁，在樁后土體中表現(xiàn)為較高的被動(dòng)土壓力。在錨索預(yù)應(yīng)力與被動(dòng)土壓力的雙重荷載下，抗滑樁將承受較高的剪切力，隨著樁頂位移增加，滑坡推力相應(yīng)增高[2]，在抗滑樁抗剪強(qiáng)度一定條件下，所能施加的預(yù)應(yīng)力值相應(yīng)減小，因此出現(xiàn)了隨樁頂位移增大最大錨固修復(fù)力呈現(xiàn)為降低趨勢(shì)的現(xiàn)象。

圖9 不同樁頂位移下最大錨固修復(fù)力Fig.9 The maximum repair anchoring force under the different displacement of pile top

在抗滑樁設(shè)計(jì)過程中，錨索施加位置多為人為定性取值，難以定量選擇。此次模型試驗(yàn)的錨索施加位置距樁頂80 cm，難以獲得其他施加位置的最大錨固力情況。為了獲取最大錨固力與錨索施加位置之間的關(guān)系，采用數(shù)值模擬手段，在滑坡推力50 kN條件下，距離樁頂不同位置施加錨索預(yù)應(yīng)力致使抗滑樁初始屈服，獲得了最大錨固力如圖10所示。圖10顯示，最大錨固力與距離樁頂位置呈現(xiàn)為近似線性相關(guān)關(guān)系，并隨著距樁頂位置的增加，最大錨固力不斷降低。前述提到，錨索預(yù)應(yīng)力為一集中力，由于樁體一般為懸臂結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力施加后將直接改變錨索施加位置下方的抗滑樁受力情況，而對(duì)錨索施加位置上方的抗滑樁受力影響較小，同時(shí)將直接導(dǎo)致錨索以下樁后被動(dòng)土壓力的突然增加，尤其以錨索附近土壓力增加更為顯著，因此，錨索施加位置越遠(yuǎn)離樁頂位置，即距樁頂位置越大，施加的預(yù)應(yīng)力在樁后的土壓力集中效應(yīng)越顯著，而抗滑樁承受的剪切荷載也相應(yīng)增大，由此才出現(xiàn)距樁頂位置越遠(yuǎn)最大錨固力越小的規(guī)律。由此可以認(rèn)為，樁頂位置施加錨索預(yù)應(yīng)力修復(fù)加固變形抗滑樁是較優(yōu)的選擇，可通過樁頂加連系梁，梁中間施加預(yù)應(yīng)力錨索的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)抗滑樁的修復(fù)加固。

圖10 不同錨索施加位置下的最大錨固修復(fù)力 (滑坡推力50 kN)Fig.10 The maximum repair anchoring force under the different position of anchor cable(for 50 kN of landslide thrust)

2.2.3 樁后土壓力分布

樁后土壓力分布是計(jì)算樁身彎矩、剪力乃至抗滑樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[20]。在滑坡推力作用下，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬顯示，樁后土壓力分布規(guī)律一致，均呈現(xiàn)為正三角形分布型式，與文獻(xiàn)[20]獲得的樁后土壓力分布一致，同時(shí)，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬獲得的土壓力值誤差小于20%，表明了該數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

在錨索預(yù)應(yīng)力荷載作用下(圖11)，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬顯示，樁后土壓力分布規(guī)律一致，均呈現(xiàn)為折線型分布，滑面處的樁后土壓力在一定程度降低，而錨索施加位置附近樁后土壓力顯著增大，最大值約為未施加錨索預(yù)應(yīng)力值的1.4倍，而中間位置的土壓力變化較小，這是由錨索預(yù)應(yīng)力集中荷載在施加位置形成的應(yīng)力集中效應(yīng)引起的。該分布型式研究結(jié)果對(duì)于變形抗滑樁修復(fù)加固設(shè)計(jì)具有顯著指導(dǎo)意義。

圖11 樁后土壓力分布(滑坡推力50 kN)Fig.11 Distribution of soil pressure behind the pile (for 50 kN of landslide thrust)

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)模型試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析，樁頂位移曲線與彎矩分布均驗(yàn)證了錨索預(yù)應(yīng)力修復(fù)加固變形抗滑樁機(jī)制，預(yù)應(yīng)力錨索的施加可有效控制變形抗滑樁樁頂位移，降低樁身彎矩，提高變形抗滑樁承載能力，從而達(dá)到加固變形抗滑樁的目的。

(2)采用數(shù)值模擬方法討論得出，錨索預(yù)應(yīng)力修復(fù)加固變形抗滑樁存在錨索預(yù)應(yīng)力上限值，此上限值隨滑坡推力的增加三次拋物線降低，隨樁頂位移的增大負(fù)指數(shù)降低，隨距樁頂位置增加近似線性降低。

(3)在滑坡推力作用下，樁后土壓力為正三角形分布，在錨索預(yù)應(yīng)力修復(fù)荷載作用下，呈現(xiàn)為折線型分布，該分布型式研究結(jié)果對(duì)于變形抗滑樁修復(fù)加固設(shè)計(jì)具有顯著指導(dǎo)意義。