沉埋式雙排抗滑樁加固滑坡承載機理研究

董 捷，許鵬飛，仲 帥，陳效星

(1.河北建筑工程學院，河北張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北張家口 075000； 3.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

引言

對于大型滑坡或滑體厚度較大的公路、鐵路邊坡支護工程，單排樁可能無法滿足抗滑要求，因此雙排抗滑樁作為更加有效的加固滑坡的支擋結構，在我國的實際工程中已得到廣泛應用[1-4]。大量學者主要通過數值計算和模型試驗等方式來了解雙排抗滑樁的承載機理，并結合實際工程對其理論進行驗證[5-10]。

沉埋式雙排抗滑樁作為抗滑樁的一種新型加固滑坡的結構形式，在工程中開始應用，如重慶市武隆縣政府滑坡[11]、重慶市奉溪高速公路大坪滑坡[12]等。采用后排樁沉埋進滑體中，前排樁全長設置的方式，充分利用后排樁樁頂土體自身的強度來分擔滑坡推力，減小了樁身受力，并且后排樁獨特的布置方式，改變了滑體滑動面的位置，全長式前排樁則是以防因某些原因導致后排樁出現越頂破壞而進行的預防性支護。有關沉埋式單排抗滑樁的抗滑機制[13]，許多學者進行了積極探索，如：張曉曦等[14]運用極限上限定理和極限分析的扇形條分法，對沉入式抗滑樁進行了理論研究。路培毅等[15-16]采用有限元程序ABAQUS，以接觸面形式考慮樁土相互作用，分析了雙排樁的樁間距對雙排支護結構的影響。宋雅坤等[17]在室內模型試驗的基礎上，運用有限元方法，計算出了沉埋單排抗滑樁樁身所受推力分布形式、推力大小和樁頂土推力的分布形式及大小。雷文杰等[18-20]采用有限元方法，針對不同樁長抗滑樁設樁位置上的滑坡推力及樁身內力進行了系統的研究，并通過一系列室內模型試驗，探究了沉埋單排抗滑樁加固滑坡的加固機理。而針對沉埋式雙排抗滑樁的研究，胡峰等[21]采用有限元方法，分析了前、后排抗滑樁的受力特點及滑體內塑性區發展隨沉埋深度的變化規律。申永江等[22]通過建立有限元模型，對比了雙排長短組合樁與其他形式抗滑樁的內力與變形，認為雙排長短組合樁的布置形式可以使前后兩排樁均充分發揮各自的抗滑作用。肖世國等[23]則通過數值模擬和模型試驗結果對比，認為嵌入的后排樁和全長前排樁的布局是合理的，為沉埋式雙排抗滑樁的理論設計提供了有益的結論。

綜上所述，目前對于沉埋式雙排抗滑樁的承載機理的研究尚少，因此在文獻[21]的基礎上設計一種沉埋式雙排抗滑樁的模型試驗，通過探究抗滑樁樁后推力、土拱效應及樁身內力變化，分析了不同沉埋深度的抗滑樁受力與內力變化的規律，進而確定沉埋式雙排抗滑樁的合理設計沉埋深度。

1 試驗設計方案

1.1 模型試驗裝置

圖1 模型試驗箱

試驗采用由鋼板鉚接而成的模型箱，如圖1所示。模型試驗滑坡推力采用水平推力模擬，通過液壓千斤頂分級加載的方式推動填土后側的推土板施加水平推力，共分10 級，在每級荷載施加完成后待百分表讀數基本穩定后再施加下一級荷載。推土板為10 mm厚鋼板，高度400 mm，長度1 490 mm，為分散千斤頂的集中荷載，將10 mm厚的剛性墊板置于千斤頂和推土板之間，千斤頂后側由鋼筋混凝土試塊作為其與模型箱的輔助支撐，且該側模型箱緊貼于反力墻上。在施加荷載過程中要保持推土板垂直，避免出現推土板傾斜，導致試驗出現誤差。

1.2 模型試驗材料

試驗模型主要包括模型樁、嵌固槽及模型箱內滑體材料。模型試驗不考慮地下水及外荷載的影響，選用性質均勻的新黃土分層進行填筑，每層厚度為100 mm，設計填高400 mm用以模擬直線型土質邊坡；模型樁采用直徑D=75 mm PVC管內灌注砂土來模擬抗滑樁，采用簡支梁法測得模型樁的抗彎剛度EI=785.31 N·m2，如圖2所示。

圖2 簡支梁法示意

前排樁長為800 mm，滑面以上受荷段H為400 mm，后排樁沉埋深度h分別為0，80，160，240 mm，取沉埋深度與受荷段比h/H分別為0，0.2，0.4，0.6，雙排樁行間距取3D，排間距取4D；嵌固槽由20 mm厚木板制作而成，取嵌固槽深400 mm，槽內回填砂土材料并夯實以固定模型樁，圖3為模型試驗示意。

圖3 模型試驗示意(單位：mm)

1.3 數據采集系統

試驗采用XL2101A24靜態電阻應變儀采集土壓力數據，NI9237模塊采集樁身應變數據。為監測抗滑樁樁身所受壓力，在1號樁及4號樁前后20 mm處沿受荷段高度埋設土壓力盒，各壓力盒間距為80 mm，并沿x方向在樁間跨中截面處埋設土壓力盒，監測y方向土壓力，埋深100 mm，布置方式見圖4；同時在2號樁及3號樁樁身粘貼電阻應變片來推算樁身內力變化，其中受荷段粘貼5個，嵌固段粘貼3個，對稱布置且高度與土壓力盒高度相對應。利用百分表監測前排模型樁的樁頂位移變化。

圖4 樁間跨中截面土壓力盒布置方式

2 模型試驗結果分析

2.1 土壓力分析

2.1.1 土壓力分布規律分析

抗滑樁樁身內力大小與樁身受力分布有著緊密聯系，研究樁身受力分布對于沉埋式雙排抗滑樁的設計有著積極作用。圖5～圖8為橫向推力作用下樁身受力分布曲線，通過對數據的分析計算，可求得抗滑樁所受合力的重心位置，列于表1中。由圖中分布曲線并結合表1分析得到不同h/H條件下前后排抗滑樁受力分布曲線的變化情況：隨著h/H的增加，后排樁承擔的滑坡推力和樁前抗力逐漸減少，其重心位置均逐漸下移，樁后推力大致呈梯形分布，樁前抗力的分布形式呈倒梯形；前排樁的受力分布形式受后排樁長的影響，當h/H逐漸增大，其重心位置呈先減小后增大的趨勢，樁后推力分布形式由矩形分布逐漸過渡為梯形分布，前排樁樁前抗力的重心位置基本位于樁的中部附近，排除誤差和計算精度的問題，可認為前樁樁前抗力分布形式為矩形分布。

圖5 h/H=0樁身受力分布曲線

圖6 h/H=0.2樁身受力分布曲線

圖7 h/H=0.4樁身受力分布曲線

圖8 h/H=0.6樁身受力分布曲線

h/H雙排樁樁后合力重心距滑面距離/cm雙排樁樁前合力重心距滑面距離/cm后排樁前排樁后排樁前排樁020222625重心位置0.48H0.52H0.66H0.58H0.214172022重心位置0.36H0.42H0.49H0.56H0.410181520重心位置0.26H0.45H0.37H0.51H0.67181022重心位置0.17H0.46H0.24H0.55H

2.1.2 土拱效應分析

根據部分學者的現有研究，認為可以利用法向應力突變來衡量土拱效應的程度和作用范圍[24]。圖9為模型樁間跨中截面上的土壓力監測結果，由圖9不難看出，當h/H=0時，前后排樁跨中截面上發生了突變，即產生土拱效應，前排樁后15 cm處最大，前排樁及后排樁樁間急劇減小；當h/H逐漸增大，前排樁后最大的位置沒有發生變化，但值先減小后增大，表明土拱效應先減弱后增強，即前排樁承受的水平推力先減小后增大。綜上所述，當h/H≤0.4時，土拱效應較全長雙排樁時弱，前排樁承擔的水平推力較小，當h/H=0.6時，土拱效應較全長雙排樁時強，前排樁承擔更大的水平推力，x=30 cm處即后排樁頂處土體的隨h/H的增加逐漸增大，說明樁頂土體承擔的水平推力逐漸增大。

圖9 跨中截面分布曲線

2.1.3 雙排抗滑樁承載比例分析

表2為不同h/H情況下，沉埋式雙排抗滑樁各樁的承載比例，其中α為前排樁承載比與后排樁承載比的比值，從表2可看出，后排樁沉埋深度對前排樁承載比的大小起關鍵作用。當h/H=0時，前后排樁分別承擔了39%和61%的荷載。隨著h/H的逐漸增加，后排樁由于樁身長度減小，其承載比必然減小，前排樁承載比則先減小后增大。這是因為后排樁樁身長度的改變影響了傳遞至前排樁的橫向推力的大小，部分荷載由兩排樁之間土體承擔，逐漸向前排樁傳遞。當h/H=0.6時，前排樁的承載比要比后排樁的承載比大，說明前排樁承擔了較大的橫向推力，采用內插法可求得當h/H=0.45時α=1，即兩樁的承載比比較接近。那么認為當h/H大致為0.45時，前后排樁的受力情況較為合理，能發揮較好的承載能力，可認為該沉埋深度為設計沉埋深度。

表2 不同h/H下雙排樁承載比例

2.2 樁身變形分析

2.2.1 樁頂位移變化

樁頂位移能夠反映樁身變化的程度，圖10所示為不同加載等級下前排樁樁頂位移的變化曲線。由圖10可知，前排樁樁頂位移隨著荷載增加而逐漸遞增，當h/H不同時，樁身變形程度也不同，如：h/H為0，0.2，0.4，0.6時，對應的前排樁頂最大位移分別為5.28，4.49，4.75，5.54 mm，其變化規律為先減小后增大，當h/H=0.6時，前排樁頂位移超過了未沉埋時的變形。總的來說，適當的后排樁沉埋深度能夠使前排樁樁頂位移減小，減小承擔的滑坡推力。

圖10 不同加載等級下前排樁頂位移變化曲線

2.2.2 樁身內力變化

為分析探討不同h/H情況下，雙排抗滑樁在橫向推力荷載作用下的內力變化情況，試驗分別采集了2號樁及3號樁樁身應變值，根據各測點的應變值可計算出該測點的彎矩值，計算得到如圖11所示的樁身彎矩。

圖11 抗滑樁樁身彎矩變化曲線

從圖11可以看出：前后排樁的最大彎矩值均位于滑面以下一定距離，且樁身彎矩的變化規律基本為拋物線狀。同一橫向推力荷載作用下，隨著h/H的增加，后排樁樁身長度逐漸減小，承擔的滑坡推力逐漸減小，對應最大彎矩值分別為350，282，240，120 N·m，并依次減小了19%、31%和66%；前排樁的最大彎矩值則呈現先減小后增大的趨勢，對應的最大彎矩分別為237，186，210，253 N·m，這是由于樁頂滑體依靠自身抗剪強度抵抗滑坡推力，導致傳遞到前排樁的滑坡推力減小，彎矩減小；隨著沉埋深度的進一步增加，通過樁間土體傳遞至前排樁的滑坡推力增大，前排樁最大彎矩逐漸增大，當h/H=0.6時，前排樁最大彎矩超過全長樁時的最大彎矩。

3 數值模擬分析

為進一步探究沉埋式雙排抗滑樁不同樁排距情況下的設計沉埋深度，運用FLAC3D建立與室內試驗相同的數值模型，探討不同排距下雙排樁的承載比，取樁排距分別為2D、3D、4D和5D。數值模型中滑體和滑床均采用Mohr-Coulomb準則，抗滑樁采用實體單元模擬，樁土分界面及巖土分界面建立無厚度的接觸面單元，土體及抗滑樁的物理力學參數如表3所示。每次試驗時保持滑坡不變，通過改變后排樁位置來模擬排間距的變化，將數值模擬結果列于表4。

表3 抗滑樁及巖土體材料參數

表4 不同排間距下的α

由表4可以看出，在不同排間距情況下，前排樁承載比與后排樁承載比的比值α的變化規律與模型試驗結果較為一致，利用內插法求得當前后排樁承載比接近時的h/H分別為0.5，0.48，0.46和0.42。這說明隨排間距的逐漸增大，當前排樁承載比與后排樁承載比較為接近時，沉埋式雙排樁的設計沉埋深度逐漸減小，各樁能較好地發揮承載能力。

綜上所述，沉埋式雙排抗滑樁的后排樁沉埋深度對雙排樁整體的影響起到至關重要的作用，通過樁間土拱效應、承載比以及樁身受力變化的研究，可以確定合理沉埋深度以調節樁身受力，降低工程造價。

4 結論

沉埋式雙排抗滑樁的受力分布形式受后排樁沉埋深度的影響：前排樁樁后推力的分布形式呈梯形分布，其重心位置隨沉埋深度的增加先減小后增大；前排樁樁前抗力的分布形式呈矩形分布，其重心位置隨沉埋深度的增加而變化，但變化不大，均位于樁長的h/2附近；隨后排樁沉埋深度的增加，樁后推力和樁前抗力的重心均逐漸降低，分布形式分別呈梯形分布和倒梯形分布。

前排樁土拱效應可由法向應力突變來衡量，由沉埋式雙排抗滑樁模型試驗可知，前排樁土拱效應受到后排樁沉埋深度的較大影響，其跨中截面上σy的最大突變位于前排樁后15 cm處，前排樁間的σy突變很小，隨著沉埋深度的增加，前排樁后土拱效應先減弱后增強。

后排樁沉埋深度對前排樁承載比的大小起關鍵作用，隨h/H的增加，前排樁承載比先減小后增加，當h/H大致為0.45時，前后排樁均充分發揮各自的承載能力，前后排樁樁身最大彎矩也相差不大，并結合分析樁身內力及樁頂位移的變化情況，考慮該沉埋深度可作為設計沉埋深度。

數值模擬試驗結果表明，隨樁排距的增加，當前排樁承載比與后排樁承載比的比值α較為接近時，對應的h/H逐漸減小，說明對于沉埋式雙排抗滑樁而言，排間距越大，后排樁的設計沉埋深度越小，但差距不大。