巖土邊坡格構梁-預應力錨桿模型試驗研究

摘 要：格構梁和預應力錨桿可用于增強黃土邊坡的穩定性并防止其崩塌。文章研究設計了具有加固機制的格構梁和預應力錨桿（LBPAR），并在黃土地區巖土邊坡的圓形滑移面上進行模型試驗。通過格構梁-預應力錨桿分析了黃土斜坡與格構梁-預應力錨桿之間的相互作用，采用設計的試驗模型研究了弧形滑動面滑床滑動質量的穩定性，通過大型物理模型試驗探討了格構梁-預應力錨桿中格構梁的內力分布情況。結果表明：格構梁-預應力錨桿可以有效加固滑坡體，提高黃土地區邊坡的整體穩定性；隨著豎向荷載的作用，主錨桿的軸向拉應力不斷增大，錨桿的彎曲區域集中在滑動表面2 m以內，最大彎矩達到70 N·m；滑動體同時受到豎向荷載壓力、格構梁壓力和自重的作用，最大土壓力值在格構梁節點附近。實踐證明，該方法在黃土地區巖土邊坡的滑坡工程設計中具有良好的應用前景。

關鍵詞：巖土邊坡；格構梁；預應力錨桿；室內模型試驗

中圖分類號：U416.1+4

0"引言

黃土是一種松散的沉積物，自第四紀以來在干旱氣候條件下通過風化沉積形成。黃土由固相、液相和氣相組成，形成滑動床，我國是世界上黃土分布最廣的國家之一。黃土總面積近63.1×104 km2，占我國陸地面積的近6%。沉積后形成的黃土土層被雨水侵蝕，形成了千溝萬壑的現狀［1］。且黃土滑坡、流動滑坡和地面塌陷等地質災害影響著人們的生活和生計，崩塌、邊坡失穩等地質災害受制于人類對坡腳的干預［2］。因此，公路、鐵路、機場和城區等建筑不可避免地受到黃土滑坡危害的威脅，且需要新的工藝進一步有效提高黃土地區巖土邊坡的抗滑性能。

格構錨固技術是一種輕型柔性場地結構，可便捷地與其他防滑坡結構相結合，適用于高陡滑坡的安全防護，并可與各種形式的柔性植被保護系統相結合。任祥等［3］提出了一種格構錨固技術穩定斜坡的設計方法，并設計了一種物理模型試驗，利用光纖監測研究加固模型斜坡的演變過程，以提高樁在填土中的拉拔能力，進而有助于控制邊坡填土沿界面的拉伸變形。而上述邊坡加固方法仍易使黃土邊坡產生位移［4］。因此，需要進一步加強格構梁-預應力錨桿的試驗研究和機理研究，且螺栓直徑、間距和力學性能等因素影響著圓形滑面黃土滑坡的加固效果［5］。同時，還需要研究滑體、滑床、預應力錨桿和格構梁之間土體和錨桿的相互作用。

基于此，本研究提出了一種利用格構梁-預應力錨桿分析黃土地區滑坡穩定性及其加固機理的方法。設計一個具有弧形滑動面的黃土小型真實滑坡模型，建立一個加筋結構模型，以加強滑床上的滑動體，根據格構梁-預應力錨桿的荷載壓力特性，研究弧形滑動面滑床滑動質量的穩定性。

1"試驗方法設計

1.1"格構梁-預應力錨桿模型

本研究主要關注采用格構梁-預應力錨桿對黃土邊坡進行加固的機理。如圖1所示，格構梁-預應力錨桿由格構梁和預應力錨桿兩部分組成。滑動體通過支撐系統固定在滑床上，預應力錨桿的錨固部分錨固在滑床上，可防止滑動體沿滑動表面向下滑動［6］。滑動體在格構梁壓力產生的預緊荷載作用下被壓實，格構梁通過錨桿將滑動體固定在滑床上。在試驗模擬研究中，假定滑動材料是均勻的，不考慮地下水和地表水的滲流［7］，只考慮了滑動體的總變形和靜載荷下土壤的破壞，固定格構梁被假定為相對于土壤的剛性部件，滑動床在整個研究過程中被認為是穩定的。

1.2"室內模型箱設計

本文通過設計一個全尺寸黃土滑坡模型試驗箱，以研究具有弧形滑動面的格構梁-預應力錨桿的加固機制。試驗箱長10.0 m、高7.5 m、寬6.6 m。模型箱內壁貼有塑料板，以減少邊緣效應并保持濕度恒定［8］。黃土斜坡模型的橫截面為直角梯形。試驗中使用的黃土來自西安南郊的一個建筑工地。模型的頂部和底部長度分別為6.5 m和9.25 m。斜坡與水平面成60°角。在滑動塊和滑床之間設計了一個弧形滑動面，拱形半徑為6.855 m，拱弦與水平面的夾角為43°。滑動塊通過預設的弧形滑動面與滑床接觸，滑動塊頂部的寬度為2.815 m。在試驗過程中，首先用黃土逐層壓實模型的滑動床。在壓實過程中，模型土的壓縮系數選為1.2。壓實土壤的實際重量和含水率分別為20.7 kN/m3和15%。弧形滑動面由雙層塑料板組成，作為滑動體和滑動床之間的接觸邊界材料，具有良好的滑動性能［9］。

同時，黃土邊坡滑動體中還填充了人工分層夯實的黃土，并在試驗模型中安裝了土壓力傳感器、位移傳感器、應力計和應變計傳感器。如圖2所示，沿著預應力錨桿安裝了帶箔電阻的應變片，四個應變片分別布置在每個測量點截面的上、下、前、后四個方向。錨桿通常配有應變片，用于測量試驗中錨固段和自由段的應變［10］。在滑動面附近50 cm范圍內，錨固部分和自由部分的應變片之間的距離為20 cm，其余自由部分的應變片之間的距離為80 cm。使用TST3826靜態應變測試和分析系統進行應變片和位移傳感器的應變測試。應力計的數據由XL-DSY01六線智能讀數系統采集，土壓力傳感器的數據由XHY-ZH1 讀數儀采集。

2"結果與討論

2.1"滑動體的變形

隨著垂直荷載的增加，滑動體的位移持續變化。圖3為滑動體位移曲線，通過在滑動體頂部和斜坡底部的位移測量點采集數據得到，預應力錨桿將滑塊固定在格構梁和滑床之間。在該試驗中可以觀察到，當載荷為6 kPa時，坡頂會出現小的位移，而坡底則沒有位移。當荷載達到12 kPa時，坡底剪切口的位置發生變化，滑體開始滑移。隨著荷載逐漸增大，錨桿中間自由段的應力逐漸增大，格構梁連接處的應變值和連接處中間跨度的應變值也隨之增大。當荷載的最終應力達到42 kPa時，坡頂的最終位移達到66 mm，坡底的位移達到72 mm，且滑動體在荷載作用下沿著圓形滑坡體滑動。預應力錨桿通過格構梁對滑動體施加壓應力，并增加滑動面上的摩擦力。同時，由于滑動體在滑動面位置發生位移，錨桿發生部分彎曲。坡腳和坡頂的位移如圖3所示。當垂直荷載應力為42 N/mm2時，坡腳的位移達到72 mm。

2.2"錨桿軸向力變化

圖4為中間垂直布置的錨桿在荷載作用下從滑塊頂部到底部的軸向力變化曲線。由圖4可知，隨著垂直荷載的施加，主錨桿的軸向拉應力不斷增加，且從下到上，第一排的軸向力與其他各排明顯不同。第一排靠近剪切出口，根據測試結果，第一排錨桿的預應力隨著垂直荷載的增加而不斷減小。土體受到預應力作用，格構梁-預應力錨桿對滑動體進行壓縮。當預應力荷載為5 N/mm2時，錨桿的應力為32.5 MPa；當預應力荷載為10 N/mm2時，錨桿的應力為65 MPa。從第2排到第4排，錨桿的受力不斷增加。第一排和第五排不同，在加載過程中，第一排錨桿預應力的軸向會出現一定的應力松弛。在滑動體的整體旋轉過程中，位置變化導致第五排錨桿的壓縮土移動，造成部分應力損失。

2.3"錨桿軸向拉伸應力與彎矩變化

下頁圖5為錨桿隨荷載變化的軸向拉伸應力曲線。由圖5明顯可知，以滑動面為邊界，錨固段和自由段之間的應力值變化很大。錨固區最大應力為140 N/mm2，平均應力為60 N/mm2。此時，整個邊坡滑動體的土壤受到垂直和側向的擠壓，部分土壤在與滑動床、錨桿和格構梁接觸時，逐漸處于剪切破壞狀態。由于滑動體和滑動床的相對運動，軸向拉伸預應力錨桿受到局部的絕對力的影響，導致滑動體的位移和變形增加，且可觀察到自由區的錨桿軸向拉伸應力數值較大，最大應力為143 N/mm2，最小應力為16 N/mm2。下頁圖6為預應力錨桿彎矩變化情況。分析圖6試驗數據揭示了加載過程中不同位置的彎矩分布規律，錨桿在滑動面兩側彎曲。錨桿的彎曲區域集中在距離滑動面2 m的范圍內，最大彎矩達到70 N·m。在應變計位置為3.3 m時，出現最小彎矩為-52.2 N·m。顯然，錨桿在錨固段的軸向應變很小，自由段的應力隨滑動體的整體運動而變化。在軸向力的作用下，錨桿受到與其粘結的水泥砂漿體的阻力影響，與其粘結的水泥砂漿體受到滑動床土體阻力的影響，起到錨固作用。錨固段的水泥砂漿外表面與滑動層接觸，錨桿的軸向力通過砂漿傳遞給滑動層。

2.4"討論

格構梁可以保護滑動體，防止滑動體沿滑動面下滑。在外加荷載的過程中，試驗研究了邊坡的變形、格構梁的裂縫分布以及每根錨桿的拉力特征。試驗研究表明，滑動體呈向下滑動趨勢，錨桿和格構梁共同加強了滑動體的穩定性，且在滑坡部分的垂直荷載作用下，被壓滑坡對應力進行了抵消。在實際的加固工程中，滑動體的折疊性和松弛性是由結構梁在壓實后局部壓縮滑動體所引起的，黃土的特征受環境的影響。此外，錨固力也因壓縮土的變形而受到破壞。然而，在荷載作用下，滑動體的垂直力抵消了預應力的損失，在滑坡推力或滑坡垂直荷載作用下，部分應力被壓縮滑塊抵消。在實際工程中，黃土邊坡的特性受黃土的區域特性、環境條件和加固方法的影響，對于失去預應力的錨桿來說，預應力會因壓縮土的變形而消失。然而，在外部荷載的作用下，滑動體的垂直力將抵消預應力的損失。在設計時，可取消剪力出口附近的錨桿，以便為最底層錨桿留出足夠的空間。最底層的錨桿應與剪力口之間留出足夠的空間。滑動體在滑動過程中受到垂直荷載、格構梁壓力和自重的作用，最大土壓力值位于格構梁節點附近，梁離地面越近，垂直底部格構梁的土壓力越大。在試驗過程中，各組均未出現明顯的滑坡失穩跡象，錨桿的最大拉力與錨桿的極限承載力相差甚遠，而格構梁接縫和跨中出現多條裂縫，表明錨桿的破壞結構已達到承載力極限狀態。

3"結語

本文對錨桿的加固機理、加固邏輯和加固理論進行了修正，并通過模型試驗對所提出的加固機理進行了驗證，并對黃土邊坡的力學特性進行了加固試驗研究。討論內容包括滑動體的變形特性、錨桿的應力分布以及整個加載過程中的系統分析。從中推斷出的主要結論總結如下。

（1）格構梁-預應力錨桿可以有效加固滑坡體，提高黃土邊坡的整體穩定性。滑動體的旋轉滑移直接與錨固力相關。隨著豎向荷載均布豎向荷載的增加，土體力學性質中滑動體的變形導致了旋轉滑動。當最終載荷值達到42 kPa時，坡頂的最終位移達到66 mm，坡腳的位移達到72 mm。

（2）格構梁-預應力錨桿是一種柔性黃土斜坡支撐系統，在滑動面兩側設有彎曲的錨桿，錨桿通過格構梁對滑動體施加壓應力。隨著荷載的增加，主錨桿的軸向拉應力不斷增加，錨桿的彎曲區域集中在滑動面2 m范圍內。最大彎矩達到70 N·m。

（3）滑動體同時受到垂直荷載壓力、格構梁壓力和自重的作用，最大土壓力值出現在格構梁節點附近，而且梁離地面越近，垂直底部格構梁的底土壓力就越大。雖然黃土斜坡不同部位的土質相同，但其力學特性卻不同。

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