不同截面形状抗滑桩承载性状对比试验研究①

林丽萍， 朱兴帅， 贺建清

（1.湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭411101； 2.湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南 湘潭411201）

在滑坡治理中，抗滑桩依靠桩周土对桩的嵌固作用将滑坡推力传递至下部稳定的地层中，利用稳定地层岩土的锚固作用平衡滑坡推力，以保证滑坡的整体稳定。 在抗滑桩设计中，主要选用矩形和圆形两种形式，很少考虑其他截面形式的抗滑桩［1］。 然而，不同截面形状的抗滑桩有着不同的抗弯刚度，因此，对非典型截面抗滑桩的承载特性展开试验研究，可为抗滑桩截面的优化设计提供理论依据，对抗滑桩截面形式的设计提供参考，对滑坡治理具有实际工程应用价值。

目前，国内外大多学者对抗滑桩的研究主要围绕桩身应力分布特征以及桩-土相互作用面力学性状展开［1-6］。 在不同截面形状抗滑桩的承载特性研究方面［7-10］也进行了诸多研究。 但鉴于已有研究鲜有涉及非典型截面抗滑桩承载性状的研究，本文模拟抗滑桩在边坡工程当中的实际工作状态，开展室内模型试验，通过改变抗滑桩截面形状，对桩身应变和桩后土体应力进行分析，对比研究圆形桩、矩形桩及T 形截面抗滑桩的承载特性。

1 模型试验设计

1.1 试验目的

利用自制的土工模型箱，对单排抗滑桩加固滑坡的过程进行模型试验。 在各抗滑桩截面面积和桩间距相同的情况下，对比研究不同截面形式单排抗滑桩加固边坡的演化过程，观测试验过程中模型桩的应变及滑坡体不同部位的土压力变化，分析不同截面形状抗滑桩和滑坡体的受力变形特征。

1.2 模型试验尺寸设计

依据相似比理论，室内模型试验应以一定的相似关系来制作缩比模型进行相应的抗滑桩试验。 由于试验设备承载能力及试验环境因素的限制，很难满足全部相似判据，受试验条件限制，本次模型试验只满足几何相似，几何相似比Cl＝1。

1.3 模型试验准备

1.3.1 设计模型箱

自制试验模型箱如图1 所示，它由钢板梁焊接而成，箱体净空尺寸：长1.5 m、宽1.4 m、高2.0 m。 箱体侧面高度方向均匀设置6 道水平腹板增强箱体空间刚度。

图1 自制土工模型箱

1.3.2 模型桩的制作与标定

在截面面积保持一致的前提条件下，设计方形、圆形和T 形3 种截面抗滑桩。 模型桩总长800 mm，嵌固滑床内300 mm，横截面积均为1 600 mm2，如图2 所示。

图2 不同横截面模型桩截面图（单位：mm）

试验桩采用有机玻璃材料（PMMA）制作，选择同一制造商生产的桩体材料，以提高试验结果的可靠度。首先对桩身表面用打磨器具进行初始打磨，再使用180 目数细砂纸对桩身表面进行二次打磨，增加桩土之间摩阻力，以模拟实际工程中的桩土接触面条件。打磨完毕，用502 胶粘贴应变片，并用绝缘胶带进行封闭以避免受潮和连接失效。

采用三等分点加载法测定材料的弹性模量，确定其抗弯刚度。

1.3.3 坡体材料

滑坡体采用花岗岩残积土填筑，其物理力学参数见表1。

表1 模型坡体材料物理力学参数

滑床用密实碎石土填筑，为保证滑床及嵌固端的稳定性，填料中加入适量水泥拌合，增强滑床土体强度。

1.4 模型制作

1） 按100 mm 分层夯实填筑滑床，压实度控制在90%。 滑床成型后，在斜坡面上铺设两层聚氯乙烯塑料布模拟滑面，并在塑料间涂抹黄油，降低粘聚力。

2） 滑床土体达到强度要求后，钻挖桩间距200 mm、嵌固深度300 mm 的桩孔。 将已按要求粘贴应变片的模型桩轻击入孔。

3） 分层填筑滑坡体，压实度仍控制在90%。

4） 按抗滑桩截面形状，试验分方形、圆形、矩形3组，每组4 根桩。 模型剖面及平面示意图如图3 所示。

1.5 测试系统

1） 采用百分表对模型桩顶部水平位移进行监测。

2） 应变片沿模型桩桩身的桩长方向，通长且对称布置，间距设置为100 mm，上方距离模型桩桩顶100 mm，应变片大小为5 mm × 3 mm，测试电阻为120 Ω。 将应变片按设计间距布设后，使用502 胶水、“704”硅胶对应变片进行密封防水处理。 其桩顶端超出滑体材料上表面50 mm，作为自由段，以便百分表的布设。

将布设在模型桩上的应变片以半桥补偿块的方式分别连接至2 台uT7121Y 式静态式应变仪的接口端进行测量。 测量前应进行初始读数，且每一次试验前应进行调平并清零。

3） 采用MFF 系列多点薄膜压力测试系统，监测试验过程中滑体内土压力变化。 滑坡体内共埋设薄膜压力传感器13 个，该传感器直径9.52 mm，厚0.2 mm，规格为110N，埋设于距离滑坡体坡顶面200 mm 处（如图3（b）），呈3 列布置于桩后，平行桩轴心连线方向间距为100 mm，垂直桩轴心连线方向间距为50 mm。将压力传感器均连接好2 台FFM 1208 系列数据采集机器（8 个测点）进行数据采集并接入电脑以储存监测数据。

图3 模型试验示意图（单位：mm）

1.6 试验加载

检查所有仪器连接是否有效，再次调平读数，归零处理。 在边坡后缘对滑体分级加载，利用厚度20 mm、长1 200 mm 的半刚性承压板将千斤顶荷载转化为条形荷载。 每级荷载施加增量为2.0 kN，每级荷载维持30 min，使试验桩受力达到稳定后，再进行百分表、应变仪和薄膜压力测试系统读数，逐级加载，直到桩间土体大量滑出即结束试验，拆卸千斤顶、百分表等试验仪器，并保存试验数据。

1.7 内力确定

依据弹性地基梁的基本计算原理，抗滑桩是受弯受剪构件，从桩身截面应变关系分析通过计算可得到抗滑桩的弯矩及剪力［11］。

测得试验桩桩身同一位置两侧应变差为Δε，可知桩身曲率φ（z）为：

式中z为坡顶面至监测截面的距离，m；a 为截面高度，m。

桩身弯矩M（z）为：

式中EI 为抗弯刚度，N·m2。

桩侧土反力p（z）为：

桩身挠曲线方程y（z）可通过对弯矩方程进行二次积分得到：

桩身弯矩分布与Lorentz 曲线的分布特征较相似，故可使用Lorentz 函数对试验桩的弯矩进行拟合，弯矩方程M（z）及桩身剪力分布Q（z）的拟合公式为：

式中M0、A、ω 和z0均为Lorentz 函数的待定系数。

2 试验结果与分析

2.1 桩顶位移分析

不同截面模型桩加载过程中桩顶位移值如图4所示。

图4 模型桩桩顶位移与荷载的关系曲线

由图4 可见，在0 kN、2 kN、4 kN 荷载下，3 组试验的桩顶水平位移增量不多，其原因是滑坡推力作用初期，荷载主要压缩边坡后缘土体，减少土体空隙，模型桩桩身并未承受所有的滑坡推力；当荷载加至6 kN后，逐级增加荷载，试验桩桩顶位移变化有逐渐增大趋势，圆形截面桩和方形截面桩桩顶位移值均大于T 形截面桩，且圆形截面桩桩顶位移值最大；当荷载达到14 kN 时，圆形截面桩及方形截面桩桩间滑体相对于桩身水平位移较大，滑体土逐渐从桩间滑出，并有少量桩间土滑塌，同时桩顶位移变化趋势减小；当荷载达到18 kN 时，T 形截面桩也出现这一现象。

由图4 可知，随着荷载增大，即滑坡推力增加，3种桩形的桩顶位移差逐渐呈增大趋势，且相同滑坡推力作用下不同桩形的桩顶位移量关系为：S圆＞S方＞ST，这是因为3 种截面形式的抗滑桩截面惯性距不相同，即IT（276154）＞I方（213333）＞I圆（203718）。 试验过程中，圆形桩、方形桩的位移增量出现减小的趋势是在滑坡推力达到14 kN 时，T 形桩是在滑坡推力18 kN 时。桩后土体在滑坡推力分别达到14 kN 及18 kN 时，桩间土体发生滑移甚至滑塌现象。 由土拱效应分析，桩间土体能形成的土拱被破坏，导致作用在桩间土体的滑坡推力达到极限值致使土体滑移，致使通过土拱传递至试验桩桩体的滑坡推力减小，因此从桩顶位移来看，表现出位移增量减小的趋势。 在抗滑桩横截面积相等的条件下，T 形截面桩桩后迎土面积大于其他两类桩，更有益于端承型土拱的形成，因此T 形截面桩的桩后土拱发生破坏时，承受的滑坡推力最大。 抗弯刚度分析结果表明，T 形桩桩身抗弯刚度是方形桩的1.29 倍，是圆形桩的1.36 倍，显然，T 形桩的桩顶位移相比更小。

2.2 桩身弯矩分布规律

分级荷载作用下，不同截面形状抗滑桩桩身的弯矩分布曲线如图5 所示。 由图5 可知，随着下滑推力增大，试验桩桩身各监测点的弯矩值均出现增大的趋势；在相同荷载作用下，3 种类型试验桩的桩身弯矩较接近，且试验桩的最大弯矩值点在200～300 mm 左右，即在滑动面与试验桩桩交界处，随着加载值持续增大，弯矩最大值点有向下移动的趋势。

图5 模型桩桩身弯矩分布曲线

2.3 桩后土体应力分布

如图3（b）所示，自左至右，以过第二根、第三根模型桩轴心且垂直桩轴心连线的剖面分别为Ⅰ剖面、Ⅲ剖面，以过第二根、第三模型桩之间的中点且垂直桩轴心连线的剖面为Ⅱ剖面，荷载施加到18 kN 时，各剖面桩后土体应力分布曲线见图6。

由图6 不难发现，3 种桩的桩后土压力均随距桩轴心连线的垂直距离增大而减小，T 形桩桩后的土压力值小于其余两种桩形，这是因为T 形桩的桩后迎土面较大，有效避免了应力集中。 Ⅱ剖面圆形截面桩桩后土压力在0～150 mm 范围内呈近似线性增长，方形截面桩在0 ～50 mm 和50 ～100 mm 范围内土应力出现两次明显的增长，由此可知桩间摩擦土拱作用与桩后桩承土拱作用独立发挥效应。 T 形截面桩桩后桩承土拱在100 ～150 mm 位置发挥效应最好，其土体应力增长速率较快。 T 形截面桩的桩后土体内应力分布更均匀，且土体应力值更小，更有利于桩承土拱的形成。

图6 模型桩桩后土压力分布曲线

3 结 论

1） 其它条件相同的情况下，T 形截面桩的桩顶位移最小；T 形桩承受的极限荷载最大，圆形桩与方形桩相近，T 形截面抗滑桩具有更好的抗滑效果。

2） 不同截面形状模型桩的桩身最大弯矩值位于滑动面与模型桩交界处，随荷载持续增加，弯矩最大值点有下移趋势。

3） T 形桩的桩后土体内应力分布更加均匀，值较小，有利于桩后承载土拱的形成。