折线型滑面滑坡桩排推力分布规律研究

徐 骏，李安洪，肖世国

（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）

1 引 言

对于一些较大型滑坡，因滑坡推力巨大，使用单排桩往往难以达到加固目的，因此，一般考虑采用双排桩或多排桩进行治理。对于后陡、前缓型的折线型滑面，后排桩通常会承担较大滑坡推力，此时还应考虑采用埋入式抗滑桩以减小抗滑桩分担滑坡推力。目前对于双排桩（通常桩排间距较小）的研究较多[1－3]，但对于空间距离较大（＞10a，a为抗滑桩直径）的双排桩或多排抗滑桩中各排抗滑桩承担滑坡推力的大小及分布形式、桩后的抗力如何计算、如何合理确定排桩间距、埋入式抗滑桩承担多少推力、其结构内力如何计算、桩的长度如何设计等问题，按照目前常规的设计计算方法尚不能有效解决。

近年来发展起来的有限元强度折减法可以充分考虑桩-土共同作用[4－8]，通过强度折减可以计算出结构的内力[9]。有限元强度折减法相比于传统极限平衡法的优势不仅仅在于安全系数和临界滑动面的精确求解，而且在于可以再现岩土体中变形发展的过程，特别是在进行支挡结构设计时优势更明显,从而为解决大型滑坡多排桩设计中遇到的问题提供了一种思路。

为此本文通过室内模型试验对折线型滑面滑坡进行了4组试验工况的研究，并结合有限元强度折减法，获得不同排间距、不同设桩位置及桩埋入深度时作用于两排桩上的坡体压力分布规律，为实际工程的设计与施工提供指导。

2 折线型滑面滑坡桩排推力模型试验研究

本文选用宝成线某典型折线型滑面滑坡（如图1所示）进行研究。试验模型由滑体、滑带和基岩3大部分组成，对其分别配置不同的相似材料加以模拟。由于滑带的力学性质对滑坡体的滑动起着决定性的作用，所以对滑带的模拟是试验材料配置的重点。模型试验槽长×宽×高尺寸为 5.8 m×0.9 m×3.0 m，模型槽前面为透明钢化玻璃，以便正面观察坡体状况，模型槽后面为光滑的水泥墙面，左侧为封闭面，右侧为敞开面，如图2所示。

图1 折线型滑面滑坡Fig.1 Landslide with polygonal line slip surface

图2 室内模型试验槽Fig.2 Indoor model test trough

2.1 试验模型

对于本试验类型，结合工程实际情况，并考虑具体问题的可操作性，几何相似比取为CL=1: 40，设计试验模型典型横断面图如图 3所示，前排桩设在抗滑段，距离滑面出口约76.5 cm处（原型30.6 m），排间距考虑为75、135 cm两种情况，这样所进行的4组试验工况分别为：

（1）前排桩距离滑面出口 75 cm，排间距为75 cm，前后桩体均为全长式；

（2）前排桩位置及长度不变，排间距75 cm不变，后桩体为埋入式，埋入深度为设桩位置滑体厚度的1/3；

（3）前排桩位置及长度不变，排间距变为135 cm，后桩体为埋入式，埋入深度为设桩位置滑体厚度的1/3；

（4）在试验工况2中将后桩埋入深度改为设桩位置滑体厚度的1/2。

工况1代表性试验模型布置如图3所示。其中测试仪器采用小直径（3 cm）电阻应变式低量程压力盒，间距为10 cm，沿抗滑桩受荷段等间距布置，并采用 YJ26电阻应变仪量测数据。各抗滑桩均在坡体填筑过程中设置完毕。

图3 代表性试验模型（单位：cm）Fig.3 The typical test model (unit: cm)

2.1.1 试验参数

重度相似比取为Cγ=1，则根据相似定律可知，应力相似比为Cσ=1: 40。根据原型材料特征，通过相似换算可以得到相应试验模型的材料参数：滑带c=0.0 kPa，φ=21°，γ=20 kN/m3；滑体 c=0.0 kPa，φ=24.3°，γ=21 kN/m3；基岩 c =20 kPa，φ=28°，γ=22 kN/m3，c为黏聚力，φ为内摩擦角，γ为重度。根据这些基本关系通过室内正交配比试验配置相似材料模拟原型材料。

2.1.2 相似材料

（1）滑坡体各层材料的模拟

本项试验中对滑带采用以细砂为主适量拌和滑石粉来模拟，根据参数要求通过室内试验确定其适合配比。根据同样方法，对滑体主要采用中砂、重晶石粉以一定配比模拟，对基岩主要采用粗砂、重晶石粉、铁粉等以一定配比模拟。各组试验滑带、 滑体及基岩的物理力学参数如表1所示。

表1 各组试验滑带、滑体及基岩物理力学参数Table 1 Related parameters for all test models

（2）抗滑桩的模拟

考虑实际工程中桩身多用C30混凝土，其弹性模量28 GPa，于是换算到模型桩身材料的弹性模量应为Em=28/40=0.7 GPa。据此可选择桩体材料，试验中以石膏材料为主，进行石膏、水、水泥不同配比试验，由试验测得的弹性模量最终确定出其适合配比。根据实际室内单轴压缩试验结果，模型抗滑桩桩身材料的弹性模量为0.86 GPa。抗滑桩截面原型尺寸为2 m×3 m，于是模型尺寸为5 cm×7.5 cm。模型桩间距20 cm（相应原型为8 m），沿模型槽宽度方向对称布置3根，其中中间1根为测试桩。模型桩长根据前述4组具体试验工况而定。

2.2 试验载荷工况

在每组布桩类型下，模型试验一般均分为如下3种载荷工况：

工况 1：模拟天然状况，即试验模型填筑完成后的一般状态；

工况2：模拟强度折减状况，在工况1的基础上向滑带内注水，以促进坡体滑动；

工况3：模拟超载状况，在工况2的基础上再在坡面堆载（滑体中后部），以进一步加剧坡体滑动。

2.3 试验过程

填筑过程中，对滑带土采用较高的含水率（20%）模拟雨水入渗到滑带；超载采用面积堆载方式，坡面超载量5 kPa。这两种情况下坡面变形显著增大，滑体推压抗滑桩致使桩体变位相对显著，坡体沿滑带产生明显滑移变形。

2.4 试验结果及分析

桩排推力规律包括两个方面：一是桩排分担推力的规律；二是桩身推力分布形式的规律。主要考虑桩排间距、设桩形式、沉埋深度3个因素对桩排分担推力规律的影响，桩排分担推力规律根据试验结果整理为表2～4。因试验条件限制，桩身推力分布形式采用数值模拟方法研究。

表2 后排桩两种排间距对前、后排桩受力的影响比较（单位：kN/m）Table 2 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile row distances (unit: kN/m)

表3 后排桩两种设桩形式对前、后排桩受力的影响比较（单位：kN/m）Table 3 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile setting types (unit: kN/m)

表4 后排桩两种沉埋深度对前、后排桩受力的影响比较（单位：kN/m）Table 4 Comparison of land-slide thrust on piles with different pile embedded depths (unit: kN/m)

（1）桩排间距影响：由表2可见，两种桩排间距对前、后排桩的综合影响不同，对于后排桩，较大排间距时受力较为有利；对于前排桩，较小排间距时受力较为有利。具体问题需要具体分析比较综合确定。在较大排间距情况下，后、前排桩有效滑坡推力之比为 1: 0.509；在较小排间距的情况下，后、前排桩有效滑坡推力之比为 1: 0.192。间距较大时，两排桩分担推力更趋合理。

（2）设桩形式（全长桩或沉埋桩）影响：由表3可见，两种设桩形式对前、后排桩的综合影响不同，对于后排桩，沉埋式比全长式受力有利；对于前排桩，全长式（仅后排桩）时比沉埋式（仅后排桩）时受力有利。但综合比较而言，沉埋式比全长式一般更有经济合理性。

（3）沉埋深度影响：由表4可见，两种沉埋深度对前、后排桩的综合影响不同，对于后排桩，沉埋深度较大时受力比较有利；对于前排桩，沉埋深度（仅后排桩）较小时受力比较有利。但综合比较而言，在一定范围内，沉埋深度较大时一般更具经济合理性。

3 折线型滑面滑坡桩排推力规律有限元强度折减法分析

为研究桩身推力分布形式规律，弥补室内模型试验研究的局限性（桩身推力分布形式需要较多测点），考虑采用数值分析方法研究桩身推力分布形式。为选择合适的计算程序，分别采用PLAXIS和ANSYS进行了二维及三维对比计算，从其计算结果来看，具体的推力大小有差异，但其推力分布形式及推力分担比例规律比较接近，因此，采用应用较广的ANSYS软件[10－12]对模型试验不同沉埋深度情况进行有限元强度折减法模拟分析，根据滑体、滑带、基岩及抗滑桩确定材料类型并划分网格如图4所示。ANSYS默认采用的是摩尔-库仑不等角六边形外接圆 D-P屈服准则，与传统摩尔-库仑屈服准则的计算结果有较大误差[7－8]，因此，本文均采用平面应变条件下的摩尔-库仑匹配 D-P准则[13]、关联流动法则。强度折减具体计算方法参考文献[7－9]。

图4 折线型滑面滑坡计算模型Fig.4 Numerical model of landslide with polygonal line slip surface

通过数值模拟计算结果（如图5所示）可以看出，随着桩顶埋深的增加，后排桩沿桩身滑坡推力分布形式逐步由三角形（全长桩）向矩形（大于2/3全长桩桩长）改变。因此在埋入式抗滑桩设计中，应注意沿桩身推力分布形式的选择，以免设计存在安全隐患。

图5 折线型滑面滑坡桩身推力分布形式Fig.5 Distribution mode of landslide thrust along the pile

4 结 论

（1）桩排间距的改变能有效改善折线型滑坡前、后排桩分担滑坡推力的比例，使得各排桩受力更为合理。

（2）改变后排桩桩顶埋入深度也能有效改善前、后排桩分担滑坡推力的比例，在工程措施允许时，可考虑采用埋入式抗滑桩对原设计方案进行优化，使得各排桩分担的滑坡推力更为合理。

（3）从模型试验结果来看，采用试验工况1的全长桩设计方案（如图 3）时后排桩承担滑体推力占了较大比例，因此，该类滑坡的设计应适当加大后部抗滑桩所占的滑坡推力的比例，从而保证工程措施的安全。

（4）桩排间距、桩顶埋深对各排桩分担滑坡推力的比例影响较大，特别是桩顶埋深不同时推力分布形式会发生改变，因此，在此类大型滑坡多排、埋入式抗滑桩加固设计中，建议先采用有限元强度折减法对各排桩分担滑坡推力的比例进行计算，避免因人为估计不足留下安全隐患。

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