沉埋式双排抗滑桩加固滑坡承载机理研究

董 捷，许鹏飞，仲 帅，陈效星

(1.河北建筑工程学院，河北张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口 075000； 3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

引言

对于大型滑坡或滑体厚度较大的公路、铁路边坡支护工程，单排桩可能无法满足抗滑要求，因此双排抗滑桩作为更加有效的加固滑坡的支挡结构，在我国的实际工程中已得到广泛应用[1-4]。大量学者主要通过数值计算和模型试验等方式来了解双排抗滑桩的承载机理，并结合实际工程对其理论进行验证[5-10]。

沉埋式双排抗滑桩作为抗滑桩的一种新型加固滑坡的结构形式，在工程中开始应用，如重庆市武隆县政府滑坡[11]、重庆市奉溪高速公路大坪滑坡[12]等。采用后排桩沉埋进滑体中，前排桩全长设置的方式，充分利用后排桩桩顶土体自身的强度来分担滑坡推力，减小了桩身受力，并且后排桩独特的布置方式，改变了滑体滑动面的位置，全长式前排桩则是以防因某些原因导致后排桩出现越顶破坏而进行的预防性支护。有关沉埋式单排抗滑桩的抗滑机制[13]，许多学者进行了积极探索，如：张晓曦等[14]运用极限上限定理和极限分析的扇形条分法，对沉入式抗滑桩进行了理论研究。路培毅等[15-16]采用有限元程序ABAQUS，以接触面形式考虑桩土相互作用，分析了双排桩的桩间距对双排支护结构的影响。宋雅坤等[17]在室内模型试验的基础上，运用有限元方法，计算出了沉埋单排抗滑桩桩身所受推力分布形式、推力大小和桩顶土推力的分布形式及大小。雷文杰等[18-20]采用有限元方法，针对不同桩长抗滑桩设桩位置上的滑坡推力及桩身内力进行了系统的研究，并通过一系列室内模型试验，探究了沉埋单排抗滑桩加固滑坡的加固机理。而针对沉埋式双排抗滑桩的研究，胡峰等[21]采用有限元方法，分析了前、后排抗滑桩的受力特点及滑体内塑性区发展随沉埋深度的变化规律。申永江等[22]通过建立有限元模型，对比了双排长短组合桩与其他形式抗滑桩的内力与变形，认为双排长短组合桩的布置形式可以使前后两排桩均充分发挥各自的抗滑作用。肖世国等[23]则通过数值模拟和模型试验结果对比，认为嵌入的后排桩和全长前排桩的布局是合理的，为沉埋式双排抗滑桩的理论设计提供了有益的结论。

综上所述，目前对于沉埋式双排抗滑桩的承载机理的研究尚少，因此在文献[21]的基础上设计一种沉埋式双排抗滑桩的模型试验，通过探究抗滑桩桩后推力、土拱效应及桩身内力变化，分析了不同沉埋深度的抗滑桩受力与内力变化的规律，进而确定沉埋式双排抗滑桩的合理设计沉埋深度。

1 试验设计方案

1.1 模型试验装置

图1 模型试验箱

试验采用由钢板铆接而成的模型箱，如图1所示。模型试验滑坡推力采用水平推力模拟，通过液压千斤顶分级加载的方式推动填土后侧的推土板施加水平推力，共分10 级，在每级荷载施加完成后待百分表读数基本稳定后再施加下一级荷载。推土板为10 mm厚钢板，高度400 mm，长度1 490 mm，为分散千斤顶的集中荷载，将10 mm厚的刚性垫板置于千斤顶和推土板之间，千斤顶后侧由钢筋混凝土试块作为其与模型箱的辅助支撑，且该侧模型箱紧贴于反力墙上。在施加荷载过程中要保持推土板垂直，避免出现推土板倾斜，导致试验出现误差。

1.2 模型试验材料

试验模型主要包括模型桩、嵌固槽及模型箱内滑体材料。模型试验不考虑地下水及外荷载的影响，选用性质均匀的新黄土分层进行填筑，每层厚度为100 mm，设计填高400 mm用以模拟直线型土质边坡；模型桩采用直径D=75 mm PVC管内灌注砂土来模拟抗滑桩，采用简支梁法测得模型桩的抗弯刚度EI=785.31 N·m2，如图2所示。

图2 简支梁法示意

前排桩长为800 mm，滑面以上受荷段H为400 mm，后排桩沉埋深度h分别为0，80，160，240 mm，取沉埋深度与受荷段比h/H分别为0，0.2，0.4，0.6，双排桩行间距取3D，排间距取4D；嵌固槽由20 mm厚木板制作而成，取嵌固槽深400 mm，槽内回填砂土材料并夯实以固定模型桩，图3为模型试验示意。

图3 模型试验示意(单位：mm)

1.3 数据采集系统

试验采用XL2101A24静态电阻应变仪采集土压力数据，NI9237模块采集桩身应变数据。为监测抗滑桩桩身所受压力，在1号桩及4号桩前后20 mm处沿受荷段高度埋设土压力盒，各压力盒间距为80 mm，并沿x方向在桩间跨中截面处埋设土压力盒，监测y方向土压力，埋深100 mm，布置方式见图4；同时在2号桩及3号桩桩身粘贴电阻应变片来推算桩身内力变化，其中受荷段粘贴5个，嵌固段粘贴3个，对称布置且高度与土压力盒高度相对应。利用百分表监测前排模型桩的桩顶位移变化。

图4 桩间跨中截面土压力盒布置方式

2 模型试验结果分析

2.1 土压力分析

2.1.1 土压力分布规律分析

抗滑桩桩身内力大小与桩身受力分布有着紧密联系，研究桩身受力分布对于沉埋式双排抗滑桩的设计有着积极作用。图5～图8为横向推力作用下桩身受力分布曲线，通过对数据的分析计算，可求得抗滑桩所受合力的重心位置，列于表1中。由图中分布曲线并结合表1分析得到不同h/H条件下前后排抗滑桩受力分布曲线的变化情况：随着h/H的增加，后排桩承担的滑坡推力和桩前抗力逐渐减少，其重心位置均逐渐下移，桩后推力大致呈梯形分布，桩前抗力的分布形式呈倒梯形；前排桩的受力分布形式受后排桩长的影响，当h/H逐渐增大，其重心位置呈先减小后增大的趋势，桩后推力分布形式由矩形分布逐渐过渡为梯形分布，前排桩桩前抗力的重心位置基本位于桩的中部附近，排除误差和计算精度的问题，可认为前桩桩前抗力分布形式为矩形分布。

图5 h/H=0桩身受力分布曲线

图6 h/H=0.2桩身受力分布曲线

图7 h/H=0.4桩身受力分布曲线

图8 h/H=0.6桩身受力分布曲线

h/H双排桩桩后合力重心距滑面距离/cm双排桩桩前合力重心距滑面距离/cm后排桩前排桩后排桩前排桩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 土拱效应分析

根据部分学者的现有研究，认为可以利用法向应力突变来衡量土拱效应的程度和作用范围[24]。图9为模型桩间跨中截面上的土压力监测结果，由图9不难看出，当h/H=0时，前后排桩跨中截面上发生了突变，即产生土拱效应，前排桩后15 cm处最大，前排桩及后排桩桩间急剧减小；当h/H逐渐增大，前排桩后最大的位置没有发生变化，但值先减小后增大，表明土拱效应先减弱后增强，即前排桩承受的水平推力先减小后增大。综上所述，当h/H≤0.4时，土拱效应较全长双排桩时弱，前排桩承担的水平推力较小，当h/H=0.6时，土拱效应较全长双排桩时强，前排桩承担更大的水平推力，x=30 cm处即后排桩顶处土体的随h/H的增加逐渐增大，说明桩顶土体承担的水平推力逐渐增大。

图9 跨中截面分布曲线

2.1.3 双排抗滑桩承载比例分析

表2为不同h/H情况下，沉埋式双排抗滑桩各桩的承载比例，其中α为前排桩承载比与后排桩承载比的比值，从表2可看出，后排桩沉埋深度对前排桩承载比的大小起关键作用。当h/H=0时，前后排桩分别承担了39%和61%的荷载。随着h/H的逐渐增加，后排桩由于桩身长度减小，其承载比必然减小，前排桩承载比则先减小后增大。这是因为后排桩桩身长度的改变影响了传递至前排桩的横向推力的大小，部分荷载由两排桩之间土体承担，逐渐向前排桩传递。当h/H=0.6时，前排桩的承载比要比后排桩的承载比大，说明前排桩承担了较大的横向推力，采用内插法可求得当h/H=0.45时α=1，即两桩的承载比比较接近。那么认为当h/H大致为0.45时，前后排桩的受力情况较为合理，能发挥较好的承载能力，可认为该沉埋深度为设计沉埋深度。

表2 不同h/H下双排桩承载比例

2.2 桩身变形分析

2.2.1 桩顶位移变化

桩顶位移能够反映桩身变化的程度，图10所示为不同加载等级下前排桩桩顶位移的变化曲线。由图10可知，前排桩桩顶位移随着荷载增加而逐渐递增，当h/H不同时，桩身变形程度也不同，如：h/H为0，0.2，0.4，0.6时，对应的前排桩顶最大位移分别为5.28，4.49，4.75，5.54 mm，其变化规律为先减小后增大，当h/H=0.6时，前排桩顶位移超过了未沉埋时的变形。总的来说，适当的后排桩沉埋深度能够使前排桩桩顶位移减小，减小承担的滑坡推力。

图10 不同加载等级下前排桩顶位移变化曲线

2.2.2 桩身内力变化

为分析探讨不同h/H情况下，双排抗滑桩在横向推力荷载作用下的内力变化情况，试验分别采集了2号桩及3号桩桩身应变值，根据各测点的应变值可计算出该测点的弯矩值，计算得到如图11所示的桩身弯矩。

图11 抗滑桩桩身弯矩变化曲线

从图11可以看出：前后排桩的最大弯矩值均位于滑面以下一定距离，且桩身弯矩的变化规律基本为抛物线状。同一横向推力荷载作用下，随着h/H的增加，后排桩桩身长度逐渐减小，承担的滑坡推力逐渐减小，对应最大弯矩值分别为350，282，240，120 N·m，并依次减小了19%、31%和66%；前排桩的最大弯矩值则呈现先减小后增大的趋势，对应的最大弯矩分别为237，186，210，253 N·m，这是由于桩顶滑体依靠自身抗剪强度抵抗滑坡推力，导致传递到前排桩的滑坡推力减小，弯矩减小；随着沉埋深度的进一步增加，通过桩间土体传递至前排桩的滑坡推力增大，前排桩最大弯矩逐渐增大，当h/H=0.6时，前排桩最大弯矩超过全长桩时的最大弯矩。

3 数值模拟分析

为进一步探究沉埋式双排抗滑桩不同桩排距情况下的设计沉埋深度，运用FLAC3D建立与室内试验相同的数值模型，探讨不同排距下双排桩的承载比，取桩排距分别为2D、3D、4D和5D。数值模型中滑体和滑床均采用Mohr-Coulomb准则，抗滑桩采用实体单元模拟，桩土分界面及岩土分界面建立无厚度的接触面单元，土体及抗滑桩的物理力学参数如表3所示。每次试验时保持滑坡不变，通过改变后排桩位置来模拟排间距的变化，将数值模拟结果列于表4。

表3 抗滑桩及岩土体材料参数

表4 不同排间距下的α

由表4可以看出，在不同排间距情况下，前排桩承载比与后排桩承载比的比值α的变化规律与模型试验结果较为一致，利用内插法求得当前后排桩承载比接近时的h/H分别为0.5，0.48，0.46和0.42。这说明随排间距的逐渐增大，当前排桩承载比与后排桩承载比较为接近时，沉埋式双排桩的设计沉埋深度逐渐减小，各桩能较好地发挥承载能力。

综上所述，沉埋式双排抗滑桩的后排桩沉埋深度对双排桩整体的影响起到至关重要的作用，通过桩间土拱效应、承载比以及桩身受力变化的研究，可以确定合理沉埋深度以调节桩身受力，降低工程造价。

4 结论

沉埋式双排抗滑桩的受力分布形式受后排桩沉埋深度的影响：前排桩桩后推力的分布形式呈梯形分布，其重心位置随沉埋深度的增加先减小后增大；前排桩桩前抗力的分布形式呈矩形分布，其重心位置随沉埋深度的增加而变化，但变化不大，均位于桩长的h/2附近；随后排桩沉埋深度的增加，桩后推力和桩前抗力的重心均逐渐降低，分布形式分别呈梯形分布和倒梯形分布。

前排桩土拱效应可由法向应力突变来衡量，由沉埋式双排抗滑桩模型试验可知，前排桩土拱效应受到后排桩沉埋深度的较大影响，其跨中截面上σy的最大突变位于前排桩后15 cm处，前排桩间的σy突变很小，随着沉埋深度的增加，前排桩后土拱效应先减弱后增强。

后排桩沉埋深度对前排桩承载比的大小起关键作用，随h/H的增加，前排桩承载比先减小后增加，当h/H大致为0.45时，前后排桩均充分发挥各自的承载能力，前后排桩桩身最大弯矩也相差不大，并结合分析桩身内力及桩顶位移的变化情况，考虑该沉埋深度可作为设计沉埋深度。

数值模拟试验结果表明，随桩排距的增加，当前排桩承载比与后排桩承载比的比值α较为接近时，对应的h/H逐渐减小，说明对于沉埋式双排抗滑桩而言，排间距越大，后排桩的设计沉埋深度越小，但差距不大。