颜志雄

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

相对于矩形截面抗滑桩，圆形截面抗滑桩因具有施工周期短、开挖时对土体扰动小、安全性高等优势，近年来被广泛应用于各类滑坡工程中[1-6]。针对圆形截面抗滑桩的抗滑机理及设计方法，很多学者进行了研究。李乾南等[7]基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中裂缝宽度计算公式，在分析各相关因素的基础上，提出圆形截面均匀配筋抗滑桩的裂缝宽度计算公式；周记名[8]讨论了圆形截面抗滑群桩桩径、桩长、承台刚度、单桩排距对抗滑群桩抗滑效果的影响，得出等截面的矩形截面抗滑群桩所能承担的滑坡推力与圆形截面抗滑群桩基本相等，验证了圆形截面抗滑群桩的工程适宜性；杜鸿[9]采用数值方法，分析了在不同桩间距条件下大直径圆形抗滑桩对边坡的加固效果；陈富坚等[10]推导了圆形截面抗滑桩非均匀对称配筋的计算公式。总体来说，圆形截面抗滑桩的工作机理和理论体系尚不完善，为了保证实际工程中设计方案的可靠性，有必要进行模型试验加以验证。

1 试验原理

在模型试验中，模型与原型结构必须满足相似律的要求[11]。本次试验中各物理量相似比取值见表1。

相似条件即模型试验所应遵守的相关准则，是现象相似的必要条件。试验设计时充分考虑试验系统的几何条件、边界条件、试验材料、荷载条件等方面的相似。

表1 各物理量的相似比

1.1 几何条件相似

因相似现象必定发生在几何相似的空间内，故模 型中各个关键结构的几何形状和尺寸应与实际情况相 似。本试验主要是滑坡尺寸、桩径、桩长、桩间距等参数的几何相似比相等。模型中各结构的尺寸按照几何相似比8∶1进行制作。

1.2 边界条件相似

主要根据滑坡的水平应力传递特性进行模拟。为了减小土体与试验槽侧壁的摩擦，将侧壁刷漆后涂抹润滑油。此外，为充分模拟工程实际中抗滑桩的抗滑特性，在滑动面以上设置1条厚0.3 m的滑动带，由含水率较大、内摩擦角较小的黏性土构成，并利用碎布片将滑动带的上下表面与试验用土隔离，既保证位移的同步性，又保证滑动带的有效性。

1.3 试验材料相似

根据试验目的，对于主要材料尽可能采用与原型 基本相同的介质。由于本试验主要研究桩结构在横向荷载下产生的变形和破坏特征，不考虑桩结构及其周围土体的动力特性，故土体的相似比不是主控因素，可放宽要求。试验用土选用粒径0.25～0.35 mm的细砂与黏土配制而成。黏土取自云南一滑坡工点，配合比为细砂∶黏土=3.5∶1。为尽量满足相似条件，模型桩选用与原型桩相同强度的混凝土、钢筋，并采用相同的配筋率。

1.4 荷载条件相似

试验采用分级加载，利用厚0.08 m的钢板作为加荷板，将施加在其后侧的千斤顶推力传递到土体上。同时，控制不同高度千斤顶的加载量，在试验过程中尽量使加荷板整体位移保持一致。

2 模型制作

本试验模型以云南一采用抗滑桩的边坡工程为原型，原抗滑桩为圆形桩，长32 m，直径1.6 m，配筋率1.5%，桩间距4.8 m。根据相似系数，制作2根模型桩，桩长4 m，直径0.2 m，每根桩设置6根纵向钢筋，配筋率1.5%。以0.6 m桩间距把模型桩设于模型槽内。

为了保证圆形截面抗滑桩的安全，现场工程中额外布置了3根I20A热轧工字钢，占圆形桩截面面积的0.42%。受条件所限，本试验按照相似原理将其简化为1根工字钢，设于模型桩内。模型桩的配筋情况及工字钢截面尺寸见图1。

图1 模型桩的配筋情况及工字钢截面尺寸(单位：mm)

3 模型试验

3.1 试验场地

图2 模型槽结构示意(单位:cm)

试验在陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室龙瑞高速公路外场试验基地进行。模型槽尺寸为6.5 m(长)×1.5 m(宽)×6.0 m(高)。模型槽主要由反力墙、侧壁、加荷板等组成，见图2。为保证试验过程反力墙处于静止状态，将反力墙按抗滑挡墙设计，墙身采用片石混凝土材料。加荷板为厚0.08 m的钢板，由于滚轮作用加荷板在较小水平推力作用下即可产生位移。试验过程中，在千斤顶水平推力作用下控制加荷板的挠曲变形(按不超过3 mm控制)，以达到加荷板整体水平位移加载的目的。

3.2 量测系统

采用SDG型钢筋计监测微型桩的内力变化，在每根桩的受拉侧与受压侧钢筋上各布设4个应力测点(如图3所示)，用CYT-202型钢弦频率仪采集其数据。

图3 应力测点布设示意(单位：cm)

3.3 试验方法

1)将细砂和黏土按3.5∶1.0的比例拌和制作含水率8%的坡体材料。

2)将模型桩插入模型槽底部预留的桩承台孔洞内，浇筑混凝土将模型桩底部固定在承台上，养护1 d。

3)将坡体材料分层填入模型槽中，每隔20 cm对土体进行压实。填至加荷板底面(滑动面)时，设置厚0.3 m的滑动带。坡体按坡率1∶1放坡。

4)采用分级加载，每一次加载完成后，静置不少于10 min，待土体稳定、钢弦频率仪读数无浮动后，记录钢筋计的数据。

4 试验结果与分析

4.1 钢筋压力测试结果

本次试验共加载9次，荷载逐级增加。根据平截面假定及弹性体假定，通过钢筋计实测值计算出6根钢筋以及工字钢的总压力值，取2根模型桩钢筋计实测压力值的平均值，得到每次加载后钢筋压力随埋深变化曲线，见图4。

图4 模型桩钢筋压力随埋深变化曲线

由图4可知:在滑坡推力作用下滑动面(埋深2.0 m处)以上的模型桩以受拉为主，且在滑动面以上0.4 m处拉力达到最大值；滑动面以下的模型桩随着加载的增加逐渐进入受压状态，最终在滑动面以下1.2 m处压力达到最大值。埋深0.8,1.6 m处钢筋压力随加载的增加而增大，埋深2.4,3.2 m处钢筋压力随荷载的增加而降低。

假设钢筋的应变与同一位置混凝土的应变相等，达到极限强度的混凝土退出工作。依此计算混凝土承受的压力。得出：在滑坡推力作用下混凝土承受的压力远小于钢筋承受的压力；混凝土承受的弯矩也远小于钢筋承受的弯矩。

4.2 弯矩和剪力计算结果

由钢筋计实测值计算得出钢筋应力，进而计算出圆形截面抗滑桩桩身弯矩。圆形截面抗滑桩桩身弯矩分布见图5(a)。根据桩身弯矩分布可进一步求得桩身各截面的剪力。桩身剪力分布见图5(b)。

图5 模型桩弯矩和剪力随埋深变化曲线

由图5可知：弯矩和剪力曲线均呈S形分布，存在反弯点。原因在于滑动面的存在使桩身上部与下部受力不同，分为上部抗滑段和下部锚固段。且随着加载的增加，弯矩和剪力均逐渐增大。

4.3 裂缝观测结果

观测模型桩裂缝分布情况，发现裂缝遍布于整根桩上，均匀且细密。图6所示裂缝位于埋深3～4 m处，由于裂缝微小不便于拍摄，对产生裂缝的部位用记号笔描粗处理。

图6 模型桩裂缝分布情况

整根模型桩破坏最严重的区域出现在桩底部，距承台顶部约0.1 m，模型桩受拉侧混凝土出现了较深的裂缝，受压侧混凝土被压碎(见图7)。可见在抗滑桩的受力过程中，该部位属于圆形截面抗滑桩的脆弱区。

图7 模型桩底部破坏情况

裂缝是在试验完成后开挖填土时才看到的，故没有监测到裂缝随加载的逐步开裂过程。但是可以预见，如果在圆形截面抗滑桩纵筋内施加预应力，则可以有效控制裂缝开展，提高抗滑桩承载能力。

5 结语

通过对圆形截面抗滑桩进行模拟试验，得出以下结论：

1)在滑坡推力作用下圆形截面抗滑桩中混凝土承受的弯矩远小于钢筋承受的弯矩，即钢筋承担了大部分的滑坡推力作用。

2)在滑坡推力作用下圆形截面抗滑桩的弯矩和剪力曲线均呈S形分布，存在反弯点，随着加载的增加弯矩和剪力均逐渐增大。

3)圆形截面抗滑桩在受力过程中产生的裂缝均匀分布，说明滑坡推力均匀作用在整根抗滑桩上。

4)圆形截面抗滑桩最大裂缝及破坏区域出现在模型桩底部，说明在模型试验条件下，圆形截面抗滑桩底部为最容易发生破坏的脆弱区。