第 33 卷第 5 期岩土工程学报 Vol.33 No.5 2011 年.5 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May 2011 锚杆抗滑桩破坏模式的试验研究 李寻昌 1,2, 门玉明 1,2, 张涛 1, 刘洪佳 1 1, 严静平 (1. 长安大学地质工程与测绘工程学院安全工程系, 陕西西安 710054;2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 陕西西安 710054) 摘要 : 与普通抗滑桩相比, 锚杆抗滑桩由于桩顶锚杆的存在, 虽可以极大减小桩身内力, 但其计算方法目前还不是 很完善, 因而开展这方面的试验研究就显得十分必要 介绍了锚杆抗滑桩破坏模式的试验成果, 试验在自制的模型箱 内进行, 模型桩共 4 根, 每根桩顶均布设一个锚杆, 加载方式采用堆载, 为了获得桩体变形和受力, 模型内部设有一 定数量的土压力盒 应变片和位移计 从桩体变形和受力来看, 桩的破坏主要为塑性弯折破坏, 破坏点位于桩前滑面 以上, 破坏弯矩主要由锚杆拉力 桩背土压力和桩前土体抗力来提供 ; 从锚杆变化曲线来看, 锚杆受力并不完全处于 轴向受拉状态, 而是处于弯曲和轴拉这两种的组合状态, 受力主要位于滑面两侧 40 cm 左右的范围内, 应力集中位置 大致位于滑面两侧 20 cm 位置处 ; 从应变分析来看, 锚杆钢筋首先进入塑性屈服状态, 其次才是桩体钢筋 ; 另外, 卸 载后, 在正的受拉状态下, 对于桩体和锚杆钢筋, 变形均有一定程度的恢复 关键词 : 锚杆抗滑桩 ; 试验研究 ; 破坏模式 ; 塑性弯折破坏 中图分类号 :TU473.1 文献标识码 :A 文章编号 :1000 4548(2011)05 0803 05 作者简介 : 李寻昌 (1975 ), 男, 陕西兴平人, 讲师, 从事岩土工程和安全工程方面的教学和研究工作 E-mail: dcdgx12@chd.edu.cn Experimental study on failure modes for anti-slide piles with a single anchor LI Xun-chang 1, 2, MEN Yu-ming 1, 2, ZHANG Tao 1, LIU Hong-jia 1, YAN Jing-ping 1 (1.Faculty of Safety Engineering, College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, China; 2. Key Laboratory of Western China s Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Xi'an 710054, China;) Abstract: Compared with common anti-slide piles, the anchor on the top of a new kind of pill anti-slide piles with a single anchor can greatly reduce their internal forces, but the calculation method is not perfect at present. Thus the experimental study on the anti-slide piles with a single anchor is necessary. The results from experiments on failure modes for the anti-slide piles with a single anchor are introduced. The tests are conducted in a self-made model box. There are four model piles with anchors on their top, and loading method is heaped load. In order to obtain the pile deformation and stress, a number of earth pressure boxes, strain gages and displacement meters are arranged inside the model. From the angle of the pile deformation and stress, the failure point lies above the sliding surface, and breaking bending moment is mainly supplied by the pulling forces of anchors, the soil pressure from the back of the piles as well as the soil resistance from the front of the piles. From the changing curve of the anchor, the stress is from the combinations of bending and axial tensile, not completely in axial tensile condition. The range of stress is mainly around 40 cm at both sides of slipping surface with stress concentration of 20 cm at both sides. From the analysis of strain, the anchor steel is the first in the plastic yield state, and the pile body steel follows. In addition, there is a certain recovery of deformation for pile body and anchor steel under the forward tension condition after unloading. Key words: anti-slide pile with a single anchor; experimental; failure mode; plastic bending failure 0 引言 自 20 世纪 60 年代以来, 抗滑桩作为一种重要的 治理手段, 已在大中型滑坡治理工程中得到了广泛的 应用, 但由于受力形式不合理, 其工程投资一般较高 针对这种情况, 抗滑桩的结构形式先后经历了多种改 进与发展 其中, 锚索 ( 杆 ) 抗滑桩就是一种随锚固 [1] 技术的发展而来的新型结构形式, 由于桩顶施加了 强有力的预应力锚索 ( 杆 ), 滑坡推力由锚索 ( 杆 ) 和抗滑桩共同承担 因此, 桩的埋置深度和截面面积都 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (40272116); 国土资源大调查项目 (1212010914021); 中央高校基本科研业务费专项 ( CHD2010JC058); 长安大学基础研究支持计划专项基金资助 ; 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室资助收稿日期 :2010 04 23
804 岩土工程学报 2011 年 可以相应减少, 相比较普通抗滑桩, 内力分布也比较 合理, 工程投资大为减少 虽然锚杆抗滑桩体已大量应用于工程实践, 但关 [2] [3-4] 于其设计理论在相关国家标准或行业标准的设 计规范中还没有明确说明 鉴于此, 国内外许多学者 作了大量的研究, 但大都集中于桩体内力计算方法的 研究和应用上 [5-8] 对于破坏模式研究, 目前大多见于竖向荷载桩, 如灌注桩等 [9-10] [11], 虽然董捷等作了一 定的数值分析, 但主要局限于锚固段的受力变形, 并 未给出具体破坏模式 由于受客观条件所限, 关于锚 杆抗滑桩的破坏研究并未见到, 这制约了人们对其受 力性状的全面认识, 进而导致其设计理论带有很大的 经验性 为深入探讨锚索抗滑桩的受力及变形规律, 本课题组开展了一系列的理论和试验研究 [12-15], 本文 主要介绍关于锚杆抗滑桩破坏模式研究的部分成果 1 模型设计 试验在自制的模型箱内进行, 模型箱具体尺寸见图 1 根据相似原理, 试验需要满足几何相似 物理相似 应力相似和荷载相似等条件, 但对于本试验, 完全满足存在较大困难, 所以主要满足几何相似, 其相似比为 1 20 模型箱中的土体采用夯实的黄土, 为控制滑体和 滑床土强度的均匀性, 在土体填筑过程中, 每层土的 填土厚度和夯击遍数相等 为模拟滑坡, 在土体中预 设了滑面, 滑面由两层塑料纸组成 ( 图 2) 抗滑桩模 型采用预置的钢筋混凝土矩形桩, 截面尺寸为 5 cm 8 cm, 桩长 1.0 m, 其中滑面以上悬臂桩长 0.5 m, 滑 面以下嵌固段为 0.5 m 模型桩共 4 根, 每根桩桩顶 均布设 1 根锚杆, 锚索倾角为 20, 锚固段长度为 1 m, 锚固段直径为 50 mm, 选用 φ10 的锚固钢筋, 锚 固段用 M25 的砂浆提前浇注, 模型具体布设见图 1 图 1 锚杆抗滑桩试验模型示意图 Fig. 1 Test model of anti-piles with a single anchor 为了获得桩体与周围土体相互作用的压力和桩体 内力, 在模型桩桩前和桩后埋设一定数量的土压力盒, 桩体钢筋上还贴有一定数量的应变片 另外, 为了获 得锚杆拉力的变化值, 在锚杆钢筋上也贴有一定数量 的应变片 同时, 为了监控桩顶和坡面的变形, 在每 根桩桩顶和坡面上均布设有相应的位移计, 具体布设 见图 3 图 2 铺设双层塑料纸的滑面 Fig. 2 Sliding surface with double plastic sheets 图 3 位移计布设 Fig. 3 Displacement meter 应变和位移测试选用江苏东华测试技术有限公司生产的 DH3815N 静态应变测试仪, 土压力测试选用长沙三智电子科技有限公司生产的 SZZH-MCU 型自动数据采集仪器 加载为人工分级堆载, 每级荷载施加后, 间隔 1 h 数据采集一次, 待位移数据变化不大时, 本次数据采集结束, 然后施加下一级荷载 2 试验结果及分析 2.1 试验结果 加载从零载开始, 至 86.5 kn 时, 桩体发生破坏, 试验结束 从现场观察和记录看, 加载至 71.5 kn 时, 滑体在桩体悬臂段中部出现鼓胀现象, 导致模型桩前在距桩顶 25 cm 左右处出现细微裂纹, 随着荷载的增加, 裂纹进一步扩展并导致桩在此处向外发生折断, 另外在其下又出现新的裂纹 试验结束挖开滑体后, 可以明显看到桩背滑面以下出现脱空现象, 脱空位移随距滑面位置的增加而减小, 大致呈直线分布 另外, 从典型剖面图 4 中可以看出, 锚杆在滑面内 20 cm 处向上弯曲, 在滑面外 20 cm 左右处向下弯曲 2.2 测试分析 整理数据, 得出滑体位移曲线和部分桩体压力曲 线 钢筋应变曲线和锚杆钢筋应变曲线如图 5~10 所示
第 5 期李寻昌, 等. 锚杆抗滑桩破坏模式的试验研究 805 从图 5 中可以看出, 桩顶坡面的水平位移要大于其附近坡面的竖向位移, 说明滑体在设桩位置主要以水平错动为主, 这与桩附近的滑面形状较水平也是相对应的 ; 无论桩顶位移还是坡面位移, 直到桩体发生破坏时, 均为渐进变化曲线, 无位移突变点, 说明桩发生破坏或坡面发生破坏时, 为一渐变过程, 不会突然发生, 类似于塑性破坏 背钢筋, 均在滑面以上 25 cm 左右处出现应力集中, 其中, 桩背出现压应力集中, 桩前出现拉应力集中, 这与桩的破坏位置也是相对应的 图 4 典型剖面 Fig. 4 Typical profile 图 6 C 桩锚杆应变曲线图 Fig. 6 Strain curves of anchor for pile C 图 5 桩顶及滑体位移变化曲线图 Fig. 5 Displacement curves of pile head and slip mass 从图 6 可以看出, 锚杆的应变值随着荷载的增加而增大, 锚杆钢筋受力主要局限于滑面两侧 40 cm 左右的范围内, 其余部分受力较小, 有两处应力集中点, 位于滑面两侧 20 cm 左右, 且应力集中的程度基本相等 ; 在锚固段范围内, 锚杆钢筋为上侧受拉, 在自由段, 处于下侧受压状态, 受力模式与图 4 也是相对应的 从图 4,6 基本可以得出, 对于土层滑坡中设置的锚杆 ( 单锚 ) 抗滑桩, 锚杆受力并不完全处于轴向受拉状态, 而是处于弯曲和轴拉这两种的组合状态, 锚杆受力主要位于滑面两侧 40 cm 左右的范围内, 锚杆破坏位置大致位于滑面两侧 20 cm 位置处 从图 7,8 中桩体钢筋应变曲线来看, 钢筋应变随荷载的增加而增大, 但在桩体发生破坏和卸载时, 桩前钢筋应变有减小趋势 ; 从应变变化趋势上看, 桩背应变在滑面以上基本处于受压状态, 滑面以下处于受拉状态, 相应桩前应变在滑面以上基本处于受拉状态, 滑面以下处于受压状态 另外, 无论对于桩前还是桩 图 7 C 桩背应变变化曲线 Fig. 7 Strain curves of back of pile C 图 8 C 桩前应变变化曲线 Fig. 8 Strain curve of the front of the pile C 从图 9,10 中压力变化曲线来看, 桩背滑坡推力最大值并不在桩折断位置, 而是位于滑面以上 15 cm 左右处, 即折断点以下 10 cm 左右 从桩背压力的分
806 岩土工程学报 2011 年 布来看, 滑面以上压力随荷载的增加而增加, 分布图 式类似于三角形 ; 滑面以下 30 cm 的范围内, 由于桩 体脱空, 因而压力基本为零值, 而在脱空区以下, 桩 体抗力又随着深度的增加而增加, 但数值相对较小 从图 10 中可以看出, 桩体抗力主要靠桩前土体提供, 分布图式接近于三角形, 即越靠近滑面处, 抗力越大, 数值随荷载的增加而增加 另外从压力的大小来看, 桩前桩体抗力要大于桩背土体压力, 这可能与桩背埋 设土压力盒位置土体与桩体位置分离有一定关系 图 9 C 桩背压力变化曲线 Fig. 9 Pressure curves of back of pile C 图 10 C 桩前压力变化曲线 Fig. 10 Pressure curves of front of pile C 3 锚杆抗滑桩破坏模式分析 根据钢筋混凝土规范,φ10 钢筋的弹性模量为 5 2.1 10 MPa, 强度设计值为 210 MPa, 得出钢筋屈服时的应变值近似为 1000µε 从图 6 可以看出, 在加载 64 kn 之前, 锚杆钢筋应力集中处的应变值小于屈服值, 也即锚杆钢筋处于弹性状态, 在此荷载之后, 应变值均大于 1000µε, 说明钢筋已进入屈服状态, 试验结束后挖开滑体, 可明显看到此处砂浆出现不同程度的裂缝 从图 7,8 中可以看出, 在加载至 71.50 kn 时, 在桩体应力集中处, 桩背钢筋首先屈服, 随着荷 载的增大, 桩前钢筋也进入屈服状态, 此时可明显看到桩体在此处发生折断, 随着时间的推移和荷载的增加, 在折断点以下又出现新的裂缝, 裂缝位置大致位于折断点以下 10 cm 左右, 这与桩体钢筋的应变图也是对应的 另外, 无论对于桩体钢筋还是锚杆钢筋, 进入屈服状态后, 应变增量急剧增加 ; 卸载后, 可明显看到 锚杆钢筋和桩体钢筋在正的受拉状态下, 变形均有一定程度的恢复 其中, 桩体钢筋由于应变值相对较小, 所以应变恢复较大 从图 8 可以看出, 应力集中处的 残余应变大约只有最大值的 15%, 其余地方的变形基本完全恢复, 说明其他部分钢筋仍处于弹性状态 对于锚杆钢筋来说, 由于应变值较大, 卸载后在应力集 中处残余应变较大, 说明此处钢筋已大部进入塑性状态 在负的受拉状态下, 如桩背滑面以上和锚杆自由段范围内, 卸载后, 仍有荷载限制其变形恢复 对于 桩体来说, 主要是滑坡推力, 而锚杆主要是滑体土的压力, 因而应变恢复较小 而在正的受拉状态下, 如桩前滑面以上和锚杆锚固段范围内, 卸载后受力较小, 钢筋变形均有一定的恢复空间 从桩的破坏位置来看, 位于桩前滑面以上 25 cm 左右的位置, 属于折断型破坏 ; 从桩的受力来看, 桩背土体压力的合力作用点一般位于桩体自由段中点以下, 也即破坏点位置以下, 其对桩体产生逆时针破坏弯矩, 而桩体抗力主要位于桩前滑面以下, 也即破坏点位置以下, 其对桩体主要产生顺时针的破坏弯矩, 另外一个由锚杆来提供, 位于破坏点位置以上, 产生逆时针的破坏弯矩 在这 3 个力的共同作用下, 桩体发生弯折破坏 从图 6~8 中可看出, 由于产生逆时针弯矩的锚杆拉力和桩背土压力其力臂要小于产生顺时针弯矩的桩体抗力力臂, 因而产生逆时针弯矩的力相对要大一些 另外, 锚杆的应变整体要大于桩体应变, 因而基本可以得出产生逆时针破坏弯矩的力主要由锚杆来提供 4 结论 从上面的分析可以看出, 对于在土层滑坡中设置的锚杆 ( 单锚 ) 抗滑桩, 主要可以得出如下几点结论 (1) 桩体的破坏为弯折破坏, 破坏点位于桩前滑面以上, 其破坏弯矩主要由产生逆时针旋转的锚杆拉力 桩背土压力和产生顺时针旋转的桩前土体抗力来提供 所以在进行结构设计的时候, 一定要考虑桩前滑面以上的配筋 (2) 从锚杆变化曲线来看, 锚杆受力并不完全 处于轴向受拉状态, 而是处于弯曲和轴拉这两种的组 合状态, 锚杆受力主要位于滑面两侧 40 cm 左右的范 围内, 应力集中位置大致位于滑面两侧 20 cm 位置处
第 5 期李寻昌, 等. 锚杆抗滑桩破坏模式的试验研究 807 (3) 从应变分析来看, 锚杆钢筋首先进入塑性屈服状态, 其次才是桩体钢筋, 也即锚杆钢筋的受力要大于桩体钢筋的受力 (4) 卸载后, 对于桩体和锚杆钢筋, 可明显看到在正的受拉状态下, 变形均有一定程度的恢复, 其中桩体钢筋由于屈服应力较小, 因而应变恢复较大, 而锚杆钢筋的屈服应力较大, 应变恢复相应较小 (5) 从位移变化曲线来看, 由于为连续变形, 无明显的突变点, 因而基本可以得出桩体的破坏大致为塑性弯折破坏 参考文献 : [1] 王恭先. 抗滑支挡建筑物的发展动向 [C]// 滑坡文集 ( 第十 三集 ). 北京 : 中国铁道出版社, 1998: 60 64. (WANG Gong-xian, The development trend of anti-slide retaining structures[c]// Proceedings of landslides (Vol. 13). Beijing: China Railway Publishing House, 1998: 60 64. (in Chinese)) [2] GB50330 2002 建筑边坡工程技术规范 [S]. 2002. (GB50330 2002 Technical code for building slope engineering[s]. 2002. (in Chinese)) [3] TB10025 2001 铁路路基支挡结构设计规范 [S]. 2001. (TB10025 2001 Code for design on retaining engineering structures of ailway sub grade[s]. 2001. (in Chinese)) [4] JYJ013 95 公路路基设计规范 [S]. 1995. (JYJ013 95 Specifications for design of highway sub grades[s]. 1995. (in Chinese)) [5] 杨佑发, 许绍乾. 锚索抗滑桩内力计算的有限差分 K-K 法 [J]. 岩土力学,2003, 24(1): 61 64. (YANG You-fa, XU Shao-qian. Finite difference K-K method of calculation of anchor-stabilizing piles[j]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(1): 61 64. (in Chinese)) [6] 周德培, 王建松. 预应力锚索桩内力的一种计算方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(2): 247 250. (ZHOU De-pei, WANG Jian-song. Design method of retaining pile with prestressed cable[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(2): 247 250. (in Chinese)) [7] 张玉芳, 李奇平, 张治平. 预应力锚索抗滑桩工程中锚索 拉力实测与分析 [J]. 中国铁道科学, 2003, 24(3): 21 25. (ZHANG Yu-fang, LI Ji-ping, ZHANG Zhi-ping. Measuring and analyzing tension force of anchor cable in anti-slide pile with pre-stressed anchor cable[j]. China Railway Science, 2003, 24(3) : 21 25. (in Chinese)) [8] 曾云华, 郑明新. 预应力锚索抗滑桩的受力模型试验 [J]. 华东交通大学学报, 2003, 20(2): 15 18. (ZENG Yun-hua, ZHENG Ming-xin. Force distribution rule of retaining piles with pre-stressing cables[j]. Journal of East China Jiaotong University, 2003, 20(2): 15 18. (in Chinese)) [9] 吴震, 张建新. 嵌岩桩破坏模式的试验研究 [J]. 建筑施工, 2005, 27(7): 8 10. (WU Zhen, ZHANG Jian-xin. Experimental Study on failure mode of rock- embedded pile [J]. Building Construction, 2005, 27(7): 8~10. (in Chinese)) [10] 吴鹏, 龚维明, 梁书亭. 钻孔灌注桩桩端破坏模式及极限承载力研究 [J]. 公路交通科技, 2008, 25(3): 27 31. (WU Peng, GONG Wei-ming, LIANG Shu-ting. Study on failure mode and ultimate bearing capacity of drilled pile tip [J]. Journal of Highway and Transportation Research and development, 2008, 25(3): 27 31. (in Chinese)) [11] 董捷, 董荣书, 冯国建. 抗滑桩锚固段岩体的破坏模式及其有限元分析 [J]. 贵州地质, 2005, 22(2): 206 209. (DONG jie, DONG Rong-shu, FENG Guo-jian. Damage model for rock embedded by anti-slide pile and its finite element analysis[j]. Gui Zhou Geology, 2005, 22(2): 206 209. (in Chinese)) [12] 李寻昌, 门玉明, 何光宇. 锚杆抗滑桩桩侧地层抗力分布模式的试验研究 [J]. 岩土力学, 2009, 30(9): 2655 2659. (LI Xun-Chang, MEN Yu-ming, HE Guang-yu. Test study on the strata resistance force beside piles of the anti-slide pile of anchor bar[j]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(9): 2655 2659. (in Chinese)) [13] 李寻昌, 门玉明, 王娟娟. 锚杆抗滑桩体系的群桩 群锚效应研究现状分析 [J]. 公路交通科技, 2005, 22(9): 52 55. (LI Xun-Chang, MEN Yu-ming, WANG Juan-juan. Analysis on researche reality of the effects of pile groups and anchor groups in anchor anti-slide piles[j]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(9): 52 55. (in Chinese)) [14] LI Xun-chang, MEN Yu-ming. Anchoring depth research of anti-slide piles of anchor bar in soil[j]. Earth Science Frontiers, 2009, 16: 182. [15] 李寻昌, 邓军涛, 门玉明. 基于复合型法基于复合形法的锚索抗滑桩优化设计 [J]. 路基工程, 2009(6): 19 20. (LI Xun-Chang, DENG Jun-tao, MEN Yu-ming. Optimal design of anchor anti-slide pile based on the complex method[j]. Subgrade Engineering, 2009(6): 19 20. (in Chinese)) [16] 门玉明, 邓军涛, 李金湘. 锚索抗滑桩设计中几个问题的探讨 [J]. 公路交通科技, 2005, 22(6): 52 54. (MEN Yu-ming, DENG Jun-tao, LI Jin-xiang. Study on the anchor anti-slide pile[j]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(6): 52 54. (in Chinese))