DOI ：10.ki.issn.1000-3665.202004034
抗滑桩应变特征与内力非线性研究
任青阳1,2
，赵梦园2
，谢忠伟3
，吴鑫培2
，陈 斌
2
（1. 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2. 重庆交通大学土木工程学院，
重庆 400074；3. 广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，广西 南宁 530023）
摘要：为探究抗滑桩实际内力与变形间的规律，特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等特征，
通过抗滑桩大型物理模型试验，结合MATLAB 拟合推导实现从桩表面应变散点数据到桩身挠度分布的求解。对比同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种情况下桩表面应变、桩身弯矩、剪力及挠度，分析抗滑桩的应变特征与内力变化规律。研究表明：单调与循环加载条件下抗滑桩工作阶段划分为三阶段，即未开裂阶段、混凝土开裂-钢筋屈服阶段、钢筋屈服-桩体破坏阶段。未开裂阶段一、二级荷载下由于土的压密性桩体略微回弹，桩表面应变、桩身弯矩、受荷段剪力及挠度出现较小的负值（绝对值约为破坏时的1%）。混凝土开裂-钢筋屈服阶段应变、弯矩、剪力、挠度增速明显加快。钢筋屈服-桩体破坏阶段应变、弯矩、剪力、挠度呈非线性增长，桩体的破坏模式均为弯剪破坏。随着自由端长度的增加，破坏时应变、弯矩增大，而剪力减小，破坏时应变增长约10%，弯矩增长约3%，剪力减少约20%；相对于单调加载，循环加载下最大弯矩值和最大挠度均有增大，最大弯矩增长约2%，最大挠度增长约1%。关键词：抗滑桩；模型试验；内力分布；应变特征；非线性分析
中图分类号：U213.1 文献标志码：A 文章编号：1000-3665（2021）02-0114-11
A study of the strain characteristics and internal force
nonlinearity of anti-slide pile
REN Qingyang 1,2
，ZHAO Mengyuan 2
，XIE Zhongwei 3
，WU Xinpei 2
，CHEN Bin
2
（1. State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering , Chongqing 400074, China ；2. School of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University , Chongqing 400074, China ；3. Guangxi Water & Power
Design Institute ,Nanning ,Guangxi 530023, China ）过五关斩六将的意思是
Abstract ：This paper prents an investigation of regularity between the internal force and deformation of anti-slide pile under the actual stress condition, places its emphasis on the regularity of force characteristics,deformation and stability of pile body under the interaction between anti-slide pile and soil. Bad on experimental data of large physical model tests of anti-slid
e pile, and fitting the data with MATLAB, the solution from the strain data of pile surface to the deflection diagram of pile body is realized. The regularity between the strain characteristics and internal force variation of anti-slide pile are analyzed by comparing the strain of pile surface,bending moment of pile body, shear and deflection in the two conditions: different loading conditions under the same pile length and different pile lengths under the same loading condition. The results demonstrate that the working stage of anti-slide pile under the condition of monotone and cyclic loading is divided into three stages: the uncracked stage, concrete cracking-steel yield stage and steel yield-pile destroying stage. Under the first and
收稿日期：2020-04-11；修订日期：2020-07-14
基金项目：国家重点研发计划重点专项课题（2016YFC0802206-3）；国家自然科学基金资助项目（41472262）；重庆市高校创新研究群体项目
（CXQT19021）；交通运输行业高层次技术人才培养项目（2018-26）
第一作者：任青阳（1975-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事土木工程防灾减灾、滑坡演化与控制、岩土本构关系数值建模研究。
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历史知识点
Vol. 48 No. 2水文地质工程地质
第 48 卷 第 2 期
Mar.，2021HYDROGEOLOGY & ENGINEERING GEOLOGY 2021 年 3 月
cond load levels in the uncracked stage, the stain surface of pile, the bending moment of pile body, the shear force of the load ction and deflection appear smaller negative values due to the slight rebound of the compaction pile body of the soil, and the absolute values of the smaller negative values are about 1% the values at the pile destroying stage. The growth rates of strain, bending moment, shear force and deflection of concrete cracking-steel yielding stage are obviously accelerated. Strain, bending moment, shear force and deflection of steel yielding-pile destroying stage show nonlinear growth, and the failure modes of pile body are all bending and shear failure. As the length of the free end increas, strain and bending moment increa by about 10% and 3% at the pile destroying stage, while the shear force decreas by about 20%. Compared with the monotonic loading, the maximum bending moment and maximum deflection increa by about 2% and 1% respectively under cyclic loading.
Keywords：anti-slide pile；model test；internal force distribution；strain characteristics；nonlinear
analysis
荡胸生曾云抗滑桩在各类边坡防护与滑坡治理工程中得到了广泛的研究与应用，现已成为主要治理措施之一[1 − 3]。然而目前抗滑桩应用中理论设计中经验成分较多，桩身实际内力与变形间的规律研究尚不完善，特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等研究[4 − 5]，这导致抗滑桩在实际设计中出现桩身配筋过大，安全系数过高，截面抗弯能力不能完全发挥，造成工程造价偏高，因此深入开展抗滑桩内力与变形研究是当前迫切需要研究的课题之一[6 − 8]。
近年来，国内外研究学者在抗滑桩内力及变形方面已有相关研究成果，如佴磊等[9]针对滑坡治理过程中抗滑桩结构设计及滑动面上下桩身内力、变形分析，给出均布及线性荷载下桩的挠曲微分方程，不同位移、桩底约束条件及转角边界条件下桩身变形；祝廷尉等[10]基于嵌岩桩物理模型试验得出桩受力特征、变形破坏模式及桩身弯矩分布规律；雷文杰等[11]进行了深埋桩模型试验，研究了深埋桩加固滑坡体的作用机制，分析得出不同桩长下抗滑桩承载能力及桩后推力变化情况；刘洪佳等[12]基于悬臂式抗滑桩模型试验，研究了滑坡推力分布及土体抗力变化情况；易靖松等[13 − 14]基于现场和室内试验通过分析桩身弯矩、应力等研究了加复合排水技术下及不同截面状态下的空心抗滑桩支挡效果；高波等[15]开展了现场模型试验，研究了不同自由段长度下的抗滑桩受力及变形特性；方景成等[16]基于数值模拟研究了不同桩土刚度比及布桩位置下桩身内力分布情况；费鸿禄等[17]利用MATLAB拟合工具对试验测的桩身变形离散数据拟合求得了抗滑桩的剪力和弯矩。目前已有的研究成果主要通
过物理模型试验和数值模拟两种手段来探究抗滑桩工作时内力、变形等规律，但多集中在理论或单一工况，对于不同工况桩-土相互作用下桩的应变特征及其内力的关系还有待进一步研究。
本文基于抗滑桩大型物理模型试验，借助MTS伺服机加载装置加载，深入研究同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种工况下抗滑桩变形特征与内力关系，总结抗滑桩工作时变形特征与内力非线性关系，为最大程度发挥抗滑桩承载能力提供依据。
1 试验设计
1.1 试验概况
本试验模拟马家沟滑坡实际防治工程抗滑桩。马家沟滑坡位于秭归县吒溪河左岸支沟马家沟与卡子湾滑坡之间，滑坡纵向长度为538 m，前缘高程为135 m，后缘高程为280 m，平均坡度为15°，前后缘宽度分别为150，210 m。基岩主要以石英砂岩和粉砂质泥岩为主，滑体主要由包含松散碎石块、碎土块的残坡堆积层构成。试验探究同桩长不同加载条件和同加载条件不同桩长两种工况下抗滑桩变形特征与内力关系，总结抗滑桩在工作时变形特征与内力的非线性关系。
室内物理模型试验共进行3组，每组包括工况（1）单调加载、工况（2）循环加载，具体为：1.6 m桩长的单调加载及循环加载试验；1.8 m桩长的单调加载及循环加载试验；2.0 m桩长的单调加载及循环加载试验。
1.2 试验准备
实际工程抗滑桩断面尺寸为：h×b=2 000 mm×1 500 mm，长约40 m。试验在自行设计的模型箱里进行，尺寸为2.0 m×1.2 m×2.0 m（长×宽×高），箱内浇筑0.8 m 厚混凝土用于模拟基岩，距模型箱后边界40 cm处预留矩形洞用于放置预制抗滑桩。根据本试验中场地条件及加荷条件，取几何相似为λL=1∶20，模型桩断面尺寸为：h×b=150 mm×100 mm，桩长分别为1.6，1.8，
2021 年任青阳，等：抗滑桩应变特征与内力非线性研究 · 115 ·
2.0 m，桩体埋置方式为全埋式，使用4根φ6和1根φ10的光圆钢筋作为受拉钢筋与架立筋，箍筋φ6@200，保护层厚度15 mm，混凝土等级为C30，钢筋牌号为HPB300。滑床和滑体均采用实际工程附近的土，模型填筑采用人工夯实，每填20 cm夯实一次，夯实后取土进行室内压缩试验、直剪试验、含水率试验，测试得到土体参数如表1所示。
表 1 模型试验土体实测参数
Table 1 Measured parameters of the model soil
参数含水率/%内摩擦角/（°）黏聚力/kPa压缩模量/MPa
数值18.2517267.1
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1.3 试验装置系统
模型试验装置系统主要由加载装置、固定支撑装置与监测装置组成。加载装置包含MTS伺服加载试验系统、反力墙、推力分散门，固定装置包含桩体、土箱固定装置、位移计固定架，监测装置包括各类数据采集仪（钢筋计，应变片等）、数据接收仪、监测PC、高清摄像头、单反相机。模型试验现场见图1，试验装置三维模型见图2。
图 1 模型试验现场图
Fig. 1 Site of model test
钢筋计布置于φ10钢筋之上，每根桩均布置有2个，位置相同，布设位置从桩底开始依次间隔0.332，0.468 m，具体布置方式见图3。应变片在桩前、后均有布置，从桩顶至嵌固端以下0.2 m到桩顶，每隔0.1 m 贴一个，用502胶水将应变片粘在桩体相应位置处，用透明胶带包裹，用塑料保鲜膜将桩包裹，防止水进入影响应变片工作。具体布置方式见图4。
1.4 试验加载方式
试验使用MTS伺服机对抗滑桩进行加载，假定滑坡所受推力分布形式为矩形，即滑坡推力为均布荷载。伺服机只能施加集中荷载，故特制了一个推力分
DT80 智能数据
采集仪
卡酷旗舰店
MTS 伺服
加载系统
静态应变
采集仪
电脑
位移传感器
反力墙
模型试验
土箱
工字钢
支撑架
图 2 试验装置三维模型
Fig. 2 Three-dimensional model of the test device
图 3 钢筋计布置示意图（单位：mm）
Fig. 3 Sketch of arrangement of the reinforcement meter
（unit: mm)
图 4 应变片布置示意图（单位：mm）
财务出纳Fig. 4 Sketch of arrangement of the strain gauge（unit: mm)
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散门安装在土的受力面上，使集中力分散为均布荷载。单调加载采用分级加载，直接加载致模型桩体破坏。循环加载先加载至一定荷载，再卸载至0，最后重新分级加载至桩体破坏。加载步长均设置为6 kN，每级加载时间均为5 min，维持时间为25 min，具体加载方案见表2。
表 2 各组试验单调、循环加载方案
Table 2 Schemes of monotonic and cyclic loading of each test
加载级次
工况（1）：单调加载/kN工况（2）：循环加载/kN 1.6 m 1.8 m 2.0 m 1.6 m 1.8 m 2.0 m
10～60～60～60～60～60～6
26～126～126～126～126～126～12
312～1812～1812～1812～1812～1812～18
418～2418～2418～2418～2418～2418～24
524～3024～3024～3024～3024～3024～30
630～3630～3630～3630～2430～3630～36
736～4236～4236～4224～1836～3036～30
842～4842～4842～4818～1230～2430～24
948～5448～5448～5412～624～1824～18 1054～6054～6054～606～018～1218～12 1160～6660～6360～660～612～612～6
1266～7266～696～126～06～0
1372～7812～180～60～6
1478～8418～246～126～12 1584～9024～3012～1812～18 1690～9630～3618～2418～24 1796～10236～4224～3024～30 1842～4830～3630～36 1948～5436～4236～42 2054～6042～4842～48 2160～6648～5448～54 2266～7254～6054～60 2372～7860～6660～66 2478～8466～7066～72 2584～90
2 试验结果分析
2.1 桩表面应变及钢筋应力分析
图5、图6、图7分别为不同桩长两种加载条件下的桩前后应变分布，图8为各工况破坏时桩前后应变对比分布。1.6 ，1.8，2.0 m桩自由段长度分别为0.8 ，1.0 ，1.2 m，固定段长度都为0.8 m。由图8可知，桩前后表面变形集中分布于滑动面上下0.2 m范围内，同工况下桩后拉应变均大于桩前压应变。
应变分布曲线试验前期较集中，相邻两级差值较小，前两级由于土的压实导致桩体回弹应变数值为负，抗滑桩处于混凝土未开裂阶段。试验中期每级荷
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图 5 1.6 m桩前、后应变分布图
Fig. 5 Strain diagram of the front and back of 1.6 m pile
图 6 1.8 m桩前、后应变分布图
Fig. 6 Strain diagram of the front and back of 1.8 m pile
2021 年任青阳，等：抗滑桩应变特征与内力非线性研究 · 117 ·
载间应变增速略微加快，抗滑桩处于混凝土开裂-钢筋屈服阶段。试验后期特别是破坏前三级，每级增量快速增加，曲线较为分散，呈现出非线性，桩体进入钢筋屈服-混凝土破坏阶段。
不同桩长下应变突变集中在滑动面上下0.2 m 范围内，与开挖填土后观测的桩体裂缝分布一致，除1.6 m 组工况（1）的最大应变位于滑动面以上0.1 m 处，其他最大应变都位于滑动面以下0.1 m 处，最大应变分布位置区别明显，分析原因如下：1.6 m （1）试验最先进行，夯土过程夯击数把握不准导致滑动面土体过于紧实；桩前模型土箱封闭导致桩前至模型土箱边缘间土体在加载过程中形成土柱，增加了嵌固段的深度，使1.6 m （1）工况最大应变位置上移。由图8可知破坏时
应变从滑动面附近向桩体两端递减，由此趋势分析得桩体的破坏模式均为弯剪破坏，与开挖填土后观测到桩体破坏形式一致。随着自由段长度增加，破坏时桩前后应变增大，相较于单调加载，循环加载破坏时应变大，说明桩长增加，截面抗弯性能得到更充分利用，且循环加载更有利于抗滑桩承载能力发挥。
分别取各组试验滑动面上下约0.2 m 范围内的三处较明显的桩后应变值作应变增量曲线图，同时与受拉区钢筋拉力增量曲线进行联合分析。
图9、图10、图11分别为不同桩长两种加载条件
图 7 2.0 m 桩前、后应变分布图
Fig. 7 Strain diagram of the front and back of 2.0 m pile
图 8 各工况破坏时桩前后应变对比分布图
Fig. 8 Contrast of strain diagram of the front and back of
pile after damage under various conditions
图 9 1.6 m 桩应变、钢筋应力增量曲线图
Fig. 9 Increment curve of strain and steel stress of 1.6 m pile
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水文地质工程地质
第 2 期
