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摘要：抗滑桩是边坡抗震加固的有效手段之一。对抗滑桩加固边坡的地震动力离心模型进行设计，详细介绍试验设备、模型箱、模型相似关系、模型尺寸和材料、试验量测系统、各传感器的布置，地震波加载制度。所给出的试验设计方案对开展抗滑桩的动力离心模型试验和理解抗滑桩与边坡土体的动力相互作用具有重要的参考价值和理论意义。
关键词：抗滑桩；边坡；地震响应；动力离心试验；试验设计
一、引言
边坡在地震作用下失稳进而产生滑坡是世界上最为严重的地质灾害之一[1]。为了防止或减轻地震造成的边坡失稳灾害，边坡的加固治理在工程界受到广泛重视。抗滑桩作为边坡抗震加固的有效手段之一，由于其设计方法并不成熟，因此在地震条件下抗滑桩的加固规律和机制研究具有重要意义。土工离心模型试验结合专有振动台可精确揭示原型在实际应力条件下的真实动力响应，被公认为是研究岩土地震工程问题最有效、最先进的研究方法和试验技术[2]。王丽萍等[1]对比分析了均质土坡和土钉加固土坡的动力响应，探讨了土钉加固土坡的变形规律和加固机制；于玉贞等[3]进行了抗滑桩加固砂质边坡的动力离心模型试验，得出了砂质边坡的地震响应、桩前动土压力变化规律。Al-Defae A H [4-5]利用层状剪切箱进行了一系列砂质边坡及预制桩和弹性桩加固砂质边坡的模型试验，研究了砂质边坡及其加固边坡的变形规律和抗滑桩的抗震性能。从现有的文献分析，既有成果通常研究的均质边坡且大多数为砂质边坡，这与实际工程存在较大的差异，而针对实际中存在的非均质边坡且带有反倾段的堆积体边坡及其抗震加固的研究却鲜有报道，远不能满足边坡工程的抗震需求。
本文采用动力离心模型试验方法，设计地震条件下未加固边坡和单根、排式抗滑桩加固边坡的动力离心模型对比试验，从而为抗滑桩的抗震设计提供科学依据。
二、模型设计
试验采用浙江大学ZJU400土工离心机进行，如图1所示。该土工离心机为电机驱动式，采用双吊篮工作方式，其最大运行能力为400g?t，最大离心加速度150g，最大有效旋转半径4.5m。离心机在静力试验中可以负载2500kg的150g重力加速度下工作。
地震响应由浙江大学与日本Solution公司联合研制的一维振动台输入，离心机振动台系统如图2所示，振动台水平向振动。振动台最大工作离心加速度为100g，振动幅值范围为±0.6cm，最大振动加速度和速度分别为40g和150cm/s，频率范围10Hz～200Hz。振动台台面尺寸为0.9m×0.8m，最大负载500kg。
试验中采用与振动台配备的刚性模型箱，该刚性箱是利用高强度螺栓将机加铝合金板联接成可分和的长方形箱体，其内壁净尺寸为600 mm×400 mm×500 mm (长度×宽度×高度)，在模型箱的一个侧面安装了有机玻璃观察窗，其可观测的范围为500 mm×300 mm (长度×高度)，并且有机玻璃板上布置了间距为50mm的颗粒图像测速技术 (particle image velocimetry ) PIV控制点，方便用来监测试验过程中黏性土坡的变形以及PIV分析[6]，试验所用模型箱如图3所示。
图3 试验所用模型箱
综合考虑离心机参数、模型箱尺寸等因素设定离心机加速度为50g，即离心机模型试验比尺n=50。图4所示为未加固边坡动力离心模型的示意图可知，模型边坡的坡角28°，模型边坡高度210mm、模型边坡地基厚度150mm、坡脚前缘长度为35mm和坡肩后缘长度为122.5mm。边坡的滑动面呈折线形，上陡下缓，坡脚处及附近存在反倾段。
试验中的滑体采用四川汉源背后山滑坡体的粉质黏土，采用2mm土工筛进行过筛。试验中的滑床采用一定配比的水泥土（粉质黏土：水泥：石英砂：水=1：0.55：1：0.25），掺入水泥量的2%的早强减水剂进行配置而成。抗滑桩若采取预制钢筋混凝土桩时，因模型尺寸太小，制作操作时都很不方便，易造成较大误差，难以保证模型测试结果的精度，且表面粗糙及变形易产生裂缝，使得其表面的应变片测试数据将引起较大的误差。因此，本次试验为简化施工操作选择6061铝合金矩形管桩进行模拟。
滑床所用水泥土密度控制在ρ=1.9g/cm3，滑体用土干密度ρd=1.55g/cm3，含水量18%。抗滑桩所用6061铝合金矩形管桩的弹性模量为EAl=68.9GPa，泊松比υAl=0.330。抗滑桩模型桩长为280 mm，截面尺寸为30 mm ×40 mm，壁厚2.5mm，排式抗滑桩加固边坡的桩间距为120mm。
三、试验设计
设计了3组地震条件下未加固边坡和单根、排式抗滑桩加固边坡的动力离心模型对比试验，量测系统主要由加速度传感器、LVDT位移传感器、LD激光位移传感器、模型箱有机玻璃侧面PIV控制点和Markers点、有机玻璃侧面摄像头和照相机，以及坡面摄像头组成。传感器的布设部位主要为沿振动方向的中心剖面上如图4所示。
图4 抗滑桩加固边坡试验总体方案示意图（单位：mm）
（1）通过布置在有机玻璃侧面记录试验过程的高清晰照相机、PIV控制点以及预埋土中的Markers点组成的位移量测系统可以获得整个试验过程中边坡的变形规律；同时布置在坡顶的2个LVDT位移传感器和抗滑桩桩顶的1个激光位移传感器可以分别监测坡顶的竖向沉降和桩顶的水平位移；坡顶以及侧面的摄像头可以记录整个试验过程的动态变化。
（2）通过布置15个加速度传感器来记录整个地震过程中加速度时程曲线，以便获得不同工况下的边坡加速度响应规律。A0布置在模型箱底部用于记录输入地震波的加速度时程；A1和A7分别记录地震过程中滑床的坡脚和坡顶处的水平加速度响应；沿着边坡坡面分别等间距布置记录水平加速度响应的A2、A3、A4、A5以及记录竖向加速度响应的A11、A12、A13、A14共计8个加速度传感器；沿着边坡坡体内部与坡面同高程等间距布置记录水平加速度响应的A8、A9、A10、A6共计4个加速度传感器。
（3）通过布置在抗滑桩不同位置的应变片可以记录整个试验过程中的抗滑桩轴向应变时程，根据应变时程可以计算并对比分析抗滑桩不同位置的静动总弯矩受力规律。应变片沿280mm的桩身等间距40mm对称布置6对共计12枚，应变片的连线从空心管桩内部向上引出，如图5所示。
（4）通过布置在抗滑桩表面的土压力盒可以得到静力和动力条件下抗滑桩桩前、桩后分别与土体静接触应力和地震动接触应力，继而可以得出桩后滑坡推力分布形式。5个土压力盒均贴着抗滑桩表面埋设在边坡土体中，其中桩后3个，桩前2个。距离桩顶距离分别为20mm，60mm和100mm，如图5所示。
制备完好的模型箱，吊入离心机的振动台上，安装位移传感器、激光传感器、照相机、摄像头、灯带等设备，检查离心机信号正常之后。运行离心机并加载到设计的离心机加速度50g时，读取各传感器的读数，待其稳定后开始实施动力加载。首先进行扫频试验，输入峰值加速度（PGA）为0.05g的白噪声随机波，持时为2s左右，其目的是获取模型边坡的动力特性，即自振频率、振型和阻尼比。地震动采用2008年汶川地震汉源强震记录反演基岩所得地震动进行输入[2]，图6所示为地震波的水平加速度时程曲线，PGA南北向为0.0379g，持时压缩到大约7s, 卓越频率2.27Hz。图7所示为对应的水平加速度傅氏谱。动力加载分别按照图7所示的PGA放大到0.05g、0.10g、0.20g、0.30g、0.40g依次加载。
图5 应变片和土压力计布置图
图7 输入地震波加速度傅氏谱
四、结论
本文对抗滑桩加固边坡的动力离心模型试验的设计方案进行了系统的分析和研究，在参考已有研究成果和试验的基础上，对试验设备、模型箱、模型相似关系、模型尺寸和材料、试验量测系统、各传感器的布置，地震波加载制度进行了详细的介绍。所给出的试验设计方案对开展抗滑桩的动力离心模型试验和理解抗滑桩与边坡土体的动力相互作用具有重要的参考价值和理论意义。
参考文献
[1]王丽萍，张嘎，张建民，等.土钉加固黏性土坡动力离心模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(6)：1226-1230.
[2]原飞，刘红帅，郑桐，等.锚索抗滑桩的离心振动台模型试验设计[J].地震工程与工程振动，2014，34(2)：240-245.
[3]于玉贞，邓丽军.抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验[J].岩土工程学报，2007，29(9)：1320-1323.
[4]AL-DEFAE A H，CAUCIS K and KNAPPETT J A. Aftershocks and the whole-life seismic performance of granular slopes[J]. Geotechnique，2013，63(14)：1230-1244.
[5]AL-DEFAE A H and KNAPPETT J A. Centrifuge modeling of the seismic performance of pile-reinforced slopes[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2014，63(14)：04014014-1-04014014-13.
[6]WHITE D J. An investigation into behavior of pressed-in piles[D].Cambridge：University of Cambridge，2003.
论文作者:涂杰文,李瑞英,姚阳
论文发表刊物:《防护工程》2017年第12期
论文发表时间:2017/9/22
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