锚杆抗滑桩安全预警及监测方案研究

张 涛，石胜伟，门玉明，谢忠胜

（1.中国地质调查局地质灾害防治技术中心，成都 611734；2.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734；3.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054）

锚杆抗滑桩安全预警及监测方案研究

张 涛1，2，石胜伟1，2，门玉明3，谢忠胜1，2

（1.中国地质调查局地质灾害防治技术中心，成都 611734；2.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734；3.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054）

锚杆抗滑桩是滑（边）坡加固的重要措施之一，由于岩土体介质的特殊性，其桩身及锚杆的实际应力应变与理论计算存在较大差异，致使其破坏机理与监测预警一直是工程界关注的重点和难点。通过开展锚杆抗滑桩的物理模型试验，深入研究锚杆抗滑桩变形破坏的演化规律，采用数据分析、数学模型拟合等方法，得出了锚杆抗滑桩的安全预警判据，并对锚杆抗滑桩施工期和运营期的安全监测方案提出建议。研究表明：锚杆抗滑桩从开始变形直至最终破坏大致都要经历弹性变形、弹塑性变形、塑性变形3个阶段；锚杆抗滑桩治理滑坡时，应重点对抗滑桩的桩顶位移、桩身应力应变及锚杆锚固力进行监测；建立锚杆应力值与桩顶位移的关系，预测锚杆是否屈服，为锚杆抗滑桩的监测预警提供了具有借鉴意义的思路。

锚杆抗滑桩；模型试验；滑坡；安全预警判据；监测方案

1 研究背景

锚杆抗滑桩是滑（边）坡加固的重要措施之一，它是在抗滑桩技术与锚固技术相结合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杆，滑坡推力由锚杆和抗滑桩共同承担［1］。然而，目前大多滑坡灾害治理设计中，未考虑岩土体与锚杆抗滑桩的相互作用关系，如桩间土拱效应、锚杆锚固效应等，因而锚杆抗滑桩桩身及锚杆的实际应力应变与理论计算值存在较大差异，致使其破坏机理与监测预警一直是工程界关注的重点和难点［2］。

经过广大学者苦心探索，滑坡灾害的预警预报理论和方法取得了较大发展，经历了从现象预报、经验预报到统计预报、灰色预报再到非线性预报的历程，滑坡预报进入全信息综合预报和实时动态跟踪预报的阶段［3－4］。但目前国内外学者所提出的预警预报理论及模型往往只适用于某种特定类型的滑坡［5］。因此，要成功预报滑坡，就须深入研究滑坡滑动时间预报模型，并提出有效的预警判据［6－7］。在以往的研究中，研究对象主要集中于地质灾害体，而类似锚杆抗滑桩、微型组合抗滑桩等组合支护结构体的安全监测及预警预报方法的研究比较少，需广大学者进行更深一步的探索。

本文通过锚杆抗滑桩物理模型试验，研究锚杆抗滑桩的变形演化规律，通过数据分析、数学模型拟合等方法，研究锚杆抗滑桩的安全预警判据，并对锚杆抗滑桩施工期和运营期的安全监测方案提出建议，为锚杆抗滑桩的监测预警提供了具有借鉴意义的思路。

图1 锚杆抗滑桩试验模型示意图Fig.1 Testmodel of anti slide anchor pile

2 锚杆抗滑桩试验

2.1 试验原理

以西安北郊典型黄土为介质建立滑坡模型，人工预设滑面，并在锚杆钢筋上贴设应变片，桩顶布设位移计。通过竖向加载至滑坡模型破坏，以观测锚杆应力应变及桩顶位移情况，总结锚杆抗滑桩的变形演化规律及安全预警预报方法。试验模型示意如图1所示。

2.2 相似比设计

根据相似原理，模型试验要满足几何相似、物理相似、应力相似和荷载相似等条件［8］。本次试验模拟断面尺寸为1 000 mm×1 500 mm，长为15～30 m的抗滑桩，几何相似比例取为λL＝1∶20。

2.3 模型准备

模型试验在3m×1.8 m×2.2 m（长×宽×高）的模型箱内进行，试验中滑床及滑体的材料均采用黄土进行填筑，黄土的设计重度为18 kN／m3。试验中采用双层塑料薄膜模拟滑带，其参数经锚杆抗滑桩试验时滑坡体处于极限平衡状态时的加载量及滑坡推力反算确定为c＝3.1 kPa，φ＝15°。

本次试验共布设4根抗滑桩和4根锚杆，均采用人工预制。模型桩为细石混凝土灌注，强度为C20，桩长为1.0 m，横截面为50 mm×80 mm矩形。桩后配置3根Φ8 mm钢筋为主筋，桩前配置2根Φ8 mm钢筋为主筋，箍筋采用双肢Φ4 mm冷拉钢筋，间距100 mm。桩截面配筋图见图2。

抗滑桩滑面以下嵌固段为0.5 m，滑面以上悬臂段（受荷段）为0.5 m。桩间距均为0.4 m，与外边缘距离为0.3 m。

图2 桩截面钢筋布置图Fig.2 Arrangement of reinforcing steel bars in pile section

锚杆自由段采用Φ10 mm的钢筋，自由段长0.65 m；锚固段锚杆钢筋采用Φ10 mm钢筋，直径D为0.06 m，用M15水泥砂浆锚固，锚固段长度为1.0 m。锚杆锚头距桩顶距离为0.05 m。详见图3。

图3 桩锚模型照片Fig.3 Photo of pile anchor model

2.4 测试内容

2.4.1 锚杆应力应变变化

在A，B，C桩对应锚杆上，从距锚固段最低端15 cm起，向自由段每10 cm贴设1个应变片，每根锚杆共贴设13个，其中锚固段8个，自由端5个。

2.4.2 桩顶横向位移及滑坡体竖向位移

在滑体两侧（距滑体顶部0.65 m处）对称布设2个位移计以测试滑体的竖向位移变化量。在4个抗滑桩距桩顶0.1 m处（距锚杆锚头0.05 m）分别布设4个位移计以测试桩顶的水平位移量。

2.5 加载设计

模型填筑后，首先对每根锚杆施加预应力1.5 kN，以锚固滑坡体。然后采用堆加沙袋的方法于坡顶分级施加竖向荷载，单次加载量设计为6 kPa。每级加载后，直至桩锚结构变形趋于稳定后方可加下一级荷载，直至滑坡变形破坏。由桩顶位移计数据确定加载时间（见图4）。

图4 模型加载测试照片Fig.4 Photo ofmodel load test

3 锚杆抗滑桩的变形演化规律

通过数据测试发现，锚杆在滑面附近0.1～0.2 m处出现最大的应力应变值［9］。桩顶位移变形趋势和锚杆应力应变曲线图基本一致，基本呈现线性增长、内凹缓慢增长、内凹加速增长3个阶段（见图5）。

从图5可看出，锚杆抗滑桩的破坏变形和滑坡的破坏变形类似，大致都要经历弹性变形、弹塑性变形、塑性变形3个阶段，演化过程见图6所示。

AB段为弹性变形阶段：变形初期快速增长，但很快减缓趋于正常，桩锚处于弹性变形阶段。

BC段为弹塑性变形阶段：变形曲线呈线性增长，变形速率基本不变，桩锚处于弹塑性变形阶段。

CD段为塑性变形阶段：变形达到一定值后，呈现加速增长，桩锚处于塑性破坏阶段。

分析表明，锚杆抗滑桩进入塑性破坏阶段是滑坡发生的基础。因此，锚杆抗滑桩的变形监测曲线是预警预报滑坡变形破坏的重要依据。

4 锚杆抗滑桩安全预警判据

4.1 桩顶位移判据

图5 锚杆抗滑桩试验的测试情况Fig.5 Test conditions for anti slide anchor pile

图6 锚杆抗滑桩变形三阶段的演化图Fig.6 Three stage evolution of anti slide anchor pile deformation

桩顶位移与滑坡体位移变形趋势基本一致［9］，即对锚杆抗滑桩及滑坡体位移监测是判断滑坡体是否稳定的一种常用手段。

4.2 锚杆应力判据

在锚杆处于正常使用阶段，当锚杆材质与截面面积相同，锚杆自由段长度一样时，锚杆长度增量与锚杆应力增量呈正比关系，可以建立指标：KPU＝Δf／ΔL，其中Δf为锚杆应力增量，ΔL为锚杆长度增量。在锚杆张拉后锚杆长度增量不容易获得，可以通过该锚杆附近地标位移监测点的变形增量近似代替锚杆长度的增量［9］。锚杆锚固力随滑坡体位移的增长而增加，但锚杆的极限锚固力有限，当滑坡体变形发展到一定程度时，锚杆的锚固力达到极限锚固力后不再增加，形成锚杆失效［10］。

4.3 桩身变形判据

由锚杆抗滑桩试验分析知，锚杆抗滑桩水平最大位移处距桩顶的距离约为桩身受荷段的1／3，桩身最大弯矩和抗滑桩最大破坏位置基本一致［9］。对锚杆抗滑桩桩身位移及锚杆应力应变等进行实时监测，是滑坡安全预警的重要手段。

5 锚杆抗滑桩变形预警预测

根据不同预测模型的特点与适用性，以锚杆抗滑桩的实际监测数据为依据，应用多项式曲线回归拟合、指数法和Logistic（逻辑斯谛）、Gompertz、Boltz mann（波尔兹曼）生物增长模型进行预测。

5.1 观测值的选取

应用位移判据及锚杆应力判据是对锚杆抗滑桩支护结构进行安全预警的有效措施。由试验分析知，锚杆在滑面两侧均出现2个应力集中点，因此，本文以锚杆抗滑桩A桩桩顶位移及A桩所对应的锚杆最大拉、压应变集中点监测数据为观测值，应用相关模型进行预测。实际观测值如表1所示。

5.2 锚杆抗滑桩变形预测

将监测数据在Origin下应用多种模型进行拟合，发现应用多项式曲线回归拟合、指数法和Logis tic，Gompertz，Boltzmann生物增长模型进行预测所得到的结果与实际监测值较吻合。尤其是生物增长模型，其特点为初期增长缓慢，而后逐渐加快，当达到一定程度后，增长率又逐渐下降，最后接近一条水平线。预测模型见表2，预测结果见图7。

把预测结果与实际监测结果进行对比分析，可得出如下规律：

（1）Exponential模型预测的结果偏大，Logistic生物增长模型预测的结果偏小，而SGompertz，Boltzmann，三次多项式模型的预测结果比较吻合。因此，针对锚杆抗滑桩的预报预警可选择适当的SGompertz，Boltzmann，三次多项式模型来进行预测。

（2）锚杆抗滑桩滑坡模型在150 h之前基本处于匀速变形阶段，在150 h后进入加速变形阶段，整体下滑的时间则出现在275 h以后。

表1 锚杆抗滑桩观测值表Table 1 Observed values of pile top displacement，maxim um norm al stress and m axim um negative stress

表2 锚杆抗滑桩观测值预测模型及拟合方程Table 2 Prediction models and fitting equations for the observed values

图7 锚杆抗滑桩预测曲线图Fig.7 Curves for anti slide anchor piles predicted by differentmodels

（3）桩顶位移在0～10 mm区间时，位移速度约在0～2.4 mm／d区间内，对应的锚杆应变值匀速变化，代表匀速变形阶段。

桩顶位移在10～30 mm区间时，位移速度在2.4～8.6 mm／d区间内，对应的锚杆应变值加速变化，代表加速变形阶段。

桩顶位移在30～70 mm区间时，位移速度在8.6～16.7 mm／d区间内，对应的锚杆应变值急剧变化，代表急剧变形阶段。

（4）锚杆最大正负应变值变化规律与抗滑桩桩顶位移变化规律趋势一致。由此，我们可以建立锚杆应力应变值与桩顶位移的关系，进而建立锚杆拉力值与桩顶位移的关系，来预测在桩顶位移达到某值时，锚杆是否出现屈服，这为以后的监测预警工作提供了新的思路。

根据钢筋混凝土规范，Φ10 mm钢筋的弹性模量为2.1×105MPa，强度设计值为210 MPa，由σ＝Eε可得出钢筋在不同阶段的应力强度，再由F＝σS可算出不同阶段的轴向拉力。由于在测试过程中采用了放大系数10倍，因此，锚杆钢筋轴向拉力公式为

通过计算，我们可以得到如图8所示的锚杆拉力与位移的关系图。

图8 锚杆拉力值－位移曲线实测图Fig.8 Curves of tension vs.displacement of anchor bolt

以锚杆最大拉力值的观测值，利用SGompertz模型得到预测拟合方程为

由此，当桩顶位移到达88 mm时，

而当σ取钢筋强度设计值为210 MPa时，

因此，当桩顶位移达到88 mm后，锚杆钢筋抗拉强度超过其屈服值，即当抗滑桩桩顶位移达到88 mm后，锚杆钢筋进入屈服阶段，由弹性变化变为塑性变化。

（5）利用锚杆应力判据中建立的锚杆拉力与位移的关系式，则KPU＝Δf／ΔL实质为该关系式的求导过程，前文拟合方程为

对每点求导数，其斜率曲线如图9所示。

图9 锚杆判据KPU－位移曲线预测Fig.9 Predicted curve of anchor’s criterion KPUvs.displacement

从图9可看出，桩顶位移在0～20mm区间时，锚杆拉力呈线性变化，KPU＝0.085；桩顶位移在20～88 mm区间时，锚杆拉力呈加速增长变化，此时KPU＝0.35。桩顶位移在达到88 mm后所计算的KPU数据已失效，这是因为钢筋在此后已出现屈服，而KPU关系的建立是以锚杆变形处于正常的弹性变化内为前提的。由此，可以建立预警指标：

KPU＜0.085时，锚杆受力呈线性增长，钢筋为弹性变化；0.085＜KPU＜0.35时，锚杆受力呈加速增长，钢筋仍为弹性变化，但此时滑坡已处于加速滑动阶段，应进行重点监测和防治措施，KPU＞0.35时，锚杆已达到其屈服值，锚杆失效。

（6）本次模型试验中，锚杆锚头距桩顶距离0.05 m，因此，上述所得到的桩顶位移与锚杆应力之间的关系，以及据此得到的预警判据，均是基于试验中具体的“锚杆锚头距桩顶距离”上而得到的。

6 锚杆抗滑桩变形安全监测方案

锚杆抗滑桩安全监测的目的：一是保障滑坡治理工程在施工期间的安全性，评价设计是否合理；二是保证滑坡治理工程在竣工验收后的安全运营。

6.1 锚杆抗滑桩施工期间的安全监测

在滑坡治理施工期对锚杆抗滑桩的安全监测，主要用于控制施工的质量，体现在以下几方面：

（1）在锚杆施工的同时，必须对锚杆进行抗拔测试、混凝土强度测试以及锚杆几何参数检测，以保证锚杆施工质量满足设计要求。

（2）锚杆在滑面附近出现应力集中，应在滑面附近多布设几个测点，利用钢筋计或贴设应变片重点监测锚杆的锚固力。

（3）抗滑桩施工完后，在抗滑桩与锚杆未连接之前，锚杆的受力和抗滑桩的受力是独立的。这时抗滑桩实质上是普通抗滑桩，而非锚杆抗滑桩，即抗滑桩的破坏模式、承载机理不一样［1，9］。

因此，为保证锚杆抗滑桩的施工质量，防止抗滑桩出现类似普通抗滑桩的塑性铰破坏，应从以下3个方面对抗滑桩进行重点监测：

一是在抗滑桩桩顶处布设位移监测点，也可选择测斜管监测抗滑桩的变形情况；

二是在滑面以上抗滑桩桩后部位多布设几个桩身受力监测点，可用土压力计来监测；

三是在抗滑桩制作时，于主钢筋上对滑面以下抗滑桩部位多贴设应变片、其余部位少贴设应变片的方式来重点监测该处应力应变的变化情况。

锚杆抗滑桩施工期间的安全监测布置如图10所示。

图10 锚杆抗滑桩施工期间安全监测布置示意图Fig.10 Safety monitoring arrangement for anti slide anchor pile during construction

6.2 锚杆抗滑桩运营期间的安全监测

在滑坡治理运营期对支护结构的监测，主要对滑坡体变形及支护结构受力情况进行监测。由模型试验知：锚杆抗滑桩水平最大位移处距桩顶的距离约为桩身受荷段的1／3；桩身弯矩有2个极值点，分别位于滑面以上和滑面以下；锚杆抗滑桩的破坏位置也和弯矩最大位置基本对应；锚杆在受力作用下可能发生滑移破坏［1，9］。

因此，为保证锚杆抗滑桩的安全运营，防止抗滑桩及锚杆发生破坏，应从以下3个方面对锚杆抗滑桩进行重点监测：

一是在抗滑桩受荷段距桩顶约1／3处布设位移监测点；

二是加强对锚杆锚固力的监测，防止锚杆失效；

三是加强对抗滑桩在滑面附近易发生塑性铰破坏处的应力应变监测。

锚杆抗滑桩运营期间的安全监测示意如图11所示。

图11 锚杆抗滑桩运营期间安全监测布置示意图Fig.11 Safety monitoring arrangement for anti slide anchor pile during operation

7 结 论

通过对锚杆抗滑桩滑坡模型预警预报研究，可初步得出以下结论：

（1）锚杆抗滑桩的破坏变形和滑坡的破坏变形一样，从开始变形直至最终破坏大致都要经历弹性变形、弹塑性变形、塑性变形3个阶段。

（2）正确判断滑坡体及锚杆抗滑桩的变形阶段是准确预测预报滑坡的基础。因此，必须从变形－时间监测曲线及滑坡体宏观迹象多方面来判断滑坡体及锚杆抗滑桩的变形阶段，并将结果综合分析，才能准确进行预警预报。

（3）在应用锚杆抗滑桩治理滑坡时，应重点对滑坡体前缘及后缘的地表位移、抗滑桩的桩顶位移、抗滑桩桩身变形及锚杆锚固力进行监测。

（4）建立锚杆应力值与桩顶位移的关系，来预测当桩顶位移达到某值时，锚杆是否出现屈服。这为以后的监测预警工作提供了新的思路。

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（编辑：曾小汉）

Safety Early W arning and M onitoring Suggestions for Anti slide Anchor Pile

ZHANG Tao1，2，SHISheng wei1，2，MEN Yu ming3，XIE Zhong sheng1，2
（1.Geological Disaster Prevention Center，China Geological Survey Bureau，Chengdu 611734，China；2.Institute of Exploration Technology，Chinese Academy of Geological Sciences，Chengdu 611734，China；
3.School of Geology Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China）

Anti slide anchor pile is an important reinforcementmeasure for sliding（side）slope.The failuremecha nism andmonitoringwarning have been the focus and difficulty of engineering because of big difference between the measured and theoretical values of pile and anchor’s stress and strain.By physicalmodel tests on anchor piles，the evolution of anchor pile’s deformation and failure were analyzed.Data analysis，mathematicalmodel fitting and othermethodswere adopted to obtain the safety early warning criterion for anti slide anchor pile.Suggestions for safetymonitoring during anchor pile’s construction and operation were proposed.Results show that anchor piles generally go through three stages，namely elastic deformation，elasto plastic deformation，and plastic deformation from the beginning until the final destruction.Monitoring on the pile top displacement，pile’s strain and stress，and anchor force should be emphasized.The relationship between anchor bolt stress value and pile top displacement should be obtained to predict the yielding of anchor bolt.

anti slide anchor pile；model test；landslide；safety warning criterion；monitoring suggestions

TU473；TU452

A

1001－5485（2013）12－0028－07

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.005

2013－05－01；

2013－06－03

中国地质调查局工作项目（1212011220171）；国土资源大调查项目（1212010914021）

张 涛（1985－），男，湖南耒阳人，硕士，工程师，主要从事地质工程及地质灾害等方面的研究工作，（电话）13882080494（电子信箱）zhangtao0877＠163.com。