抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验

一定阻滞作用；桩前动土压力随着地震输入而迅速增大至峰值，此后保持稳定直至地震结束；抗滑桩各截面弯矩的变
化规律与动土压力类似，弯矩最大值出现在抗滑桩下部。 关键词：边坡；抗滑桩；地震响应；桩土相互
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2007)09–1320–04
图 7 为边坡中部及顶部的地震响应曲线。边坡中 部 A7、A8 位置的加速度峰值分别为 0.34g、0.30g， 靠近坡面位置的响应大于土体内部，说明抗滑桩对土 体动力响应的限制作用在此高程已趋于减弱。坡顶的 加速度峰值为 0.44g，为土体地震响应最大的位置，相 对于地震动输入峰值的放大倍数为 1.63。
2 试验配置
试验材料取自北京某地，为一种细砂。砂土首先 经干燥处理，主要物性参数如表 1 所示。
表 1 砂土物性指标
Table 1 Physical properties of soil
参数
数值
土粒密度ρs /(g·cm3)
2.66
平均粒径 D50 / mm
0.17
最大孔隙比 emax
0.98
最小孔隙比 emin
图 3 El Centro 地震波加速度时程曲线 Fig. 3 Acceleration time history of El Centro earthquake
图 4 El Centro 输入地震波反应谱 Fig. 4 Acceleration response spectrum of El Centro earthquake
图 7 边坡中部及坡顶地震响应曲线 Fig. 7 Response acceleration time histories at mid slope and crest
图 8 边坡底部地震反应谱 Fig. 8 Acceleration response spectra at slope base
图 6 边坡底部地震响应曲线
作者简介：于玉贞(1966– )，男，江苏沛县人，副教授，从事边坡和土石坝的研究工作。E-mail: uyuzhen@。
Centrifuge modeling of seismic behavior of slopes reinforced by stabilizing pile
YU Yu-zhen, DENG Li-jun
(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: Centrifuge model tests on sand slopes were carried out on a centrifuge shaking table to investigate the seismic behavior of pile-reinforced slope and soil-pile interaction. The adjusted El Centro earthquake was excited as the input motion under 50g centrifugal accelerations. Acceleration time histories at different locations were recorded and analyzed in the frequency domain. Dynamic soil pressure and vertical strain along the piles were also recorded. It was indicated that the seismic response of the slopes was amplified as the earthquake motion propagated upwards. The response of adjacent soil was impeded by stabilizing piles to a certain degree. Along with the excitation of earthquake motion, the dynamic soil pressure rapidly increased to the peak value and then kept roughly stable until the end of the motion. The bending moment of the piles performed similar variation and the maximum moment occurred at the lower section of the piles. Key words: slope; stabilizing pile; seismic response; soil-pile interaction; shaking table; centrifuge modeling
图 5 试验前后边坡模型轮廓图 Fig. 5 Schematic of pre- and post-test slope profile
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岩土工程学报
2007 年
3.1 加速度响应
加速度计采集记录了地震荷载作用下边坡不同位 置的动力响应。水平地基部分的加速度反应（A1～A3） 与输入地震波相比变化不大。图 6～7 为地震响应加速 度时程曲线，图中标注了地震响应峰值 ap 及传感器的 高程，以基底为高程零点。图中可看到边坡的地震响 应曲线形状相似，加速度幅值随着高程增加而增大。 边坡底部的 6.5 m 高程处，3 个传感器测得加速度峰 值分别为 0.25g、0.26g、0.30g，靠近坡面位置（A4） 的动力响应小于边坡土体内部响应（A5 和 A6）。一般 规律表明，对于无加固措施的素边坡，靠近坡面位置 的地震动力响应大于同一高程的土体内部响应，然而 加固边坡试验的响应规律恰好相反。这是因为加速度 计 A4 靠近抗滑桩，由于抗滑桩的加固和阻滞作用， 附近土体的动力响应受到限制，使得该位置的加速度 幅值小于远离抗滑桩的土体内部幅值。
摘 要：为研究抗滑桩加固边坡的地震响应和桩土相互作用规律，利用土工离心机及专用振动台进行了砂土边坡的动
力离心模型试验。在 50g 离心加速度条件下，输入 El Centro 地震波，记录了边坡不同位置的加速度时程并作频谱分析， 采集了桩前动土压力和抗滑桩应变等。结果表明：边坡的地震动力响应自下而上逐渐放大；抗滑桩对周围土体响应有
图 9 边坡中部及坡顶地震反应谱
Fig. 9 Acceleration response spectra at mid slope and crest
动台上，启动离心机至 50g 加速度，待转动稳定后进
行激振。
试验过程中共使用了 3 种传感器：加速度计、土
压力传感器和应变计。加速度计共 9 个，A1～A3 放
置于边坡模型的水平地基部分，A4～A9 在边坡部分。
注意图 1 中 A1、A2 和 A4 与抗滑桩并排布置于边坡
中部，而不是埋于桩体内部。A1、A9 为双向加速度
出薄壁厚度计算公式[5]：
1
tm
=
tp n
⎡ ⎢
Ep
⎢⎣ Em
(1 (1
− −
µm2 µp2
) )
⎤ ⎥ ⎥⎦
3
，
(1)
式中 tp 为原型桩厚度；Ep 为原型桩弹性模量，取一 般合金钢的模量 210 GPa； Em 为模型桩的弹性模量， 根据模型桩压缩试验测定为 36 GPa； µp 和 µm 为原型 和模型桩材料的泊松比，取为 0.33；n 为离心模型相
0引 言
抗滑桩能有效提高边坡的抗震稳定性，因此，广 泛应用于工程实践中，成为滑坡治理的常用工具。但 抗滑桩的设计方法并不成熟，特别是地震荷载作用下 桩体内力变化规律及其加固效果还不十分清楚。1995 年日本阪神地震后，国外学者开始利用动态离心模拟 试验技术研究地震液化和侧向流动引起的桩弯矩及挠 度变化，如 Brandenberg 等[1]、Abdoun 等[2]、Boulanger 等[3]。但桩基础的受力变形特性与作为支挡物的抗滑 桩有较大差异，而目前国内外岩土工程界对抗滑桩加 固边坡的动力离心模型试验还比较少。
3 地震响应分析
地震波施加后边坡模型可观察到明显滑动，上部 土体顺坡滑下堆积于坡趾，坡趾线向前推移；滑动面 比较平滑，坡肩形成弧面。边坡模型的坡顶沉降明显， 抗滑桩防护范围内的边坡上部相对于两边壁土体略有 凸起，表明了抗滑桩的局部加固效果。试验前后的边 坡模型轮廓如图 5 所示。
图 1 边坡轮廓及传感器布置示意图 Fig. 1 Schematic of layout and instrumentations
计。土压力传感器共 5 个，固定于模型桩靠近边坡上
部一侧，用于测定试验过程中不同高程处的水平土压
力。应变计共 12 枚，粘贴于模型桩外壁，左右两壁对
称布置。边坡轮廓及传感器布置如图 1 所示，图中尺
寸均按相似准则换算为原型，本文以下数据也均换算
为原型处理。抗滑桩上土压力传感器及应变计的详细
布置如图 2 所示。
似比尺，本研究中 n=50。
模型桩管壁平均厚度 0.70 mm，由式（1）可计算
─────── 收稿日期：2006–07–17
第9期
于玉贞，等. 抗滑桩加固边坡地震响应离心模型试验
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原型壁厚为 19.4 mm。模型桩断面尺寸为 24.89 mm× 24.84 mm，桩长 255 mm，可模拟断面尺寸 1244 mm ×1242 mm、桩长 12.75 m 的原型桩。
图 2 土压力传感器及应变计布置图 Fig. 2 Layout of strain gauges and soil pressure sensors
采用调整峰值的 El Centro 波作为地震动输入，地 震波历时约 40 s，加速度峰值为 0.27g，如图 3 所示。 计算了该地震波在阻尼比为 0.05 时的单自由度体系反 应谱，如图 4 所示。反应谱峰值为 1.21g，卓越频率 2.2 Hz。