蘇丕輝 陳仕闊 趙曉彥 姬譯名 田 野 梁 瑤
(①西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系,成都 610031,中國) (②中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司,珠海 519000,中國) (③四川省交通運輸廳勘察設(shè)計研究院,成都 610041,中國)
膨脹土具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂且反復(fù)變形的工程特性(楊果林等,2008;蔡耀軍等,2013;Cheng et al.,2014;文松松等,2017),這種不良性質(zhì)造成了巨大的工程損失和危害,鐵路、公路、邊坡、地基等工程問題受此影響尤為突出。四川成雅高速公路某路段因膨脹土引起路塹滑坡、路基路面沉降開裂、路堤滑坡、擋墻位移等(冉高等,2002);海南某膨脹土邊坡失穩(wěn)造成抗滑樁傾倒、擋墻向外平移(袁從華等,2007);南昆鐵路某路段膨脹土脹縮致路堤及漿砌片石擋墻被擠裂垮塌(章為民等,2015),均嚴(yán)重影響了線路的安全穩(wěn)定運營。諸多工程實例和研究表明:膨脹土典型的工程地質(zhì)特性對工程安全和穩(wěn)定性的影響較大,其脹縮特性是影響膨脹土邊坡淺層穩(wěn)定性的最根本原因(冷挺等,2018),目前工程中常見的針對性治理措施多為單一的剛性結(jié)構(gòu)或柔性結(jié)構(gòu)加固。
諸多學(xué)者對剛性結(jié)構(gòu)加固膨脹土邊坡的處治措施進(jìn)行了大量的研究,取得了豐富的研究成果并積累了一定的工程經(jīng)驗。吳禮舟等(2005)、李志清等(2007)基于Winkler假設(shè)研究了框架梁對膨脹土邊坡的加固效果,該結(jié)構(gòu)使邊坡保持了較好的整體穩(wěn)定性,但施工擾動較大。王年香等(2008)通過模型試驗,發(fā)現(xiàn)膨脹土遇水膨脹后,剛性擋墻土壓力顯著增大。楊和平等(2011)處治南寧外環(huán)膨脹土路基時,指出剛性結(jié)構(gòu)難以保證開挖邊坡穩(wěn)定。向遠(yuǎn)華(2013)通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬綜合分析了錨桿框架梁-雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)支護(hù)膨脹土邊坡的加固機(jī)理及典型工程特性,此結(jié)構(gòu)需考慮錨固角和樁排距,具有場地適用性且施工較復(fù)雜。張國強(qiáng)等(2014)針對膨脹土渠坡設(shè)計了一種由抗滑樁、坡面支撐梁和渠底橫梁組合的剛性結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)承載力,但適用性較差。鄭俊杰等(2019)研究發(fā)現(xiàn)剛性結(jié)構(gòu)會極大約束膨脹土的膨脹變形,從而產(chǎn)生較大的膨脹力,導(dǎo)致路基變形、擋墻推移或支擋結(jié)構(gòu)破壞等病害??v觀發(fā)現(xiàn),剛性結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力,但由于不良地質(zhì)條件及其他復(fù)雜因素影響,往往易使結(jié)構(gòu)受力過大導(dǎo)致邊坡破壞而失穩(wěn)。
關(guān)于柔性結(jié)構(gòu)支護(hù)膨脹土邊坡,也有不少學(xué)者對其進(jìn)行了針對性研究。研究發(fā)現(xiàn)(Ikizler et al.,2008;趙夢怡等,2018;鄭俊杰等,2019),在膨脹土剛性擋墻中設(shè)置柔性材料有效減小了膨脹土發(fā)生膨脹變形后擋土墻上的土壓力。肖杰等(2014)通過對比模型試驗得出土工格柵對膨脹土干縮濕脹變形具有一定的限制效果。譚波等(2006)通過數(shù)值模擬和理論分析,指出膨脹土柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效減小水平位移,具有良好的整體穩(wěn)定性。吳鎮(zhèn)清等(2017)在膨脹土路塹邊坡中利用板樁墻后設(shè)置砂墊層的支護(hù)結(jié)構(gòu),削弱了側(cè)向膨脹力。鄧國華等(2007)對膨脹土加筋土擋墻進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究,認(rèn)為降雨入滲會導(dǎo)致土壓力急劇增大,墻體易產(chǎn)生較大的不均勻沉降。許巖等(2005)認(rèn)為在最佳含水量填筑條件下加筋能提高土體承載力,減小累積變形,但工程實際中的理想狀態(tài)難以跟蹤評價。綜上所述,柔性材料土工格柵一定程度上能限制膨脹土邊坡的變形,但降雨入滲會加速結(jié)構(gòu)面貫通和軟化,僅使用土工格柵并不能為邊坡提供足夠的抗滑力,膨脹土邊坡一定程度上仍會失穩(wěn)。
可見,單一剛性或柔性加固措施在工程實踐中均表現(xiàn)出加固效果不佳的現(xiàn)象,究其原因,主要是未能良好處理膨脹土的膨脹特性。本文提出適當(dāng)釋放膨脹土的變形,使加固結(jié)構(gòu)最終應(yīng)力降低;并限制其變形在工程允許范圍內(nèi),達(dá)到工程應(yīng)用的效果。
圖 1 全國膨脹土分布圖Fig. 1 Distribution map of expansive soil in China
基于此,本文提出鋼管格柵膨脹土擋墻加固膨脹土邊坡的剛?cè)峤Y(jié)合結(jié)構(gòu),并依托南昆鐵路南百段膨脹土邊坡實際加固工程,采用縮尺模型試驗,測試墻體位移、墻背土壓力、鋼管應(yīng)變,探索鋼管格柵膨脹土擋墻加固邊坡的機(jī)理,為膨脹土邊坡工程治理措施及其設(shè)計計算提供參考。
依托邊坡位于南昆鐵路南寧至百色增建二線工程NBSG-5標(biāo)段,地處廣西百色市境內(nèi),鐵路沿線分布有大量的膨脹土(圖 1)。
百色市位于廣西壯族自治區(qū)西部,地形多為丘陵低山,山體連綿起伏,地勢西北高東南低,地貌形態(tài)主要表現(xiàn)為構(gòu)造剝蝕低山地貌、剝蝕堆積丘陵地貌和侵蝕堆積河谷階地地貌,山勢起伏較緩,坡角為15°~35°。該區(qū)域出露地層主要為第三系泥巖及砂質(zhì)泥巖,上覆土層主要為灰白色、黃色膨脹土。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,光熱充沛,雨熱同季,年平均氣溫19.0~22.1i℃,年平均降雨量1113~1713imm。降雨的分配具有明顯的季候特征,5~8月為雨季,地區(qū)降雨常以小雨和暴雨形式出現(xiàn),也是該區(qū)域內(nèi)崩塌、滑坡形成的主要誘發(fā)因素之一。
通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),南昆鐵路百色地區(qū)某膨脹土棄渣邊坡使用重力式擋墻加固處理,該重力式擋墻高4im,頂寬2im,由于膨脹土脹縮變形出現(xiàn)多處裂縫,加固效果并不理想,如圖 2所示。且南昆鐵路沿線有多處鐵路路基膨脹土邊坡,為保證鐵路安全運營,均需進(jìn)行加固治理。常規(guī)結(jié)構(gòu)不能有效加固膨脹土邊坡,故采用本文提出的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行邊坡治理,目前現(xiàn)場進(jìn)行了20im范圍內(nèi)的試驗段加固措施研究,變形監(jiān)測及加固效果仍在持續(xù)進(jìn)行中,如圖 3所示。為了明確鋼管格柵膨脹土擋墻結(jié)構(gòu)的加固機(jī)理,事先進(jìn)行了數(shù)值模擬分析(姬譯名等,2019)和大比例尺的室內(nèi)相似模型試驗,下面就模型試驗研究方法及具體內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。
圖 2 重力式擋墻Fig. 2 The gravity retaining wall
圖 3 鋼管格柵膨脹土擋墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗段Fig. 3 Field test section of geogrid-steel tube expansive soil retaining wall
為使試驗結(jié)果能夠較真實反映鋼管格柵膨脹土擋墻原型的變形行為,應(yīng)盡可能進(jìn)行大比尺模型試驗。本文設(shè)計的幾何相似比Cl=5。根據(jù)彈性理論,結(jié)合量綱分析法確定其他參數(shù)的相似關(guān)系,填料黏聚力相似比Cc=1、摩擦角相似比Cψ=1、密度相似比Cρ=1,彈性模量相似比CE=1,土工格柵拉伸強(qiáng)度相似比Cσ=5,降雨時間相似比Ct=2.2,降雨量相似比CL=5。
圖 4 原型鋼管與模型鋼管圖(單位:mm)Fig. 4 Prototype steel pipe and model steel tube(unit:mm)
表 1 土工格柵幾何尺寸和力學(xué)特性參數(shù)Table1 Parameters of the model geo-grids
網(wǎng)孔尺寸/mm2單肋條寬/mm厚度/mm抗拉強(qiáng)度/kN·m-2伸長率/%50×50913012
原型鋼管與模型鋼管示意圖如圖 4所示,原型擋墻采用直徑90imm、壁厚6imm的鋼管。結(jié)合實際并按相似比關(guān)系換算,試驗中采用直徑22imm、壁厚1.2imm的無縫熱軋鋼管。原型擋墻采用高強(qiáng)度聚乙烯整體土工格柵,其抗拉強(qiáng)度為150ikN·m-2。模型筋帶材料依據(jù)原型,按相似比要求,由廠家定制完成,其幾何尺寸和力學(xué)特性參數(shù)見表 1。由于生產(chǎn)制作因素的限制,無法完全滿足土工格柵在厚度上的相似比要求,但對于膨脹土擋墻試驗規(guī)律探索性研究仍具有一定參考價值。
所取填料為南寧—百色鐵路某地段的弱膨脹土,如圖 5所示。淺層主要為黃色夾灰白色膨脹土,呈半干硬狀態(tài),較干燥,土顆粒分布不均,有較多團(tuán)塊,團(tuán)塊粒徑5~30imm;深層主要為灰白色膨脹土,夾少量黃黏土,顆粒均勻,粒徑較小,為硬塑狀態(tài)、稍濕。經(jīng)室內(nèi)土工試驗,得出填料相關(guān)物理力學(xué)參數(shù),詳見表 2。填料應(yīng)具有足夠的密實度,以滿足強(qiáng)度及工后沉降要求;同時應(yīng)盡量減少壓實導(dǎo)致的筋帶損傷,實踐中碾壓造成筋材抗拉強(qiáng)度降低可達(dá)到10%~77%(Sam-Deok et al.,2004)。而加筋土擋墻填筑密實度設(shè)計為95%時效果較好(徐鵬等,2018),本文研究依托的原型加筋土擋墻填料壓實度參考該設(shè)計值,試驗中采用手扶式?jīng)_擊夯進(jìn)行壓實。
圖 5 取樣點膨脹土Fig. 5 Expansive soil at sampling point
表 2 填料物理力學(xué)參數(shù)Table2 Physical and mechanical parameters of the filler
黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)天然含水率ω/%自由膨脹率Fs/%最大干密度ρ/g·cm-318.32022.36521.90
圖 6 模型試驗箱不同視圖Fig. 6 Different view of model testa. 正視圖;b. 側(cè)視圖
為了模擬鋼管格柵膨脹土擋墻結(jié)構(gòu)加固效果及位移變化情況,本文設(shè)計了3.2im×1.3im×2.2im的長方體模型箱(圖 6),擋墻構(gòu)造尺寸參考規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(鐵道第二勘察設(shè)計院,2018)。模型箱以角鋼和槽鋼為骨架,四周透明幕墻采用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃板制作,并用“田”字型槽鋼、角鋼骨架支撐,以降低試驗過程側(cè)壁變形。在填筑填料前,模型箱內(nèi)側(cè)壁需均勻涂抹凡士林以降低邊界效應(yīng)的影響。擋墻沿邊坡布設(shè)13層,最下層埋設(shè)于地基中,每層土體厚度0.1im,土工格柵回折長度為0.4im,頂部兩層格柵回折長度為0.5im,擋墻土工格柵的尺寸為0.7im×1.0im,擋墻模型面板結(jié)構(gòu)為土工布結(jié)合土工格柵返包式。
為了充分驗證本文提出的鋼管格柵膨脹土擋墻的加固效果,利用透明隔板將模型箱分為兩部分(表面涂抹凡士林),對兩種擋土墻類型展開模型試驗對比研究,模型三維圖如圖 7所示:(Ⅰ)鋼管格柵膨脹土擋墻;(Ⅱ)格柵膨脹土擋墻。各擋墻內(nèi)埋設(shè)儀器的位置采用相同的布局,以便于對比分析及驗證。鋼管長度為1.7im,垂直貫入擋墻基礎(chǔ)0.4im,1.2im貫穿于墻體內(nèi)部,墻頂留余0.1im便于觀察鋼管在試驗過程中的變形或位移情況,埋設(shè)兩排鋼管,間距0.2im,采用梅花式布置。其中靠近墻面的鋼管為第1排鋼管,靠近墻背的鋼管為第2排鋼管,分別對第1排3根鋼管和第2排4根鋼管從左至右進(jìn)行編號,即管1-1至管1-3和管2-1至管2-4。
圖 7 模型三維示意圖Fig. 7 Three-dimensional sketch of model1. 第1排鋼管;2. 第2排鋼管;3. 碎石土;4. 土層交界面;5. 膨脹土;6. 模擬降雨;7. 鋼管格柵擋墻;8. 格柵擋墻;9. 返包面板;10. 透明隔板
為了有效地測試鋼管應(yīng)變情況,采用電阻式應(yīng)變片,沿鋼管布置15個測點,應(yīng)變測點布置如圖 8所示。擋墻墻背土壓力監(jiān)測采用電阻式土壓力盒,沿墻背布置5個測點;擋墻土體內(nèi)部的位移變化采用百分表,在墻面布置8個測點。土壓力及位移測點布置如圖 9,測試元件參數(shù)規(guī)格如表 3。
圖 8 鋼管應(yīng)變測點布置圖(單位:m)Fig. 8 Steel pipe strain measuring point arrangement(unit:m)
圖 9 模型尺寸及試驗儀器布置方案圖(單位:cm)Fig. 9 Model size and layout plan of test instruments(unit:cm)
表 3 主要測試原件參數(shù)Table3 Parameters of test equipment
名稱型號量程精度電阻式應(yīng)變片 BX120-6AA20000 με1 με電阻式土壓力盒 XHZ-4050.5 MPa1%百分表 514D-08830 mm0.01 mm
邊坡模型由碎石土和膨脹土填筑而成,下部為1.6im的碎石土,上部為0.4im的膨脹土,邊坡坡率為1︰0.1,坡頂削坡后為1︰2。膨脹土地層可采用粉質(zhì)黏土作為換填墊層,不宜采用砂石等透水性材料(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2013)。本試驗采用粉質(zhì)黏土混合碎石作為換填基礎(chǔ),碎石粒徑20~50imm之間,占混合土的50%左右,基礎(chǔ)厚度0.4im。因試驗不具備墻體豎向鉆孔條件,鋼管需預(yù)埋換填地基中。每層地基填料的松鋪厚度為0.116im,膨脹土填料的松鋪厚度為0.132im,每層填料壓實度均為95%,采用手扶式?jīng)_擊夯進(jìn)行壓實。格柵平鋪在壓實的膨脹土上,始端采用返包的方式連接,在回折區(qū)用扎帶繃緊格柵并固定。對比驗證的普通格柵膨脹土擋墻除不設(shè)置鋼管以外,其余工序相同。
擋墻填筑完成并靜置4id后測試自重應(yīng)力作用下墻體位移、墻背土壓力和鋼管應(yīng)變。為了更好地看到膨脹土擋墻在降雨條件下的變化情況,需要進(jìn)行暴雨工況的模擬。根據(jù)國家氣象局規(guī)定,1ih內(nèi)降雨量為16imm及以上的降雨即為暴雨。通過自制降雨裝置模擬降雨,連續(xù)模擬降雨10id,降雨范圍覆蓋整個模型,包括坡頂和墻頂(圖 9)。根據(jù)相似準(zhǔn)則,模型的降雨量為27imin降雨3.2imm。自行研制的簡易便攜式降雨裝置如圖 10所示,主要包括降雨噴頭、導(dǎo)管和鐵絲網(wǎng),將噴頭和導(dǎo)管組合安裝并沿鐵絲網(wǎng)“蛇形”固定,可根據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)格布局的調(diào)整。膨脹土在水的作用下開始產(chǎn)生膨脹變形,試驗過程中嚴(yán)格實時監(jiān)控兩組邊坡模型的墻體位移、墻背土壓力、鋼管應(yīng)變變化情況。
圖 10 降雨裝置Fig. 10 Rainfall simulator
圖 11 擋墻水平位移隨墻高變化的關(guān)系圖Fig. 11 Relation diagram of horizontal displacement of retaining wall with wall height
圖11為擋墻水平位移隨墻高H變化的關(guān)系圖。鋼管格柵擋墻和格柵擋墻水平位移分別隨著墻高增加而增加,最大水平位移均出現(xiàn)在靠近墻頂處,分別為12.36imm和22.78imm。鋼管格柵擋墻相較格柵擋墻的水平位移減少了45.7%。在墻角處鋼管格柵擋墻水平位移為6.48imm,格柵擋墻為8.36imm,相比之下格柵擋墻水平位移大22.5%。格柵擋墻在墻高大于0.15im后水平位移迅速增加,最大位移差達(dá)到14.42imm,而格柵擋墻最大位移差為5.88imm,兩者相差8.54imm。鋼管格柵擋墻自墻底至墻頂整體變形協(xié)調(diào),而格柵擋墻則突變十分顯著,格柵擋墻整體上水平位移變化大,說明鋼管對擋墻起到了位移鎖定的作用,提高墻體的剛度,進(jìn)而達(dá)到協(xié)調(diào)不同高度的膨脹位移。
在擋墻約2/3H處屬于過渡帶,2/3H以上降水對膨脹土擋墻的影響顯著,膨脹土遇水產(chǎn)生膨脹力,加上墻后土壓力的影響,水平位移再次變大。將試驗數(shù)據(jù)根據(jù)幾何相似比換算,格柵擋墻水平位移在高度大于0.8im處已大于10icm。根據(jù)工程經(jīng)驗,原型擋墻已產(chǎn)生較大裂縫,不能繼續(xù)有效加固邊坡;而鋼管格柵擋墻各高度處均未發(fā)生較大位移,依然能夠有效加固邊坡。對比可知,鋼管的存在增加了擋墻整體的剛性和抗剪、抗傾覆能力,其縱向貫穿墻體的特點,極大程度地調(diào)動上下層格柵填料的聯(lián)動性,進(jìn)行相互補償,協(xié)調(diào)限制局部范圍內(nèi)的墻體位移。
圖12為土壓力隨墻頂距離的變化關(guān)系圖,墻背土壓力隨墻頂距離的增大而增大。兩種類型的擋墻各測點墻背土壓力都呈現(xiàn)增加的趨勢??拷鼔斕幫馏w自重壓力最小,雖然也有膨脹力存在,但耦合后土壓力依然較小。在擋墻墻踵處土壓力達(dá)到最大,鋼管格柵擋墻的最大土壓力為139.2ikPa,格柵擋墻最大土壓力為99.5ikPa,此處墻背土壓力主要受土體自重影響。在距墻頂距離0.8im處,同時受到上部土壓力和膨脹力的作用,相比其他高度,此處土壓力變化率最快,土壓力明顯變大。鋼管格柵擋墻各測點土壓力值均大于格柵擋墻,最大差值為45.7ikPa,最小差值為8.2ikPa。這主要是因為鋼管利用擋墻的錨固作用,以自身的抗剪及抗彎能力阻礙擋墻的變形,使加鋼管土體應(yīng)力增大,從而避免膨脹土邊坡因應(yīng)力增大可能產(chǎn)生位移變形。
圖 12 土壓力隨墻頂距離的變化關(guān)系圖Fig. 12 Diagram of earth pressure change with the distance from the top of retaining wall
鋼管在填料內(nèi)為抵抗墻背土壓力和膨脹力發(fā)生輕微彎折,若電阻應(yīng)變片隨鋼管內(nèi)壁收縮,應(yīng)變?yōu)樨?fù),反之應(yīng)變?yōu)檎?。整理監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各鋼管應(yīng)變隨墻頂距離變化的關(guān)系如圖 13所示。
圖 13 各鋼管應(yīng)變隨墻頂距離的變化關(guān)系圖Fig. 13 Diagram of strain variation of steel pipe with the distance from the top of wall
鋼管在不同高度分別表現(xiàn)出受拉和受壓狀態(tài),且第1排鋼管應(yīng)變均小于第2排鋼管。兩排鋼管的最大拉應(yīng)變均產(chǎn)生于距墻頂0.3im高度處。產(chǎn)生這一現(xiàn)象原因為第2排鋼管承受了大部分墻后土體的土壓力及遇水后產(chǎn)生的膨脹力。
第1排鋼管最大拉應(yīng)變0.965×10-3,第2排鋼管最大拉應(yīng)變1.345×10-3,均出現(xiàn)于距擋墻0.3im附近。在距擋墻頂部0.3im處,鋼管受土體束縛,膨脹土遇水后產(chǎn)生膨脹力,膨脹力與土壓力耦合使鋼管向前彎折,靠近土坡一側(cè)受拉。鋼管在距墻頂0.7im以下開始逐漸轉(zhuǎn)為受壓段,第1排鋼管最大壓應(yīng)變?yōu)?0.214×10-3第2排鋼管最大壓應(yīng)變?yōu)?0.358×10-3分別約為最大拉應(yīng)變的22.2%、26.6%,說明鋼管的變形主要受膨脹力影響,其次是墻背土壓力。與鋼管受拉段不同,兩排鋼管最大壓應(yīng)變出現(xiàn)的高度有所區(qū)別,第1排鋼管最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在距墻頂1im處,第2排為距墻頂0.8im處。第1排3根鋼管中,左右鋼管距模型邊界15icm,需抵抗靠近邊界土體和模型中部的土壓力及膨脹力,而中間的管1-2受到兩側(cè)土體影響小,主要受模型中部土體的影響而發(fā)生變形,這也是造成管1-1和管1-3的應(yīng)變相比管1-2略大的主要原因。雙排鋼管提高了擋墻的整體剛度,比格柵擋墻更好地約束了坡體變形,保持了整體穩(wěn)定性。
本文采用大比例尺相似模型試驗研究鋼管格柵膨脹土擋墻的加固機(jī)理,得到如下結(jié)論:
(1)鋼管格柵擋墻加固膨脹土邊坡后,有效地控制了邊坡土體的位移,相對格柵擋墻,加入鋼管使得擋墻水平位移減少了45.7%,有效控制了擋墻的變形。
(2)在擋墻內(nèi)部施作鋼管,作為剛性約束不僅保證了墻體局部穩(wěn)定,而且使整體穩(wěn)定性顯著提高。以自身的抗剪力限制墻體位移進(jìn)而提高了擋墻的墻背土壓力。鋼管抵抗墻背土壓力和膨脹力發(fā)生變形,在距墻頂0.3im處變形最大,第2排鋼管在支護(hù)膨脹土邊坡中承受了較大的推力。且鋼管整體變形小,支護(hù)效果較好。
(3)鋼管和格柵剛?cè)峤Y(jié)合,一定程度上允許較大變形釋放邊坡土體大部分應(yīng)力和膨脹產(chǎn)生的破壞力,而鋼管增加了擋墻的剛度,鋼管與格柵形成復(fù)合結(jié)構(gòu),共同加固了膨脹土邊坡。