旋噴樁加固樁板墻樁前軟弱地基模型試驗(yàn)

李丹峰

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

樁板墻是一種常見(jiàn)的巖土工程支護(hù)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于基坑邊坡、路基邊坡的加固工程，被稱為治理滑坡災(zāi)害的“重型武器”。近年來(lái)，隨著中國(guó)鐵路路網(wǎng)密度逐年增加，鐵路穿越軟弱黃土地區(qū)所面臨的技術(shù)問(wèn)題日益突出，引起越來(lái)越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視。李尋昌等通過(guò)模型試驗(yàn)分析了抗滑樁與巖土體間相互作用力的分布規(guī)律[1-2]；劉洪佳等對(duì)抗滑樁加固的滑坡進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了滑坡的破壞模式、樁身應(yīng)變及樁周土壓力的變化規(guī)律，為抗滑樁的設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)[3-6]。黃治云等通過(guò)模型試驗(yàn)，揭示了樁板墻背側(cè)土拱效應(yīng)與荷載分配之間的聯(lián)系[7]；劉國(guó)楠等通過(guò)建立1∶7的邊坡模型探討衡重式樁板擋墻結(jié)構(gòu)的土壓力分布模式[8]；倪號(hào)葉等基于強(qiáng)度折減法對(duì)樁板墻加固邊坡的方案進(jìn)行分析[9]；羅渝等根據(jù)多塊體滑移理論，提出了一種新的分析樁板墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法[10]。可以看出，前期學(xué)者主要對(duì)抗滑樁的的極限承載力以及土壓力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，但對(duì)加固后樁板墻復(fù)合地基樁土相互作用機(jī)理的研究較少。

旋噴樁具有施工便捷、成樁率高及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在淤泥、粉土和黃土等軟弱地基加固中被廣泛應(yīng)用[11-13]。鑒于黃土地基特點(diǎn)，嘗試采用旋噴樁對(duì)樁前地基進(jìn)行加固，以提高樁前黃土嵌固段地層的側(cè)向承載力。以下依托蒙華鐵路工程開(kāi)展旋噴樁加固樁板墻樁前地基模型試驗(yàn)，對(duì)不同樁長(zhǎng)下樁板墻樁身彎矩、樁頂水平位移及土壓力的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并探討旋噴樁加固樁板墻墻前地基的合理深度。

2 樁板墻模型試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

蒙華鐵路三門峽段某區(qū)間采用樁板墻進(jìn)行邊坡防護(hù)，樁板墻錨固樁為2.0 m×3.0 m的矩形截面，樁長(zhǎng)24 m(懸臂8 m)，樁間距5 m。由工程地質(zhì)勘探資料可知，該區(qū)域普遍分布有一定厚度的新黃土，土質(zhì)較均勻、結(jié)構(gòu)松散且具有顯著的濕陷性和軟弱性，巖土體強(qiáng)度較低。因此，大量邊坡需要樁板墻進(jìn)行邊坡防護(hù)[14-15]。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為獲取合理的施工參數(shù)，設(shè)計(jì)了仿真模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)在1.5 m×1.5 m×1.3 m(長(zhǎng)×寬×高)的模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱主要由鋼面板組成，通過(guò)高強(qiáng)螺栓將各面板按預(yù)留槽位固定。采用方形鋼管和木板模擬樁板墻，采用PVC管內(nèi)灌注石膏來(lái)模擬旋噴樁(石膏∶水=2.5∶1)。模型材料填筑前，為減小箱體內(nèi)表面與模型材料間的邊界摩擦效應(yīng)，在模型箱內(nèi)壁上均勻涂抹一定厚度的潤(rùn)滑油。選取性質(zhì)均勻的新黃土進(jìn)行分層填筑，其黏聚力為35 kPa，內(nèi)摩擦角約為25°，重度為18.5 kN/m3，按照預(yù)定的壓實(shí)度進(jìn)行分層填筑，每層填筑200 mm，每層填筑完成后夯實(shí)均勻鋪平，再準(zhǔn)備下一層的填筑。

本次試驗(yàn)中，按照1∶20的比例對(duì)樁板墻工點(diǎn)進(jìn)行等比例縮放，共埋設(shè)5根抗滑樁的模型樁，樁板墻的抗滑樁采用15 cm×10 cm×120 cm(長(zhǎng)×寬×高)的方形鋼管，其中懸臂段長(zhǎng)0.4 m，錨固段長(zhǎng)0.8 m，樁間距為0.5 m，邊樁與模型箱邊界的距離為20 cm；擋土板采用1.5 m×0.4 m(長(zhǎng)×寬)的木板，模型布置如圖1、圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，將旋噴樁擠壓于樁板墻樁前地基土內(nèi)，以模擬樁板墻樁身受力及周邊土壓力傳遞。旋噴樁樁徑為3 cm，樁長(zhǎng)分別為15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm，樁間距6 cm。

圖1 模型剖面(單位：mm)

圖2 模型俯視(單位：mm)

2.3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)采用LY-350應(yīng)變式微型土壓力盒、BFH120-3AA電阻應(yīng)變片和百分表采集樁身內(nèi)力、樁頂位移、樁前地基土壓力的變化。在樁板墻的樁身前后等間距粘貼應(yīng)變片，并通過(guò)NI9237動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖3(左)所示；在樁板墻樁身的前后沿樁長(zhǎng)對(duì)稱布設(shè)土壓力盒，如圖3(右)所示，土壓力的采集選用XL2101A24靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和DH3816應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；在樁的頂部布設(shè)百分表監(jiān)測(cè)位移。通過(guò)液壓千斤頂對(duì)填土后側(cè)的推土板施加水平荷載以產(chǎn)生不同大小的水平推力。推土板為厚10 mm的鋼板，在推土板和千斤頂中間添加10 mm厚的鋼板以分散千斤頂?shù)募泻奢d。土體后部的鋼板上粘貼LY-350型土壓力盒以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)千斤頂施加荷載的大小，每級(jí)水平推力荷載設(shè)為500 N，分10級(jí)加載。在每級(jí)荷載施加之后，均保持荷載恒定(5 min左右)，待上一級(jí)荷載作用下樁板墻的樁頂位移穩(wěn)定后，方可進(jìn)行下一級(jí)荷載的施加。

圖3 應(yīng)變片和土壓力布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 旋噴樁樁長(zhǎng)的影響

為研究不同樁長(zhǎng)旋噴樁加固對(duì)樁板墻的樁身承載力和樁體位移的影響，選擇旋噴樁樁間距為6 cm，樁長(zhǎng)分別為15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm共5種工況，對(duì)樁體變形進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 樁頂水平位移測(cè)試曲線

圖4為樁板墻的樁頂位移隨樁長(zhǎng)增加的變化曲線。以樁長(zhǎng)75 cm的旋噴樁為例，樁板墻的樁頂位移隨著橫向荷載的增加分別增長(zhǎng)了2.03 mm、2.23 mm、2.65 mm、3.44 mm、6.02 mm，故樁板墻樁頂位移隨橫向荷載的增加逐漸增大。在加載過(guò)程中，樁板墻的樁頂位移隨旋噴樁樁長(zhǎng)的增加逐漸減小。加載完畢后，在樁前地基土未加固時(shí)，樁頂位移為19.58 mm；隨著旋噴樁樁長(zhǎng)的逐漸增加，樁頂位移分別降低了16.93%、20.02%、23.69%、25.23%、25.62%，減小趨勢(shì)逐漸減緩。因此，采用旋噴樁進(jìn)行加固，可以在一定程度上減小樁板墻的樁頂位移。

圖5 樁后土壓力變化曲線

圖5為樁后土壓力變化曲線。由圖5可知，樁后土壓力隨旋噴樁樁長(zhǎng)的增加而增大，且主要集中在滑面以上的懸臂段部分。樁后埋深0.3 m處的土壓力變化最為明顯：在樁前地基未采用旋噴樁加固時(shí)，土壓力為98.11 kPa；從未加固到加固深度為150 mm、300 mm時(shí)，樁后土壓力增長(zhǎng)率分別為21.46%、20.78%；從300 mm增加到450 mm、600 mm時(shí)，土壓力分別提高了16.19%、14.21%；從600 mm增加到750 mm時(shí)，土壓力變化僅為8.79%。嵌固段的土壓力并未隨樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)發(fā)生明顯變化。

圖6為樁前土壓力變化曲線。由圖6可知，樁前土壓力沿嵌固段向下逐漸減小，在橫向荷載作用下，樁前埋深2 cm處土壓力變化較大，隨著旋噴樁樁長(zhǎng)的增加，該測(cè)點(diǎn)的樁前土壓力值分別提高了12.54%、19.38%、22.47%、25.51%、24.17%。由此不難發(fā)現(xiàn)，樁前土壓力隨旋噴樁樁長(zhǎng)的增加逐漸增大，但增幅較??；樁前嵌固段的中下部的土壓力值并無(wú)較大的變化。因此，樁身水平承載力主要是由嵌固段淺層一定范圍內(nèi)的土體控制。

圖6 樁前土壓力變化曲線

圖7 樁板墻樁身彎矩變化曲線

圖7為樁板墻樁身彎矩隨旋噴樁樁長(zhǎng)改變的分布情況。樁板墻的樁身穩(wěn)定性主要由嵌固段的嵌固作用和受荷段樁體抗力維持，因樁板墻的嵌固段較深，滑面以下主要受樁前抗力和樁底土體抗力，滑面以上主要為滑坡推力。因此，其彎矩分布為樁頂為0，滑面附近處達(dá)最大值。當(dāng)旋噴樁樁長(zhǎng)由15 cm增加到45 cm時(shí)，樁板墻樁身彎矩增幅較大(提高了27.8%)，隨著旋噴樁樁長(zhǎng)增加到75 cm，樁身彎矩變化幅值較小(僅提高了4.17%)。測(cè)試結(jié)果表明，增加旋噴樁樁長(zhǎng)可有效提高其水平承載力，對(duì)增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性效果較明顯。綜上所述，旋噴樁的樁長(zhǎng)一般不宜過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)旋噴樁的加固深度超過(guò)樁板墻嵌固段長(zhǎng)度的75%時(shí)，繼續(xù)增加旋噴樁長(zhǎng)度對(duì)控制樁身水平變形的作用很小。

3.2 樁前土壓力對(duì)比分析

為研究樁板墻在樁前地基加固前及加固后2種條件下，橫向荷載的變化對(duì)樁板墻樁身承載力的影響，選擇樁長(zhǎng)為45 cm、樁間距為6 cm的旋噴樁對(duì)樁板墻樁前地基土進(jìn)行加固，對(duì)樁體變形進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 C樁樁前壓力變化曲線

圖8為C樁的樁前土壓力的變化曲線。由圖8可得，當(dāng)樁前地基未進(jìn)行加固時(shí)，樁前土壓力呈中間大兩側(cè)小的三角分布，土壓力變化主要集中于滑面以下30 cm處；樁前土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸變大，當(dāng)橫向荷載一定時(shí)，樁前土壓力沿樁身先增大后減小，樁前土壓力在埋深30 cm處達(dá)到最大值后向下迅速遞減。這是由于抗滑樁在橫向荷載作用下樁體擠壓樁前土體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，樁底與樁前下部土體隨著荷載的增加逐漸分離，土壓力隨荷載的增加逐漸減小。采用旋噴樁對(duì)樁前地基進(jìn)行加固后，樁板墻樁前地基的中上部所承受的土壓力增大，主要表現(xiàn)為位于樁前埋深18 cm位置處的土壓力有較為明顯的變化，如圖8(b)所示，采用旋噴樁加固樁前地基提升了樁前地基的側(cè)向剛度。測(cè)試結(jié)果表明，隨著橫向荷載的增加，10～30 cm范圍內(nèi)的土壓力變化較大，地表土壓力值變化較小，樁身水平承載力主要由嵌固段淺層一定范圍內(nèi)的土體控制，旋噴樁加固對(duì)提高樁前嵌固段中上部復(fù)合地基的地基側(cè)向抗力尤為關(guān)鍵。

圖9為C樁的樁后土壓力與橫向荷載的變化關(guān)系曲線。由圖9可知，樁前地基加固前，樁后土壓力隨著橫向荷載的增加而增大，并且樁前地基加固后，該位置的樁后土壓力提升明顯，尤其是埋深30 cm處的土壓力，樁后土壓力在最后一級(jí)橫向荷載(5 kN)施加后，相較于加固前提高了35.81%。測(cè)試結(jié)果表明，樁前地基的加固提高了樁前地基水平承載力，并在一定程度上增強(qiáng)了樁板墻樁體本身的抗傾覆能力，更好地發(fā)揮了樁板墻的抗彎承載特性。C樁樁后埋深為0.42 m處的土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸減小，這是由于樁板墻樁身在樁后橫向荷載和樁前土體抗力的共同作用下發(fā)生了一定的位移變形，滑面以下的樁體與樁后土在橫向荷載作用下產(chǎn)生一定的側(cè)移及轉(zhuǎn)動(dòng)，受樁土相對(duì)位移影響，在樁轉(zhuǎn)動(dòng)中心附近逐漸形成一定范圍的脫空區(qū)，造成脫空區(qū)范圍內(nèi)的樁后土壓力較??；C樁樁后埋深為1.14 m的土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸變大，這是由于樁板墻整體繞樁底產(chǎn)生一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，致使樁底部與樁后土產(chǎn)生顯著的擠壓變形，故樁底附近樁后受到的土壓力較大。

圖9 C樁樁后壓力變化曲線

4 結(jié)論

(1)模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采用旋噴樁加固樁前地基有效地改變了樁板墻的受力狀態(tài)，提高了樁前地基水平承載力，使樁板墻可承受較大的樁前土推力，更好地發(fā)揮樁板墻的抗彎承載特性。

(2)旋噴樁的樁長(zhǎng)一般不宜超過(guò)樁板墻嵌固段的75%，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的樁體增加了工程投資，但對(duì)樁板墻的加固效果極為有限。

(3)由樁前土壓力的分布曲線可知，樁前土體抗力隨著荷載的增加不斷增大，樁身水平承載力主要由嵌固段淺層一定范圍內(nèi)的土體控制，故旋噴樁加固對(duì)提高樁前嵌固段中上部復(fù)合地基的地基側(cè)向抗力尤為關(guān)鍵。

(4)在試驗(yàn)過(guò)程中，模型樁在橫向荷載作用下與其樁后嵌固段的土體發(fā)生分離現(xiàn)象，形成一定程度的脫空區(qū)。因此，嵌固段的樁體受到的土體抗力較小，樁板墻整體繞樁底產(chǎn)生一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，致使樁底部與樁后土產(chǎn)生顯著的擠壓變形，故樁底附近樁后受到的土壓力較大。