樁板墻加固邊坡作用效果及結(jié)構(gòu)受力影響試驗(yàn)研究

李 梅 劉 校2

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.武漢恒達(dá)四方工程有限公司，湖北武漢430061）

樁板墻結(jié)構(gòu)是一種常見的邊坡支擋結(jié)構(gòu)，由抗滑樁和擋土板兩部分組成。樁板墻加固過程中，樁土相互作用，兩樁之間形成土拱，樁間滑坡推力通過土拱傳遞到兩樁上。關(guān)于樁間板有無承擔(dān)滑坡推力、樁板承擔(dān)土壓力大小及其計(jì)算方法問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究［1-8］。魏業(yè)清等［4］、王廣軍［5］對(duì)樁板墻工程的土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究，并探討了樁板墻的合理樁間距；葉曉明［6］、童廣勤等［7］、高翔［8］以卸荷拱理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了樁板墻結(jié)構(gòu)中擋土板土壓力計(jì)算公式，并對(duì)擋土板設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和優(yōu)化。巨能攀等［9］分析了樁—土共同作用下的樁身滑坡推力作用形式、傳力方式以及內(nèi)力。對(duì)于樁板墻荷載分配關(guān)系，黃治云等［10］采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)樁板墻結(jié)構(gòu)中的擋土板和抗滑樁背側(cè)的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究了樁間土拱效應(yīng)的作用規(guī)律及樁板墻荷載分配關(guān)系。董捷等［11］認(rèn)為，擋板剛度、樁間距、土體材料性質(zhì)以及擋板的布置方式均對(duì)樁板墻背側(cè)土拱效應(yīng)的發(fā)揮有著重要影響。

上述研究中，樁板墻加固邊坡中樁與板之間的荷載分配、樁板各自承受土壓力大小和內(nèi)力、設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)樁板墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響還未有共識(shí)，尚待進(jìn)一步研究；其設(shè)計(jì)理論依然是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，抗滑樁按原有理論設(shè)計(jì)計(jì)算，擋土板按照均布荷載條件下的簡(jiǎn)支梁計(jì)算，設(shè)計(jì)中對(duì)樁板承受滑坡推力的分配比例沒有體現(xiàn)。

項(xiàng)目以杭長(zhǎng)鐵路客運(yùn)線某段滑坡樁板墻治理工程為背景，開展樁板墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試和室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析樁板墻加固邊坡的作用效果及結(jié)構(gòu)受力影響，探討樁板分擔(dān)的滑坡推力、樁距等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)樁板結(jié)構(gòu)受力的影響，并為樁板墻工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)樁板墻加固邊坡效果分析

1.1 工程概況

選擇杭州至長(zhǎng)沙鐵路DK815+715.015～+809.775段滑坡為試驗(yàn)原型邊坡，長(zhǎng)約94 m，坡頂至坡腳距離約34.3 m，上表層為強(qiáng)風(fēng)化的泥灰?guī)r和青灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；下層為弱風(fēng)化的泥灰?guī)r，呈褐紅—青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；地表水、地下水均無侵蝕性，地形見圖1所示。

該邊坡主滑區(qū)采用樁板墻進(jìn)行加固支護(hù)，抗滑樁截面2.5 m×2.75 m，樁間距5.16 m，樁長(zhǎng)20～26 m，共18根。錨固段樁身采用C35鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆注，平臺(tái)以上部分于樁兩側(cè)設(shè)牛腿，擋土板為C35鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制槽型板，長(zhǎng)2.46 m，寬0.5 m，厚0.25 m。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)樁板墻加固邊坡效果分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Flac建立樁板墻加固邊坡模型（圖2），由基巖、滑體、抗滑樁及擋土板組成，長(zhǎng)50 m，高35 m，樁間距5 m，寬度為樁間距3倍（圖3）；抗滑樁和擋土板均采用線彈性模型，滑體和基巖采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，具體計(jì)算參數(shù)見表1；計(jì)算工況為天然狀態(tài)，不考慮降雨、地震及其他工程活動(dòng)等因素的影響。

計(jì)算結(jié)果表明，邊坡未加固前安全系數(shù)為1.02，最大位移為15 cm。樁板墻加固邊坡后安全系數(shù)達(dá)到1.65（圖4），邊坡最大位移減小到4 cm，位于開挖路基前緣處。抗滑樁樁身?yè)隙群同F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（圖5）基本一致，樁板墻結(jié)構(gòu)的樁頂位移為13.67 mm，符合規(guī)范要求，說明樁板墻起到了有效的加固作用。

2 樁板加固邊坡結(jié)構(gòu)受力分析

為進(jìn)一步分析樁板墻加固邊坡作用效果和結(jié)構(gòu)受力情況，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)行了樁板墻室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析樁、板結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、樁前抗力及樁后推力變化以及對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)方案

以滑坡現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)典型剖面為原型開展模型試驗(yàn)，相似比為1∶50，滑坡模型框架長(zhǎng)×寬×高為1.0 m×0.4 m×0.7 m，采用8 mm厚的防潮模板將底板、側(cè)板和腹板拼接成模型箱，箱內(nèi)側(cè)板采用螺絲固定，內(nèi)壁涂滿黃油并鋪設(shè)塑料薄膜。選取砂子、水泥、石膏、碳酸鈣分別作為基巖和滑體的相似試驗(yàn)材料，采用雙層塑料薄膜模擬軟弱滑動(dòng)面，在試驗(yàn)加載過程中，上層滑體沿著滑面滑動(dòng)，從而產(chǎn)生滑坡推力作用在樁板墻上。坡體內(nèi)設(shè)置單排3根抗滑樁，中間1根為試驗(yàn)測(cè)試樁，材料為有機(jī)玻璃，樁截面為5 cm×5.5 cm，樁長(zhǎng)48 cm，樁距10 cm，兩側(cè)牛腿厚8 mm，寬6 mm，高22 cm。試驗(yàn)擋土板為木板，尺寸為5 cm×5.5 cm×0.3 cm。樁板墻具體布設(shè)如圖6所示。

在模型中埋置監(jiān)測(cè)元件電阻應(yīng)變片、位移傳感器、土壓力盒等，具體布設(shè)方案如圖7、圖8所示。試驗(yàn)加載采取堆載方式，在滑坡頂部分5級(jí)施加豎向荷載，每級(jí)5 kPa；滑坡頂部受力面積為42 cm×18 cm，因此每級(jí)加載重量為37.8 kg。通過施加荷載，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究樁板墻整體結(jié)構(gòu)變化情況及對(duì)邊坡的加固效果。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

（1）樁后土壓力、板側(cè)土壓力。抗滑樁樁后土壓力變化如圖9，隨著荷載的增加，滑動(dòng)面以上樁后土壓力也逐漸增大，滑動(dòng)面以下抗滑樁樁后部分由于所受滑坡推力不斷增大，樁頂與坡體逐漸發(fā)生脫離，致使下部樁后部分土壓力增加變緩。擋土板各測(cè)點(diǎn)土壓力變化如圖10，隨著荷載增加，滑體所受的滑坡推力不斷增加，擋土板所受的土壓力也不斷增加，中間大兩頭??；但由于測(cè)點(diǎn)布設(shè)有限，未能測(cè)出擋土板上土壓力的具體分布形式，有待進(jìn)一步探討。

（2）樁頂位移、樁身彎矩。樁頂位移試驗(yàn)結(jié)果如圖11，隨著荷載的增加，樁頂位移逐漸增大；通過應(yīng)變片的應(yīng)變值εy、εl可換算得到樁身的近似彎矩（圖12），彎矩隨著荷載增加而增大，近似拋物線狀，中間大兩頭小，最大彎矩位于滑面以下距樁頂19 cm處。

2.3 擋土板加固作用和結(jié)構(gòu)受力分析

由于室內(nèi)試驗(yàn)組數(shù)有限，采用flac增加虛擬工況，進(jìn)一步分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袠栋鍓χ邪宓募庸套饔谩栋鍓Y(jié)構(gòu)的墻背土壓力大小及分布形式。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?shù)值模型，模型由基巖、滑體、抗滑樁和擋土板組成，抗滑樁截面尺寸為5 cm×5.5 cm，樁長(zhǎng)48 cm，兩側(cè)牛腿厚8 mm，寬6 mm，高22 cm，擋土板的尺寸為5 cm×5.5 cm×0.3 cm；選擇中間樁及其左右側(cè)擋土板為研究對(duì)象，加載方式同室內(nèi)試驗(yàn)。

（1）擋土板土壓力變化。擋土板的土壓力計(jì)算結(jié)果見圖13，隨著荷載增加，擋土板承受的土壓力也不斷增加，且擋土板所受的土壓力峰值均在滑體以下，說明擋土板發(fā)揮了支擋作用，承受了滑坡體的一部分下滑力。

（2）樁身滑坡推力和樁頂位移變化。考慮板作用時(shí)，隨著荷載增加，樁板墻結(jié)構(gòu)中抗滑樁所受的滑坡推力（圖14）不斷增加，推力峰值主要集中在滑面的中下部，分布形式近似為拋物線。不考慮板承擔(dān)滑坡推力時(shí)，抗滑樁樁身所受滑坡推力隨荷載變化情況如圖15，相較考慮擋土板作用時(shí)，抗滑樁所受滑坡推力明顯增大，荷載峰值向下移動(dòng)，分布形式有一定變化，進(jìn)一步證明擋土板分擔(dān)了部分抗滑樁所受的滑坡推力。隨著荷載增加，樁頂位移（圖16）與荷載施加量呈線性關(guān)系，加載量越大，樁頂?shù)臄_度越大。不考慮板作用時(shí)，樁頂位移（圖17）也呈線性分布，且比有板時(shí)變化加劇。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)樁板墻結(jié)構(gòu)受力影響

樁板墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)不同，對(duì)其結(jié)構(gòu)受力影響不同。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Flac3D繼續(xù)分析樁距、擋土板材料強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

建立現(xiàn)場(chǎng)樁板墻加固邊坡模型，樁板墻結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，模型計(jì)算參數(shù)、強(qiáng)度準(zhǔn)則同1.2節(jié)。在樁板墻設(shè)計(jì)中，樁間距一般為4～8 m，具體計(jì)算模型如圖18、圖19（以樁間距5 m為例）。

3.1 樁間距影響分析

分析樁間距為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)、滑坡推力、樁身位移、樁身應(yīng)力以及坡面位移等變化情況。

當(dāng)采用不同的樁間距加固邊坡時(shí)（圖20和圖21，僅列舉5 m和8 m樁距），2樁之間的土體呈拱形，樁后緊鄰坡面均產(chǎn)生了一定的滑動(dòng)，滑動(dòng)最大值分別為1.75 cm、3.6 cm、5.5 cm、6.6 cm、8.5 cm，說明擋土板結(jié)構(gòu)對(duì)土體下滑有一定支擋作用。隨著樁間距增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，但均大于1.25，說明在此樁間距范圍內(nèi)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡推力作用在樁頂以下1.4～4.95 m之間的樁體上，不同樁間距下滑坡推力（圖22）為拋物線分布，樁間距在5～8 m時(shí)推力大小和樁身位移（圖23）均變化不大；間距為8 m時(shí)樁頂位移最大，達(dá)到13.494 mm。

3.2 不同鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)擋土板影響分析

樁—板的相對(duì)剛度EI對(duì)樁后土體有一定影響，而EI主要由彈性模量和截面尺寸決定。下面通過改變擋土板材料的強(qiáng)度等級(jí)，即改變擋土板的彈性模量，探討擋土板鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)樁板墻加固邊坡效果的影響。

該滑坡工程中采用的擋土板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，彈性模量為31.5 GPa，泊松比為0.2，樁間距為5 m，分別計(jì)算擋土板強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55以及無擋土板作用下，邊坡安全系數(shù)、樁身位移、樁身應(yīng)力變化以及樁后緊鄰坡面位移的變化情況計(jì)算結(jié)果見圖24。

由圖24可知：擋土板強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)，樁板墻加固邊坡均能達(dá)到穩(wěn)定性要求，邊坡安全系數(shù)和樁身位移均相差不大，對(duì)樁身所受滑坡推力大小及分布形式也影響不大，說明擋土板的強(qiáng)度對(duì)此邊坡而言影響不大。不設(shè)置擋土板時(shí)，邊坡整體安全系數(shù)也滿足要求，但與有板時(shí)相比差別較大；抗滑樁所受滑坡推力比有擋土板時(shí)略大，說明板承當(dāng)了小部分滑坡推力。無論樁之間是否有擋土板及擋土板強(qiáng)度大小不同時(shí)，緊鄰樁后坡面（X=12.75 m）處樁間土體以拱形向下滑動(dòng)，且滑動(dòng)的最大距離與上述擋土板強(qiáng)度大小無關(guān)。不設(shè)置擋土板時(shí)，該坡面樁間土體下滑位移最大為9.5 cm。

4結(jié)論

（1）樁板墻加固邊坡后安全系數(shù)達(dá)到1.65，邊坡最大位移減小到4 cm，抗滑樁樁頂位移為13.67 mm，符合規(guī)范要求，說明樁板墻起到了有效的加固作用。

（2）樁板墻結(jié)構(gòu)中，擋土板所受的土壓力隨著荷載增加而增加，峰值均在滑體以下；抗滑樁所受滑坡推力分布形式近似為拋物線，峰值在滑面中下部。

（3）不考慮擋土板作用時(shí)，抗滑樁所受滑坡推力明顯增大，荷載峰值向下移動(dòng)，分布形式有一定的變化，證明擋土板分擔(dān)了部分抗滑樁所受的滑坡推力；且樁頂位移比有板時(shí)大，呈線性分布。

（4）不同樁間距下，滑坡推力大小和樁身位移變化不大，間距為8 m時(shí)樁頂位移最大為13.494 mm。樁間距較小時(shí)，樁身受力、變形以及滑坡變形均較小，樁身結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備大；樁間距較大時(shí)，樁身強(qiáng)度能夠承受相應(yīng)的推力，但樁間會(huì)產(chǎn)生土體滑出現(xiàn)象。工程中設(shè)計(jì)樁間距時(shí)，可在5～7 m之間結(jié)合其他因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

（5）對(duì)該邊坡，擋土板強(qiáng)度對(duì)抗滑樁加固邊坡作用影響不大，主要起到支擋樁間土體的作用，設(shè)計(jì)時(shí)需按照規(guī)定強(qiáng)度進(jìn)行?？够瑯吨g不設(shè)置擋土板時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.28，也能達(dá)到整體穩(wěn)定要求，但由于抗滑樁結(jié)構(gòu)為懸臂樁結(jié)構(gòu)，樁間距較大，樁間土體易從樁間滑出，因此有必要設(shè)計(jì)一定強(qiáng)度的擋土板，并對(duì)板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。