椅式樁板墻加固土質(zhì)高邊坡地段高填方路基模型試驗(yàn)研究

李 婷，蘇 謙，崔雅莉，郭惠芹

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043； 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

近年來隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施被建設(shè)在西部山區(qū)[1]。由于西部山區(qū)地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜，常存在覆土厚度較大的高邊坡[2]，高邊坡上的填方或挖方路基結(jié)構(gòu)極易導(dǎo)致工程滑坡，嚴(yán)重影響行車安全，因此，在山區(qū)修建基礎(chǔ)設(shè)施，支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)置尤為重要。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，樁基托梁、樁板墻[3-6]等支擋結(jié)構(gòu)常用于山區(qū)斜坡地段路基結(jié)構(gòu)的支擋和加固。但當(dāng)路基地段存在高填方或下覆較厚土層時(shí)，一般需要增大樁基托梁或樁板墻的樁身截面、增加錨固段長度等控制高邊坡地段路基的側(cè)向變形，保持線路穩(wěn)定性。但對(duì)現(xiàn)有支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)不僅會(huì)增加基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，在實(shí)際工程中也極有可能大幅超過現(xiàn)行規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)推薦值，如敘大線龍山車站附近某段路堤填方高度最高達(dá)17 m，下覆土層厚度在14～20 m之間，超過了我國規(guī)范TB 10025—2019《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中樁板墻懸臂段的長度不宜大于15 m的規(guī)定。椅式樁板墻作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，綜合了懸臂式樁板墻和雙排抗滑樁的優(yōu)點(diǎn)，具有抗變形與抗滑能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[8]，尤其適用于高大路堤邊坡支護(hù)工程，其支擋和加固作用在山區(qū)高邊坡地段具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

目前部分學(xué)者對(duì)新型椅式樁板墻結(jié)構(gòu)的受力變形機(jī)制進(jìn)行了研究。白皓等[8]通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究分析了鐵路軟巖陡坡路基中椅式樁板墻的受力變形特性。劉寶[9]采用有限元模型研究了椅式樁板墻的排間距、縱向樁間距等設(shè)計(jì)參數(shù)。姚裕春等[10]研究了椅式樁板墻結(jié)構(gòu)的受力模式與計(jì)算方法。椅式樁板墻的受力變形特性和支擋加固性能極其復(fù)雜，盡管其加固性能在軟巖陡坡路基地段已被驗(yàn)證[8]，但山區(qū)地段存在大量土質(zhì)高邊坡，在土質(zhì)高邊坡地段建設(shè)高大路堤邊坡工程時(shí)，采用椅式樁板墻進(jìn)行支擋和加固可有效控制線路下部結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，保持線路穩(wěn)定性，但目前國內(nèi)外鮮有該新型支擋結(jié)構(gòu)椅式樁板墻加固土質(zhì)高邊坡地段高填方路基受力變形特性的研究。

綜上所述，為了研究新型支擋結(jié)構(gòu)椅式樁板墻在土質(zhì)高邊坡地段高填方路基中的受力變形特性，本文通過縮尺試驗(yàn)，建立了椅式樁板墻和土體的室內(nèi)模型，分析了不同等級(jí)的推力荷載作用下椅式樁板墻的變形、受力及土壓力的分布規(guī)律，為椅式樁板墻在土質(zhì)高邊坡地段高填方路基中的加固應(yīng)用提供了參考意義。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型比尺設(shè)計(jì)

相似理論通過相似比尺將實(shí)際工程和理論模型聯(lián)系起來，從而將模型試驗(yàn)中得到的結(jié)論和規(guī)律推廣到實(shí)際工程中[11]。

自Iai[12]推導(dǎo)出1g重力場(chǎng)中的相似比尺后，其被大量應(yīng)用于抗滑支擋的靜載縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中[13-14]。相似常數(shù)為原型物理量與模型物理量的比值，即

(1)

式中：λ為相似常數(shù)；λp為原型物理量；λm為模型物理量。

模型試驗(yàn)選取長度、密度和應(yīng)變?yōu)槿齻€(gè)基本物理量[13]?？紤]到試驗(yàn)場(chǎng)地大小，取長度相似常數(shù)為20，密度和應(yīng)變相似常數(shù)為1。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，得到本模型試驗(yàn)主要涉及的相似常數(shù)，見表1。

表1 模型試驗(yàn)相似常數(shù)

1.2 模型制作

(1)試驗(yàn)槽制作

試驗(yàn)槽內(nèi)壁尺寸為4.0 m×2.5 m×2.3 m(長×寬×高)。試驗(yàn)槽內(nèi)壁用砂漿抹平，并涂抹凡士林以降低內(nèi)壁與土體的摩擦力，同時(shí)用沙袋對(duì)模型槽外壁進(jìn)行加固，保證模型槽的剛度。

(2)椅式樁板墻制作

椅式樁板墻主要由主樁、副樁、橫梁、擋土板與承載板構(gòu)成，見圖1。原型主樁、副樁和橫梁通過C30混凝土澆筑構(gòu)成椅式樁整體，實(shí)現(xiàn)滑坡加固功能，擋土板和承載板采用C30混凝土進(jìn)行預(yù)制，其中擋土板的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)對(duì)路基本體的支擋作用。

圖1 椅式樁板墻結(jié)構(gòu)示意

考慮到椅式樁板墻的抗彎剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的支擋能力影響顯著，模型試驗(yàn)中按照表1中的幾何相似和抗彎剛度相似對(duì)椅式樁板墻模型進(jìn)行制作。主樁、副樁和橫梁原型與模型的尺寸見表2，其中原型截面尺寸為2 m×2.75 m。根據(jù)相似關(guān)系，模型的截面尺寸為0.1 m×0.137 5 m。然而，實(shí)際制作過程中采用C30混凝土進(jìn)行澆筑，難以精細(xì)到1 mm的量級(jí)，因此，在實(shí)際制作中，模型截面尺寸均制作為0.1 m×0.14 m。原型中主樁與副樁間距為9 m，沿線路縱向的樁間距為6 m；在模型試驗(yàn)中，主樁與副樁間距為45 cm，沿線路縱向的樁間距為30 cm。

表2 主、副樁和橫梁幾何尺寸

按表1中的相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算，模型混凝土擋土板和承載板厚度僅為5 mm。為了避免小體積混凝土構(gòu)件澆筑施工影響結(jié)構(gòu)自身力學(xué)性能，對(duì)擋土板和承載板按照抗彎剛度等效原則，采用厚度為15 mm的木板作為模型材料。

為了便于樁身內(nèi)力的測(cè)試，考慮到理論計(jì)算得到的直徑為4 mm的鋼筋不便于應(yīng)變片的粘貼，實(shí)際制作主、副樁時(shí)，在滿足其他設(shè)計(jì)相似比(抗彎剛度、配筋率)的條件下，對(duì)部分鋼筋采用薄鋼片進(jìn)行替代，并在薄鋼片上進(jìn)行應(yīng)變片的布置。

(3)邊坡、路基制作

基巖主要對(duì)主、副樁起錨固作用，因此其強(qiáng)度與剛度尤為重要。模型試驗(yàn)中為了保證基巖的整體性，澆筑C15素混凝土模擬基巖，基巖密度為2 080 kg/m3。

原型中粉質(zhì)黏土的覆土厚度為14.2 m，斜坡傾角為30°，采用現(xiàn)場(chǎng)粉質(zhì)黏土進(jìn)行土質(zhì)邊坡的模擬。填筑前事先將粉質(zhì)黏土進(jìn)行曬干并粉碎，后過孔徑2 mm鐵篩。按現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的填土重度與含水率等指標(biāo)進(jìn)行填筑與壓實(shí)，直至設(shè)計(jì)高度。粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)原型中路基的填方高度為14.6 m，填料為碎石土，最大粒徑為45 mm，設(shè)計(jì)摩擦角為38°，重度為20 kN/m3，壓實(shí)系數(shù)大于等于0.92。根據(jù)表1所示的相似準(zhǔn)則，模型試驗(yàn)中采用中粗砂模擬路基填料，中粗砂的最大粒徑為2 mm，摩擦角為35°，重度為20 kN/m3，按原型的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行填筑。

(4)模型加載及測(cè)試

模型加載前，為模擬路基面上部荷載，根據(jù)相似比進(jìn)行換算，在路基面施加質(zhì)量為173 kg的鑄鐵塊。

盡管實(shí)際加載推力主要受滑體重力的影響，但在現(xiàn)有的1g重力場(chǎng)的模型試驗(yàn)中可采用外部推力力模擬實(shí)際推力[15-16]。本模型試驗(yàn)中采用地錨桁架作為反力架，借助液壓千斤頂在模型右側(cè)進(jìn)行水平向加載來模擬上部滑坡水平推力的作用。加載水平依次為10、20、30、40、50、60 kPa。模型試驗(yàn)布置見圖2。

圖2 模型試驗(yàn)布置

為測(cè)量椅式樁板墻在土質(zhì)高邊坡地段高填方路基中的受力變形特性，在模型內(nèi)部布置的傳感器見圖3。試驗(yàn)主要測(cè)試位移、應(yīng)變與土壓力。利用位移計(jì)來測(cè)試結(jié)構(gòu)的變形情況，主要將位移計(jì)布設(shè)于主樁坡面以上的懸臂段以及擋土板背離填料的一側(cè)，位移測(cè)點(diǎn)用W和W′表示；利用應(yīng)變片來測(cè)試結(jié)構(gòu)的受力情況，應(yīng)變片主要布設(shè)于主樁、副樁和橫梁內(nèi)部，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)用Y表示；在主樁、副樁及擋土板跨中靠近填料一側(cè)布置土壓力盒，來測(cè)試巖土體與結(jié)構(gòu)的相互作用情況，土壓力測(cè)點(diǎn)用T和T′表示，W、W′、Y、T、T′后的數(shù)字為測(cè)點(diǎn)編號(hào)。利用DH3810靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 模型測(cè)試傳感器布置(單位：mm)

在模型填筑完成并于模型頂端放置好鑄鐵塊后，將采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)清零，以此為起點(diǎn)，開始進(jìn)行加載并采集數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在模型試驗(yàn)加載完成后，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理，分析椅式樁板墻結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力和土壓力。

2.1 結(jié)構(gòu)變形

加載推力作用下椅式樁板墻的主樁懸臂段水平位移變化規(guī)律見圖4。該水平位移變化規(guī)律呈現(xiàn)三個(gè)階段：

圖4 懸臂段水平位移隨加載推力變化規(guī)律

(1)當(dāng)加載推力從0 kPa增大至20 kPa時(shí)，懸臂段水平位移增長趨勢(shì)不明顯，各測(cè)點(diǎn)的變形值沿深度方向大小相近，將此階段定義為緩慢增長階段。

(2)當(dāng)加載推力從20 kPa增大至40 kPa時(shí)，懸臂段水平位移明顯增大，各測(cè)點(diǎn)的變形值沿深度方向出現(xiàn)差異，將此階段定義為平穩(wěn)增長階段。

(3)當(dāng)加載推力從40 kPa增大至60 kPa時(shí)，懸臂段水平位移迅速增大，沿深度方向各測(cè)點(diǎn)的變形值差異更加明顯，將此階段定義為迅速增長階段。

擋土板跨中斷面的水平位移在加載推力作用下的變化規(guī)律見圖5。該規(guī)律與懸臂段水平位移變化規(guī)律相同，同樣可分為三個(gè)階段，僅是位移數(shù)值稍大于懸臂段水平位移數(shù)值，其可能的原因?yàn)閾跬涟蹇箯潉偠刃∮谥鳂犊箯潉偠龋铱缰薪孛鎻澗睾奢d相對(duì)較大。

圖5 擋土板水平位移隨加載推力變化規(guī)律

加載推力為30 kPa時(shí)，擋土板板頂?shù)乃轿灰茷?.68 mm，根據(jù)相似準(zhǔn)則，此時(shí)原型板頂水平位移為7.36 cm；加載推力增大為40 kPa時(shí)，擋土板板頂?shù)乃轿灰茷?.13 mm，此時(shí)原型板頂水平位移為16.26 cm。文獻(xiàn)[7]規(guī)定普通樁板式擋土墻墻頂水平不宜大于10 cm。由于水平位移是體現(xiàn)支擋結(jié)構(gòu)支護(hù)能力的重要指標(biāo)，因此，同樣將該限值用于椅式樁板墻，則可認(rèn)為當(dāng)加載推力達(dá)到40 kPa時(shí)，椅式樁板墻水平位移已超過規(guī)范限值。

根據(jù)懸臂段和擋土板三個(gè)階段水平位移隨加載推力作用的變化規(guī)律，可分析椅式樁板墻在加載推力作用下的受力與變形機(jī)制。第一階段懸臂段水平位移隨加載推力的增大線性增大，但增大值較小，主要原因是此時(shí)推力較小，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生線彈性的變形；第二階段變形明顯增大，主要原因是在此加載推力下結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸產(chǎn)生塑性變形；第三階段變形急劇增大，呈現(xiàn)明顯的非線性，主要原因是此時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)更加明顯，發(fā)生了較大的塑性變形。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)胡克定律與彎曲理論[17]，通過對(duì)主樁、副樁和橫梁中應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變進(jìn)行變換求得主、副樁彎矩和橫梁軸力。彎矩M與軸力Q的計(jì)算式為

(2)

(3)

主樁、副樁彎矩的變化規(guī)律見圖6。以路基填筑完成時(shí)的狀態(tài)為基準(zhǔn)，定義主、副樁在加載推力作用下右側(cè)受拉為正值，左側(cè)受拉為負(fù)值。

圖6 主樁與副樁彎矩隨高度變化規(guī)律

由圖6(a)可知主樁彎矩變化規(guī)律為：

(1)當(dāng)加載推力不大于40 kPa時(shí)，橫梁位置以上的主樁部分右側(cè)受拉，近似呈三角形分布，符合懸臂梁的受力特性。橫梁位置以下的主樁彎矩從上至下呈多次彎曲狀態(tài)，極值點(diǎn)分別出現(xiàn)在橫梁附近與巖土交界面(滑動(dòng)面)附近。

(2)當(dāng)加載推力大于40 kPa時(shí)，主樁從樁頂至坡面位置的彎矩變化規(guī)律與加載推力較小時(shí)相同，僅是隨加載推力變大，彎矩值變大。

(3)主樁彎矩從上至下整體近似呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后的“M”狀分布。

由圖6(b)可知，當(dāng)加載推力不大于40 kPa時(shí)，副樁呈現(xiàn)右側(cè)受拉狀態(tài)，在巖土交界面(滑動(dòng)面)處出現(xiàn)極大值；當(dāng)加載推力大于40 kPa時(shí)，巖土交界面處的極大值隨加載推力的增大而增大。副樁的彎矩由樁頂?shù)綆r土交界面處近似呈三角形分布，巖土交界面以下近似呈倒梯形分布。

加載推力作用下橫梁軸力的變化規(guī)律見圖7。橫梁軸力沿長度方向分布相對(duì)均勻，隨加載推力的增大，軸力不斷增大。當(dāng)加載推力大于40 kPa后，由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的變形，軸力增加趨勢(shì)不再明顯。

圖7 橫梁軸力隨長度變化規(guī)律

2.3 土壓力

土壓力的正負(fù)號(hào)規(guī)定為：以路基填筑完成時(shí)的狀態(tài)為基準(zhǔn)，由于加載推力的增大而增大的土壓力值為正值，由于加載推力的增大而減小的土壓力值為負(fù)值。加載推力作用下?lián)跬涟逋翂毫Φ淖兓?guī)律見圖8。

圖8 擋土板土壓力隨深度變化規(guī)律

由圖8可知，擋土板土壓力的變化規(guī)律為：

(1)沿板深度方向整體呈先輕微減小后迅速增大的分布形式。

(2)在擋土板頂部，即T′1測(cè)點(diǎn)位置，隨加載推力的增大，土壓力值呈先增大后減小的趨勢(shì)，可能的原因?yàn)椋寒?dāng)加載推力較小(小于40 kPa)時(shí)，板頂水平位移增大趨勢(shì)不明顯，則隨著加載推力的增大，土壓力值增大；當(dāng)加載推力較大(大于等于40 kPa)時(shí)，板頂水平位移明顯增大，則由于變形的增大導(dǎo)致土壓力值減小。

(3)在擋土板底部，即T′3測(cè)點(diǎn)位置，隨加載推力的增大，土壓力值呈不斷增大的趨勢(shì)，主要原因可能為：板底變形相對(duì)較小，加載推力通過土體傳遞至擋土板的土壓力增值大于變形導(dǎo)致的土壓力卸載值所致。

主樁與副樁兩側(cè)的土壓力變化規(guī)律見圖9。

圖9 主副樁土壓力隨高度變化規(guī)律

由圖9可知，主樁懸臂段右側(cè)土壓力與圖8所示的擋土板的土壓力變化形式相似，不同點(diǎn)在于當(dāng)加載推力較大(大于40 kPa)時(shí)，主樁懸臂段土壓力值稍大于擋土板跨中土壓力值。

T′3位置處擋土板跨中與主樁懸臂段的土壓力值見圖10,當(dāng)加載推力為30 kPa時(shí)，T′3測(cè)點(diǎn)位置的擋土板跨中與主樁懸臂段土壓力值相差不大，當(dāng)加載推力為60 kPa時(shí)，主樁懸臂段土壓力值明顯大于擋土板跨中土壓力值，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能為主樁的剛度大于擋土板的剛度，當(dāng)加載推力較大時(shí)，出現(xiàn)了土拱效應(yīng)。

圖10 T′3位置處擋土板跨中與主樁懸臂段的土壓力值

當(dāng)加載推力不大于40 kPa時(shí)，主樁左側(cè)土壓力值在巖土交界面(滑動(dòng)面)處出現(xiàn)極大值；主樁右側(cè)土壓力值在巖土交界面處出現(xiàn)負(fù)值，說明此時(shí)加載推力作用下主樁右側(cè)與基巖的接觸狀態(tài)減弱；副樁左側(cè)的土壓力在巖土交界面處出現(xiàn)極小值；副樁右側(cè)與主樁右側(cè)的土壓力分布形式相似。當(dāng)加載推力大于40 kPa時(shí)，主樁左側(cè)土壓力在巖土交界面處迅速增大，土壓力值沿樁深度方向近似呈拋物線形分布；主樁右側(cè)土壓力的分布形式幾乎不變；副樁左側(cè)樁頂?shù)耐翂毫χ禍p小，右側(cè)土壓力分布形式不變。

在加載推力作用下，主樁擠壓左側(cè)土體，因此，左側(cè)土體呈被動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)加載推力大于40 kPa時(shí)，圖9中主樁和副樁左側(cè)頂部土壓力值突然減小，結(jié)合此時(shí)主樁懸臂段和擋土板的位移迅速增大(見圖4、圖5)，可推測(cè)此時(shí)主樁和副樁左側(cè)淺層的粉質(zhì)黏土可能發(fā)生滑動(dòng)。

對(duì)比主樁與副樁的土壓力和內(nèi)力值大小可知，盡管副樁更接近推力施加位置，但受擋土板和懸臂段對(duì)路基面荷載和加載推力的傳遞作用，主樁土壓力值和彎矩值整體大于副樁，因而對(duì)于本文中的椅式樁板墻，主樁成為主要承載結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)新型支擋結(jié)構(gòu)椅式樁板墻加固土質(zhì)高邊坡地段高填方路基的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和土壓力進(jìn)行了測(cè)試分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)隨加載推力的增大，本文所述椅式樁板墻的位移增大趨勢(shì)呈三個(gè)變化階段；當(dāng)加載推力大于40 kPa后，位移陡增，換算得到的水平位移值超過規(guī)范限值。

(2)椅式樁板墻主樁從上至下多次彎曲，彎矩近似呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后的“M”狀分布；副樁的彎矩由樁頂?shù)綆r土交界面處近似呈三角形分布，巖土交界面以下近似呈倒梯形分布。

(3)受土拱效應(yīng)的影響，當(dāng)加載推力大于40 kPa后，主樁懸臂段土壓力值和擋土板跨中土壓力值出現(xiàn)明顯差別。

(4)椅式樁板墻的擋土板土壓力沿板深度方向呈先減小后增大的分布形式，受擋土板和懸臂段對(duì)荷載傳遞的影響，椅式樁板墻的主樁土壓力值與內(nèi)力值均大于副樁值，從而使主樁成為主要承載結(jié)構(gòu)。