膨脹土路塹邊坡樁板墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究*

李興璦，賈剛龍，楊果林，鄧志宏，汪鵬福

(1.中鐵九局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013； 2.中鐵九局集團(tuán)第一建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215538；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

樁板墻是抗滑樁在實(shí)際工程應(yīng)用中逐漸發(fā)展而形成的新型支擋結(jié)構(gòu)，自20世紀(jì)70年代成功應(yīng)用于枝柳鐵路路塹邊坡后，迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，眾多學(xué)者從不同方面對(duì)樁板墻開(kāi)展研究。徐乾等[3-4]提出了樁板墻結(jié)構(gòu)損傷及穩(wěn)定性預(yù)警方法，并通過(guò)算例驗(yàn)證該方法有效性；張成武等[5]推導(dǎo)了考慮滑坡推力的擋土板后土壓力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果能較好地反映實(shí)際土壓力；黃治云等[6]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁間距、擋土板剛度及掛板方式對(duì)土拱效應(yīng)的發(fā)揮存在顯著影響；豆紅強(qiáng)等[7]基于相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)，獲得了樁間無(wú)擋板、樁前掛板及樁后掛板3種工況下土壓力分布規(guī)律；楊明等[8]結(jié)合離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，提出了樁間距優(yōu)化方法；趙明華等[9]根據(jù)土拱靜力平衡及強(qiáng)度條件，得到了合理樁間距計(jì)算方法；劉力生等[10]對(duì)土拱的合理拱軸線進(jìn)行假定，通過(guò)建立微分方程計(jì)算擋土板后土壓力。以上研究較好地揭示了樁板墻承載特性，但多數(shù)集中于非膨脹土地區(qū)，且多為理論分析和模型試驗(yàn)方面，而膨脹土地區(qū)樁板墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，因此需對(duì)其開(kāi)展研究。

1 工程概況

某高速鐵路位于我國(guó)西南地區(qū)，是聯(lián)系云南與廣西的交通要道。云南與廣西膨脹土分布廣泛，經(jīng)過(guò)膨脹土地區(qū)的線路長(zhǎng)為129.7km，約占線路總長(zhǎng)的18.3%，其中因挖方而出現(xiàn)的膨脹土路塹邊坡共144處，長(zhǎng)約29.5km。

在該高速鐵路DK200+530—DK200+610段，由于開(kāi)挖而形成路塹邊坡，為確保線路在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間安全，設(shè)置樁板墻對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行支擋與加固。為獲得膨脹土路塹邊坡樁板墻后土體含水率、土壓力、抗滑樁及擋土板彎矩分布規(guī)律，選取7號(hào)樁及7～8號(hào)樁樁間板開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

1.1 樁板墻設(shè)計(jì)

該樁板墻位于線路右側(cè)，共布置12根抗滑樁(見(jiàn)圖1)，樁長(zhǎng)為13～19m；樁間布置擋土板，高度為3～5.5m，擋土板后布置砂石反濾層。抗滑樁中心間距為6m，樁身采用C40混凝土進(jìn)行澆筑；7號(hào)樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為19m，橫截面尺寸為2.0m×1.5m，為方便樁前置板，抗滑樁懸臂段設(shè)置為T(mén)形截面，如圖2所示。樁間擋土板由預(yù)制甲型擋土板(4.4m×0.5m×0.4m)組成，采用C40混凝土澆筑，7～8號(hào)樁樁間擋土板高度為5.5m。

圖1 樁板墻布置及地層分布

圖2 樁板墻橫截面尺寸(單位：cm)

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，該樁板墻處地層分布如圖1所示。表層覆蓋少量黃褐色膨脹土，裂隙較發(fā)育，具有中～強(qiáng)膨脹性；下方為深厚泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖及褐煤地層，具有中～強(qiáng)膨脹性。地下水水位較低，主要為基巖裂隙水、孔隙水及巖溶水。

結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)果，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)并取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，最終確定場(chǎng)地內(nèi)各土層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 傳感器布置

為獲取樁板墻后土體含水率及土壓力分布規(guī)律，在墻后土體中布置了土壤濕度計(jì)和弦式土壓力盒，其中，7號(hào)樁后側(cè)沿深度方向等間距埋設(shè)了振弦式土壓力盒，7～8號(hào)樁樁間擋土板后側(cè)中線處沿深度方向等間距埋設(shè)了振弦式土壓力盒和土壤濕度計(jì)，并在底部擋土板后側(cè)沿水平方向等間距埋設(shè)了振弦式土壓力盒；為獲得抗滑樁、擋土板內(nèi)力變化規(guī)律，在抗滑樁及底部擋土板前、后兩側(cè)鋼筋上安裝埋入型振弦式應(yīng)變計(jì)。傳感器布置如圖3所示。

圖3 傳感器布置(單位：cm)

2.2 監(jiān)測(cè)方案

膨脹土具有顯著的“吸水膨脹，失水收縮”的特點(diǎn)。若膨脹土含水率與普通土并無(wú)顯著差異，也不會(huì)對(duì)樁板墻產(chǎn)生水平膨脹力。鑒于此，若無(wú)特殊工況，在降雨停止后1d測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁板墻后土體含水率

試驗(yàn)所用土壤濕度計(jì)型號(hào)為FDS-100，其可測(cè)量傳感器周圍一定范圍內(nèi)土體體積含水率，將所測(cè)得的體積含水率除以土體干密度，即可得到墻后土體質(zhì)量含水率(以下簡(jiǎn)稱“含水率”)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 樁板墻后土體含水率

由圖4可知，相對(duì)于埋深3，4m，表層埋深1，2m處土體含水率較大，且隨降雨入滲而產(chǎn)生明顯變化。如圖5所示，樁板墻墻頂平臺(tái)處用于隔水封閉的砂漿層存在初始裂縫，使其隔水效果降低，降雨后雨水通過(guò)裂縫向下滲流，造成下方膨脹土吸水膨脹，并在炎熱環(huán)境下失水收縮，導(dǎo)致砂漿層裂縫逐漸發(fā)育，入滲量增大，促進(jìn)了膨脹土脹縮變形的發(fā)展；同時(shí)，由于表層膨脹土吸水膨脹后會(huì)擠壓周圍裂隙，使?jié)B流通道減少，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)降低，故埋深3，4m處土體含水率變化幅度較小。

圖5 樁板墻墻頂平臺(tái)開(kāi)裂

3.2 樁板墻后土壓力

3.2.1抗滑樁后土壓力

7號(hào)樁后土體在不同時(shí)間實(shí)測(cè)水平土壓力沿深度方向分布曲線如圖6所示。

圖6 樁后實(shí)測(cè)水平土壓力沿深度方向分布曲線

由圖6可知，樁后實(shí)測(cè)水平土壓力沿深度方向大致呈K形分布，呈現(xiàn)出“上下較大、中部較小”的特點(diǎn)。這是因?yàn)樯喜颗蛎浲梁孰S降雨入滲而增大，并發(fā)生膨脹變形，抗滑樁限制膨脹土膨脹變形從而受到膨脹力作用，這使抗滑樁后土壓力盒讀數(shù)增大；中部膨脹土含水率變化較小，故該處實(shí)測(cè)土壓力與莫爾-庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果大致相等；埋深5～6m處，由于降雨滲入，實(shí)測(cè)土壓力大于莫爾-庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果，原因?yàn)闃栋鍓χ浩脚_(tái)處由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生輕微內(nèi)凹并逐漸積水(見(jiàn)圖7)，在墻后膨脹土的脹縮變形循環(huán)作用下，墻趾平臺(tái)內(nèi)凹處逐漸開(kāi)裂，導(dǎo)致積水逐漸入滲，使墻趾處一定范圍內(nèi)土體膨脹并對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平膨脹力。

圖7 墻趾處內(nèi)凹并開(kāi)裂

3.2.2擋土板板后土壓力

由圖8可知，由于降雨入滲，板后土壓力沿深度方向分布與樁后土壓力分布相似，上部及下部擋土板后土壓力較大，而中部擋土板后土壓力較??；在水平方向，底板后土壓力呈現(xiàn)“中間較小，兩端較大”的U形分布。這是因?yàn)閾跬涟蹇缰凶冃屋^大，允許膨脹土釋放一定的膨脹變形，從而使膨脹力減?。煌瑫r(shí)，土拱的產(chǎn)生(土拱效應(yīng))導(dǎo)致墻后土壓力主要沿拱圈作用于抗滑樁及擋土板兩端，而中間板體僅承受拱圈范圍內(nèi)土體產(chǎn)生的土壓力。

圖8 板后土壓力

若不考慮膨脹力作用，結(jié)合TB 10025—2019《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,可根據(jù)莫爾-庫(kù)侖理論計(jì)算樁板墻墻背土壓力，則樁板墻所承受的水平膨脹力為實(shí)測(cè)土壓力與莫爾-庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果的差值。由圖6，8可知，樁板墻所承受的最大水平膨脹力為60～70kPa；故在中～強(qiáng)膨脹性的膨脹土地區(qū)開(kāi)展類似工程施工時(shí)，支擋結(jié)構(gòu)所承受的水平膨脹力可按60～70kPa考慮。

3.3 樁板墻內(nèi)力

通過(guò)在抗滑樁及擋土板鋼筋上安裝埋入型振弦式應(yīng)變計(jì)，獲取不同時(shí)間各監(jiān)測(cè)截面處抗滑樁及擋土板應(yīng)變，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)公式即可計(jì)算出各監(jiān)測(cè)截面彎矩，如圖9，10所示。

圖9 抗滑樁彎矩

由圖9可知，在各監(jiān)測(cè)截面處，樁身彎矩均為正值，即樁身的彎曲狀態(tài)并未發(fā)生改變；隨著深度的增大，樁身彎矩逐漸增大，這與懸臂梁受力特性相吻合。若不考慮膨脹力作用，在距樁頂5m截面處，根據(jù)莫爾-庫(kù)侖主動(dòng)土壓力所計(jì)算的彎矩約為 2 083kN·m， 而實(shí)際彎矩為2 901～4 663kN·m，增大幅度為39.3%～123.9%。因此，在樁板墻設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮膨脹力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

如圖10所示，擋土板彎矩呈拋物線分布，板中部為正彎矩，而板端部出現(xiàn)較小負(fù)彎矩。這是因?yàn)閷?shí)際工程中擋土板與抗滑樁樁身預(yù)埋件進(jìn)行焊接連接，板端處存在約束并能承受一定彎矩；同時(shí)，擋土板彎矩沿水平方向呈非對(duì)稱分布，最大正彎矩位于板中線右側(cè)0.5m處，這是因?yàn)閾跬涟鍍啥丝够瑯端轿灰拼嬖诓町?，?dǎo)致?lián)跬涟搴笈蛎浲了尫诺呐蛎涀冃尾灰恢拢瑥亩箵跬涟逅艿降乃脚蛎浟Σ⒎蔷鶆蚍植肌?/p>

圖10 擋土板彎矩

4 結(jié)語(yǔ)

1)由于樁板墻存在墻頂平臺(tái)開(kāi)裂、墻趾平臺(tái)內(nèi)凹等初始缺陷，隨著降雨入滲，樁板墻受到膨脹力作用，抗滑樁和擋土板后實(shí)測(cè)土壓力沿深度方向?yàn)镵形分布，擋土板后土壓力沿水平方向?yàn)閁形分布。

2)抗滑樁懸臂段樁身彎矩隨深度增大而逐漸增大，這與懸臂梁受力特性相似；擋土板中部存在較大正彎矩、端部存在較小負(fù)彎矩。

3)樁板墻后膨脹土產(chǎn)生的膨脹力對(duì)樁板墻內(nèi)力影響較大，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮膨脹力的影響；對(duì)于中～強(qiáng)膨脹性的膨脹土地區(qū)，支擋結(jié)構(gòu)所受到的水平膨脹力為60～70kPa。在實(shí)際工程中宜加強(qiáng)防排水措施，避免樁板墻后土體含水率發(fā)生較大變化從而降低樁板墻所承受的膨脹力。