椅式樁板結構變形破壞特征模型試驗研究分析

姚裕春 魏永幸 李安洪

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

我國西南山區，地形艱險、地質復雜，修建鐵路要完全避免陡坡地形是困難的。特別是高速鐵路對線路平面上曲線半徑要求更大及縱坡要求更緩，遇到的復雜工程更多，如果采用大量的長隧道通過，會造成工程投資巨大；如果采用橋梁替代陡坡路基工程，橋梁工程投資明顯大于路基工程，會出現大量陡邊坡上的基礎開挖，施工難度大，橋墩受偏壓大，地形越陡，設計和施工出現的技術問題越明顯。可見在山區修建鐵路無論線路平縱斷面如何進行調整及優化，也難以避免出現陡坡路基，隨著山區高速鐵路建設的不斷發展，陡坡路基數量越來越多，經統計，僅西南山區修建的貴廣、滬昆、云桂、成貴等六條高速鐵路就有近700多處陡坡路基工程，其中有數量不少的高填方直立邊坡車站。

隨著直立高邊坡路基越來越多，傳統的應用于陡坡路基效果較好的支擋收坡加固結構變得不適用或者工程投資巨大[1-2]。例如：樁基托梁結構，隨著懸臂的增大，托梁上的擋土墻設置高度是受限的，并且施工困難；樁板墻結構，懸臂增大后加固樁所受水平推力增大，造成加固樁樁長及截面增大很多，結構水平位移較難控制，加固樁施工風險大，工程投資高；此外，隨著陡坡路基懸臂的增大，加固結構內側的填筑土施工困難、填筑土差異沉降增大，對于高速鐵路來說難以滿足對變形的要求。

針對上述存在的技術問題，本文作者首次提出了一種兼有承重、阻滑及支擋功能的高懸臂陡坡椅式樁板結構[3-7]，有效解決了陡坡高填路基存在的填筑體過大差異沉降、高懸臂支擋結構水平變形控制困難、加固樁施工困難及風險大等技術難題。由于陡坡高懸臂椅式樁板結構是一種新型超靜定結構，有必要揭示并掌握其變形和破壞特征，以利于該結構的設計和推廣應用。

1 椅式樁板結構模型試驗設計

1.1 試驗方案

開展了2組軟質巖邊坡室內大比例模型試驗，試驗相似比為1∶10。實驗目的是揭示椅式樁板結構的變形和破壞特征。模型試驗設計分為靜力彈性模型(椅式樁采用矩形鋼管模擬)和破壞模型(椅式樁采用鋼筋混凝土模擬)，如表1所示。模型試驗中主樁樁長為150 cm，副樁樁長為75 cm，橫梁厚度6 cm，試驗坡體50°傾角，沿線路縱向布置3跨椅式樁板結構，樁間距6 m，如圖1所示。

表1 椅式樁模型試驗分組表

圖1 模型試驗結構布置設計示意圖

1.2 試驗材料

本模型試驗涉及到椅式樁板結構、巖土陡坡地基和路基填方。椅式樁板結構模型材料分別選擇矩形鋼管和微骨料鋼筋混凝土進行模型制作；承載板和擋土板遵守等效抗彎剛度理論和撓曲相似原則，選擇制作簡易、裝拆方便、應力應變容易測量的木板模擬；軟巖邊坡模型選用砂、土、石膏和水泥組成的混合料加水拌合而成進行模擬；路基填料選用級配不良的中粗砂模擬。

1.3 測試元件的布置

椅式樁板結構的橫梁底部未設置擋土板和填筑土，在橫梁上設置了承載板，測試元件布置，如圖2所示。

圖2 結構測試元件位置布示意圖

2 椅式樁板結構模型試驗變形特征

軟巖邊坡椅式樁板結構的水平位移隨填料荷載和路基面豎向荷載變化的曲線，如圖3～圖5所示。軟巖邊坡椅式樁板結構分層填筑測試結果表明，椅式樁的變形規律可以劃分為2個階段：填筑初期，主樁的水平位移主要為作用于橫梁上部荷載間接引起的變形，填筑荷載主要由椅式樁承擔；隨著填筑高度的增加，主樁及擋土板的水平位移均逐漸增加，椅式樁逐漸與邊坡巖體一起共同承擔荷載的作用，主樁水平位移增長速率逐漸地降低可以證明這一點。在填筑體路基面荷載的作用下，主樁和擋土板的水平位移隨著豎向加載應力的增加表現出線性增長的關系。從水平位移絕對值來看，填筑荷載所引起的椅式樁變形量僅為豎向荷載(120 kPa)引起最大值的10%，主樁樁頂總的水平位移量小于5 mm；主樁嵌入坡面處的水平位移約占樁頂總位移量的40%，所以邊坡坡體巖性對巖質邊坡上的椅式樁變形影響極大。

圖3 水平位移與填筑工況的關系曲線

圖4 主樁與擋土板水平位移與豎向加載應力的關系曲線

圖5 主樁水平位移分布曲線

椅式樁板結構主樁在路基面的豎向荷載作用下產生水平位移、轉動變形以及沉降變形，由于椅式樁基屬于嵌巖基樁，所以其沉降變形基本上可以忽略不計，擋土板的變形除上述因素外還需考慮其自身產生的變形。椅式樁主樁樁頂位移受上部懸臂段的轉動變形和下部門型雙排樁的水平變形以及樁側巖體的壓縮變形量控制，當填筑體路基面的荷載不大時，椅式樁是支擋承載的主體，該結構表現出繞錨固點的整體轉動變形趨勢；當填筑體路基面荷載較大時，前期發生的變形使得椅式樁和巖質邊坡體的聯合承載能力增強，后期發生的變形以主樁懸臂段繞樁-梁交接點的轉動變形為主，表現為較明顯的撓曲變形。如圖6和圖7所示，在填筑體路基面的豎向荷載作用下，椅式樁板結構發生整體的前傾變形，擋土板前期加載的變形形態表現為梯形突出，隨荷載的施加逐漸轉變為弧形突出，這是因荷載傳遞路徑調整而引起的。

圖6 水平位移縱向分布曲線

圖7 結構水平位移府視圖

3 椅式樁板結構模型試驗破壞特征

3.1 椅式樁破壞特征

椅式樁板結構的破壞類型主要為局部破壞(包括樁的破壞、板的破壞、梁的破壞以及樁體錨固段巖體的破壞)、樁梁連接破壞和沿下臥層滑動的整體破壞。

為了揭示椅式樁的破壞特征，增大了路基面的模擬荷載，路基面的荷載為120 kPa時，橫梁的主筋已進入屈服階段，早于主副樁基的屈服，樁梁的交接點形成塑性鉸，如圖8所示。

圖8 椅式樁板結構裂縫發展圖

椅式樁板結構的工作階段根據路基面的模擬荷載可劃分為4個階段：①開裂前階段(0～110 kPa)，組合結構處于彈性工作狀態。②帶裂縫工作階段前期(110～150 kPa)，應變超過混凝土的極限拉應變時，樁梁的受拉區開始出現細小裂縫，以橫向裂縫為主。③帶裂縫工作階段中后期(150～210 kPa)，鋼筋應變呈現為非線性增長，但沒有發生屈服。隨后，裂縫的數量有所增加，并且裂縫寬度變長和變大。④鋼筋的屈服階段(>210 kPa)，樁身受拉鋼筋的應力達到并超過其屈服強度，椅式樁板結構的承載力急劇下降，喪失其工作性能。

椅式樁典型代表的裂縫有：橫梁斜裂縫、橫向裂紋和橫梁混凝土局部壓碎破壞，樁身產生橫向裂縫，如圖9所示。

圖9 椅式樁裂縫分布圖

主副樁樁基的裂縫主要分布在樁與橫梁的交接處，橫梁的裂縫主要分布在樁梁的交接處和橫梁的中部；在剪力、軸向拉力和彎矩的聯合作用下，橫梁與主樁的交接點處還產生了局部壓碎破壞。椅式樁板結構具有較強的荷載作用自我調節功能，過大的荷載作用也通常不會出現結構的整體傾倒破壞。

3.2 軟巖邊坡破壞特征

填筑體路基面在豎向荷載的作用下，軟質巖石邊坡坡體的破壞形態，如圖10所示。在副樁的外側表現為淺層巖體破壞，隨著荷載的增大破壞的范圍逐漸沿伸到主樁的內側，這表明在主樁和副樁之間存在臨空面的巖體容易發生破壞，設計時可以不考慮該部分巖體對副樁的抗力作用。椅式樁對外側巖體會產生擠推作用，同時承載板會產生擠壓淺層巖體，從而導致主樁外側淺層巖體出現較為明顯的剝離破壞現象，并且在相鄰兩排椅式樁之間縱向貫通，坡體具有整體破壞的趨勢。椅式樁板結構具有較強的抗變形能力，只有過大荷載結構出現塑性鉸時才會產生較為明顯的側向變形，再持續施加荷載將會導致巖質邊坡的局部破壞，但是結構破壞遠遠超前于坡體破壞，有利于設計者進行控制。

圖10 軟巖邊坡破壞圖

4 結論

針對軟質巖陡坡地基高懸臂椅式樁板結構開展了模型試驗研究分析，揭示了椅式樁板結構的變形特征，以及椅式樁和軟質巖陡坡地基的破壞模式，得出以下主要結論：

(1)椅式樁變形極值出現于主樁樁頂，其中包括懸臂段撓曲或旋轉變形、受荷段平動變形和錨固段撓曲變形；懸臂段變形為主控因素，坡體變形較小，椅式樁具有較好的變形協調作用。

(2)椅式樁裂紋發展一般分為開裂前、帶裂縫工作前期、帶裂縫工作中后期和鋼筋屈服4個階段，裂紋多出現于樁梁交界處的樁體上和橫梁中部，裂紋多為刀口形和斜裂紋、少數為拉伸裂紋；椅式樁破壞模式一般為某構件形成塑性鉸使結構喪失正常使用功能，過大荷載作用下組合結構通常不會發生傾倒破壞。

(3)軟質巖邊坡主要發生主樁外側的淺層坡體擠壓破壞和高荷載條件下主副樁間的巖體擠壓壓潰破壞。地基的破壞緩于結構的破壞。