樁板墻加固邊坡作用效果及結構受力影響試驗研究

李 梅 劉 校2

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070；2.武漢恒達四方工程有限公司，湖北武漢430061）

樁板墻結構是一種常見的邊坡支擋結構，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。關于樁間板有無承擔滑坡推力、樁板承擔土壓力大小及其計算方法問題，許多學者進行了大量的研究［1-8］。魏業清等［4］、王廣軍［5］對樁板墻工程的土拱效應進行了研究，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，推導了樁板墻結構中擋土板土壓力計算公式，并對擋土板設計進行修正和優化。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、傳力方式以及內力。對于樁板墻荷載分配關系，黃治云等［10］采用現場試驗和室內模型試驗對樁板墻結構中的擋土板和抗滑樁背側的土壓力進行了監測，研究了樁間土拱效應的作用規律及樁板墻荷載分配關系。董捷等［11］認為，擋板剛度、樁間距、土體材料性質以及擋板的布置方式均對樁板墻背側土拱效應的發揮有著重要影響。

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力、設計參數對樁板墻結構內力的影響還未有共識，尚待進一步研究；其設計理論依然是根據工程經驗進行類比設計，抗滑樁按原有理論設計計算，擋土板按照均布荷載條件下的簡支梁計算，設計中對樁板承受滑坡推力的分配比例沒有體現。

項目以杭長鐵路客運線某段滑坡樁板墻治理工程為背景，開展樁板墻現場試驗測試和室內模型試驗，分析樁板墻加固邊坡的作用效果及結構受力影響，探討樁板分擔的滑坡推力、樁距等設計參數對樁板結構受力的影響，并為樁板墻工程設計和應用提供參考。

1 現場樁板墻加固邊坡效果分析

1.1 工程概況

選擇杭州至長沙鐵路DK815+715.015～+809.775段滑坡為試驗原型邊坡，長約94 m，坡頂至坡腳距離約34.3 m，上表層為強風化的泥灰巖和青灰巖，隱晶質結構，層狀構造，節理裂隙發育；下層為弱風化的泥灰巖，呈褐紅—青灰色，隱晶質結構，層狀構造，節理裂隙發育；地表水、地下水均無侵蝕性，地形見圖1所示。

該邊坡主滑區采用樁板墻進行加固支護，抗滑樁截面2.5 m×2.75 m，樁間距5.16 m，樁長20～26 m，共18根。錨固段樁身采用C35鋼筋混凝土現場澆注，平臺以上部分于樁兩側設牛腿，擋土板為C35鋼筋混凝土現場預制槽型板，長2.46 m，寬0.5 m，厚0.25 m。

1.2 現場樁板墻加固邊坡效果分析

依據現場監測數據，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強度準則，具體計算參數見表1；計算工況為天然狀態，不考慮降雨、地震及其他工程活動等因素的影響。

計算結果表明，邊坡未加固前安全系數為1.02，最大位移為15 cm。樁板墻加固邊坡后安全系數達到1.65（圖4），邊坡最大位移減小到4 cm，位于開挖路基前緣處。抗滑樁樁身撓度和現場實測（圖5）基本一致，樁板墻結構的樁頂位移為13.67 mm，符合規范要求，說明樁板墻起到了有效的加固作用。

2 樁板加固邊坡結構受力分析

為進一步分析樁板墻加固邊坡作用效果和結構受力情況，在現場監測的基礎上，本研究進行了樁板墻室內模型試驗，分析樁、板結構內力、位移、樁前抗力及樁后推力變化以及對滑坡穩定性的影響。

2.1 室內模型試驗方案

以滑坡現場一個典型剖面為原型開展模型試驗，相似比為1∶50，滑坡模型框架長×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、側板和腹板拼接成模型箱，箱內側板采用螺絲固定，內壁涂滿黃油并鋪設塑料薄膜。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材料，采用雙層塑料薄膜模擬軟弱滑動面，在試驗加載過程中，上層滑體沿著滑面滑動，從而產生滑坡推力作用在樁板墻上。坡體內設置單排3根抗滑樁，中間1根為試驗測試樁，材料為有機玻璃，樁截面為5 cm×5.5 cm，樁長48 cm，樁距10 cm，兩側牛腿厚8 mm，寬6 mm，高22 cm。試驗擋土板為木板，尺寸為5 cm×5.5 cm×0.3 cm。樁板墻具體布設如圖6所示。

在模型中埋置監測元件電阻應變片、位移傳感器、土壓力盒等，具體布設方案如圖7、圖8所示。試驗加載采取堆載方式，在滑坡頂部分5級施加豎向荷載，每級5 kPa；滑坡頂部受力面積為42 cm×18 cm，因此每級加載重量為37.8 kg。通過施加荷載，由實驗數據采集系統采集試驗數據，研究樁板墻整體結構變化情況及對邊坡的加固效果。

2.2 測試結果分析

（1）樁后土壓力、板側土壓力。抗滑樁樁后土壓力變化如圖9，隨著荷載的增加，滑動面以上樁后土壓力也逐漸增大，滑動面以下抗滑樁樁后部分由于所受滑坡推力不斷增大，樁頂與坡體逐漸發生脫離，致使下部樁后部分土壓力增加變緩。擋土板各測點土壓力變化如圖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，中間大兩頭小；但由于測點布設有限，未能測出擋土板上土壓力的具體分布形式，有待進一步探討。

（2）樁頂位移、樁身彎矩。樁頂位移試驗結果如圖11，隨著荷載的增加，樁頂位移逐漸增大；通過應變片的應變值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構受力分析

由于室內試驗組數有限，采用flac增加虛擬工況，進一步分析試驗模型中樁板墻中板的加固作用、樁板墻結構的墻背土壓力大小及分布形式。

根據室內試驗模型建立數值模型，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48 cm，兩側牛腿厚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擋土板為研究對象，加載方式同室內試驗。

（1）擋土板土壓力變化。擋土板的土壓力計算結果見圖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，隨著荷載增加，樁板墻結構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。不考慮板承擔滑坡推力時，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，抗滑樁所受滑坡推力明顯增大，荷載峰值向下移動，分布形式有一定變化，進一步證明擋土板分擔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系，加載量越大，樁頂的擾度越大。不考慮板作用時，樁頂位移（圖17）也呈線性分布，且比有板時變化加劇。

3 設計參數變化對樁板墻結構受力影響

樁板墻結構設計參數不同，對其結構受力影響不同。在現場監測和室內模型試驗基礎上，采用Flac3D繼續分析樁距、擋土板材料強度等設計參數對其結構內力的影響。

建立現場樁板墻加固邊坡模型，樁板墻結構采用實體單元，模型計算參數、強度準則同1.2節。在樁板墻設計中，樁間距一般為4～8 m，具體計算模型如圖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，邊坡安全系數、滑坡推力、樁身位移、樁身應力以及坡面位移等變化情況。

當采用不同的樁間距加固邊坡時（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，樁后緊鄰坡面均產生了一定的滑動，滑動最大值分別為1.75 cm、3.6 cm、5.5 cm、6.6 cm、8.5 cm，說明擋土板結構對土體下滑有一定支擋作用。隨著樁間距增大，邊坡安全系數逐漸減小，但均大于1.25，說明在此樁間距范圍內邊坡處于穩定狀態。

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時推力大小和樁身位移（圖23）均變化不大；間距為8 m時樁頂位移最大，達到13.494 mm。

3.2 不同鋼筋混凝土強度等級擋土板影響分析

樁—板的相對剛度EI對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度等級，即改變擋土板的彈性模量，探討擋土板鋼筋混凝土強度等級對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度等級為C35，彈性模量為31.5 GPa，泊松比為0.2，樁間距為5 m，分別計算擋土板強度等級為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55以及無擋土板作用下，邊坡安全系數、樁身位移、樁身應力變化以及樁后緊鄰坡面位移的變化情況計算結果見圖24。

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

4結論

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

（2）樁板墻結構中，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，抗滑樁所受滑坡推力明顯增大，荷載峰值向下移動，分布形式有一定的變化，證明擋土板分擔了部分抗滑樁所受的滑坡推力；且樁頂位移比有板時大，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時樁頂位移最大為13.494 mm。樁間距較小時，樁身受力、變形以及滑坡變形均較小，樁身結構安全儲備大；樁間距較大時，樁身強度能夠承受相應的推力，但樁間會產生土體滑出現象。工程中設計樁間距時，可在5～7 m之間結合其他因素進行進一步優化。

（5）對該邊坡，擋土板強度對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，設計時需按照規定強度進行。抗滑樁之間不設置擋土板時，邊坡安全系數為1.28，也能達到整體穩定要求，但由于抗滑樁結構為懸臂樁結構，樁間距較大，樁間土體易從樁間滑出，因此有必要設計一定強度的擋土板，并對板進行優化設計。