膨脹土高邊坡雙排樁板墻土壓力試驗研究*

段瑞凱，趙天雨，楊果林，李琪煥，林 超

(1.中鐵九局集團(tuán)第一建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215538； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引言

膨脹土在我國云桂地區(qū)廣泛分布，因其較高含量的蒙脫石與伊利石而表現(xiàn)出強烈的脹縮性，屬一類典型的工程災(zāi)害土[1]。關(guān)于膨脹土的常規(guī)處置方法有物理改良[2]、化學(xué)改良[3]等，膨脹土邊坡防護(hù)方法則有樁板墻、錨索框架梁支護(hù)、EPS板擋墻、土工袋擋墻[1,4-5]等。樁板墻結(jié)構(gòu)因力學(xué)性能可靠、圬工量小等優(yōu)勢而廣泛用于膨脹土高邊坡支擋防護(hù)[5]。

杜兆萌等[6]將多種邊坡穩(wěn)定性計算方法用于抗滑樁加固膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析，指出采用Fellenius法計算可得到更為安全的抗滑樁布置方式。Cheng等[7]基于極限分析法對膨脹土樁錨防護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。趙曉彥等[8]則給出抗滑樁+錨索支護(hù)組合式支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。林宇亮等[9]通過分析已有膨脹土樁板墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測與模型試驗結(jié)果，總結(jié)概括膨脹土邊坡樁板結(jié)構(gòu)所受水平膨脹力分布規(guī)律。孫書偉等[10]通過對預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位測試，對其受力特性和樁間土拱效應(yīng)進(jìn)行研究。朱彥鵬等[11]通過對高填方邊坡樁板墻支護(hù)工程進(jìn)行現(xiàn)場自動監(jiān)測以分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)與變形機制。蒲建軍等[12]以模型試驗的方式對樁板墻加固邊坡的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特性進(jìn)行研究，提出可供參考的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)選取方法。汪鵬福[13]建立膨脹土邊坡樁板墻結(jié)構(gòu)有限元模型并將其受力結(jié)果與理論值和實測值進(jìn)行對比驗證，Pei等[14]、Wu等[15]則利用數(shù)值分析方法對膨脹土邊坡樁板墻支護(hù)下的支護(hù)特性與破壞原因進(jìn)行研究。

綜上所述，關(guān)于樁板墻結(jié)構(gòu)用于膨脹土邊坡工程支護(hù)已有大量研究，涵蓋設(shè)計方法、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗、數(shù)值模擬等多方面。但現(xiàn)有研究多聚焦于單排樁板墻支護(hù)膨脹土邊坡的力學(xué)特性或設(shè)計方法優(yōu)化。關(guān)于雙排樁板墻用以膨脹土高邊坡分級支護(hù)下的土壓力實測分析仍鮮有研究。因此，以某高速鐵路膨脹土高邊坡雙排樁板墻結(jié)構(gòu)工程為例，監(jiān)測雙排樁板墻樁間板后土壓力及土體濕度的變化，分析雙排樁板墻后土壓力分布與變化規(guī)律。研究結(jié)果可為膨脹土工程防護(hù)的設(shè)計與施工提供一定參考。

1 工程概況與試驗方案

1.1 工程概況

試驗段為已建成某高速鐵路DK158+060—DK158+200段雙排樁板墻防護(hù)工程，位于廣西壯族自治區(qū)百色市田東縣，該地區(qū)膨脹土有大量分布。該防護(hù)工程由上、下2排樁板墻結(jié)構(gòu)組成。上排樁為121號樁(DK158+200)，樁高20m，截面尺寸為2.75m×2.5m；下排樁為45號樁(DK158+200)，樁高17m，截面尺寸為2.5m×2.5m。上排樁間板為120～121號樁樁間板，下排樁間板為44～45號樁樁間板。雙排樁懸臂段長度均為5.5m，樁間板高5.5m。邊坡為三級邊坡，坡率均為1∶2，底層和第2層高度為6m，平臺寬度為3.0m。第一級邊坡采用錨索框架梁支護(hù)、框架內(nèi)灌草護(hù)坡，錨索按與水平面夾角20°施作，錨索設(shè)計自由段長10～13m、錨固段長10m。錨索設(shè)計張拉力650kN。第二級和第三級邊坡采用錨桿框架梁護(hù)坡、框架內(nèi)灌草護(hù)坡的方式進(jìn)行支護(hù)。錨桿由單根φ32 HRB400螺紋鋼筋制成，長7～11m，鉆孔直徑為110mm，與水平面呈24°夾角施作。

地質(zhì)勘察報告結(jié)果表明，試驗場地表層覆蓋棕紅、棕黃色夾灰白色硬塑狀弱膨脹土，下伏基巖為深厚易崩解泥質(zhì)膠結(jié)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、褐煤。地下水淺層分布，且補給方式包括第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，各層土性參數(shù)如表1所示。

圖1 雙排樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位：m)

表1 地層參數(shù)

1.2 試驗方案

根據(jù)現(xiàn)場工程進(jìn)度與設(shè)計方案，將元器件進(jìn)行布置并開展長期人工監(jiān)測。監(jiān)測時間為明顯降雨后2d內(nèi)并根據(jù)現(xiàn)場情況酌情開展。監(jiān)測指標(biāo)包括抗滑樁后及樁間板后土壓力、樁后土壤濕度。可通過對試驗段樁及樁間板后土壓力、樁后土壤濕度的觀測，分析樁板墻結(jié)構(gòu)長期服役下的土壓力變化規(guī)律和濕度的影響。

傳感器布置方位如圖2所示。傳感器均采購于長沙金碼測控公司，傳感器類型、數(shù)量等參數(shù)如表2所示。

圖2 傳感器布置(單位：m)

表2 傳感器型號參數(shù)

2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 降雨與土體濕度分析

降雨導(dǎo)致邊坡土體濕度發(fā)生變化，改變邊坡應(yīng)力、應(yīng)變場，是引發(fā)滑坡等工程災(zāi)害的重要原因之一。膨脹土因含水率的變化而產(chǎn)生脹縮變形并激發(fā)膨脹力，膨脹土工程邊坡防護(hù)中的關(guān)鍵問題在于對土體中含水率的控制。通過對樁板墻后土體含水率進(jìn)行長期監(jiān)測，可為下文分析土壓力變化規(guī)律提供一定參考[5,13]。

由該地區(qū)該年度月平均降雨量分布圖(見圖3)與文獻(xiàn)[16]可知，試驗段所在地區(qū)雨水充沛，全年均有降水，但6—8月降水占全年降水的大部分，且該時段雨熱同期，干濕循環(huán)劇烈而導(dǎo)致土壤濕度持續(xù)變化。可將監(jiān)測期分為雨季(6—8月)和非雨季(9—11月)。

圖3 月平均降雨量

雙排樁后不同深度處土壤濕度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著雨季到來，土體濕度隨之增大，尤以表層埋深1m處變化最為劇烈，而埋深2m處濕度遠(yuǎn)小于埋深3，4m處濕度，可能是受地下水活動影響的緣故。但埋深2m處濕度變化趨勢同1m處較接近，說明該處受降雨作用影響較明顯，也在一定程度上驗證了膨脹土地區(qū)大氣影響深度在 0～2.5m 的結(jié)論[17]。與上排樁相比，下排樁表層(1～2m) 土壤濕度略大于上排樁表層(1～2m)土壤濕度，但整體變化趨勢及幅度均與之類似，說明2處地質(zhì)條件及工程支護(hù)情況較類似。

圖4 雙排樁后土體濕度變化曲線

2.2 樁后土壓力分布

雙排樁后土壓力隨時間變化曲線如圖5 所示。由圖5可知，由于降雨、高溫等氣象因素的影響，樁后土壓力處于動態(tài)變動過程中。將各埋深下的樁后土壓力進(jìn)行對比可知，埋深1m處的樁后土壓力變化最劇烈，這可能與其處于土體淺層，易受大氣環(huán)境影響有關(guān)，且其變化趨勢均為在雨季內(nèi)保持增長態(tài)勢，雨季過后變化趨緩，基本保持不變。上排樁后土壓力增量達(dá)5kPa，而下排樁后土壓力增量為8kPa。整體而言，土壓力變化趨勢均較類似，即在雨季內(nèi)先增大后趨于穩(wěn)定。隨著深度的增加(自埋深1～3m)，樁后土壓力變化幅度及頻次均表現(xiàn)為降低態(tài)勢。埋深4，5m處樁后土壓力變化較劇烈，可能是因該處有地下水分布影響，且該處土壓力增長有滯后性。下排樁埋深為5m處樁后土壓力變化也較明顯，可能是該處位于分級邊坡平臺處，受到下級平臺積水的影響。

圖5 雙排樁后土壓力隨時間變化曲線

為探究樁后土壓力沿深度方向的變化規(guī)律，可對樁后平均土壓力沿深度方向變化形式進(jìn)行研究。由圖 6可知，樁后土壓力大致表現(xiàn)為K形分布。埋深1m處土壓力較大，可能是由于此處為地表淺層，受大氣降雨影響，且干濕循環(huán)劇烈，產(chǎn)生較大膨脹力。埋深2m處土壓力小于埋深1，3m處土壓力，與濕度沿深度變化規(guī)律一致，說明土壓力與該處土壤濕度有關(guān)。將上、下排樁沿深度分布的平均土壓力進(jìn)行對比可知，2處土壓力分布及變化規(guī)律均較接近，說明該處土壓力分布具有一致性。與下排樁相比，上排樁埋深為5m處的土壓力明顯增大，說明對膨脹土高邊坡進(jìn)行分級支護(hù)能有效分散土壓力，減弱因膨脹土脹縮特性而導(dǎo)致的土壓力變化。與靜止土壓力相比，僅有埋深1m處的樁后土壓力大于靜止土壓力，表明樁后土體處于主動力學(xué)狀態(tài)，雙排樁板墻用于工程防護(hù)具有很好效果。

圖6 雙排樁后土壓力沿深度方向分布曲線

2.3 板后土壓力分布

樁間板承載了相鄰抗滑樁樁體范圍外的土壓力，是樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的重要組成部分。對樁間板后實測土壓力進(jìn)行規(guī)律總結(jié)與分析，有助于樁板墻結(jié)構(gòu)整體受力分析。

樁間板后土壓力沿深度方向分布曲線如圖7所示。由于在元器件埋設(shè)與監(jiān)測過程中出現(xiàn)故障，導(dǎo)致上排樁間板埋深3m處土壓力數(shù)據(jù)異常及缺失，故應(yīng)舍去該處土壓力。整體上，與樁后土壓力分布規(guī)律類似，樁間板后土壓力也呈現(xiàn)兩端大、中間小的趨勢，故可用K形分布來表征樁間板后土壓力分布趨勢。①分析上排樁間板后土壓力變化趨勢可知，埋深為1，2m時，8月1日監(jiān)測得到的板后土壓力較大，11月5日監(jiān)測到的板后土壓力最小。可知淺層土體板后土壓力變化規(guī)律與土壤濕度變化類似，均為土壓力在雨季內(nèi)增大，雨季結(jié)束后降低。②下排樁間板后土壓力在3m處的變化規(guī)律為雨季結(jié)束增大。11月5日監(jiān)測到的土壓力最大。其可能原因為膨脹土遇水膨脹而膨脹力增大，失水收縮后但膨脹力不能完全消減，膨脹力累積而不斷增大。且埋深3m處在11月5日監(jiān)測時有小幅增長，濕度處于動態(tài)變動中并處于較高水平致使膨脹力增大。埋深為3～5m時，板后土壓力隨深度增大而增大，符合土壓力增長的一般趨勢。與上排樁間板后土壓力相比，下排樁間板后土壓力整體略大。

圖7 雙排樁間板后土壓力沿深度方向分布曲線

2.4 樁后、板后土壓力相關(guān)性分析

樁后、板后平均土壓力相關(guān)性分析如圖8所示，計算方法依據(jù)Pearson理論。

圖8 樁后、板后平均土壓力相關(guān)性分析

上、下排樁后土壓力相關(guān)性系數(shù)較大，與其類似的是，上、下排樁間板后土壓力間也呈現(xiàn)出一定程度的相關(guān)性，說明雙排樁板墻間在所受外力特性較類似的前提下，上、下排樁及樁間板后土壓力間存在一定相關(guān)性。樁和相鄰樁間板后土壓力間也存在一定相關(guān)性，但其相關(guān)性明顯弱于樁與樁間板后土壓力相關(guān)性。這說明在雙排樁板墻長期監(jiān)測中，可對某一樁或樁間板后土壓力進(jìn)行監(jiān)測來預(yù)測另一排樁或樁間板后土壓力。

3 結(jié)語

1)樁及樁間板后土壓力與樁后土體濕度密切相關(guān)。其中，樁頂以下1～2m處樁及樁間板后土壓力受降雨的影響顯著。

2)上、下排樁和樁間板后土壓力分布形式可用K形來概括。樁后土壓力基本小于所對應(yīng)的靜止土壓力，表明樁后土體處于主動力學(xué)狀態(tài)。

3)雙排樁板墻上、下排支護(hù)結(jié)構(gòu)所受土壓力具有明顯相關(guān)性，可通過某一排樁或樁間板后土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)以判別另一排樁或樁間板后土壓力的變化趨勢。