段瑞凱，趙天雨，楊果林，李琪煥，林 超

(1.中鐵九局集團第一建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215538； 2.中南大學土木工程學院，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]、化學改良[3]等，膨脹土邊坡防護方法則有樁板墻、錨索框架梁支護、EPS板擋墻、土工袋擋墻[1,4-5]等。樁板墻結(jié)構(gòu)因力學性能可靠、圬工量小等優(yōu)勢而廣泛用于膨脹土高邊坡支擋防護[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結(jié)構(gòu)力學效應(yīng)進行研究，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]通過對預應(yīng)力錨索樁板墻結(jié)構(gòu)進行原位測試，對其受力特性和樁間土拱效應(yīng)進行研究。朱彥鵬等[11]通過對高填方邊坡樁板墻支護工程進行現(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)力與變形特性進行研究，提出可供參考的邊坡支護結(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下的支護特性與破壞原因進行研究。

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膨脹土邊坡的力學特性或設(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、框架內(nèi)灌草護坡，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坡、框架內(nèi)灌草護坡的方式進行支護。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)場工程進度與設(shè)計方案，將元器件進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)測指標包括抗滑樁后及樁間板后土壓力、樁后土壤濕度?？赏ㄟ^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[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)劇烈而導致土壤濕度持續(xù)變化?？蓪⒈O(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行分級支護能有效分散土壓力，減弱因膨脹土脹縮特性而導致的土壓力變化。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狀態(tài)，雙排樁板墻用于工程防護具有很好效果。

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?？芍獪\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行監(jiān)測來預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狀態(tài)。

3)雙排樁板墻上、下排支護結(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。