旋喷桩加固桩板墙桩前软弱地基模型试验

李丹峰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

桩板墙是一种常见的岩土工程支护结构，被广泛应用于基坑边坡、路基边坡的加固工程，被称为治理滑坡灾害的“重型武器”。近年来，随着中国铁路路网密度逐年增加，铁路穿越软弱黄土地区所面临的技术问题日益突出，引起越来越多的学者和工程技术人员的重视。李寻昌等通过模型试验分析了抗滑桩与岩土体间相互作用力的分布规律[1-2]；刘洪佳等对抗滑桩加固的滑坡进行了试验研究，分析了滑坡的破坏模式、桩身应变及桩周土压力的变化规律，为抗滑桩的设计提供了试验基础[3-6]。黄治云等通过模型试验，揭示了桩板墙背侧土拱效应与荷载分配之间的联系[7]；刘国楠等通过建立1∶7的边坡模型探讨衡重式桩板挡墙结构的土压力分布模式[8]；倪号叶等基于强度折减法对桩板墙加固边坡的方案进行分析[9]；罗渝等根据多块体滑移理论，提出了一种新的分析桩板墙结构稳定性的方法[10]。可以看出，前期学者主要对抗滑桩的的极限承载力以及土压力分布规律进行系统研究，但对加固后桩板墙复合地基桩土相互作用机理的研究较少。

旋喷桩具有施工便捷、成桩率高及成本较低等优点，在淤泥、粉土和黄土等软弱地基加固中被广泛应用[11-13]。鉴于黄土地基特点，尝试采用旋喷桩对桩前地基进行加固，以提高桩前黄土嵌固段地层的侧向承载力。以下依托蒙华铁路工程开展旋喷桩加固桩板墙桩前地基模型试验，对不同桩长下桩板墙桩身弯矩、桩顶水平位移及土压力的变化规律进行研究，并探讨旋喷桩加固桩板墙墙前地基的合理深度。

2 桩板墙模型试验概况

2.1 工程背景

蒙华铁路三门峡段某区间采用桩板墙进行边坡防护，桩板墙锚固桩为2.0 m×3.0 m的矩形截面，桩长24 m(悬臂8 m)，桩间距5 m。由工程地质勘探资料可知，该区域普遍分布有一定厚度的新黄土，土质较均匀、结构松散且具有显著的湿陷性和软弱性，岩土体强度较低。因此，大量边坡需要桩板墙进行边坡防护[14-15]。

2.2 试验准备

为获取合理的施工参数，设计了仿真模拟试验。试验在1.5 m×1.5 m×1.3 m(长×宽×高)的模型箱内进行，模型箱主要由钢面板组成，通过高强螺栓将各面板按预留槽位固定。采用方形钢管和木板模拟桩板墙，采用PVC管内灌注石膏来模拟旋喷桩(石膏∶水=2.5∶1)。模型材料填筑前，为减小箱体内表面与模型材料间的边界摩擦效应，在模型箱内壁上均匀涂抹一定厚度的润滑油。选取性质均匀的新黄土进行分层填筑，其黏聚力为35 kPa，内摩擦角约为25°，重度为18.5 kN/m3，按照预定的压实度进行分层填筑，每层填筑200 mm，每层填筑完成后夯实均匀铺平，再准备下一层的填筑。

本次试验中，按照1∶20的比例对桩板墙工点进行等比例缩放，共埋设5根抗滑桩的模型桩，桩板墙的抗滑桩采用15 cm×10 cm×120 cm(长×宽×高)的方形钢管，其中悬臂段长0.4 m，锚固段长0.8 m，桩间距为0.5 m，边桩与模型箱边界的距离为20 cm；挡土板采用1.5 m×0.4 m(长×宽)的木板，模型布置如图1、图2所示。试验过程中，将旋喷桩挤压于桩板墙桩前地基土内，以模拟桩板墙桩身受力及周边土压力传递。旋喷桩桩径为3 cm，桩长分别为15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm，桩间距6 cm。

图1 模型剖面(单位：mm)

图2 模型俯视(单位：mm)

2.3 试验测试

试验采用LY-350应变式微型土压力盒、BFH120-3AA电阻应变片和百分表采集桩身内力、桩顶位移、桩前地基土压力的变化。在桩板墙的桩身前后等间距粘贴应变片，并通过NI9237动态应变仪采集桩身应变数据，如图3(左)所示；在桩板墙桩身的前后沿桩长对称布设土压力盒，如图3(右)所示，土压力的采集选用XL2101A24静态电阻应变仪和DH3816应变测量系统；在桩的顶部布设百分表监测位移。通过液压千斤顶对填土后侧的推土板施加水平荷载以产生不同大小的水平推力。推土板为厚10 mm的钢板，在推土板和千斤顶中间添加10 mm厚的钢板以分散千斤顶的集中荷载。土体后部的钢板上粘贴LY-350型土压力盒以实时监测千斤顶施加荷载的大小，每级水平推力荷载设为500 N，分10级加载。在每级荷载施加之后，均保持荷载恒定(5 min左右)，待上一级荷载作用下桩板墙的桩顶位移稳定后，方可进行下一级荷载的施加。

图3 应变片和土压力布置

3 试验结果分析

3.1 旋喷桩桩长的影响

为研究不同桩长旋喷桩加固对桩板墙的桩身承载力和桩体位移的影响，选择旋喷桩桩间距为6 cm，桩长分别为15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm共5种工况，对桩体变形进行对比分析。

图4 桩顶水平位移测试曲线

图4为桩板墙的桩顶位移随桩长增加的变化曲线。以桩长75 cm的旋喷桩为例，桩板墙的桩顶位移随着横向荷载的增加分别增长了2.03 mm、2.23 mm、2.65 mm、3.44 mm、6.02 mm，故桩板墙桩顶位移随横向荷载的增加逐渐增大。在加载过程中，桩板墙的桩顶位移随旋喷桩桩长的增加逐渐减小。加载完毕后，在桩前地基土未加固时，桩顶位移为19.58 mm；随着旋喷桩桩长的逐渐增加，桩顶位移分别降低了16.93%、20.02%、23.69%、25.23%、25.62%，减小趋势逐渐减缓。因此，采用旋喷桩进行加固，可以在一定程度上减小桩板墙的桩顶位移。

图5 桩后土压力变化曲线

图5为桩后土压力变化曲线。由图5可知，桩后土压力随旋喷桩桩长的增加而增大，且主要集中在滑面以上的悬臂段部分。桩后埋深0.3 m处的土压力变化最为明显：在桩前地基未采用旋喷桩加固时，土压力为98.11 kPa；从未加固到加固深度为150 mm、300 mm时，桩后土压力增长率分别为21.46%、20.78%；从300 mm增加到450 mm、600 mm时，土压力分别提高了16.19%、14.21%；从600 mm增加到750 mm时，土压力变化仅为8.79%。嵌固段的土压力并未随桩长的增长发生明显变化。

图6为桩前土压力变化曲线。由图6可知，桩前土压力沿嵌固段向下逐渐减小，在横向荷载作用下，桩前埋深2 cm处土压力变化较大，随着旋喷桩桩长的增加，该测点的桩前土压力值分别提高了12.54%、19.38%、22.47%、25.51%、24.17%。由此不难发现，桩前土压力随旋喷桩桩长的增加逐渐增大，但增幅较小；桩前嵌固段的中下部的土压力值并无较大的变化。因此，桩身水平承载力主要是由嵌固段浅层一定范围内的土体控制。

图6 桩前土压力变化曲线

图7 桩板墙桩身弯矩变化曲线

图7为桩板墙桩身弯矩随旋喷桩桩长改变的分布情况。桩板墙的桩身稳定性主要由嵌固段的嵌固作用和受荷段桩体抗力维持，因桩板墙的嵌固段较深，滑面以下主要受桩前抗力和桩底土体抗力，滑面以上主要为滑坡推力。因此，其弯矩分布为桩顶为0，滑面附近处达最大值。当旋喷桩桩长由15 cm增加到45 cm时，桩板墙桩身弯矩增幅较大(提高了27.8%)，随着旋喷桩桩长增加到75 cm，桩身弯矩变化幅值较小(仅提高了4.17%)。测试结果表明，增加旋喷桩桩长可有效提高其水平承载力，对增强边坡稳定性效果较明显。综上所述，旋喷桩的桩长一般不宜过长，当旋喷桩的加固深度超过桩板墙嵌固段长度的75%时，继续增加旋喷桩长度对控制桩身水平变形的作用很小。

3.2 桩前土压力对比分析

为研究桩板墙在桩前地基加固前及加固后2种条件下，横向荷载的变化对桩板墙桩身承载力的影响，选择桩长为45 cm、桩间距为6 cm的旋喷桩对桩板墙桩前地基土进行加固，对桩体变形进行对比分析。

图8 C桩桩前压力变化曲线

图8为C桩的桩前土压力的变化曲线。由图8可得，当桩前地基未进行加固时，桩前土压力呈中间大两侧小的三角分布，土压力变化主要集中于滑面以下30 cm处；桩前土压力随着横向荷载的增加逐渐变大，当横向荷载一定时，桩前土压力沿桩身先增大后减小，桩前土压力在埋深30 cm处达到最大值后向下迅速递减。这是由于抗滑桩在横向荷载作用下桩体挤压桩前土体发生转动，桩底与桩前下部土体随着荷载的增加逐渐分离，土压力随荷载的增加逐渐减小。采用旋喷桩对桩前地基进行加固后，桩板墙桩前地基的中上部所承受的土压力增大，主要表现为位于桩前埋深18 cm位置处的土压力有较为明显的变化，如图8(b)所示，采用旋喷桩加固桩前地基提升了桩前地基的侧向刚度。测试结果表明，随着横向荷载的增加，10～30 cm范围内的土压力变化较大，地表土压力值变化较小，桩身水平承载力主要由嵌固段浅层一定范围内的土体控制，旋喷桩加固对提高桩前嵌固段中上部复合地基的地基侧向抗力尤为关键。

图9为C桩的桩后土压力与横向荷载的变化关系曲线。由图9可知，桩前地基加固前，桩后土压力随着横向荷载的增加而增大，并且桩前地基加固后，该位置的桩后土压力提升明显，尤其是埋深30 cm处的土压力，桩后土压力在最后一级横向荷载(5 kN)施加后，相较于加固前提高了35.81%。测试结果表明，桩前地基的加固提高了桩前地基水平承载力，并在一定程度上增强了桩板墙桩体本身的抗倾覆能力，更好地发挥了桩板墙的抗弯承载特性。C桩桩后埋深为0.42 m处的土压力随着横向荷载的增加逐渐减小，这是由于桩板墙桩身在桩后横向荷载和桩前土体抗力的共同作用下发生了一定的位移变形，滑面以下的桩体与桩后土在横向荷载作用下产生一定的侧移及转动，受桩土相对位移影响，在桩转动中心附近逐渐形成一定范围的脱空区，造成脱空区范围内的桩后土压力较小；C桩桩后埋深为1.14 m的土压力随着横向荷载的增加逐渐变大，这是由于桩板墙整体绕桩底产生一定程度的转动，致使桩底部与桩后土产生显著的挤压变形，故桩底附近桩后受到的土压力较大。

图9 C桩桩后压力变化曲线

4 结论

(1)模型试验测试结果表明，采用旋喷桩加固桩前地基有效地改变了桩板墙的受力状态，提高了桩前地基水平承载力，使桩板墙可承受较大的桩前土推力，更好地发挥桩板墙的抗弯承载特性。

(2)旋喷桩的桩长一般不宜超过桩板墙嵌固段的75%，因为过长的桩体增加了工程投资，但对桩板墙的加固效果极为有限。

(3)由桩前土压力的分布曲线可知，桩前土体抗力随着荷载的增加不断增大，桩身水平承载力主要由嵌固段浅层一定范围内的土体控制，故旋喷桩加固对提高桩前嵌固段中上部复合地基的地基侧向抗力尤为关键。

(4)在试验过程中，模型桩在横向荷载作用下与其桩后嵌固段的土体发生分离现象，形成一定程度的脱空区。因此，嵌固段的桩体受到的土体抗力较小，桩板墙整体绕桩底产生一定程度的转动，致使桩底部与桩后土产生显著的挤压变形，故桩底附近桩后受到的土压力较大。