膨胀土路堑边坡桩板墙现场试验研究*

李兴瑷，贾刚龙，杨果林，邓志宏，汪鹏福

(1.中铁九局集团有限公司，辽宁 沈阳 110013； 2.中铁九局集团第一建设有限公司，江苏 苏州 215538；3.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

桩板墙是抗滑桩在实际工程应用中逐渐发展而形成的新型支挡结构，自20世纪70年代成功应用于枝柳铁路路堑边坡后，迅速发展并得到广泛应用[1-2]。目前，众多学者从不同方面对桩板墙开展研究。徐乾等[3-4]提出了桩板墙结构损伤及稳定性预警方法，并通过算例验证该方法有效性；张成武等[5]推导了考虑滑坡推力的挡土板后土压力计算公式，计算结果能较好地反映实际土压力；黄治云等[6]通过开展室内模型试验，发现桩间距、挡土板刚度及挂板方式对土拱效应的发挥存在显著影响；豆红强等[7]基于相似原理进行模型试验，获得了桩间无挡板、桩前挂板及桩后挂板3种工况下土压力分布规律；杨明等[8]结合离心模型试验和数值模拟结果，提出了桩间距优化方法；赵明华等[9]根据土拱静力平衡及强度条件，得到了合理桩间距计算方法；刘力生等[10]对土拱的合理拱轴线进行假定，通过建立微分方程计算挡土板后土压力。以上研究较好地揭示了桩板墙承载特性，但多数集中于非膨胀土地区，且多为理论分析和模型试验方面，而膨胀土地区桩板墙现场试验研究鲜有报道，实测数据较少，因此需对其开展研究。

1 工程概况

某高速铁路位于我国西南地区，是联系云南与广西的交通要道。云南与广西膨胀土分布广泛，经过膨胀土地区的线路长为129.7km，约占线路总长的18.3%，其中因挖方而出现的膨胀土路堑边坡共144处，长约29.5km。

在该高速铁路DK200+530—DK200+610段，由于开挖而形成路堑边坡，为确保线路在建设及运营期间安全，设置桩板墙对该路堑边坡进行支挡与加固。为获得膨胀土路堑边坡桩板墙后土体含水率、土压力、抗滑桩及挡土板弯矩分布规律，选取7号桩及7～8号桩桩间板开展现场试验研究。

1.1 桩板墙设计

该桩板墙位于线路右侧，共布置12根抗滑桩(见图1)，桩长为13～19m；桩间布置挡土板，高度为3～5.5m，挡土板后布置砂石反滤层。抗滑桩中心间距为6m，桩身采用C40混凝土进行浇筑；7号桩设计桩长为19m，横截面尺寸为2.0m×1.5m，为方便桩前置板，抗滑桩悬臂段设置为T形截面，如图2所示。桩间挡土板由预制甲型挡土板(4.4m×0.5m×0.4m)组成，采用C40混凝土浇筑，7～8号桩桩间挡土板高度为5.5m。

图1 桩板墙布置及地层分布

图2 桩板墙横截面尺寸(单位：cm)

1.2 工程地质条件

根据地质勘探结果，该桩板墙处地层分布如图1所示。表层覆盖少量黄褐色膨胀土，裂隙较发育，具有中～强膨胀性；下方为深厚泥岩夹泥质粉砂岩及褐煤地层，具有中～强膨胀性。地下水水位较低，主要为基岩裂隙水、孔隙水及岩溶水。

结合地质勘察报告结果，通过现场原位试验并取样进行室内土工试验，最终确定场地内各土层物理力学参数，如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

2 监测系统

2.1 传感器布置

为获取桩板墙后土体含水率及土压力分布规律，在墙后土体中布置了土壤湿度计和弦式土压力盒，其中，7号桩后侧沿深度方向等间距埋设了振弦式土压力盒，7～8号桩桩间挡土板后侧中线处沿深度方向等间距埋设了振弦式土压力盒和土壤湿度计，并在底部挡土板后侧沿水平方向等间距埋设了振弦式土压力盒；为获得抗滑桩、挡土板内力变化规律，在抗滑桩及底部挡土板前、后两侧钢筋上安装埋入型振弦式应变计。传感器布置如图3所示。

图3 传感器布置(单位：cm)

2.2 监测方案

膨胀土具有显著的“吸水膨胀，失水收缩”的特点。若膨胀土含水率与普通土并无显著差异，也不会对桩板墙产生水平膨胀力。鉴于此，若无特殊工况，在降雨停止后1d测量相关数据。为确保数据的准确性，进行长时间连续监测。

3 试验结果分析

3.1 桩板墙后土体含水率

试验所用土壤湿度计型号为FDS-100，其可测量传感器周围一定范围内土体体积含水率，将所测得的体积含水率除以土体干密度，即可得到墙后土体质量含水率(以下简称“含水率”)，结果如图4所示。

图4 桩板墙后土体含水率

由图4可知，相对于埋深3，4m，表层埋深1，2m处土体含水率较大，且随降雨入渗而产生明显变化。如图5所示，桩板墙墙顶平台处用于隔水封闭的砂浆层存在初始裂缝，使其隔水效果降低，降雨后雨水通过裂缝向下渗流，造成下方膨胀土吸水膨胀，并在炎热环境下失水收缩，导致砂浆层裂缝逐渐发育，入渗量增大，促进了膨胀土胀缩变形的发展；同时，由于表层膨胀土吸水膨胀后会挤压周围裂隙，使渗流通道减少，导致土体渗透系数降低，故埋深3，4m处土体含水率变化幅度较小。

图5 桩板墙墙顶平台开裂

3.2 桩板墙后土压力

3.2.1抗滑桩后土压力

7号桩后土体在不同时间实测水平土压力沿深度方向分布曲线如图6所示。

图6 桩后实测水平土压力沿深度方向分布曲线

由图6可知，桩后实测水平土压力沿深度方向大致呈K形分布，呈现出“上下较大、中部较小”的特点。这是因为上部膨胀土含水率随降雨入渗而增大，并发生膨胀变形，抗滑桩限制膨胀土膨胀变形从而受到膨胀力作用，这使抗滑桩后土压力盒读数增大；中部膨胀土含水率变化较小，故该处实测土压力与莫尔-库仑主动土压力计算结果大致相等；埋深5～6m处，由于降雨渗入，实测土压力大于莫尔-库仑主动土压力计算结果，原因为桩板墙墙趾平台处由于应力集中而产生轻微内凹并逐渐积水(见图7)，在墙后膨胀土的胀缩变形循环作用下，墙趾平台内凹处逐渐开裂，导致积水逐渐入渗，使墙趾处一定范围内土体膨胀并对结构产生较大的水平膨胀力。

图7 墙趾处内凹并开裂

3.2.2挡土板板后土压力

由图8可知，由于降雨入渗，板后土压力沿深度方向分布与桩后土压力分布相似，上部及下部挡土板后土压力较大，而中部挡土板后土压力较小；在水平方向，底板后土压力呈现“中间较小，两端较大”的U形分布。这是因为挡土板跨中变形较大，允许膨胀土释放一定的膨胀变形，从而使膨胀力减小；同时，土拱的产生(土拱效应)导致墙后土压力主要沿拱圈作用于抗滑桩及挡土板两端，而中间板体仅承受拱圈范围内土体产生的土压力。

图8 板后土压力

若不考虑膨胀力作用，结合TB 10025—2019《铁路路基支挡结构设计规范》,可根据莫尔-库仑理论计算桩板墙墙背土压力，则桩板墙所承受的水平膨胀力为实测土压力与莫尔-库仑主动土压力计算结果的差值。由图6，8可知，桩板墙所承受的最大水平膨胀力为60～70kPa；故在中～强膨胀性的膨胀土地区开展类似工程施工时，支挡结构所承受的水平膨胀力可按60～70kPa考虑。

3.3 桩板墙内力

通过在抗滑桩及挡土板钢筋上安装埋入型振弦式应变计，获取不同时间各监测截面处抗滑桩及挡土板应变，根据材料力学相关公式即可计算出各监测截面弯矩，如图9，10所示。

图9 抗滑桩弯矩

由图9可知，在各监测截面处，桩身弯矩均为正值，即桩身的弯曲状态并未发生改变；随着深度的增大，桩身弯矩逐渐增大，这与悬臂梁受力特性相吻合。若不考虑膨胀力作用，在距桩顶5m截面处，根据莫尔-库仑主动土压力所计算的弯矩约为 2 083kN·m， 而实际弯矩为2 901～4 663kN·m，增大幅度为39.3%～123.9%。因此，在桩板墙设计计算中应考虑膨胀力对结构内力的影响。

如图10所示，挡土板弯矩呈抛物线分布，板中部为正弯矩，而板端部出现较小负弯矩。这是因为实际工程中挡土板与抗滑桩桩身预埋件进行焊接连接，板端处存在约束并能承受一定弯矩；同时，挡土板弯矩沿水平方向呈非对称分布，最大正弯矩位于板中线右侧0.5m处，这是因为挡土板两端抗滑桩水平位移存在差异，导致挡土板后膨胀土所释放的膨胀变形不一致，从而使挡土板所受到的水平膨胀力并非均匀分布。

图10 挡土板弯矩

4 结语

1)由于桩板墙存在墙顶平台开裂、墙趾平台内凹等初始缺陷，随着降雨入渗，桩板墙受到膨胀力作用，抗滑桩和挡土板后实测土压力沿深度方向为K形分布，挡土板后土压力沿水平方向为U形分布。

2)抗滑桩悬臂段桩身弯矩随深度增大而逐渐增大，这与悬臂梁受力特性相似；挡土板中部存在较大正弯矩、端部存在较小负弯矩。

3)桩板墙后膨胀土产生的膨胀力对桩板墙内力影响较大，在设计计算时必须考虑膨胀力的影响；对于中～强膨胀性的膨胀土地区，支挡结构所受到的水平膨胀力为60～70kPa。在实际工程中宜加强防排水措施，避免桩板墙后土体含水率发生较大变化从而降低桩板墙所承受的膨胀力。