椅式樁板結(jié)構(gòu)變形破壞特征模型試驗(yàn)研究分析

姚裕春 魏永幸 李安洪

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

我國(guó)西南山區(qū)，地形艱險(xiǎn)、地質(zhì)復(fù)雜，修建鐵路要完全避免陡坡地形是困難的。特別是高速鐵路對(duì)線路平面上曲線半徑要求更大及縱坡要求更緩，遇到的復(fù)雜工程更多，如果采用大量的長(zhǎng)隧道通過(guò)，會(huì)造成工程投資巨大；如果采用橋梁替代陡坡路基工程，橋梁工程投資明顯大于路基工程，會(huì)出現(xiàn)大量陡邊坡上的基礎(chǔ)開(kāi)挖，施工難度大，橋墩受偏壓大，地形越陡，設(shè)計(jì)和施工出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題越明顯?？梢?jiàn)在山區(qū)修建鐵路無(wú)論線路平縱斷面如何進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化，也難以避免出現(xiàn)陡坡路基，隨著山區(qū)高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，陡坡路基數(shù)量越來(lái)越多，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅西南山區(qū)修建的貴廣、滬昆、云桂、成貴等六條高速鐵路就有近700多處陡坡路基工程，其中有數(shù)量不少的高填方直立邊坡車站。

隨著直立高邊坡路基越來(lái)越多，傳統(tǒng)的應(yīng)用于陡坡路基效果較好的支擋收坡加固結(jié)構(gòu)變得不適用或者工程投資巨大[1-2]。例如：樁基托梁結(jié)構(gòu)，隨著懸臂的增大，托梁上的擋土墻設(shè)置高度是受限的，并且施工困難；樁板墻結(jié)構(gòu)，懸臂增大后加固樁所受水平推力增大，造成加固樁樁長(zhǎng)及截面增大很多，結(jié)構(gòu)水平位移較難控制，加固樁施工風(fēng)險(xiǎn)大，工程投資高；此外，隨著陡坡路基懸臂的增大，加固結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的填筑土施工困難、填筑土差異沉降增大，對(duì)于高速鐵路來(lái)說(shuō)難以滿足對(duì)變形的要求。

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本文作者首次提出了一種兼有承重、阻滑及支擋功能的高懸臂陡坡椅式樁板結(jié)構(gòu)[3-7]，有效解決了陡坡高填路基存在的填筑體過(guò)大差異沉降、高懸臂支擋結(jié)構(gòu)水平變形控制困難、加固樁施工困難及風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)難題。由于陡坡高懸臂椅式樁板結(jié)構(gòu)是一種新型超靜定結(jié)構(gòu)，有必要揭示并掌握其變形和破壞特征，以利于該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用。

1 椅式樁板結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

開(kāi)展了2組軟質(zhì)巖邊坡室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)，試驗(yàn)相似比為1∶10。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖墙沂疽问綐栋褰Y(jié)構(gòu)的變形和破壞特征。模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為靜力彈性模型(椅式樁采用矩形鋼管模擬)和破壞模型(椅式樁采用鋼筋混凝土模擬)，如表1所示。模型試驗(yàn)中主樁樁長(zhǎng)為150 cm，副樁樁長(zhǎng)為75 cm，橫梁厚度6 cm，試驗(yàn)坡體50°傾角，沿線路縱向布置3跨椅式樁板結(jié)構(gòu)，樁間距6 m，如圖1所示。

表1 椅式樁模型試驗(yàn)分組表

圖1 模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

本模型試驗(yàn)涉及到椅式樁板結(jié)構(gòu)、巖土陡坡地基和路基填方。椅式樁板結(jié)構(gòu)模型材料分別選擇矩形鋼管和微骨料鋼筋混凝土進(jìn)行模型制作；承載板和擋土板遵守等效抗彎剛度理論和撓曲相似原則，選擇制作簡(jiǎn)易、裝拆方便、應(yīng)力應(yīng)變?nèi)菀诇y(cè)量的木板模擬；軟巖邊坡模型選用砂、土、石膏和水泥組成的混合料加水拌合而成進(jìn)行模擬；路基填料選用級(jí)配不良的中粗砂模擬。

1.3 測(cè)試元件的布置

椅式樁板結(jié)構(gòu)的橫梁底部未設(shè)置擋土板和填筑土，在橫梁上設(shè)置了承載板，測(cè)試元件布置，如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)測(cè)試元件位置布示意圖

2 椅式樁板結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)變形特征

軟巖邊坡椅式樁板結(jié)構(gòu)的水平位移隨填料荷載和路基面豎向荷載變化的曲線，如圖3～圖5所示。軟巖邊坡椅式樁板結(jié)構(gòu)分層填筑測(cè)試結(jié)果表明，椅式樁的變形規(guī)律可以劃分為2個(gè)階段：填筑初期，主樁的水平位移主要為作用于橫梁上部荷載間接引起的變形，填筑荷載主要由椅式樁承擔(dān)；隨著填筑高度的增加，主樁及擋土板的水平位移均逐漸增加，椅式樁逐漸與邊坡巖體一起共同承擔(dān)荷載的作用，主樁水平位移增長(zhǎng)速率逐漸地降低可以證明這一點(diǎn)。在填筑體路基面荷載的作用下，主樁和擋土板的水平位移隨著豎向加載應(yīng)力的增加表現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的關(guān)系。從水平位移絕對(duì)值來(lái)看，填筑荷載所引起的椅式樁變形量?jī)H為豎向荷載(120 kPa)引起最大值的10%，主樁樁頂總的水平位移量小于5 mm；主樁嵌入坡面處的水平位移約占樁頂總位移量的40%，所以邊坡坡體巖性對(duì)巖質(zhì)邊坡上的椅式樁變形影響極大。

圖3 水平位移與填筑工況的關(guān)系曲線

圖4 主樁與擋土板水平位移與豎向加載應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖5 主樁水平位移分布曲線

椅式樁板結(jié)構(gòu)主樁在路基面的豎向荷載作用下產(chǎn)生水平位移、轉(zhuǎn)動(dòng)變形以及沉降變形，由于椅式樁基屬于嵌巖基樁，所以其沉降變形基本上可以忽略不計(jì)，擋土板的變形除上述因素外還需考慮其自身產(chǎn)生的變形。椅式樁主樁樁頂位移受上部懸臂段的轉(zhuǎn)動(dòng)變形和下部門(mén)型雙排樁的水平變形以及樁側(cè)巖體的壓縮變形量控制，當(dāng)填筑體路基面的荷載不大時(shí)，椅式樁是支擋承載的主體，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出繞錨固點(diǎn)的整體轉(zhuǎn)動(dòng)變形趨勢(shì)；當(dāng)填筑體路基面荷載較大時(shí)，前期發(fā)生的變形使得椅式樁和巖質(zhì)邊坡體的聯(lián)合承載能力增強(qiáng)，后期發(fā)生的變形以主樁懸臂段繞樁-梁交接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形為主，表現(xiàn)為較明顯的撓曲變形。如圖6和圖7所示，在填筑體路基面的豎向荷載作用下，椅式樁板結(jié)構(gòu)發(fā)生整體的前傾變形，擋土板前期加載的變形形態(tài)表現(xiàn)為梯形突出，隨荷載的施加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒瓮怀?，這是因荷載傳遞路徑調(diào)整而引起的。

圖6 水平位移縱向分布曲線

圖7 結(jié)構(gòu)水平位移府視圖

3 椅式樁板結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)破壞特征

3.1 椅式樁破壞特征

椅式樁板結(jié)構(gòu)的破壞類型主要為局部破壞(包括樁的破壞、板的破壞、梁的破壞以及樁體錨固段巖體的破壞)、樁梁連接破壞和沿下臥層滑動(dòng)的整體破壞。

為了揭示椅式樁的破壞特征，增大了路基面的模擬荷載，路基面的荷載為120 kPa時(shí)，橫梁的主筋已進(jìn)入屈服階段，早于主副樁基的屈服，樁梁的交接點(diǎn)形成塑性鉸，如圖8所示。

圖8 椅式樁板結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展圖

椅式樁板結(jié)構(gòu)的工作階段根據(jù)路基面的模擬荷載可劃分為4個(gè)階段：①開(kāi)裂前階段(0～110 kPa)，組合結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。②帶裂縫工作階段前期(110～150 kPa)，應(yīng)變超過(guò)混凝土的極限拉應(yīng)變時(shí)，樁梁的受拉區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小裂縫，以橫向裂縫為主。③帶裂縫工作階段中后期(150～210 kPa)，鋼筋應(yīng)變呈現(xiàn)為非線性增長(zhǎng)，但沒(méi)有發(fā)生屈服。隨后，裂縫的數(shù)量有所增加，并且裂縫寬度變長(zhǎng)和變大。④鋼筋的屈服階段(>210 kPa)，樁身受拉鋼筋的應(yīng)力達(dá)到并超過(guò)其屈服強(qiáng)度，椅式樁板結(jié)構(gòu)的承載力急劇下降，喪失其工作性能。

椅式樁典型代表的裂縫有：橫梁斜裂縫、橫向裂紋和橫梁混凝土局部壓碎破壞，樁身產(chǎn)生橫向裂縫，如圖9所示。

圖9 椅式樁裂縫分布圖

主副樁樁基的裂縫主要分布在樁與橫梁的交接處，橫梁的裂縫主要分布在樁梁的交接處和橫梁的中部；在剪力、軸向拉力和彎矩的聯(lián)合作用下，橫梁與主樁的交接點(diǎn)處還產(chǎn)生了局部壓碎破壞。椅式樁板結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的荷載作用自我調(diào)節(jié)功能，過(guò)大的荷載作用也通常不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體傾倒破壞。

3.2 軟巖邊坡破壞特征

填筑體路基面在豎向荷載的作用下，軟質(zhì)巖石邊坡坡體的破壞形態(tài)，如圖10所示。在副樁的外側(cè)表現(xiàn)為淺層巖體破壞，隨著荷載的增大破壞的范圍逐漸沿伸到主樁的內(nèi)側(cè)，這表明在主樁和副樁之間存在臨空面的巖體容易發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮該部分巖體對(duì)副樁的抗力作用。椅式樁對(duì)外側(cè)巖體會(huì)產(chǎn)生擠推作用，同時(shí)承載板會(huì)產(chǎn)生擠壓淺層巖體，從而導(dǎo)致主樁外側(cè)淺層巖體出現(xiàn)較為明顯的剝離破壞現(xiàn)象，并且在相鄰兩排椅式樁之間縱向貫通，坡體具有整體破壞的趨勢(shì)。椅式樁板結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗變形能力，只有過(guò)大荷載結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較為明顯的側(cè)向變形，再持續(xù)施加荷載將會(huì)導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡的局部破壞，但是結(jié)構(gòu)破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于坡體破壞，有利于設(shè)計(jì)者進(jìn)行控制。

圖10 軟巖邊坡破壞圖

4 結(jié)論

針對(duì)軟質(zhì)巖陡坡地基高懸臂椅式樁板結(jié)構(gòu)開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究分析，揭示了椅式樁板結(jié)構(gòu)的變形特征，以及椅式樁和軟質(zhì)巖陡坡地基的破壞模式，得出以下主要結(jié)論：

(1)椅式樁變形極值出現(xiàn)于主樁樁頂，其中包括懸臂段撓曲或旋轉(zhuǎn)變形、受荷段平動(dòng)變形和錨固段撓曲變形；懸臂段變形為主控因素，坡體變形較小，椅式樁具有較好的變形協(xié)調(diào)作用。

(2)椅式樁裂紋發(fā)展一般分為開(kāi)裂前、帶裂縫工作前期、帶裂縫工作中后期和鋼筋屈服4個(gè)階段，裂紋多出現(xiàn)于樁梁交界處的樁體上和橫梁中部，裂紋多為刀口形和斜裂紋、少數(shù)為拉伸裂紋；椅式樁破壞模式一般為某構(gòu)件形成塑性鉸使結(jié)構(gòu)喪失正常使用功能，過(guò)大荷載作用下組合結(jié)構(gòu)通常不會(huì)發(fā)生傾倒破壞。

(3)軟質(zhì)巖邊坡主要發(fā)生主樁外側(cè)的淺層坡體擠壓破壞和高荷載條件下主副樁間的巖體擠壓壓潰破壞。地基的破壞緩于結(jié)構(gòu)的破壞。