膨脹土高邊坡多級組合式支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性現(xiàn)場試驗研究

楊果林，李琪煥，段君義，羅桂軍，肖洪波，楊天堯

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南長沙，410004)

膨脹土廣泛分布于廣西、云南，含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蒙脫石礦物，易產(chǎn)生脹縮變形，屬于典型的工程災(zāi)害土[1]。在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程邊坡支護(hù)時，常見的處置原則有化學(xué)改良[2]、以柔治脹和剛?cè)峒鏉?jì)[3]。對于超高邊坡，將多級組合式支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于膨脹土高邊坡的防護(hù)是一種被廣泛采用的建造方法，但目前關(guān)于服役期間支擋結(jié)構(gòu)所受膨脹力對結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化及承載特性的研究相對較少。在膨脹力影響下獲得支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律對工程設(shè)計與施工具有參考價值。關(guān)于膨脹土地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)受膨脹力作用下的內(nèi)力分布規(guī)律，現(xiàn)有研究手段主要有模型試驗、室內(nèi)實驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等。張銳等[4]應(yīng)用自行設(shè)計的二維膨脹儀，獲取了廣西百色膨脹土側(cè)向膨脹力并總結(jié)出表征公式。蘇丕輝等[5]開展大比例尺模型試驗，對鋼管格柵加固膨脹土邊坡的力學(xué)特性與變形機(jī)理進(jìn)行了研究。孫書偉等[6]通過對高路堤工程開展現(xiàn)場原位監(jiān)測，對抗滑樁、樁間板及預(yù)應(yīng)力錨索受力規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。李雄威等[7]發(fā)現(xiàn)在膨脹土地區(qū)推行框錨支護(hù)有利于釋放所受膨脹力，穩(wěn)定效果較好。ZHOU 等[8-9]通過模型試驗研究了抗滑樁對馬家溝滑坡的長期支護(hù)效果和樁應(yīng)力變形響應(yīng)規(guī)律。張銳等[10]通過引入側(cè)向膨脹力，改進(jìn)了加筋格柵膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析方法，并應(yīng)用于實際工程的優(yōu)化設(shè)計。李哲等[11]進(jìn)行了黃土邊坡懸臂式和全埋式抗滑樁現(xiàn)場縮尺試驗，分析了2類模型樁的破壞模式與承載特性。LIU等[12]推導(dǎo)了基于室內(nèi)試驗的側(cè)向膨脹力壓力計算式，并將其推廣到大型試驗和離心試驗中，以便在工程實踐中更合理地考慮膨脹力的影響。為優(yōu)化膨脹土邊坡的抗滑樁設(shè)計，韓愛民等[13-14]通過FLAC3D軟件研究了預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁的支護(hù)效應(yīng)、優(yōu)化方法和滑坡抗滑樁內(nèi)力的分布規(guī)律。趙曉彥等[15]為充分發(fā)揮抗滑樁與錨索這2種組合加固方案的力學(xué)優(yōu)勢及相互協(xié)調(diào)受力關(guān)系，給出了上部坡面錨索+下部坡腳抗滑樁的組合式支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。國內(nèi)外研究表明，組合式支擋結(jié)構(gòu)能夠起到更好的邊坡支護(hù)效果。

在降雨作用下，雨水隨膨脹土邊坡裂隙下滲，引發(fā)膨脹土脹縮變形，進(jìn)而引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。KHAN等[16]對德克薩斯高速公路破壞邊坡進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)降雨和土的軟化是造成邊坡破壞的主要原因。PEI等[17]對膨脹土工程邊坡在降雨入滲下的破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出維持邊坡含水率以減少干燥裂縫產(chǎn)生，能夠有效防范膨脹土邊坡在降雨下被破壞。楊文琦等[18]引入膨脹土推力，推出了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性計算方法，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度、時間和裂隙發(fā)育位置對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響較大。夏炎等[19]通過應(yīng)用土工膜以隔絕水分，結(jié)合抗滑樁支護(hù)，取得了良好的防治效果。鄧國華等[20]對膨脹土加筋擋土墻穩(wěn)定性進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，指出降雨導(dǎo)致土壓力迅速增大，不利于筋帶強(qiáng)度發(fā)揮。大量研究表明，對于膨脹土邊坡，在設(shè)計與施工階段需要考慮降雨作用的影響。綜合上述研究可知，人們對膨脹土地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)的承載能力及內(nèi)力分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究，從模型試驗、理論推導(dǎo)等方式考慮了膨脹土側(cè)向膨脹力的分布形式，并研究了降雨入滲對膨脹土工程邊坡穩(wěn)定性的影響。然而，有關(guān)膨脹土多級組合式結(jié)構(gòu)支護(hù)邊坡在長期雨熱作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力現(xiàn)場實測結(jié)果較少，故需進(jìn)一步研究其在干濕循環(huán)作用下內(nèi)力響應(yīng)的力學(xué)機(jī)制。為此，本文基于廣西百色1個膨脹土高邊坡多級組合式支擋結(jié)構(gòu)工程實例，對抗滑樁與錨桿(錨索)框架梁組合成支擋結(jié)構(gòu)在雨季中的受力特性進(jìn)行長期現(xiàn)場監(jiān)測，分析多級組合式支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)與膨脹力響應(yīng)規(guī)律。

1 工程概況與監(jiān)測方案

1.1 工程概況

試驗段位于南昆鐵路百色市車站附近DK221+679—DK221+863 右側(cè)高邊坡，邊坡高度為38 m。圖1所示為框架梁錨桿(錨索)+抗滑樁組合式支擋結(jié)構(gòu)支護(hù)膨脹土高邊坡施工圖，其中，膨脹土土體重度為19 kN/m3，自由膨脹率均值為44.5%。直剪試驗結(jié)果表明，其黏聚力為25 kPa，內(nèi)摩擦角為13°，可見該邊坡土體具有弱膨脹性。

圖1 膨脹土高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施工圖Fig.1 Construction diagram of supporting structure for expansive soil high slope

膨脹土高邊坡結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點布置如圖2所示，其中，膨脹土高邊坡監(jiān)測點布置見圖2(a)，膨脹土高邊坡斷面I-I 見圖2(b)，樁后監(jiān)測點布置見圖2(c)。整個邊坡分為4 級，每級邊坡高度為8 m，坡率為1∶2.5，平臺寬為2.0 m。在斷面I-I 處的第1級和第3級邊坡坡腳處設(shè)有16號和38號抗滑樁(見圖2(a))，其中，第1 級邊坡采用錨索+框架梁進(jìn)行支護(hù)，錨索按與水平面夾角20°布置，錨索節(jié)點間距為4.0 m，錨索設(shè)計張拉段長度1.5 m，錨固段長度10.0 m。錨索設(shè)計張拉力為690 kN，框架梁由C35鋼筋混凝土澆筑而成。第2級及以上各分級邊坡均采用錨桿+框架梁進(jìn)行支護(hù)，框架梁節(jié)點間距為2 m，錨桿設(shè)置于梁節(jié)點處。錨桿由單根Φ 32HRB400螺紋鋼筋制成，長度為8～12 m，鉆孔直徑為110 mm，與水平面成25°夾角布置。

1.2 監(jiān)測方案

為分析實際服役環(huán)境下膨脹土高邊坡組合式支擋結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，對該膨脹土邊坡進(jìn)行了長期監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)包括抗滑樁樁后土壓力、樁身鋼筋應(yīng)力、樁頂豎向位移、框架梁節(jié)點處壓力、錨索預(yù)應(yīng)力及樁間板后土體濕度。邊坡上的土壓力盒、錨索拉力計及邊坡位移監(jiān)測點的布設(shè)情況如圖2(a)所示，抗滑樁樁后土壓力盒、土體濕度計及樁身混凝土應(yīng)變計的布置如圖2(c)所示。其中，抗滑樁16號背面按豎向間距1 m布置了8個土壓力盒(編號為H10～H17)，抗滑樁16 號和17 號之間的樁間板后布置了4 個濕度傳感器(編號為S1～S4)，抗滑樁18 號樁前后布置了8 對混凝土應(yīng)變計(編號為P1～P8)，框架梁后埋設(shè)了9 個土壓力盒(編號為H1～H9)，第1 級邊坡錨索安裝了9 個錨索拉力計(編號為M1～M9)，邊坡位移監(jiān)測點沿I-I 斷面布置了12 個測點(編號為x1～x12)。監(jiān)測儀器具體參數(shù)見表1。

表1 傳感器類型及參數(shù)Table 1 Types and parameters of sensors

圖2 膨脹土高邊坡結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點布置Fig.2 Structure of expansive soil high slope and layout of monitoring points

2 降雨量統(tǒng)計與土體濕度變化

試驗段位于廣西百色地區(qū)，該地區(qū)為典型的多雨地區(qū)，且每年4月份至9月份為雨季，而5月份至8月份為降雨集中期，其余月份少雨[21]，因此，該地區(qū)長年氣候環(huán)境具有反復(fù)干濕循環(huán)的特點，這影響膨脹土邊坡的長期穩(wěn)定性。結(jié)合該地區(qū)氣候環(huán)境特點，獲得涵蓋整個雨季的膨脹土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)后土體濕度的變化規(guī)律。以抗滑樁16號和17 號之間的樁間板后土體濕度變化為例進(jìn)行分析，降雨量與土體濕度隨時間的變化如圖3所示(監(jiān)測日期從2020-04-30 至2020-08-14)。由圖3可知：在深度1 m之內(nèi)，土體濕度受降雨環(huán)境影響顯著，最大土體濕度為33.3%；隨著深度增加，土體濕度隨時間的波動幅度減小，表明淺層土體的脹縮變形最劇烈；深層土體的濕度較高，這意味著深層土體的膨脹潛勢較?。煌馏w濕度響應(yīng)存在滯后性，這是因為降雨入滲需要一定時間；在整個監(jiān)測過程中降雨量較大，其中，5月份至6月份的雨量相對較大，而后續(xù)月份雨量較小，這導(dǎo)致土體濕度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。整體上，降雨量隨時間呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，因此，膨脹土邊坡內(nèi)膨脹土可能會產(chǎn)生顯著的脹縮變形。

圖3 降雨量與土壤濕度隨時間的變化Fig.3 Variation of rainfall and soil moisture with time

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 樁后土壓力分布規(guī)律

以位于第1級邊坡坡腳處的抗滑樁16號為例，其樁后土壓力隨深度變化見圖4(起始日期為2020-04-30)。由圖4可知：距樁頂深度1 m 處樁后土壓力隨時間呈增大趨勢，這可能與淺層土體受大氣環(huán)境影響劇烈有關(guān)。距樁頂深度3 m和4 m處樁后土壓力整體上呈現(xiàn)下降規(guī)律，這與其土體濕度的變化趨勢相吻合；距樁頂深度5～8 m范圍內(nèi)，樁后土壓力隨時間表現(xiàn)出增大趨勢。其中，距樁頂深度6 m和7 m處樁后土壓力明顯增大，可能是受樁前雨水入滲的影響。

圖4 樁后土壓力隨時間的變化Fig.4 Variation of earth pressure behind the pile with time

樁后實測土壓力平均值與由Rankine土壓力理論[22]所得被動土壓力、靜止土壓力和主動土壓力對比見圖5。被動土壓力、靜止土壓力和主動土壓力通過給出的膨脹土相關(guān)參數(shù)按Rankine土壓力理論計算得到，其中，靜止土壓力系數(shù)K0為0.775。樁后實測土壓力平均值為監(jiān)測期內(nèi)樁后土壓力平均值。由圖5可知：樁后實測土壓力平均值位于主動土壓力與靜止土壓力之間。由于樁板墻結(jié)構(gòu)屬于剛性結(jié)構(gòu)，其變形可視為基本不變，因此，樁后實測土壓力平均值偏小的原因是樁后膨脹土產(chǎn)生了收縮變形。

圖5 樁后土壓力沿深度的分布Fig.5 Distribution of earth pressure behind pile along depth

3.2 框架梁后土壓力及錨索拉力分布規(guī)律

框架梁后土壓力及其增量的變化如圖6所示。需要說明的是，由于邊坡坡面變形的影響，框架梁極易出現(xiàn)破損，故框架梁后土壓力與邊坡坡面位移的監(jiān)測時間延長至2020-11-21。由圖6可知：框架梁后土壓力最大值出現(xiàn)在第1 級邊坡，達(dá)80 kPa；框架梁后土壓力及其增量均由邊坡高處至低處逐漸增大；第3 級邊坡最大土壓力增量為25 kPa，第2級邊坡最大土壓力增量為20 kPa，第1級邊坡最大土壓力增量為40 kPa。這說明錨桿框架梁后土壓力的變化值約為40 kPa，這是淺層膨脹土的脹縮變形所致。

圖6 框架梁后土壓力及其增量隨時間的變化關(guān)系Fig.6 Variation relationship of earth pressure and its increment behind frame beam with time

圖7所示為第1 級邊坡3 個斷面錨索拉力監(jiān)測值的變化，現(xiàn)場試驗中部分元器件(M2，M6)因施工而被損壞。由圖7可知：錨索拉力最大值為190 kN；上部錨索拉力總體比下部錨索拉力大(除M7外)；與框架梁后土壓力分布規(guī)律相比，錨索拉力變化更小。

圖7 錨索拉力及其增量隨時間的變化Fig.7 Variation of anchor cable tension and its increment with time

將錨索拉力增量作為衡量該處土壓力變化的相關(guān)指標(biāo)。錨索拉力增量最大值位于M7 處，達(dá)40 kN。對第1 級邊坡I-I 斷面處坡面錨索拉力增量與該處框架梁后土壓力進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，框架梁后H1 處土壓力增量與M4處錨索拉力增量呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)將近0.9，說明錨索拉力增量是反映框架梁后土壓力增量的可靠指標(biāo)之一。

圖8 第1級邊坡I-I斷面錨索拉力增量與土壓力增量相關(guān)性系數(shù)Fig.8 Correlation coefficient between the increment in anchor cable tension and the increment in earth pressure at section I-I of No.1 slope

圖9所示為邊坡I-I 斷面處坡面位移的變化，圖中分別列出了2020-08-14和2020-11-21時所監(jiān)測的坡面垂向位移(以2020-04-30 為監(jiān)測起始期，即此時的坡面垂向位移視為0 mm)。由圖9可知：邊坡坡面最大垂向位移達(dá)20 mm，且呈現(xiàn)出上大下小的分布特征，其中，在邊坡下部甚至出現(xiàn)了負(fù)值，這可能與邊坡下部所施加的錨索力較大有關(guān)；2 次監(jiān)測位移相差較小，小于9 mm，表明坡面垂向位移的增長速度趨緩，多級組合式支擋結(jié)構(gòu)具有良好的支護(hù)作用。

圖9 邊坡I-I斷面處坡面位移分布Fig.9 Distribution of slope displacement at I-I section

3.3 樁身彎矩分布特征

將附于18 號樁上的混凝土應(yīng)變計應(yīng)變差換算成樁身彎矩，換算公式如下[23]：

式中：εup和εdn分別為樁上混凝土應(yīng)變計前、后應(yīng)變；D為前后測點之間的距離，其值為0.129 m；E為彈性模量；I為中性軸慣性矩。因樁為鋼筋混凝土復(fù)合材料，應(yīng)用復(fù)合材料彈性模量公式得到中性軸慣性矩I為0.56 m4。另外，剔除溫度對結(jié)構(gòu)體變形的影響，相關(guān)計算公式如下：

式中：E′為復(fù)合體的彈性模量；A為復(fù)合體的總截面面積；E1和E2分別為鋼筋與混凝土的彈性模量；T為測量溫度；T0為初始溫度；A1和A2分別為鋼筋與混凝土的截面面積；ε′為剔除溫度影響的應(yīng)變；ε為測量應(yīng)變；F和F0分別為鋼筋和鋼弦線膨脹系數(shù)，F(xiàn)=12.2με/℃，F(xiàn)0=10με/℃。

圖10所示為剔除溫度影響后的實測樁身彎矩分布曲線。由圖10可知：彎矩分布大致呈“S”型，且彎矩最大值為3 340.22 kN·m，位于H=6 m處。

圖10 18號樁身實測彎矩隨深度分布Fig.10 Distribution of measured bending moment with depth of pile No.18

根據(jù)經(jīng)典彈性彎曲理論，由彎矩M和撓度S(x)推演剪力Q，公式如下[24]：

式中：M(x)為深度x處的彎矩；Q(x)為深度x處的剪力；S(x)為深度x處的撓度。

應(yīng)用Matlab 內(nèi)置的基于最小二乘法的多項式擬合方法得到2020-04-30和2020-08-14時的彎矩分布曲線，經(jīng)驗算，5 次多項式下擬合效果最好，如圖11所示，對應(yīng)的擬合公式如下：

圖11 樁身彎矩隨深度的分布Fig.11 Distribution of pile bending moment with depth

對式(6)求導(dǎo)得

式中：pi(i=1，…，6)為擬合參數(shù)。由式(7)可得樁身剪力隨深度分布曲線，如圖12所示。

由圖12可知：樁身剪力最大值約為1.25 kN，位于深度H=4.4 m處，接近于樁前嵌固段和自由段分界線(深度4 m處)，表明樁身側(cè)向土壓力作用方向在該深度位置發(fā)生改變，樁身受力最不利位置發(fā)生在嵌固段和自由段分界線附近。

圖12 樁身剪力隨深度的分布Fig.12 Distribution of shear force of pile with depth

將樁身應(yīng)變與起始監(jiān)測時(2020-04-30)的應(yīng)變相減，可得到抗滑樁沿樁身的應(yīng)變增量曲線，進(jìn)而換算得到抗滑樁樁身彎矩增量。樁身彎矩增量見圖13。從圖13可知：樁身彎矩增量隨深度的變化曲線大致呈反C形分布，在監(jiān)測期內(nèi)樁身彎矩增量呈增大趨勢；樁身彎矩增量最大值出現(xiàn)在埋深5～6 m處；在自由端埋深0～4 m內(nèi)，由于樁后土壓力增量較小，彎矩增量較小且變動不大；在抗滑樁嵌固端埋深4～6 m范圍內(nèi)，降雨在樁前土體下滲導(dǎo)致頻繁干濕循環(huán)作用，膨脹土脹縮變形劇烈，彎矩增量較大；嵌固段埋深6～8 m處則由于深度增加，土體濕度維持恒定而彎矩增量呈減小趨勢。

圖13 18號樁身彎矩增量隨深度的變化Fig.13 Variation of bending moment growth with depth of pile No.18

4 結(jié)論

1)樁后淺層土體濕度受降雨環(huán)境影響顯著，但土體濕度對環(huán)境氣候變化的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)。隨著深度增加，土體濕度增大，深層土體的膨脹潛力較小。邊坡內(nèi)膨脹土可產(chǎn)生顯著的脹縮變形，進(jìn)而導(dǎo)致樁后土壓力出現(xiàn)波動。樁后土壓力總體上隨深度增加而增大。受樁后膨脹土收縮變形的影響，樁后土壓力實測值位于主動土壓力與靜止土壓力之間。

2)在氣候環(huán)境影響下，框架梁后土壓力的變化值為40 kPa。隨著邊坡高度增加，框架梁后土壓力的變化量呈降低趨勢，其最大值出現(xiàn)在第1級邊坡底部。錨索拉力與框架梁后土壓力的變化存在良好的相關(guān)性，說明錨索拉力增量也是反映框架梁后土壓力增量的可靠指標(biāo)之一。

3)樁后彎矩增量沿深度呈反C 形分布，最大彎矩出現(xiàn)在樁頂以下深度5～6 m處，該位置接近于樁身嵌固段和自由段分界線，表明該位置為樁身受力的最不利位置。坡面垂向位移的變化小于20 mm，且波動小于9 mm，表明采用框架梁錨桿(錨索)+抗滑樁所形成的多級組合式支擋結(jié)構(gòu)可用于膨脹土高邊坡的支護(hù)加固。