膨脹土邊坡樁板墻墻后減脹層設(shè)計(jì)研究*

劉繼紅，衣忠強(qiáng)，楊果林，夏曉鵬，李琪煥

(1.中鐵九局集團(tuán)第一建設(shè)有限公司, 江蘇 蘇州 215538； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075)

0 引言

膨脹土遍及5個大洲的40多個國家和地區(qū)[1]，因遇水后土體體積迅速膨脹而得名。不同于普通巖(土)體邊坡處置時僅需考慮巖(土)壓力或滑坡推力對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，膨脹土作為特殊土，增濕后的體積膨脹一旦被限制，產(chǎn)生的膨脹力對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響往往不容忽視，甚至可能成為威脅支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的主要外力。多部國家及地方標(biāo)準(zhǔn)建議使用樁板式擋土墻(以下簡稱“樁板墻”)作為膨脹土地區(qū)工程邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)[2-4]。這是因?yàn)橄噍^于重力式擋墻，樁板墻結(jié)構(gòu)懸臂段在荷載作用下可產(chǎn)生一定程度變位，土體膨脹變形被釋放，作用于樁板墻結(jié)構(gòu)上的膨脹力得以減小。但在實(shí)際工程中，為保障膨脹土坡體或滑體穩(wěn)定，樁板墻設(shè)計(jì)剛度往往較大，結(jié)構(gòu)整體變位能力較差，作用于樁板墻墻后的側(cè)向膨脹力很難通過結(jié)構(gòu)變位進(jìn)行大幅度消減。為解決上述矛盾，部分學(xué)者提出在膨脹土中摻入粉煤灰[5]、石灰[6]、生物炭[7]、橡膠纖維[8]等成分削弱膨脹土膨脹性。但上述處置均需進(jìn)行較大范圍開挖和回填，僅適用于部分邊坡工程。為簡化施工工序、降低成本，尋求普適性的減脹或減載工藝，Kaneda等[9]對擋土墻-夾層-擋土體系受力機(jī)理進(jìn)行研究。楊果林等[10]進(jìn)一步得出了在樁板墻后設(shè)置砂石反濾層能有效減小墻后所受側(cè)向膨脹力的結(jié)論。隨著新興材料發(fā)展，鄭俊杰等[11-13]發(fā)現(xiàn)，在剛性擋土墻后設(shè)置EPS板材能有效增大墻后土體側(cè)向位移，促使擋土墻后土壓力逐步減小至主動土壓力，墻體抗傾覆能力得以提高。但該材料用于膨脹土邊坡的報(bào)道較少，對其應(yīng)用于膨脹土邊坡支擋結(jié)構(gòu)后能否減脹、材料參數(shù)選擇范圍尚不明確，阻礙了該材料在工程中的應(yīng)用。為解決上述問題，利用ABAQUS軟件進(jìn)行減脹材料的減脹及參數(shù)分析，并在得出相關(guān)結(jié)論的基礎(chǔ)上應(yīng)用于實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證，以推廣該技術(shù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 理論基礎(chǔ)

繆協(xié)興[14]認(rèn)為膨脹巖土體吸濕后體積膨脹類似于材料在溫度效應(yīng)下的體積變化。溫度場熱傳導(dǎo)方程與非飽和土的滲流微分方程在形式上較接近，可用溫度場等效濕度場考慮膨脹土膨脹行為。材料熱傳導(dǎo)和非飽和滲流的微分方程表達(dá)式如式(1)，(2)所示：

(1)

式中：λx，λy，λz分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)λ在x，y，z3個方向的分量；T為熱力學(xué)溫度；CT為比熱容；t為時間。

(2)

式中：kx，ky，kz分別為滲透系數(shù)k在x，y，z3個方向的分量；w為含水率，Cw為比水容量；t為時間。

在熱力學(xué)中，材料在受熱變形后膨脹應(yīng)變εT與升溫量ΔT關(guān)系如式(3)所示：

εT=αTΔTδ

(3)

含水率改變后膨脹應(yīng)變εw與含水率變化量Δw關(guān)系如式(4)所示：

εw=αwΔwδ

(4)

式中：αT，αw分別為熱膨脹系數(shù)和增濕膨脹系數(shù)；δ為克羅尼克記號。

令εT=εw，聯(lián)立式(3)，(4)則有：

(5)

現(xiàn)場實(shí)測[15]當(dāng)?shù)厮脚蛎浟?1～68kPa，為獲取膨脹土熱膨脹系數(shù)，建立環(huán)刀模型，當(dāng)溫度由30℃升至80℃時，試算得該地膨脹土熱膨脹系數(shù)約為6.650×10-5/℃，這與申權(quán)等[16]的計(jì)算結(jié)果相差不大。

1.2 模型建立及參數(shù)選擇

利用ABAQUS計(jì)算軟件建立如圖1所示數(shù)值分析模型。在選擇計(jì)算本構(gòu)時，膨脹土與底部泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖采用莫爾-庫侖模型，樁、板則使用彈性模型進(jìn)行計(jì)算分析，其他相關(guān)參數(shù)如表1所示[17]。

圖1 數(shù)值分析模型(單位：m)

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

其中，樁身懸臂段截面為T形，采用此種截面模式主要是為滿足掛板需要，懸臂段以下樁身為矩形截面。因模型邊界對有限元計(jì)算精度有較大影響，文獻(xiàn)[2]指出建模時坡腳至左端邊界的距離不小于坡高的1.5倍，坡頂至右端邊界的距離不小于坡高的2.5倍，且上、下邊界總高不低于2倍坡高時，即可有較高模擬精度，故在建立模型時，模型左、右邊界距離為40m，上、下邊界距離為22.5m。年廷凱[17]對抗滑樁加固三維邊坡數(shù)值計(jì)算中樁與邊坡體系的計(jì)算模型尺度選擇問題進(jìn)行了探究，認(rèn)為建立的分析模型寬度可取1倍樁間距和2倍樁間距，前者模型尺度雖已滿足計(jì)算精度要求，但為更好地模擬現(xiàn)場實(shí)際和后續(xù)參數(shù)分析的需要，此處模型選用后者模型尺度。

樁板墻和巖土間的界面摩擦通過ABAQUS中的接觸對(contact pair)實(shí)現(xiàn)，接觸面法向采用罰函數(shù)的接觸約束算法和硬接觸形式，切向采用摩擦模型進(jìn)行模擬，界面摩擦系數(shù)近似取為tan(2φ/3)(φ為巖土體內(nèi)摩擦角)。Mohamad等[18]指出混凝土構(gòu)件界面摩擦系數(shù)不會顯著影響數(shù)值模擬結(jié)果，故樁與板的接觸摩擦系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取0.4。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，樁板墻嵌入的地層為泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，屬于軟質(zhì)巖層，樁體發(fā)生變形的方式主要是繞嵌固段中某點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故樁身在嵌固段選用摩擦約束。膨脹土地區(qū)樁板墻結(jié)構(gòu)力學(xué)與變形特性受土體含水率變化的影響較大，故有必要獲得水分入滲(降雨)后樁后、板后土體含水率分布與深度的關(guān)系。

土體水分遷移完成后，土體體積含水率在不同降雨強(qiáng)度下隨深度的變化趨勢如表2所示。由表2可知，土體體積含水率與深度呈良好的線性關(guān)系。故在數(shù)值分析時，降雨后土體濕度隨深度的分布可按線性變化關(guān)系設(shè)定。為方便數(shù)值分析，對現(xiàn)場含水率讀數(shù)進(jìn)行均值化處理，雨后土體體積含水率分布如圖2a所示。同時，考慮現(xiàn)場樁板墻懸臂段底部存在混凝土開裂，雨水從懸臂段底部入滲而致使未處于大氣影響深度范圍的土體發(fā)生濕度變化，為反映現(xiàn)場實(shí)際，同步建立如圖2b所示數(shù)值分析模型。

表2 不同降雨強(qiáng)度下體積含水率與深度的關(guān)系

圖2 數(shù)值分析模型

1.3 模型驗(yàn)證

土體膨脹后樁后土壓力實(shí)測值與模擬值對比如圖3所示，可以明顯得出墻后土壓力實(shí)測值接近靜止土壓力，僅在深度1m處的實(shí)測值明顯增大，考慮監(jiān)測元器件異常或滯水而存在水壓。由模擬結(jié)果可知，考慮懸臂段底部滲水工況與實(shí)際土壓力值更接近，而不考慮懸臂段滲水情況，模擬值與實(shí)測值在距離樁頂5.5～6.0m位置處的最大差值達(dá)30kPa?？梢?，若懸臂段底端防水工程質(zhì)量較差而導(dǎo)致雨水入滲，則會顯著影響結(jié)構(gòu)受力。觀察2種工況下樁身彎矩變化(見圖4)，樁板墻底部滲水會增大懸臂段樁身彎矩。

圖3 樁后土壓力實(shí)測值與模擬值對比

圖4 樁身彎矩實(shí)測值與模擬值對比

板后土壓力實(shí)測值與模擬值對比如圖5所示，與圖3所示樁后土壓力對比后發(fā)現(xiàn)，實(shí)測板后土壓力與樁后土壓力相差不大。但由圖3～5可知，是否考慮樁板墻懸臂段底部滲水，對板力學(xué)響應(yīng)的影響相較于樁更大：樁板墻懸臂段底部滲水后，板頂2m以下深度的板體受力增大2倍，這會對板的整體安全服役造成不利影響。

圖5 板后土壓力實(shí)測值與模擬值對比

總之，做好膨脹土地區(qū)樁板墻懸臂段底部防滲十分必要，雖然在樁板墻設(shè)計(jì)時將抗滑樁作為主要承力構(gòu)件，但實(shí)際工程表明，超挖卸荷、土體膨脹、結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的土體浸水軟化等因素均會導(dǎo)致樁間土拱效應(yīng)被削弱，板體將承受不低于樁身的荷載作用。

1.4 參數(shù)分析模型及說明

為方便橫向比較，參數(shù)分析在1.3節(jié)基礎(chǔ)上展開。工程經(jīng)驗(yàn)表明，翼緣板板后置板式樁板墻和樁后掛板式樁板墻應(yīng)用較多，故建立如圖6所示2類數(shù)值模型進(jìn)行減脹層參數(shù)分析。

圖6 2類工程常用樁板墻形式

值得說明的是，由于在樁板墻與土體間設(shè)置的減脹層涉及樁板墻-減脹層和減脹層-土體間的界面摩擦，在數(shù)值分析時使用ABAQUS軟件中的面-面接觸以模擬其實(shí)際情況。因樁板墻與減脹材料間界面較光滑，故樁板墻-減脹層界面摩擦系數(shù)取0.5，參考Meguid等[19]在數(shù)值分析中的取值，減脹層(EPS板材)-土體界面摩擦系數(shù)取0.6。

2 參數(shù)分析

2.1 彈性模量分析

砂石反濾層彈性模量一般為20～40MPa；如在砂石中摻入橡膠顆粒作為減脹層，彈性模量為10～20MPa；在膨脹土中摻入橡膠粉作為減脹層，彈性模量在10MPa以內(nèi)。若使用EPS板材作為減脹層，因其是由發(fā)泡泡沫顆粒熱壓而成，根據(jù)需求密度的不同，彈性模量也隨之改變。常用EPS板材密度及對應(yīng)的彈性模量如表3所示[20-21]。為研究不同減脹材料對膨脹土地區(qū)樁板墻受力的影響，擬定減脹材料彈性模量變化為40，30，20，10 ，5，2MPa，材料厚度固定為50cm。

表3 常用EPS板材密度及對應(yīng)的彈性模量

1)翼緣板板后置板式樁板墻

在翼緣板板后置板式樁板墻結(jié)構(gòu)后設(shè)置不同減脹材料時，樁后、板后土壓力分別如圖7，8所示。由圖7,8可知，減脹層彈性模量越小，土壓力消減量越大。特別是減脹材料彈性模量為2～5MPa時，作用于板后的土壓力削減幅度達(dá)70%以上。通過對樁-板土壓力分擔(dān)比分析可知(見圖9)，在減脹層彈性模量由2MPa增加至40MPa過程中，樁-板壓力分擔(dān)比呈現(xiàn)減小趨勢，且在小彈性模量(<10MPa)時變化速率較快，在15～40MPa時變化趨穩(wěn)。

圖7 不同減脹層彈性模量下樁后土壓力

圖8 不同減脹層彈性模量下板后土壓力

圖9 不同減脹層彈性模量下樁-板土壓力分擔(dān)比

2)樁后掛板式樁板墻

樁后掛板式樁板墻結(jié)構(gòu)樁后、板后土壓力隨減脹層材料彈性模量的變化規(guī)律分別如圖10，11所示。其變化規(guī)律雖與翼緣板板后置板式樁板墻結(jié)構(gòu)相似，但值得指出的是，在樁后掛板式樁板墻后設(shè)置減脹層的作用效果更明顯。尤其對于板后土壓力，減脹材料彈性模量每減小10MPa，板后土壓力下降8～10kPa,而對于翼緣板板后置板式樁板墻僅在減脹材料彈性模量10MPa以下時土壓力的消減效果更明顯。由圖10可知，隨著板后減脹材料的彈性模量由2MPa變化至40MPa，作用在樁身1～5m的土壓力逐漸增大，最大增幅達(dá)50%以上。

圖10 樁后掛板式樁板墻在不同減脹層彈性模量下樁后土壓力

圖11 樁后掛板式樁板墻在不同減脹層彈性模量下板后土壓力

由圖12可知，隨著減脹材料彈性模量從40MPa減小至2MPa，樁-板土壓力平均分擔(dān)比由0.97變化至8.4，提升近9倍，可見柔性減脹材料對樁后掛板式樁板墻的受力優(yōu)化效果明顯優(yōu)于翼緣板板后置板式樁板墻結(jié)構(gòu)。

圖12 樁后掛板式樁板墻在不同減脹層彈性模量下樁-板土壓力分擔(dān)比

2.2 減脹層厚度分析

為得出合適的EPS板材厚度，考慮t/H(t為EPS板材厚度，H為樁板墻懸臂段長度)為0.03～0.30。為方便研究，固定懸臂段長度H為5.5m，EPS板材彈性模量為5MPa，建立翼緣板板后置板式與樁后掛板式樁板墻三維數(shù)值分析模型，則相對應(yīng)的EPS板材厚度如表4所示。

表4 參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

1)翼緣板板后置板式樁板墻(僅在板后使用EPS減脹材料)

翼緣板板后置板式樁板墻在板后設(shè)置不同厚度EPS板材后，樁后及板后土壓力分別如圖13，14所示。當(dāng)EPS板材厚度由0變化至120cm時，樁后土壓力逐漸增大，而板后土壓力逐步減小，但EPS板材厚度每增加10cm，樁后土壓力增大量與板后土壓力減小量的變化幅度<1%，僅當(dāng)EPS板材厚度>1m時，板后土壓力消減幅度可達(dá)25%?？梢妼τ谝砭壈灏搴笾冒迨綐栋鍓Γ瑧?yīng)選用較厚EPS減脹材料對該類型樁板墻進(jìn)行減脹。

圖13 翼緣板板后置板式樁板墻設(shè)置EPS板材的樁后土壓力

圖14 翼緣板板后置板式樁板墻設(shè)置EPS板材的板后土壓力

2)樁后掛板式樁板墻(在樁后和板后皆使用EPS減脹材料)

由圖15及圖16可知，隨著EPS板材厚度增加，作用于樁后掛板式樁板墻墻后的土壓力逐漸減小。當(dāng)t/H≥0.054(即EPS板材厚度為30cm)時，樁后及板后土壓力大幅度減小，故建議樁后掛板式樁板墻選用EPS板材對側(cè)向土壓力進(jìn)行消減時，材料厚度應(yīng)>30cm。 值得說明的是，樁板墻墻后土壓力隨著EPS板材厚度的增加，墻后土壓力均勻化愈加明顯。EPS減脹材料對樁后掛板式樁板墻墻后受力改善更明顯。

圖15 樁后掛板式樁板墻設(shè)置EPS板材的樁后土壓力

圖16 樁后掛板式樁板墻設(shè)置EPS板材的板后土壓力

由以上分析表明，改變EPS板材厚度對樁后掛板式樁板墻的影響更顯著，墻后土壓力基本隨著EPS板材厚度的增大而減小。但當(dāng)EPS板材厚度>50cm后，土壓力變化不顯著。鑒于工程成本及效用，對2類樁板墻的減脹設(shè)計(jì)時，翼緣板板后置板式樁板墻應(yīng)著重考慮EPS板材彈性模量，而厚度可根據(jù)造價(jià)和施工工藝酌情選擇；而對于樁后掛板式樁板墻則需綜合考慮EPS板材彈性模量和厚度。

2.3 減脹層深度分析

從節(jié)省造價(jià)和方便施工的角度考慮，若能通過較小的EPS板材埋設(shè)深度達(dá)到理想的減脹效果，則可減少開挖或節(jié)約材料。故本節(jié)考慮僅在樁板墻樁頂向下2.0，3.0，5.5m(懸臂段總長度h)位置處布設(shè)減脹材料，探究減脹層設(shè)置深度對樁板墻受力的影響。

2類樁板墻墻后不同深度布設(shè)EPS減脹材料，樁后、板后土壓力分別如圖17，18所示。由分析可知，EPS板材設(shè)置深度會影響其減脹或減載效應(yīng)，懸臂段滿布EPS板材比僅在大氣劇烈影響深度范圍內(nèi)(1～3m)布設(shè)的方式更優(yōu)。對于翼緣板板后置板式樁板墻，隨著EPS板材設(shè)置深度增大，滿布懸臂段長度(即布設(shè)范圍為0～5.5m)時，樁后土壓力比設(shè)置深度為0～3m時有明顯增大，而板后土壓力則表現(xiàn)為滿布懸臂段長度時土壓力最小。對比分析樁后掛板式樁板墻，隨著EPS板材布設(shè)深度的增大，樁后、板后土壓力均有所減小，當(dāng)EPS板材設(shè)置深度為5.5m時，作用于樁板墻墻后土壓力均為最小值。綜合分析，在使用EPS減脹材料對樁板墻所受土壓力進(jìn)行消減時，應(yīng)在其懸臂段部分進(jìn)行通長布設(shè)。

圖17 翼緣板板后置板式樁板墻樁后、板后土壓力

圖18 樁后掛板式樁板墻樁后、板后土壓力

3 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 工程概況

現(xiàn)場斷面如圖19所示，該工點(diǎn)共設(shè)計(jì)11根矩形抗滑樁，樁身截面尺寸為1.75m×2.50m，懸臂段長度為5.0m?？够瑯稑堕g由10塊鋼筋混凝土擋土板組成，板高0.50m、厚0.35m，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的模式進(jìn)行施工?，F(xiàn)場除8，9號抗滑樁的樁后掛板外，皆設(shè)有50cm厚袋裝碎石。為獲得柔性材料在實(shí)際工程中的減脹效果，在8～9號樁樁間板設(shè)置厚30cm、密度16kg/m3的 EPS板材，并布設(shè)有相關(guān)監(jiān)測儀器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。同時，為解決墻后排水問題，選用導(dǎo)水性能良好的麥克排水墊設(shè)置于EPS板材后。

圖19 現(xiàn)場斷面

3.2 數(shù)據(jù)分析

4～5號樁樁間板后土壓力如圖20所示，8～9號樁樁間板后土壓力如圖21所示。由圖20,21可知，EPS板材減脹效能并未完全發(fā)揮的前提下，設(shè)置有EPS板材的8～9號樁樁間板后土壓力明顯小于設(shè)置袋裝砂石層的板后土壓力。究其原因是EPS板材相較于袋裝砂石反濾層有較強(qiáng)變形能力和較小彈性模量，在一定程度上，可通過釋放墻后土體變形從而促使土壓力向主動土壓力發(fā)展。同時，EPS板材自身性能決定了其在面對荷載作用時能有較好消能作用，故滑坡推力或膨脹力在經(jīng)過EPS板材消能作用后，壓力大幅度降低，最大消減率達(dá)70%。值得指出的是，8～9號樁樁間板后土壓力在距離樁頂1～4m位置處開始逐漸呈現(xiàn)均勻化趨勢，這說明使用EPS板材能優(yōu)化板體整體受力。

圖20 4～5號樁樁間板后土壓力

圖21 8～9號樁樁間板后土壓力

4 結(jié)語

1)膨脹土邊坡樁板墻懸臂段底部滲水顯著影響樁間板的受力與變形，若發(fā)現(xiàn)懸臂段處出現(xiàn)龜裂應(yīng)及時處理，防止水分入滲。

2)使用彈性模量<10MPa的EPS板材，能進(jìn)一步增大樁后土壓力，減小樁間板所受作用力。

3)EPS板材設(shè)置于翼緣板板后置板式樁板墻和樁后掛板式樁板墻后，均能改善樁板墻受力，且對前者改善效果更優(yōu)。

4)工程中推薦選用厚度>30cm、密度>16kg/m3的EPS板材，在樁板墻結(jié)構(gòu)懸臂段通長布設(shè)。