膨胀土高边坡双排桩板墙土压力试验研究*

段瑞凯，赵天雨，杨果林，李琪焕，林 超

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

0 引言

膨胀土在我国云桂地区广泛分布，因其较高含量的蒙脱石与伊利石而表现出强烈的胀缩性，属一类典型的工程灾害土[1]。关于膨胀土的常规处置方法有物理改良[2]、化学改良[3]等，膨胀土边坡防护方法则有桩板墙、锚索框架梁支护、EPS板挡墙、土工袋挡墙[1,4-5]等。桩板墙结构因力学性能可靠、圬工量小等优势而广泛用于膨胀土高边坡支挡防护[5]。

杜兆萌等[6]将多种边坡稳定性计算方法用于抗滑桩加固膨胀土边坡稳定性分析，指出采用Fellenius法计算可得到更为安全的抗滑桩布置方式。Cheng等[7]基于极限分析法对膨胀土桩锚防护结构力学效应进行研究，优化了结构设计方案。赵晓彦等[8]则给出抗滑桩+锚索支护组合式支挡结构设计方法。林宇亮等[9]通过分析已有膨胀土桩板墙结构现场监测与模型试验结果，总结概括膨胀土边坡桩板结构所受水平膨胀力分布规律。孙书伟等[10]通过对预应力锚索桩板墙结构进行原位测试，对其受力特性和桩间土拱效应进行研究。朱彦鹏等[11]通过对高填方边坡桩板墙支护工程进行现场自动监测以分析其结构内力响应与变形机制。蒲建军等[12]以模型试验的方式对桩板墙加固边坡的结构内力与变形特性进行研究，提出可供参考的边坡支护结构选取方法。汪鹏福[13]建立膨胀土边坡桩板墙结构有限元模型并将其受力结果与理论值和实测值进行对比验证，Pei等[14]、Wu等[15]则利用数值分析方法对膨胀土边坡桩板墙支护下的支护特性与破坏原因进行研究。

综上所述，关于桩板墙结构用于膨胀土边坡工程支护已有大量研究，涵盖设计方法、现场监测、模型试验、数值模拟等多方面。但现有研究多聚焦于单排桩板墙支护膨胀土边坡的力学特性或设计方法优化。关于双排桩板墙用以膨胀土高边坡分级支护下的土压力实测分析仍鲜有研究。因此，以某高速铁路膨胀土高边坡双排桩板墙结构工程为例，监测双排桩板墙桩间板后土压力及土体湿度的变化，分析双排桩板墙后土压力分布与变化规律。研究结果可为膨胀土工程防护的设计与施工提供一定参考。

1 工程概况与试验方案

1.1 工程概况

试验段为已建成某高速铁路DK158+060—DK158+200段双排桩板墙防护工程，位于广西壮族自治区百色市田东县，该地区膨胀土有大量分布。该防护工程由上、下2排桩板墙结构组成。上排桩为121号桩(DK158+200)，桩高20m，截面尺寸为2.75m×2.5m；下排桩为45号桩(DK158+200)，桩高17m，截面尺寸为2.5m×2.5m。上排桩间板为120～121号桩桩间板，下排桩间板为44～45号桩桩间板。双排桩悬臂段长度均为5.5m，桩间板高5.5m。边坡为三级边坡，坡率均为1∶2，底层和第2层高度为6m，平台宽度为3.0m。第一级边坡采用锚索框架梁支护、框架内灌草护坡，锚索按与水平面夹角20°施作，锚索设计自由段长10～13m、锚固段长10m。锚索设计张拉力650kN。第二级和第三级边坡采用锚杆框架梁护坡、框架内灌草护坡的方式进行支护。锚杆由单根φ32 HRB400螺纹钢筋制成，长7～11m，钻孔直径为110mm，与水平面呈24°夹角施作。

地质勘察报告结果表明，试验场地表层覆盖棕红、棕黄色夹灰白色硬塑状弱膨胀土，下伏基岩为深厚易崩解泥质胶结泥岩夹泥质粉砂岩、褐煤。地下水浅层分布，且补给方式包括第四系孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。支护结构剖面如图1所示，各层土性参数如表1所示。

图1 双排桩板墙支护结构剖面(单位：m)

表1 地层参数

1.2 试验方案

根据现场工程进度与设计方案，将元器件进行布置并开展长期人工监测。监测时间为明显降雨后2d内并根据现场情况酌情开展。监测指标包括抗滑桩后及桩间板后土压力、桩后土壤湿度。可通过对试验段桩及桩间板后土压力、桩后土壤湿度的观测，分析桩板墙结构长期服役下的土压力变化规律和湿度的影响。

传感器布置方位如图2所示。传感器均采购于长沙金码测控公司，传感器类型、数量等参数如表2所示。

图2 传感器布置(单位：m)

表2 传感器型号参数

2 现场试验数据分析

2.1 降雨与土体湿度分析

降雨导致边坡土体湿度发生变化，改变边坡应力、应变场，是引发滑坡等工程灾害的重要原因之一。膨胀土因含水率的变化而产生胀缩变形并激发膨胀力，膨胀土工程边坡防护中的关键问题在于对土体中含水率的控制。通过对桩板墙后土体含水率进行长期监测，可为下文分析土压力变化规律提供一定参考[5,13]。

由该地区该年度月平均降雨量分布图(见图3)与文献[16]可知，试验段所在地区雨水充沛，全年均有降水，但6—8月降水占全年降水的大部分，且该时段雨热同期，干湿循环剧烈而导致土壤湿度持续变化。可将监测期分为雨季(6—8月)和非雨季(9—11月)。

图3 月平均降雨量

双排桩后不同深度处土壤湿度变化曲线如图4所示。由图4可知，随着雨季到来，土体湿度随之增大，尤以表层埋深1m处变化最为剧烈，而埋深2m处湿度远小于埋深3，4m处湿度，可能是受地下水活动影响的缘故。但埋深2m处湿度变化趋势同1m处较接近，说明该处受降雨作用影响较明显，也在一定程度上验证了膨胀土地区大气影响深度在 0～2.5m 的结论[17]。与上排桩相比，下排桩表层(1～2m) 土壤湿度略大于上排桩表层(1～2m)土壤湿度，但整体变化趋势及幅度均与之类似，说明2处地质条件及工程支护情况较类似。

图4 双排桩后土体湿度变化曲线

2.2 桩后土压力分布

双排桩后土压力随时间变化曲线如图5 所示。由图5可知，由于降雨、高温等气象因素的影响，桩后土压力处于动态变动过程中。将各埋深下的桩后土压力进行对比可知，埋深1m处的桩后土压力变化最剧烈，这可能与其处于土体浅层，易受大气环境影响有关，且其变化趋势均为在雨季内保持增长态势，雨季过后变化趋缓，基本保持不变。上排桩后土压力增量达5kPa，而下排桩后土压力增量为8kPa。整体而言，土压力变化趋势均较类似，即在雨季内先增大后趋于稳定。随着深度的增加(自埋深1～3m)，桩后土压力变化幅度及频次均表现为降低态势。埋深4，5m处桩后土压力变化较剧烈，可能是因该处有地下水分布影响，且该处土压力增长有滞后性。下排桩埋深为5m处桩后土压力变化也较明显，可能是该处位于分级边坡平台处，受到下级平台积水的影响。

图5 双排桩后土压力随时间变化曲线

为探究桩后土压力沿深度方向的变化规律，可对桩后平均土压力沿深度方向变化形式进行研究。由图 6可知，桩后土压力大致表现为K形分布。埋深1m处土压力较大，可能是由于此处为地表浅层，受大气降雨影响，且干湿循环剧烈，产生较大膨胀力。埋深2m处土压力小于埋深1，3m处土压力，与湿度沿深度变化规律一致，说明土压力与该处土壤湿度有关。将上、下排桩沿深度分布的平均土压力进行对比可知，2处土压力分布及变化规律均较接近，说明该处土压力分布具有一致性。与下排桩相比，上排桩埋深为5m处的土压力明显增大，说明对膨胀土高边坡进行分级支护能有效分散土压力，减弱因膨胀土胀缩特性而导致的土压力变化。与静止土压力相比，仅有埋深1m处的桩后土压力大于静止土压力，表明桩后土体处于主动力学状态，双排桩板墙用于工程防护具有很好效果。

图6 双排桩后土压力沿深度方向分布曲线

2.3 板后土压力分布

桩间板承载了相邻抗滑桩桩体范围外的土压力，是桩板墙支护结构体系中的重要组成部分。对桩间板后实测土压力进行规律总结与分析，有助于桩板墙结构整体受力分析。

桩间板后土压力沿深度方向分布曲线如图7所示。由于在元器件埋设与监测过程中出现故障，导致上排桩间板埋深3m处土压力数据异常及缺失，故应舍去该处土压力。整体上，与桩后土压力分布规律类似，桩间板后土压力也呈现两端大、中间小的趋势，故可用K形分布来表征桩间板后土压力分布趋势。①分析上排桩间板后土压力变化趋势可知，埋深为1，2m时，8月1日监测得到的板后土压力较大，11月5日监测到的板后土压力最小。可知浅层土体板后土压力变化规律与土壤湿度变化类似，均为土压力在雨季内增大，雨季结束后降低。②下排桩间板后土压力在3m处的变化规律为雨季结束增大。11月5日监测到的土压力最大。其可能原因为膨胀土遇水膨胀而膨胀力增大，失水收缩后但膨胀力不能完全消减，膨胀力累积而不断增大。且埋深3m处在11月5日监测时有小幅增长，湿度处于动态变动中并处于较高水平致使膨胀力增大。埋深为3～5m时，板后土压力随深度增大而增大，符合土压力增长的一般趋势。与上排桩间板后土压力相比，下排桩间板后土压力整体略大。

图7 双排桩间板后土压力沿深度方向分布曲线

2.4 桩后、板后土压力相关性分析

桩后、板后平均土压力相关性分析如图8所示，计算方法依据Pearson理论。

图8 桩后、板后平均土压力相关性分析

上、下排桩后土压力相关性系数较大，与其类似的是，上、下排桩间板后土压力间也呈现出一定程度的相关性，说明双排桩板墙间在所受外力特性较类似的前提下，上、下排桩及桩间板后土压力间存在一定相关性。桩和相邻桩间板后土压力间也存在一定相关性，但其相关性明显弱于桩与桩间板后土压力相关性。这说明在双排桩板墙长期监测中，可对某一桩或桩间板后土压力进行监测来预测另一排桩或桩间板后土压力。

3 结语

1)桩及桩间板后土压力与桩后土体湿度密切相关。其中，桩顶以下1～2m处桩及桩间板后土压力受降雨的影响显著。

2)上、下排桩和桩间板后土压力分布形式可用K形来概括。桩后土压力基本小于所对应的静止土压力，表明桩后土体处于主动力学状态。

3)双排桩板墙上、下排支护结构所受土压力具有明显相关性，可通过某一排桩或桩间板后土压力监测数据以判别另一排桩或桩间板后土压力的变化趋势。