萬軍利

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

隨著我國公路、鐵路等建設(shè)日益增加，滑坡問題已成為工程長期穩(wěn)定服役的巨大障礙［1-5］。西南地區(qū)巖體由于受地質(zhì)構(gòu)造作用影響節(jié)理裂隙發(fā)育顯著，同時受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，巖體的風(fēng)化剝蝕嚴重，邊坡地質(zhì)中破碎堆積狀十分常見［6-9］，這會增加滑坡的發(fā)生，也會給邊坡加固帶來困難。因而針對該類破碎路堤邊坡提出有效的加固技術(shù)是工程建設(shè)中亟待解決的難題。

樁基托梁擋墻是邊坡工程中常用的支護方法，主要由樁基和托梁兩部分組成。對地基承載力差、陡峭的邊坡加固效果較好，對不同地質(zhì)條件邊坡適用性大，承受荷載能力強，因而樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)在邊坡工程支護中廣泛應(yīng)用［10-12］。謝鑫［13］采用有限元方法對樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)的作用機理、傳力機制、變形控制機理等開展了研究，基于極限平衡法得到了主動土壓力計算方法，并與衢寧鐵路屏南車站邊坡現(xiàn)場實測結(jié)果進行分析對比。張明等［14］采用模型試驗對樁板擋土墻在正常、極限以及破壞狀態(tài)下力學(xué)特性開展了研究，得到了其土壓力分布特征、樁身受力變化等特性。臧夢夢等［15］對管樁水泥土擋墻支護結(jié)構(gòu)開展了研究，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得到了不同平面布置形式結(jié)構(gòu)的等效剛度特征，并對其內(nèi)力分布、變形特性、基礎(chǔ)穩(wěn)定性等方法進行分析。Shukla［16］采用模型試驗研究了擋墻位置與樁沉降之間的關(guān)系，擋墻倒塌高度隨樁埋深的增加而減小，隨著樁與擋墻之間距離的增加，沉降量呈對數(shù)遞減，埋置比小的樁組比埋置比大的樁組更容易受到擋墻破壞的影響。Zhao 等［17］提出了一種考慮土拱效應(yīng)計算穩(wěn)定樁和擋土墻荷載的模型方法，并以某鐵路路塹邊坡為例，采用該方法定量分析了土拱對穩(wěn)定樁與擋土墻荷載分布的影響。Kim［18］研究了高強度組合埋樁擋土墻的穩(wěn)定性及在現(xiàn)場的適用性，對現(xiàn)澆擋土墻和高強度組合埋樁擋土墻進行了數(shù)值比較分析，通過彈性梁計算最大彎矩和剪力的方法設(shè)計合理的高強度組合埋樁擋土墻。

樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，整體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性較好，但傳統(tǒng)樁基托梁擋墻施工需要較大的開挖方量和施作空間，造價較高，施工周期長，經(jīng)濟性不佳。若遇斜坡為松散堆積體，使用傳統(tǒng)人工挖孔抗滑樁方案施工極易誘發(fā)邊坡整體大規(guī)模失穩(wěn)，造成重大安全事故。

針對傳統(tǒng)擋墻等支擋加固技術(shù)存在施工安全風(fēng)險高、周期長、造價高等問題，依托云南地區(qū)某高速公路連接線路高陡破碎堆積體路堤邊坡，應(yīng)用和開發(fā)多級錨固 + 豎向植筋 + 鋼花管注漿 + 樁基托梁擋墻破碎路堤邊坡支擋加固新技術(shù)，通過現(xiàn)場試驗揭示新型破碎路堤邊坡支護結(jié)構(gòu)的加固機理，通過數(shù)值模擬研究在車輛荷載作用下后期服役中加固破碎路堤邊坡力學(xué)特性及穩(wěn)定性，為新型邊坡加固技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場試驗研究

1.1 現(xiàn)場地質(zhì)概況

試驗現(xiàn)場邊坡（圖1）屬構(gòu)造切割中高山地形地貌，線路高程約為2 050 m，斜坡坡腳沖江河水位高程約1 800 m，坡頂高程約2 200 m。斜坡地形起伏較大，受區(qū)域構(gòu)造活動及風(fēng)化剝蝕影響，淺表層覆蓋松散破碎的碎石土和第四系堆積體，有明顯的地下水出露，斜坡植被不發(fā)育。邊坡表層主要為第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土、塊石土，下伏基巖為三疊系強～中風(fēng)化板巖及玄武巖。

1.2 新型支擋結(jié)構(gòu)特征

豎向植筋鋼花管注漿樁基托梁擋墻由重力式墻身、基礎(chǔ)和錨拉系統(tǒng)組合而成。錨拉系統(tǒng)由錨桿、錨具、連接件、錨桿外注漿體等組成，必要時可設(shè)置錨定板。該結(jié)構(gòu)通過在樁的懸臂段施加一道或多道預(yù)應(yīng)力錨索，改變了懸臂樁的受力狀態(tài)，由傳統(tǒng)的抗滑樁被動受力狀態(tài)改變?yōu)殄^索樁的主動受力狀態(tài)，從而使樁截面大大減小。與傳統(tǒng)的抗滑樁樁基托梁擋墻相比，新結(jié)構(gòu)是將結(jié)構(gòu)下部的抗滑樁替換成多次分段控制注漿鋼花管，在不降低抗滑能力的基礎(chǔ)上，可有效減少挖樁帶來的造價高、施工風(fēng)險大、挖孔工期長等弊端，在減少人力、棄土搬運、環(huán)境保護等方面具有較大的優(yōu)勢?？蛇m用于如下條件：

1）樁基托梁擋墻后具備錨索錨固條件且地層能提供足夠的錨固力。適用于半填半挖地段，墻后應(yīng)靠近坡面或樁設(shè)置于坡面上，同時錨索自由段不宜太長。

2）坡面地層應(yīng)滿足側(cè)向承載力及豎向承載力要求，以免樁產(chǎn)生過大的豎向沉降變形，當(dāng)樁嵌固在軟土地層內(nèi)時應(yīng)進行全面的承載驗算。

3）原坡面地層相對穩(wěn)定，較適用于破碎地層或松散坡積層，對施工場地大小的要求較小。

施工場地采用豎向植筋鋼花管樁進行代替抗滑樁，錨索樁板墻的起點與擋墻順接，終點與圓形抗滑樁 + 重力式擋墻順接。地面以上樁身截面尺寸為0.4 m × 0.9 m，樁間距3.0 m。試驗樁樁長7.8 m，其中懸臂段最短1.2 m，最長3.0 m。根據(jù)懸臂段高度設(shè)置3 排錨索，第一排錨索位于樁頂下1.5 m；第二排錨索位于樁頂下4.3 m；第三排錨索位于樁頂下7.0 m；每一排錨索傾角20°。各錨索錨固段長度為10.0 m。錨索鉆孔直徑為130 mm，每孔錨索采用4?15.24 mm，高強度低松弛鋼絞線束，設(shè)計錨索拉力為480 kN。新型支擋加固結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多級錨固豎向植筋鋼花管注漿樁基托梁擋墻（單位：cm）

1.3 現(xiàn)場試驗監(jiān)測

在高速公路路基LK2 + 123—LK2 + 142 段開展現(xiàn)場試驗研究，現(xiàn)場試驗主要通過埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計、混凝土應(yīng)變計、土壓力盒、錨索測力計、測斜管等監(jiān)測元器件，監(jiān)測和采集樁內(nèi)鋼筋主筋應(yīng)力、錨索拉力（預(yù)應(yīng)力）、樁身變形、土壓力盒壓力?，F(xiàn)場試驗監(jiān)測系統(tǒng)的安裝如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場試驗監(jiān)測系統(tǒng)的安裝

主要針對擋墻中部的樁錨索進行錨索測力計的試驗，其余錨索測力計僅用于長期監(jiān)測。鋼花管注漿樁基托梁擋墻施工流程見圖4，施工流程主要分為鉆孔、加工鋼花管、下鋼花管、漿液制備、一次注漿、二次注漿、框架梁施工和土石方回填。鋼花管鉆孔如遇松散、破碎地層，造成塌孔、縮孔時，可采用二次成孔注漿或跟套管的鉆進技術(shù)，以使鉆孔完整不坍塌。

1.4 錨索拉力的變化規(guī)律

連接線試驗工點豎向植筋鋼花管注漿樁基托梁擋墻的錨索拉力時程變化曲線見圖5。監(jiān)測時間開始于2021 年6 月17 日，每根樁設(shè)置三排錨索，三排錨索位置相同，第一排—第三排錨索分別位于樁頂下1.5、4.3、7.0 m。

由圖5可知：

1）分層填土過程中，錨索拉力隨著時間的增加呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的變化規(guī)律，錨索拉力達到穩(wěn)定時，除1#樁第二排錨索拉力最大外，其他樁均為第三排錨索拉力最大，所以第三排錨索預(yù)應(yīng)力損失最少；其中大多數(shù)樁均為第一排樁穩(wěn)定時拉力最小，說明第一排樁預(yù)應(yīng)力損傷最大；分級回填過程中，第一級回填時錨索的預(yù)應(yīng)力損傷量最大，對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響最大，因而錨索設(shè)計時應(yīng)考慮分級回填應(yīng)力影響，預(yù)應(yīng)力施加值應(yīng)該能夠滿足應(yīng)力損失，而后預(yù)應(yīng)力損傷量逐漸減小，最后預(yù)應(yīng)力的變化達到穩(wěn)定。各排樁預(yù)應(yīng)力初期損失的過程基本一致，初期損傷時間也相近（6 d），錨索會抑制樁板墻變形，分級回填初期樁板墻下部變形大，回填完成后上部錨索變形大。

2）3#和4#樁的三排錨索拉力變化大，預(yù)應(yīng)力損失量最大可達160 kN，說明初始加固時這兩排樁擋墻后坡體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，回填后土體尚未穩(wěn)定，土體下沉?xí)r錨索產(chǎn)生作用抑制其變形。1#和2#樁錨索應(yīng)力基本穩(wěn)定，兩樁坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。6 d后錨索拉力基本穩(wěn)定，錨索預(yù)應(yīng)力損傷量不大，最大損失量僅30 kN。錨索預(yù)應(yīng)力損傷與樁體位移同步，因而初始支護時樁體位移較大，后期達到穩(wěn)定，這表明豎向植筋鋼花管注漿樁基托梁擋墻加固后坡體已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5 土壓力的分布規(guī)律

以2#樁為例，對土壓力沿樁身的分布規(guī)律進行分析。2#樁距托梁3.5 m，不同錨索拉力時土壓力的分布見圖6?？芍?#樁錨索張拉過程中土壓力的變化小，樁基托梁下部土壓力變化相對較小，最大土壓力變化量約為3.28 kPa，樁基托梁下部土壓力變化小的原因主要是下部填土相對較少，擋墻所受的壓力較小，擋墻背后的土體狀態(tài)也相對穩(wěn)定，并未產(chǎn)生大的波動變化。但靠近上部樁基托梁位置土壓力變化較大，可以達到下部土壓力變化量3倍以上。這是由于上部擋墻后部距原地面較遠，填土較多，壓力相對較大，而在錨索不斷張拉過程中頂端錨索的拉伸使得樁板墻向山側(cè)的擠壓不斷增大，因此在靠近樁板墻頂部的土壓力盒受到較大的壓力作用?？傮w上，土壓力變化量不大，樁板墻及樁后的土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明加固后坡體能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時也驗證了新型加固技術(shù)的可靠性。

圖6 土壓力沿樁身的分布

1.6 深部位移的變化規(guī)律

距鎖口3.5 m，2#樁沿孔深的位移見圖7?？芍簶断虏垮^索處于拉緊狀態(tài)，上部錨索未進行張拉，因此底部的土體側(cè)向變形較??；上部的土體有一定臨空向的位移，但由于頂部路堤段沒有施加車輛荷載，因此側(cè)向變形相對較小；隨孔深增加，錨索拉力300、350 kN 時樁位移變化大，能達到其他拉力的十幾倍。第二排錨索進行預(yù)應(yīng)力張拉的過程中，由于上部填土間空隙，錨索張拉時對樁后土體進行了一定擠密，測斜管向山側(cè)有一定的傾斜位移，但位移不大，且受第二排錨索張拉作用樁體上部變形張拉時有所減小，總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此也可以說明分層填土的過程中對樁后土體的壓實存在一定的不足，加強對樁后土體的分層夯實可以有效減少錨索張拉過程中擋墻的側(cè)向位移。第三排錨索由于埋深大，產(chǎn)生的最大位移只有第二排樁的1/4 左右，因而越靠近坡面錨索受力越大，在錨索張拉后的一個月內(nèi)樁位移很小，分層回填過程中變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，支擋結(jié)構(gòu)整體變形相對較小，坡體支護后達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 在錨索張拉過程中2#樁位移

2 荷載作用下支擋結(jié)構(gòu)加固效應(yīng)

采用有限元數(shù)值分析手段建立采用新型支擋技術(shù)加固的破碎路堤模型，在路堤上施加均布荷載模擬填方結(jié)束后服役過程中各種車輛荷載的作用，對路堤邊坡以及填土區(qū)內(nèi)巖土體變形、應(yīng)力以及樁板墻土壓力、彎矩、剪力、變形等參數(shù)進行分析，得到破碎堆積體路堤邊坡加固穩(wěn)定性。

2.1 破碎路堤數(shù)值模型的建立

墻高8.3 m，樁板墻嵌固段長10 m，樁板墻為0.4 m × 0.6 m 矩形截面，錨索有4股，直徑約15.24 mm，錨索孔直徑150 mm。由于地基和填土在線路方向上是連續(xù)分布的，可直接簡化為平面應(yīng)變問題。樁縱向是非連續(xù)分布的，因此需將樁進行平面簡化。為方便計算，根據(jù)樁的剛度與變形的關(guān)系，將計算模型樁的剛度取為實際剛度的1/6，這樣可得到與實體工程相同的變形，填土與樁的相互作用更接近于實際條件。破碎路堤加固數(shù)值模型見圖8。

圖8 破碎路堤加固數(shù)值模型

模型中樁、填土及原地層采用平面應(yīng)變單元，錨索采用桿單元，填土與樁板墻身單元之間設(shè)置接觸面。由于地基為弱風(fēng)化地層，地基強度較大，因此計算過程中忽略初始應(yīng)力的影響。左右兩側(cè)水平方向約束，底面水平方向和豎直方向位移均約束。錨索樁板墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由鋼筋混凝土樁、錨索、擋土板、地基及填土構(gòu)成。采用平面有限元進行模擬。樁板墻、錨索及地基采用線彈性模型，填土按照巖土體的彈塑性模型設(shè)計，車輛荷載的作用采用等效2 m填土荷載模擬。數(shù)值模擬中材料參數(shù)見表1。

2.2 荷載作用下巖土體變形及應(yīng)力分布

施加車輛荷載后，巖土體位移及Von Mises應(yīng)力見圖9。可知：①由于填土的周圍有樁板墻、碎石土的約束，填土位移最大的區(qū)域并非在填土邊界上，而是在填土中心，靠近支擋結(jié)構(gòu)的位移大于靠近坡體。巖土體位移變化較為顯著，在車道附近填土位移約增大4.8 mm，巖土體的最大位移增大3 mm 左右。車輛荷載施加處位移大，且位移由樁板墻處向坡體逐漸減小。巖土體的區(qū)域位移增量不超過樁板墻和錨索的錨固區(qū)，即由于車輛荷載引起的巖土體位移不影響樁板墻和錨索錨固的穩(wěn)定性。②應(yīng)力分布具有明顯分區(qū)變化特征，填土區(qū)至支擋結(jié)構(gòu)間應(yīng)力與其他區(qū)域明顯不同。由車輛荷載施加引起的應(yīng)力傳遞路徑近似豎直向下，由支擋結(jié)構(gòu)附近而逐漸擴散，使錨索錨固區(qū)巖土體的應(yīng)力增加，對錨索的錨固具有增強作用，錨索支護后減少其預(yù)應(yīng)力的損失，有利于加固坡體的長期穩(wěn)定性；樁板墻附近的巖土體應(yīng)力呈分層分布特征，近路堤面附近應(yīng)力出現(xiàn)水平向右逐增的現(xiàn)象。變形和應(yīng)力分布圖均顯示支擋結(jié)構(gòu)加固可以保證在荷載作用下路堤的穩(wěn)定性。

圖9 施加車輛荷載后巖土體位移和Von Mises應(yīng)力分布

2.3 板樁墻的土壓力和彎矩分布特征

施加車輛荷載后樁板墻懸臂段土壓力與彎矩見圖10。其中：彎矩以與填土相鄰側(cè)為正，以背離填方側(cè)為負。

圖10 板樁墻的土壓力和彎矩變化

由圖10可知：

1）在0 ～ 4 m 高度內(nèi)，土壓力隨著高度的增加呈現(xiàn)波動性變化，土壓力比較接近，最大差異不超過15%；高度超過4 m 后，土壓力開始逐漸減??；4 ～ 6 m 高度內(nèi)，土壓力減小相對較為平緩，減小了8.5%左右；高度6 m 后，土壓力迅速減小，達到填土面時土壓力基本為0。在填土底部由于受到地層約束，鎖口附近土壓力減小。

2）施加車輛荷載后，彎矩的變化規(guī)律與土壓力相似。在樁板墻懸臂段上，樁板墻在與填土相鄰側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，彎矩最大值出現(xiàn)在樁板墻懸臂段鎖口上部；在樁板墻錨固段上，樁板墻與填土相鄰側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，彎矩最大值出現(xiàn)在樁板墻錨固段鎖口下部。施加車輛荷載后樁板墻的彎矩值略有減小，樁板墻懸臂段上最大彎矩約91.8 kN·m，樁板墻錨固段上最大彎矩約63.9 kN·m。6 m 高前彎矩呈波動變化，6 m高后彎矩逐漸減小。

2.4 板樁墻的剪力和變形分布特征

施加車輛荷載后樁板墻懸臂段的剪力和位移見圖11。其中剪力以背離填方側(cè)為負。可知：不同段上的剪力方向、形態(tài)與錨索有關(guān)，在錨索與樁板墻相交處樁板墻所受剪力約為0，兩個錨索中間樁板墻所受的剪力最大。剪力呈波動性變化，在1.5 ～ 3.0 m及5.0 ～ 6.0 m 高度內(nèi)，剪力為正，正方向最大值在2.5 m 高度處，負方向最大值在7.0 m 高度處，樁板墻錨固段彎矩方向、形態(tài)受底層控制，在基巖中樁板墻所受的剪力隨著深度的增加而逐漸減小。施加車輛荷載后樁板墻所受剪力略有減小，懸臂段所受最大剪力約為67.9 kN，錨固段上所受最大剪力值約為61.6 kN。

圖11 樁板墻的剪力和位移變化

施加車輛荷載后，樁板墻的變形有所增大，但變形曲線受錨索控制明顯。錨索施加位置樁板墻的變形較小，而其他位置變形明顯，變形整體也呈現(xiàn)波動趨勢，波動周期約為2 m，與錨索施加的間隔符合。變形方向為水平方向背離填方側(cè)，最大變形發(fā)生在鎖口上部約5 m 處，最大變形約為10 mm。車輛荷載作用下樁板墻剪力和變形波動小，不易發(fā)生彎折破壞，加固結(jié)構(gòu)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）分層填土過程中，錨索的拉力隨著時間的增加呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的變化規(guī)律。其中第一排錨索預(yù)應(yīng)力損傷最大，第一級回填時錨索預(yù)應(yīng)力損傷量最大，支護結(jié)構(gòu)的主要變形也產(chǎn)生于該階段。

2）土壓力變化相對穩(wěn)定，樁基托梁下部變化較小而上部變化較大，土壓力的變化受分級回填中填土量影響較為明顯。監(jiān)測孔深度越大，位移相對較小，且第二排錨索的變形大于第一排錨索，但樁基托梁整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）車輛荷載作用后巖土體最大變形出現(xiàn)在填土的中心，其他位置變形相對較小，靠近支擋結(jié)構(gòu)處的變形大于靠近坡體，巖土體區(qū)域變形增量未超過樁板墻和錨索的錨固區(qū)。應(yīng)力增量分布具有明顯分區(qū)變化特征，樁板墻附近巖土體應(yīng)力增量具有明顯分層分布特征，且靠近樁板墻以及接近路堤面區(qū)域增量相對較大。

4）隨著樁板墻高度的增加，彎矩和土壓力呈波動變化，達到一定高度后，土壓力與彎矩衰減速度增大。剪力和變形隨著樁板墻高度的增加呈波動性變化，剪力在與填土相鄰側(cè)和背離填土側(cè)差異較為明顯，而變形除在5 m 處相對較大，其他深度位移變化具有明顯的周期性特征。

5）新結(jié)構(gòu)是將原結(jié)構(gòu)下部的抗滑樁替換成多次分段控制注漿的鋼花管，可有效減少挖樁帶來的造價高、施工風(fēng)險大、挖孔工期長等弊端?，F(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬表明該新結(jié)構(gòu)支擋效果明顯，滿足工程施工和后期服役中穩(wěn)定性需要。