旋噴樁加固樁板墻樁前軟弱地基模型試驗

李丹峰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

樁板墻是一種常見的巖土工程支護結構，被廣泛應用于基坑邊坡、路基邊坡的加固工程，被稱為治理滑坡災害的“重型武器”。近年來，隨著中國鐵路路網密度逐年增加，鐵路穿越軟弱黃土地區所面臨的技術問題日益突出，引起越來越多的學者和工程技術人員的重視。李尋昌等通過模型試驗分析了抗滑樁與巖土體間相互作用力的分布規律[1-2]；劉洪佳等對抗滑樁加固的滑坡進行了試驗研究，分析了滑坡的破壞模式、樁身應變及樁周土壓力的變化規律，為抗滑樁的設計提供了試驗基礎[3-6]。黃治云等通過模型試驗，揭示了樁板墻背側土拱效應與荷載分配之間的聯系[7]；劉國楠等通過建立1∶7的邊坡模型探討衡重式樁板擋墻結構的土壓力分布模式[8]；倪號葉等基于強度折減法對樁板墻加固邊坡的方案進行分析[9]；羅渝等根據多塊體滑移理論，提出了一種新的分析樁板墻結構穩定性的方法[10]。可以看出，前期學者主要對抗滑樁的的極限承載力以及土壓力分布規律進行系統研究，但對加固后樁板墻復合地基樁土相互作用機理的研究較少。

旋噴樁具有施工便捷、成樁率高及成本較低等優點，在淤泥、粉土和黃土等軟弱地基加固中被廣泛應用[11-13]。鑒于黃土地基特點，嘗試采用旋噴樁對樁前地基進行加固，以提高樁前黃土嵌固段地層的側向承載力。以下依托蒙華鐵路工程開展旋噴樁加固樁板墻樁前地基模型試驗，對不同樁長下樁板墻樁身彎矩、樁頂水平位移及土壓力的變化規律進行研究，并探討旋噴樁加固樁板墻墻前地基的合理深度。

2 樁板墻模型試驗概況

2.1 工程背景

蒙華鐵路三門峽段某區間采用樁板墻進行邊坡防護，樁板墻錨固樁為2.0 m×3.0 m的矩形截面，樁長24 m(懸臂8 m)，樁間距5 m。由工程地質勘探資料可知，該區域普遍分布有一定厚度的新黃土，土質較均勻、結構松散且具有顯著的濕陷性和軟弱性，巖土體強度較低。因此，大量邊坡需要樁板墻進行邊坡防護[14-15]。

2.2 試驗準備

為獲取合理的施工參數，設計了仿真模擬試驗。試驗在1.5 m×1.5 m×1.3 m(長×寬×高)的模型箱內進行，模型箱主要由鋼面板組成，通過高強螺栓將各面板按預留槽位固定。采用方形鋼管和木板模擬樁板墻，采用PVC管內灌注石膏來模擬旋噴樁(石膏∶水=2.5∶1)。模型材料填筑前，為減小箱體內表面與模型材料間的邊界摩擦效應，在模型箱內壁上均勻涂抹一定厚度的潤滑油。選取性質均勻的新黃土進行分層填筑，其黏聚力為35 kPa，內摩擦角約為25°，重度為18.5 kN/m3，按照預定的壓實度進行分層填筑，每層填筑200 mm，每層填筑完成后夯實均勻鋪平，再準備下一層的填筑。

本次試驗中，按照1∶20的比例對樁板墻工點進行等比例縮放，共埋設5根抗滑樁的模型樁，樁板墻的抗滑樁采用15 cm×10 cm×120 cm(長×寬×高)的方形鋼管，其中懸臂段長0.4 m，錨固段長0.8 m，樁間距為0.5 m，邊樁與模型箱邊界的距離為20 cm；擋土板采用1.5 m×0.4 m(長×寬)的木板，模型布置如圖1、圖2所示。試驗過程中，將旋噴樁擠壓于樁板墻樁前地基土內，以模擬樁板墻樁身受力及周邊土壓力傳遞。旋噴樁樁徑為3 cm，樁長分別為15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm，樁間距6 cm。

圖1 模型剖面(單位：mm)

圖2 模型俯視(單位：mm)

2.3 試驗測試

試驗采用LY-350應變式微型土壓力盒、BFH120-3AA電阻應變片和百分表采集樁身內力、樁頂位移、樁前地基土壓力的變化。在樁板墻的樁身前后等間距粘貼應變片，并通過NI9237動態應變儀采集樁身應變數據，如圖3(左)所示；在樁板墻樁身的前后沿樁長對稱布設土壓力盒，如圖3(右)所示，土壓力的采集選用XL2101A24靜態電阻應變儀和DH3816應變測量系統；在樁的頂部布設百分表監測位移。通過液壓千斤頂對填土后側的推土板施加水平荷載以產生不同大小的水平推力。推土板為厚10 mm的鋼板，在推土板和千斤頂中間添加10 mm厚的鋼板以分散千斤頂的集中荷載。土體后部的鋼板上粘貼LY-350型土壓力盒以實時監測千斤頂施加荷載的大小，每級水平推力荷載設為500 N，分10級加載。在每級荷載施加之后，均保持荷載恒定(5 min左右)，待上一級荷載作用下樁板墻的樁頂位移穩定后，方可進行下一級荷載的施加。

圖3 應變片和土壓力布置

3 試驗結果分析

3.1 旋噴樁樁長的影響

為研究不同樁長旋噴樁加固對樁板墻的樁身承載力和樁體位移的影響，選擇旋噴樁樁間距為6 cm，樁長分別為15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm共5種工況，對樁體變形進行對比分析。

圖4 樁頂水平位移測試曲線

圖4為樁板墻的樁頂位移隨樁長增加的變化曲線。以樁長75 cm的旋噴樁為例，樁板墻的樁頂位移隨著橫向荷載的增加分別增長了2.03 mm、2.23 mm、2.65 mm、3.44 mm、6.02 mm，故樁板墻樁頂位移隨橫向荷載的增加逐漸增大。在加載過程中，樁板墻的樁頂位移隨旋噴樁樁長的增加逐漸減小。加載完畢后，在樁前地基土未加固時，樁頂位移為19.58 mm；隨著旋噴樁樁長的逐漸增加，樁頂位移分別降低了16.93%、20.02%、23.69%、25.23%、25.62%，減小趨勢逐漸減緩。因此，采用旋噴樁進行加固，可以在一定程度上減小樁板墻的樁頂位移。

圖5 樁后土壓力變化曲線

圖5為樁后土壓力變化曲線。由圖5可知，樁后土壓力隨旋噴樁樁長的增加而增大，且主要集中在滑面以上的懸臂段部分。樁后埋深0.3 m處的土壓力變化最為明顯：在樁前地基未采用旋噴樁加固時，土壓力為98.11 kPa；從未加固到加固深度為150 mm、300 mm時，樁后土壓力增長率分別為21.46%、20.78%；從300 mm增加到450 mm、600 mm時，土壓力分別提高了16.19%、14.21%；從600 mm增加到750 mm時，土壓力變化僅為8.79%。嵌固段的土壓力并未隨樁長的增長發生明顯變化。

圖6為樁前土壓力變化曲線。由圖6可知，樁前土壓力沿嵌固段向下逐漸減小，在橫向荷載作用下，樁前埋深2 cm處土壓力變化較大，隨著旋噴樁樁長的增加，該測點的樁前土壓力值分別提高了12.54%、19.38%、22.47%、25.51%、24.17%。由此不難發現，樁前土壓力隨旋噴樁樁長的增加逐漸增大，但增幅較小；樁前嵌固段的中下部的土壓力值并無較大的變化。因此，樁身水平承載力主要是由嵌固段淺層一定范圍內的土體控制。

圖6 樁前土壓力變化曲線

圖7 樁板墻樁身彎矩變化曲線

圖7為樁板墻樁身彎矩隨旋噴樁樁長改變的分布情況。樁板墻的樁身穩定性主要由嵌固段的嵌固作用和受荷段樁體抗力維持，因樁板墻的嵌固段較深，滑面以下主要受樁前抗力和樁底土體抗力，滑面以上主要為滑坡推力。因此，其彎矩分布為樁頂為0，滑面附近處達最大值。當旋噴樁樁長由15 cm增加到45 cm時，樁板墻樁身彎矩增幅較大(提高了27.8%)，隨著旋噴樁樁長增加到75 cm，樁身彎矩變化幅值較小(僅提高了4.17%)。測試結果表明，增加旋噴樁樁長可有效提高其水平承載力，對增強邊坡穩定性效果較明顯。綜上所述，旋噴樁的樁長一般不宜過長，當旋噴樁的加固深度超過樁板墻嵌固段長度的75%時，繼續增加旋噴樁長度對控制樁身水平變形的作用很小。

3.2 樁前土壓力對比分析

為研究樁板墻在樁前地基加固前及加固后2種條件下，橫向荷載的變化對樁板墻樁身承載力的影響，選擇樁長為45 cm、樁間距為6 cm的旋噴樁對樁板墻樁前地基土進行加固，對樁體變形進行對比分析。

圖8 C樁樁前壓力變化曲線

圖8為C樁的樁前土壓力的變化曲線。由圖8可得，當樁前地基未進行加固時，樁前土壓力呈中間大兩側小的三角分布，土壓力變化主要集中于滑面以下30 cm處；樁前土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸變大，當橫向荷載一定時，樁前土壓力沿樁身先增大后減小，樁前土壓力在埋深30 cm處達到最大值后向下迅速遞減。這是由于抗滑樁在橫向荷載作用下樁體擠壓樁前土體發生轉動，樁底與樁前下部土體隨著荷載的增加逐漸分離，土壓力隨荷載的增加逐漸減小。采用旋噴樁對樁前地基進行加固后，樁板墻樁前地基的中上部所承受的土壓力增大，主要表現為位于樁前埋深18 cm位置處的土壓力有較為明顯的變化，如圖8(b)所示，采用旋噴樁加固樁前地基提升了樁前地基的側向剛度。測試結果表明，隨著橫向荷載的增加，10～30 cm范圍內的土壓力變化較大，地表土壓力值變化較小，樁身水平承載力主要由嵌固段淺層一定范圍內的土體控制，旋噴樁加固對提高樁前嵌固段中上部復合地基的地基側向抗力尤為關鍵。

圖9為C樁的樁后土壓力與橫向荷載的變化關系曲線。由圖9可知，樁前地基加固前，樁后土壓力隨著橫向荷載的增加而增大，并且樁前地基加固后，該位置的樁后土壓力提升明顯，尤其是埋深30 cm處的土壓力，樁后土壓力在最后一級橫向荷載(5 kN)施加后，相較于加固前提高了35.81%。測試結果表明，樁前地基的加固提高了樁前地基水平承載力，并在一定程度上增強了樁板墻樁體本身的抗傾覆能力，更好地發揮了樁板墻的抗彎承載特性。C樁樁后埋深為0.42 m處的土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸減小，這是由于樁板墻樁身在樁后橫向荷載和樁前土體抗力的共同作用下發生了一定的位移變形，滑面以下的樁體與樁后土在橫向荷載作用下產生一定的側移及轉動，受樁土相對位移影響，在樁轉動中心附近逐漸形成一定范圍的脫空區，造成脫空區范圍內的樁后土壓力較小；C樁樁后埋深為1.14 m的土壓力隨著橫向荷載的增加逐漸變大，這是由于樁板墻整體繞樁底產生一定程度的轉動，致使樁底部與樁后土產生顯著的擠壓變形，故樁底附近樁后受到的土壓力較大。

圖9 C樁樁后壓力變化曲線

4 結論

(1)模型試驗測試結果表明，采用旋噴樁加固樁前地基有效地改變了樁板墻的受力狀態，提高了樁前地基水平承載力，使樁板墻可承受較大的樁前土推力，更好地發揮樁板墻的抗彎承載特性。

(2)旋噴樁的樁長一般不宜超過樁板墻嵌固段的75%，因為過長的樁體增加了工程投資，但對樁板墻的加固效果極為有限。

(3)由樁前土壓力的分布曲線可知，樁前土體抗力隨著荷載的增加不斷增大，樁身水平承載力主要由嵌固段淺層一定范圍內的土體控制，故旋噴樁加固對提高樁前嵌固段中上部復合地基的地基側向抗力尤為關鍵。

(4)在試驗過程中，模型樁在橫向荷載作用下與其樁后嵌固段的土體發生分離現象，形成一定程度的脫空區。因此，嵌固段的樁體受到的土體抗力較小，樁板墻整體繞樁底產生一定程度的轉動，致使樁底部與樁后土產生顯著的擠壓變形，故樁底附近樁后受到的土壓力較大。