膨脹土高邊坡多級組合式支擋結構力學特性現場試驗研究

楊果林，李琪煥，段君義，羅桂軍，肖洪波，楊天堯

(1.中南大學土木工程學院，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，含有高質量分數的蒙脫石礦物，易產生脹縮變形，屬于典型的工程災害土[1]。在膨脹土地區進行工程邊坡支護時，常見的處置原則有化學改良[2]、以柔治脹和剛柔兼濟[3]。對于超高邊坡，將多級組合式支擋結構應用于膨脹土高邊坡的防護是一種被廣泛采用的建造方法，但目前關于服役期間支擋結構所受膨脹力對結構內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構內力分布規律對工程設計與施工具有參考價值。關于膨脹土地區支擋結構受膨脹力作用下的內力分布規律，現有研究手段主要有模型試驗、室內實驗、現場試驗、數值模擬等。張銳等[4]應用自行設計的二維膨脹儀，獲取了廣西百色膨脹土側向膨脹力并總結出表征公式。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特性與變形機理進行了研究。孫書偉等[6]通過對高路堤工程開展現場原位監測，對抗滑樁、樁間板及預應力錨索受力規律進行了總結。李雄威等[7]發現在膨脹土地區推行框錨支護有利于釋放所受膨脹力，穩定效果較好。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效果和樁應力變形響應規律。張銳等[10]通過引入側向膨脹力，改進了加筋格柵膨脹土邊坡的穩定性分析方法，并應用于實際工程的優化設計。李哲等[11]進行了黃土邊坡懸臂式和全埋式抗滑樁現場縮尺試驗，分析了2類模型樁的破壞模式與承載特性。LIU等[12]推導了基于室內試驗的側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。為優化膨脹土邊坡的抗滑樁設計，韓愛民等[13-14]通過FLAC3D軟件研究了預應力錨桿框架梁的支護效應、優化方法和滑坡抗滑樁內力的分布規律。趙曉彥等[15]為充分發揮抗滑樁與錨索這2種組合加固方案的力學優勢及相互協調受力關系，給出了上部坡面錨索+下部坡腳抗滑樁的組合式支擋結構的設計方法。國內外研究表明，組合式支擋結構能夠起到更好的邊坡支護效果。

在降雨作用下，雨水隨膨脹土邊坡裂隙下滲，引發膨脹土脹縮變形，進而引發邊坡失穩破壞。KHAN等[16]對德克薩斯高速公路破壞邊坡進行了研究，發現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行了數值模擬，指出維持邊坡含水率以減少干燥裂縫產生，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定性計算方法，發現降雨強度、時間和裂隙發育位置對膨脹土邊坡穩定性的影響較大。夏炎等[19]通過應用土工膜以隔絕水分，結合抗滑樁支護，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定性進行了現場監測，指出降雨導致土壓力迅速增大，不利于筋帶強度發揮。大量研究表明，對于膨脹土邊坡，在設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，人們對膨脹土地區支擋結構的承載能力及內力分布規律進行了大量研究，從模型試驗、理論推導等方式考慮了膨脹土側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定性的影響。然而，有關膨脹土多級組合式結構支護邊坡在長期雨熱作用下的結構內力現場實測結果較少，故需進一步研究其在干濕循環作用下內力響應的力學機制。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構工程實例，對抗滑樁與錨桿(錨索)框架梁組合成支擋結構在雨季中的受力特性進行長期現場監測，分析多級組合式支擋結構力學響應與膨脹力響應規律。

1 工程概況與監測方案

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構支護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%。直剪試驗結果表明，其黏聚力為25 kPa，內摩擦角為13°，可見該邊坡土體具有弱膨脹性。

圖1 膨脹土高邊坡支護結構施工圖Fig.1 Construction diagram of supporting structure for expansive soil high slope

膨脹土高邊坡結構及監測點布置如圖2所示，其中，膨脹土高邊坡監測點布置見圖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+框架梁進行支護，錨索按與水平面夾角20°布置，錨索節點間距為4.0 m，錨索設計張拉段長度1.5 m，錨固段長度10.0 m。錨索設計張拉力為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+框架梁進行支護，框架梁節點間距為2 m，錨桿設置于梁節點處。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 監測方案

為分析實際服役環境下膨脹土高邊坡組合式支擋結構的工作狀態，對該膨脹土邊坡進行了長期監測，監測參數包括抗滑樁樁后土壓力、樁身鋼筋應力、樁頂豎向位移、框架梁節點處壓力、錨索預應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測點的布設情況如圖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 對混凝土應變計(編號為P1～P8)，框架梁后埋設了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)，邊坡位移監測點沿I-I 斷面布置了12 個測點(編號為x1～x12)。監測儀器具體參數見表1。

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

圖2 膨脹土高邊坡結構及監測點布置Fig.2 Structure of expansive soil high slope and layout of monitoring points

2 降雨量統計與土體濕度變化

試驗段位于廣西百色地區，該地區為典型的多雨地區，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，該地區長年氣候環境具有反復干濕循環的特點，這影響膨脹土邊坡的長期穩定性。結合該地區氣候環境特點，獲得涵蓋整個雨季的膨脹土邊坡支護結構后土體濕度的變化規律。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行分析，降雨量與土體濕度隨時間的變化如圖3所示(監測日期從2020-04-30 至2020-08-14)。由圖3可知：在深度1 m之內，土體濕度受降雨環境影響顯著，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小；土體濕度響應存在滯后性，這是因為降雨入滲需要一定時間；在整個監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，而后續月份雨量較小，這導致土體濕度呈現出先增大后減小的變化趨勢。整體上，降雨量隨時間呈現出先增后減的規律，因此，膨脹土邊坡內膨脹土可能會產生顯著的脹縮變形。

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 監測數據分析與討論

3.1 樁后土壓力分布規律

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境影響劇烈有關。距樁頂深度3 m和4 m處樁后土壓力整體上呈現下降規律，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，樁后土壓力隨時間表現出增大趨勢。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參數按Rankine土壓力理論計算得到，其中，靜止土壓力系數K0為0.775。樁后實測土壓力平均值為監測期內樁后土壓力平均值。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。由于樁板墻結構屬于剛性結構，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，框架梁極易出現破損，故框架梁后土壓力與邊坡坡面位移的監測時間延長至2020-11-21。由圖6可知：框架梁后土壓力最大值出現在第1 級邊坡，達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 個斷面錨索拉力監測值的變化，現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指標。錨索拉力增量最大值位于M7 處，達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行相關性分析，結果如圖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的正相關關系，相關系數將近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性系數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時所監測的坡面垂向位移(以2020-04-30 為監測起始期，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20 mm，且呈現出上大下小的分布特征，其中，在邊坡下部甚至出現了負值，這可能與邊坡下部所施加的錨索力較大有關；2 次監測位移相差較小，小于9 mm，表明坡面垂向位移的增長速度趨緩，多級組合式支擋結構具有良好的支護作用。

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 號樁上的混凝土應變計應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變計前、后應變；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合材料，應用復合材料彈性模量公式得到中性軸慣性矩I為0.56 m4。另外，剔除溫度對結構體變形的影響，相關計算公式如下：

式中：E′為復合體的彈性模量；A為復合體的總截面面積；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變；ε為測量應變；F和F0分別為鋼筋和鋼弦線膨脹系數，F=12.2με/℃，F0=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

根據經典彈性彎曲理論，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。

應用Matlab 內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，經驗算，5 次多項式下擬合效果最好，如圖11所示，對應的擬合公式如下：

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

對式(6)求導得

式中：pi(i=1，…，6)為擬合參數。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)，表明樁身側向土壓力作用方向在該深度位置發生改變，樁身受力最不利位置發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

將樁身應變與起始監測時(2020-04-30)的應變相減，可得到抗滑樁沿樁身的應變增量曲線，進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，在監測期內樁身彎矩增量呈增大趨勢；樁身彎矩增量最大值出現在埋深5～6 m處；在自由端埋深0～4 m內，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，降雨在樁前土體下滲導致頻繁干濕循環作用，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 結論

1)樁后淺層土體濕度受降雨環境影響顯著，但土體濕度對環境氣候變化的響應存在滯后效應。隨著深度增加，土體濕度增大，深層土體的膨脹潛力較小。邊坡內膨脹土可產生顯著的脹縮變形，進而導致樁后土壓力出現波動。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之一。

3)樁后彎矩增量沿深度呈反C 形分布，最大彎矩出現在樁頂以下深度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構可用于膨脹土高邊坡的支護加固。