膨胀土边坡桩板墙墙后减胀层设计研究*

2022-11-09刘继红衣忠强杨果林夏晓鹏李琪焕

施工技术(中英文) 2022年20期

刘继红，衣忠强，杨果林，夏晓鹏，李琪焕

(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

膨胀土遍及5个大洲的40多个国家和地区[1]，因遇水后土体体积迅速膨胀而得名。不同于普通岩(土)体边坡处置时仅需考虑岩(土)压力或滑坡推力对支护结构的作用，膨胀土作为特殊土，增湿后的体积膨胀一旦被限制，产生的膨胀力对支护结构的影响往往不容忽视，甚至可能成为威胁支护结构安全的主要外力。多部国家及地方标准建议使用桩板式挡土墙(以下简称“桩板墙”)作为膨胀土地区工程边坡的支护结构[2-4]。这是因为相较于重力式挡墙，桩板墙结构悬臂段在荷载作用下可产生一定程度变位，土体膨胀变形被释放，作用于桩板墙结构上的膨胀力得以减小。但在实际工程中，为保障膨胀土坡体或滑体稳定，桩板墙设计刚度往往较大，结构整体变位能力较差，作用于桩板墙墙后的侧向膨胀力很难通过结构变位进行大幅度消减。为解决上述矛盾，部分学者提出在膨胀土中掺入粉煤灰[5]、石灰[6]、生物炭[7]、橡胶纤维[8]等成分削弱膨胀土膨胀性。但上述处置均需进行较大范围开挖和回填，仅适用于部分边坡工程。为简化施工工序、降低成本，寻求普适性的减胀或减载工艺，Kaneda等[9]对挡土墙-夹层-挡土体系受力机理进行研究。杨果林等[10]进一步得出了在桩板墙后设置砂石反滤层能有效减小墙后所受侧向膨胀力的结论。随着新兴材料发展，郑俊杰等[11-13]发现，在刚性挡土墙后设置EPS板材能有效增大墙后土体侧向位移，促使挡土墙后土压力逐步减小至主动土压力，墙体抗倾覆能力得以提高。但该材料用于膨胀土边坡的报道较少，对其应用于膨胀土边坡支挡结构后能否减胀、材料参数选择范围尚不明确，阻碍了该材料在工程中的应用。为解决上述问题，利用ABAQUS软件进行减胀材料的减胀及参数分析，并在得出相关结论的基础上应用于实际工程进行验证，以推广该技术。

1 数值模拟

1.1 理论基础

缪协兴[14]认为膨胀岩土体吸湿后体积膨胀类似于材料在温度效应下的体积变化。温度场热传导方程与非饱和土的渗流微分方程在形式上较接近，可用温度场等效湿度场考虑膨胀土膨胀行为。材料热传导和非饱和渗流的微分方程表达式如式(1)，(2)所示：

(1)

式中：λx，λy，λz分别为热传导系数λ在x，y，z3个方向的分量；T为热力学温度；CT为比热容；t为时间。

(2)

式中：kx，ky，kz分别为渗透系数k在x，y，z3个方向的分量；w为含水率，Cw为比水容量；t为时间。

在热力学中，材料在受热变形后膨胀应变εT与升温量ΔT关系如式(3)所示：

εT=αTΔTδ

(3)

含水率改变后膨胀应变εw与含水率变化量Δw关系如式(4)所示：

εw=αwΔwδ

(4)

式中：αT，αw分别为热膨胀系数和增湿膨胀系数；δ为克罗尼克记号。

令εT=εw，联立式(3)，(4)则有：

(5)

现场实测[15]当地水平膨胀力为51～68kPa，为获取膨胀土热膨胀系数，建立环刀模型，当温度由30℃升至80℃时，试算得该地膨胀土热膨胀系数约为6.650×10-5/℃，这与申权等[16]的计算结果相差不大。

1.2 模型建立及参数选择

利用ABAQUS计算软件建立如图1所示数值分析模型。在选择计算本构时，膨胀土与底部泥岩夹泥质粉砂岩采用莫尔-库仑模型，桩、板则使用弹性模型进行计算分析，其他相关参数如表1所示[17]。

图1 数值分析模型(单位：m)

表1 材料物理力学参数

其中，桩身悬臂段截面为T形，采用此种截面模式主要是为满足挂板需要，悬臂段以下桩身为矩形截面。因模型边界对有限元计算精度有较大影响，文献[2]指出建模时坡脚至左端边界的距离不小于坡高的1.5倍，坡顶至右端边界的距离不小于坡高的2.5倍，且上、下边界总高不低于2倍坡高时，即可有较高模拟精度，故在建立模型时，模型左、右边界距离为40m，上、下边界距离为22.5m。年廷凯[17]对抗滑桩加固三维边坡数值计算中桩与边坡体系的计算模型尺度选择问题进行了探究，认为建立的分析模型宽度可取1倍桩间距和2倍桩间距，前者模型尺度虽已满足计算精度要求，但为更好地模拟现场实际和后续参数分析的需要，此处模型选用后者模型尺度。

桩板墙和岩土间的界面摩擦通过ABAQUS中的接触对(contact pair)实现，接触面法向采用罚函数的接触约束算法和硬接触形式，切向采用摩擦模型进行模拟，界面摩擦系数近似取为tan(2φ/3)(φ为岩土体内摩擦角)。Mohamad等[18]指出混凝土构件界面摩擦系数不会显著影响数值模拟结果，故桩与板的接触摩擦系数按经验取0.4。根据地质勘察报告显示，桩板墙嵌入的地层为泥岩夹泥质粉砂岩，属于软质岩层，桩体发生变形的方式主要是绕嵌固段中某点发生偏转，故桩身在嵌固段选用摩擦约束。膨胀土地区桩板墙结构力学与变形特性受土体含水率变化的影响较大，故有必要获得水分入渗(降雨)后桩后、板后土体含水率分布与深度的关系。

土体水分迁移完成后，土体体积含水率在不同降雨强度下随深度的变化趋势如表2所示。由表2可知，土体体积含水率与深度呈良好的线性关系。故在数值分析时，降雨后土体湿度随深度的分布可按线性变化关系设定。为方便数值分析，对现场含水率读数进行均值化处理，雨后土体体积含水率分布如图2a所示。同时，考虑现场桩板墙悬臂段底部存在混凝土开裂，雨水从悬臂段底部入渗而致使未处于大气影响深度范围的土体发生湿度变化，为反映现场实际，同步建立如图2b所示数值分析模型。

表2 不同降雨强度下体积含水率与深度的关系

图2 数值分析模型

1.3 模型验证

土体膨胀后桩后土压力实测值与模拟值对比如图3所示，可以明显得出墙后土压力实测值接近静止土压力，仅在深度1m处的实测值明显增大，考虑监测元器件异常或滞水而存在水压。由模拟结果可知，考虑悬臂段底部渗水工况与实际土压力值更接近，而不考虑悬臂段渗水情况，模拟值与实测值在距离桩顶5.5～6.0m位置处的最大差值达30kPa。可见，若悬臂段底端防水工程质量较差而导致雨水入渗，则会显著影响结构受力。观察2种工况下桩身弯矩变化(见图4)，桩板墙底部渗水会增大悬臂段桩身弯矩。

图3 桩后土压力实测值与模拟值对比

图4 桩身弯矩实测值与模拟值对比

板后土压力实测值与模拟值对比如图5所示，与图3所示桩后土压力对比后发现，实测板后土压力与桩后土压力相差不大。但由图3～5可知，是否考虑桩板墙悬臂段底部渗水，对板力学响应的影响相较于桩更大：桩板墙悬臂段底部渗水后，板顶2m以下深度的板体受力增大2倍，这会对板的整体安全服役造成不利影响。

图5 板后土压力实测值与模拟值对比

总之，做好膨胀土地区桩板墙悬臂段底部防渗十分必要，虽然在桩板墙设计时将抗滑桩作为主要承力构件，但实际工程表明，超挖卸荷、土体膨胀、结构质量缺陷导致的土体浸水软化等因素均会导致桩间土拱效应被削弱，板体将承受不低于桩身的荷载作用。

1.4 参数分析模型及说明

为方便横向比较，参数分析在1.3节基础上展开。工程经验表明，翼缘板板后置板式桩板墙和桩后挂板式桩板墙应用较多，故建立如图6所示2类数值模型进行减胀层参数分析。

图6 2类工程常用桩板墙形式

值得说明的是，由于在桩板墙与土体间设置的减胀层涉及桩板墙-减胀层和减胀层-土体间的界面摩擦，在数值分析时使用ABAQUS软件中的面-面接触以模拟其实际情况。因桩板墙与减胀材料间界面较光滑，故桩板墙-减胀层界面摩擦系数取0.5，参考Meguid等[19]在数值分析中的取值，减胀层(EPS板材)-土体界面摩擦系数取0.6。

2 参数分析

2.1 弹性模量分析

砂石反滤层弹性模量一般为20～40MPa；如在砂石中掺入橡胶颗粒作为减胀层，弹性模量为10～20MPa；在膨胀土中掺入橡胶粉作为减胀层，弹性模量在10MPa以内。若使用EPS板材作为减胀层，因其是由发泡泡沫颗粒热压而成，根据需求密度的不同，弹性模量也随之改变。常用EPS板材密度及对应的弹性模量如表3所示[20-21]。为研究不同减胀材料对膨胀土地区桩板墙受力的影响，拟定减胀材料弹性模量变化为40，30，20，10 ，5，2MPa，材料厚度固定为50cm。

表3 常用EPS板材密度及对应的弹性模量

1)翼缘板板后置板式桩板墙

在翼缘板板后置板式桩板墙结构后设置不同减胀材料时，桩后、板后土压力分别如图7，8所示。由图7,8可知，减胀层弹性模量越小，土压力消减量越大。特别是减胀材料弹性模量为2～5MPa时，作用于板后的土压力削减幅度达70%以上。通过对桩-板土压力分担比分析可知(见图9)，在减胀层弹性模量由2MPa增加至40MPa过程中，桩-板压力分担比呈现减小趋势，且在小弹性模量(<10MPa)时变化速率较快，在15～40MPa时变化趋稳。

图7 不同减胀层弹性模量下桩后土压力

图8 不同减胀层弹性模量下板后土压力

图9 不同减胀层弹性模量下桩-板土压力分担比

2)桩后挂板式桩板墙

桩后挂板式桩板墙结构桩后、板后土压力随减胀层材料弹性模量的变化规律分别如图10，11所示。其变化规律虽与翼缘板板后置板式桩板墙结构相似，但值得指出的是，在桩后挂板式桩板墙后设置减胀层的作用效果更明显。尤其对于板后土压力，减胀材料弹性模量每减小10MPa，板后土压力下降8～10kPa,而对于翼缘板板后置板式桩板墙仅在减胀材料弹性模量10MPa以下时土压力的消减效果更明显。由图10可知，随着板后减胀材料的弹性模量由2MPa变化至40MPa，作用在桩身1～5m的土压力逐渐增大，最大增幅达50%以上。

图10 桩后挂板式桩板墙在不同减胀层弹性模量下桩后土压力

图11 桩后挂板式桩板墙在不同减胀层弹性模量下板后土压力

由图12可知，随着减胀材料弹性模量从40MPa减小至2MPa，桩-板土压力平均分担比由0.97变化至8.4，提升近9倍，可见柔性减胀材料对桩后挂板式桩板墙的受力优化效果明显优于翼缘板板后置板式桩板墙结构。

图12 桩后挂板式桩板墙在不同减胀层弹性模量下桩-板土压力分担比

2.2 减胀层厚度分析

为得出合适的EPS板材厚度，考虑t/H(t为EPS板材厚度，H为桩板墙悬臂段长度)为0.03～0.30。为方便研究，固定悬臂段长度H为5.5m，EPS板材弹性模量为5MPa，建立翼缘板板后置板式与桩后挂板式桩板墙三维数值分析模型，则相对应的EPS板材厚度如表4所示。

表4 参数对应关系

1)翼缘板板后置板式桩板墙(仅在板后使用EPS减胀材料)

翼缘板板后置板式桩板墙在板后设置不同厚度EPS板材后，桩后及板后土压力分别如图13，14所示。当EPS板材厚度由0变化至120cm时，桩后土压力逐渐增大，而板后土压力逐步减小，但EPS板材厚度每增加10cm，桩后土压力增大量与板后土压力减小量的变化幅度<1%，仅当EPS板材厚度>1m时，板后土压力消减幅度可达25%。可见对于翼缘板板后置板式桩板墙，应选用较厚EPS减胀材料对该类型桩板墙进行减胀。

图13 翼缘板板后置板式桩板墙设置EPS板材的桩后土压力

图14 翼缘板板后置板式桩板墙设置EPS板材的板后土压力

2)桩后挂板式桩板墙(在桩后和板后皆使用EPS减胀材料)

由图15及图16可知，随着EPS板材厚度增加，作用于桩后挂板式桩板墙墙后的土压力逐渐减小。当t/H≥0.054(即EPS板材厚度为30cm)时，桩后及板后土压力大幅度减小，故建议桩后挂板式桩板墙选用EPS板材对侧向土压力进行消减时，材料厚度应>30cm。值得说明的是，桩板墙墙后土压力随着EPS板材厚度的增加，墙后土压力均匀化愈加明显。EPS减胀材料对桩后挂板式桩板墙墙后受力改善更明显。

图15 桩后挂板式桩板墙设置EPS板材的桩后土压力

图16 桩后挂板式桩板墙设置EPS板材的板后土压力

由以上分析表明，改变EPS板材厚度对桩后挂板式桩板墙的影响更显著，墙后土压力基本随着EPS板材厚度的增大而减小。但当EPS板材厚度>50cm后，土压力变化不显著。鉴于工程成本及效用，对2类桩板墙的减胀设计时，翼缘板板后置板式桩板墙应着重考虑EPS板材弹性模量，而厚度可根据造价和施工工艺酌情选择；而对于桩后挂板式桩板墙则需综合考虑EPS板材弹性模量和厚度。

2.3 减胀层深度分析

从节省造价和方便施工的角度考虑，若能通过较小的EPS板材埋设深度达到理想的减胀效果，则可减少开挖或节约材料。故本节考虑仅在桩板墙桩顶向下2.0，3.0，5.5m(悬臂段总长度h)位置处布设减胀材料，探究减胀层设置深度对桩板墙受力的影响。

2类桩板墙墙后不同深度布设EPS减胀材料，桩后、板后土压力分别如图17，18所示。由分析可知，EPS板材设置深度会影响其减胀或减载效应，悬臂段满布EPS板材比仅在大气剧烈影响深度范围内(1～3m)布设的方式更优。对于翼缘板板后置板式桩板墙，随着EPS板材设置深度增大，满布悬臂段长度(即布设范围为0～5.5m)时，桩后土压力比设置深度为0～3m时有明显增大，而板后土压力则表现为满布悬臂段长度时土压力最小。对比分析桩后挂板式桩板墙，随着EPS板材布设深度的增大，桩后、板后土压力均有所减小，当EPS板材设置深度为5.5m时，作用于桩板墙墙后土压力均为最小值。综合分析，在使用EPS减胀材料对桩板墙所受土压力进行消减时，应在其悬臂段部分进行通长布设。

图17 翼缘板板后置板式桩板墙桩后、板后土压力

图18 桩后挂板式桩板墙桩后、板后土压力

3 现场试验验证

3.1 工程概况

现场断面如图19所示，该工点共设计11根矩形抗滑桩，桩身截面尺寸为1.75m×2.50m，悬臂段长度为5.0m。抗滑桩桩间由10块钢筋混凝土挡土板组成，板高0.50m、厚0.35m，采用工厂预制、现场拼装的模式进行施工。现场除8，9号抗滑桩的桩后挂板外，皆设有50cm厚袋装碎石。为获得柔性材料在实际工程中的减胀效果，在8～9号桩桩间板设置厚30cm、密度16kg/m3的 EPS板材，并布设有相关监测仪器进行实时监测。同时，为解决墙后排水问题，选用导水性能良好的麦克排水垫设置于EPS板材后。

图19 现场断面

3.2 数据分析

4～5号桩桩间板后土压力如图20所示，8～9号桩桩间板后土压力如图21所示。由图20,21可知，EPS板材减胀效能并未完全发挥的前提下，设置有EPS板材的8～9号桩桩间板后土压力明显小于设置袋装砂石层的板后土压力。究其原因是EPS板材相较于袋装砂石反滤层有较强变形能力和较小弹性模量，在一定程度上，可通过释放墙后土体变形从而促使土压力向主动土压力发展。同时，EPS板材自身性能决定了其在面对荷载作用时能有较好消能作用，故滑坡推力或膨胀力在经过EPS板材消能作用后，压力大幅度降低，最大消减率达70%。值得指出的是，8～9号桩桩间板后土压力在距离桩顶1～4m位置处开始逐渐呈现均匀化趋势，这说明使用EPS板材能优化板体整体受力。