桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响试验研究_李梅.pdf

收稿日期2020-05-05 基金项目国家自然科学基金项目编号 51104111。 作者简介李梅1976， 女， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响 试验研究 李梅 1 刘校 21 （1. 武汉理工大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430070； 2. 武汉恒达四方工程有限公司， 湖北 武汉 430061） 摘要作为边坡治理中的一种常用支挡结构， 桩板墙主要依靠抗滑桩对滑坡进行加固， 并利用桩间挡土板 防止桩间土体产生滑动， 但其设计基于经验类比， 桩板墙加固边坡过程中的受力分配、 结构受力等机理还有待深入 研究。项目以实际工程边坡为依托， 通过室内模型试验、 数值模拟和理论分析， 研究桩板墙加固边坡的加固效果、 挡土板对桩身受力的影响、 桩板体系各自承担的滑坡推力大小、 桩板结构各自的受力和变形规律等， 并对桩间距和 挡土板强度等参数改变下桩板墙结构的变化规律进行了分析。研究表明 挡土板承担一部分滑坡推力， 随着荷载 增加， 挡土板承受的土压力不断增加， 挡土板所受的土压力峰值均在滑体以下部分； 不同加载条件下桩身所受滑坡 推力近似呈抛物线分布， 滑坡推力峰值主要集中在滑面中下部； 桩距较大时， 两桩间土体呈拱形向下滑动， 挡土板 对桩间土体下滑有一定的支挡作用； 挡土板强度对边坡加固效果影响不大。研究成果可为桩板墙加固边坡设计提 供参考。 关键词桩板墙边坡加固结构受力滑坡推力桩距 中图分类号TD854.6文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -10-190-07 DOI10.19614/ki.jsks.202010024 Experimental Study on Slope Reinforcement Effect and Structure Stress of Pile-sheet Wall LI Mei1LIU Xiao22 （1. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2. Wuhan Hengda Sifang Engineering Co. LTD， Wuhan 430061， China） AbstractPile-sheet wall，a commonly used retaining structure in slope management，mainly depends on piles for strengthening landslides，and utilizes retaining plates to prevent soil sliding between piles，while its design is based on em- pirical analogy，and the mechanism of distribution of force and structural stress in the process of slope reinforcement with pile-sheet wall remains to be further studied． Based on the actual slope engineering，this paper studies the reinforcement ef- fect of the slop reinforcement with pile-sheet wall，the influence of the retaining plate on the pile and the landslide thrust as- sumed by the pile-plate system，the respective stress and deation of the pile-plate structure，etc． with resort to indoor model tests，numerical simulation and theoretical analysis． And the change of the pile-sheet wall structure under the change of parameters such as the pile spacing and the strength of the retaining plate is analyzed． The research indicates that the re- taining plate bears part of the landslide thrust，the earth pressure on the retaining plate also increases with the increase of load，and the peak value of the earth pressure on the retaining plate is below the sliding body． The thrust of landslide regard- ing the pile body is approximately parabolic under various loading conditions，and the peak of the landslide thrust is mainly focused on the middle and lower parts of the sliding surface． The soil between the two piles slides downward in an arch shape when the pile spacing is large and the retaining plate provides certain support for the soil between the piles． The strength of the retaining plate has little effect on the slope reinforcement effect． The research results can provide a reference for the de- sign of the slope reinforcement with sheet-pile wall． Keywordspile-sheet wall， slope reinforcement， structural stress， landslide thrust， pile spacing 总第 532 期 2020 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 532 October2020 安全与环保 190 桩板墙结构是一种常见的边坡支挡结构， 由抗 滑桩和挡土板两部分组成。桩板墙加固过程中， 桩 土相互作用， 两桩之间形成土拱， 桩间滑坡推力通过 土拱传递到两桩上。关于桩间板有无承担滑坡推 力、 桩板承担土压力大小及其计算方法问题， 许多学 者进行了大量的研究 ［1-8］。魏业清等［4］、 王广军［5］对桩 板墙工程的土拱效应进行了研究， 并探讨了桩板墙 的合理桩间距； 叶晓明 ［6］、 童广勤等［7］、 高翔［8］以卸荷 拱理论为基础， 推导了桩板墙结构中挡土板土压力 计算公式， 并对挡土板设计进行修正和优化。巨能 攀等 ［9］分析了桩土共同作用下的桩身滑坡推力作 用形式、 传力方式以及内力。对于桩板墙荷载分配 关系， 黄治云等 ［10］采用现场试验和室内模型试验对 桩板墙结构中的挡土板和抗滑桩背侧的土压力进行 了监测， 研究了桩间土拱效应的作用规律及桩板墙 荷载分配关系。董捷等 ［11］认为， 挡板刚度、 桩间距、 土体材料性质以及挡板的布置方式均对桩板墙背侧 土拱效应的发挥有着重要影响。 上述研究中， 桩板墙加固边坡中桩与板之间的 荷载分配、 桩板各自承受土压力大小和内力、 设计参 数对桩板墙结构内力的影响还未有共识， 尚待进一 步研究； 其设计理论依然是根据工程经验进行类比 设计， 抗滑桩按原有理论设计计算， 挡土板按照均布 荷载条件下的简支梁计算， 设计中对桩板承受滑坡 推力的分配比例没有体现。 项目以杭长铁路客运线某段滑坡桩板墙治理工 程为背景， 开展桩板墙现场试验测试和室内模型试 验， 分析桩板墙加固边坡的作用效果及结构受力影 响， 探讨桩板分担的滑坡推力、 桩距等设计参数对桩 板结构受力的影响， 并为桩板墙工程设计和应用提 供参考。 1现场桩板墙加固边坡效果分析 1. 1工程概况 选择杭州至长沙铁路DK815715.015～809.775 段滑坡为试验原型边坡， 长约94 m， 坡顶至坡脚距离 约34.3 m， 上表层为强风化的泥灰岩和青灰岩， 隐晶 质结构， 层状构造， 节理裂隙发育； 下层为弱风化的 泥灰岩， 呈褐红青灰色， 隐晶质结构， 层状构造， 节 理裂隙发育； 地表水、 地下水均无侵蚀性， 地形见图1 所示。 该边坡主滑区采用桩板墙进行加固支护， 抗滑 桩截面2.5 m2.75 m， 桩间距5.16 m， 桩长20～26 m， 共 18 根。锚固段桩身采用 C35 钢筋混凝土现场浇 注， 平台以上部分于桩两侧设牛腿， 挡土板为C35钢 筋混凝土现场预制槽型板， 长 2.46 m， 宽 0.5 m， 厚 0.25 m。 1. 2现场桩板墙加固边坡效果分析 依据现场监测数据， 采用Flac建立桩板墙加固 边坡模型 （图 2） ， 由基岩、 滑体、 抗滑桩及挡土板组 成， 长50 m， 高35 m， 桩间距5 m， 宽度为桩间距3倍 （图3） ； 抗滑桩和挡土板均采用线弹性模型， 滑体和 基岩采用Mohr-Coulomb强度准则， 具体计算参数见 表1； 计算工况为天然状态， 不考虑降雨、 地震及其他 工程活动等因素的影响。 计算结果表明， 边坡未加固前安全系数为1.02， 最大位移为15 cm。桩板墙加固边坡后安全系数达 到1.65 （图4） ， 边坡最大位移减小到4 cm， 位于开挖 路基前缘处。抗滑桩桩身挠度和现场实测 （图5） 基 本一致， 桩板墙结构的桩顶位移为13.67 mm， 符合规 范要求， 说明桩板墙起到了有效的加固作用。 李梅等 桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响试验研究2020年第10期 191 2桩板加固边坡结构受力分析 为进一步分析桩板墙加固边坡作用效果和结构 受力情况， 在现场监测的基础上， 本研究进行了桩板 墙室内模型试验， 分析桩、 板结构内力、 位移、 桩前抗 力及桩后推力变化以及对滑坡稳定性的影响。 2. 1室内模型试验方案 以滑坡现场一个典型剖面为原型开展模型试 验， 相似比为1 ∶50， 滑坡模型框架长宽高为1.0 m0.4 m0.7 m， 采用8 mm厚的防潮模板将底板、 侧板和腹板拼接成模型箱， 箱内侧板采用螺丝固定， 内壁涂满黄油并铺设塑料薄膜。选取砂子、 水泥、 石 膏、 碳酸钙分别作为基岩和滑体的相似试验材料， 采 用双层塑料薄膜模拟软弱滑动面， 在试验加载过程 中， 上层滑体沿着滑面滑动， 从而产生滑坡推力作用 在桩板墙上。坡体内设置单排3根抗滑桩， 中间1根 为试验测试桩， 材料为有机玻璃， 桩截面为 5 cm 5.5 cm， 桩长48 cm， 桩距10 cm， 两侧牛腿厚8 mm， 宽 6 mm， 高22 cm。试验挡土板为木板， 尺寸为5 cm 5.5 cm0.3 cm。桩板墙具体布设如图6所示。 在模型中埋置监测元件电阻应变片、 位移传感 器、 土压力盒等， 具体布设方案如图7、 图8所示。试 验加载采取堆载方式， 在滑坡顶部分5级施加竖向荷 载， 每级5 kPa； 滑坡顶部受力面积为42 cm18 cm， 因此每级加载重量为37.8 kg。通过施加荷载， 由实 验数据采集系统采集试验数据， 研究桩板墙整体结 构变化情况及对边坡的加固效果。 2. 2测试结果分析 （1） 桩后土压力、 板侧土压力。抗滑桩桩后土压 力变化如图9， 随着荷载的增加， 滑动面以上桩后土 压力也逐渐增大， 滑动面以下抗滑桩桩后部分由于 所受滑坡推力不断增大， 桩顶与坡体逐渐发生脱离， 致使下部桩后部分土压力增加变缓。挡土板各测点 土压力变化如图10， 随着荷载增加， 滑体所受的滑坡 推力不断增加， 挡土板所受的土压力也不断增加， 中 间大两头小； 但由于测点布设有限， 未能测出挡土板 上土压力的具体分布形式， 有待进一步探讨。 （2） 桩顶位移、 桩身弯矩。桩顶位移试验结果如 图11， 随着荷载的增加， 桩顶位移逐渐增大； 通过应 金属矿山2020年第10期总第532期 192 变片的应变值εy、εl可换算得到桩身的近似弯矩 （图 12） ， 弯矩随着荷载增加而增大， 近似抛物线状， 中间 大两头小， 最大弯矩位于滑面以下距桩顶19 cm处。 2. 3挡土板加固作用和结构受力分析 由于室内试验组数有限， 采用 flac 增加虚拟工 况， 进一步分析试验模型中桩板墙中板的加固作用、 桩板墙结构的墙背土压力大小及分布形式。 根据室内试验模型建立数值模型， 模型由基岩、 滑体、 抗滑桩和挡土板组成， 抗滑桩截面尺寸为 5 cm5.5 cm， 桩长48 cm， 两侧牛腿厚8 mm， 宽6 mm， 高22 cm， 挡土板的尺寸为5 cm5.5 cm0.3 cm； 选 择中间桩及其左右侧挡土板为研究对象， 加载方式 同室内试验。 （1）挡土板土压力变化。挡土板的土压力计算 结果见图13， 随着荷载增加， 挡土板承受的土压力也 不断增加， 且挡土板所受的土压力峰值均在滑体以 下， 说明挡土板发挥了支挡作用， 承受了滑坡体的一 部分下滑力。 （2） 桩身滑坡推力和桩顶位移变化。考虑板作 用时， 随着荷载增加， 桩板墙结构中抗滑桩所受的滑 坡推力 （图14） 不断增加， 推力峰值主要集中在滑面 的中下部， 分布形式近似为抛物线。不考虑板承担 滑坡推力时， 抗滑桩桩身所受滑坡推力随荷载变化 情况如图15， 相较考虑挡土板作用时， 抗滑桩所受滑 坡推力明显增大， 荷载峰值向下移动， 分布形式有一 定变化， 进一步证明挡土板分担了部分抗滑桩所受 的滑坡推力。随着荷载增加， 桩顶位移 （图16） 与荷 载施加量呈线性关系， 加载量越大， 桩顶的扰度越 大。不考虑板作用时， 桩顶位移 （图17） 也呈线性分 布， 且比有板时变化加剧。 3设计参数变化对桩板墙结构受力影响 桩板墙结构设计参数不同， 对其结构受力影响 不同。在现场监测和室内模型试验基础上， 采用 Flac3D继续分析桩距、 挡土板材料强度等设计参数对 其结构内力的影响。 建立现场桩板墙加固边坡模型， 桩板墙结构采 用实体单元， 模型计算参数、 强度准则同1.2节。在 桩板墙设计中， 桩间距一般为4～8 m， 具体计算模型 李梅等 桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响试验研究2020年第10期 193 如图18、 图19 （以桩间距5 m为例） 。 3. 1桩间距影响分析 分析桩间距为4 m、 5 m、 6 m、 7 m、 8 m时， 边坡安 全系数、 滑坡推力、 桩身位移、 桩身应力以及坡面位 移等变化情况。 当采用不同的桩间距加固边坡时 （图20和图21， 仅列举5 m 和8 m桩距） ， 2桩之间的土体呈拱形， 桩 后紧邻坡面均产生了一定的滑动， 滑动最大值分别 为1.75 cm、 3.6 cm、 5.5 cm、 6.6 cm、 8.5 cm， 说明挡土板 结构对土体下滑有一定支挡作用。随着桩间距增 大， 边坡安全系数逐渐减小， 但均大于1.25， 说明在此 桩间距范围内边坡处于稳定状态。 滑坡推力作用在桩顶以下1.4～4.95 m之间的桩 体上， 不同桩间距下滑坡推力 （图 22） 为抛物线分 布， 桩间距在 5～8 m时推力大小和桩身位移 （图 23） 均变化不大； 间距为 8 m 时桩顶位移最大， 达到 13.494 mm。 3. 2不同钢筋混凝土强度等级挡土板影响分析 桩板的相对刚度EI对桩后土体有一定影响， 而EI主要由弹性模量和截面尺寸决定。下面通过改 变挡土板材料的强度等级， 即改变挡土板的弹性模 量， 探讨挡土板钢筋混凝土强度等级对桩板墙加固 边坡效果的影响。 金属矿山2020年第10期总第532期 194 该滑坡工程中采用的挡土板混凝土强度等级为 C35， 弹性模量为31.5 GPa， 泊松比为0.2， 桩间距为5 m， 分别计算挡土板强度等级为C15、 C20、 C25、 C30、 C35、 C40、 C45、 C50、 C55以及无挡土板作用下， 边坡 安全系数、 桩身位移、 桩身应力变化以及桩后紧邻坡 面位移的变化情况计算结果见图24。 由图24可知 挡土板强度等级不同时， 桩板墙加 固边坡均能达到稳定性要求， 边坡安全系数和桩身 位移均相差不大， 对桩身所受滑坡推力大小及分布 形式也影响不大， 说明挡土板的强度对此边坡而言 影响不大。不设置挡土板时， 边坡整体安全系数也 满足要求， 但与有板时相比差别较大； 抗滑桩所受滑 坡推力比有挡土板时略大， 说明板承当了小部分滑 坡推力。无论桩之间是否有挡土板及挡土板强度大 小不同时， 紧邻桩后坡面 （X12.75 m） 处桩间土体以 拱形向下滑动， 且滑动的最大距离与上述挡土板强 度大小无关。不设置挡土板时， 该坡面桩间土体下 滑位移最大为9.5 cm。 4结论 （1） 桩板墙加固边坡后安全系数达到1.65， 边坡 最大位移减小到4 cm， 抗滑桩桩顶位移为13.67 mm， 符合规范要求， 说明桩板墙起到了有效的加固作用。 （2） 桩板墙结构中， 挡土板所受的土压力随着荷 载增加而增加， 峰值均在滑体以下； 抗滑桩所受滑坡 推力分布形式近似为抛物线， 峰值在滑面中下部。 （3） 不考虑挡土板作用时， 抗滑桩所受滑坡推力 明显增大， 荷载峰值向下移动， 分布形式有一定的变 李梅等 桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响试验研究2020年第10期 195 化， 证明挡土板分担了部分抗滑桩所受的滑坡推力； 且桩顶位移比有板时大， 呈线性分布。 （4） 不同桩间距下， 滑坡推力大小和桩身位移变 化不大， 间距为 8 m 时桩顶位移最大为 13.494 mm。 桩间距较小时， 桩身受力、 变形以及滑坡变形均较 小， 桩身结构安全储备大； 桩间距较大时， 桩身强度 能够承受相应的推力， 但桩间会产生土体滑出现象。 工程中设计桩间距时， 可在5～7 m之间结合其他因素 进行进一步优化。 （5） 对该边坡， 挡土板强度对抗滑桩加固边坡作 用影响不大， 主要起到支挡桩间土体的作用， 设计时 需按照规定强度进行。抗滑桩之间不设置挡土板 时， 边坡安全系数为1.28， 也能达到整体稳定要求， 但 由于抗滑桩结构为悬臂桩结构， 桩间距较大， 桩间土 体易从桩间滑出， 因此有必要设计一定强度的挡土 板， 并对板进行优化设计。 参 考 文 献 池淑兰， 孔书祥， 梁明学．路基及支挡结构 ［M］ ．北京 中国铁道 出版社， 2001． CHI Shulan， KONG Shuxiang， LIANG Mingxue． Subgrade and Re- taining Structure［M］ ． Beijing China Railway Publishing House， 2001 李海光．新型支挡结构设计与工程实例 ［M］ ．二版．北京 人民交 通出版社， 2011． LI Haiguang． Design and Engineering Examples of New Retaining Structures［M］ ． 2nd Edition． Beijing Peoples Communications Press， 2011． ROWE P W． Theoretical and experimental analysis of sheet-pile walls ［J］ ． Proceedings of Institution of Civil Engineers， 1955， 4 （1） 32-69． 魏业清， 张林洪．考虑土拱效应的桩板墙挡板设计 ［J］ ．科学技术 与工程， 2008， 8 （21） 5964-5967． WEI Yeqing，ZHANG Linhong． Design of sheet-pile wall breast boards on arching effect ［J］ ．Science Technology and Engineering， 2008， 8 （21） 5964-5967． 王广军．桩板墙工程土拱效应及合理桩间距研究以西攀高 速公路为实验线 ［D］ ．成都 西南交通大学， 2006． WANG Guangjun． Study of Soil Arching Effects of Sheet-pile Wall and Appropriate Space between PilesTake Xi-Pan Highway as an Example ［D］ ．ChengduSouthwest Jiaotong University， 2006． 叶晓明．柱板结构挡土墙板上的土压力计算方法 ［J］ ．地下空间， 1999， 19 （2） 142-146． YE Xiaomin． Calculation of soil pressure on column-panel struc- ture type retaining wall［J］ ． Underground Space，1999， 19（2） 142-146． 童广勤， 苏爱军， 冯明权．基于土拱效应的桩板式挡土墙的挡土 板结构设计// ［C］湖北省三峡库区地质灾害防治工程论文集． 武汉 ［s．n．］ ， 2005 223-228． TONG Guangqin，SU Aijun，FENG Mingquan． Structure design of retaining board of sheet-pile retaining wall//［C］Proceedings of Geological Disaster Prevention and Control Engineering in Three Gorges Reservoir area of Hubei Province． Wuhan［s．n．］，2005 223-228． 高翔．考虑土拱效应的桃园至巴中高速公路K103～920～K104 300段边坡桩板墙设计方法 ［D］ ． 成都 西南交通大学， 2012． GAO Xiang． Design of Pile-Plank Wall Considering Soil Arch Effect for K103～920～K104300 Slope along Highway from Taoyuan to Bazhong［D］ ． ChengduSouthwest Jiaotong University， 20012． 巨能攀， 黄润秋， 涂国祥．桩板墙桩土作用机理有限元分析 ［J］ ． 成都理工大学学报 （自然科学版） ， 2006， 33 （4） 365-370． JU Nengpan， HUANG Runqiu， TU Guoxiang． The FEM study on in- teraction mechanism between the pile and the rock-soil of the sheet- pile wall ［J］ ．Journal of Chengdu University of Technology（Science Technology Edition） ， 2006， 33 （4） 365-370． 黄治云， 张永兴， 董捷．桩板墙土拱效应及土压力传递特性试验 研究 ［J］ ．岩土力学， 2013， 34 （7） 1887-1892． HUANGZhiyun，ZHANG Yongxing，DONG Jie． Experimental study of soil arching and transfer behavior of earth pressure about sheet-pile walls ［J］ ．Rock and Soil Mechanics， 2013， 34 （7） 1887- 1892． 董捷， 张永兴， 黄治云．柔性板桩板墙加固斜坡填方地基的土压 力分配问题研究 ［J］ ．岩土力学， 2010， 31 （8） 2489-2506． DONG Jie， ZHANG Yongxing， HUANG Zhiyun． Study of earth pressure distribution of flexiboard sheet-pile walls used in rein- forced fill foundation on ramp ［J］ ．Rock and Soil Mechanics， 2010， 31 （8） 2489-2506． ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 金属矿山2020年第10期总第532期 196