桩板墙加固边坡作用效果及结构受力影响试验研究

李 梅 刘 校2

（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）

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DK815+715.015～+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 m×2.75 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。

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 m×0.4 m×0.7 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 cm×0.3 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 cm×18 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 cm×5.5 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 cm×5.5 cm×0.3 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。

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（X=12.75 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。