应用于公路边 (滑) 坡治理中的桩板挡墙由桩、柱、板等构件组成, 具有布置空间小、地基承载力要求低等优点, 但其结构受力不是很合理, 材料利用率较低。锚索桩板挡墙是在桩板挡墙的基础上发展而来, 由于在墙上增设了水平弹性支点, 改进了桩板挡墙的受力, 使得该结构桩、柱的截面弯矩减小, 从而减小了结构的截面尺寸和配筋率, 提高了材料的利用率^[1]。但该结构施工要求高, 在地下水丰富和对钢材有腐蚀的环境下, 锚索的耐久性未能得到很好的解决^[2]。基于此, 工程技术人员提出了一种带有卸荷板的桩板挡墙支护结构形式 (图1) , 称为衡重式桩板挡墙。该结构主要由桩基、冠梁、扶壁、墙面板和卸荷板等构件组成, 在深圳地区的一些边 (滑) 坡工程中已成功得到应用。工程实践表明, 衡重式桩板挡墙具有安全、经济、美观、施工简便等优点, 适用于支挡高度8～15m的边 (滑) 坡。

　　 目前, 衡重式桩板挡墙的设计主要借鉴于锚索桩板挡墙与衡重式挡墙的设计计算方法。实际上衡重式桩板挡墙的受力变形特性和破坏机理较复杂, 与上述两类挡墙有很大的区别, 因此有必要对该挡墙结构的受力特性及破坏机理进行研究。

　　 对于衡重式桩板挡墙的受力变形特性, 刘国楠等^[3,4]、刘永春^[5]通过模型试验研究了衡重式桩板挡墙结构的受力模式与土压力计算模式, 提出了上墙土压力的计算公式;胡云龙^[6]基于弹性地基梁法, 推导了衡重式桩板挡墙内力及变形的解析计算公式, 并将其计算结果与弹性杆系有限元法计算结果、模型试验现场测试结果进行了比较, 验证了计算方法的合理性。对于衡重式桩板挡墙的破坏机理、整体滑移及抗倾覆稳定的计算方法, 至今仍没有完整的认识。离心模型试验为各类挡墙受力特性和破坏机理的研究提供了一种较为可靠的途径。章为民等^[7]利用离心模型试验分析了加筋土挡墙的破坏形式、破坏面及加筋参数对墙体的影响;李浩等^[8,9]设计了衡重式路肩挡墙墙体在平移、绕墙趾转动、绕墙顶转动、平移与绕墙趾转动复合共四种位移模式下的土工离心试验模型, 讨论了墙后土体压实度和加筋对墙背土压力和路基填土变形的影响规律。

　　 为此, 本文进行了三组衡重式桩板挡墙离心模型试验。通过分析三组离心模型试验结果, 对衡重式桩板挡墙结构抗倾覆破坏及稳定性进行研究, 研究结果可为该类支挡结构的稳定性计算提供理论基础。

　　 本试验在清华大学50g土工离心机上进行, 该机器的有效半径为2.25m, 最大离心加速度为250g, 最大模型质量为200kg, 试验所用的模型箱尺寸为75cm×50cm×60cm (长×宽×高) , 模型箱一侧为透明有机玻璃板, 以便观察结构的整体滑移情况。

　　 根据离心试验配备的模型箱尺寸及一般情况下原型挡墙结构 (图2) 的尺寸, 确定模型比例尺为1/50。

　　 根据试验设备条件和实际要求, 挡墙结构材料选用铝材, 其弹性模量E_铝为72GPa。

　　 选择中粗砂作为模型填料, 考虑到在砂土条件下可能无法获得挡墙结构整体稳定性的破坏模式, 同时准备了饱和粉土作为模型填料。为了更容易地获得结构的倾覆过程, 桩基以上的土层为干砂, 桩基以下的土层为饱和粉土, 其参数见表1。

　　 原型挡墙结构主要的特征参数见表2, 均采用C25混凝土。根据比例尺、刚度等效原则, 第1～3组挡墙模型的特征参数见表3。

　　 本文三组衡重式桩板挡墙离心模型试验的结构尺寸相同, 见表4, 其中桩截面为正方形。根据试验目的及试验中可能出现的情况, 每组模型在试验时选取不同种类的试验用土, 见表5。试验过程中砂土控制干密度为1.6g/cm³, 粉土控制密度为1.45g/cm³。

　　 第1～3组挡墙模型布置见图3, 挡墙模型实物图见图4, 试验模型俯视图、正视图如图5所示。

　　 图3 模型布置图 (第1～3组) /mm

　　 每组试验的试验过程基本相同, 大致描述如下:在完成试验模型的制备后, 将挡墙模型箱放入清华大学50g土工离心机吊篮中, 连接好数据采集系统和非接触位移测量系统 (GIPS) 后, 准备开始进行试验。

　　 在试验过程中, 将土工离心机的离心加速度从1g逐渐加载至试验所要求的70g或结构发生倾覆破坏。在加载过程中, 为了尽量减小加速对挡墙模型带来的影响, 进行缓慢分级加载, 每5g加载完成后, 维持一段时间, 记录试验相关数据并用GIPS系统摄像机拍摄结构与土体的变形, 然后再进行下一个5g的加载。不断记录相关试验数据, 直至所有数据均达到稳定值, 此时说明整个挡墙模型在正常使用状态下的变形达到一个稳定值。之后再以5g的增量加载, 直至挡墙模型整体破坏 (约

　　 70g) , 并拍摄结构与土体变形照片, 以供试验后进行对比分析。完成上述过程后, 试验结束, 试验总体方案流程见图6。

　　 为了通过离心试验研究衡重式桩板挡墙抗倾覆破坏情况, 观察挡墙模型的破坏过程, 定义两类破裂面:第1类破裂面为整个墙体及土体的深层整体滑动面;第2类破裂面为卸荷板上方土体的浅层局部破坏面。

　　 第1组离心试验结束后第2类破裂面位置见图7。由图7可知, 当离心加速度达到70g时, 距挡墙4.1cm处出现一条裂缝, 此即第2类破裂面延伸至坡顶的线。第2类破裂面与竖直方向的夹角α₁=arctg[ (8-4.1) /8]≈26°。由α₁=45°-ϕ′/2反算求得砂层的内摩擦角ϕ′为38°, 与砂层真实内摩擦角35.8°相差不大。上述结果表明, 在挡墙模型处于正常使用状态时, 出现了第2类破裂面, 第2类破裂面出现的位置与理论计算的位置很接近。

　　 第1组试验结果还表明试验结束时挡墙模型的整体位移很小。若要通过离心试验获得挡墙模型抗倾覆破坏及整体滑移现象, 需降低地基土的强度。故在第2组试验时, 将地基土换成含水量较大的粉土。

　　 第2组离心试验结束时挡墙模型的主视图见图8。由图8可见, 降低地基土的强度后, 结构发生倾覆现象, 但仍然没有发生明显的整体滑移现象。若要获得挡墙模型整体滑移现象, 应进一步减小地基土的强度, 增加土层的含水量至饱和状态。

　　 由图8可知, 当离心加速度为60g时, 挡墙顶部发生的侧向位移为2.5cm, 且砂层顶面出现了两条裂缝, 其中第1条裂缝相对明显, 距挡墙边缘的垂直距离为14cm;第2条裂缝较窄, 其与卸荷板的连线与卸荷板基本垂直, 第2条裂缝至挡墙边缘的垂直距离为6.5cm。砂层底面进入粉土层的深度为4cm, 即挡墙整体下沉深度为4cm。

　　 第3组离心试验结果如图9所示。由图9 (a) 可见, 当加速度为8g时, 挡墙模型开始出现倾覆现象。同时, 纸片出现拉裂缝, 拉裂缝的连线 (即第1类破裂面) 与水平方向的夹角约为46°。

　　 由图9 (b) 可知, 当加速度为10g时, 挡墙模型出现明显倾覆现象, 可看出卸荷板范围内 (包括板上方与板下方) 的土体与整个挡墙一起发生倾覆。同时, 纸片拉裂程度加剧, 其形成的拉裂缝连线 (即第1类破裂面) 与水平方向的夹角约为46°。

　　 由图9 (c) 可知, 当加速度为15g时, 挡墙模型倾覆现象进一步加剧, 可明显看出卸荷板范围内 (包括板上方与板下方) 的土体与挡墙一起继续发生倾覆。同时, 纸片拉裂程度较10g时进一步加剧, 且其形成的拉裂缝连线 (即第1类破裂面) 与水平方向的夹角约为62°, 与由式45°+φ/2=62.9°计算值很接近。

　　 由图9 (d) ～ (f) 可知, 卸荷板范围内 (包括板上方与板下方) 的土体与挡墙一起发生倾覆至试验结束。同时, 拉裂缝形成的连线 (即第1类破裂面) 与水平方向的夹角约为62°。说明加速度超过15g后, 第1类破裂面的夹角基本保持不变, 并与砂层主动破坏面的夹角相近。由此可知, 第1类破裂面之上的土体对结构的受力影响较大。

　　 由第1～3组离心试验的结果可知, 当卸荷板与肋柱连接强度满足设计要求时, 在保证卸荷板不发生断裂且存在软弱地基时, 衡重式桩板挡墙发生整体破坏的模式是整体倾倒或滑移, 即倾覆破坏与整体滑移破坏。

　　 由图9可知, 挡墙模型在加速度为8g时已经发生了较大的位移, 土层出现破坏面;至加速度为20g时, 挡墙完全倾覆, 发生倾覆破坏。在挡墙模型发生倾覆破坏的过程中, 伴随有整体滑移的现象, 造成此现象的原因是下卧层土层的强度较低, 但是由于桩的长度较大, 结构未发生明显的整体滑移现象。

　　 由第3组离心试验结果, 提出衡重式桩板挡墙结构的倾覆破坏模式如图10 (a) 所示。图10 (a) 中的倾覆破坏模式与文献[10]采用FLAC软件对衡重式桩板挡墙破坏模式 (图10 (b) ) 的数值分析结果是一致的, 即第1类破裂面与水平方向的夹角约为α=45°+φ/2 (φ为砂土的内摩擦角) 。

　　 (1) 当土层为全砂 (第1组试验) 时, 出现第2类破裂面, 且第2类破裂面与竖直方向的夹角为α₁=45°-φ/2, 与理论计算结果很接近;将地基土 (干砂) 换成含水量20%、饱和度63%的粉土 (第2组试验) 时, 挡墙模型位移增大, 且墙后出现两个局部破裂面, 第1条破裂面通过冠梁底部, 第2条破裂面大致通过卸荷板的悬臂端。

　　 (2) 通过增加地基土 (粉土) 的含水量 (第3组试验) , 挡墙结构发生倾倒破坏, 由于下卧层地基土强度较低、桩的长度较长, 在结构发生倾覆破坏的同时, 并未发生整体滑移破坏, 卸荷板范围内 (包括板上方与板下方) 的土体与挡墙一起发生倾覆, 说明卸荷板的存在增强了结构的抗倾覆稳定性;挡墙结构发生倾覆破坏时第1类破裂面与水平方向的夹角约为62°, 即α=45°+φ/2, 第1类破裂面之上的土体对结构的受力影响较大。

　　 (3) 根据离心试验结果提出了衡重式桩板挡墙的倾覆破坏模式, 该倾覆破坏模式与已有文献数值模拟结果一致。