路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)設(shè)計

向俊紅

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)設(shè)計

向俊紅

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100055)

Design of Cutting Pile-Plank Wall Type of Block Stone Structure

XIANG Junhong

摘要以張呼客運專線某段深路塹設(shè)計為例，提出路塹樁板墻、被動攔石網(wǎng)、緩沖土堤、落石槽相結(jié)合的綜合防護措施。根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合落石運動、邊坡土壓力、落石沖擊力，計算防護結(jié)構(gòu)尺寸。

關(guān)鍵詞深路塹危巖落石樁板墻被動攔石網(wǎng)落石槽土壓力沖擊力

以張呼客運專線某段深路塹路基為工程背景，對深路塹及其落石防護進行設(shè)計研究，提出一種路塹樁板墻結(jié)合被動攔石網(wǎng)、落石槽防治危巖落石的設(shè)計方案。該方案為由路塹樁板墻、落石槽、緩沖土堤及被動攔石網(wǎng)組合而成的防護結(jié)構(gòu)，可有效防止塹頂?shù)奈r落石源對路基工程產(chǎn)生的災(zāi)害，并且經(jīng)濟實用、外形美觀。

1工程概況

張呼客專鐵路位于河北、內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，正線按時速250 km有砟軌道設(shè)計，全長286.803 km，其中路基長109.955 km，占線路長度的38.34%，而深路塹為路基主要工點類型之一。工點處深挖方路塹位于中山丘陵地帶，植被發(fā)育，地勢起伏較大，相對高差超過40 m；地層巖性相對較簡單，主要為第四系全新統(tǒng)坡積層(Q4dl)、太古界大理巖組(Ar1Mb)，地面表層為薄層全風(fēng)化大理巖夾雜碎石土，下伏強—弱風(fēng)化大理巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化較嚴(yán)重，且線路右側(cè)分布較大面積的危巖落石[1]。

2路基坡面支護

該段路基右側(cè)自然坡面陡峭，局部基巖裸露，邊坡高度達25～40 m，若設(shè)人工路塹邊坡，圬工量巨大，施工難度較高，且大部分邊坡開挖時需貼自然坡面刷坡，這樣施工反而易引發(fā)邊坡土體下滑，造成安全事故。故路基右側(cè)設(shè)置頂部高出地面線的路塹樁板墻收坡，樁身采用C35鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，樁間板采用現(xiàn)場預(yù)制的C40鋼筋混凝土槽形板，樁板墻頂部預(yù)留寬度不小于5 m的平臺，平臺上部維持原自然坡面不變。

3危巖落石防護

傳統(tǒng)的攔石網(wǎng)、清石[2]措施只能有效地減少既有落石，雨水沖刷、風(fēng)化剝落等都會形成新的落石，且后期形成的落石，其大小及運動軌跡很難確定，防護難度較大。為了確保張呼鐵路運營期間的安全，應(yīng)從路基根部解決落石問題。

落石防護結(jié)構(gòu)一般有剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)兩種。剛性結(jié)構(gòu)一般為攔石墻、落石槽、攔石堤等，其優(yōu)點是可就地取材，耐久性好，成本低，且后期維護相對簡單，但結(jié)構(gòu)自身截面大、占地多、抗沖擊能力有限，且其多與工程采用分離式結(jié)構(gòu)形式，投資較大。柔性結(jié)構(gòu)如主、被動攔石網(wǎng)，多為直接采購的半成品，可結(jié)合地形及工程結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)籌布局，施工方便，其缺點是易生銹，需定期保養(yǎng)，后期維護成本較高〔3〕。

考慮該路基工程特點，并結(jié)合邊坡的穩(wěn)定、防護成本、施工難度及后期維護等，擬采用路塹樁板墻結(jié)合被動攔石網(wǎng)及落石槽的防護結(jié)構(gòu)(以下簡稱路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu))。

4路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)特征

路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)主要由路塹樁板墻、被動攔石網(wǎng)、緩沖土堤和落石槽組成，其中樁板墻為主體結(jié)構(gòu)。落石槽槽底鋪設(shè)砂夾卵礫石等緩沖層，可降低落石沖擊槽底后的彈跳高度，增加有效攔截高度，且槽中積蓄落石，便于后期清除。緩沖土堤位于落石槽和樁板墻之間，落石沖擊力直接作用于緩沖土堤的迎石坡面，再通過緩沖層向樁板墻傳遞、擴散，避免樁板墻直接受力，增強主體結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。[4]樁板墻頂部設(shè)置被動攔石網(wǎng)，主要起阻攔高位滾落危石的作用。被動攔石網(wǎng)立柱錨固于樁板墻頂部，每根樁頂正好布置1根立柱，且立柱應(yīng)靠近落石槽一側(cè)布置，立柱間采用雙層攔石網(wǎng)交錯布置以減小被動網(wǎng)孔徑，防止破碎后的落石鉆過去。被動攔石網(wǎng)[5]的雙層網(wǎng)通過拉索固定于自然邊坡上。路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)的基本形式見圖1。

圖1　路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)剖面

5路塹樁板墻式攔石結(jié)構(gòu)設(shè)計

樁板墻為主體受力構(gòu)件，最終以計算樁板墻結(jié)構(gòu)尺寸為主要設(shè)計任務(wù)。整體結(jié)構(gòu)的布設(shè)包括平面位置、延伸長度、攔截高度等。因樁板墻主要用于邊坡支擋，故其平面位置基本固定，即位于側(cè)溝平臺外側(cè)。樁板墻的平面位置固定后，其走向也基本固定，延伸長度可根據(jù)地形條件即深路塹和危巖落石段落確定。樁板墻背后的緩沖土堤厚度、落石槽尺寸及樁頂?shù)谋粍訑r石網(wǎng)高度，可根據(jù)地形，地層條件，落石運動軌跡及沖擊力、彈跳高度等設(shè)計。根據(jù)最終確定的落石槽深度、緩沖土堤厚度可推測樁板墻露出地面段長度，即懸臂段長度，最后結(jié)合傳到樁板墻上的落石沖擊力、邊坡土壓力[6]，計算樁板墻的尺寸、縱向布置間距。

5.l　防護結(jié)構(gòu)高度設(shè)計

先選擇代表性橫斷面，如坡度陡且基巖裸露多、危巖體較大、崩落可能性大等地段橫斷面，計算落石運動路徑，根據(jù)落石運動軌跡選擇最大有效攔截高度或彈跳高度，再加0.5～1 m安全值即為攔石結(jié)構(gòu)防護高度。

本段落石區(qū)山坡為折線形，各段平均坡度角α取40°，對最不利斷面進行落石運動速度計算(如表1)。

表1　落石運動速度計算結(jié)果

因攔石結(jié)構(gòu)平面位置已固定，可根據(jù)落石運動軌跡方程[7]y=+xctgβ，計算攔石結(jié)構(gòu)的有效攔截高度。式中落石反射角速度V0與豎向夾角β(取80°)已知，樁板墻距塹頂水平距離為51.9 m，計算得出落石運動至樁板墻頂時距塹頂高差45.8 m，樁板墻錨固面距塹頂60 m，即得出該處落石有效防護高度為60-45.8=14.2 m，故攔石結(jié)構(gòu)防護高度取15 m，其中樁板墻懸臂段長10 m，則樁頂被動攔石網(wǎng)高度為5 m。

5.2　落石槽深度計算

落石槽的深度需由石塊在攔截建筑物迎石坡面上跳躍的最大高度來確定。落石的彈跳高度和速度可根據(jù)山坡高度、邊坡坡率、坡面摩擦系數(shù)等進行計算，取石塊落在槽底距緩沖土堤的迎石坡面坡腳0.5 m時的彈跳計算。緩沖土堤迎石坡面坡率1∶0.75，水平夾角θ為53.3°，經(jīng)計算得知落石三次彈跳高度〔7〕分別為0.54 m、2.53 m、0.08 m，落石槽深度為石塊跳躍的總高度加上0.5～1.0 m的安全值，這里得出落石槽深度取值4.0 m。

5.3　落石沖擊力計算與緩沖土堤設(shè)計

一般應(yīng)根據(jù)石塊陷入緩沖層的最大深度確定緩沖土層的厚度，實際工程中考慮設(shè)計緩沖層堤頂厚度，還需要結(jié)合整個攔石結(jié)構(gòu)在邊坡上布置的有效空間以及落石沖擊力擴散范圍等因素。因陡坡上落石存在未知的尺寸，需結(jié)合落石調(diào)查合理選擇落石的代表性尺寸。

(1)落石對緩沖層沖擊力的計算

落石對緩沖層的沖擊力是樁板墻結(jié)構(gòu)承受的主要荷載之一，計算簡圖如圖2所示。

石塊對緩沖層沖擊力計算P=P(z)·F；

石塊沖擊陷入緩沖層的單位阻力P(Z)=2γZ[2tan4(45°+0.5φ)-1]；

緩沖層填土內(nèi)摩擦角φ取35°，設(shè)計采用落石直徑R為65 cm，假想為球體，落石重G為3.16 kN，其直徑截面積F為0.33 m2；經(jīng)計算得出落石作用于緩沖土層表面的壓強P=199.04 kPa，陷入緩沖層深度為0.92 m，此處緩沖土層厚度選取1.5 m。

圖2　石塊對緩沖層和攔石結(jié)構(gòu)沖擊力的計算

(2)落石作用于樁板墻上的沖擊荷載

沖擊力在緩沖土堤中的擴散角一般≤40°，因落石沖擊導(dǎo)致土堤產(chǎn)生被動性破壞，故采用其被動破裂角θ=45°-φ/2為沖擊力在緩沖層的擴散角。

本處偏安全設(shè)計采用沖擊力方向為垂直于板墻方向，并呈圓錐狀擴散到板樁墻上。結(jié)合緩沖層厚度l、落石半徑R，計算沖擊力最終作用于樁板墻體的投影圓直徑d=2(R+l·tanθ)，沖擊荷載q=pR2/(d/2)2，經(jīng)計算，得出沖擊力擴散后作用于樁板墻的有效范圍L0=d=2.9 m，沖擊荷載q=41.04 kPa。

5.4　樁板墻結(jié)構(gòu)計算

樁板墻承受的土壓力計算：

作用于樁板墻上土壓力可用庫侖土壓力理論進行計算，經(jīng)綜合分析，樁板墻懸臂段長度按L=10 m考慮，墻后懸臂段為土層，綜合內(nèi)摩擦角φ取35°，墻背傾角為0°。經(jīng)計算，墻后土壓力Ea=605.2 kN，Ex=577.2 kN：庫侖土壓力呈三角形分布，錨固面處對應(yīng)巖土體水平應(yīng)力σH=115.4 kPa。

組合作用于樁板墻的落石沖擊荷載、邊坡土壓力，受力分布見圖3。根據(jù)樁板墻錨固段地層情況，按一般樁板墻[10，11]設(shè)計方法計算此處路基樁板墻，得錨固段長12 m，樁截面尺寸為2.5 m×2.75 m，沿線路方向樁間距5 m，為矩形樁。然后再根據(jù)受力計算進行樁、板結(jié)構(gòu)配筋。

圖3　樁板墻受力分布

6結(jié)束語

以上結(jié)構(gòu)適用于深挖方路塹攔落石的防護，在不進行深挖方路塹開挖之前施做，可減少土石方開挖工程，增強邊坡穩(wěn)定性，并能有效控制工程用地。該結(jié)構(gòu)以路塹樁板墻作為主體受力構(gòu)件，將落石沖擊力、邊坡土壓力最終傳入地基內(nèi)，并結(jié)合緩沖土堤、落石槽，提高自身抗沖擊能力，克服傳統(tǒng)攔石墻或柔性防護網(wǎng)的不足。該防護結(jié)構(gòu)直接解決了路基邊上落石問題，在一般危巖落石處理措施的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，為傳統(tǒng)陡坡地段危巖落石路基補充了一套更安全的防護措施，降低了落石路基的風(fēng)險，而且施工簡便，外形構(gòu)造美觀，具有廣泛的適用性。

參考文獻

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[11]GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[12]TB10621—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S]

中圖分類號：U213.1+52.2； U216.41+5

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0028-03

作者簡介：向俊紅(1980—)，女，2003年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-03-16