高速鐵路路基加筋土擋土墻設(shè)計與應(yīng)用研究

孫宏偉　吳連海　焦瑞玲

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

Design and Application Research of Reinforced Soil Retaining Wall Used in High Speed Railway

SUN Hongwei　WU Lianhai　JIAO Ruiling

高速鐵路路基加筋土擋土墻設(shè)計與應(yīng)用研究

孫宏偉吳連海焦瑞玲

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

Design and Application Research of Reinforced Soil Retaining Wall Used in High Speed Railway

SUN HongweiWU LianhaiJIAO Ruiling

摘要介紹鐵路路基加筋土擋土墻內(nèi)、外部穩(wěn)定性分析方法，以首個應(yīng)用于某高速鐵路路基的加筋土擋土墻工程為例，系統(tǒng)闡述高速鐵路路基加筋土擋土墻計算分析方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試實驗和重點考慮的問題及對策。

關(guān)鍵詞加筋土擋土墻穩(wěn)定性分析方法高速鐵路計算分析方法

加筋土擋土墻是由墻面板、拉筋、填料三部分共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)物，它依靠填料與拉筋之間的摩擦力作用，平衡填料作用于墻面上的水平土壓力，使之形成整體，抵抗其后部填料產(chǎn)生的土壓力，具有良好的抗震性和長期穩(wěn)定性。土工格柵加筋土擋墻的工后沉降和水平位移能否滿足高速鐵路的運營要求，在列車荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形行為和穩(wěn)定性能否滿足高速行車的安全性和舒適性標準是設(shè)計、建設(shè)單位普遍關(guān)心的問題，也是土工格柵加筋土擋墻在高速鐵路工程應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1工程概況

某鐵路客運專線為有砟軌道，設(shè)計時速250 km。其中DK315+885～DK316+180段位于某城市內(nèi)，地處沖洪積平原，場地周圍為農(nóng)田以及居民住宅，地勢開闊平坦，起伏較小，路堤最大邊坡高10.9 m。為減少用地，兩側(cè)需設(shè)置擋土墻收坡，擋墻高度約9~10 m。

地層巖性：表層素填土，厚0～1.0 m，黃褐色，松散，稍濕—潮濕，含少量植物根系；其下粉土，厚0～3.1 m，灰褐色、黃褐色，松散—密實，稍濕—潮濕，含少量鐵錳質(zhì)化合物，σ0=140 kPa；粉質(zhì)黏土，厚0～5.3 m，灰黑色、黃褐色，軟塑—硬塑，含少量鐵錳質(zhì)化合物，σ0=160 kPa；局部淤泥質(zhì)黏土，厚0～1.0 m，灰黑色，流塑，為軟土層，γ=17.3 kN/m3，C=9 kPa，φ=2.5°，σ0=60 kPa；下覆片麻狀含磁鐵礦二長花崗巖，黃褐色、青灰色，主要成分為石英、長石，含少量暗色礦物，全風化σ0=300 kPa，強風化σ0=600 kPa，弱風化σ0=1 200 kPa。

地下水類型為基巖裂隙水，地震動峰值加速度0.05g。

2設(shè)計方案比選

保證路堤邊坡穩(wěn)定的措施一般有按照穩(wěn)定坡率放坡設(shè)計、設(shè)支擋結(jié)構(gòu)加固并收坡等。本段工程采用三種方案作為比選。方案一：不設(shè)支擋結(jié)構(gòu)，兩側(cè)路基按照放坡設(shè)計，一級邊坡坡率1∶1.5，邊坡采用混凝土拱形骨架護坡防護，地基采用CFG樁加固；方案二(如圖1)：兩側(cè)設(shè)扶壁式擋土墻作為支擋結(jié)構(gòu)收坡，墻高10.0 m，地基采用CFG樁加固；方案三(如圖2)：兩側(cè)設(shè)加筋土擋土墻作為支擋結(jié)構(gòu)收坡，墻高10.0 m，地基采用CFG樁加固。設(shè)計方案對照如表1。

圖1　扶壁式擋墻收坡與放坡方案對照

綜上，方案一放坡方案施工簡單，但由于路基填方較高，兩側(cè)用地大幅增加，同時，土方、防護地基處理費用也較高；方案二采用扶壁式擋土墻收坡方案施工難度一般，用地、土方節(jié)省明顯，但擋土墻圬工量較大，費用最高；方案三采用加筋土擋土墻收坡方案施工較復(fù)雜，但節(jié)省了用地和土石方，擋墻圬工也較小，費用相對扶壁墻方案降低64%，相對放坡方案降低46%。因此，方案三無論從節(jié)省用地，工程造價上都是最優(yōu)的。根據(jù)方案比選結(jié)果以及墻面美觀效果，本段路基兩側(cè)選用模塊式加筋土擋土墻作為支擋結(jié)構(gòu)收坡(方案三)。

圖2　加筋土擋墻收坡與放坡方案對照

設(shè)計方案防護、支擋工程圬工方/m3格柵/m2用地增量/畝土方增量/m3地基處理增量/m費用估算/萬元方案一:放坡36032950030145115580301728方案二:扶壁式擋土墻收坡1762301588500316532650方案三:加筋土擋土墻收坡2620160000158850031653946

3加筋土擋墻設(shè)計與穩(wěn)定性檢算

3.1　穩(wěn)定性分析方法

加筋土擋墻應(yīng)進行外部穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性分析檢算。外部穩(wěn)定性與地基土和擋墻整體等有關(guān)，包括抗滑動穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、基底合理偏心距、地基承載能力等。檢算關(guān)鍵是墻后土壓力的計算和墻體與地基摩擦系數(shù)的正確取值，土壓力計算可以采用朗肯或庫侖土壓力公式，基底摩擦系數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場試驗或有關(guān)規(guī)范取值。

內(nèi)部穩(wěn)定是指加筋土擋墻內(nèi)部的筋材拉力與擋板所受土壓力之間保持平衡狀態(tài)(包括筋材強度、抗拔穩(wěn)定性、面板結(jié)構(gòu)等)；內(nèi)部穩(wěn)定影響因素：墻面坡率、填土高度、填料性質(zhì)，拉筋設(shè)計等。加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定分析目前應(yīng)用的計算方法有：庫侖合力法、庫侖力矩法、正應(yīng)力均勻分布法、正應(yīng)力梯形分布法、正應(yīng)力梅氏分布法、阿斯曼能量法和各種半經(jīng)驗半理論法等。

3.2　結(jié)構(gòu)形式選用及格柵初步設(shè)計

為與墻后每層填土碾壓厚度協(xié)調(diào)，單個模塊高度采用0.3 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，拉筋初步采用高密度聚乙烯單向拉伸塑料土工格柵，根據(jù)規(guī)范要求，格柵長度不得小于墻高的0.6倍?？紤]本線為高速鐵路，列車動荷載較大，又位于站場范圍內(nèi)，路基面股道較多，為使路基水平受力均勻，設(shè)計初步采用格柵長8.0～10.0 m，鋪設(shè)間距0.3～0.6 m，模塊與格柵之間采用連接棒或連接件連接。

3.3　外部穩(wěn)定性檢算

加筋土擋墻的外部穩(wěn)定分析可將加筋體視為實體墻，并滿足重力式擋墻穩(wěn)定性相關(guān)要求。經(jīng)檢算，擋土墻抗滑移、抗傾覆安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求(抗滑移安全系數(shù)不小于1.3，抗傾覆安全系數(shù)不小于1.5)，但基底壓力超過地基承載力，需進行地基處理(見表2)。

表2　擋墻外部穩(wěn)定檢算

3.4　內(nèi)部穩(wěn)定性檢算

加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性檢算包括格柵拉力檢算以及格柵抗拔力檢算。內(nèi)部穩(wěn)定性檢算時格柵錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界采用0.3H分界線，如圖3所示。

圖3　拉筋錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界線示意

經(jīng)檢算，當全部采用高密度聚乙烯單向拉伸塑料土工格柵HDPE130時，第1～3層格柵抗拉強度不足，后此3層格柵改為高密度聚乙烯單向拉伸塑料土工格柵HDPE170，滿足強度要求(見圖4)。

圖4　拉力檢算示意

經(jīng)檢算，各層格柵單板抗拔穩(wěn)定系數(shù)滿足要求(見圖5)；全墻抗拔穩(wěn)定系數(shù)無荷載時為43.7，有荷載時為39.8，全墻抗拔穩(wěn)定均滿足強度要求，各層格柵單板抗拔穩(wěn)定系數(shù)滿足要求。

圖5　抗拔穩(wěn)定檢算示意

4加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1　模塊設(shè)計

高速鐵路對路基變形要求嚴格，鐵路列車靜、動荷載較大，傳統(tǒng)形式墻面模塊水平位移較大，往往難以滿足鐵路路基變形要求。模塊頂面、底面、預(yù)留插接孔，插接孔的位置根據(jù)墻面設(shè)計坡率而定，模塊砌筑施工時，于孔內(nèi)插接鋼筋或高強塑料棒，該鋼筋或高強塑料棒同時穿過土工格柵相鄰肋條之間，并用水泥砂漿封孔，格柵上部用不銹鋼壓條壓緊，以增強上下層模塊之間的連接和摩擦阻力，使墻面各層模塊有效結(jié)合成一個整體，從而大大限制墻面模塊的水平變形，滿足鐵路路基變形要求。

傳統(tǒng)形式墻面模塊形式較為單一，呆板，尤其當其應(yīng)用于鐵路站場、城市內(nèi)及其附近時，不夠美觀，設(shè)計采用新型波浪形加筋模塊，模塊臨空外表面為水平或豎向波浪形，相鄰以及上下層模塊波浪形式對應(yīng)銜接，模塊外表面可涂刷成不同顏色、圖案，從而提高加筋土擋土墻墻面的整體美觀效果(如圖6)。

注：R—模塊臨空表面波浪曲率半徑圖6　加筋模塊設(shè)計示意

4.2　格柵設(shè)計

(1)根據(jù)穩(wěn)定性檢算結(jié)果，自下而上1～3層格柵型號為高密度聚乙烯單向拉伸塑料土工格柵HDPE 170單向格柵，長8.0 m，層間距0.3 m；考慮上部路基距離列車荷載較近，受列車動應(yīng)力影響較大，第19～27層格柵適當延長至第二股道內(nèi)側(cè)，格柵10.5 m，層間距0.3 m。

(2)為保證格柵與模塊高度連接，于模塊內(nèi)預(yù)埋土工格柵(采用高密度聚乙烯單向拉伸塑料土工格柵HDPE 170)。格柵預(yù)埋在模塊內(nèi)的長度不小于一個主肋，且主肋內(nèi)側(cè)(近墻角側(cè))長度不小于4.5 cm，外側(cè)(近填土側(cè))不小于15 cm，模塊外須留整肋條且不少于2個主肋的長度。用連接棒將格柵與模塊預(yù)埋格柵連接。

(3)當路基左右兩側(cè)加筋擋土墻拉筋帶發(fā)生重疊時，應(yīng)將左右兩側(cè)擋墻拉筋沿豎向交錯分層鋪設(shè)。

4.3　地基加固

原始地基承載力不能滿足擋墻基底壓應(yīng)力要求，同時經(jīng)檢算基沉降也不能滿足軌道變形要求時，應(yīng)對地基進行加固處理。路基基底采用CFG樁加固，樁徑0.4 m，樁間距1.8 m，正方形布置。樁頂設(shè)置鋼筋混凝土樁帽，樁帽頂設(shè)置碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪一層高強土工格柵。處理后擋土墻下復(fù)合地基承載力滿足擋墻承載力要求，同時基底沉降變形也滿足要求。

5施工及質(zhì)量控制要點

5.1　格柵鋪設(shè)

(1)采用張拉梁將格柵拉緊，自由端用U形釘或木楔將格柵固定于地面，然后放開張拉梁。

(2)施工機械的履帶與格柵之間保持15 cm厚的填土層。

(3)填土施工的大型機械設(shè)備應(yīng)與擋墻墻面保持一定距離，避免對墻面造成破壞。

5.2　路基填筑

兩道土工格柵間的加筋土填料應(yīng)分層碾壓，基床以下填料壓實標準按基床底層壓實標準執(zhí)行。壓實后填料頂面平整，高差不大于0.10 m。在距模塊擋墻2.0 m內(nèi)應(yīng)用小型震動碾壓機械碾壓，小型震動碾總質(zhì)量不大于1 t。每次填鋪、壓實后的厚度為0.2～0.3 m，并且保證在填土上至少已砌好三道模塊。

5.3　原材料驗收

高密度聚乙烯單向土工格柵拉筋的抗拉強度必須符合設(shè)計要求，在進貨時應(yīng)分批查驗其合格證和材料性能報告單，并抽樣做強度實驗，不合格產(chǎn)品嚴禁使用。

6加筋土擋墻應(yīng)力及變形試驗測試

由于擋墻高度較高，為研究高速鐵路應(yīng)用加筋土擋墻受力狀態(tài)及變形行為，掌握土工格柵加筋土擋墻在自重荷載以及列車動荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形行為特征，在本段工程設(shè)置了若干沉降變形測試斷面，在斷面處加筋土擋墻不同深度和格柵不同位置布置了靜土壓力、動土壓力盒、格柵應(yīng)變計、動加速度計、垂直測斜儀等傳感器元件，開展施工過程及完成后全面靜態(tài)狀況下加筋土擋墻各部位的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。測試內(nèi)容包括：土工格柵加筋土擋墻墻體頂面及地基沉降變形測試；沿墻體高度不同位置處加筋土擋墻水平變形測試；土工格柵拉筋應(yīng)變沿筋長應(yīng)變測試；加筋土擋墻基底應(yīng)力大小及分布規(guī)律測試；加筋土結(jié)構(gòu)中，墻面、墻體中部、加筋土體背部側(cè)向土壓力大小測試。

擋墻以及路基填筑施工完成后，在路基面頂部不同位置采用大型高速鐵路列車激震器模擬高速列車震動，測試了多組加筋土擋墻各部位的動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變，取得了大量寶貴數(shù)據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，鋪軌完成半年后，擋墻工后沉降最大僅9 mm，且沉降變形趨勢已趨于平緩，沉降已基本穩(wěn)定；土工格柵最大累積變形僅為1.5 mm，平均累積變形量僅為0.2 mm，且變形趨勢已趨于平緩，變形已基本穩(wěn)定；墻面最大累積傾角變化量為0.05°，且變形趨勢已趨于平緩，變形已基本穩(wěn)定。

7結(jié)論

工程實施后效果良好，墻面美觀大方，位移變形可控。理論分析和試驗結(jié)果說明在松土地基上修建輕型、柔性的加筋土擋墻在技術(shù)上是合理和可行的，在經(jīng)濟上可大幅度地降低工程造價。通過模塊加筋設(shè)計以及格柵合理布設(shè)，加筋土擋墻可以滿足高速鐵路有砟軌道路基沉降變形要求，而加筋土擋土墻施工工藝、施工質(zhì)量則是保證工程安全可靠的根本。

目前高速鐵路列車荷載作用下?lián)鯄Y(jié)構(gòu)的變形行為、土工格柵在高速列車荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形行為尚不明確。本工程設(shè)置了多處擋墻變形以及格柵應(yīng)力監(jiān)測斷面，在后續(xù)工作中將結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)開展加筋土擋墻結(jié)構(gòu)行為研究。

參考文獻

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中圖分類號：U238； U213.1+5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0046-04

作者簡介：第一孫宏偉(1984—)，男，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-03-07