既有線路中重力式支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究

侯志峰

摘要：重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估是既有鐵路、公路安全評(píng)估的重要組成部分。文章闡述了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系的內(nèi)容，分析了重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響因素，探討了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的主要方法，并就可靠度方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行了工程實(shí)例計(jì)算。

關(guān)鍵詞：重力式支擋結(jié)構(gòu)；評(píng)估體系；影響因素；評(píng)估技術(shù)；既有線路 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U213 文章編號(hào)：1009-2374（2016）13-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.022

1 概述

重力式支擋結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于鐵路及公路支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。既有鐵路運(yùn)營過程中，在線路提速或軸重加大后，作用在路基面上的動(dòng)應(yīng)力將大幅增加。既有線路經(jīng)過一定運(yùn)營期后，重力式支擋結(jié)構(gòu)工作環(huán)境也隨之發(fā)生變化。既有重力式支擋結(jié)構(gòu)如何保證運(yùn)營的安全，是工程技術(shù)人員最為關(guān)心的問題。目前，我國在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究較少，特別需要加強(qiáng)此領(lǐng)域的研究工作。重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估是在一定的評(píng)估體系下，對(duì)其安全影響因素進(jìn)行全面分析，確定評(píng)估單元，再應(yīng)用各種安全評(píng)估方法對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)判，并據(jù)此提出維護(hù)和加強(qiáng)的措施。

2 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系

2.1 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系的目標(biāo)

建立重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系是重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估時(shí)的理論依據(jù)。其目標(biāo)是對(duì)鐵路、公路等交通工程系統(tǒng)安全性、可靠性、可用性、可維護(hù)性的各種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)到最低事故率、最少損失、最少維護(hù)率及最優(yōu)投資效益。

2.2 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系的構(gòu)成

重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系主要由安全預(yù)評(píng)估、設(shè)計(jì)審核安全評(píng)估、施工安全評(píng)估、驗(yàn)收安全評(píng)估、安全現(xiàn)狀定期安全評(píng)估（直至超出正常使用年限）五項(xiàng)內(nèi)容構(gòu)成。安全預(yù)評(píng)估主要在系統(tǒng)可行性研究時(shí)進(jìn)行，可指導(dǎo)后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工。設(shè)計(jì)審核安全評(píng)估及施工安全評(píng)估是結(jié)構(gòu)是否能夠達(dá)到正常使用年限的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及合理性，在施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格要求施工質(zhì)量及施工安全。驗(yàn)收安全評(píng)估是通過試運(yùn)行階段分析結(jié)構(gòu)使用時(shí)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，并確定其危險(xiǎn)程度及可能出現(xiàn)的后果，提出預(yù)防措施。安全現(xiàn)狀定期安全評(píng)估，即采用各種安全評(píng)估技術(shù)相結(jié)合，綜合評(píng)估重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全狀況，是其生命周期內(nèi)所有評(píng)估工作的重點(diǎn)。

2.3 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估單元

根據(jù)分析重力式支擋結(jié)構(gòu)安全影響因素及其破壞時(shí)可能出現(xiàn)的癥狀，可從如下四方面著手確定其評(píng)估單元：（1）從受力角度，包括動(dòng)應(yīng)力的變化對(duì)穩(wěn)定性的影響、不同計(jì)算方法對(duì)穩(wěn)定性的影響、不同荷載方式對(duì)穩(wěn)定性的影響；（2）從變形角度，包括墻身是否有裂縫、墻后土體是否開裂、墻后土體是否有不均勻下沉；（3）從墻型結(jié)構(gòu)及材料角度，包括材料是否風(fēng)化，砂漿、混凝土是否老化，墻型尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求；（4）從水文地質(zhì)角度，包括泄水孔是否堵塞、墻體地基是否發(fā)生變化。

2.4 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估步驟

重力式支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，可遵循如下七個(gè)步驟：準(zhǔn)備工作、安全影響因素分析、確定評(píng)估單元、安全評(píng)估實(shí)施、安全對(duì)策制定、評(píng)估結(jié)論及建議、編寫安全評(píng)估報(bào)告。

3 重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響因素

在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，特別是土壓力的計(jì)算理論、計(jì)算參數(shù)的取值、材料、施工、動(dòng)應(yīng)力、地震力等方面，對(duì)重力式支擋結(jié)構(gòu)安全性均有較大影響。同時(shí)既有支擋結(jié)構(gòu)的安全性還受其工作環(huán)境變化的影響，如水文及工程地質(zhì)條件的變化等，在進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)要進(jìn)行全面

分析。

3.1 不同土壓力計(jì)算理論的影響

目前設(shè)計(jì)中大多采用庫倫公式計(jì)算土壓力，有時(shí)也采用彈性理論。庫倫理論及彈性理論的計(jì)算假設(shè)條件不同，計(jì)算所得墻后土壓力大小、分布規(guī)律及作用點(diǎn)位置均有較大差別。由庫倫理論計(jì)算所得的墻后土壓力分布形式為一折線，而由彈性理論計(jì)算所得的墻后土壓力分布形式為一凸曲線，中上部偏大，底部偏小。在評(píng)估時(shí)應(yīng)對(duì)由于不同的計(jì)算方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

3.2 提速或軸重增加引起動(dòng)應(yīng)力增大的影響

傳統(tǒng)普通鐵路路基設(shè)計(jì)均采用換算土柱法，將靜荷載和動(dòng)荷載一并簡化為靜荷載。但隨著既有線提速或軸重增加后，列車動(dòng)荷載作用明顯加強(qiáng)，導(dǎo)致基床范圍內(nèi)重力式支擋結(jié)構(gòu)土壓力與傳統(tǒng)庫侖理論計(jì)算所得結(jié)果相比有明顯差異，特別是當(dāng)支擋結(jié)構(gòu)較矮（2～4m）時(shí)。因此需要對(duì)由于動(dòng)應(yīng)力發(fā)生變化對(duì)支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行評(píng)估。

3.3 使用環(huán)境變化的影響

重力式支擋結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一定的運(yùn)營期后，排水設(shè)施失效或者排水不利時(shí)，可能引起土體重度明顯增加，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、墻背摩擦角δ均不同程度減小。雨水的入滲還可能發(fā)生基底軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致基底承載能力急劇下降。在經(jīng)歷一定時(shí)間的運(yùn)營期后，墻體材料耐久性也會(huì)發(fā)生明顯變化，特別是墻背。這些因素對(duì)重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響至關(guān)重要，需特別加以重視。

3.4 不同墻型的影響

重力式支擋結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)使用墻型一般為墻胸墻背坡度相同。但現(xiàn)在使用較多的改進(jìn)后墻型是將上墻背坡度放陡，增設(shè)傾斜基底。使用傳統(tǒng)墻型的重力式支擋結(jié)構(gòu)隨著既有線提速，可能造成路基受力不均。不同墻型的計(jì)算截面面積也有所不同。同時(shí)，改進(jìn)后的墻型由于增設(shè)傾斜基底，故抗滑能力有較大提高。但是采用增強(qiáng)措施的墻型雖然安全系數(shù)得以提高，其安全可靠度不一定相應(yīng)提高。

4 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法

重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法有很多種，包括非確定性分析方法、定性分析方法、定量分析方法、模型試驗(yàn)分析方法、現(xiàn)場檢測分析方法。各種分析方法特點(diǎn)及使用范圍不盡相同。

4.1 非確定性分析方法

4.1.1 可靠度分析方法?？煽慷确治龇椒ㄍㄟ^考慮重力式支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隨機(jī)變量（重度γ、綜合內(nèi)摩擦角φ0、墻背摩擦角δ、基底承載力σ）的變異性，計(jì)算結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的不同功能函數(shù)值，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的失效概率及可靠指標(biāo)，給出相應(yīng)安全評(píng)估結(jié)論。

根據(jù)最終R值的大小，參考相應(yīng)的換算標(biāo)準(zhǔn)，即可得出重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估等級(jí)。

4.1.3 專家評(píng)估方法。專家評(píng)估方法采用匿名函詢的方式，通過一系列簡明的調(diào)查征詢表邀請(qǐng)專家對(duì)待評(píng)估結(jié)構(gòu)進(jìn)行打分，并通過有控制的反饋，取得盡可能一致的意見，對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀做出相應(yīng)評(píng)估，對(duì)未來做出相應(yīng)的預(yù)測。

4.2 定性分析方法

工程類比方法是定性分析技術(shù)的典型應(yīng)用。盡量找一與待評(píng)估的重力式支擋結(jié)構(gòu)使用環(huán)境類似，并已安全使用超過其使用年限的同類型重力式支擋結(jié)構(gòu)。再分析兩者可能的破壞機(jī)制的相似性及差異性，并結(jié)合兩者的安全等級(jí)，綜合確定其安全狀態(tài)。

4.3 定量分析方法

定量分析方法主要包括極限平衡法及有限元法。廣泛應(yīng)用于巖土工程界的GEO-SLOPE（邊坡穩(wěn)定分析軟件）便是基于極限平衡原理，將重力式支擋結(jié)構(gòu)及后方巖（土）體均視為剛體，不考慮本身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，將結(jié)構(gòu)后方潛在滑動(dòng)面內(nèi)的巖（土）體劃分為多個(gè)小塊體，通過各塊體的平衡條件建立整個(gè)體系的平衡方程，導(dǎo)出重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

有限元法先將重力式支擋結(jié)構(gòu)用有限個(gè)容易分析的單元代替，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)來綜合求解其位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等，綜合分析其所處安全狀態(tài)。有限元法可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題，常用的計(jì)算分析軟件有ANSYS、FLAC、ABAQUS、SAP等。

4.4 模型試驗(yàn)方法

由于重力式支擋結(jié)構(gòu)尺寸較大，故實(shí)尺模型試驗(yàn)既耗時(shí)又不經(jīng)濟(jì)，一般對(duì)其進(jìn)行離心模型試驗(yàn)。把按1/n比例縮放后的模型放在以ng離心加速度運(yùn)轉(zhuǎn)的離心機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，模擬現(xiàn)場實(shí)際受力，通過測試其應(yīng)力及變形破壞情況，對(duì)其做出安全評(píng)估結(jié)論。

4.5 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

現(xiàn)場試驗(yàn)方法主要包括裂縫觀測、排水設(shè)施檢查、荷載試驗(yàn)、位移時(shí)間曲線監(jiān)測、地基土軟化情況檢測等，其中現(xiàn)場裂縫觀測、排水設(shè)施檢查比較直觀，容易實(shí)現(xiàn)，且效果比較精準(zhǔn)。在雨季時(shí)對(duì)重力式支擋結(jié)構(gòu)做位移時(shí)間監(jiān)測試驗(yàn)，可以有效減少突然破壞情況的

發(fā)生。

5 可靠度分析方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中的應(yīng)用

利用可靠度分析方法，結(jié)合蒙特卡洛原理對(duì)某單線Ⅰ級(jí)鐵路既有重力式支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

5.1 計(jì)算條件

以單線Ⅰ級(jí)次重型鐵路為例。支擋結(jié)構(gòu)型式取重力式路肩墻，墻胸墻背均取1∶0.25的仰斜。列車荷載分布寬度：l0=3.5m；換算土柱高度：h0=3.2m。換算土柱距路基邊緣距離：k0=1.95m。填土按砂性土考慮，取內(nèi)摩擦角φ=35°，基底摩擦系數(shù)f=0.3；土體重度γ=19kN/m3；土與墻背的摩擦角δ=φ/2，即17.5°；基底容許承載力取σ=300kPa。

5.2 可靠指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分析

由重力式支擋結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（表1）分析可得：

第一，在該計(jì)算條件下，該結(jié)構(gòu)抗滑可靠指標(biāo)在2.26～2.86之間變化，其相應(yīng)失效概率為9.1‰～2.5‰。該結(jié)構(gòu)抗傾覆可靠指標(biāo)在2.85～3.29之間變化，其相應(yīng)失效概率為2.5‰～2.0‰。各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)要求，故可將該結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估為良好。

第二，在傳統(tǒng)的安全系數(shù)法計(jì)算過程中，盡管重力式支擋結(jié)構(gòu)的墻高在4～10m之間變化時(shí)，其抗滑穩(wěn)定系數(shù)均在1.30～1.35之間變化，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均在1.66～1.80之間變化。但其抗滑動(dòng)和抗傾覆可靠指標(biāo)均隨著墻高的增加而變大，其基底承載力可靠指標(biāo)則隨著墻高的增加而減小。

第三，通過引進(jìn)可靠度原理對(duì)重力式支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及安全評(píng)估，相比傳統(tǒng)的安全系數(shù)法，能更直觀并準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備情況。

6 結(jié)語

本文初步建立了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的體系，對(duì)影響重力式支擋結(jié)構(gòu)安全的主要影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究探討了多種重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法。重點(diǎn)介紹了由多安全影響因素控制的可靠度分析方法及模糊綜合評(píng)估方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中的應(yīng)用，其避免了由單個(gè)控制因素而得結(jié)論的片面性及誤

差性。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）