樁板墻在嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路塹邊坡中的應(yīng)用

莫繼松

(丹大快速鐵路有限責(zé)任公司，遼寧大連 116021)

1 概述

樁板墻[1，2]的優(yōu)點(diǎn)在于其可防護(hù)高度較高：一般懸臂式樁板墻在地面以上的懸臂段高度可達(dá)15 m左右，地基強(qiáng)度不足地段可通過(guò)樁身埋入土體得到補(bǔ)償[3]。樁板墻由懸臂樁和擋土板組合而成[4]，該結(jié)構(gòu)在減小工程數(shù)量、縮短工期、減少施工作業(yè)面、節(jié)約投資等方面有著較為明顯的優(yōu)越性，且具有外形美觀、施工簡(jiǎn)便、對(duì)周圍建筑物影響較小、養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低等特點(diǎn)，在工程中應(yīng)用廣泛。

以下研究懸臂式樁板墻在高寒地區(qū)公鐵并行路塹邊坡中的應(yīng)用。

2 樁板墻的理論現(xiàn)狀

2.1 靜力平衡法

主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力隨深度變化而變化。隨著樁板入土深度的不同，作用在樁上各點(diǎn)的土壓力也不同。樁入土深度可根據(jù)水平力平衡方程和對(duì)樁底取矩的彎矩平衡方程聯(lián)解求得，再求出各點(diǎn)的彎矩和剪力。

2.2 布魯姆法

與靜力平衡法的假設(shè)一樣，樁前和樁后同時(shí)達(dá)到主動(dòng)或被動(dòng)土壓力狀態(tài)，土壓力的分布與靜力平衡法有所不同。樁入土的最小深度可根據(jù)對(duì)樁底取距的彎矩平衡方程求得，再求出各點(diǎn)的彎矩和剪力。

2.3 彈性地基梁法

其假定為樁身任一點(diǎn)處巖土抗力與該點(diǎn)的位移成正比。其具體解法如下：一種是直接用數(shù)學(xué)方法求解樁受荷以后的彈性撓曲微分方程，然后計(jì)算樁身內(nèi)力和位移；另外一種是將樁劃分為有限單元的離散體，再根據(jù)力的平衡和位移協(xié)調(diào)條件，解得樁各部分內(nèi)力和位移(有限元法)。

以下采用彈性地基梁法中的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前主要有兩種方法：一種是容許應(yīng)力法；另一種是極限狀態(tài)法[5]。極限狀態(tài)法比容許應(yīng)力法可靠性更高，以下采用極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 樁板墻設(shè)計(jì)原理和方法

3.1 設(shè)計(jì)荷載種類[3]

(1)作用于樁板墻墻背的荷載有列車活載、汽車荷載、土壓力、滑坡推力、順層下滑力、水的浮力、地下水的滲透壓力、地震力、施工臨時(shí)荷載等。

(2)滑坡路基上的樁板墻按滑坡推力和土壓力最不利工況作為設(shè)計(jì)荷載；順層地段的樁板墻按順層下滑力和土壓力的最不利工況作為計(jì)算荷載；路肩和路堤樁板墻應(yīng)選擇列車荷載的最不利組合進(jìn)行計(jì)算。

3.2 土壓力計(jì)算理論

樁板墻墻背錨固點(diǎn)以上土壓力計(jì)算采用庫(kù)倫理論[6]。假定破裂面形狀，依據(jù)極限狀態(tài)下破裂棱體的靜態(tài)平衡條件來(lái)確定土壓力，這是研究土壓力的一種簡(jiǎn)化理論，計(jì)算簡(jiǎn)便，適用于各種復(fù)雜的邊界條件[7]。

3.3 反力計(jì)算[8]

樁身內(nèi)力計(jì)算原理為彈性法，如圖1所示。

圖1 彈性法示意

p=kΔ

(1)

k=ahn

(2)

式中p——錨固段以下土體抗力/kPa;

k——彈性抗力系數(shù)；

Δ——錨固點(diǎn)以下樁體位移/m；

a、n——計(jì)算系數(shù)；

h——錨固點(diǎn)以下任意點(diǎn)到錨固點(diǎn)的豎向距離/m。

根據(jù)計(jì)算系數(shù)a、n的不同，形成不同的計(jì)算方法

n=1，a=m時(shí)，稱為“m”法；

n=0.5，a=c時(shí)，稱為“c”法；

n=0，a=K時(shí)，稱為“K”法；

本工程實(shí)例計(jì)算采用K法。

3.4 有限元計(jì)算方程

將樁身分為有限個(gè)單元離散體，采用以彈塑性理論為基礎(chǔ)的計(jì)算程序，利用節(jié)點(diǎn)力的平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件聯(lián)合求解[9]。

[[KZ]+[KT]+[KT0]]{δ}={p}

(3)

式中 [KZ]——樁板墻的彈性剛度矩陣；

[KT]——錨固點(diǎn)以下土體的剛度矩陣；

[KT0]——錨固點(diǎn)以下土體的初試彈性剛度矩陣；

{δ}——樁的位移矩陣；

{p}——樁的荷載矩陣。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件，樁底按約束程度不同分為：自由支撐、鉸支撐、固定支撐[10]。

將約束條件帶入(3)式中，即可求解樁各點(diǎn)的位移和內(nèi)力。

3.5 地基強(qiáng)度校核[11]

針對(duì)K法的地基強(qiáng)度校核，對(duì)于較完整的巖質(zhì)、半巖質(zhì)地層，樁身對(duì)圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力應(yīng)滿足下列條件

(4)

式中σmax——樁身對(duì)圍巖的側(cè)壓應(yīng)力/kPa；

R0——圍巖巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度/kPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于土層和軟質(zhì)巖層，錨固深度取1/3～1/2樁長(zhǎng)比較合適，對(duì)于完整、較堅(jiān)硬的巖層，可取1/4樁長(zhǎng)。

3.6 錨固點(diǎn)水平位移校核

樁板墻錨固深度除了應(yīng)滿足強(qiáng)度校核以外，其地面處的水平位移不宜大于10 mm，樁頂位移應(yīng)小于懸臂段長(zhǎng)度的1/100，且不宜大于10 cm。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某工程地處嚴(yán)寒的東北地區(qū)，該鐵路工點(diǎn)線路以半挖半填方式通過(guò)，地形起伏較小。線路中心最大填高為3.3 m，最大挖深為10.5 m，靠近既有國(guó)道，公路外邊緣距離新建路基面最小間距為3.7 m，其邊坡防護(hù)高度為12.1 m。

工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，埋深一般為1.60～18.70 m，水位季節(jié)變化幅度1～2 m。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

地震動(dòng)峰值加速度：0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

土壤最大凍結(jié)深度：3.2 m。

4.2 工程難點(diǎn)和對(duì)策

本處工點(diǎn)主要技術(shù)難點(diǎn)為：①公鐵并行地段限界條件緊張，公路外邊緣距離新建路基面最小間距為3.7 m，公鐵最大高差為12.1 m，施工作業(yè)面較為狹窄，施工過(guò)程中需保證既有公路運(yùn)營(yíng)安全。②工點(diǎn)位于寒冷的東北地區(qū)，由于溫度變化幅度較大，土體反復(fù)凍融，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性要求較高。

以下比較重力式擋土墻、土釘墻、樁板墻三種工程措施的可行性。

(1)重力式擋土墻

在土壓力的作用下，以擋土墻自身重力維持擋土墻的穩(wěn)定[12]。本工點(diǎn)擋土墻地面以上有效防護(hù)高度為12.1 m，埋入土體部分不小于1.25 m，總墻高13.4 m；擋土墻墻頂寬度為2.3 m，胸坡和背坡坡率為1∶0.2。擋墻有效的收坡距離為4.7 m，超出了公路外邊緣距離新建路基面最小間距3.7 m的要求，且其擋土墻高度超過(guò)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》不宜大于10 m的推薦高度值。

(2)土釘墻

在土體內(nèi)增設(shè)一定長(zhǎng)度和分布密度的加筋體，通過(guò)土釘與土體相互作用，提高邊坡的穩(wěn)定性[13]。土釘墻地面以上有效防護(hù)高度為12 m，共設(shè)兩級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡高10 m，設(shè)1.8 m寬平臺(tái)，二級(jí)邊坡高2 m，邊坡胸坡坡率均為1∶0.15，有效收坡距離為3.6 m，滿足公鐵并行收坡的限界要求。

土釘墻具有施工工期短、施工過(guò)程中邊坡穩(wěn)定、機(jī)械化程度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本工點(diǎn)地處嚴(yán)寒地區(qū)，在后期養(yǎng)護(hù)維修中，土釘墻墻面易產(chǎn)生凍融破壞，影響結(jié)構(gòu)的安全性。

(3)樁板墻

樁板墻地面以上有效防護(hù)高度為12 m，樁體寬度不大于2.5 m，有效收坡距離僅受樁體寬度控制，不受防護(hù)高度的限制。樁體寬度滿足公鐵并行收坡的限界要求。其施工所占用的空間僅為“樁體寬度+鎖口”的厚度值，滿足施工作業(yè)面的要求。

通過(guò)上述三種支擋結(jié)構(gòu)形式的分析比較可以得出，樁板墻具有結(jié)構(gòu)安全可靠、施工周期短、施工作業(yè)面小、對(duì)既有公路的運(yùn)營(yíng)干擾少、施工較為安全等優(yōu)點(diǎn)。故本工點(diǎn)推薦樁板墻支護(hù)方式。

4.3 樁板墻設(shè)計(jì)

根據(jù)其地質(zhì)條件，錨固段樁長(zhǎng)度一般為樁全長(zhǎng)的1/2～1/3。公路外邊緣距離新建路基面距離不小于樁頂高度。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)外力、地層性質(zhì)、樁身材料等特性，擬定樁截面尺寸、錨固深度等參數(shù)；根據(jù)樁底的約束條件，計(jì)算錨固段樁身各點(diǎn)內(nèi)力、位移和地層土反力，校核錨固點(diǎn)位移和地基強(qiáng)度。當(dāng)不滿足條件時(shí)，可通過(guò)調(diào)整樁間距、截面尺寸、錨固段深度等綜合措施來(lái)滿足相關(guān)要求。根據(jù)樁身所受的彎矩和剪力，按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

擋土板按照簡(jiǎn)支梁考慮，根據(jù)其擋土墻板所在范圍內(nèi)受到的最大土壓力計(jì)算彎矩和剪力，然后按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)工程措施

本處路塹一級(jí)邊坡采用樁板墻防護(hù)，懸臂段長(zhǎng)度為11.0 m，錨固段長(zhǎng)度為10.0 m，總樁長(zhǎng)為21 m；樁中心距為6 m，樁寬1.5 m，樁高2.0 m，樁身為C40鋼筋混凝土。二級(jí)邊坡坡率為1∶1.5，邊坡高度為1.1 m，樁底約束條件為自由，懸臂段每延米所受庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的水平推力為360.46 kN。其結(jié)構(gòu)檢算方法采用K法。

(2)樁身內(nèi)力分析

根據(jù)樁體受力特征建立有限元模型，其中樁體全長(zhǎng)為21 m，將樁分為0.2～0.4 m長(zhǎng)的離散體，根據(jù)錨固段土體水平向彈性地基系數(shù)、樁身材料尺寸、樁身受力和樁底自由等邊界條件進(jìn)行求解。其中樁身材料、尺寸和錨固段土體地基系數(shù)采用(3)式中的剛度矩陣；利用樁底彎矩和剪力均為零的邊界條件對(duì)樁身受力進(jìn)行求解。其樁身受力結(jié)果如表1所示。

表1 樁身受力計(jì)算結(jié)果

相關(guān)計(jì)算見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 位移計(jì)算

圖3 土反力計(jì)算

圖4 彎矩計(jì)算

圖5 剪力計(jì)算

①受力分析

從圖4和圖5的彎矩和剪力分布特征來(lái)看，彎矩和剪力最大值出現(xiàn)在錨固點(diǎn)坡腳附近，并且剪力和彎矩隨深度的增加而急劇增大，達(dá)到最高值后逐漸減小，說(shuō)明錨固段以上的土體對(duì)樁有明顯的擠推作用，錨固段樁周土體對(duì)樁身在上述剪力和彎矩作用下產(chǎn)生的變形有明顯的阻抗作用(將懸臂段推力傳遞到樁周穩(wěn)定的土體)。

②變形分析

從圖2可以看出，錨固段最大位移發(fā)生在錨固點(diǎn)附近，位移曲線基本為直線，最大位移不超過(guò)8 mm，各節(jié)點(diǎn)差異較小，說(shuō)明樁體能很好地協(xié)調(diào)懸臂段和錨固段巖土體變形，使兩部分巖土體形成共同體。

③檢算結(jié)論

錨固點(diǎn)位于樁頂以下11 m處，該處的水平位移為7.61 mm(小于10 mm)，樁身的地面處水平位移滿足要求。

根據(jù)式(4)求得樁身對(duì)圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力允許值為15 000×0.6×0.3=2 700 kPa，其樁身最大土反力出現(xiàn)在樁頂以下11.2 m處，土反力為857 kPa，小于允許值，其地基強(qiáng)度滿足要求。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14]

鋼筋混凝土樁的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35～1.50，樁荷載的變異性大時(shí)應(yīng)取大值，變異性小時(shí)應(yīng)取小值，本工點(diǎn)分項(xiàng)系數(shù)取1.5;擋土板的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35，樁和擋土板的混凝土結(jié)構(gòu)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

(4)施工工藝

①核對(duì)地面情況，進(jìn)行基線定位，準(zhǔn)確確定樁板墻的位置。

②待核實(shí)無(wú)誤后隔樁開(kāi)挖樁井，設(shè)置鎖口護(hù)壁，并注意井下排水、通風(fēng)及人身安全。

③綁扎鋼筋籠，一次性連續(xù)灌注樁身混凝土，不得形成水平施工縫。

④樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，分層開(kāi)挖樁前土體。

⑤樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，委托檢測(cè)單位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)合格后轉(zhuǎn)入下道工序[15]。

⑥擋土板預(yù)制，擋土板強(qiáng)度達(dá)到75%以上，采用平板車運(yùn)輸，吊車吊裝。擋土板背分層回填。

實(shí)施后的成果如圖6所示。

圖6 樁板墻

5 結(jié)束語(yǔ)

該工點(diǎn)施工時(shí)沒(méi)有破壞既有公路路面，保證了既有公路的正常運(yùn)營(yíng)。對(duì)位移觀測(cè)樁進(jìn)行觀測(cè)，其觀測(cè)位移值小于樁頂位移設(shè)計(jì)值，表明該支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)的溫度變化，且其后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也未出現(xiàn)其他病害。以上分析充分證明了樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于高寒地區(qū)有特殊限制的鐵路路塹邊坡。

[1] 李斌.樁板式擋土墻在公路工程中的應(yīng)用[J].青海交通科技，2011(4)：54-55

[2] 王偉力，丁建明，熊燕飛.樁板式擋土墻施工方案設(shè)計(jì)及技術(shù)分析[J].西部交通科技，2008(3)：16-18

[3] 李海光，等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].北京:人民交通出版社，2010

[4] 潘秀球.樁板式擋墻在柳州市濱江東路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].江西建材，2015(6)：161-162

[5] 羅一農(nóng)，劉昌清，魏永幸.基于極限狀態(tài)法的樁板式擋土墻設(shè)計(jì)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，31(11)：10-14

[6] 洪平.俯斜墻背條件下朗肯與庫(kù)倫土壓力理論的研究[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，16(3)：24-27

[7] 郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000

[8] 北京理正軟件設(shè)計(jì)院有限公司.理正巖土抗滑樁[擋墻]設(shè)計(jì)軟件使用說(shuō)明、編制原理[Z].北京：理正軟件設(shè)計(jì)院有限公司，2009

[9] 巨能攀，黃潤(rùn)秋，涂國(guó)祥.樁板墻樁土作用機(jī)理有限元分析[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，33(4):365-370

[10] 湯康民.巖土工程[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2009

[11] 趙明階，何光春，王多琢.邊坡工程處治技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013

[12] 姜濤.重力式擋土墻技術(shù)在路基邊坡防治中的應(yīng)用與探究[J].科技與企業(yè)，2016(2)：135-135

[13] 馮英明.土釘墻在路塹邊坡支護(hù)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].路基工程，2013(2)：143-146

[14] 鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006

[15] 時(shí)堅(jiān).高速鐵路樁板式擋土墻施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2016(61)：146