桩板墙在严寒地区铁路路堑边坡中的应用

2018-03-02 07:07:16莫继松

铁道勘察 2018年1期

莫继松

(丹大快速铁路有限责任公司，辽宁大连 116021)

1 概述

桩板墙[1，2]的优点在于其可防护高度较高：一般悬臂式桩板墙在地面以上的悬臂段高度可达15 m左右，地基强度不足地段可通过桩身埋入土体得到补偿[3]。桩板墙由悬臂桩和挡土板组合而成[4]，该结构在减小工程数量、缩短工期、减少施工作业面、节约投资等方面有着较为明显的优越性，且具有外形美观、施工简便、对周围建筑物影响较小、养护维修费用低等特点，在工程中应用广泛。

以下研究悬臂式桩板墙在高寒地区公铁并行路堑边坡中的应用。

2 桩板墙的理论现状

2.1 静力平衡法

主动土压力与被动土压力随深度变化而变化。随着桩板入土深度的不同，作用在桩上各点的土压力也不同。桩入土深度可根据水平力平衡方程和对桩底取矩的弯矩平衡方程联解求得，再求出各点的弯矩和剪力。

2.2 布鲁姆法

与静力平衡法的假设一样，桩前和桩后同时达到主动或被动土压力状态，土压力的分布与静力平衡法有所不同。桩入土的最小深度可根据对桩底取距的弯矩平衡方程求得，再求出各点的弯矩和剪力。

2.3 弹性地基梁法

其假定为桩身任一点处岩土抗力与该点的位移成正比。其具体解法如下：一种是直接用数学方法求解桩受荷以后的弹性挠曲微分方程，然后计算桩身内力和位移；另外一种是将桩划分为有限单元的离散体，再根据力的平衡和位移协调条件，解得桩各部分内力和位移(有限元法)。

以下采用弹性地基梁法中的有限元法进行结构受力分析。

2.4 结构设计

结构设计目前主要有两种方法：一种是容许应力法；另一种是极限状态法[5]。极限状态法比容许应力法可靠性更高，以下采用极限状态法进行结构设计。

3 桩板墙设计原理和方法

3.1 设计荷载种类[3]

(1)作用于桩板墙墙背的荷载有列车活载、汽车荷载、土压力、滑坡推力、顺层下滑力、水的浮力、地下水的渗透压力、地震力、施工临时荷载等。

(2)滑坡路基上的桩板墙按滑坡推力和土压力最不利工况作为设计荷载；顺层地段的桩板墙按顺层下滑力和土压力的最不利工况作为计算荷载；路肩和路堤桩板墙应选择列车荷载的最不利组合进行计算。

3.2 土压力计算理论

桩板墙墙背锚固点以上土压力计算采用库伦理论[6]。假定破裂面形状，依据极限状态下破裂棱体的静态平衡条件来确定土压力，这是研究土压力的一种简化理论，计算简便，适用于各种复杂的边界条件[7]。

3.3 反力计算[8]

桩身内力计算原理为弹性法，如图1所示。

图1 弹性法示意

p=kΔ

(1)

k=ahn

(2)

式中p——锚固段以下土体抗力/kPa;

k——弹性抗力系数；

Δ——锚固点以下桩体位移/m；

a、n——计算系数；

h——锚固点以下任意点到锚固点的竖向距离/m。

根据计算系数a、n的不同，形成不同的计算方法

n=1，a=m时，称为“m”法；

n=0.5，a=c时，称为“c”法；

n=0，a=K时，称为“K”法；

本工程实例计算采用K法。

3.4 有限元计算方程

将桩身分为有限个单元离散体，采用以弹塑性理论为基础的计算程序，利用节点力的平衡条件和变形协调条件联合求解[9]。

[[KZ]+[KT]+[KT0]]{δ}={p}

(3)

式中 [KZ]——桩板墙的弹性刚度矩阵；

[KT]——锚固点以下土体的刚度矩阵；

[KT0]——锚固点以下土体的初试弹性刚度矩阵；

{δ}——桩的位移矩阵；

{p}——桩的荷载矩阵。

根据不同的地质条件，桩底按约束程度不同分为：自由支撑、铰支撑、固定支撑[10]。

将约束条件带入(3)式中，即可求解桩各点的位移和内力。

3.5 地基强度校核[11]

针对K法的地基强度校核，对于较完整的岩质、半岩质地层，桩身对围岩的侧向压应力应满足下列条件

(4)

式中σmax——桩身对围岩的侧压应力/kPa；

R0——围岩岩石单轴抗压极限强度/kPa。

根据经验，对于土层和软质岩层，锚固深度取1/3～1/2桩长比较合适，对于完整、较坚硬的岩层，可取1/4桩长。

3.6 锚固点水平位移校核

桩板墙锚固深度除了应满足强度校核以外，其地面处的水平位移不宜大于10 mm，桩顶位移应小于悬臂段长度的1/100，且不宜大于10 cm。

4 工程实例

4.1 工程概况

某工程地处严寒的东北地区，该铁路工点线路以半挖半填方式通过，地形起伏较小。线路中心最大填高为3.3 m，最大挖深为10.5 m，靠近既有国道，公路外边缘距离新建路基面最小间距为3.7 m，其边坡防护高度为12.1 m。

工点范围内地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，埋深一般为1.60～18.70 m，水位季节变化幅度1～2 m。地下水对混凝土结构不具侵蚀性。

地震动峰值加速度：0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

土壤最大冻结深度：3.2 m。

4.2 工程难点和对策

本处工点主要技术难点为：①公铁并行地段限界条件紧张，公路外边缘距离新建路基面最小间距为3.7 m，公铁最大高差为12.1 m，施工作业面较为狭窄，施工过程中需保证既有公路运营安全。②工点位于寒冷的东北地区，由于温度变化幅度较大，土体反复冻融，对结构安全性要求较高。

以下比较重力式挡土墙、土钉墙、桩板墙三种工程措施的可行性。

(1)重力式挡土墙

在土压力的作用下，以挡土墙自身重力维持挡土墙的稳定[12]。本工点挡土墙地面以上有效防护高度为12.1 m，埋入土体部分不小于1.25 m，总墙高13.4 m；挡土墙墙顶宽度为2.3 m，胸坡和背坡坡率为1∶0.2。挡墙有效的收坡距离为4.7 m，超出了公路外边缘距离新建路基面最小间距3.7 m的要求，且其挡土墙高度超过《铁路路基支挡结构设计规范》不宜大于10 m的推荐高度值。

(2)土钉墙

在土体内增设一定长度和分布密度的加筋体，通过土钉与土体相互作用，提高边坡的稳定性[13]。土钉墙地面以上有效防护高度为12 m，共设两级边坡，一级边坡高10 m，设1.8 m宽平台，二级边坡高2 m，边坡胸坡坡率均为1∶0.15，有效收坡距离为3.6 m，满足公铁并行收坡的限界要求。

土钉墙具有施工工期短、施工过程中边坡稳定、机械化程度高、成本低等优点。本工点地处严寒地区，在后期养护维修中，土钉墙墙面易产生冻融破坏，影响结构的安全性。

(3)桩板墙

桩板墙地面以上有效防护高度为12 m，桩体宽度不大于2.5 m，有效收坡距离仅受桩体宽度控制，不受防护高度的限制。桩体宽度满足公铁并行收坡的限界要求。其施工所占用的空间仅为“桩体宽度+锁口”的厚度值，满足施工作业面的要求。

通过上述三种支挡结构形式的分析比较可以得出，桩板墙具有结构安全可靠、施工周期短、施工作业面小、对既有公路的运营干扰少、施工较为安全等优点。故本工点推荐桩板墙支护方式。

4.3 桩板墙设计

根据其地质条件，锚固段桩长度一般为桩全长的1/2～1/3。公路外边缘距离新建路基面距离不小于桩顶高度。

在设计过程中，需根据外力、地层性质、桩身材料等特性，拟定桩截面尺寸、锚固深度等参数；根据桩底的约束条件，计算锚固段桩身各点内力、位移和地层土反力，校核锚固点位移和地基强度。当不满足条件时，可通过调整桩间距、截面尺寸、锚固段深度等综合措施来满足相关要求。根据桩身所受的弯矩和剪力，按《钢筋混凝土结构设计规范》进行结构设计。

挡土板按照简支梁考虑，根据其挡土墙板所在范围内受到的最大土压力计算弯矩和剪力，然后按《钢筋混凝土结构设计规范》进行结构设计。

(1)工程措施

本处路堑一级边坡采用桩板墙防护，悬臂段长度为11.0 m，锚固段长度为10.0 m，总桩长为21 m；桩中心距为6 m，桩宽1.5 m，桩高2.0 m，桩身为C40钢筋混凝土。二级边坡坡率为1∶1.5，边坡高度为1.1 m，桩底约束条件为自由，悬臂段每延米所受库伦主动土压力的水平推力为360.46 kN。其结构检算方法采用K法。

(2)桩身内力分析

根据桩体受力特征建立有限元模型，其中桩体全长为21 m，将桩分为0.2～0.4 m长的离散体，根据锚固段土体水平向弹性地基系数、桩身材料尺寸、桩身受力和桩底自由等边界条件进行求解。其中桩身材料、尺寸和锚固段土体地基系数采用(3)式中的刚度矩阵；利用桩底弯矩和剪力均为零的边界条件对桩身受力进行求解。其桩身受力结果如表1所示。