向俊紅

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(jì)

向俊紅

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(yùn)專線某段深路塹設(shè)計(jì)為例，提出路塹樁板墻、被動(dòng)攔石網(wǎng)、緩沖土堤、落石槽相結(jié)合的綜合防護(hù)措施。根據(jù)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合落石運(yùn)動(dòng)、邊坡土壓力、落石沖擊力，計(jì)算防護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸。

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

以張呼客運(yùn)專線某段深路塹路基為工程背景，對(duì)深路塹及其落石防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提出一種路塹樁板墻結(jié)合被動(dòng)攔石網(wǎng)、落石槽防治危巖落石的設(shè)計(jì)方案。該方案為由路塹樁板墻、落石槽、緩沖土堤及被動(dòng)攔石網(wǎng)組合而成的防護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效防止塹頂?shù)奈r落石源對(duì)路基工程產(chǎn)生的災(zāi)害，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)速250 km有砟軌道設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)286.803 km，其中路基長(zhǎng)109.955 km，占線路長(zhǎng)度的38.34%，而深路塹為路基主要工點(diǎn)類型之一。工點(diǎn)處深挖方路塹位于中山丘陵地帶，植被發(fā)育，地勢(shì)起伏較大，相對(duì)高差超過(guò)40 m；地層巖性相對(duì)較簡(jiǎn)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(qiáng)—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(hù)

該段路基右側(cè)自然坡面陡峭，局部基巖裸露，邊坡高度達(dá)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(shí)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(chǎng)澆筑，樁間板采用現(xiàn)場(chǎng)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(tái)，平臺(tái)上部維持原自然坡面不變。

3危巖落石防護(hù)

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(huì)形成新的落石，且后期形成的落石，其大小及運(yùn)動(dòng)軌跡很難確定，防護(hù)難度較大。為了確保張呼鐵路運(yùn)營(yíng)期間的安全，應(yīng)從路基根部解決落石問(wèn)題。

落石防護(hù)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(diǎn)是可就地取材，耐久性好，成本低，且后期維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)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(dòng)攔石網(wǎng)，多為直接采購(gòu)的半成品，可結(jié)合地形及工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)籌布局，施工方便，其缺點(diǎn)是易生銹，需定期保養(yǎng)，后期維護(hù)成本較高〔3〕。

考慮該路基工程特點(diǎn)，并結(jié)合邊坡的穩(wěn)定、防護(hù)成本、施工難度及后期維護(hù)等，擬采用路塹樁板墻結(jié)合被動(dòng)攔石網(wǎng)及落石槽的防護(hù)結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)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(dòng)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(guò)緩沖層向樁板墻傳遞、擴(kuò)散，避免樁板墻直接受力，增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。[4]樁板墻頂部設(shè)置被動(dòng)攔石網(wǎng)，主要起阻攔高位滾落危石的作用。被動(dòng)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(cuò)布置以減小被動(dòng)網(wǎng)孔徑，防止破碎后的落石鉆過(guò)去。被動(dòng)攔石網(wǎng)[5]的雙層網(wǎng)通過(guò)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(jì)

樁板墻為主體受力構(gòu)件，最終以計(jì)算樁板墻結(jié)構(gòu)尺寸為主要設(shè)計(jì)任務(wù)。整體結(jié)構(gòu)的布設(shè)包括平面位置、延伸長(zhǎng)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(tái)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(zhǎng)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?dòng)攔石網(wǎng)高度，可根據(jù)地形，地層條件，落石運(yùn)動(dòng)軌跡及沖擊力、彈跳高度等設(shè)計(jì)。根據(jù)最終確定的落石槽深度、緩沖土堤厚度可推測(cè)樁板墻露出地面段長(zhǎng)度，即懸臂段長(zhǎng)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(jì)算樁板墻的尺寸、縱向布置間距。

5.l　防護(hù)結(jié)構(gòu)高度設(shè)計(jì)

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(jì)算落石運(yùn)動(dòng)路徑，根據(jù)落石運(yùn)動(dòng)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(hù)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(duì)最不利斷面進(jìn)行落石運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算(如表1)。

表1　落石運(yùn)動(dòng)速度計(jì)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(yùn)動(dòng)軌跡方程[7]y=+xctgβ，計(jì)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(jì)算得出落石運(yùn)動(dòng)至樁板墻頂時(shí)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(hù)高度為60-45.8=14.2 m，故攔石結(jié)構(gòu)防護(hù)高度取15 m，其中樁板墻懸臂段長(zhǎng)10 m，則樁頂被動(dòng)攔石網(wǎng)高度為5 m。

5.2　落石槽深度計(jì)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(lái)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(jìn)行計(jì)算，取石塊落在槽底距緩沖土堤的迎石坡面坡腳0.5 m時(shí)的彈跳計(jì)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(jì)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(jì)算與緩沖土堤設(shè)計(jì)

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(shí)際工程中考慮設(shè)計(jì)緩沖層堤頂厚度，還需要結(jié)合整個(gè)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(kuò)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(duì)緩沖層沖擊力的計(jì)算

落石對(duì)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(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

石塊對(duì)緩沖層沖擊力計(jì)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(jì)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(jì)算得出落石作用于緩沖土層表面的壓強(qiáng)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(duì)緩沖層和攔石結(jié)構(gòu)沖擊力的計(jì)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(kuò)散角一般≤40°，因落石沖擊導(dǎo)致土堤產(chǎn)生被動(dòng)性破壞，故采用其被動(dòng)破裂角θ=45°-φ/2為沖擊力在緩沖層的擴(kuò)散角。

本處偏安全設(shè)計(jì)采用沖擊力方向?yàn)榇怪庇诎鍓Ψ较?，并呈圓錐狀擴(kuò)散到板樁墻上。結(jié)合緩沖層厚度l、落石半徑R，計(jì)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(jì)算，得出沖擊力擴(kuò)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(jì)算

樁板墻承受的土壓力計(jì)算：

作用于樁板墻上土壓力可用庫(kù)侖土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)綜合分析，樁板墻懸臂段長(zhǎng)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(jì)算，墻后土壓力Ea=605.2 kN，Ex=577.2 kN：庫(kù)侖土壓力呈三角形分布，錨固面處對(duì)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(jì)方法計(jì)算此處路基樁板墻，得錨固段長(zhǎng)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(jì)算進(jìn)行樁、板結(jié)構(gòu)配筋。

圖3　樁板墻受力分布

6結(jié)束語(yǔ)

以上結(jié)構(gòu)適用于深挖方路塹攔落石的防護(hù)，在不進(jìn)行深挖方路塹開挖之前施做，可減少土石方開挖工程，增強(qiáng)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(hù)網(wǎng)的不足。該防護(hù)結(jié)構(gòu)直接解決了路基邊上落石問(wèn)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(bǔ)充了一套更安全的防護(hù)措施，降低了落石路基的風(fēng)險(xiǎn)，而且施工簡(jiǎn)便，外形構(gòu)造美觀，具有廣泛的適用性。

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中圖分類號(hào)：U213.1+52.2； U216.41+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0028-03

作者簡(jiǎn)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