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        樁板墻在嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路塹邊坡中的應(yīng)用

        2018-03-02 07:07:16莫繼松
        鐵道勘察 2018年1期
        關(guān)鍵詞:工點(diǎn)板墻樁體

        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)平衡條件來確定土壓力,這是研究土壓力的一種簡化理論,計(jì)算簡便,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樁長比較合適,對(duì)于完整、較堅(jiān)硬的巖層,可取1/4樁長。

        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,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,施工過程中需保證既有公路運(yùn)營安全。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《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)一定長度和分布密度的加筋體,通過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,錨固段樁長度一般為樁全長的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),可通過調(diào)整樁間距、截面尺寸、錨固段深度等綜合措施來滿足相關(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),懸臂段長度為11.0 m,錨固段長度為10.0 m,總樁長為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,其中樁體全長為21 m,將樁分為0.2~0.4 m長的離散體,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8 mm,各節(jié)點(diǎn)差異較小,說明樁體能很好地協(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)無誤后隔樁開挖樁井,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,委托檢測單位進(jìn)行無損檢測,檢測合格后轉(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

        該工點(diǎn)施工時(shí)沒有破壞既有公路路面,保證了既有公路的正常運(yùn)營。對(duì)位移觀測樁進(jìn)行觀測,其觀測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)營過程中也未出現(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。

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