廖 超

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

我國是個山區(qū)面積廣大的國家，山區(qū)地勢起伏大，地面橫坡陡，而且這些地區(qū)構(gòu)造、侵蝕作用強烈，地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著高速鐵路的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了大量的高速鐵路陡坡路基工程，在這種情況下，提高線路的橋隧比例能夠有效減少陡坡路基。但是在同等條件下，橋隧造價比路基要顯著增加，而且工程建設(shè)的難度也將成倍增大。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用適用于陡坡路基地段的支擋結(jié)構(gòu)，達到既能有效收縮坡腳、確保路堤穩(wěn)定，又能降低工程造價的目的。高速鐵路對路基的沉降變形有嚴格的要求，對于陡坡路基，一般采用重力式擋墻、樁板墻[1]及樁基托梁[2]等支擋方式進行邊坡加固。但邊坡較高或土壓力較大時可能難以滿足檢算要求。對于公路工程當(dāng)常用的支擋結(jié)構(gòu)不能滿足要求時，可采用預(yù)應(yīng)力錨索樁進行陡坡路基加固[3-5]。由于預(yù)應(yīng)力錨索對垂直錨索方向的受力特別敏感，預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻用于路堤支擋，存在填料下沉產(chǎn)生次生應(yīng)力的可能，因此，鐵路路基一般不采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻用于陡坡路堤邊坡加固。

h型樁板墻是一種組合樁結(jié)構(gòu)，由主樁、副樁、橫梁、承載板及擋土板組成[6]，具有較強的水平荷載承載能力及較大的剛度，能有效控制邊坡穩(wěn)定及水平位移[7-8]，可用于滑坡及陡坡地段的邊坡加固工程，已在鐵路[9]和公路[10]陡坡路基中取得成功運用。目前不少學(xué)者對該結(jié)構(gòu)的理論計算方法[11-12]、變形控制[7-8]、設(shè)計方法[13]及力學(xué)特性[14-19]等進行了研究，取得了大量的成果，但是均未對相關(guān)設(shè)計參數(shù)進行深入的研究[20]。本文建立大量的計算模型，分別對錨固段為土質(zhì)地層及巖質(zhì)地層提出關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)建議值。

1 計算方法

h型樁板墻橫梁位于線路內(nèi)側(cè)，受力機理為邊坡的土壓力首先直接作用于副樁上，然后再通過橫梁及樁排間巖土體傳到主樁上，同時上部土體土壓力直接作用于主樁懸臂段，最后形成副樁、橫梁、樁間巖土體、主樁四位一體共同抵抗土壓力[15-19]。根據(jù)內(nèi)力分析，橫梁上可選擇設(shè)置或不設(shè)置承載板。h型樁板墻如圖1所示。

圖1 h型樁板墻示意

h型樁板墻可分解為h型抗滑樁及擋土板兩部分，h型抗滑樁可進行平面簡化，采用結(jié)構(gòu)分析軟件進行計算，將荷載作用在平面桿件上，分別計算各部件的內(nèi)力與變形，建立的模型應(yīng)考慮地基土剛度對樁的影響，即地基土與樁的相互作用，可采用節(jié)點彈簧進行模擬。

1.1 結(jié)構(gòu)荷載計算[11]

(1)主樁懸臂段土壓力作用計算方法

h型樁板墻上部懸臂部位類似樁板墻結(jié)構(gòu)，墻面水平土壓力按主動土壓力考慮，列車荷載產(chǎn)生的水平壓力按彈性理論土中應(yīng)力分布原理計算，兩項水平壓力疊加后簡化呈梯形或三角形分布。

P1=kaql

(1)

P2=kaql+kaγh1l

(2)

式中，ka為主動土壓力系數(shù)；h1為長樁懸臂段長度，m；l為結(jié)構(gòu)縱向跨度，m；γ為上部填土重度，kN/m3。

(2)橫梁上側(cè)土壓力作用計算方法

橫梁上側(cè)土壓力計算可將橫向樁間距范圍內(nèi)的土自重及上部荷載施加在橫梁上，計算方法見式(3)。

P=ql1+γh1l1

(3)

式中，P為橫梁上均布荷載，kN/m；γ為上部填土重度，kN/m3；h1為填土高度，m；l1為橫向樁間距，m；q為列車均布荷載，kN/m。

(3)橫梁下側(cè)土壓力作用計算方法

考慮到h型樁板墻在使用階段隨著地基土自然沉降，由于結(jié)構(gòu)和土體的剛度差異，底部土體對承載板與橫梁的支撐作用將逐漸減弱甚至可能出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，所以在設(shè)計中視其為安全儲備，計算中不考慮底部土體的支撐作用。

計算荷載分布示意如圖2所示。

圖2 荷載示意

1.2 樁側(cè)土作用的模擬

按文克勒假定，樁側(cè)土作用在樁上的抗力可以用式(4)表示。

P=khb0x

(4)

式中，b0為樁的計算寬度，m；x為樁身截面的橫向位移，m；kh為土的橫向抗力系數(shù)，kN/m3。

土的橫向抗力系數(shù)kh沿樁身的分布規(guī)律根據(jù)地質(zhì)情況采用“m”法或“k”法，采用“m”法時kh=mz。

模型中，沿單樁樁體每米分割為一個節(jié)點，建立節(jié)點彈簧，彈簧剛度kz計算如式(5)。

kz=mzb0×103

(5)

式中，kz為彈簧剛度，kN/m；m為地基系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；z為樁截面深度，m。

2 工程案例

杭黃鐵路存在大量的陡坡路基，其中DK69工點采用h型樁板墻支擋。

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

地層巖性及土石等級：

(4)-1 D1-2t粉砂巖，褐黃色，全風(fēng)化，Ⅲ，σ0=250 kPa；

(4)-2 D1-2t粉砂巖，灰黃色，強風(fēng)化，Ⅳ，σ0=450 kPa；

(4)-3 D1-2t粉砂巖，青灰色，弱風(fēng)化，Ⅴ，σ0=700 kPa。

水文地質(zhì)條件：地下水主要為基巖裂隙水，基本不發(fā)育。區(qū)內(nèi)地下水無二氧化碳侵蝕、硫酸鹽侵蝕、有酸性侵蝕，化學(xué)環(huán)境作用等級為H1；僅根據(jù)氯離子含量判定，地表水、地下水均無氯鹽侵蝕。

地震動參數(shù)：地震動峰值加速度為0.075g，地震動反應(yīng)譜特征周期(中硬土)為0.35 s。

2.2 設(shè)計概況

工點最不利斷面右側(cè)路肩距坡腳高差為18.9 m，采用內(nèi)置式h型樁板墻支擋，為減小自由段長度，采用路堤墻形式。樁頂路堤邊坡高4 m，主樁自由段長14.9 m、錨固段長11.1 m，副樁長10 m，主副樁橫向凈間距9 m，縱向間距(中心)6 m。樁基及橫梁截面均為2 m×2.25 m，橫梁設(shè)置在距主樁樁頂4 m處，橫梁右側(cè)懸空處設(shè)置承載板，設(shè)計斷面如圖3所示。

圖3 試驗工點設(shè)計斷面(單位：m)

3 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)影響分析

3.1 計算模型

采用數(shù)值計算軟件，建立平面桿件彈性計算模型。樁基及橫梁之間剛性連接，截面尺寸為2 m×2.25 m，沿線路方向樁間距6 m。錨固段采用節(jié)點彈簧模擬樁土作用，彈簧剛度根據(jù)表1中土質(zhì)及巖質(zhì)地層的地基參數(shù)，采用式(5)進行計算，樁底按鉸支考慮。施加于計算模型的橫梁及主樁上荷載參照式(1)～式(3)計算。

3.2 計算參數(shù)

h型擋墻及擋土板采用C35混凝土，計算參數(shù)見表1。

表1 材料計算參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 橫梁設(shè)置位置對結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)地層、橫梁距樁頂距離為3～8 m的計算模型，分析各計算模型的受力情況，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)指標，對結(jié)構(gòu)進行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖4～圖7所示。

圖4 主樁最大彎矩與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖5 主樁最大剪力與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖6 橫梁最大彎矩與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖7 橫梁最大剪力與橫梁位置的關(guān)系曲線

主樁最大彎矩及剪力隨橫梁距樁頂長度呈先減小后增大的“V”字形變化，最大彎矩在橫梁距樁頂長度為4～5 m時最小，該處主樁橫梁上部與下部最大彎矩基本相等，剪力數(shù)值不大，不作為控制因素，因此，橫梁距樁頂長度為4～5 m時，主樁受力最優(yōu)。在橫梁距樁頂長度小于6 m時，設(shè)置承載板能有效改善主樁受力；橫梁距樁頂長度大于6 m時，橫梁上設(shè)置承載板已幾乎不影響主樁受力。

橫梁最大彎矩、剪力隨橫梁距樁頂長度增大而增大，橫梁距樁頂長度小于6 m時橫梁最大彎矩變化不大，當(dāng)橫梁距樁頂長度大于6 m時，橫梁彎矩顯著增大。橫梁剪力隨橫梁距樁頂長度變化呈線性增大趨勢，橫梁距樁頂長度對橫梁軸力影響不大。綜合分析橫梁彎矩、剪力及軸力，橫梁距樁頂長度宜小于6 m。對比相同地層設(shè)置承載板與不設(shè)置承載板橫梁受力，發(fā)現(xiàn)設(shè)置承載板后橫梁彎矩顯著減小，承載板的設(shè)置能有效改善橫梁的受力。

橫梁距樁頂長度小于6 m時副樁最大彎矩變化不大，當(dāng)橫梁距樁頂長度大于6 m時，副樁彎矩顯著增大。橫梁位置對副樁軸力影響不大。對比相同地層設(shè)置承載板與不設(shè)置承載板副樁受力，發(fā)現(xiàn)設(shè)置承載板后副樁彎矩顯著減小，承載板的設(shè)置能有效改善副樁的受力。

綜合考慮主樁、橫梁及副樁的內(nèi)力隨橫梁距樁頂長度變化規(guī)律，橫梁距樁頂長度為4～5 m，計算模型懸臂段長度為14 m，因此，橫梁位置距主樁樁頂最佳距離為0.30L～0.35L(L為主樁懸臂段長度)。在橫梁距樁頂長度小于6 m時，設(shè)置承載板能有效改善主樁受力；橫梁距樁頂長度大于6 m時，橫梁上設(shè)置承載板已幾乎不影響主樁受力；承載板的設(shè)置能有效降低橫梁及副樁的彎矩，同時有效改善副樁的軸力。綜合考慮主樁、橫梁、副樁的受力，橫梁設(shè)置位置不影響承載板對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。

3.3.2 橫向樁間距對結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)、主樁及副樁橫向間距為5～9 m的計算模型，分析計算各種情況下的受力情況，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)指標，對結(jié)構(gòu)進行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖8～圖10所示。

圖8 主樁最大彎矩隨樁基橫向間距變化曲線

圖9 橫梁最大彎矩隨樁體橫向間距變化曲線

圖10 副樁最大彎矩隨樁體橫向間距變化曲線

(1)橫向樁間距變化對主樁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對主樁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進行詳細分析。

主樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)增大趨勢，當(dāng)樁體橫向間距小于7 m時，主樁最大彎矩變化較小，當(dāng)樁體橫向間距大于7 m，主樁最大彎矩隨著樁體橫向間距的增加而明顯增大。這是因為主樁最大正應(yīng)力的發(fā)生位置不同造成的，當(dāng)樁體橫向間距小于7 m時，最大彎矩發(fā)生在橫梁與主樁連接的部位，改變樁體橫向間距并不影響作用在主樁上的側(cè)向土壓力，因此，最大彎矩的值保持不變；當(dāng)樁體橫向間距大于某一值時，由于作用在橫梁上的豎向應(yīng)力增大，最大彎矩發(fā)生在樁體的錨固段。

對于不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)，主樁最大剪力隨樁體橫向間距呈先減小后增大的趨勢，橫向樁間距為7 m時，剪力最?。粚τ谠O(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，主樁最大剪力隨橫向樁間距增大而增大。

當(dāng)橫向樁間距小于8 m時，不設(shè)置承載結(jié)構(gòu)主樁最大彎矩大于設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)；當(dāng)橫向樁間距大于8 m時，不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)主樁最大彎矩小于設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)。說明當(dāng)樁間距大于8 m時，由設(shè)置承載板增加的豎向力而產(chǎn)生的彎矩已經(jīng)大于承載板卸荷作用減小的側(cè)壓力而產(chǎn)生的彎矩，因此，橫向樁間距大于8 m時，不宜橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

(2)橫向樁間距變化對橫梁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對橫梁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進行詳細分析。

橫梁最大彎矩隨樁體橫向間距的增大呈現(xiàn)增大趨勢，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁最大彎矩增大速度大于不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)。當(dāng)樁體橫向間距小于6.5 m時，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁的最大彎矩小于不設(shè)置承載板的值，當(dāng)樁體橫向間距大于6.5 m時，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁的最大彎矩大于不設(shè)置承載板的值。

橫梁最大剪力隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)增大趨勢，設(shè)置承載板時副樁最大剪力大于不設(shè)置承載板時的值。主要是因為設(shè)置承載板之后，樁體間的土壓力和上部列車、軌道荷載作用于樁體橫梁之上，致使最大剪力變大。

(3)橫向樁間距變化對副樁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對副樁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進行詳細分析。

對于不設(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，副樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)減小趨勢；對于設(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，副樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)樁體橫向間距超過某一值之后，設(shè)置承載板時副樁最大負彎矩將大于不設(shè)置承載板時的值。當(dāng)橫向樁間距為7 m時，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)的彎矩為最小值。

副樁最大剪力隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)減小趨勢，設(shè)置承載板時副樁最大剪力小于不設(shè)置承載板時的值。主要是因為設(shè)置承載板之后，樁體間的土壓力和上部列車、軌道荷載作用于樁體橫梁之上，進而減小了樁體的側(cè)向壓力，致使最大剪力變小。

(4)橫向樁間距總結(jié)

綜合考慮主樁、橫梁及副樁的內(nèi)力隨橫向樁間距的變化規(guī)律，設(shè)計建議如下。

①錨固段為巖質(zhì)地層時，橫向樁凈間距宜為6～7 m；當(dāng)橫向樁間距大于8 m時，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

②錨固段為土質(zhì)地層時，橫向樁凈間距宜為7～8 m；當(dāng)橫向樁間距大于9 m時，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

3.3.3 主樁錨固段長度對結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)、懸臂段長固為15 m、錨固長度為7～14 m的計算模型，分析計算各種情況下的受力，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)及變形指標，對結(jié)構(gòu)進行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖11、圖12所示。

圖11 主樁最大彎矩隨主樁錨固段長度變化曲線

圖12 橫梁最大彎矩隨主樁錨固段長度變化曲線

主樁最大彎矩隨主樁錨固深度變化影響較大，各工況均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。錨固段為土質(zhì)地層，錨固段長度為12 m時，主樁彎矩最?。诲^固段為巖質(zhì)地層，錨固段長度為10 m時，主樁彎矩最小。主樁錨固深度對主樁剪力基本沒影響。設(shè)置承載板的內(nèi)力均小于未設(shè)置承載板，說明錨固深度不影響承載板對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。主樁錨固深度對橫梁及副樁內(nèi)力基本無影響。

主樁錨固深度設(shè)置合理能有效改善主樁的受力。錨固段為土質(zhì)地層時，錨固段長度最佳為0.8L(L為主樁懸臂段)；錨固段為巖質(zhì)地層時，錨固段長度最佳為2L/3。錨固深度不影響承載板對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。

4 結(jié)論

通過對h型樁板墻支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)影響分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)橫梁布置距主樁樁頂?shù)淖罴丫嚯x為0.30L～0.35L。

(2)錨固段為巖質(zhì)地層時，橫向最佳樁凈間距為6～7 m，主樁錨固段最佳長度約為2L/3。

(3)錨固段為土質(zhì)地層時，橫向最佳樁凈間距為7～8 m，主樁錨固段最佳長度約為0.8L。

(4)橫梁設(shè)置位置及錨固深度不影響承載板對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果，但橫向樁間距過大滿鋪設(shè)置承載板對結(jié)構(gòu)不利。錨固段為巖質(zhì)地層時，當(dāng)橫向樁間距大于8 m時，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板；錨固段為土質(zhì)地層時，當(dāng)橫向樁間距大于9 m時，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。