陳福 張玉芳 付國成 李健 李偉 李嘉明 黃啟迪 王劍非

1.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.成蘭鐵路有限責任公司，成都 610000；4.云南省建設(shè)投資控股集團有限公司，昆明 650000

目前的鐵路設(shè)計大多分專業(yè)進行。路基專業(yè)抗滑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是確保高陡邊坡的穩(wěn)定性滿足相關(guān)要求；橋梁專業(yè)墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計［1］的主要目的在于確保橋梁墩臺結(jié)構(gòu)可承受的豎向荷載滿足相關(guān)要求。成蘭鐵路（成都—蘭州）工程試驗段位于四川西北部的躍龍門、岷江、秦嶺三大斷裂帶，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地震烈度高，滑坡、巖堆等不良地質(zhì)發(fā)育。受地形地質(zhì)、綜合選線等條件的限制，成蘭鐵路大量的橋梁墩臺不可避免地位于滑坡、巖堆等不良地質(zhì)體坡腳。在極端降雨、高烈度地震、錨索失效及各種復(fù)合工況下，不良地質(zhì)體出現(xiàn)失穩(wěn)時，須確定支擋結(jié)構(gòu)能否承受、橋梁結(jié)構(gòu)受力變形是否威脅運營安全。對于此類問題的研究，傳統(tǒng)理論計算多是基于簡單的力學(xué)模型、數(shù)值計算等方法，其結(jié)構(gòu)受參數(shù)選取影響較大。室內(nèi)試驗、相似試驗等不可避免存在尺寸效應(yīng)。因此，開展現(xiàn)場足尺試驗對于研究此類問題尤為重要。由于現(xiàn)場足尺試驗存在平臺搭建不可逆、試驗過程不可重復(fù)的特殊性，最終實施方案的確定對現(xiàn)場試驗的實施非常重要。

本文基于研究支擋結(jié)構(gòu)變形對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響而開展現(xiàn)場足尺試驗，并從技術(shù)和經(jīng)濟雙優(yōu)化角度確定最終的實施方案。

1 工程試驗概況

為確保鐵路工程建設(shè)和運營安全，針對工程設(shè)計中可能存在的技術(shù)風險點開展工程試驗，驗證是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。以成蘭鐵路鎮(zhèn)江關(guān)江特大橋1#滑坡體區(qū)域內(nèi)的橋墩設(shè)計為依托，通過定量測試手段，驗證邊坡支擋結(jié)構(gòu)在最不利工況下鄰近橋隧結(jié)構(gòu)的受力變形是否超限，進一步針對滑坡-抗滑樁-橋梁結(jié)構(gòu)組合體系中三者之間的相互作用機理［2-5］展開研究，為需要多專業(yè)綜合考慮的設(shè)計提供依據(jù)并填補該領(lǐng)域研究空白。本試驗通過進行橋梁結(jié)構(gòu)受力與變形特性現(xiàn)場足尺試驗，驗證支擋防護結(jié)構(gòu)受力變形對橋隧結(jié)構(gòu)的影響，檢驗抗滑樁自身變形對凈距2 m的橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的受力變形是否在設(shè)計要求范圍內(nèi)。試驗在模型比例、設(shè)計思路、試驗地點選擇等方面都存在諸多變數(shù)，工程試驗如何做到貼近實際、經(jīng)濟可行、數(shù)據(jù)直觀是本文探討的主要問題。

2 方案一

2.1 試驗方法和內(nèi)容

進行1∶5大比例物理模型試驗，通過人力加載模擬斜坡巖土對抗滑結(jié)構(gòu)的作用，研究抗滑結(jié)構(gòu)和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機理，提出支擋工程和橋隧結(jié)構(gòu)的合理間距及位移控制方法。在大比例物理模擬試驗的基礎(chǔ)上，選擇適當?shù)攸c，按設(shè)計尺寸修建橋隧與抗滑樁，開展現(xiàn)場足尺試驗，通過人造滑坡，驗證滑坡、抗滑結(jié)構(gòu)和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機理。

2.2 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

2.2.1 大比例物理模型試驗

以成蘭鐵路鎮(zhèn)江關(guān)特大橋1#滑坡體區(qū)域內(nèi)的7#墩設(shè)計斷面為試驗原型，構(gòu)建模型試驗槽，設(shè)計3組比例尺為1∶5的大比例物理模型試驗，其抗滑樁與承臺實際間距分別為2、6、9 m，在不同工況下依次開展相互作用試驗。試驗整體結(jié)構(gòu)由模型試驗槽、橋梁及抗滑樁結(jié)構(gòu)模型、加載系統(tǒng)、槽內(nèi)巖土體模型材料及監(jiān)測系統(tǒng)5部分組成。通過對結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、巖土體位移、土壓力、彈性抗力系數(shù)等一系列測試，分析支擋工程和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機理。1∶5模型試驗斷面和平面如圖1所示。

圖1 1∶5模型試驗方案示意

第1組試驗完畢后，將該模型試驗槽進行開挖，再按照不同間距分別進行第2組和第3組試驗。

2.2.2 現(xiàn)場足尺試驗

在大比例物理模型試驗的基礎(chǔ)上，實施1組比例尺為1∶1的足尺模擬試驗。以7#墩設(shè)計為試驗原型，開槽建造滑坡、抗滑樁和橋梁承臺基礎(chǔ)，人為干預(yù)使滑坡失穩(wěn)，測試結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和變形等。通過地質(zhì)勘察探明滑坡界面形態(tài)。試驗實施過程為：

試驗場地選擇→試驗槽開挖→按設(shè)計圖紙進行抗滑樁、橋梁樁基和承臺的實體工程施工→滑床及坑壁施工→滑帶及滑體填筑→監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)→樁前土體開挖（形成臨空面，誘導(dǎo)滑坡體沿滑床下滑）→滑帶注水（誘導(dǎo)滑面以上滑坡體整體下滑）→滑體堆載，在滑體中上部進行逐級加載，直至達到破壞狀態(tài)→內(nèi)業(yè)整理。

足尺試驗斷面和平面如圖2所示。

圖2 足尺試驗方案示意

2.3 方案分析

大比例物理模型試驗對于探索滑坡體內(nèi)支擋結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)不同間距的變形影響規(guī)律很有必要，但由于比例模數(shù)的差異影響，偏離工程試驗的驗證主體，更適合定性研究，需要調(diào)整優(yōu)化?，F(xiàn)場足尺試驗?zāi)康拿鞔_，但該試驗滑床設(shè)計過于理想化，與天然狀況出入較大，需要改進優(yōu)化。

3 方案二

針對支擋結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)設(shè)計已經(jīng)定型并實施的現(xiàn)狀，放棄研究凈距變化影響規(guī)律的大比例模型試驗，變更為改進現(xiàn)場足尺試驗。試驗?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D3所示。

圖3 方案二試驗?zāi)Ｐ褪疽?/p>

3.1 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

通過地質(zhì)勘探進一步查明滑坡狀態(tài)，細化滑床的仿真設(shè)計，由單一坡度改為現(xiàn)場勘察界面坡度。實施過程為：①在試驗場地開挖試驗邊坡，長35.0 m，寬14.8 m，高20.0 m。②筑造水泥砂漿滑床，鋪設(shè)黏土滑帶并埋設(shè)注水管。③回填試驗邊坡土體，并對試驗邊坡兩側(cè)進行支擋加固。④根據(jù)試驗斷面設(shè)計，按照1∶1比例尺施作橋梁樁基、承臺及抗滑樁，同步埋設(shè)相應(yīng)的傳感器測試元器件，構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 試驗加載過程

首先通過開挖滑坡體坡腳土體誘導(dǎo)滑坡體滑移，再通過在抗滑樁后分層填土進行加載，最后通過預(yù)埋在滑帶中的注水管進一步誘導(dǎo)滑面滑移，直至抗滑樁發(fā)生較大變形或破壞。

3.3 方案分析

方案二舍棄大比例物理模型試驗。改進了足尺試驗?zāi)M工程滑坡的細節(jié)，使試驗工況更加貼近現(xiàn)場實際。不足之處在于，試驗取得的是一次性結(jié)果，具有一定的偶然性，對其他工點的指導(dǎo)性存在局限，而且廢棄工程量較大，投入產(chǎn)出比不佳。

4 方案三

考慮增加試驗工況的可行性，同時減小廢棄工程量，再次優(yōu)化形成試驗方案三。方案三利用反力裝置替代人造滑坡，對抗滑樁施加推力，根據(jù)計算模擬不同滑坡狀態(tài)推力，由小到大測試對應(yīng)結(jié)果，直到樁體破壞。

4.1 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

該模型由四部分組成。①測試工程：包括1個橋墩基礎(chǔ)和對應(yīng)的3根抗滑樁。②反力裝置：對3根抗滑樁各施作1堵反力墻，提供頂推力。③加載系統(tǒng)：試驗槽、千斤頂、承壓板、內(nèi)腳手架等。④測試系統(tǒng)：鋼筋計、土壓力計、全站儀、百分表等。

該試驗?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D4所示。

圖4 方案三試驗?zāi)Ｐ褪疽?/p>

4.2 試驗加載過程

千斤頂采用分級加載方式，每級待讀數(shù)穩(wěn)定再進行下一級加載。加載過程中定時讀取各傳感器讀數(shù)。

4.3 方案分析

利用反力裝置替代人造滑坡，除能降低工程費用以外，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)多級加載頂推，模擬不同滑坡工況對工程的影響。對比方案二的一次性破壞數(shù)據(jù)，該方案得到的試驗數(shù)據(jù)更多，對其他工點更具參考價值。

試驗結(jié)構(gòu)在原裝土中施作，相對于人造滑坡土體更接近于工程實際，進一步增加測試數(shù)據(jù)的可信程度。不足之處在于，試驗中存在諸多不確定因素。模擬滑坡推力巨大，千斤頂選型配置存在難度；難以準確計算反力墻能否提供足夠的反力及在巨大推力作用下的位移，影響千斤頂作用及試驗成敗。

5 方案四

針對方案三中的不確定因素，再次對試驗結(jié)構(gòu)進行改進?？疾焓┕がF(xiàn)場，試驗位置選在了實體工程8#墩與9#墩之間，在不影響現(xiàn)場已建實體工程的情況下實現(xiàn)了地層巖性的一致，建立了與現(xiàn)場實體一致的結(jié)構(gòu)。

5.1 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)由3部分組成，分別為現(xiàn)場足尺試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)、大噸位伺服千斤頂加載系統(tǒng)、多功能綜合測試系統(tǒng)。試驗?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D5所示。

圖5 方案四模型示意

1）現(xiàn)場足尺試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)

包括抗滑樁、加載墻、橋梁樁基和承臺等，其中抗滑樁為設(shè)計現(xiàn)場實體樁，作為反力裝置；加載墻模擬抗滑樁作為傳遞力的結(jié)構(gòu)。以上結(jié)構(gòu)尺寸按照設(shè)計尺寸構(gòu)建，鉆孔樁深度可根據(jù)施工地質(zhì)情況進一步優(yōu)化。

2）大噸位伺服千斤頂加載系統(tǒng)

由高精度液壓伺服同步控制系統(tǒng)、特制千斤頂、位移監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成，其中同步控制系統(tǒng)位移精度可達到0.1 mm，特制千斤頂連續(xù)加載最大行程為50 cm。

3）多功能綜合測試系統(tǒng)

由地表位移、深部位移、加載槽變形、壓力計、鋼筋計等組成，全程實時監(jiān)測加載過程中橋梁結(jié)構(gòu)及周邊巖土體的受力與變形特征。

5.2 加載試驗方案設(shè)計

5.2.1 施加位移參數(shù)選擇

以現(xiàn)場實體工程抗滑樁和橋梁結(jié)構(gòu)所在斷面作為試驗的原斷面，以試驗平臺作為試驗斷面，通過FLAC 3D模擬原斷面抗滑樁在各種極端不利工況下的位移，加載墻布置千斤頂同等深度處抗滑樁的位移作為試驗斷面設(shè)計的施加位移，從而實現(xiàn)通過試驗斷面來模擬原斷面中結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。其中極端不利工況［6-8］包括：極端降雨、高烈度地震、錨索失效、極端降雨+高烈度地震+錨索失效等。

不利工況下原型斷面數(shù)值模擬分析模型（圖6）采用摩爾庫倫準則，抗滑樁、橋墩采用實體單元模擬，錨索采用cableSELs模擬，承臺采用shellSELs模擬，橋樁采用pileSELs模擬，橋樁從山側(cè)到河側(cè)分別為樁1—樁4，承臺和橋樁之間采用剛性連接。

圖6 數(shù)值模擬分析模型

在試驗斷面加載槽內(nèi)布置5排（每排9臺）千斤頂，每排千斤頂?shù)陌惭b深度距離加載墻頂?shù)木嚯x自上而下分別為0.6、2.3、4.0、5.7、7.4 m。提取抗滑樁對應(yīng)試驗斷面中加載墻5排千斤頂同等深度處的位移，見表1。以此位移值作為試驗加載步的設(shè)計位移值，并在工況之間進行插值以便獲取更多的試驗數(shù)據(jù)。

表1 試驗加載步設(shè)計位移值

5.2.2 相關(guān)規(guī)范限值

1）抗滑樁樁頂位移限值

考慮抗滑樁河側(cè)2 m設(shè)有橋梁承臺，根據(jù)TB10025—2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于樁板墻頂位移的控制要求，該工點處的抗滑樁樁頂位移限值即樁板墻頂位移應(yīng)小于樁懸臂端長度的1∕100，且不大于10 cm。因此，抗滑樁樁頂位移宜小于10 cm。

2）橋梁承臺結(jié)構(gòu)位移限值

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計時速200 km及以上鐵路梁端水平折角不應(yīng)大于1.0‰rad［6］。依據(jù)設(shè)計規(guī)范計算，本工程橋梁（橋跨布置為32 m+32 m）墩頂橫橋向水平位移限值為16.35 mm，橋梁承臺允許的最大橫向位移為15.54 mm。

5.3 試驗實施過程

試驗實施過程主要包括：試驗場地安全防護等準備工作、加載空間開挖與加載墻澆筑、加載系統(tǒng)設(shè)置、橋梁承臺鉆孔樁及漿砌片石施工、監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)、試驗加載過程、試驗卸載過程、內(nèi)業(yè)分析與整理及后續(xù)理論分析等工作。

5.4 方案分析

用位移參數(shù)控制試驗過程的構(gòu)想，相比用推力控制方案更加切合試驗?zāi)康模打炞C抗滑樁產(chǎn)生的位移對橋墩承臺造成的影響。本試驗方案可實現(xiàn)測試多種不利工況下的結(jié)構(gòu)受力變形特性，為工程設(shè)計提供參考。在原斷面附近位置搭建試驗平臺，實現(xiàn)了地質(zhì)條件上盡可能保持一致的目的，增加試驗結(jié)果的可靠性。用工程樁作為反力裝置，加載方向不會對樁體產(chǎn)生不利影響，進一步減少了廢棄工程量。為使試驗結(jié)果更加切合實際，需要在試驗邊界條件方面采取有效措施減小邊界影響。為使試驗結(jié)果更有參考價值，施加位移控制參數(shù)的選取除考慮相關(guān)規(guī)范指定數(shù)值外，還要考察樁體最大懸臂情況下理論計算、參數(shù)取值，確保工程安全。

6 結(jié)語

1）試驗方案的設(shè)計優(yōu)化，是開展工程試驗工作的最關(guān)鍵一步，關(guān)系到整個試驗工作的方向乃至成敗。成功的試驗方案必須目標明確、思路清晰、操作性強，還要注重經(jīng)濟比選和成果價值。

2）試驗要注意的是要正確理解工程試驗的驗證主體。本工程試驗是在工程設(shè)計已經(jīng)完成的情況下開展，因此在形成方案二時，舍棄方案一中進行多種間距的模型試驗內(nèi)容，針對設(shè)計中的最小間距2 m開展工程試驗。

3）試驗方案設(shè)計思路要清楚地貫徹工作意圖，力求簡捷直觀。本試驗就是要摸清滑坡體內(nèi)抗滑樁位移對鄰近2 m橋墩基礎(chǔ)的影響。從方案一假設(shè)滑坡，到方案二模擬工點滑坡，再到方案三頂推抗滑樁，直到最后直接施加位移，意圖越來越明確，結(jié)構(gòu)越來越簡單，費用越來越節(jié)省。

4）工程試驗?zāi)M實體工程，材料和工況選擇最為接近工程實際。本試驗從方案一、二的人造滑坡，到方案三的現(xiàn)場選址模型頂推，再到臨近工程原型試驗，逐漸優(yōu)化貼近工程實體。

5）選取試驗參數(shù)時，要力求試驗結(jié)果更有價值。方案二只能取得一組數(shù)據(jù)，偶然性和特殊性難以定論；方案三可以給出多種推力工況，但樁體固定，位移情況受到限制；方案四可以試驗多種樁長及工況可能產(chǎn)生的位移情況，可取得更多組數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果對其他工點也具有參考價值。