鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)樁板式擋墻的設(shè)計(jì)探討

胡紅萍

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南昌院，江西南昌 330002)

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的飛快發(fā)展，鐵路與其行經(jīng)地區(qū)地表所附地物的矛盾日益突顯，因此對(duì)鐵路路基邊坡，尤其對(duì)于鐵路高堤、深塹地段邊坡的要求也越來越高。樁板式擋墻是一種采用懸臂式錨固樁(也稱抗滑樁)，并于樁外掛板或樁間搭板的路基邊坡支擋結(jié)構(gòu)。工程實(shí)踐證明在城區(qū)的高堤、深塹地段中，樁板式擋墻具有用地省、穩(wěn)定性好、施工簡(jiǎn)便、拆遷少等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合某鐵路深路塹的支擋防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)樁板式擋墻的樁身受力、內(nèi)力計(jì)算等進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 工程概況

某新建鐵路專用線DK3+110—DK3+250段位于某國鐵干線下行側(cè)8.5 m，既有干線下行側(cè)為深路塹，坡腳既有混凝土擋墻支護(hù)，塹頂外鄰靠一鄉(xiāng)村公路及幾幢洋樓。為避免破壞公路、拆除洋樓，新建專用線需近乎垂直開挖既有干線下行側(cè)邊坡土體，垂直開挖深度約13 m。因此，該段專用線路塹邊坡采用局部刷坡加樁板式擋墻的工程處理措施。該段專用線位于剝蝕低丘區(qū)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，地表上覆填筑土(Qml4)，厚 1～2 m;其下為粉質(zhì)黏土(Qal3)，硬塑，厚1 ～10 m;底伏泥質(zhì)砂巖(Exn)，易風(fēng)化，全～強(qiáng)風(fēng)化層厚度＞5.0 m(Ⅲ級(jí)硬土∶Ⅳ級(jí)軟石=7∶3)。既有干線塹坡基本穩(wěn)定，巖層風(fēng)化面傾向臨空，尚未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，既有邊坡土體巖土特性見表1。

表1 既有邊坡土體巖土特性指標(biāo)

2 樁板墻設(shè)計(jì)

2.1 邊坡土體重度的確定

2.2 錨固樁所受土壓力計(jì)算

作用于錨固樁上的力系，應(yīng)計(jì)算滑坡推力，樁前滑體抗力及錨固段地層的抗力，樁側(cè)摩阻力、黏聚力以及樁身重力和樁底反力可不計(jì)。本工程屬于路塹邊坡預(yù)加固性質(zhì)，作用于錨固樁后的外力主要是樁后土體主動(dòng)土壓力，但最終應(yīng)取滑坡推力計(jì)算結(jié)果與之比較的大值。

樁后土體的主動(dòng)土壓力可采用庫侖土壓力理論計(jì)算，該段邊坡雖然地質(zhì)條件基本一致，但局部地形變化相對(duì)較大，為獲取計(jì)算斷面，本文分別計(jì)算各斷面主動(dòng)土壓力，如表2。

表2 專用線左側(cè)錨固樁所受主動(dòng)土壓力值 kN

從上表可知，錨固樁后路塹塹頂有附加靜載的DK3+140，DK3+240兩個(gè)斷面主動(dòng)土壓力值較大，因此本次選擇這兩個(gè)斷面作為計(jì)算斷面(DK3+140計(jì)算斷面圖如圖1)，并分別計(jì)算其滑坡推力與主動(dòng)土壓力進(jìn)行比較。

滑坡推力的計(jì)算方法主要有傳遞系數(shù)法、極限平衡分析法(如 Morgenstern-Price，Janbu等)及有限元法、有限差分法等，本文結(jié)合工程實(shí)況，采用工程設(shè)計(jì)中較常用的傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力?；聨r土強(qiáng)度指標(biāo)綜合考慮試驗(yàn)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，最終以反算法求得。計(jì)算斷面滑坡推力的計(jì)算結(jié)果為T(DK3+140)=245.3 kN，T(DK3+240)=63.9 kN，均小于對(duì)應(yīng)斷面處的主動(dòng)土壓力，因此錨固樁后的土壓力分別為Ex(DK3+140)=374.8 kN，Ex(DK3+240)=291.2 kN。

圖1 計(jì)算斷面

2.3 土壓力分布方式

錨固樁后的滑坡推力(或主動(dòng)土壓力)應(yīng)力分布有三種形式即矩形、三角形和梯形，應(yīng)力分布形式依據(jù)滑體的性質(zhì)和厚度等因素確定。本文依據(jù)錨固樁后土體液性指數(shù)較大，剛度較小，假想滑體厚度較厚，頂層與底層滑動(dòng)速度不一致等因素，將錨固樁后應(yīng)力分布形式按三角形考慮。

2.4 抗震因素的考慮

該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，相應(yīng)于抗震設(shè)防烈度＜6度，按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，可不設(shè)防。如需要考慮抗震，可按下式計(jì)算水平地震荷載。

式中，Edx為水平地震荷載;C1為重要性修正系數(shù)，取1.0;Cz為綜合影響系數(shù)，取0.25;Kh為水平地震系數(shù)，可參考規(guī)范取值;Gs為邊坡土體重力。

2.5 樁身內(nèi)力及配筋計(jì)算

本文結(jié)合地形，依據(jù)節(jié)省投資并滿足現(xiàn)場(chǎng)工程要求的原則，最終確定于DK3+110—DK3+175與DK3+210—DK3+250兩段設(shè)置矩形錨固樁，兩段錨固樁之間邊坡仍采用重力式擋墻支護(hù)。由于錨固樁計(jì)算滑動(dòng)面以上土體基本上為硬塑密實(shí)土，少量為風(fēng)化破碎巖層，滑面以下為全～強(qiáng)風(fēng)化的較厚泥質(zhì)砂巖，因此錨固樁樁身內(nèi)力采用“m法”進(jìn)行計(jì)算，樁底支承考慮采用鉸支。

1)錨固樁計(jì)算參數(shù)

樁懸臂高度11.0 m(或8.0 m，括號(hào)內(nèi)對(duì)應(yīng)懸臂為8.0 m的錨固樁計(jì)算參數(shù)或計(jì)算結(jié)果)，錨固深度14.0 m(或11.0 m)，設(shè)計(jì)樁長25.0 m(或19.0 m)，樁截面2.0 m×3.0 m(或2.0 m×2.5 m)，間距為5.0 m。錨固樁所受水平推力 374.8×5.0=1 874.0 kN(或291.2×5.0=1 456.0 kN)，荷載分布三角形的高度11.0 m(或8.0 m)，底邊85.2(或91.0)kPa/每延米。地基承載力［σ］=250 kPa，地基抗力系數(shù)為 10 MPa/m2。

其它參數(shù):抗彎計(jì)算安全系數(shù)γm=1.55，混凝土彈性模量Ec=30 000 MPa，主筋抗拉強(qiáng)度及箍筋抗拉強(qiáng)度均為360 MPa，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度 ftk=1.43 MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fck=14.3 MPa。

2)樁身內(nèi)力及配筋計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，錨固樁樁截面設(shè)計(jì)最大彎矩Mmax=1.618×104(或0.989×104)kN·m，樁身設(shè)計(jì)最大剪力Qy=2 817.3(或2 391.5)kN。懸臂長11.0 m的樁身彎矩、剪力分布圖如圖2。

圖2 懸臂長11.0 m錨固樁彎矩及剪力

根據(jù)錨固樁的所受彎矩，可計(jì)算得到懸臂為11 m的錨固樁受拉鋼筋最大需251.3 cm2，采用雙排φ28鋼筋需20+22根;懸臂為8 m的錨固樁受拉鋼筋最大需184.0 cm2，采用φ 28鋼筋需30根;箍筋間距400 mm考慮，采用φ 16鋼筋。經(jīng)驗(yàn)算，配筋率滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.6 擋板設(shè)計(jì)

采用C30鋼筋混凝土外掛式矩形擋土板，截面設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)法，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.40，板高0.50 m，甲型板(適用于0～5 m)板寬0.32 m，乙型板(適用于5～11 m)板寬0.40 m。

2.7 錨固樁布置

結(jié)合該段路基邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況，本文采用了兩種錨固樁對(duì)DK3+110—DK3+175與 DK3+210—DK3+250兩段邊坡進(jìn)行預(yù)加固，樁間距為5.0 m，竣工效果見圖3。

圖3 竣工后現(xiàn)場(chǎng)效果

3 結(jié)語

1)結(jié)合工程實(shí)例，本文詳細(xì)討論分析了樁板式擋墻支擋結(jié)構(gòu)的外力、內(nèi)力及配筋等計(jì)算。該樁板墻自2008年建成至今，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況來看，擋護(hù)效果良好，塹外房屋尚未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)下沉、墻面開裂等異常。

2)為控制錨固樁頂及假想滑面處位移，本文采用的樁截面較大，錨固樁錨固段較長。如果在錨固樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，可改善樁身內(nèi)力狀態(tài)，調(diào)整樁身位移，從而調(diào)整錨固段長或樁身截面尺寸。不過，錨索樁板墻的理論研究較落后于其工程實(shí)踐。

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