既有線路中重力式支擋結(jié)構(gòu)應用技術(shù)研究

侯志峰

摘要：重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全評估是既有鐵路、公路安全評估的重要組成部分。文章闡述了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系的內(nèi)容，分析了重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響因素，探討了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估的主要方法，并就可靠度方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估中的應用進行了工程實例計算。

關(guān)鍵詞：重力式支擋結(jié)構(gòu)；評估體系；影響因素；評估技術(shù)；既有線路 文獻標識碼：A

中圖分類號：U213 文章編號：1009-2374（2016）13-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.022

1 概述

重力式支擋結(jié)構(gòu)被廣泛應用于鐵路及公路支擋結(jié)構(gòu)設計中。既有鐵路運營過程中，在線路提速或軸重加大后，作用在路基面上的動應力將大幅增加。既有線路經(jīng)過一定運營期后，重力式支擋結(jié)構(gòu)工作環(huán)境也隨之發(fā)生變化。既有重力式支擋結(jié)構(gòu)如何保證運營的安全，是工程技術(shù)人員最為關(guān)心的問題。目前，我國在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估方面的研究較少，特別需要加強此領(lǐng)域的研究工作。重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估是在一定的評估體系下，對其安全影響因素進行全面分析，確定評估單元，再應用各種安全評估方法對其安全狀況進行評判，并據(jù)此提出維護和加強的措施。

2 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系

2.1 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系的目標

建立重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系是重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估時的理論依據(jù)。其目標是對鐵路、公路等交通工程系統(tǒng)安全性、可靠性、可用性、可維護性的各種指標進行評估，以達到最低事故率、最少損失、最少維護率及最優(yōu)投資效益。

2.2 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系的構(gòu)成

重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估體系主要由安全預評估、設計審核安全評估、施工安全評估、驗收安全評估、安全現(xiàn)狀定期安全評估（直至超出正常使用年限）五項內(nèi)容構(gòu)成。安全預評估主要在系統(tǒng)可行性研究時進行，可指導后續(xù)系統(tǒng)設計及施工。設計審核安全評估及施工安全評估是結(jié)構(gòu)是否能夠達到正常使用年限的關(guān)鍵。在設計時應綜合考慮設計的經(jīng)濟性及合理性，在施工時應嚴格要求施工質(zhì)量及施工安全。驗收安全評估是通過試運行階段分析結(jié)構(gòu)使用時潛在的風險，并確定其危險程度及可能出現(xiàn)的后果，提出預防措施。安全現(xiàn)狀定期安全評估，即采用各種安全評估技術(shù)相結(jié)合，綜合評估重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全狀況，是其生命周期內(nèi)所有評估工作的重點。

2.3 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估單元

根據(jù)分析重力式支擋結(jié)構(gòu)安全影響因素及其破壞時可能出現(xiàn)的癥狀，可從如下四方面著手確定其評估單元：（1）從受力角度，包括動應力的變化對穩(wěn)定性的影響、不同計算方法對穩(wěn)定性的影響、不同荷載方式對穩(wěn)定性的影響；（2）從變形角度，包括墻身是否有裂縫、墻后土體是否開裂、墻后土體是否有不均勻下沉；（3）從墻型結(jié)構(gòu)及材料角度，包括材料是否風化，砂漿、混凝土是否老化，墻型尺寸是否滿足設計要求；（4）從水文地質(zhì)角度，包括泄水孔是否堵塞、墻體地基是否發(fā)生變化。

2.4 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估步驟

重力式支擋結(jié)構(gòu)進行安全評估時，可遵循如下七個步驟：準備工作、安全影響因素分析、確定評估單元、安全評估實施、安全對策制定、評估結(jié)論及建議、編寫安全評估報告。

3 重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響因素

在設計計算過程中，特別是土壓力的計算理論、計算參數(shù)的取值、材料、施工、動應力、地震力等方面，對重力式支擋結(jié)構(gòu)安全性均有較大影響。同時既有支擋結(jié)構(gòu)的安全性還受其工作環(huán)境變化的影響，如水文及工程地質(zhì)條件的變化等，在進行安全評估時要進行全面

分析。

3.1 不同土壓力計算理論的影響

目前設計中大多采用庫倫公式計算土壓力，有時也采用彈性理論。庫倫理論及彈性理論的計算假設條件不同，計算所得墻后土壓力大小、分布規(guī)律及作用點位置均有較大差別。由庫倫理論計算所得的墻后土壓力分布形式為一折線，而由彈性理論計算所得的墻后土壓力分布形式為一凸曲線，中上部偏大，底部偏小。在評估時應對由于不同的計算方法對計算結(jié)果的影響進行分析。

3.2 提速或軸重增加引起動應力增大的影響

傳統(tǒng)普通鐵路路基設計均采用換算土柱法，將靜荷載和動荷載一并簡化為靜荷載。但隨著既有線提速或軸重增加后，列車動荷載作用明顯加強，導致基床范圍內(nèi)重力式支擋結(jié)構(gòu)土壓力與傳統(tǒng)庫侖理論計算所得結(jié)果相比有明顯差異，特別是當支擋結(jié)構(gòu)較矮（2～4m）時。因此需要對由于動應力發(fā)生變化對支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進行評估。

3.3 使用環(huán)境變化的影響

重力式支擋結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一定的運營期后，排水設施失效或者排水不利時，可能引起土體重度明顯增加，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、墻背摩擦角δ均不同程度減小。雨水的入滲還可能發(fā)生基底軟化現(xiàn)象，導致基底承載能力急劇下降。在經(jīng)歷一定時間的運營期后，墻體材料耐久性也會發(fā)生明顯變化，特別是墻背。這些因素對重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全影響至關(guān)重要，需特別加以重視。

3.4 不同墻型的影響

重力式支擋結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)使用墻型一般為墻胸墻背坡度相同。但現(xiàn)在使用較多的改進后墻型是將上墻背坡度放陡，增設傾斜基底。使用傳統(tǒng)墻型的重力式支擋結(jié)構(gòu)隨著既有線提速，可能造成路基受力不均。不同墻型的計算截面面積也有所不同。同時，改進后的墻型由于增設傾斜基底，故抗滑能力有較大提高。但是采用增強措施的墻型雖然安全系數(shù)得以提高，其安全可靠度不一定相應提高。

4 重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估方法

重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估方法有很多種，包括非確定性分析方法、定性分析方法、定量分析方法、模型試驗分析方法、現(xiàn)場檢測分析方法。各種分析方法特點及使用范圍不盡相同。

4.1 非確定性分析方法

4.1.1 可靠度分析方法。可靠度分析方法通過考慮重力式支擋結(jié)構(gòu)設計中隨機變量（重度γ、綜合內(nèi)摩擦角φ0、墻背摩擦角δ、基底承載力σ）的變異性，計算結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的不同功能函數(shù)值，進而確定結(jié)構(gòu)的失效概率及可靠指標，給出相應安全評估結(jié)論。

根據(jù)最終R值的大小，參考相應的換算標準，即可得出重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全評估等級。

4.1.3 專家評估方法。專家評估方法采用匿名函詢的方式，通過一系列簡明的調(diào)查征詢表邀請專家對待評估結(jié)構(gòu)進行打分，并通過有控制的反饋，取得盡可能一致的意見，對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀做出相應評估，對未來做出相應的預測。

4.2 定性分析方法

工程類比方法是定性分析技術(shù)的典型應用。盡量找一與待評估的重力式支擋結(jié)構(gòu)使用環(huán)境類似，并已安全使用超過其使用年限的同類型重力式支擋結(jié)構(gòu)。再分析兩者可能的破壞機制的相似性及差異性，并結(jié)合兩者的安全等級，綜合確定其安全狀態(tài)。

4.3 定量分析方法

定量分析方法主要包括極限平衡法及有限元法。廣泛應用于巖土工程界的GEO-SLOPE（邊坡穩(wěn)定分析軟件）便是基于極限平衡原理，將重力式支擋結(jié)構(gòu)及后方巖（土）體均視為剛體，不考慮本身的應力應變關(guān)系，將結(jié)構(gòu)后方潛在滑動面內(nèi)的巖（土）體劃分為多個小塊體，通過各塊體的平衡條件建立整個體系的平衡方程，導出重力式支擋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

有限元法先將重力式支擋結(jié)構(gòu)用有限個容易分析的單元代替，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)來綜合求解其位移、應力、應變、內(nèi)力等，綜合分析其所處安全狀態(tài)。有限元法可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題，常用的計算分析軟件有ANSYS、FLAC、ABAQUS、SAP等。

4.4 模型試驗方法

由于重力式支擋結(jié)構(gòu)尺寸較大，故實尺模型試驗既耗時又不經(jīng)濟，一般對其進行離心模型試驗。把按1/n比例縮放后的模型放在以ng離心加速度運轉(zhuǎn)的離心機中進行試驗，模擬現(xiàn)場實際受力，通過測試其應力及變形破壞情況，對其做出安全評估結(jié)論。

4.5 現(xiàn)場試驗方法

現(xiàn)場試驗方法主要包括裂縫觀測、排水設施檢查、荷載試驗、位移時間曲線監(jiān)測、地基土軟化情況檢測等，其中現(xiàn)場裂縫觀測、排水設施檢查比較直觀，容易實現(xiàn)，且效果比較精準。在雨季時對重力式支擋結(jié)構(gòu)做位移時間監(jiān)測試驗，可以有效減少突然破壞情況的

發(fā)生。

5 可靠度分析方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估中的應用

利用可靠度分析方法，結(jié)合蒙特卡洛原理對某單線Ⅰ級鐵路既有重力式支擋結(jié)構(gòu)進行安全評估。

5.1 計算條件

以單線Ⅰ級次重型鐵路為例。支擋結(jié)構(gòu)型式取重力式路肩墻，墻胸墻背均取1∶0.25的仰斜。列車荷載分布寬度：l0=3.5m；換算土柱高度：h0=3.2m。換算土柱距路基邊緣距離：k0=1.95m。填土按砂性土考慮，取內(nèi)摩擦角φ=35°，基底摩擦系數(shù)f=0.3；土體重度γ=19kN/m3；土與墻背的摩擦角δ=φ/2，即17.5°；基底容許承載力取σ=300kPa。

5.2 可靠指標計算結(jié)果分析

由重力式支擋結(jié)構(gòu)可靠度指標計算結(jié)果（表1）分析可得：

第一，在該計算條件下，該結(jié)構(gòu)抗滑可靠指標在2.26～2.86之間變化，其相應失效概率為9.1‰～2.5‰。該結(jié)構(gòu)抗傾覆可靠指標在2.85～3.29之間變化，其相應失效概率為2.5‰～2.0‰。各項指標均符合相關(guān)要求，故可將該結(jié)構(gòu)安全狀況評估為良好。

第二，在傳統(tǒng)的安全系數(shù)法計算過程中，盡管重力式支擋結(jié)構(gòu)的墻高在4～10m之間變化時，其抗滑穩(wěn)定系數(shù)均在1.30～1.35之間變化，其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均在1.66～1.80之間變化。但其抗滑動和抗傾覆可靠指標均隨著墻高的增加而變大，其基底承載力可靠指標則隨著墻高的增加而減小。

第三，通過引進可靠度原理對重力式支擋結(jié)構(gòu)進行設計及安全評估，相比傳統(tǒng)的安全系數(shù)法，能更直觀并準確地反映結(jié)構(gòu)的安全儲備情況。

6 結(jié)語

本文初步建立了重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估的體系，對影響重力式支擋結(jié)構(gòu)安全的主要影響因素進行了詳細分析，研究探討了多種重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估方法。重點介紹了由多安全影響因素控制的可靠度分析方法及模糊綜合評估方法在重力式支擋結(jié)構(gòu)安全評估中的應用，其避免了由單個控制因素而得結(jié)論的片面性及誤

差性。

參考文獻

[1]李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設計與工程實例[M].北京：

人民交通出版社，2004.

[2]韓自立，張千里.既有線提速路基動應力分析[J].中

國鐵道科學，2005，（9）.

[3]張曙光.高速鐵路系統(tǒng)生命周期內(nèi)安全評估體系的研

究[J].鐵道學報，2007，（4）.

[4]羅一農(nóng)，劉會娟，蘇謙.動應力對支擋結(jié)構(gòu)安全性影

響的分析[A].鐵路客運專線建設技術(shù)交流會論文集

[C].2005.

[5]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6]李昌鑄.特爾斐專家評估法在公路橋梁評價中的應用

[J].公路學報，1992，（2）.

[7]黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J].

水電站設計，1999，（3）.

（責任編輯：蔣建華）