樁板墻在嚴寒地區鐵路路塹邊坡中的應用

莫繼松

(丹大快速鐵路有限責任公司，遼寧大連 116021)

1 概述

樁板墻[1，2]的優點在于其可防護高度較高：一般懸臂式樁板墻在地面以上的懸臂段高度可達15 m左右，地基強度不足地段可通過樁身埋入土體得到補償[3]。樁板墻由懸臂樁和擋土板組合而成[4]，該結構在減小工程數量、縮短工期、減少施工作業面、節約投資等方面有著較為明顯的優越性，且具有外形美觀、施工簡便、對周圍建筑物影響較小、養護維修費用低等特點，在工程中應用廣泛。

以下研究懸臂式樁板墻在高寒地區公鐵并行路塹邊坡中的應用。

2 樁板墻的理論現狀

2.1 靜力平衡法

主動土壓力與被動土壓力隨深度變化而變化。隨著樁板入土深度的不同，作用在樁上各點的土壓力也不同。樁入土深度可根據水平力平衡方程和對樁底取矩的彎矩平衡方程聯解求得，再求出各點的彎矩和剪力。

2.2 布魯姆法

與靜力平衡法的假設一樣，樁前和樁后同時達到主動或被動土壓力狀態，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對樁底取距的彎矩平衡方程求得，再求出各點的彎矩和剪力。

2.3 彈性地基梁法

其假定為樁身任一點處巖土抗力與該點的位移成正比。其具體解法如下：一種是直接用數學方法求解樁受荷以后的彈性撓曲微分方程，然后計算樁身內力和位移；另外一種是將樁劃分為有限單元的離散體，再根據力的平衡和位移協調條件，解得樁各部分內力和位移(有限元法)。

以下采用彈性地基梁法中的有限元法進行結構受力分析。

2.4 結構設計

結構設計目前主要有兩種方法：一種是容許應力法；另一種是極限狀態法[5]。極限狀態法比容許應力法可靠性更高，以下采用極限狀態法進行結構設計。

3 樁板墻設計原理和方法

3.1 設計荷載種類[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計荷載；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算荷載；路肩和路堤樁板墻應選擇列車荷載的最不利組合進行計算。

3.2 土壓力計算理論

樁板墻墻背錨固點以上土壓力計算采用庫倫理論[6]。假定破裂面形狀，依據極限狀態下破裂棱體的靜態平衡條件來確定土壓力，這是研究土壓力的一種簡化理論，計算簡便，適用于各種復雜的邊界條件[7]。

3.3 反力計算[8]

樁身內力計算原理為彈性法，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；

Δ——錨固點以下樁體位移/m；

a、n——計算系數；

h——錨固點以下任意點到錨固點的豎向距離/m。

根據計算系數a、n的不同，形成不同的計算方法

n=1，a=m時，稱為“m”法；

n=0.5，a=c時，稱為“c”法；

n=0，a=K時，稱為“K”法；

本工程實例計算采用K法。

3.4 有限元計算方程

將樁身分為有限個單元離散體，采用以彈塑性理論為基礎的計算程序，利用節點力的平衡條件和變形協調條件聯合求解[9]。

[[KZ]+[KT]+[KT0]]{δ}={p}

(3)

式中 [KZ]——樁板墻的彈性剛度矩陣；

[KT]——錨固點以下土體的剛度矩陣；

[KT0]——錨固點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。

根據不同的地質條件，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，即可求解樁各點的位移和內力。

3.5 地基強度校核[11]

針對K法的地基強度校核，對于較完整的巖質、半巖質地層，樁身對圍巖的側向壓應力應滿足下列條件

(4)

式中σmax——樁身對圍巖的側壓應力/kPa；

R0——圍巖巖石單軸抗壓極限強度/kPa。

根據經驗，對于土層和軟質巖層，錨固深度取1/3～1/2樁長比較合適，對于完整、較堅硬的巖層，可取1/4樁長。

3.6 錨固點水平位移校核

樁板墻錨固深度除了應滿足強度校核以外，其地面處的水平位移不宜大于10 mm，樁頂位移應小于懸臂段長度的1/100，且不宜大于10 cm。

4 工程實例

4.1 工程概況

某工程地處嚴寒的東北地區，該鐵路工點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，其邊坡防護高度為12.1 m。

工點范圍內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，水位季節變化幅度1～2 m。地下水對混凝土結構不具侵蝕性。

地震動峰值加速度：0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

土壤最大凍結深度：3.2 m。

4.2 工程難點和對策

本處工點主要技術難點為：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，施工作業面較為狹窄，施工過程中需保證既有公路運營安全。②工點位于寒冷的東北地區，由于溫度變化幅度較大，土體反復凍融，對結構安全性要求較高。

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定[12]。本工點擋土墻地面以上有效防護高度為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《鐵路路基支擋結構設計規范》不宜大于10 m的推薦高度值。

(2)土釘墻

在土體內增設一定長度和分布密度的加筋體，通過土釘與土體相互作用，提高邊坡的穩定性[13]。土釘墻地面以上有效防護高度為12 m，共設兩級邊坡，一級邊坡高10 m，設1.8 m寬平臺，二級邊坡高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、施工過程中邊坡穩定、機械化程度高、成本低等優點。本工點地處嚴寒地區，在后期養護維修中，土釘墻墻面易產生凍融破壞，影響結構的安全性。

(3)樁板墻

樁板墻地面以上有效防護高度為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，滿足施工作業面的要求。

通過上述三種支擋結構形式的分析比較可以得出，樁板墻具有結構安全可靠、施工周期短、施工作業面小、對既有公路的運營干擾少、施工較為安全等優點。故本工點推薦樁板墻支護方式。

4.3 樁板墻設計

根據其地質條件，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。

在設計過程中，需根據外力、地層性質、樁身材料等特性，擬定樁截面尺寸、錨固深度等參數；根據樁底的約束條件，計算錨固段樁身各點內力、位移和地層土反力，校核錨固點位移和地基強度。當不滿足條件時，可通過調整樁間距、截面尺寸、錨固段深度等綜合措施來滿足相關要求。根據樁身所受的彎矩和剪力，按《鋼筋混凝土結構設計規范》進行結構設計。

擋土板按照簡支梁考慮，根據其擋土墻板所在范圍內受到的最大土壓力計算彎矩和剪力，然后按《鋼筋混凝土結構設計規范》進行結構設計。

(1)工程措施

本處路塹一級邊坡采用樁板墻防護，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土壓力的水平推力為360.46 kN。其結構檢算方法采用K法。

(2)樁身內力分析

根據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，根據錨固段土體水平向彈性地基系數、樁身材料尺寸、樁身受力和樁底自由等邊界條件進行求解。其中樁身材料、尺寸和錨固段土體地基系數采用(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樁身受力進行求解。其樁身受力結果如表1所示。

表1 樁身受力計算結果

相關計算見圖2～圖5。

圖2 位移計算

圖3 土反力計算

圖4 彎矩計算

圖5 剪力計算

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在錨固點坡腳附近，并且剪力和彎矩隨深度的增加而急劇增大，達到最高值后逐漸減小，說明錨固段以上的土體對樁有明顯的擠推作用，錨固段樁周土體對樁身在上述剪力和彎矩作用下產生的變形有明顯的阻抗作用(將懸臂段推力傳遞到樁周穩定的土體)。

②變形分析

從圖2可以看出，錨固段最大位移發生在錨固點附近，位移曲線基本為直線，最大位移不超過8 mm，各節點差異較小，說明樁體能很好地協調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檢算結論

錨固點位于樁頂以下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。

根據式(4)求得樁身對圍巖的側向壓應力允許值為15 000×0.6×0.3=2 700 kPa，其樁身最大土反力出現在樁頂以下11.2 m處，土反力為857 kPa，小于允許值，其地基強度滿足要求。

(3)結構設計[14]

鋼筋混凝土樁的荷載分項系數為1.35～1.50，樁荷載的變異性大時應取大值，變異性小時應取小值，本工點分項系數取1.5;擋土板的荷載分項系數為1.35，樁和擋土板的混凝土結構按《混凝土結構設計規范》計算。

(4)施工工藝

①核對地面情況，進行基線定位，準確確定樁板墻的位置。

②待核實無誤后隔樁開挖樁井，設置鎖口護壁，并注意井下排水、通風及人身安全。

③綁扎鋼筋籠，一次性連續灌注樁身混凝土，不得形成水平施工縫。

④樁身混凝土達到設計強度80%后，分層開挖樁前土體。

⑤樁身混凝土達到設計強度后，委托檢測單位進行無損檢測，檢測合格后轉入下道工序[15]。

⑥擋土板預制，擋土板強度達到75%以上，采用平板車運輸，吊車吊裝。擋土板背分層回填。

實施后的成果如圖6所示。

圖6 樁板墻

5 結束語

該工點施工時沒有破壞既有公路路面，保證了既有公路的正常運營。對位移觀測樁進行觀測，其觀測位移值小于樁頂位移設計值，表明該支檔結構設計參數取值適應嚴寒地區的溫度變化，且其后期運營過程中也未出現其他病害。以上分析充分證明了樁板墻支護結構適用于高寒地區有特殊限制的鐵路路塹邊坡。

[1] 李斌.樁板式擋土墻在公路工程中的應用[J].青海交通科技，2011(4)：54-55

[2] 王偉力，丁建明，熊燕飛.樁板式擋土墻施工方案設計及技術分析[J].西部交通科技，2008(3)：16-18

[3] 李海光，等.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京:人民交通出版社，2010

[4] 潘秀球.樁板式擋墻在柳州市濱江東路設計中的應用[J].江西建材，2015(6)：161-162

[5] 羅一農，劉昌清，魏永幸.基于極限狀態法的樁板式擋土墻設計研究[J].鐵道工程學報，2014，31(11)：10-14

[6] 洪平.俯斜墻背條件下朗肯與庫倫土壓力理論的研究[J].南昌航空工業學院學報，2002，16(3)：24-27

[7] 郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2000

[8] 北京理正軟件設計院有限公司.理正巖土抗滑樁[擋墻]設計軟件使用說明、編制原理[Z].北京：理正軟件設計院有限公司，2009

[9] 巨能攀，黃潤秋，涂國祥.樁板墻樁土作用機理有限元分析[J].成都理工大學學報(自然科學版)，2006，33(4):365-370

[10] 湯康民.巖土工程[M].武漢：武漢工業大學出版社，2009

[11] 趙明階，何光春，王多琢.邊坡工程處治技術[M].北京：人民交通出版社，2013

[12] 姜濤.重力式擋土墻技術在路基邊坡防治中的應用與探究[J].科技與企業，2016(2)：135-135

[13] 馮英明.土釘墻在路塹邊坡支護中的設計及應用[J].路基工程，2013(2)：143-146

[14] 鐵道第二勘察設計院.鐵路路基支擋結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[15] 時堅.高速鐵路樁板式擋土墻施工技術[J].施工技術，2016(61)：146