卸荷板式樁板墻在邊坡中的應(yīng)用研究*

周太平，劉春蘭，白 林，高 超

（1.四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611732；2.樂山市通達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 樂山 614000）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路路基的邊坡支擋防護(hù)結(jié)構(gòu)形式日新月異。支擋結(jié)構(gòu)作為路基的重要組成部分，合理選用其結(jié)構(gòu)形式，一是能有效消除路基邊坡滑坡、崩塌、地面沉降、地面塌陷等問題隱患，二是能夠直接有效地降低工程成本。《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確了路基邊坡工程的設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際的工程的荷載大小、地形、地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件，從重力式擋土墻、衡重式擋土墻、錨桿擋土墻、加筋土擋土墻、抗滑樁、卸荷板等支護(hù)結(jié)構(gòu)中選用最合適的組合形式[1]。本次研究理論聯(lián)系實(shí)際，多次深入一線施工項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研，推導(dǎo)了卸荷板的最佳位置與板長等關(guān)鍵因素，并用數(shù)值分析軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了同行設(shè)計(jì)院相關(guān)專家的認(rèn)同，并成功運(yùn)用于實(shí)際的工程案例中。

1 卸荷板在邊坡工程中的發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的短卸荷板式擋土墻由上、下墻和卸荷板組成，上下墻高度比例一般為4∶6，墻身采用石砌體。《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4 章中明確規(guī)定了短卸荷板式擋土墻的適用條件——適用于地基強(qiáng)度較大，墻高大于6m、小于等于12m 的路肩墻可采用短卸荷板式擋土墻[1]。

目前高速鐵路的高填方路段、墻高大于12m 的擋土墻較多，傳統(tǒng)的短卸板擋土墻不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須采用樁板式擋土墻、錨桿（錨索）式擋土墻等結(jié)構(gòu)形式，如果考慮在樁板式擋土墻中采用卸荷板結(jié)構(gòu)，則可減少樁柱受荷段彎矩，進(jìn)而可優(yōu)化樁柱截面尺寸，并可延長無錨索樁板式擋土墻的受荷段長度。卸荷板式樁板墻首次應(yīng)用于深圳地區(qū)邊坡工程，胡榮華等[2]對(duì)卸荷板參數(shù)與樁長的確定進(jìn)行了研究，文章在其研究的受力模式基礎(chǔ)上，通過受力分析，研究卸荷板的優(yōu)化位置及長度，以期為卸荷板式樁板墻在鐵路高填方路基中的應(yīng)用作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)技術(shù)提供參考。

2 受力模型及理論分析

根據(jù)胡榮華等人提出的受力模式，由于卸荷板的遮簾效應(yīng)需要考慮卸荷板的剛度情況，分析比較復(fù)雜，而樁板式擋土墻一般較高，遮簾效果占比小影響較小，同時(shí)考慮到用于滑坡時(shí)不計(jì)遮簾效應(yīng)，因此偏安全地忽略遮簾效應(yīng)，簡(jiǎn)化后的模型如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)化后卸荷板樁板墻模型

模型簡(jiǎn)化后的樁板墻，受墻后土壓力、卸荷板土壓力及錨固段地基土反力共同作用。對(duì)于樁頂截面，其外荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力為：

3 卸荷板位置與板長的確定

3.1 卸荷板位置的計(jì)算

若樁頂單位水平力作用下樁頂位移為XQ，轉(zhuǎn)角為φQ，單位彎矩作用下，樁頂位移為XM，轉(zhuǎn)角為φM，在樁截面及地質(zhì)參數(shù)確定時(shí)，這四個(gè)參數(shù)為定值。X0和φ0為外荷載作用下樁頂作用的位移和轉(zhuǎn)角，f 為樁頂固結(jié)時(shí)懸臂柱柱頂位移。

考慮樁位變形后，柱頂?shù)目偽灰茷椋?/p>

將式（1）、式（2）代入式（3）后，可以將H 值和B 值看作常量，公式看作變量為h1的一元三次函數(shù)，當(dāng)時(shí)，柱頂位移取得最小值。從極限思維來看，若地基極好，側(cè)向支撐能力越強(qiáng)，則XM、φM趨于0，則卸荷板最優(yōu)位置在h1=0.58H 處；若地基變差，地基錨固側(cè)向支撐能力趨弱，則XM、φM趨于增大，卸荷板最優(yōu)位置應(yīng)逐漸由h1=0.58H 處向下移動(dòng)趨向樁基頂部。綜上分析，卸荷板式樁板墻最優(yōu)位置應(yīng)在h1=0.58-1.0H，地基錨固條件好取小值，地基錨固條件差取大值。

3.2 卸荷板板長的確定

板長確定主要考慮兩方面因素，首先是卸荷板應(yīng)有一定的作用效應(yīng)，否則無法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，建議卸荷板形成的抗傾彎矩達(dá)到樁頂彎矩20%；其次是卸荷板不宜過長，如果卸荷板長度超過破裂角或者卸荷板土壓力過大使得板下形成類似固定支座后，板長繼續(xù)增加將無任何意義[3]。

4 實(shí)際工程有限元數(shù)值模型分析

某邊坡采用樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋，樁基受荷段長度H=15m，樁基錨固段長度L=10m，樁間距5m，截面1.5m×2.5m，樁板墻墻后填料容重γ=21kN/m3，地面無超載，填料內(nèi)摩擦角度30°，主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=0.33，主動(dòng)土壓力Ea=780kN/m，地基橫向比例系數(shù)m=39MN/m4。不同高度設(shè)置卸荷板時(shí)，取卸荷板寬度為3m，樁頂位移變化結(jié)果如圖2 所示。

圖2 卸荷板不同位置時(shí)樁頂位移圖

從以上分析結(jié)果可以看出，滿足樁頂位移最小的位置與分析一致，卸荷板式樁板墻最優(yōu)位置應(yīng)在h1=0.58-1.0H。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將卸荷板設(shè)置于樁頂位置，板寬3.0m，板厚0.5m，為保證卸荷板剛度，設(shè)置卸荷板拉桿。經(jīng)計(jì)算樁身最大彎矩2000kN/m，如圖3 所示，不設(shè)卸荷板板時(shí)，最大樁身彎矩2630kN/m，彎矩值增大約32%，如圖4 所示。

5 卸荷板樁板墻的適用性

圖3 設(shè)卸荷板樁身彎矩圖

圖4 不設(shè)卸荷板樁身彎矩圖

路基邊坡工程對(duì)于路基的穩(wěn)定性至關(guān)重要，樁板墻是保證路基穩(wěn)定的一種可靠的支擋結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)樁板墻較高而地質(zhì)條件較差時(shí)，可采用卸荷板式樁板墻或錨索樁板墻[4]。錨索樁板墻施工技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、施工質(zhì)量可靠性低、錨索耐久性低；卸荷式樁板墻具有施工簡(jiǎn)便、可靠性高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，因而可在邊坡工程中推廣使用。

6 結(jié)束語

卸荷板式樁板墻可以減少樁身最大彎矩，實(shí)現(xiàn)樁板墻的受力優(yōu)化，減小樁頂位移；在邊坡工程中，若錨桿無錨固條件，不能設(shè)置錨索抗滑樁時(shí)，可采用卸荷板式樁板墻進(jìn)行支擋；卸荷板在其板平面內(nèi)具有較大的平面剛度，對(duì)于協(xié)調(diào)樁之間整體受力也可其到有利作用。因此卸荷板式樁板墻是一項(xiàng)較為經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化的支擋結(jié)構(gòu)，可在邊坡工程中推廣應(yīng)用。