鐵路廢舊軌枕護坡骨架力學特性及穩(wěn)定性分析

申文軍

中國鐵路北京局集團有限公司，北京100860

據(jù)統(tǒng)計，全路廢舊軌枕存量有300萬根以上，而且以每年120萬根的速度增長。廢舊軌枕在沿線較大站場集中存放或線路兩側(cè)零散堆放，對鐵路沿線周邊環(huán)境造成較大影響。近年來，隨著國家對固體廢料立法進程的加快，如何及時對廢舊軌枕進行妥善銷納，是當前亟待解決的重要問題。

骨架護坡是一種常見的輕型邊坡防護，主要有方格形、菱形、人字形等結(jié)構(gòu)形式，用于防止邊坡發(fā)生淺層破壞［1］。骨架護坡通常會結(jié)合植物防護來減少雨水對坡面的沖蝕，亦可結(jié)合錨桿或錨索構(gòu)成格構(gòu)護坡［2-3］。由于結(jié)構(gòu)形式美觀、施工便捷、防護效果良好，骨架護坡在路堤邊坡防護工程中得以廣泛應(yīng)用［4-5］。骨架護坡適合以預(yù)制塊構(gòu)件現(xiàn)場拼接修筑，可大大縮短工期，降低現(xiàn)場澆筑對環(huán)境的影響。將廢舊軌枕作為預(yù)制構(gòu)件應(yīng)用于骨架護坡，既可妥善處置軌枕廢料，又減少了對石料的開采。

骨架防護雖應(yīng)用已久，但至今仍以基于經(jīng)驗的構(gòu)造設(shè)計為主，而其防護效果大多通過現(xiàn)場觀測進行定性評價。骨架防護的適用性、防護效果、施工工藝等也因此成為工程研究的焦點［6-10］。鑒于現(xiàn)場觀測受外界干擾大，測試條件不易把控等因素，文獻［11-12］采用模型試驗探究了骨架防護結(jié)構(gòu)的變形與護坡穩(wěn)定性，指出距坡頂不同距離處的邊坡位移隨加載過程的增長方式并不相同；文獻［13-14］采用數(shù)值模擬對格構(gòu)骨架進行了計算分析，提出了優(yōu)化設(shè)計方法。目前對于采用廢舊軌枕漿砌骨架護坡這種新的防護形式尚未見相關(guān)研究報道，其受力變形、防護效果、軌枕間黏結(jié)特性仍不明確。

本文依托京通鐵路路堤邊坡防護工程，討論不同骨架形式的廢舊軌枕骨架護坡的受力變形特性和防護效果，關(guān)注軌枕構(gòu)件間的黏結(jié)特性，為廢舊軌枕骨架護坡的推廣應(yīng)用提供初步理論參考。

1 廢舊軌枕骨架護坡三維有限元模型

結(jié)合京通鐵路廢舊軌枕骨架護坡工程，考慮矩形、菱形、人字形三種骨架形式（圖1），采用ABAQUS軟件建立三維有限元模型，分析三種骨架護坡結(jié)構(gòu)的護坡性能。選取典型工點邊坡斷面（圖2）為研究對象。該邊坡坡比1∶1.5，坡高5.5 m。護坡骨架埋入坡面20 cm，坡腳處埋設(shè)C25混凝土連梁與護坡骨架連接。三種護坡骨架中，矩形骨架和菱形骨架節(jié)點處設(shè)有?25錨桿，錨桿長4 m。邊坡土體考慮為碎石土，內(nèi)摩擦角為40°，黏聚力為10 kPa［15］。

圖1 廢舊軌枕骨架護坡

圖2 路基邊坡剖面示意（單位：m）

三種護坡骨架正視圖及有限元模型如圖3所示。考慮模型邊界效應(yīng)，沿邊坡斷面方向從坡腳處向既有地面延伸8 m，坡頂處向后延伸8 m；沿邊坡深度方向，模型深度取地面以下5 m；沿邊坡縱向方向，由于三種骨架骨架間距不同，因此模型計算寬度取2倍骨架間距。土體、護坡骨架和連梁上表面為自由面，不施加任何約束。土體模型的底面按足夠深的情況考慮，約束底面三個方向的位移；土體側(cè)面約束相應(yīng)側(cè)面法線方向的位移。考慮模型的對稱性，對于護坡骨架和連梁的側(cè)面，約束其側(cè)面法線方向的位移。護坡骨架、錨桿和坡腳連梁幾何參數(shù)均按實際工程布局選取。護坡骨架、連梁、土體主要采用三維八結(jié)點六面體單元（C3D8）進行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格的規(guī)整性和連續(xù)性，在部分尖角區(qū)域采用三維六結(jié)點的楔形體單元（C3D6）進行網(wǎng)格劃分；錨桿采用梁單元（B31）模擬。考慮到模型的復(fù)雜性和應(yīng)力集中問題，對護坡骨架和連梁附近區(qū)域土體進行網(wǎng)格加密處理。為簡化建模，不考慮邊坡地下水和植被護坡，僅考慮廢舊軌枕骨架護坡體系的防護作用，忽略護坡結(jié)構(gòu)中錨桿的墊板，模型中錨桿與護坡骨架采用結(jié)點耦合（Coupling）的方式進行連接；錨桿與土體直接采用嵌入（Embedded Region）約束。

圖3 三種護坡骨架正視圖及有限元模型（單位：m）

考慮到護坡骨架混凝土工作狀態(tài)基本為線彈性，采用線彈性本構(gòu)模型。護坡骨架和連梁混凝土材料強度參數(shù)參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取。土體采用Mohr-Coulomb模型，模型材料參數(shù)見表1。黏結(jié)面砂漿損傷模型采用線性損傷模型（圖4），其中砂漿極限抗拉強度τmax參考建筑行業(yè)標準JGJT 220—2010《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》取τmax=0.2 MPa；損傷失效位移df按小于軌枕寬度的1%考慮，取df=2 mm；損傷起始位移di=df∕50=0.04 mm。

表1 模型材料參數(shù)

圖4 黏結(jié)面損傷模型

2 廢舊軌枕骨架護坡力學分析

對于菱形骨架、矩形骨架和人字形骨架三種結(jié)構(gòu)形式，分別選取相應(yīng)的關(guān)鍵點位和關(guān)鍵坡線（參見圖3）進行力學響應(yīng)分析。

2.1 關(guān)鍵坡線等效應(yīng)力

三種骨架護坡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵坡線等效應(yīng)力見圖5。可知：在相同條件下關(guān)鍵坡線的應(yīng)力水平為矩形骨架＞菱形骨架＞人字形骨架，就結(jié)構(gòu)受力而言，矩形骨架最為不利，而人字形骨架相對最安全。矩形骨架和人字形骨架上的等效應(yīng)力分布趨勢相近，由坡頂向坡腳方向等效應(yīng)力逐漸變大，在各段骨架中部等效應(yīng)力大于結(jié)點處等效應(yīng)力；二者應(yīng)力最不利位置均位于坡腳處，但矩形骨架的最大應(yīng)力約為人字形骨架的7倍。菱形骨架沿關(guān)鍵坡線的分布相對均勻，應(yīng)力在結(jié)點處和各段骨架中部較大。

圖5 關(guān)鍵坡線等效應(yīng)力

2.2 關(guān)鍵點豎向位移

三種骨架護坡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點豎向位移見圖6。可知：在相同荷載條件下，菱形骨架和矩形骨架各關(guān)鍵點連線位移變化基本相同，在坡頂荷載和錨桿約束下骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向位移，坡頂處位移最大，坡腳處位移較小。人字形骨架結(jié)構(gòu)在臨近坡腳處（P4人字頂結(jié)點）產(chǎn)生隆起，表明在坡頂荷載作用下，骨架結(jié)構(gòu)頂部沉降下移，由于坡腳處連梁的支撐，結(jié)點處沒有錨桿約束，因此在臨近坡腳位置產(chǎn)生隆起變形，這也與邊坡整體下滑趨勢相吻合。三種骨架結(jié)構(gòu)在坡頂和坡腳處的豎向位移基本一致。由于人字形骨架結(jié)點沒有錨桿約束，因此其豎向位移趨勢與菱形骨架、矩形骨架有所不同。

圖6 關(guān)鍵點豎向位移

2.3 關(guān)鍵點水平位移

三種骨架護坡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點水平位移見圖7。可知：三種骨架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的水平位移與豎向位移變化趨勢基本一致，在坡頂處骨架結(jié)構(gòu)水平位移方向指向坡內(nèi)，而坡腳處的水平位移則沿坡腳方向指向坡外，這也與邊坡的變形趨勢一致。與骨架結(jié)構(gòu)豎向位移結(jié)果類似，菱形骨架與矩形骨架關(guān)鍵點的水平位移基本相同。水平位移的正值，即骨架結(jié)構(gòu)向坡腳外的滑移量比人字形骨架滑移量小，表明施加錨桿有利于約束邊坡和骨架結(jié)構(gòu)的變形。

圖7 關(guān)鍵點水平位移

3 廢舊軌枕骨架護坡穩(wěn)定性分析

安全系數(shù)是評價邊坡穩(wěn)定性和防護效果的直觀有效的參考依據(jù)。采用強度折減法［16］對三種骨架結(jié)構(gòu)形式進行穩(wěn)定性分析，選取坡頂處關(guān)鍵點的水平位移變化作為對比參數(shù)。以邊坡位移發(fā)生突變時對應(yīng)的折減系數(shù)作為邊坡的安全系數(shù)［17-18］。邊坡特征點水平位移變化曲線見圖8。可知，三種骨架結(jié)構(gòu)的防護效果：菱形骨架（Fsl）≈矩形骨架（Fsj）＞人字形骨架（Fsr），菱形骨架與矩形骨架防護下邊坡安全系數(shù)比人字形骨架高約3.2%。除結(jié)構(gòu)形式差異外，錨桿約束的差異是導(dǎo)致防護穩(wěn)定性差異的主要原因。

圖8 邊坡特征點水平位移變化曲線

邊坡破壞時骨架結(jié)構(gòu)黏結(jié)損傷混合斷裂模式分布見圖9。其中數(shù)值為1（藍色區(qū)域）表示未發(fā)生破壞；數(shù)值為0～0.5（綠色區(qū)域），表示以拉伸破壞為主；數(shù)值為0.5～1.0（紅色區(qū)域），表示以剪切破壞為主。由圖9可知：三種骨架結(jié)構(gòu)黏結(jié)面的破壞區(qū)域主要分布在結(jié)點處，以剪切破壞為主。矩形骨架結(jié)點破壞主要發(fā)生在縱向骨架的連接處；菱形骨架由于受力較均勻，各結(jié)點連接面損傷分布較相近，此外在坡腳連接面上也發(fā)生以剪切破壞為主的損傷；人字形骨架黏結(jié)面破壞區(qū)域主要集中在人字腳結(jié)點處，人字頂結(jié)點處基本沒有發(fā)生損傷。由此可見，廢舊軌枕骨架護坡結(jié)構(gòu)黏結(jié)最不利位置主要在各結(jié)點處，應(yīng)對此位置采取結(jié)點加固措施保證廢舊軌枕骨架的有效連接。結(jié)合骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，坡腳處也須采取相應(yīng)強化措施。

圖9 邊坡破壞時骨架黏結(jié)面損傷分布

4 結(jié)論

1）矩形骨架和人字形骨架應(yīng)力分布趨勢基本一致，應(yīng)力最不利位置在坡腳位置，矩形骨架最大應(yīng)力約為人字形骨架的7倍；菱形骨架應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力最不利位置在各段骨架中部和各結(jié)點位置。

2）三種骨架結(jié)構(gòu)隨著邊坡的變形均有向坡腳滑移趨勢，由于人字形骨架結(jié)構(gòu)沒有錨桿約束，滑移量相對更大，且防護效應(yīng)稍弱于菱形和矩形骨架結(jié)構(gòu)。

3）三種骨架結(jié)構(gòu)黏結(jié)面的最不利位置基本分布在結(jié)點處，結(jié)合骨架結(jié)構(gòu)受力分布特點，在骨架結(jié)點位置及坡腳位置均應(yīng)采取強化措施。