廖 超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

我國(guó)是個(gè)山區(qū)面積廣大的國(guó)家，山區(qū)地勢(shì)起伏大，地面橫坡陡，而且這些地區(qū)構(gòu)造、侵蝕作用強(qiáng)烈，地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著高速鐵路的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了大量的高速鐵路陡坡路基工程，在這種情況下，提高線路的橋隧比例能夠有效減少陡坡路基。但是在同等條件下，橋隧造價(jià)比路基要顯著增加，而且工程建設(shè)的難度也將成倍增大。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用適用于陡坡路基地段的支擋結(jié)構(gòu)，達(dá)到既能有效收縮坡腳、確保路堤穩(wěn)定，又能降低工程造價(jià)的目的。高速鐵路對(duì)路基的沉降變形有嚴(yán)格的要求，對(duì)于陡坡路基，一般采用重力式擋墻、樁板墻[1]及樁基托梁[2]等支擋方式進(jìn)行邊坡加固。但邊坡較高或土壓力較大時(shí)可能難以滿足檢算要求。對(duì)于公路工程當(dāng)常用的支擋結(jié)構(gòu)不能滿足要求時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力錨索樁進(jìn)行陡坡路基加固[3-5]。由于預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)垂直錨索方向的受力特別敏感，預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻用于路堤支擋，存在填料下沉產(chǎn)生次生應(yīng)力的可能，因此，鐵路路基一般不采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻用于陡坡路堤邊坡加固。

h型樁板墻是一種組合樁結(jié)構(gòu)，由主樁、副樁、橫梁、承載板及擋土板組成[6]，具有較強(qiáng)的水平荷載承載能力及較大的剛度，能有效控制邊坡穩(wěn)定及水平位移[7-8]，可用于滑坡及陡坡地段的邊坡加固工程，已在鐵路[9]和公路[10]陡坡路基中取得成功運(yùn)用。目前不少學(xué)者對(duì)該結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算方法[11-12]、變形控制[7-8]、設(shè)計(jì)方法[13]及力學(xué)特性[14-19]等進(jìn)行了研究，取得了大量的成果，但是均未對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行深入的研究[20]。本文建立大量的計(jì)算模型，分別對(duì)錨固段為土質(zhì)地層及巖質(zhì)地層提出關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)建議值。

1 計(jì)算方法

h型樁板墻橫梁位于線路內(nèi)側(cè)，受力機(jī)理為邊坡的土壓力首先直接作用于副樁上，然后再通過橫梁及樁排間巖土體傳到主樁上，同時(shí)上部土體土壓力直接作用于主樁懸臂段，最后形成副樁、橫梁、樁間巖土體、主樁四位一體共同抵抗土壓力[15-19]。根據(jù)內(nèi)力分析，橫梁上可選擇設(shè)置或不設(shè)置承載板。h型樁板墻如圖1所示。

圖1 h型樁板墻示意

h型樁板墻可分解為h型抗滑樁及擋土板兩部分，h型抗滑樁可進(jìn)行平面簡(jiǎn)化，采用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，將荷載作用在平面桿件上，分別計(jì)算各部件的內(nèi)力與變形，建立的模型應(yīng)考慮地基土剛度對(duì)樁的影響，即地基土與樁的相互作用，可采用節(jié)點(diǎn)彈簧進(jìn)行模擬。

1.1 結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算[11]

(1)主樁懸臂段土壓力作用計(jì)算方法

h型樁板墻上部懸臂部位類似樁板墻結(jié)構(gòu)，墻面水平土壓力按主動(dòng)土壓力考慮，列車荷載產(chǎn)生的水平壓力按彈性理論土中應(yīng)力分布原理計(jì)算，兩項(xiàng)水平壓力疊加后簡(jiǎn)化呈梯形或三角形分布。

P1=kaql

(1)

P2=kaql+kaγh1l

(2)

式中，ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；h1為長(zhǎng)樁懸臂段長(zhǎng)度，m；l為結(jié)構(gòu)縱向跨度，m；γ為上部填土重度，kN/m3。

(2)橫梁上側(cè)土壓力作用計(jì)算方法

橫梁上側(cè)土壓力計(jì)算可將橫向樁間距范圍內(nèi)的土自重及上部荷載施加在橫梁上，計(jì)算方法見式(3)。

P=ql1+γh1l1

(3)

式中，P為橫梁上均布荷載，kN/m；γ為上部填土重度，kN/m3；h1為填土高度，m；l1為橫向樁間距，m；q為列車均布荷載，kN/m。

(3)橫梁下側(cè)土壓力作用計(jì)算方法

考慮到h型樁板墻在使用階段隨著地基土自然沉降，由于結(jié)構(gòu)和土體的剛度差異，底部土體對(duì)承載板與橫梁的支撐作用將逐漸減弱甚至可能出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)中視其為安全儲(chǔ)備，計(jì)算中不考慮底部土體的支撐作用。

計(jì)算荷載分布示意如圖2所示。

圖2 荷載示意

1.2 樁側(cè)土作用的模擬

按文克勒假定，樁側(cè)土作用在樁上的抗力可以用式(4)表示。

P=khb0x

(4)

式中，b0為樁的計(jì)算寬度，m；x為樁身截面的橫向位移，m；kh為土的橫向抗力系數(shù)，kN/m3。

土的橫向抗力系數(shù)kh沿樁身的分布規(guī)律根據(jù)地質(zhì)情況采用“m”法或“k”法，采用“m”法時(shí)kh=mz。

模型中，沿單樁樁體每米分割為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立節(jié)點(diǎn)彈簧，彈簧剛度kz計(jì)算如式(5)。

kz=mzb0×103

(5)

式中，kz為彈簧剛度，kN/m；m為地基系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；z為樁截面深度，m。

2 工程案例

杭黃鐵路存在大量的陡坡路基，其中DK69工點(diǎn)采用h型樁板墻支擋。

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

地層巖性及土石等級(jí)：

(4)-1 D1-2t粉砂巖，褐黃色，全風(fēng)化，Ⅲ，σ0=250 kPa；

(4)-2 D1-2t粉砂巖，灰黃色，強(qiáng)風(fēng)化，Ⅳ，σ0=450 kPa；

(4)-3 D1-2t粉砂巖，青灰色，弱風(fēng)化，Ⅴ，σ0=700 kPa。

水文地質(zhì)條件：地下水主要為基巖裂隙水，基本不發(fā)育。區(qū)內(nèi)地下水無二氧化碳侵蝕、硫酸鹽侵蝕、有酸性侵蝕，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)為H1；僅根據(jù)氯離子含量判定，地表水、地下水均無氯鹽侵蝕。

地震動(dòng)參數(shù)：地震動(dòng)峰值加速度為0.075g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期(中硬土)為0.35 s。

2.2 設(shè)計(jì)概況

工點(diǎn)最不利斷面右側(cè)路肩距坡腳高差為18.9 m，采用內(nèi)置式h型樁板墻支擋，為減小自由段長(zhǎng)度，采用路堤墻形式。樁頂路堤邊坡高4 m，主樁自由段長(zhǎng)14.9 m、錨固段長(zhǎng)11.1 m，副樁長(zhǎng)10 m，主副樁橫向凈間距9 m，縱向間距(中心)6 m。樁基及橫梁截面均為2 m×2.25 m，橫梁設(shè)置在距主樁樁頂4 m處，橫梁右側(cè)懸空處設(shè)置承載板，設(shè)計(jì)斷面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)工點(diǎn)設(shè)計(jì)斷面(單位：m)

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

3.1 計(jì)算模型

采用數(shù)值計(jì)算軟件，建立平面桿件彈性計(jì)算模型。樁基及橫梁之間剛性連接，截面尺寸為2 m×2.25 m，沿線路方向樁間距6 m。錨固段采用節(jié)點(diǎn)彈簧模擬樁土作用，彈簧剛度根據(jù)表1中土質(zhì)及巖質(zhì)地層的地基參數(shù)，采用式(5)進(jìn)行計(jì)算，樁底按鉸支考慮。施加于計(jì)算模型的橫梁及主樁上荷載參照式(1)～式(3)計(jì)算。

3.2 計(jì)算參數(shù)

h型擋墻及擋土板采用C35混凝土，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 橫梁設(shè)置位置對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)地層、橫梁距樁頂距離為3～8 m的計(jì)算模型，分析各計(jì)算模型的受力情況，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖4～圖7所示。

圖4 主樁最大彎矩與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖5 主樁最大剪力與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖6 橫梁最大彎矩與橫梁位置的關(guān)系曲線

圖7 橫梁最大剪力與橫梁位置的關(guān)系曲線

主樁最大彎矩及剪力隨橫梁距樁頂長(zhǎng)度呈先減小后增大的“V”字形變化，最大彎矩在橫梁距樁頂長(zhǎng)度為4～5 m時(shí)最小，該處主樁橫梁上部與下部最大彎矩基本相等，剪力數(shù)值不大，不作為控制因素，因此，橫梁距樁頂長(zhǎng)度為4～5 m時(shí)，主樁受力最優(yōu)。在橫梁距樁頂長(zhǎng)度小于6 m時(shí)，設(shè)置承載板能有效改善主樁受力；橫梁距樁頂長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，橫梁上設(shè)置承載板已幾乎不影響主樁受力。

橫梁最大彎矩、剪力隨橫梁距樁頂長(zhǎng)度增大而增大，橫梁距樁頂長(zhǎng)度小于6 m時(shí)橫梁最大彎矩變化不大，當(dāng)橫梁距樁頂長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，橫梁彎矩顯著增大。橫梁剪力隨橫梁距樁頂長(zhǎng)度變化呈線性增大趨勢(shì)，橫梁距樁頂長(zhǎng)度對(duì)橫梁軸力影響不大。綜合分析橫梁彎矩、剪力及軸力，橫梁距樁頂長(zhǎng)度宜小于6 m。對(duì)比相同地層設(shè)置承載板與不設(shè)置承載板橫梁受力，發(fā)現(xiàn)設(shè)置承載板后橫梁彎矩顯著減小，承載板的設(shè)置能有效改善橫梁的受力。

橫梁距樁頂長(zhǎng)度小于6 m時(shí)副樁最大彎矩變化不大，當(dāng)橫梁距樁頂長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，副樁彎矩顯著增大。橫梁位置對(duì)副樁軸力影響不大。對(duì)比相同地層設(shè)置承載板與不設(shè)置承載板副樁受力，發(fā)現(xiàn)設(shè)置承載板后副樁彎矩顯著減小，承載板的設(shè)置能有效改善副樁的受力。

綜合考慮主樁、橫梁及副樁的內(nèi)力隨橫梁距樁頂長(zhǎng)度變化規(guī)律，橫梁距樁頂長(zhǎng)度為4～5 m，計(jì)算模型懸臂段長(zhǎng)度為14 m，因此，橫梁位置距主樁樁頂最佳距離為0.30L～0.35L(L為主樁懸臂段長(zhǎng)度)。在橫梁距樁頂長(zhǎng)度小于6 m時(shí)，設(shè)置承載板能有效改善主樁受力；橫梁距樁頂長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，橫梁上設(shè)置承載板已幾乎不影響主樁受力；承載板的設(shè)置能有效降低橫梁及副樁的彎矩，同時(shí)有效改善副樁的軸力。綜合考慮主樁、橫梁、副樁的受力，橫梁設(shè)置位置不影響承載板對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。

3.3.2 橫向樁間距對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)、主樁及副樁橫向間距為5～9 m的計(jì)算模型，分析計(jì)算各種情況下的受力情況，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖8～圖10所示。

圖8 主樁最大彎矩隨樁基橫向間距變化曲線

圖9 橫梁最大彎矩隨樁體橫向間距變化曲線

圖10 副樁最大彎矩隨樁體橫向間距變化曲線

(1)橫向樁間距變化對(duì)主樁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對(duì)主樁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點(diǎn)的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

主樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)樁體橫向間距小于7 m時(shí)，主樁最大彎矩變化較小，當(dāng)樁體橫向間距大于7 m，主樁最大彎矩隨著樁體橫向間距的增加而明顯增大。這是因?yàn)橹鳂蹲畲笳龖?yīng)力的發(fā)生位置不同造成的，當(dāng)樁體橫向間距小于7 m時(shí)，最大彎矩發(fā)生在橫梁與主樁連接的部位，改變樁體橫向間距并不影響作用在主樁上的側(cè)向土壓力，因此，最大彎矩的值保持不變；當(dāng)樁體橫向間距大于某一值時(shí)，由于作用在橫梁上的豎向應(yīng)力增大，最大彎矩發(fā)生在樁體的錨固段。

對(duì)于不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)，主樁最大剪力隨樁體橫向間距呈先減小后增大的趨勢(shì)，橫向樁間距為7 m時(shí)，剪力最小；對(duì)于設(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，主樁最大剪力隨橫向樁間距增大而增大。

當(dāng)橫向樁間距小于8 m時(shí)，不設(shè)置承載結(jié)構(gòu)主樁最大彎矩大于設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)；當(dāng)橫向樁間距大于8 m時(shí)，不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)主樁最大彎矩小于設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)。說明當(dāng)樁間距大于8 m時(shí)，由設(shè)置承載板增加的豎向力而產(chǎn)生的彎矩已經(jīng)大于承載板卸荷作用減小的側(cè)壓力而產(chǎn)生的彎矩，因此，橫向樁間距大于8 m時(shí)，不宜橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

(2)橫向樁間距變化對(duì)橫梁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對(duì)橫梁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點(diǎn)的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

橫梁最大彎矩隨樁體橫向間距的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁最大彎矩增大速度大于不設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)。當(dāng)樁體橫向間距小于6.5 m時(shí)，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁的最大彎矩小于不設(shè)置承載板的值，當(dāng)樁體橫向間距大于6.5 m時(shí)，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)橫梁的最大彎矩大于不設(shè)置承載板的值。

橫梁最大剪力隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，設(shè)置承載板時(shí)副樁最大剪力大于不設(shè)置承載板時(shí)的值。主要是因?yàn)樵O(shè)置承載板之后，樁體間的土壓力和上部列車、軌道荷載作用于樁體橫梁之上，致使最大剪力變大。

(3)橫向樁間距變化對(duì)副樁內(nèi)力的影響

橫向樁間距變化對(duì)副樁內(nèi)力的影響，錨固段為巖質(zhì)地層與土質(zhì)地層變化規(guī)律一致，各拐點(diǎn)的數(shù)值有所差異，以巖質(zhì)地層為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

對(duì)于不設(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，副樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；對(duì)于設(shè)置承載板的結(jié)構(gòu)，副樁最大彎矩隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)樁體橫向間距超過某一值之后，設(shè)置承載板時(shí)副樁最大負(fù)彎矩將大于不設(shè)置承載板時(shí)的值。當(dāng)橫向樁間距為7 m時(shí)，設(shè)置承載板結(jié)構(gòu)的彎矩為最小值。

副樁最大剪力隨樁體橫向間距的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，設(shè)置承載板時(shí)副樁最大剪力小于不設(shè)置承載板時(shí)的值。主要是因?yàn)樵O(shè)置承載板之后，樁體間的土壓力和上部列車、軌道荷載作用于樁體橫梁之上，進(jìn)而減小了樁體的側(cè)向壓力，致使最大剪力變小。

(4)橫向樁間距總結(jié)

綜合考慮主樁、橫梁及副樁的內(nèi)力隨橫向樁間距的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)建議如下。

①錨固段為巖質(zhì)地層時(shí)，橫向樁凈間距宜為6～7 m；當(dāng)橫向樁間距大于8 m時(shí)，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

②錨固段為土質(zhì)地層時(shí)，橫向樁凈間距宜為7～8 m；當(dāng)橫向樁間距大于9 m時(shí)，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。

3.3.3 主樁錨固段長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

分別建立錨固段為巖質(zhì)及土質(zhì)、懸臂段長(zhǎng)固為15 m、錨固長(zhǎng)度為7～14 m的計(jì)算模型，分析計(jì)算各種情況下的受力，提取結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)及變形指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)。代表性內(nèi)力曲線如圖11、圖12所示。

圖11 主樁最大彎矩隨主樁錨固段長(zhǎng)度變化曲線

圖12 橫梁最大彎矩隨主樁錨固段長(zhǎng)度變化曲線

主樁最大彎矩隨主樁錨固深度變化影響較大，各工況均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。錨固段為土質(zhì)地層，錨固段長(zhǎng)度為12 m時(shí)，主樁彎矩最??；錨固段為巖質(zhì)地層，錨固段長(zhǎng)度為10 m時(shí)，主樁彎矩最小。主樁錨固深度對(duì)主樁剪力基本沒影響。設(shè)置承載板的內(nèi)力均小于未設(shè)置承載板，說明錨固深度不影響承載板對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。主樁錨固深度對(duì)橫梁及副樁內(nèi)力基本無影響。

主樁錨固深度設(shè)置合理能有效改善主樁的受力。錨固段為土質(zhì)地層時(shí)，錨固段長(zhǎng)度最佳為0.8L(L為主樁懸臂段)；錨固段為巖質(zhì)地層時(shí)，錨固段長(zhǎng)度最佳為2L/3。錨固深度不影響承載板對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果。

4 結(jié)論

通過對(duì)h型樁板墻支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)影響分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)橫梁布置距主樁樁頂?shù)淖罴丫嚯x為0.30L～0.35L。

(2)錨固段為巖質(zhì)地層時(shí)，橫向最佳樁凈間距為6～7 m，主樁錨固段最佳長(zhǎng)度約為2L/3。

(3)錨固段為土質(zhì)地層時(shí)，橫向最佳樁凈間距為7～8 m，主樁錨固段最佳長(zhǎng)度約為0.8L。

(4)橫梁設(shè)置位置及錨固深度不影響承載板對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善效果，但橫向樁間距過大滿鋪設(shè)置承載板對(duì)結(jié)構(gòu)不利。錨固段為巖質(zhì)地層時(shí)，當(dāng)橫向樁間距大于8 m時(shí)，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板；錨固段為土質(zhì)地層時(shí)，當(dāng)橫向樁間距大于9 m時(shí)，不宜在橫梁上滿鋪設(shè)置承載板。