神朔鐵路改造工程受限路基支擋方案比選分析

續(xù)辰

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

近年來國家對中西部路網(wǎng)的建設(shè)越來越重視，要求加密西部路網(wǎng)，適當超前建設(shè)。該背景下，黃土地區(qū)建設(shè)工程大量增加，高陡邊坡及受限路基也隨之大量出現(xiàn)。但黃土地區(qū)邊坡極易失穩(wěn)破壞，給邊坡支擋工程帶來了較大困難。在這種情況下，傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)已無法較好滿足支護要求，椅式樁板墻在控制路基邊坡變形上效果更好，更能提高路基邊坡的穩(wěn)定性，保證路基邊坡的安全。

椅式樁板墻由雙排抗滑樁發(fā)展而來，其受力變形計算機理仍主要參考深基坑支護[1]，研究主要集中于對雙排支護及抗滑樁的計算模型分析應(yīng)用上。張玲[2]考慮前后樁的相互作用，基于歐拉伯努利雙層梁理論建立了樁身分段撓曲度方程，結(jié)合實際工程驗證了計算模型的可行性。續(xù)辰[3]結(jié)合FLAC3D數(shù)值軟件分析了膨脹土地區(qū)加錨雙排樁支護結(jié)構(gòu)的受力變形特性，討論了不同內(nèi)摩擦角和粘聚力情況下樁身水平位移的變化規(guī)律。

當前研究主要集中于懸臂樁板墻上，對椅式樁板墻研究較少，僅部分學者對其展開了研究與分析。李婷[4]針對土質(zhì)高邊坡地段填方路基椅式樁板墻開展模型試驗，得到了樁后土壓力的分布形式；廖超[5]采用數(shù)值模擬研究了椅式樁板墻的橫梁設(shè)置位置、橫向樁間距及主樁錨固長度等關(guān)鍵參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

根據(jù)上述研究可知：椅式樁板墻作為組合式雙排支擋結(jié)構(gòu)的一種，支擋效果較好，工程性價比高，已得到了廣泛應(yīng)用。但黃土地區(qū)陡坡路基較多，椅式樁板墻的整體穩(wěn)定性及差異沉降控制較難，計算涉及的樁土相互作用仍相當復雜并成為現(xiàn)今路基設(shè)計的一大難題。因此，本文依托神朔鐵路小半徑曲線改造工程，結(jié)合改造段受限路基的改造方案，利用MIDAS GTS NXS軟件進行分析，對K148受限路基改造采用椅式樁板墻及懸臂樁板墻兩種方案進行比選，分析采用椅式樁板墻方案的優(yōu)勢，對路塹椅式樁板墻的設(shè)計施工具有一定的指導意義和實用價值。

1 工程應(yīng)用實例分析

1.1 工程概況

神朔鐵路是為開發(fā)神府東勝煤田而修建的運煤專用鐵路，隨著列車提速、貨運列車數(shù)量增大及重載列車數(shù)量的不斷增多，小半徑曲線的鋼軌磨耗問題日趨嚴重。故針對神朔鐵路小半徑曲線進行精細改造，工程平面示意圖見圖1。其中K148+630-K148+960改造段傍山而行，北側(cè)緊鄰國道G338，改造段線路上方為一高壓電塔，線路距離高壓鐵塔直線距離60.63m，本地段為挖方段，如直接放坡將涉及到高壓鐵塔的拆除與還建。故該段落采用路塹支擋結(jié)構(gòu)進行支擋收坡。

圖1 工程平面示意圖

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、室內(nèi)試驗，神朔鐵路K148+630-K148+960 改造段地層主要為第四系上更新統(tǒng)風積層（Q3eol）砂質(zhì)黃土；下伏基巖主要為奧陶系中統(tǒng)（O2ls）石灰?guī)r。地下水主要為巖溶水，對混凝土結(jié)構(gòu)一般不具侵蝕性。

1.3 設(shè)計原則

通過對K148+766-K148+786段路塹邊坡穩(wěn)定性及坡上高壓電塔的影響進行研究，該段設(shè)計中應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

（1）保障路塹邊坡的安全穩(wěn)定及鐵路安全營運；

（2）由于路基右側(cè)有一高壓鐵塔且路塹邊坡高達45m，無法放坡支護，故需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)避免拆除高壓鐵塔并穩(wěn)固坡腳；

（3）由于該工程為既有線改造工程，故需保障支護方案技術(shù)可行，確保既有線運營及施工的安全。

1.4 設(shè)計方案

1.4.1 路塹樁板墻方案

方案一：初步擬定路基面右側(cè)采用C35路塹鋼筋混凝土椅式樁板墻收坡。樁身截面為2.25m×2.5m，樁長18m，懸臂段為6m，錨固段為12m，樁頂設(shè)置3m平臺。自平臺起按照1∶1.25進行放坡，邊坡高7.5m，采用孔窗式護坡。坡腳外5m設(shè)置天溝。

1.4.2 路塹椅式樁板墻方案

方案二：初步擬定路基面右側(cè)采用C35路塹鋼筋混凝土矩形椅式樁板墻收坡。前后樁樁身截面均為2.25m×2.5m。前樁樁長18m，懸臂段6m，錨固段12m；后樁樁長24m，懸臂段6m，錨固段18m；前后樁采用寬2.5m，高1.5m的連梁進行連接。自平臺起按照1∶1.25進行放坡，坡腳外5m設(shè)置天溝。設(shè)計方案對比見圖2。

圖2 設(shè)計方案對比

2 樁板墻及椅式樁板墻計算模型建立

設(shè)計檢算中，常將樁板墻等效為平面抗滑樁模型來進行受力分析，且對于數(shù)值仿真計算來說運用二維計算模型較為簡潔高效。故本文創(chuàng)建樁板墻及椅式樁板墻二維計算模型進行計算。將支擋結(jié)構(gòu)用1D結(jié)構(gòu)單元進行模擬，邊坡采用噴射混凝土進行模擬，樁端視為鉸接。

3 計算結(jié)果分析

3.1 椅式樁板墻方案結(jié)果分析

椅式樁板墻方案計算結(jié)果云圖見圖3。由圖3計算結(jié)果可知：

圖3 椅式樁板墻方案計算結(jié)果云圖

（1）當路基支擋結(jié)構(gòu)施工完成后，邊坡整體最大水平位移為-25.46mm，出現(xiàn)在椅式樁板墻后樁樁頂附近；

（2）邊坡整體呈現(xiàn)一個從基底發(fā)生并延伸至地面的圓弧剪切滑動面；

（3）椅式樁前后樁樁身水平位移均隨著樁體深度增加而減小，樁身最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂，前樁最大樁身水平位移為-22.43mm，后樁最大樁身水平位移為-25.46mm；

（4）邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.63，高壓鐵塔位置處位移為-9.78mm。

3.2 懸臂樁板墻方案結(jié)果分析

懸臂樁板墻方案計算結(jié)果云圖見圖4。由圖4計算結(jié)果可知：

圖4 懸臂樁板墻方案計算結(jié)果云圖

（1）當路基支擋結(jié)構(gòu)施工完成后，邊坡整體最大水平位移為-43.93mm，出現(xiàn)在樁板墻樁頂附近；

（2）邊坡整體呈現(xiàn)一個從基底發(fā)生并延伸至地面的圓弧剪切滑動面；

（3）樁板墻樁身水平位移隨著樁體深度增加而減小，樁身最大水平位移出現(xiàn)在樁頂，樁最大樁身水平位移為-43.93mm；

（4）邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.34，高壓鐵塔位置處位移為-14.60mm。

3.3 方案比選分析

不同設(shè)計方案下樁身水平位移對比見圖5。

圖5 不同設(shè)計方案下樁身水平位移對比

由圖5可知：

（1）兩種方案樁身水平位移都隨著樁體深度的增加而減小，且樁身最大水平位移均出現(xiàn)在樁頂；

（2）對比前后樁樁身水平位移發(fā)現(xiàn)，后樁樁身水平位移大于前樁，在支擋體系中承擔主要作用，且由于連梁的存在，使得前后樁頂附近的位移被有效的約束；

（3）對比兩種方案的樁身水平位移可以發(fā)現(xiàn)，椅式樁板墻支擋效果較好，樁身整體水平位移較單一樁板墻方案減小72.55%。故椅式樁板墻的支擋效果要優(yōu)于單一樁板墻。

4 結(jié)束語

本文依托具體工程，結(jié)合巖土分析軟件進行數(shù)值建模，對比分析了兩種設(shè)計方案的優(yōu)劣，得到結(jié)論如下：椅式樁板墻支擋方案的邊坡整體穩(wěn)定性比單一樁板墻支擋方案高；相較樁板墻收坡效果更好，邊坡整體水平位移及樁身水平位移更小；相較樁板墻支擋結(jié)構(gòu)對坡上高壓電塔影響更小，更能保障高壓電塔的安全穩(wěn)定性。

綜上所述，椅式樁板墻在受限路基的支擋中有著獨特的優(yōu)越性，其穩(wěn)定性更好，樁身內(nèi)力位移較小，有著較強的收坡功能，是一種較好的重型支擋結(jié)構(gòu)。