高速鐵路無砟軌道路肩樁板墻側(cè)向位移特征及狀態(tài)控制設(shè)計方法研究.pdf

1、樁板式擋墻是由抗滑樁演變而來的一種支擋結(jié)構(gòu)。我國在20世紀(jì)70年代首次應(yīng)用于枝柳鐵路路塹邊坡中，接著在南昆鐵路等應(yīng)用于路堤支擋，1992年和1993年分別形成了鐵路路塹、路堤通用圖式，樁板墻支擋技術(shù)應(yīng)用逐漸廣泛。樁板墻是一種被動受力的支擋結(jié)構(gòu)，依賴于錨固段地基土側(cè)向變形產(chǎn)生的抗力，以平衡墻背土壓力。因此，墻背荷載水平影響著錨固段地基土的變形狀態(tài)，決定著錨固樁側(cè)向位移的發(fā)展趨勢，進(jìn)而對路肩式樁板墻后的路基面工后沉降控制造成困難。當(dāng)樁板墻應(yīng)

2、用于高速鐵路無砟軌道路堤支擋時，要求錨固段地基土的變形處于快速穩(wěn)定狀態(tài)（變形無時間效應(yīng)），以控制路基的附加沉降，滿足無砟軌道在少維修條件下的平順性要求。我國TB10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:樁板墻地面以下錨固段長度1/3處的樁前抗力應(yīng)不大于地基土橫向允許承載力[σH]，并要求樁頂位移小于懸臂段長度的1％，且不宜超過100mm，這一強(qiáng)度及位移控制標(biāo)準(zhǔn)對無砟軌道條件下高速鐵路的適用性尚待推敲。因此，研究適用于高速鐵路

3、無砟軌道的樁板墻變形狀態(tài)控制設(shè)計方法及快速穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的樁體側(cè)向位移閾值，具有重要的理論價值，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　在總結(jié)和分析已有樁板墻研究成果的基礎(chǔ)上，以錨固樁側(cè)向位移處于快速穩(wěn)定狀態(tài)為核心控制目標(biāo)，針對貴廣、成渝高速鐵路共兩處路肩樁板墻典型工點(diǎn)，開展了無砟軌道條件下路肩樁板墻受力與變形特性的現(xiàn)場測試、土工離心模型試驗，構(gòu)建了基于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)控制的樁板墻設(shè)計方法，提出了適用于高速鐵路無砟軌道路肩樁板墻錨固樁側(cè)向

4、位移控制閾值。主要工作和結(jié)論如下:
　　1)高速鐵路無砟軌道路肩樁板墻受力與變形特性的現(xiàn)場試驗分析
　　在對兩處典型工點(diǎn)長達(dá)33個月的監(jiān)測后，通過對測試數(shù)據(jù)的分析表明:由于基底摩擦作用及土拱效應(yīng)引起的墻背土壓力重分布，導(dǎo)致位于地面附近的墻背土壓力大幅減小，土壓力最大值位于擋墻中部，從而使墻背土壓力表現(xiàn)出非線性分布特征。土壓力合力作用點(diǎn)位置較三角形分布模式平均提高近55％。
　　當(dāng)錨固樁剛度遠(yuǎn)大于錨固段土體剛度時，樁體相

5、對于土體為剛性體，其側(cè)向位移形態(tài)表現(xiàn)為繞轉(zhuǎn)動中心向臨空面的整體轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果顯示，兩處工點(diǎn)錨固樁側(cè)向位移形態(tài)均符合剛性樁的位移特征。其中，貴廣工點(diǎn)測得的錨固樁轉(zhuǎn)角約1.1×10-3rad，相應(yīng)的樁頂位移與懸臂段長度的比值約2.8‰;成渝工點(diǎn)得到的錨固樁轉(zhuǎn)角與貴廣工點(diǎn)基本一致，約為1.25×10-3rad和2.4‰。實(shí)測的兩處工點(diǎn)樁頂側(cè)向位移僅約為TB10025-2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中“樁頂位移不超過懸臂段長度1％”這

6、一限值的30％。
　　在墻背荷載作用下，樁體隨地基土的側(cè)向變形而發(fā)生側(cè)向位移，使墻后路堤產(chǎn)生跟隨性側(cè)向應(yīng)變，引起路基面附加沉降?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明:樁前地基土受到的樁體側(cè)向作用影響范圍與轉(zhuǎn)動中心以上地層的朗金被動區(qū)一致;路基面受到的樁體側(cè)向位移影響范圍則與懸臂段土層朗金主動區(qū)域接近。
　　2)基于土工離心模型試驗的樁板墻受力與變形特性分析
　　以貴廣工點(diǎn)樁板墻為原型，設(shè)計了不同樁前地基條件以及懸臂段高度共九組離心模型試驗

7、，結(jié)果表明:受墻-土摩擦作用影響，在錨固樁轉(zhuǎn)角較小時，墻背土壓力變化不明顯，之后隨錨固樁轉(zhuǎn)角的增大，墻后土體抗剪強(qiáng)度發(fā)揮程度提高，墻背土壓力明顯減小，最終達(dá)到主動土壓力狀態(tài)。據(jù)此，可將擋墻由靜止達(dá)到主動土壓力狀態(tài)的過程劃分為三個階段:第一階段為墻-土摩擦作用主導(dǎo)階段，其結(jié)果是墻背土壓力變化不明顯，相應(yīng)的錨固樁轉(zhuǎn)角閾值約(1～3)×10-4rad;第二階段為墻-土摩擦作用保持不變后，墻后土體強(qiáng)度逐漸發(fā)揮的主導(dǎo)階段，其結(jié)果是墻背土壓力明顯減

8、小;第三階段為墻后土體內(nèi)摩擦角達(dá)到極限狀態(tài)，進(jìn)入主動土壓力狀態(tài)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角閾值約(5～20)×10-4rad。
　　隨樁前地基強(qiáng)度的降低或荷載水平的提高，樁前地基塑性區(qū)范圍加大，引起最大土抗力作用位置下移。模型試驗結(jié)果顯示，隨樁前地基強(qiáng)度的降低或荷載水平的提高，最大土抗力作用位置由錨固段長度的0.16倍下移至0.33倍。
　　離心模型試驗結(jié)果表明，樁頂位移速率v（t)隨時間t的變化趨勢（時間效應(yīng)）符合負(fù)冪函數(shù)的規(guī)律，即v(t

9、)=a(t+b)-p。通過對冪次p值與樁頂位移s(t→∞)的關(guān)系曲線分析，將“p-s”曲線最大曲率點(diǎn)作為變形狀態(tài)轉(zhuǎn)變的判別標(biāo)準(zhǔn)，從而得到了錨固樁側(cè)向位移處于快速穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角閾值約為8.7×10-4rad，此時懸臂段墻背土壓力已進(jìn)入主動狀態(tài)。
　　3)基于樁前地基土變形狀態(tài)控制的樁板墻設(shè)計方法
　　借用飽和粉質(zhì)黏土在不同偏應(yīng)力水平下的三軸試驗研究成果，根據(jù)樁板墻的受力模式，以墻背主動土壓力作為荷載條件、樁前地基中的水平向應(yīng)

10、力作為大主應(yīng)力，豎向（自重）應(yīng)力作為小主應(yīng)力，利用樁前地基土變形狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)得到與快速穩(wěn)定狀態(tài)相對應(yīng)的地基變形狀態(tài)橫向承載力σp1，以樁前地面以下錨固段長度1/3處的地基抗力σy≤σp1為控制原則，構(gòu)建了適用于高速鐵路無砟軌道條件下的路肩樁板墻側(cè)向位移狀態(tài)控制設(shè)計方法。
　　針對不同c、ψ值粉質(zhì)黏土的計算分析，結(jié)果表明:σp1狀態(tài)所對應(yīng)的錨固樁轉(zhuǎn)角φ隨樁前地基土c、ψ值變化幅度較小，平均值約1×10-3rad。對于一般狀態(tài)下的粉質(zhì)