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

1、樁板式擋墻是由抗滑樁演變而來的一種支擋結構。我國在20世紀70年代首次應用于枝柳鐵路路塹邊坡中，接著在南昆鐵路等應用于路堤支擋，1992年和1993年分別形成了鐵路路塹、路堤通用圖式，樁板墻支擋技術應用逐漸廣泛。樁板墻是一種被動受力的支擋結構，依賴于錨固段地基土側向變形產生的抗力，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)，決定著錨固樁側向位移的發(fā)展趨勢，進而對路肩式樁板墻后的路基面工后沉降控制造成困難。當樁板墻應

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），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《鐵路路基支擋結構設計規(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，這一強度及位移控制標準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)控制設計方法及快速穩(wěn)定狀態(tài)對應的樁體側向位移閾值，具有重要的理論價值，也是亟待解決的關鍵技術問題。
　　在總結和分析已有樁板墻研究成果的基礎上，以錨固樁側向位移處于快速穩(wěn)定狀態(tài)為核心控制目標，針對貴廣、成渝高速鐵路共兩處路肩樁板墻典型工點，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，構建了基于快速穩(wěn)定變形狀態(tài)控制的樁板墻設計方法，提出了適用于高速鐵路無砟軌道路肩樁板墻錨固樁側向

4、位移控制閾值。主要工作和結論如下:
　　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
　　在對兩處典型工點長達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引起的墻背土壓力重分布，導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。土壓力合力作用點位置較三角形分布模式平均提高近55％。
　　當錨固樁剛度遠大于錨固段土體剛度時，樁體相

5、對于土體為剛性體，其側向位移形態(tài)表現(xiàn)為繞轉動中心向臨空面的整體轉動?，F(xiàn)場實測結果顯示，兩處工點錨固樁側向位移形態(tài)均符合剛性樁的位移特征。其中，貴廣工點測得的錨固樁轉角約1.1×10-3rad，相應的樁頂位移與懸臂段長度的比值約2.8‰;成渝工點得到的錨固樁轉角與貴廣工點基本一致，約為1.25×10-3rad和2.4‰。實測的兩處工點樁頂側向位移僅約為TB10025-2006《鐵路路基支擋結構設計規(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，樁體隨地基土的側向變形而發(fā)生側向位移，使墻后路堤產生跟隨性側向應變，引起路基面附加沉降?，F(xiàn)場實測結果表明:樁前地基土受到的樁體側向作用影響范圍與轉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
　　以貴廣工點樁板墻為原型，設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、，結果表明:受墻-土摩擦作用影響，在錨固樁轉角較小時，墻背土壓力變化不明顯，之后隨錨固樁轉角的增大，墻后土體抗剪強度發(fā)揮程度提高，墻背土壓力明顯減小，最終達到主動土壓力狀態(tài)。據(jù)此，可將擋墻由靜止達到主動土壓力狀態(tài)的過程劃分為三個階段:第一階段為墻-土摩擦作用主導階段，其結果是墻背土壓力變化不明顯，相應的錨固樁轉角閾值約(1～3)×10-4rad;第二階段為墻-土摩擦作用保持不變后，墻后土體強度逐漸發(fā)揮的主導階段，其結果是墻背土壓力明顯減

8、小;第三階段為墻后土體內摩擦角達到極限狀態(tài)，進入主動土壓力狀態(tài)，相應的轉角閾值約(5～20)×10-4rad。
　　隨樁前地基強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。模型試驗結果顯示，隨樁前地基強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。
　　離心模型試驗結果表明，樁頂位移速率v（t)隨時間t的變化趨勢（時間效應）符合負冪函數(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→∞)的關系曲線分析，將“p-s”曲線最大曲率點作為變形狀態(tài)轉變的判別標準，從而得到了錨固樁側向位移處于快速穩(wěn)定狀態(tài)下的轉角閾值約為8.7×10-4rad，此時懸臂段墻背土壓力已進入主動狀態(tài)。
　　3)基于樁前地基土變形狀態(tài)控制的樁板墻設計方法
　　借用飽和粉質黏土在不同偏應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

10、力作為大主應力，豎向（自重）應力作為小主應力，利用樁前地基土變形狀態(tài)強度參數(shù)得到與快速穩(wěn)定狀態(tài)相對應的地基變形狀態(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，構建了適用于高速鐵路無砟軌道條件下的路肩樁板墻側向位移狀態(tài)控制設計方法。
　　針對不同c、ψ值粉質黏土的計算分析，結果表明:σp1狀態(tài)所對應的錨固樁轉角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