樁墻復合結構在順層巖質邊坡治理中的應用與研究

代云山

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 工程概況

新建鐵路合福線合肥至福州段,由合肥樞紐合肥南站引出至福州樞紐福州站,正線全長809.919 km。沿線經過沖積平原、河流階地、丘陵及中低山區等多種地貌單元,涉及巖漿巖、沉積巖、變質巖等多套地層,地質構造錯綜復雜,給沿線的邊坡治理工作帶來很大的難處,順層巖質邊坡的治理則為重中之重。

2 支擋防護措施的選取

以DK274+450～DK274+560為例,對其支擋防護措施的選取進行論述。

2.1 順層巖質邊坡工程性質特征

(1)順層性質的判斷

線路于該段以路塹形式通過,測區內涉及巖性為鈣質頁巖。通過現場地質測繪調查,該地層風化嚴重,抗風化能力較弱,節理裂隙發育,巖質較為軟弱。得其巖層產狀為155°∠31°,線路走向239°,路基橫斷面走向329°,換算為視傾角30.1°,路基右側挖方邊坡存在順層,邊坡開挖時,巖土體具有沿巖層面滑動的危險[1]。

(2)物理力學指標

地層地基系數及物理力學指標的試驗數據見表1。

表1 地層地基系數及物理力學指標

(3)推力計算

斜坡推力可采用傳遞系數法按下式[2]計算

Ti=KWisinαi+ψTi-1-Wicosαitanφi-ciLi

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

計算的斜坡推力為：T=673 kN/m

經過對測區內鈣質頁巖工程地質性質特征的了解,得知其巖體較為破碎,斜坡推力較大,工程性質較差。

2.2 樁墻復合結構的性質特征

抗滑樁和擋墻是治理順層邊坡的主要工程措施,單獨使用則各有弊端。抗滑樁工程造價較高,密集的樁體分布無法達到很好的經濟效果；而擋墻則無法起到較好的穩定抗滑作用。

結合兩者優缺點,利用樁墻復合結構,則可以很好滿足工程需求。抗滑樁起主要的抗滑作用,承擔巖土體的剩余推力；擋墻既可以起到邊坡防護——防止樁間土沖刷、流失的作用,又可以承擔抗滑樁壓力拱范圍巖土體壓力。

在順層巖質邊坡治理中,樁墻復合結構既可以起到穩定防護邊坡的作用,又節約了工程成本,是一種很好的支擋組合結構,因此,本工點采用該結構進行支擋防護。

3 復合結構設計

3.1 抗滑樁設計

根據斜坡推力及巖土體性質特征,共布置抗滑樁6根,樁間距9 m,樁截面尺寸a×b=2.25 m×1.75 m,樁長h=14 m,其中受荷段h1=7 m,錨固段h2=7 m,采用C30混凝土,E=30×106kPa/m。

(1)樁的剛度

變形系數

計算深度[3]

β×h=0.23×7=1.64>1

因此,按彈性樁進行設計,樁底邊界條件為自由端。

(2)內力計算

單樁承受水平推力TH=T×9=673×9=6 057.01 kN,樁前無剩余抗力,則滑面處Q0=TH=6 057.01 kN,M0=TH×h1/2=21 199.53 kN·M。抗滑樁的剪力彎矩見圖1。

圖1 抗滑樁剪力彎矩

(3)強度校核

最大側應力σmax=2 720.92 kPa(見圖2),而KH×η×Rc=0.5×0.3×28×103=4 200 kPa>σmax,滿足要求。

圖2 抗滑樁受力及側應力

(4)結構設計

界面尺寸a×b=2 250 mm×1 750 mm,M=1.4Mh=33 981.63 kN·m,混凝土強度等級C30,鋼筋采用HRB335級鋼筋,即Ⅱ級鋼筋。

計算鋼筋截面積：鋼筋保護層厚度100 mm,截面的有效高度h0=2 250-110=2 140 mm,由混凝土及鋼筋等級得：fc=14.3 N/mm2,ft=1.43 N/mm2,fy=300 N/mm2,混凝土受壓區等效矩形應力系數α1=1.0,β1=0.8,相對界限受壓區高度[4]

ξb=0.55,

滿足要求。

配筋：①主筋：22φ36,L1=1 380.0 cm；22φ36,L2=1 092.0 cm；22N3φ36,L3=922.0 cm。As=67 181.4 mm2。②箍筋采用雙肢φ=16。③構造鋼筋：樁體兩側及受壓側采用19φ16。

適用條件驗算

3.2 擋墻設計

樁間采用C25混凝土路塹擋墻進行支擋防護。擋墻頂部與抗滑樁頂持平,擋墻基底埋入路塹側溝平臺以下不小于1.2 m深度。下面以墻高H=8 m,墻頂寬b=2 m擋墻為例進行設計。

(1)設計參數

墻后巖體重度γ=22 kN/m3,巖體外傾結構面傾角θ=32.9°,巖體外傾結構面黏聚力Cs=10 kPa,巖體外傾結構面內摩擦角φs=25°,巖石與墻背的摩擦角δ=12°,巖石對基底的摩擦系數μ=0.6,擋墻(C25混凝土)每延米自重G=400 kN/m,擋墻基底傾角11.31°,墻背傾角16.7°。

(2)擋墻設計

巖石側壓力系數采用下式計算[5]

式中α——擋墻背于水平面夾角/(°)；

β——開挖邊坡坡面與水平面夾角/(°)；

φd——等效內摩擦角/(°)。

主動巖石側壓力采用下式計算

(3)穩定性檢算

擋墻沿基底的抗滑穩定性系數按下式檢算[3]

滿足要求。

擋墻抗傾覆穩定性系數按下式計算

滿足要求。

樁墻復合結構設計圖見圖3。

圖3 樁墻復合結構設計

(4)構造設計

路塹擋墻基礎埋深應在路肩或側溝平臺以下不小于1.2 m,并低于側溝砌體底面不小于0.2 m。

樁墻銜接處以及墻身沿線路方向每隔10～20 m,結合墻高及地層變化設置寬0.02 m的伸縮縫或沉降縫一道。縫內沿墻頂、內、外三邊填塞瀝青麻筋,深度不小于0.2 m。

墻身于側溝平臺以上部分每隔2～3 m上、下、左、右交錯設置φ=0.1 m的PVC管泄水孔,其排水坡不少于4%。

最低排泄水孔下部及墻頂以下0.5 m高的范圍內設袋裝砂夾礫石反濾層,厚0.3 m。反濾層最低處設隔水層,隔水層應采用混凝土與擋墻墻身同時澆筑。

4 結束語

樁墻復核結構可以發揮抗滑樁及擋墻各自的優勢,起到很好的抗滑支擋效果。順層巖質邊坡的工程力學性質是復合結構設計至關重要的因素,不同地層巖性的工程力學性質差別較大,給各種檢算的結果帶來很大影響。另外,順層邊坡開挖時有很大的滑動危險,宜采用速凝或早強混凝土,樁身強度達到設計強度后,再間隔或分層開挖樁前土體。

[1] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社,2005

[2] TB10025—2001，鐵路路基支擋結構設計規范[S]

[3] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1992

[4] 江見鯨,等.混凝土結構設計原理[M].北京：中國建筑工業出版社,2002

[5] GB50007—2002，建筑邊坡工程技術規范[S]．