高速铁路路基加筋土挡土墙设计与应用研究

2015-03-17孙宏伟吴连海焦瑞玲

铁道勘察 2015年3期

关键词：检算土工挡土墙

孙宏伟　吴连海　焦瑞玲

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Design and Application Research of Reinforced Soil Retaining Wall Used in High Speed Railway

SUN Hongwei　WU Lianhai　JIAO Ruiling

高速铁路路基加筋土挡土墙设计与应用研究

孙宏伟吴连海焦瑞玲

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Design and Application Research of Reinforced Soil Retaining Wall Used in High Speed Railway

SUN HongweiWU LianhaiJIAO Ruiling

摘要介绍铁路路基加筋土挡土墙内、外部稳定性分析方法，以首个应用于某高速铁路路基的加筋土挡土墙工程为例，系统阐述高速铁路路基加筋土挡土墙计算分析方法、结构设计、测试实验和重点考虑的问题及对策。

关键词加筋土挡土墙稳定性分析方法高速铁路计算分析方法

加筋土挡土墙是由墙面板、拉筋、填料三部分共同组成的复合结构物，它依靠填料与拉筋之间的摩擦力作用，平衡填料作用于墙面上的水平土压力，使之形成整体，抵抗其后部填料产生的土压力，具有良好的抗震性和长期稳定性。土工格栅加筋土挡墙的工后沉降和水平位移能否满足高速铁路的运营要求，在列车荷载作用下结构的变形行为和稳定性能否满足高速行车的安全性和舒适性标准是设计、建设单位普遍关心的问题，也是土工格栅加筋土挡墙在高速铁路工程应用中需要解决的关键科学问题。

1工程概况

某铁路客运专线为有砟轨道，设计时速250 km。其中DK315+885～DK316+180段位于某城市内，地处冲洪积平原，场地周围为农田以及居民住宅，地势开阔平坦，起伏较小，路堤最大边坡高10.9 m。为减少用地，两侧需设置挡土墙收坡，挡墙高度约9~10 m。

地层岩性：表层素填土，厚0～1.0 m，黄褐色，松散，稍湿—潮湿，含少量植物根系；其下粉土，厚0～3.1 m，灰褐色、黄褐色，松散—密实，稍湿—潮湿，含少量铁锰质化合物，σ0=140 kPa；粉质黏土，厚0～5.3 m，灰黑色、黄褐色，软塑—硬塑，含少量铁锰质化合物，σ0=160 kPa；局部淤泥质黏土，厚0～1.0 m，灰黑色，流塑，为软土层，γ=17.3 kN/m3，C=9 kPa，φ=2.5°，σ0=60 kPa；下覆片麻状含磁铁矿二长花岗岩，黄褐色、青灰色，主要成分为石英、长石，含少量暗色矿物，全风化σ0=300 kPa，强风化σ0=600 kPa，弱风化σ0=1 200 kPa。

地下水类型为基岩裂隙水，地震动峰值加速度0.05g。

2设计方案比选

保证路堤边坡稳定的措施一般有按照稳定坡率放坡设计、设支挡结构加固并收坡等。本段工程采用三种方案作为比选。方案一：不设支挡结构，两侧路基按照放坡设计，一级边坡坡率1∶1.5，边坡采用混凝土拱形骨架护坡防护，地基采用CFG桩加固；方案二(如图1)：两侧设扶壁式挡土墙作为支挡结构收坡，墙高10.0 m，地基采用CFG桩加固；方案三(如图2)：两侧设加筋土挡土墙作为支挡结构收坡，墙高10.0 m，地基采用CFG桩加固。设计方案对照如表1。

图1　扶壁式挡墙收坡与放坡方案对照

综上，方案一放坡方案施工简单，但由于路基填方较高，两侧用地大幅增加，同时，土方、防护地基处理费用也较高；方案二采用扶壁式挡土墙收坡方案施工难度一般，用地、土方节省明显，但挡土墙圬工量较大，费用最高；方案三采用加筋土挡土墙收坡方案施工较复杂，但节省了用地和土石方，挡墙圬工也较小，费用相对扶壁墙方案降低64%，相对放坡方案降低46%。因此，方案三无论从节省用地，工程造价上都是最优的。根据方案比选结果以及墙面美观效果，本段路基两侧选用模块式加筋土挡土墙作为支挡结构收坡(方案三)。

图2　加筋土挡墙收坡与放坡方案对照

设计方案防护、支挡工程圬工方/m3格栅/m2用地增量/亩土方增量/m3地基处理增量/m费用估算/万元方案一:放坡36032950030145115580301728方案二:扶壁式挡土墙收坡1762301588500316532650方案三:加筋土挡土墙收坡2620160000158850031653946

3加筋土挡墙设计与稳定性检算

3.1　稳定性分析方法

加筋土挡墙应进行外部稳定性和内部稳定性分析检算。外部稳定性与地基土和挡墙整体等有关，包括抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、基底合理偏心距、地基承载能力等。检算关键是墙后土压力的计算和墙体与地基摩擦系数的正确取值，土压力计算可以采用朗肯或库仑土压力公式，基底摩擦系数可根据现场试验或有关规范取值。

内部稳定是指加筋土挡墙内部的筋材拉力与挡板所受土压力之间保持平衡状态(包括筋材强度、抗拔稳定性、面板结构等)；内部稳定影响因素：墙面坡率、填土高度、填料性质，拉筋设计等。加筋土挡墙内部稳定分析目前应用的计算方法有：库仑合力法、库仑力矩法、正应力均匀分布法、正应力梯形分布法、正应力梅氏分布法、阿斯曼能量法和各种半经验半理论法等。

3.2　结构形式选用及格栅初步设计

为与墙后每层填土碾压厚度协调，单个模块高度采用0.3 m。根据类似工程经验，拉筋初步采用高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅，根据规范要求，格栅长度不得小于墙高的0.6倍。考虑本线为高速铁路，列车动荷载较大，又位于站场范围内，路基面股道较多，为使路基水平受力均匀，设计初步采用格栅长8.0～10.0 m，铺设间距0.3～0.6 m，模块与格栅之间采用连接棒或连接件连接。

3.3　外部稳定性检算

加筋土挡墙的外部稳定分析可将加筋体视为实体墙，并满足重力式挡墙稳定性相关要求。经检算，挡土墙抗滑移、抗倾覆安全系数均满足规范要求(抗滑移安全系数不小于1.3，抗倾覆安全系数不小于1.5)，但基底压力超过地基承载力，需进行地基处理(见表2)。

表2　挡墙外部稳定检算

3.4　内部稳定性检算

加筋土挡墙内部稳定性检算包括格栅拉力检算以及格栅抗拔力检算。内部稳定性检算时格栅锚固区与非锚固区分界采用0.3H分界线，如图3所示。

图3　拉筋锚固区与非锚固区分界线示意

经检算，当全部采用高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅HDPE130时，第1～3层格栅抗拉强度不足，后此3层格栅改为高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅HDPE170，满足强度要求(见图4)。

图4　拉力检算示意

经检算，各层格栅单板抗拔稳定系数满足要求(见图5)；全墙抗拔稳定系数无荷载时为43.7，有荷载时为39.8，全墙抗拔稳定均满足强度要求，各层格栅单板抗拔稳定系数满足要求。

图5　抗拔稳定检算示意

4加筋土挡墙结构设计

4.1　模块设计

高速铁路对路基变形要求严格，铁路列车静、动荷载较大，传统形式墙面模块水平位移较大，往往难以满足铁路路基变形要求。模块顶面、底面、预留插接孔，插接孔的位置根据墙面设计坡率而定，模块砌筑施工时，于孔内插接钢筋或高强塑料棒，该钢筋或高强塑料棒同时穿过土工格栅相邻肋条之间，并用水泥砂浆封孔，格栅上部用不锈钢压条压紧，以增强上下层模块之间的连接和摩擦阻力，使墙面各层模块有效结合成一个整体，从而大大限制墙面模块的水平变形，满足铁路路基变形要求。

传统形式墙面模块形式较为单一，呆板，尤其当其应用于铁路站场、城市内及其附近时，不够美观，设计采用新型波浪形加筋模块，模块临空外表面为水平或竖向波浪形，相邻以及上下层模块波浪形式对应衔接，模块外表面可涂刷成不同颜色、图案，从而提高加筋土挡土墙墙面的整体美观效果(如图6)。

注：R—模块临空表面波浪曲率半径图6　加筋模块设计示意

4.2　格栅设计

(1)根据稳定性检算结果，自下而上1～3层格栅型号为高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅HDPE 170单向格栅，长8.0 m，层间距0.3 m；考虑上部路基距离列车荷载较近，受列车动应力影响较大，第19～27层格栅适当延长至第二股道内侧，格栅10.5 m，层间距0.3 m。

(2)为保证格栅与模块高度连接，于模块内预埋土工格栅(采用高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅HDPE 170)。格栅预埋在模块内的长度不小于一个主肋，且主肋内侧(近墙角侧)长度不小于4.5 cm，外侧(近填土侧)不小于15 cm，模块外须留整肋条且不少于2个主肋的长度。用连接棒将格栅与模块预埋格栅连接。

(3)当路基左右两侧加筋挡土墙拉筋带发生重叠时，应将左右两侧挡墙拉筋沿竖向交错分层铺设。

4.3　地基加固

原始地基承载力不能满足挡墙基底压应力要求，同时经检算基沉降也不能满足轨道变形要求时，应对地基进行加固处理。路基基底采用CFG桩加固，桩径0.4 m，桩间距1.8 m，正方形布置。桩顶设置钢筋混凝土桩帽，桩帽顶设置碎石垫层，垫层内夹铺一层高强土工格栅。处理后挡土墙下复合地基承载力满足挡墙承载力要求，同时基底沉降变形也满足要求。

5施工及质量控制要点

5.1　格栅铺设

(1)采用张拉梁将格栅拉紧，自由端用U形钉或木楔将格栅固定于地面，然后放开张拉梁。

(2)施工机械的履带与格栅之间保持15 cm厚的填土层。

(3)填土施工的大型机械设备应与挡墙墙面保持一定距离，避免对墙面造成破坏。

5.2　路基填筑

两道土工格栅间的加筋土填料应分层碾压，基床以下填料压实标准按基床底层压实标准执行。压实后填料顶面平整，高差不大于0.10 m。在距模块挡墙2.0 m内应用小型震动碾压机械碾压，小型震动碾总质量不大于1 t。每次填铺、压实后的厚度为0.2～0.3 m，并且保证在填土上至少已砌好三道模块。

5.3　原材料验收

高密度聚乙烯单向土工格栅拉筋的抗拉强度必须符合设计要求，在进货时应分批查验其合格证和材料性能报告单，并抽样做强度实验，不合格产品严禁使用。

6加筋土挡墙应力及变形试验测试

由于挡墙高度较高，为研究高速铁路应用加筋土挡墙受力状态及变形行为，掌握土工格栅加筋土挡墙在自重荷载以及列车动荷载作用下的结构变形行为特征，在本段工程设置了若干沉降变形测试断面，在断面处加筋土挡墙不同深度和格栅不同位置布置了静土压力、动土压力盒、格栅应变计、动加速度计、垂直测斜仪等传感器元件，开展施工过程及完成后全面静态状况下加筋土挡墙各部位的应力应变监测。测试内容包括：土工格栅加筋土挡墙墙体顶面及地基沉降变形测试；沿墙体高度不同位置处加筋土挡墙水平变形测试；土工格栅拉筋应变沿筋长应变测试；加筋土挡墙基底应力大小及分布规律测试；加筋土结构中，墙面、墙体中部、加筋土体背部侧向土压力大小测试。

挡墙以及路基填筑施工完成后，在路基面顶部不同位置采用大型高速铁路列车激震器模拟高速列车震动，测试了多组加筋土挡墙各部位的动态应力和应变，取得了大量宝贵数据。经现场监测，铺轨完成半年后，挡墙工后沉降最大仅9 mm，且沉降变形趋势已趋于平缓，沉降已基本稳定；土工格栅最大累积变形仅为1.5 mm，平均累积变形量仅为0.2 mm，且变形趋势已趋于平缓，变形已基本稳定；墙面最大累积倾角变化量为0.05°，且变形趋势已趋于平缓，变形已基本稳定。

7结论

工程实施后效果良好，墙面美观大方，位移变形可控。理论分析和试验结果说明在松土地基上修建轻型、柔性的加筋土挡墙在技术上是合理和可行的，在经济上可大幅度地降低工程造价。通过模块加筋设计以及格栅合理布设，加筋土挡墙可以满足高速铁路有砟轨道路基沉降变形要求，而加筋土挡土墙施工工艺、施工质量则是保证工程安全可靠的根本。

目前高速铁路列车荷载作用下挡墙结构的变形行为、土工格栅在高速列车荷载作用下的结构变形行为尚不明确。本工程设置了多处挡墙变形以及格栅应力监测断面，在后续工作中将结合监测数据开展加筋土挡墙结构行为研究。

参考文献

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中图分类号：U238； U213.1+5

文献标识码：A