CN106120850A - 一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法，以有效解决了桩板式挡土墙传统设计方法中无法考虑的桩身锚固段地基土层侧向变形时间效应的控制问题。按如下步骤进行：通过地勘手段获得设计工点地基土层的原状土样，进行室内三轴试验测得土样的强度指标c和同时进行室内长期三轴试验测得快速稳定状态对应的状态阈值参数λ；根据所得状态阈值参数λ计算得到桩前地基土的状态强度参数c¹和根据所得状态强度参数计算得到桩前地基土变形状态的横向承载力σ_p ¹；按传统的锚固桩设计计算方法拟定锚固桩截面尺寸与锚固段长度，计算锚固桩对桩前地基土的侧压力σ_y；比较地面以下1/3锚固段长度处的σ_y与σ_p；进行锚固桩的配筋设计，完成设计流程。

Description

一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法。属岩土工程支挡结构设计技术领域。

背景技术

桩板式挡土墙是利用锚固于地基中的锚固段提供抗滑力抵抗填土的侧压力，其主要优点在于墙高不受一般挡墙的高度限制，悬臂段可高达15m，地基承载力的不足可通过锚固段的埋深得以补偿。但是，当锚固桩悬臂段较长时，桩体锚固段微小的侧向变形就会在桩顶处被放大，若墙后土体与挡墙发生协调变形，则挡墙的侧向变形势必会引起路堤的附加沉降。当桩板墙应用于高速铁路无砟轨道路堤支挡时，要求锚固段地基土的变形处于快速稳定状态(变形无时间效应)，控制路基的附加沉降，以满足无砟轨道在少维修条件下的平顺性要求。我国TB10025-2006《铁路路基支挡结构设计规范》规定：桩板墙地面以下锚固段长度1/3处的桩前抗力应不大于地基土横向允许承载力[σ_H]，并要求桩顶侧向位移小于悬臂段长度的1％，且不宜超过100mm。这一强度及位移控制标准与锚固段地基土的变形状态要求——“快速稳定”状态并不匹配，难以适应无砟轨道条件下高速铁路的要求。因此，研究适用于高速铁路无砟轨道基于变形状态控制的桩板式挡土墙设计方法，是高速铁路路基工程建设亟待解决的关键技术问题。

发明专利内容

本发明专利的主要目的是提供一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法，以有效解决了桩板式挡土墙传统设计方法中无法考虑的桩身锚固段地基土层侧向变形时间效应的控制问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法，按如下步骤进行：

(1)通过地勘手段获得设计工点地基土层的原状土样，进行室内三轴试验测得土样的强度指标c和同时进行室内长期三轴试验测得快速稳定状态对应的状态阈值参数λ，无条件进行室内长期三轴试验时λ取15％；

(2)根据所得状态阈值参数λ计算得到桩前地基土的状态强度参数c¹和计算公式为：

式中—地基土处于第一状态时的状态强度参数，内摩擦角，°；

c¹—地基土处于第一状态时的状态强度参数，黏聚力，kPa；

—地基土实际强度参数，内摩擦角，°；

c—地基土实际强度参数，黏聚力，kPa；

λ₁—处于第一状态时的状态阈值参数；

(3)根据所得状态强度参数计算得到桩前地基土变形状态的横向承载力σ_p ¹，计算公式为：

式中σ_p ¹—地基土处于第一状态时的横向承载力，kPa；

γ—地基土的重度，kN/m³；

y—距地表深度，m；

(4)按传统的锚固桩设计计算方法拟定锚固桩截面尺寸与锚固段长度，计算锚固桩对桩前地基土的侧压力σ_y；

(5)比较地面以下1/3锚固段长度处的σ_y与σ_p ¹，若σ_y≤σ_p ¹表明桩前地基土在锚固桩的作用下不会出现有时间效应的变形，可以进行下一步设计计算；若σ_y>σ_p ¹时则需调整桩间距或桩的截面尺寸等参数重新计算，直至满足σ_y≤σ_p ¹；

(6)进行锚固桩的配筋设计，完成设计流程。

本发明的有益效果是，从控制桩前地基土层有时间效应的侧向变形出发，构建新型的桩板墙设计方法，克服了传统设计方法的缺点，可以满足高速铁路无砟轨道的要求。

附图说明

图1是变形状态强度参数计算简图；

图2是工点横断面图；

图3是锚固桩对地基土侧应力分布图；

图4－1是锚固段剪力分布图；

图4－2是锚固段弯矩分布图；

图5是桩前地基土侧应力σ_y与变形状态承载力图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明专利作进一步的详细说明。

当高速铁路无砟轨道通过斜坡地基时，常在下坡一侧修建支挡结构，桩板墙是最为常用的选择之一。但是，高速铁路无砟轨道对路基工后沉降值要求极其严格，即要求路基在自重作用及列车荷载作用下的沉降变形没有时间效应。因此，要求桩板墙不能产生有时间效应的侧向变形。传统的桩板墙设计方法是以保证支挡结构稳定为核心目的，并未控制结构是否会出现有时间效应的侧向变形。这将为高速铁路无砟轨道路基的工后沉降控制带来隐患。本发明专利从控制桩前地基土层有时间效应的侧向变形出发，构建新型的桩板墙设计方法，克服了传统设计方法的缺点，满足高速铁路无砟轨道的要求。

控制无砟轨道桩板式挡土墙的侧向变形时间效应的关键在于控制桩体锚固地段地基土层所受桩体的侧向压力不能超过土层本身“快速稳定”状态所对应的荷载水平阈值，这一阈值可以用极限荷载水平(最大荷载水平)的百分比来表达。针对设计工点，通过地勘手段获得工点地基土层的原状土样，进行室内三轴试验测得土样的强度指标，进行室内长期三轴试验测得“快速稳定”状态对应的状态阈值参数λ，大量的实测表明细粒土的“快速稳定”状态对应的状态阈值参数λ一般为15％，即桩身锚固段作用在土层的侧向压力不超过土层侧向极限承载力(最大侧向荷载水平)的15％时，地基土层的侧向变形处于快速稳定状态，不具有时间效应，满足高速铁路无砟轨道的要求。根据所得状态阈值参数λ计算得到桩前地基土的状态强度参数c¹和土体变形状态强度参数的确定是根据摩尔-库仑准则，对极限荷载按荷载水平阈值λ进行折减，从而得到与荷载水平阈值相对应的土体变形状态的强度参数c¹和计算简图如图1所示。

图1中，实线表示摩尔-库仑抗剪强度线，虚线表示按荷载水平折减后的土体变形状态强度线，由几何关系，可推导出土体变形状态的强度参数c¹和

由上述公式可以变换得到公式：

根据所得状态强度参数c¹和计算得到桩前地基土变形状态的横向承载力σ_p ¹，计算公式为

再按传统的锚固桩设计计算方法拟定锚固桩截面尺寸与锚固段长度，计算锚固桩对桩前地基土的侧压力σ_y。比较地面以下1/3锚固段长度处(该处桩体给予地基土层的侧向压力最大)的σ_y与σ_p ¹。若σ_y≤σ_p ¹段表明桩前地基土在锚固桩的作用下不会出现有时间效应的变形，可以进行下一步设计计算；若σ_y>σ_p ¹时则需调整桩间距或桩的截面尺寸等参数重新计算，直至满足σ_y≤σ_p ¹。然后进行锚固桩的配筋设计完成设计流程。

根据以上推导，本发明的一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法，按如下步骤进行：

(1)通过地勘手段获得设计工点地基土层的原状土样，进行室内三轴试验测得土样的强度指标c和同时进行室内长期三轴试验测得快速稳定状态对应的状态阈值参数λ(指荷载作用下土样的变形很快稳定，不随时间延长而持续发展，即变形不具有时间效应)对应的状态阈值参数λ，无条件进行室内长期三轴试验时λ取15％，即土体承受荷载不超过最大荷载值的15％时其变形将处于快速稳定状态；

(2)根据所得状态阈值参数λ计算得到桩前地基土的状态强度参数c¹

和计算公式为：

式中—地基土处于第一状态时的状态强度参数，内摩擦角，°；

c¹—地基土处于第一状态时的状态强度参数，黏聚力，kPa；

—地基土实际强度参数，内摩擦角，°；

c—地基土实际强度参数，黏聚力，kPa；

λ₁—处于第一状态时的状态阈值参数；

(3)根据所得状态强度参数计算得到桩前地基土变形状态的横向承载力σ_p ¹，计算公式为：

式中σ_p ¹—地基土处于第一状态时的横向承载力，kPa；

γ—地基土的重度，kN/m³；

y—距地表深度，m；

(4)按传统的锚固桩设计计算方法拟定锚固桩截面尺寸与锚固段长度，计算锚固桩对桩前地基土的侧压力σ_y；

(5)比较地面以下1/3锚固段长度处的σ_y与σ_p ¹，若σ_y≤σ_p ¹表明桩前地基土在锚固桩的作用下不会出现有时间效应的变形，可以进行下一步设计计算；若σ_y>σ_p ¹时则需调整桩间距或桩的截面尺寸等参数重新计算，直至满足σ_y≤σ_p ¹；

(6)进行锚固桩的配筋设计，完成设计流程。

实施例

1、计算参数

某高速铁路无砟轨道工点，如图2所示。墙后填土为A、B组填料，容重γ₁＝23kN/m³，(综合内摩擦角)；在锚固桩锚固段范围内，地基土共有两层组成，第一层为粉质黏土，层厚h_2-1≈10m，天然容重γ_2-1＝18.7kN/m³，c₂＝40.3kPa，液性指数I_L＝0.1；第二层为强风化页岩，饱和状态，层厚h_2-2＝6m，按第一层土在0.95压实度下以及饱和状态下的参数取值，即γ_2-2＝19.8kN/m³，其力学参数与第一层土差异较小，为方便计算，该层土物理力学参数与第一层土取相同值，但地基系数随深度变化的比例系数m取值较第一层土可适当提高。初步拟定锚固桩悬臂段高度h₁＝8m，锚固段深度h₂＝16m。

桩前地基系数随深度变化的比例系数m按TB10023-1006《铁路路基支挡结构设计规范》取值，如表1所列。初步拟定锚固桩截面为长方形，宽B＝2m，截面高度3m，桩身为C35钢筋混凝土浇筑而成，抗弯刚度EI≈1.4×10⁸kN·m²，桩中心间距L＝5m。

表1地基系数随深度变化的比例系数m参考值

根据GB50021-2001《岩土工程勘察规范》(2009修订版)，地基粉质黏土液性指数0<I_L＝0.1≤0.25时，为硬塑状态，则地基系数随深度变化的比例系数m₁取值范围为2000～4200kN/m⁴，计算时取其平均值，则m₁＝3100kN/m⁴，对于强风化页岩，m较粉质黏土提高一档取值，即m₂取值范围为3000～7000kN/m⁴，计算时取其平均值，则m₂＝5000kN/m⁴。根据规范，锚固段h₂范围内土的换算m值为：

$\begin{array}{c}m=\frac{m_1{h}_{2-1}^2+m_2\left(2h_{2-1}+h_{2-2}\right)h_{2-2}}{h_2^2}=\frac{3100\&times;{10}^2+5000\&times;\left(2\&times;10+6\right)\&times;6}{{16}^2}\&ap;4258\\ kN/m^4\end{array}$

偏应力水平λ根据试验结果取0.15，根据公式可得c₂ ¹，如表2所列。

表2偏应力水平λ1对应的变形状态强度参数

2、计算过程与结果

a)墙背土压力

朗金主动土压力系数k_a1＝0.2，可得：

$E_1=E_a=\frac{1}{2}{\mathrm{\&gamma;}}_1{h}_1^2{k}_{a1}=0.5\&times;23\&times;8^2\&times;0.2=147.2kN/m$

b)刚性桩与弹性桩的判断

根据TB10023-1006《铁路路基支挡结构设计规范》，刚性桩与弹性桩的判断方法为：

式中：α—桩的变形系数，m^-1；

h—桩的锚固深度，m；

m—地基土水平抗力的比例系数，kN/m⁴；

B_p—桩的计算宽度，m；B_p＝B+1；

B—桩的宽度，m；

E—桩的弹性模量，kPa；

I—桩的截面惯性矩，m⁴。

则根据计算参数，可得：

$\mathrm{\&alpha;}=\sqrt[5]{\frac{{\mathrm{mB}}_p}{EI}}=\sqrt[5]{\frac{4258\&times;(2+1)}{1.4\&times;{10}^8}}=0.155m^{-1};$

αh₂＝0.155×16＝2.48<2.5，属刚性桩。

c)锚固桩内力计算

锚固桩的转动中心y0及锚固桩转角φ：

$y_0=\frac{h_2(9h_2+4h_1)}{6(h_1+2h_2)}=\frac{16\&times;(9\&times;16+4\&times;8)}{6\&times;(8+2\&times;16)}=11.7m;$

$\mathrm{\&phi;}=\frac{12E_{1}L(h_1+2h_2)}{B_p{\mathrm{mh}}_2^4}=\frac{12\&times;147.2\&times;5\&times;(8+2\&times;16)}{(2+1)\&times;4258\&times;{16}^4}=4.2\&times;{10}^{-4}rad.$

锚固段距地面y深度处锚固桩对地基土侧应力σ_y为：

σ_y＝my(y₀-y)φ＝4258×4.2×10^-4×(11.7-y)y＝21y-1.8y²

则锚固桩对地基土最大侧应力σ_ymax＝61.2kPa，相应的y＝5.8m，沿锚固段深度分布如图3所示。

锚固桩锚固段剪力及弯矩分布，如图4所示。

锚固段剪力Q_y：

$\begin{array}{c}{Q}_y=E_{1}L-\frac{1}{6}{B}_p{\mathrm{m\&phi;y}}^2\left(3y_0-2y\right)\\ =147.2\&times;5-3\&times;4258\&times;4.2\&times;{10}^{-4}\&times;y^2\left(3\&times;11.7-2y\right)/6\\ =736-31.4y^2+1.8y^3\end{array}$

锚固段弯矩M_y：

$\begin{array}{c}{M}_y=\frac{1}{3}{E}_1{\mathrm{Lh}}_1+E_{1}Ly-\frac{1}{12}{B}_p{\mathrm{m\&phi;y}}^3\left(2y_0-y\right)\\ =147.2\&times;5\&times;8/3+147.2\&times;5y-3\&times;4258\&times;4.2\&times;{10}^{-4}\&times;y^3\left(2\&times;11.7-y\right)/12\\ =1963+736y-10.5y^3+0.45y^4\end{array}$

计算得到的锚固段最大弯矩距地面的距离是5.8m。

d)桩前地基变形状态评价

距地面以下(1/3)h₂深度及h₂深度处锚固桩对地基侧应力σ_y，结果如表3所列，不同深度处的σ_p1与土侧应力σ_y沿锚固段深度的分布如图5所示。计算过程如下：

y＝1/3h₂深度处的[σ_H ⁱ]；

y＝h₂深度处的[σ_H ⁱ]；

表3地基侧应力σy 单位：kPa

由表3及图5可知，计算得到的距地面以下锚固桩各深度处桩侧土应力σy小于该深度处快速稳定状态下的地基土横向承载力σp1，因此可认为所拟桩的尺寸合理，墙桩前地基土变形处于快速稳定状态。再按桩身强度控制要求进行配筋计算，完成设计。

Claims (1)

1.一种高速铁路无砟轨道桩板式挡土墙的设计方法，按如下步骤进行：

(1)通过地勘手段获得设计工点地基土层的原状土样，进行室内三轴试验测得土样的强度指标c和同时进行室内长期三轴试验测得快速稳定状态对应的状态阈值参数λ，无条件进行室内长期三轴试验时λ取15％；

(2)根据所得状态阈值参数λ计算得到桩前地基土的状态强度参数c¹和计算公式为：

式中—地基土处于第一状态时的状态强度参数，内摩擦角，°；

c¹—地基土处于第一状态时的状态强度参数，黏聚力，kPa；

—地基土实际强度参数，内摩擦角，°；

c—地基土实际强度参数，黏聚力，kPa；

λ₁—处于第一状态时的状态阈值参数；

(3)根据所得状态强度参数计算得到桩前地基土变形状态的横向承载力σ_p ¹，计算公式为：

式中σ_p ¹—地基土处于第一状态时的横向承载力，kPa；

γ—地基土的重度，kN/m³；

y—距地表深度，m；

(4)按传统的锚固桩设计计算方法拟定锚固桩截面尺寸与锚固段长度，计算锚固桩对桩前地基土的侧压力σ_y；

(5)比较地面以下1/3锚固段长度处的σ_y与σ_p ¹，若σ_y≤σ_p ¹表明桩前地基土在锚固桩的作用下不会出现有时间效应的变形，可以进行下一步设计计算；若σ_y>σ_p ¹时则需调整桩间距或桩的截面尺寸等参数重新计算，直至满足σ_y≤σ_p ¹；

(6)进行锚固桩的配筋设计，完成设计流程。