桩墙复合结构在顺层岩质边坡治理中的应用与研究

代云山

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

1 工程概况

新建铁路合福线合肥至福州段,由合肥枢纽合肥南站引出至福州枢纽福州站,正线全长809.919 km。沿线经过冲积平原、河流阶地、丘陵及中低山区等多种地貌单元,涉及岩浆岩、沉积岩、变质岩等多套地层,地质构造错综复杂,给沿线的边坡治理工作带来很大的难处,顺层岩质边坡的治理则为重中之重。

2 支挡防护措施的选取

以DK274+450～DK274+560为例,对其支挡防护措施的选取进行论述。

2.1 顺层岩质边坡工程性质特征

(1)顺层性质的判断

线路于该段以路堑形式通过,测区内涉及岩性为钙质页岩。通过现场地质测绘调查,该地层风化严重,抗风化能力较弱,节理裂隙发育,岩质较为软弱。得其岩层产状为155°∠31°,线路走向239°,路基横断面走向329°,换算为视倾角30.1°,路基右侧挖方边坡存在顺层,边坡开挖时,岩土体具有沿岩层面滑动的危险[1]。

(2)物理力学指标

地层地基系数及物理力学指标的试验数据见表1。

表1 地层地基系数及物理力学指标

(3)推力计算

斜坡推力可采用传递系数法按下式[2]计算

Ti=KWisinαi+ψTi-1-Wicosαitanφi-ciLi

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

计算的斜坡推力为：T=673 kN/m

经过对测区内钙质页岩工程地质性质特征的了解,得知其岩体较为破碎,斜坡推力较大,工程性质较差。

2.2 桩墙复合结构的性质特征

抗滑桩和挡墙是治理顺层边坡的主要工程措施,单独使用则各有弊端。抗滑桩工程造价较高,密集的桩体分布无法达到很好的经济效果；而挡墙则无法起到较好的稳定抗滑作用。

结合两者优缺点,利用桩墙复合结构,则可以很好满足工程需求。抗滑桩起主要的抗滑作用,承担岩土体的剩余推力；挡墙既可以起到边坡防护——防止桩间土冲刷、流失的作用,又可以承担抗滑桩压力拱范围岩土体压力。

在顺层岩质边坡治理中,桩墙复合结构既可以起到稳定防护边坡的作用,又节约了工程成本,是一种很好的支挡组合结构,因此,本工点采用该结构进行支挡防护。

3 复合结构设计

3.1 抗滑桩设计

根据斜坡推力及岩土体性质特征,共布置抗滑桩6根,桩间距9 m,桩截面尺寸a×b=2.25 m×1.75 m,桩长h=14 m,其中受荷段h1=7 m,锚固段h2=7 m,采用C30混凝土,E=30×106kPa/m。

(1)桩的刚度

变形系数

计算深度[3]

β×h=0.23×7=1.64>1

因此,按弹性桩进行设计,桩底边界条件为自由端。

(2)内力计算

单桩承受水平推力TH=T×9=673×9=6 057.01 kN,桩前无剩余抗力,则滑面处Q0=TH=6 057.01 kN,M0=TH×h1/2=21 199.53 kN·M。抗滑桩的剪力弯矩见图1。

图1 抗滑桩剪力弯矩

(3)强度校核

最大侧应力σmax=2 720.92 kPa(见图2),而KH×η×Rc=0.5×0.3×28×103=4 200 kPa>σmax,满足要求。

图2 抗滑桩受力及侧应力

(4)结构设计

界面尺寸a×b=2 250 mm×1 750 mm,M=1.4Mh=33 981.63 kN·m,混凝土强度等级C30,钢筋采用HRB335级钢筋,即Ⅱ级钢筋。

计算钢筋截面积：钢筋保护层厚度100 mm,截面的有效高度h0=2 250-110=2 140 mm,由混凝土及钢筋等级得：fc=14.3 N/mm2,ft=1.43 N/mm2,fy=300 N/mm2,混凝土受压区等效矩形应力系数α1=1.0,β1=0.8,相对界限受压区高度[4]

ξb=0.55,

满足要求。

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箍筋采用双肢φ=16。③构造钢筋：桩体两侧及受压侧采用19φ16。

适用条件验算

3.2 挡墙设计

桩间采用C25混凝土路堑挡墙进行支挡防护。挡墙顶部与抗滑桩顶持平,挡墙基底埋入路堑侧沟平台以下不小于1.2 m深度。下面以墙高H=8 m,墙顶宽b=2 m挡墙为例进行设计。

(1)设计参数

墙后岩体重度γ=22 kN/m3,岩体外倾结构面倾角θ=32.9°,岩体外倾结构面黏聚力Cs=10 kPa,岩体外倾结构面内摩擦角φs=25°,岩石与墙背的摩擦角δ=12°,岩石对基底的摩擦系数μ=0.6,挡墙(C25混凝土)每延米自重G=400 kN/m,挡墙基底倾角11.31°,墙背倾角16.7°。

(2)挡墙设计

岩石侧压力系数采用下式计算[5]

式中α——挡墙背于水平面夹角/(°)；

β——开挖边坡坡面与水平面夹角/(°)；

φd——等效内摩擦角/(°)。

主动岩石侧压力采用下式计算

(3)稳定性检算

挡墙沿基底的抗滑稳定性系数按下式检算[3]

满足要求。

挡墙抗倾覆稳定性系数按下式计算

满足要求。

桩墙复合结构设计图见图3。

图3 桩墙复合结构设计

(4)构造设计

路堑挡墙基础埋深应在路肩或侧沟平台以下不小于1.2 m,并低于侧沟砌体底面不小于0.2 m。

桩墙衔接处以及墙身沿线路方向每隔10～20 m,结合墙高及地层变化设置宽0.02 m的伸缩缝或沉降缝一道。缝内沿墙顶、内、外三边填塞沥青麻筋,深度不小于0.2 m。

墙身于侧沟平台以上部分每隔2～3 m上、下、左、右交错设置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墙顶以下0.5 m高的范围内设袋装砂夹砾石反滤层,厚0.3 m。反滤层最低处设隔水层,隔水层应采用混凝土与挡墙墙身同时浇筑。

4 结束语

桩墙复核结构可以发挥抗滑桩及挡墙各自的优势,起到很好的抗滑支挡效果。顺层岩质边坡的工程力学性质是复合结构设计至关重要的因素,不同地层岩性的工程力学性质差别较大,给各种检算的结果带来很大影响。另外,顺层边坡开挖时有很大的滑动危险,宜采用速凝或早强混凝土,桩身强度达到设计强度后,再间隔或分层开挖桩前土体。

[1] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,2005

[2] TB10025—2001，铁路路基支挡结构设计规范[S]

[3] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册[M].北京：中国铁道出版社,1992

[4] 江见鲸,等.混凝土结构设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2002

[5] GB50007—2002，建筑边坡工程技术规范[S]．