铁路路基支挡结构桩板式挡墙的设计探讨

胡红萍

(中铁上海设计院集团有限公司南昌院，江西南昌 330002)

随着我国铁路建设事业的飞快发展，铁路与其行经地区地表所附地物的矛盾日益突显，因此对铁路路基边坡，尤其对于铁路高堤、深堑地段边坡的要求也越来越高。桩板式挡墙是一种采用悬臂式锚固桩(也称抗滑桩)，并于桩外挂板或桩间搭板的路基边坡支挡结构。工程实践证明在城区的高堤、深堑地段中，桩板式挡墙具有用地省、稳定性好、施工简便、拆迁少等诸多优点。本文结合某铁路深路堑的支挡防护设计，对桩板式挡墙的桩身受力、内力计算等进行了详细的分析。

1 工程概况

某新建铁路专用线DK3+110—DK3+250段位于某国铁干线下行侧8.5 m，既有干线下行侧为深路堑，坡脚既有混凝土挡墙支护，堑顶外邻靠一乡村公路及几幢洋楼。为避免破坏公路、拆除洋楼，新建专用线需近乎垂直开挖既有干线下行侧边坡土体，垂直开挖深度约13 m。因此，该段专用线路堑边坡采用局部刷坡加桩板式挡墙的工程处理措施。该段专用线位于剥蚀低丘区，根据地质报告，地表上覆填筑土(Qml4)，厚 1～2 m;其下为粉质黏土(Qal3)，硬塑，厚1 ～10 m;底伏泥质砂岩(Exn)，易风化，全～强风化层厚度＞5.0 m(Ⅲ级硬土∶Ⅳ级软石=7∶3)。既有干线堑坡基本稳定，岩层风化面倾向临空，尚未发现不良地质现象，既有边坡土体岩土特性见表1。

表1 既有边坡土体岩土特性指标

2 桩板墙设计

2.1 边坡土体重度的确定

2.2 锚固桩所受土压力计算

作用于锚固桩上的力系，应计算滑坡推力，桩前滑体抗力及锚固段地层的抗力，桩侧摩阻力、黏聚力以及桩身重力和桩底反力可不计。本工程属于路堑边坡预加固性质，作用于锚固桩后的外力主要是桩后土体主动土压力，但最终应取滑坡推力计算结果与之比较的大值。

桩后土体的主动土压力可采用库仑土压力理论计算，该段边坡虽然地质条件基本一致，但局部地形变化相对较大，为获取计算断面，本文分别计算各断面主动土压力，如表2。

表2 专用线左侧锚固桩所受主动土压力值 kN

从上表可知，锚固桩后路堑堑顶有附加静载的DK3+140，DK3+240两个断面主动土压力值较大，因此本次选择这两个断面作为计算断面(DK3+140计算断面图如图1)，并分别计算其滑坡推力与主动土压力进行比较。

滑坡推力的计算方法主要有传递系数法、极限平衡分析法(如 Morgenstern-Price，Janbu等)及有限元法、有限差分法等，本文结合工程实况，采用工程设计中较常用的传递系数法计算滑坡推力。滑坡岩土强度指标综合考虑试验参数和经验参数，最终以反算法求得。计算断面滑坡推力的计算结果为T(DK3+140)=245.3 kN，T(DK3+240)=63.9 kN，均小于对应断面处的主动土压力，因此锚固桩后的土压力分别为Ex(DK3+140)=374.8 kN，Ex(DK3+240)=291.2 kN。

图1 计算断面

2.3 土压力分布方式

锚固桩后的滑坡推力(或主动土压力)应力分布有三种形式即矩形、三角形和梯形，应力分布形式依据滑体的性质和厚度等因素确定。本文依据锚固桩后土体液性指数较大，刚度较小，假想滑体厚度较厚，顶层与底层滑动速度不一致等因素，将锚固桩后应力分布形式按三角形考虑。

2.4 抗震因素的考虑

该区地震动峰值加速度为0.05 g，相应于抗震设防烈度＜6度，按《铁路工程抗震设计规范》，可不设防。如需要考虑抗震，可按下式计算水平地震荷载。

式中，Edx为水平地震荷载;C1为重要性修正系数，取1.0;Cz为综合影响系数，取0.25;Kh为水平地震系数，可参考规范取值;Gs为边坡土体重力。

2.5 桩身内力及配筋计算

本文结合地形，依据节省投资并满足现场工程要求的原则，最终确定于DK3+110—DK3+175与DK3+210—DK3+250两段设置矩形锚固桩，两段锚固桩之间边坡仍采用重力式挡墙支护。由于锚固桩计算滑动面以上土体基本上为硬塑密实土，少量为风化破碎岩层，滑面以下为全～强风化的较厚泥质砂岩，因此锚固桩桩身内力采用“m法”进行计算，桩底支承考虑采用铰支。

1)锚固桩计算参数

桩悬臂高度11.0 m(或8.0 m，括号内对应悬臂为8.0 m的锚固桩计算参数或计算结果)，锚固深度14.0 m(或11.0 m)，设计桩长25.0 m(或19.0 m)，桩截面2.0 m×3.0 m(或2.0 m×2.5 m)，间距为5.0 m。锚固桩所受水平推力 374.8×5.0=1 874.0 kN(或291.2×5.0=1 456.0 kN)，荷载分布三角形的高度11.0 m(或8.0 m)，底边85.2(或91.0)kPa/每延米。地基承载力［σ］=250 kPa，地基抗力系数为 10 MPa/m2。

其它参数:抗弯计算安全系数γm=1.55，混凝土弹性模量Ec=30 000 MPa，主筋抗拉强度及箍筋抗拉强度均为360 MPa，混凝土轴心抗拉强度 ftk=1.43 MPa，混凝土轴心抗压强度fck=14.3 MPa。

2)桩身内力及配筋计算

经计算，锚固桩桩截面设计最大弯矩Mmax=1.618×104(或0.989×104)kN·m，桩身设计最大剪力Qy=2 817.3(或2 391.5)kN。悬臂长11.0 m的桩身弯矩、剪力分布图如图2。

图2 悬臂长11.0 m锚固桩弯矩及剪力

根据锚固桩的所受弯矩，可计算得到悬臂为11 m的锚固桩受拉钢筋最大需251.3 cm2，采用双排φ28钢筋需20+22根;悬臂为8 m的锚固桩受拉钢筋最大需184.0 cm2，采用φ 28钢筋需30根;箍筋间距400 mm考虑，采用φ 16钢筋。经验算，配筋率满足相关规范要求。

2.6 挡板设计

采用C30钢筋混凝土外挂式矩形挡土板，截面设计采用极限状态法，荷载分项系数为1.40，板高0.50 m，甲型板(适用于0～5 m)板宽0.32 m，乙型板(适用于5～11 m)板宽0.40 m。

2.7 锚固桩布置

结合该段路基边坡现场情况，本文采用了两种锚固桩对DK3+110—DK3+175与 DK3+210—DK3+250两段边坡进行预加固，桩间距为5.0 m，竣工效果见图3。

图3 竣工后现场效果

3 结语

1)结合工程实例，本文详细讨论分析了桩板式挡墙支挡结构的外力、内力及配筋等计算。该桩板墙自2008年建成至今，从现场监测情况来看，挡护效果良好，堑外房屋尚未发现基础下沉、墙面开裂等异常。

2)为控制锚固桩顶及假想滑面处位移，本文采用的桩截面较大，锚固桩锚固段较长。如果在锚固桩顶设置预应力锚索，可改善桩身内力状态，调整桩身位移，从而调整锚固段长或桩身截面尺寸。不过，锚索桩板墙的理论研究较落后于其工程实践。

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