高速铁路地基路堤桩板墙受力特性监测分析

　　高速铁路地基路堤桩板墙受力特性监测分析第1章绪论1.1研究背景高速铁路是指使既有线改造后最高营运速度不小于每小时200公里，或者新建的营运速度达到每小时至少250公里的铁路系统。高速铁路兴起于日本，二十世纪五十年代后期，日本在美国侵略朝鲜的战争中得到了长足的发展，于1964年10月开通了从东京到大阪的新干线高速铁路，该铁路的新建为日本经济的腾飞做出了巨大的贡献。后于1975年建成了从大阪到福閃的新干线，经过几十年的发展，日本已建成贯穿全岛的新干线。其他发达国家如法国、德国、西班牙、美国也相继发展高速铁路[1]。我国高速铁路起步较晚，从1999年才开始建设高速铁路，在发展中通过吸收各方长处，发展自我特色，截止2013年底，通车运营的高速铁路巳达1.1万公里，居世界首位。已经建成的高速铁路大大缩短了城市间的时间距离，高速铁路在经济、战略上对社会都具有重大意义，由此可见，高速铁路的发展已成为历史所趋。贵广高铁原设计方案为国铁I级标准的铁路，后经设计变更升级为客运铁路专线，全线速度目标值按250公里/小时以上设计，属于新建髙速铁路。贵广高速铁路北起贵州省贵阳市，南接广东省广州市。途经都勾、桂林、贺州、肇庆、佛山，全长857公里。设计标准是双线电气化客运专线，主要路段路基设计标准为300公里/小时的无昨轨道高速铁路，全长857公里，广东境内207.5公里、广西境内348.5公里、贵州境内301公里。建成后贵阳至广州的列车运行时间将缩至4小时左右。..1.2研究现状 桩板墙是由描固桩发展而来，国内桩板墙发展最早于20世纪70年代初期应用于路暂边坡里，后经不断的探索研究，广泛运用于南昆、内昆、偷怀线等路堤边坡中。桩板墙结构经过多年的实际运用，铁道系统有关单位均编制了路壁式、路肩式桩板墙通用图。但是在桩板墙的发展过程中出现很多问题，特别是对自由悬臂段过长的锚固桩底部弯矩过大时，桩顶部可能出现状体侧向变形过大甚至折断的情况。例如京九铁路赣龙段某路壁式桩板墙，悬臂段长度高达18in，当路基开挖达到设计标高后发生了断桩事故。以后的桩板墙也考虑将锚索加入，以减小桩身弯矩及位移。对于陆坡路基上的填方路基桩板墙，设置锚索不便于施工，在悬臂桩满足工程需求的条件下，可选用悬臂桩作为桩板墙的结构形式[5][6]。桩板墙结构主要分为错固桩桩体与挡土板结构两部分。其中挡土板的设计比较简单，考虑桩板墙迎土侧土压力分布荷载的作用下，采用类似于简支梁的设计方法进行设计。错固桩的设计是披板墙设计的关键。销固桩初期的抗剪力设计思路完全依靠剪力值进行设计。随后采用静力平衡法和布鲁姆法，是基于主动与被动土压力理论按照力平衡方程与弯矩平衡方程联立求解，得出具有一定安全储备系数的入土深度。温克尔弹性地基理论是基于桩身任一点处岩土的抗力与该点的位移成正比的假定进行设计。现今工程设计中广泛使用的方法为弹性地基梁法，诸如《建筑基坑设计规范》、《铁路路基支挡结构设计规范》、《公路路基设计规范》等相关规范均采用该类方法进行设计。.第2章桩板墙现场监测系统的布置2.1试验工点概况工程概况：贵广高速铁路北起贵州省贵阳市，南接广东省广州市。途经都勻、桂林、贺州、肇庆、佛山，全长857公里。设计标准是双线电气化客运专线，主要路段路基设计标准为300公里/小时的无碎铁路，全长857公里，广东境内207.5公里、广西境内348.5公里、贵州境内301公里。本试验工点位于贵广高速铁路D1K395+222?+374段斜坡路段，现场监测系统工点情况见图2-1、2-2及2-3。其中铺固桩前距桩顶8?lOni为施工时新近堆土，2012年10月17日路基填筑完成后一直处于静置状态。线路通过剥烛丘陵地貌，地表相对高差约20in，地势起伏较大，冲沟发育，左侧山坡自然坡度为33 °，冲槽内垦为农田。现场大致情况如图2-1、图2-2所示。地层岩性情况为：表层粉质黏土黄褐色，黄色，灰褐色，硬塑状，土质不纯，含5?30%角烁、碎石，粒径一般2-40mm，现场削坡过程中已被剥离；下卧全风化页岩，多成土状及粗砂状，手搓砂感较强，夹强风化及角碌碎块，经现场取样室内土工试验结果表明为粉质點土；底层为强风化带岩芯破碎，多呈半岩半土状或角碌状及碎块状，节理发育。水文地质特征：本段地表水主要为沟水、水田水、水渠水，水量较大，受大气降雨补给，流量受季节变化影响大，以蒸发、下渗和径流等形式排泄。地表水发育。水质为：C17S0427HC07Ca2+/Mg2+/型水型水，环境水对混凝土结构具酸性侵烛，侵烛等级为Hi。地下水以第四系土层中的孔隙水，基岩风化裂隙水、岩溶水为主。地下水较发育，受大气降雨及地表水补给。地震动参数：根据《中华人民共和国国家标准》（GB18306-2001)公布的《中国地震动峰值加速度区划图》（1/400万）和《中国地震动反应谱特征周期区划图》（1/400万）划定，测区地震动峰值加速度等于0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。2.2试验测试元件的埋设根据桩板墙结构特点，对贵广高铁D1K395+268.282处错固桩桩板墙的桩身应力、应变、侧向位移变化趋势及地基土内的应力应变关系进行的长期监测，从而得到锚固桩的内力、位移状态及地基土应力应变的长期状态，从而为同类桩板墙的设计提供参考[51]。整个桩板墙监测体系分布于桩板墙桩体内、挡土板迎土侧、路基填料内及桩前土体内，用于监测指定位置处的应力、应变、位移等相关数据。各个监测元件的布置位置的准确性对于数据监测的有效性至关重要，桩板墙监测体系的布置分别位置如图2-4、图2-5所示（单位m)。桩板墙墙后土压力的监测原件采用长沙金码JMZX5101AM型土压力盒，该土压力盒的量程为O.lMPa，适用于-10~+6(rC温度范围。土压力盒布置于D1K396+222处的锚固桩间挡土板上，按照间隔Im的垂向间距将土压力盒安装于挡土板的迎土面，用于监测挡土板迎土面的实时土压力。土压力盒布置于披板墙的迎土面，土压力盒的具体布置如图2-6(单位m)所示。第3章基子现场实测数据的桩板墙锚固桩.........173.1桩板墙的运用.........173.2桩板墙桩体工作状态分析.........173.3锚固桩桩前抗力监测结果.........313.4本章候.........33第4章现场监测土压力的理论分析.........344.1土压力概述.........344.2土压力的现场监测与分析.........364.3长期土压力随位移的变化.........414.4本章小结.........45第5章抗滑桩侧向变形引起的路堤沉降分析.........475.1有限元计算.........475.1.1计算方案.........475.1.2模型计算过程.........48 5.1.3计算结果.........505.2本章小结.........52第5章抗滑桩侧向变形引起的路堤沉降分析5.1有限元计算针对本工点的实际情况，建立了如图5-1尺寸的模型，计算过程中单纯考虑侧向变形对路基沉降产生的影响，采用在相同的模型建立不同的边界条件的差异来凸显侧向变形对路基沉降的影响，即通过建立在重力场下，路基在桩板墙接触面上只产生垂向位移而不产生水平位移的约束条件下的模型与在该接触面上存在给定的与实测位移值相同侧向变形的位移条件下产生的沉降的差值即为忽略重力影响的桩板墙侧向变形引起的沉降。采用ABAQUS有限元计算软件，土体屈服准则采用摩尔库伦准则，采用理想弹塑性模型，以平面应变问题作为计算假定。路基顶面mkh边不受任何外力无任何约束。由于重点考虑的是侧向变形对沉降的影响，不考虑地基沉降等因素，abG线段采用水平与垂向方向上的固定约束，而对Gg边，由于要hg边加载位移曲线，固定Gg边的水平坐标必将导致g点位移定义的矛盾，故只能釆用固定垂向方向上的位移，而让水平方向自由运动。由于最终结果为考虑边的侧向位移与不考虑的两类模型沉降的差值，以计算侧向变形对沉降的影响，在mh边均不考虑桩土相互作用的影响，采用水平方向固定约束，垂向自由的边界条件。结论 桩板墙其下部锚固桩部分能够提高边坡安全系数的同时其上部桩板结构能起到支挡结构的作用，而桩板墙这一结构在减小工程数量、降低成本、节约投资、缩短工期方面相比于桥梁方案和挡土墙方案在公路与铁路穿越陡坡地区都具有明显的优越性。无论是按照弹性地基梁法还是极限状态法设计的桩板墙结构能够满足所有工程的承载能力极限状态的需求及其一般性工程的正常使用极限平衡状态需求，但是在对变形要求较高的高速铁路工程，在其变形控制要求相对严格的条件下，为保证其侧向变形不引起沉降不超限，在传统的极限状态法中，是考虑增加桩的锚固段深度或者将被动土压力折减，将主动土压力乘以增大系数的的方法来提高安全系数，现有设计中可考虑增加锚固深度、增加截面尺寸的方式控制其侧向变形。通过对按照传统方法设计的桩板墙进行现场工作状态进行实时监测，得出了以下结论：就本工点桩板墙的工作状态而言，由桩板墙抗滑桩桩内钢筋计、混凝土应变计组成的弯矩监测体系与桩前迎土侧土压力盒监测数据积分在填筑完成后得到的桩身弯矩数据比较如3.2.1中图3-6所示，由图中数据比较可知其弯矩与平均值的差值为18%。弯矩监测体系与土压力盒监测体系数据相关性强，取得了较好的监测结果。