悬臂式挡土墙.doc

冻土区路堑工程中悬臂式挡土墙的适应性
摘 要：根据悬臂式挡土墙自身的结构特点,结合多年冻土的物理力学特性以及其地处高原所存在的施工问题,分析了该型档墙在多年冻土区路堑边坡支档处理中的优越性,指出该型档墙是多年冻土区路堑支档结构的首选类型。。
关键词:悬臂式挡土墙 冻土 路堑 支挡结构
1 引言
目前,国内外在多年冻土地区厚层地下冰段修筑铁路,一般都遵循多填少挖的原则而以路堤形式通过。所以到目前为止,在厚层地下冰地段修筑铁路路堑为数还不多,对路堑边坡挡土结构的研究也较少。从上世纪60年代开始,中国学者在青藏高原多年冻土区进行了一些科学试验研究,分别在理论和实践方面为路堑工程的可行性建设提供了参考依据。研究表明[1],对于多年冻土区不可避免的路堑工程建设,当路堑较深或边坡较高(H>6m)时,采用下挡上护的边坡处理方式为好。而下挡建筑物采用柔性、轻型、预制拼装的钢筋混凝土悬臂式挡墙为宜。为进一步探索这种挡墙在路堑工程中的实际可行性和经济合理性,本文将结合北麓河挡墙试验工程,从该型挡墙为适应冻土特性的断面形式和处理措施方面进行初步探讨和分析。有关分析计算见其它相关文献。
2 冻土区支挡结构的受力特点及工程措施
2.1 受力特点
一般来说,多年冻土区挡土建筑物的修建,改变了原地面的热平衡条件,在墙背形成新的多年冻土上限。每年夏季墙背冻土融化,形成季节融化层,这种融化土层对墙体将作用土压办。在冬季,季节融化层冻结,在冻结过程中,由于土中水分结
冰膨胀,冻结土体对挡土墙将作用冻胀力。土压力和水平冻胀力的这种交替循环作用,是多年冻土区挡土建筑物工作的显著特点。
在无冻结的情况下,挡土墙主要承受来自墙背填土产生的主动土压力,因而,土压力是验算挡土墙稳定性的主要荷载。在寒季,随着地温的降低,墙后土体在冻结过程当中,产生作用于墙体的水平冻胀力。据试验测定,这种水平冻胀力往往比土压力大几倍甚至几十倍。这时候,计算分析时,就忽略土压力的作用。
水平冻胀力的大小,除与墙后填土的冻胀性有关外,还与墙体对冻胀的约束程度有关。如果墙体变形足够,即土体冻结过程中可以自由膨胀,自然不会有冻胀力的产生。试验表明,墙体稍有变形,水平冻胀力就可大为减小。该型挡墙,这种柔性支挡结构应用于多年冻土地区,就是出于这种需要而设计的。
2.2 工程措施
正确的工程措施,必须充分考虑区域气候条件及冻土条件,并与自然营力在路基体内引起的变形特征为主要依据。
在多年冻土区,地下冰无论成因为何,冰层与其上的季节融化层经过长久以来的环境作用,已经形成比较稳定的平衡状态(温度场,物理和热物理性质,热量的存储、传递、周转,力系平衡等)。路堑的开挖就不可避免地将要破坏这种平衡。按照工程类比的观点,欲使新的体系得到平衡,即要求工程的变形控制在稳定性和耐久性允许的范围之内,就必须使新的体系的热学、力学状态在一定限度内恢复到与原有状态相似的水平;或是使之能够适应状态改变所引起的变化。这就是确定工程措施的基本出发点。
对于挡墙这种结构,主要力系土压力或冻胀力。在墙背形式确定后土压力主要与填土自重有关,对于选择了一种填料之后,其土压力一般来说是确定的。在多年冻土区,关键是如何减小水平冻胀力的作用。总的说来,减小水平冻胀力的措施可以归纳为两种:一种为结构措施,如采用柔性结构,即使挡土墙有较大变形能力,以减小对墙后土体冻胀的约束,从而减小水平冻胀力;另一种是土体改良措施,即改变墙背填土的性质,使它不产生冻胀或产生较小的冻胀,这样就可减小水平冻胀力。
在青藏铁路格拉段多年冻土区厚层地下冰段,含冰量大,冬夏季节交替冻融循环比较频繁,对挡墙的潜在破坏性比较大。所以在结构措施上采用悬臂式钢筋混凝土挡墙这种轻型、预制、拼装化柔性支挡新结构,使挡土墙有一定的变形能力。在土体改良措施中,采用换填粗颖粒保温材料。一方面减小墙后填土积存水,从而减小冻胀的可能性;另一方面也可起到保温隔热的效果,使墙背季节融化层的厚度减小,从而减小有效冻胀带的厚度,减小水平冻胀力。
3 悬臂式挡墙的分析
青藏铁路地处高原多年冻土区,考虑到多年冻土冻胀融沉的固有特点,为适应土体在冻胀过程中的力学特性,在开挖边坡部分设置轻型挡护结构以保证边坡的稳定和抗冻融性能,这种轻型支挡结构—悬臂式钢筋混凝土挡墙是首选类型[2]。此类挡墙根据需要还可以采用一级或多级的结构形式。
3.1 一级挡墙的结构特点
首先,是柔性特点。由于墙后填土层在冻胀融沉过程中,不仅会给挡墙带来较大的变形内力,而且会使之在受力方面产生很大的波动性,产生一种类似于动应力的效用,随着时间的推移,就会出现疲劳破坏。对刚性结构来说,抗疲劳能力就很差;而柔性结构正好可以弥补这方面的不足,具有较好的抗疲劳能力,以适应冻胀融沉的受力特点,在挡墙弹性变形很小范围内却具有很大的卸载功能。在理论上,可以起到很好的边坡防护效果。
其次,是轻型特点,尤其在高原上。在青藏铁路的修建过程中,遇到的两大难题之一就是高原问题。高原问题归根结底就是对于施工人员的人身安全问题。在那种高海拔、超缺氧的自然条件下,必须保证劳动强度控制在人体承受能力范围之内。而轻型的支挡结构正是为了适应降低劳动强度的需要,对施工人员人身安全的一种保障。结构轻,吊装方便。而且可以加速施工进程。
最后,是预制拼装化特点。从施工和劳动保护角度而言,高原气候环境恶劣,对于施工人员,必须尽量减少劳动强度,加快施工进度;对于冻土,路堑基坑开挖,必须减少暴露时间,减少对冻土的热干扰。而现场混凝土浇注不仅会延长劳动作业时间,对施工人员人身造成危害,而且现场浇注会带进较多的水化热,对多年冻土地基的热干扰较大,难以保持地基的稳定,故可考虑采用预制混凝土拼装结构。有利于工厂化生产作业,同时也可以避免现场浇注对冻土层所带来的热干扰[3]~[4]。
3.2 二级挡墙的结构特点
二级挡墙不仅具有一级挡墙的所有特点,而且在多年冻土区路堑工程中的适应性还有由于本身结构特点而表现出来的独特优越性。首先,使结构进一步小型化。更好地体现其轻型的特点。在结构受力方面,既有轻型挡墙柔性的一面,又可以把它作为一个整体而表现出一种重力式挡墙的特点,从而增强挡墙的抗滑和抗倾覆的稳定性。
其次,可以适应更高边坡防护的需要。比如,可以在二级挡墙中,每一级挡墙的高度可以根据实际需要进行调整,高边坡可以采用较高尺寸的单级挡墙,而拼装后其档护的有效高度可以得到加大。
最后,在维修方面也可体现其经济价值。在多级挡墙中,如某一级挡墙承受较大冻胀或超出压力设计值而遭到破坏,对于其它各级挡墙不会造成连带影响,只需要对遭到破坏的那一级挡墙进行检修或更换。在维修造价方面显示其独特的优越性。
4 填料的选择
在多年冻土区,填料问题是要重点考虑的一个关键点。在填料选择方面,有粗颗粒和细颗粒之分,而粗颗粒和细颗粒因为在积水性方面有很大的不同。对于多年冻土区,任何一种填料在积水性质方面的差异都可以导致挡墙在受力方面的很大不同。积水性越高,冻胀融沉的水平就越大。给挡墙带来的水平冻胀力也会越大。反之则不同。很显然,细颗粒积水性大,粗颗粒的积水性小。由于水的冻胀融沉而带来的水平冻胀力,细颗粒要比粗颗粒大。这样.为了避免过大的冻胀融沉水平,给挡墙带来不必要的冻胀破坏。要尽量选择积水性小的粗粒土作为墙后填料。在填料来源方面,尽可能地选择离施工地点近的来源场地。避免远距离输送带来的巨额运输费用,造成工程造价的不必要提高。
5 设计及施工要求
综上所述、在多年冻土地区厚层地下冰段,当路堑较深或边坡较高(H>6m)时,采用下挡上护的形式是合理的,也是可行的。但在设计和施工方面还应注意以下几点。
(l)设计之前应全面考虑到填料的来源和可能的物理力学特性,从而了解其冻胀性能,进而初步估计冻胀率的范围,作为设计荷载时参考使用。如果是细粒土,或者是含土量大的砂颗粒,必须分别考虑主动土压力和水平冻胀力,并取较大值作为控制荷载。如果是粗颗粒土,其冻胀率小于1%时,可直接按主动土压力作为控制荷载进行设计,并采取相应横向排水措施,加强横向排水。
(2)根据丁靖康等人川的试验研究资料和兰铁院课题组近半年的测试试验资料可知,挡土墙后水平冻胀力分布规律是上部小,下部大,近似三角形分布。一般来说,最大水平冻胀力处于墙前地面所在的水平面位置,故在挡墙配筋设计时,必须加强该处抗弯和抗剪的承载力设计,适当增加纵向受拉钢筋和横向抗剪箍筋。
(3)挡墙截面应每隔lm按梅花型设置一个泄水孔。
(4)挡墙基础应置于坚固的基岩上或将基础埋人人为冻土上限以下至少0.3m。
(5)为防止降雨量下渗而使基底融化和冻胀,当基底采用粗粒土换填时,必须做一层隔水层,若用孰性土做隔水层时,侧沟底应不小于0.5m。
(6)挡墙基底及墙后边坡之回填土厚度,应根据保温计算确定,以满足保温层厚度的要求口
(7)施工时为保证填筑质量,应分层填夯,每层取0.5m左右为宜。
(8)填土表层(水平层或护坡层)种植当地植被或铺设一层工业保温材料,如泡沫塑料等。可以更好地起到保温隔热的效果。
6 结语
综上所析,可以看出,对于悬臂式挡墙这种轻型、预制、拼装式新型支挡结构,由于其自身的结构特点以及对多年冻土这种特殊土的适应性,在多年冻土区路堑工程中具有较好的应用前景。只要设计合理和施工正确,可以为我国青藏铁路格拉段建设成为“快速、高质量、高可靠度、世界一流的高原铁路”提供一份技术保障。
参考文献
[1] 丁靖康.水平冻胀力研究第二届全国冻土学术会议论文选
集,兰州:甘肃人民出版社,2012.
[2] 铁一院主编铁路工程设计技术手册—路基北京:中国铁道出版,2004.05.
[3] 李知兵.上部结构-筏板基础-地基共同作用分析[D].长沙:湖南大学, 2004.04.
[4] 李洪升,刘增利,朱元林冻土断裂力学在挡土墙基础稳定性分析中的应用[J].岩土工程学报,2009.12, 5(6):1151-1159.

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