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原文传递高速铁路无砟轨道路肩桩板墙侧向位移特征及状态控制设计方法研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道路肩桩板墙侧向位移特征及状态控制设计方法研究
关键词：	高速铁路;路肩桩板墙;优化设计;侧向位移特征;控制阈值;无砟轨道
摘要：	桩板式挡墙是由抗滑桩演变而来的一种支挡结构。我国在20世纪70年代首次应用于枝柳铁路路堑边坡中，接着在南昆铁路等应用于路堤支挡，1992年和1993年分别形成了铁路路堑、路堤通用图式，桩板墙支挡技术应用逐渐广泛。桩板墙是一种被动受力的支挡结构，依赖于锚固段地基土侧向变形产生的抗力，以平衡墙背土压力。因此，墙背荷载水平影响着锚固段地基土的变形状态，决定着锚固桩侧向位移的发展趋势，进而对路肩式桩板墙后的路基面工后沉降控制造成困难。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），以控制路基的附加沉降，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[σH]，并要求桩顶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对无砟轨道条件下高速铁路的适用性尚待推敲。因此，研究适用于高速铁路无砟轨道的桩板墙变形状态控制设计方法及快速稳定状态对应的桩体侧向位移阈值，具有重要的理论价值，也是亟待解决的关键技术问题。　　在总结和分析已有桩板墙研究成果的基础上，以锚固桩侧向位移处于快速稳定状态为核心控制目标，针对贵广、成渝高速铁路共两处路肩桩板墙典型工点，开展了无砟轨道条件下路肩桩板墙受力与变形特性的现场测试、土工离心模型试验，构建了基于快速稳定变形状态控制的桩板墙设计方法，提出了适用于高速铁路无砟轨道路肩桩板墙锚固桩侧向位移控制阈值。主要工作和结论如下: 　　1)高速铁路无砟轨道路肩桩板墙受力与变形特性的现场试验分析　　在对两处典型工点长达33个月的监测后，通过对测试数据的分析表明:由于基底摩擦作用及土拱效应引起的墙背土压力重分布，导致位于地面附近的墙背土压力大幅减小，土压力最大值位于挡墙中部，从而使墙背土压力表现出非线性分布特征。土压力合力作用点位置较三角形分布模式平均提高近55％。　　当锚固桩刚度远大于锚固段土体刚度时，桩体相对于土体为刚性体，其侧向位移形态表现为绕转动中心向临空面的整体转动。现场实测结果显示，两处工点锚固桩侧向位移形态均符合刚性桩的位移特征。其中，贵广工点测得的锚固桩转角约1.1×10-3rad，相应的桩顶位移与悬臂段长度的比值约2.8‰;成渝工点得到的锚固桩转角与贵广工点基本一致，约为1.25×10-3rad和2.4‰。实测的两处工点桩顶侧向位移仅约为TB10025-2006《铁路路基支挡结构设计规范》中“桩顶位移不超过悬臂段长度1％”这一限值的30％。　　在墙背荷载作用下，桩体随地基土的侧向变形而发生侧向位移，使墙后路堤产生跟随性侧向应变，引起路基面附加沉降。现场实测结果表明:桩前地基土受到的桩体侧向作用影响范围与转动中心以上地层的朗金被动区一致;路基面受到的桩体侧向位移影响范围则与悬臂段土层朗金主动区域接近。　　2)基于土工离心模型试验的桩板墙受力与变形特性分析　　以贵广工点桩板墙为原型，设计了不同桩前地基条件以及悬臂段高度共九组离心模型试验，结果表明:受墙-土摩擦作用影响，在锚固桩转角较小时，墙背土压力变化不明显，之后随锚固桩转角的增大，墙后土体抗剪强度发挥程度提高，墙背土压力明显减小，最终达到主动土压力状态。据此，可将挡墙由静止达到主动土压力状态的过程划分为三个阶段:第一阶段为墙-土摩擦作用主导阶段，其结果是墙背土压力变化不明显，相应的锚固桩转角阈值约(1～3)×10-4rad;第二阶段为墙-土摩擦作用保持不变后，墙后土体强度逐渐发挥的主导阶段，其结果是墙背土压力明显减小;第三阶段为墙后土体内摩擦角达到极限状态，进入主动土压力状态，相应的转角阈值约(5～20)×10-4rad。　　随桩前地基强度的降低或荷载水平的提高，桩前地基塑性区范围加大，引起最大土抗力作用位置下移。模型试验结果显示，随桩前地基强度的降低或荷载水平的提高，最大土抗力作用位置由锚固段长度的0.16倍下移至0.33倍。　　离心模型试验结果表明，桩顶位移速率v（t)随时间t的变化趋势（时间效应）符合负幂函数的规律，即v(t)=a(t+b)-p。通过对幂次p值与桩顶位移s(t→∞)的关系曲线分析，将“p-s”曲线最大曲率点作为变形状态转变的判别标准，从而得到了锚固桩侧向位移处于快速稳定状态下的转角阈值约为8.7×10-4rad，此时悬臂段墙背土压力已进入主动状态。　　3)基于桩前地基土变形状态控制的桩板墙设计方法　　借用饱和粉质黏土在不同偏应力水平下的三轴试验研究成果，根据桩板墙的受力模式，以墙背主动土压力作为荷载条件、桩前地基中的水平向应力作为大主应力，竖向（自重）应力作为小主应力，利用桩前地基土变形状态强度参数得到与快速稳定状态相对应的地基变形状态横向承载力σp1，以桩前地面以下锚固段长度1/3处的地基抗力σy≤σp1为控制原则，构建了适用于高速铁路无砟轨道条件下的路肩桩板墙侧向位移状态控制设计方法。　　针对不同c、ψ值粉质黏土的计算分析，结果表明:σp1状态所对应的锚固桩转角φ随桩前地基土c、ψ值变化幅度较小，平均值约1×10-3rad。对于一般状态下的粉质黏土，由σp1得到的锚固桩转角巾普遍小于由TB10025-2006《铁路路基支挡结构设计规范》中的横向允许承载力[σH]所确定的φ(1～3×10-3rad)，说明由σp1状态得到的锚固桩位移控制标准严于强度控制标准[σH]。根据σp1状态对应的锚固桩转角1×10-3rad，提出了当悬臂段与锚固段长度之比按1∶2考虑时，可近似取桩顶位移不超过悬臂段长度的3‰作为高速铁路无砟轨道条件下的路肩桩板墙侧向位移控制阈值。
作者：	李浩
专业：	道路与铁道工程
导师：	罗强
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文