边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用.pdf

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边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用1 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用2 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用3 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用4 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用5 边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用6
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文章编号:10094539(2017)04008105·线路/路基工程·收稿日期:20161221作者简介:赵德文(1979-),男,高级工程师,主要从事岩土工程、铁路路基工程、工程地质勘察工作。边坡加筋技术在十堰北站场坪高填方边坡工程中的应用赵德文(中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063)摘要:汉十高铁十堰北站广场场坪最大填高达105m,受地形控制无法按稳定坡率放坡,须进行支挡收坡设计,其设计难度与复杂程度国内罕见。本文立足于边坡稳定性分析经典方法-简化毕肖普法,从筋土作用原理、加筋填料、加筋材料的物理力学参数等方面,详细介绍了十堰北站高填方场坪支挡加固的计算模型与设计方案,对高填方边坡工程加固方案提供了一个研究思路,亦对类似工况条件下的支挡加固工程具有一定的参考价值。关键词:高填方支挡防护边坡加筋简化毕肖普法中图分类号:TU472.3+4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.04.019ApplicationofSlopeReinforcementinHighFilling-slopeEngineeringofShiyanNorthRailwayStationZhaoDewen(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.Ltd.,WuhanHubei430063,China)Abstract:ThemaximumheightofthefillingslopeatShiyanNorthRailwayStationofWuhan-ShiyanHigh-speedRailwayisupto105meters.Restrictedbytopography,gradinginstablesloperateisnotapplicable,correspondingly,supportingandretainingmeasuresareessentialinthedesignofsuchproject,thedifficultyandcomplexityofwhichisdomesticrare.Basedontheclassicalmethodofslopestabilityanalysis—simplifiedBishopmethod,thispapergivesadetailedintroductionofthecalculationmodelandthedesignschemeofthesupportingandretainingmeasuresinaboveworks,coveringsuchaspectsasprincipleofreinforcingsoil,reinforcedfiller,andthephysicalandmechanicalparametersofreinforcedmaterial.Itpro-videsaresearchideaforthereinforcementschemeofthehighfillingslopeengineering,andalsohascertainreferencevalueforthesupportandreinforcementworksundersimilarworkingconditions.Keywords:highfilling;protectionofsupportingandretaining;slopereinforcement;simplifiedBishopmethod1引言我国于1979年首次在云南建成加筋土挡墙试验工程。目前,我国正日益加强基础建设,公路、高速公路以及各类矿山建设速度加快。受地形及各种外部条件所限,高边坡往往不能自然放坡,此时为确保高边坡的稳定性,需要对陡坡进行加固与防护处理,不少工程面临着高填方支挡防护的处理问题[1]。笔者结合某工程案例,分析了加筋土的作用原理[2]、计算模型[3],对该加固防护方案进行了较为深入的研究,论述了加筋土、加筋材料对边坡稳定的影响,提出其物理力学参数指标,最终形成安全、经济的设计方案。2工程概述十堰北站站前场坪位于新建汉十高铁左侧,场坪设计标高310m左右,向远离高铁线路方向呈下坡布置。受地形影响,站前场坪整体呈垂直线路方向不规18铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·线路/路基工程·则展布,总面积约660000m2,坪最大填高约105m,最大挖深约135m。站前广场平面布置如图1所示。图1站前广场平面布置图该区域属于低山丘陵区,地形起伏较大。场坪压覆区域原地貌标高203~440m,场坪靠近线路侧以填方为主,远离线路侧以挖方为主。神定河在场坪外侧,河岸标高约203m,百年水位208.28m。场坪边界与神定河河岸最小距离约161m,如图2所示。由于神定河改河取直方案费用巨大,且在环保、水保等方面存在较大的不确定因素,故改河方案在前期论证阶段予以了否定。由于神定河的限制,场坪高填方边坡无法按稳定坡率进行放坡,需研究采用支挡防护措施进行收坡。边坡示意图见图3。图2高填方场坪边界平面图图3高填方边坡示意图(单位:m)根据场地工程地质条件、地震动参数以及工程需要等对该高填方边坡进行支挡结构设计,设计主要思路是对边坡进行加筋处理[4],通过筋材提供的作用力来保证边坡在正常工况和地震工况下的稳定性均满足规范要求,进而满足工程的需要。3项目方案设计3.1设计依据3.1.1加筋填料填方边坡加筋范围视填方高度采用C组细粒土和圆砾土填筑。场坪标高-60m以内采用C组细粒土填筑,-60m以下边坡加筋土采用圆砾土填筑。C组细粒土采用均匀的低塑性的粉质黏土或基岩全风化层;圆砾土最大粒径应≤7.5cm,细颗粒含量应≤15%且不夹有尖锐棱角的碎块石。根据土体物理力学经验参数[5],加筋填料在边坡稳定性计算时采用以下计算参数见表1。表1加筋填料在边坡稳定性计算时采用的计算参数地层C组细粒土圆砾土摩擦角/(°)2535黏聚力/kPa250单位重度/(kN·m-3)19193.1.2加筋材料鉴于本工程的重要性等级以及工程难度,加筋筋材应充分考虑蠕变[6]、施工损伤、老化等强度衰减因素,选用整体性和耐久性好、强度高、变形小的土工格栅、高强土工织物、土工格室等土工合成材料。考虑到当前国内管理、施工水平以及生产工艺等因素并借鉴其它类似工程经验,本工程选用土工格栅作为加筋筋材。(1)土工格栅长期设计抗拉强度根据《铁路土工合成材料应用技术规范》(TB10118-2006),土工格栅长期设计抗拉强度按下式计算:Ta=Tult/RFRF=RFID×RFCR×RFD其中,Ta为长期设计抗拉强度;Tult为极限抗拉强度;RF为折减系数;RFID为施工损伤折减系数;RFCR为蠕变折减系数;RFD为生物化学影响折减系数。四项折减系数应根据试验获得,无条件时,可根据具体工程情况与所处环境取值,总折减系数RF宜在2.5~5.0之间。本工程重要性等级高,且边坡高度较大,最终28铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·线路/路基工程·在设计时综合折减系数按照3考虑[7]。(2)筋土相互作用系数加筋材料土工格栅与土接触的界面阻力系数:fGS=Citanφ其中,Ci为筋土相互作用系数,需根据试验进行确定[8]。通过试验,可以得到土工格栅的筋土相互作用系数如表2[9]所示。表2土工格栅-土相互作用系数土工格栅黏性土粉土砂性土碎石土高强聚酯土工格栅0.40.70.90.9(3)稳定性要求根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)并结合本项目边坡工程安全等级(一级)确定本项目填方项目稳定安全系数:一般工况K≥1.35,地震工况K≥1.15。3.2初步方案比选设计初期,对两种主要加固方案进行了比选。设计方案1:底部采用加筋土挡墙加固,加筋土挡墙坡率∶10.3,墙高10m,墙顶平台宽5m,加筋土临河侧采用桩基承台挡护。加筋土挡墙以上边坡采用∶11.1坡率放坡,每级边坡高10m,共9级,每级平台宽3m,边坡采用加筋格宾石笼防护[10]。设计方案2:底部三级采用加筋土挡墙加固,加筋土挡墙坡率∶10.2,每级墙高10m,墙顶平台宽5m。其中最下一级加筋土临河侧采用桩基承台挡护。加筋土以上边坡采用∶11.5坡率放坡,每级边坡高10m,共7级,每级平台宽3m,边坡采用加筋格宾石笼防护[11]。经检算对比,在达到相同最小安全系数(K=1.35)时,设计方案2所需要的加筋格栅工程量以及概算均大于方案1,推荐采用设计方案1。3.3详细方案设计根据初步方案比选结果,接下来主要是对∶11的坡率进行土工格栅加固方案的设计。3.3.1计算方法介绍边坡稳定性分析采用简化毕肖普法,通过软件搜索最不利滑动面,这些计算滑面中近似包含了0.3H折线破裂面和朗肯破裂面。简化毕肖普法假定滑裂面是圆弧面,考虑了土条两侧条间力的作用,满足整体力矩及每一土条的垂直力的平衡。安全系数为抗滑力矩与下滑力矩间的比值:K=ΣM稳定/ΣM下滑加筋单元在截断滑动面的区域内可增加坡体的稳定性,破裂面穿过筋带时,将伸入滑弧后面的筋带长度产生的摩阻力F1、滑弧前面筋带长度所产生的摩阻力F2和筋带的长期设计抗拉强度F3三者的小值对滑弧圆心取矩,视为稳定力矩,如图4所示[12]。图4筋带作用力示意图F1=σ×fGS×L1F2=σ×fGS×L2F1=TULTRFP=Min(F1,F2,F3)fGS为筋土界面阻力系数;L1为滑弧后面筋带的长度;L2为滑弧前面筋带的长度;TULT为土工格栅筋带的极限抗拉强度;RF为土工格栅筋带的综合折减系数;P为土工格栅筋带计算时提供的力。考虑加筋单元作用的安全系数如下:K=Σ(cibi+Wicosαitanφi)+ΣPjcosθjΣWicosαi其中:ci、φi为第i条块滑动面处的黏聚力和内摩擦角;bi为第i条块滑动面处的弧长(m);Wi为i条块自重及其荷载重(kN);αi为第i条块滑动弧的法线与竖直线的夹角(度);Pj为穿过破裂面的第j道筋带的抗拔力(kN);θj为穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线的夹角(度)。进行内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法时计算繁琐,采用计算机进行。3.3.2土工格栅加筋方案土工格栅加筋工程中由于选择不同种类的格栅,筋材的极限抗拉强度、长度以及加筋间距在满38铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·线路/路基工程·足相同安全系数的前提下会有所不同,本项目主要采用了高强聚酯土工格栅加筋方案。(1)方案介绍下部三级边坡坡率∶11.5,上部七级边坡坡率∶11,每级边坡高10m,边坡平台宽3m,每3级边坡设10m宽平台。断面上部设计采用150型高强聚酯土工格栅,中上部和下部设计采用250型高强聚酯土工格栅,中部设计采用400型高强聚酯土工格栅,设计最大筋长90m,竖向层间距为1m。考虑神定河百年水位208.3m,坡脚设桩基承台挡墙。典型断面如图5所示。图5土工格栅边坡加筋设计典型断面图(单位:m)土工格栅纵向条带为采用高强度、高韧性、高分子模量聚酯纱线集束,外覆聚乙烯鞘套保护层形成,横向条带采用聚芳酰胺原材料,两条带之间采用超声波焊接形成网状式土工格栅,土工格栅的不同强度主要通过改变每个条带中的聚酯纱线的数量而达到。加筋土工格栅材料需满足以下主要参数:①抗拉能力强。采用聚酯纤维作为材料,使得产品具有相当大的抗拉能力;②蠕变影响小;③产品抗环境影响、抗腐蚀性能好;④摩擦性能好,增加与土壤间的摩擦特性;⑤折减系数小,长期设计强度大。(2)计算分析本次设计主要采用了马克菲尔公司的MacStars软件和Geo-studioSLOPE/W软件对每级块体进行稳定性计算,计算模型分别如图6a、b所示。通过两种软件对正常工况和地震工况下的每一级块体分别进行计算,计算结果见表3、表4。图6运用不同软件创建的计算模型48铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·线路/路基工程·表3正常工况稳定性计算结果块体MACSTARS软件SLOPE/W软件块体11.4151.423块体21.3771.375块体31.3941.397块体41.4511.427块体51.4611.443块体61.3701.351块体71.4191.381块体81.4181.412块体91.4671.447块体101.6581.618块体112.1202.232表4地震工况下稳定性计算结果块体MACSTARS软件SLOPE/W软件块体11.3341.351块体21.3061.305块体31.3271.326块体41.3681.341块体51.3691.353块体61.2931.281块体71.3491.306块体81.3591.346块体91.3881.382块体101.5851.555块体112.0152.118计算发现,由于加筋填料和筋材强度的选取不同,最危险的块体是块体6,通过运用MacStars软件和Geo-studioSLOPE/W软件从正常工况和地震工况计算滑裂面,如图7和图8所示。图7不同工况下MacStars计算结果图8不同工况下SLOPE/W计算结果对每一级块体进行稳定性分析,计算结果表明:采用高强聚酯土工格栅对边坡进行加筋,其稳定性在正常工况和地震工况下均满足规范要求。4施工注意事项(1)各层加筋铺设前,应先填土碾压至加筋所在标高,铺设土工格栅加筋带时应展平、伸直,纵向条带(受力方向)垂直于墙前沿线。拉筋应完整连续、无破损和接头,拉筋纵向应避免搭接,可根据工程所需要长度进行定制生产。(2)摊铺填料时,卸料机具不得在未覆盖填料的筋带上行驶,严禁直接碾压土工格栅,严禁沿拉筋铺设(受力)方向推土;施工机械在拉筋上行走或碾压填土时,筋上填土厚不应小于0.2m。较重型的碾压机械距面墙的距离不小于1.0m,此1.0m范围内用小型机械压实或人力夯填达到设计要求的密实度。禁止使用羊足碾。碾压顺序为:拉筋中部→尾部→前部。(3)加筋体结构填料必须严格按照设计要求进行选用、压实。填料应严格分层压实,每层摊铺厚不超过0.30m,压实方式可采用振动式压路机或其他重型碾压机械充分碾压。5总结通过对边坡稳定原理以及筋土作用机理研究,得到边坡稳定计算模型,并采用不同的国际边坡稳定性通用软件对模型进行稳定分析计算,计算结果一致性较好,可予以采信。根据计算模型与计算结论,本文对高填方边坡的加固设计方案进行了详细对比论证,并对加筋土填料的物理力学性质、筋材的材料特性提出了具体指标要求。设计时,按以下工程措施对高填方边坡进行加固防护:高边坡中部以下按∶11.5坡率放坡,(下转第95页)58铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·线路/路基工程·化、整体社会效益最大化出发,统一技术作业过程、统一编制集、疏、运计划,统一安排协调计划实施模式。完善集疏运一体化组织前提是建立兼容可共享的信息系统,借助信息系统来统筹安排全线的货流组织,紧密衔接各OD节点的集装和疏卸环节。6结束语经过几代铁路工作者的攻坚克难,我国重载运输的装备、运输技术管理水平都得到了大幅度提升,建立了重载运输技术体系,创造出中国特色的重载运输模式。但是,我国铁路重载运输发展应在线路升级改造、延伸重载铁路路网,完善重载铁路运输组织及车流组织方面,进一步提升我国铁路运输质量和运输效率继续前行。参考文献[1]何冯斌.重载铁路运输装车区车流组织及相关问题研究[D].成都:西南交通大学,2007.[2]唐保刚.重载运输装车区车流组织的研究与探讨[D].北京:北京交通大学,2009.[3]强丽霞.基于端点换重的装车地直达车流组织优化模型与算法研究[J].铁道学报,2009,31(6):91-96.[4]曹学明,林柏梁,刘晗,等.基地直达车流组织优化[J].铁道学报,2007,29(1):16-22.[5]傅选义.铁路集疏运系统规划建设的实践与探索[J].铁道运输与经济,2009(7):1-5.[6]叶峻青.重载铁路集疏运系统协同相关问题研究[D].长沙:中南大学,2012.[7]姜雯.兰新线开行重载列车运输方案探讨与研究[D].北京:北京交通大学,2011.[8]张晓东.大包线开行万吨列车方案研究[J].铁道货运,2010(5):20-22.[9]刘翀原.我国铁路重载运输发展研究[J].武汉工程大学学报,2013(7):9-15.[10]康熊.我国重载铁路技术发展趋势[J].中国铁路,2013(6):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪1-4.(上接第85页)边坡内部采用250型聚酯土工格栅加筋,加筋竖向间距1m,筋长80~90m,筋长范围内采用圆砾土填筑;中上部按∶11坡率放坡,边坡内部采用400型高强聚酯土工格栅加筋,加筋竖向间距1m,筋长55~70m,筋长范围内采用细粒土填筑;上部按∶11坡率放坡,边坡内部采用250型聚酯土工格栅加筋,加筋竖向间距1m,筋长10~50m,筋长范围内采用细粒土填筑。经综合比选与论证,本高填方边坡工程采用加筋技术方案安全可靠,经济指标合理。目前,该设计方案已作为施工图指导现场边坡施工,K0+825、K0+850断面已开展填料填筑与土工格栅铺设作业。考虑到本工程的特殊性、复杂性,该设计方案本身具有较高的研究价值,可为同类工程设计提供一定的借鉴。参考文献[1]郑颖人,陈祖煜,王恭先,等.边坡与滑坡工程治理[M].2版.北京:人民交通出版社,2010:11-12.[2]张涛,周应华,陈礼仪,等.高路堤加筋土挡墙受力变形数值模拟分析[J].路基工程,2016(1):30-35.[3]闫澍旺,Benbarr.土工格栅与土相互作用的有限元分析[J].岩土工程学报,1997(6):56-61.[4]林彤,王迪友,郑轩.土工格栅加筋陡坡路堤在三峡库区道路建设中的应用[J].水利水电快报,2002,23(23):4-6.[5]唐辉明,林彤.三峡工程库区巫山县加筋土挡墙离心模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(17):2893-2901.[6]栾茂田,肖成志,杨庆,等.土工格栅蠕变特性的试验研究及粘弹性本构模型[J].岩土力学,2005,26(2):187-192.[7]殷跃平,鄢毅,陈波,等.三峡库区巫山新城超高加筋挡墙变形破坏及修复研究[J].工程地质学报,2003,11(1):89-99.[8]刘文白,周健.土工格栅与土界面作用特性试验研究[J].岩土力学,2009,30(4):965-970.[9]杨广庆,李广信,张保俭.土工格栅界面摩擦特性试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(8):948-952.[10]杨广庆.台阶式加筋土挡土墙设计方法的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(4):695.[11]林彤,翁家清.加筋土高挡墙局部破坏原因及修复方案探讨[J].人民长江,1999,30(11):26-27.[12]陈榕,栾茂田,赵维,等.土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究[J].岩土力学,2009,30(4):960-964.59铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据
庸梦人
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