悬臂式挡土墙

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