魏永幸 劉會(huì)娟 王占盛 褚宇光 周 成
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)
支擋結(jié)構(gòu)在山區(qū)鐵路、公路工程中應(yīng)用廣泛,其安全關(guān)乎山區(qū)道路建設(shè)安全、運(yùn)輸安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的建設(shè)環(huán)境極其復(fù)雜,受地質(zhì)、水文、技術(shù)、材料等因素及勘察、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等環(huán)節(jié)的影響,支擋結(jié)構(gòu)安全問題時(shí)有發(fā)生。如何量化識(shí)別山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn),科學(xué)評(píng)估山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn),并從工程建設(shè)源頭—工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做好山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)防控,是山區(qū)道路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。
中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司歷時(shí)十余年,圍繞支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、支擋結(jié)構(gòu)安全性能提升開展系統(tǒng)研究[1-8],在支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)量化識(shí)別、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)匹配優(yōu)化、安全保障與性能提升技術(shù)等方面取得突破,形成了支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控成套技術(shù)。支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控研究技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控研究技術(shù)路線圖
系統(tǒng)開展支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的研究,建立山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)庫(kù),提出支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)“量化識(shí)別+綜合評(píng)估”方法和山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策。
支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)可采取正向分析和反向分析兩種途徑。所謂正向分析就是從影響支擋結(jié)構(gòu)安全的因素入手,分析安全風(fēng)險(xiǎn)因素可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件;所謂反向分析則是從已知支擋結(jié)構(gòu)可能的風(fēng)險(xiǎn)事件入手,分析導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素。影響支擋結(jié)構(gòu)安全的因素,可歸納為環(huán)境、技術(shù)、材料三大類,共14項(xiàng),如表1所示。
表1 支擋結(jié)構(gòu)安全影響因素表
支擋結(jié)構(gòu)可能的風(fēng)險(xiǎn)事件通常包括:結(jié)構(gòu)失穩(wěn)出現(xiàn)垮塌、傾覆,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超出預(yù)期的變形,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂等損傷,不滿足使用功能要求等。
結(jié)合具體支擋結(jié)構(gòu),可利用分解分析法、圖解法等風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法,分析可能導(dǎo)致支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生潛在風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因素,也可從支擋結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)事件入手,分析影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素。以常用的樁板式擋土墻為例,從影響樁板式擋土墻安全的風(fēng)險(xiǎn)因素入手,分析潛在風(fēng)險(xiǎn)事件,其樹狀層次分析圖如圖2所示;或從樁板式擋土墻傾覆破壞風(fēng)險(xiǎn)事件入手,分析可能風(fēng)險(xiǎn)因素,樹狀層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 樁板式擋土墻安全影響因素分析樹狀層次分析圖
圖3 樁板式擋土墻傾覆安全風(fēng)險(xiǎn)因素樹狀層次分析圖
應(yīng)用層次分析法、敏感性分析法、專家打分法等可對(duì)影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析,識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的大小,并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序,也可對(duì)支擋結(jié)構(gòu)某一風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序。樁板式擋土墻發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)因素排序如表2所示。
表2 樁板式擋土墻傾覆風(fēng)險(xiǎn)因素排序表
必要時(shí),也可采用仿真分析法、模型試驗(yàn)法,對(duì)影響支擋結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)因素做進(jìn)一步的研究分析。如針對(duì)高速鐵路線下基礎(chǔ)工后毫米級(jí)沉降標(biāo)準(zhǔn)的限制要求,中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開展了“高速鐵路樁板式擋土墻基于路基面沉降控制的設(shè)計(jì)研究”,采用數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)高速鐵路樁板式擋土墻風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別,找出風(fēng)險(xiǎn)的主控因素為錨固樁側(cè)向變形,進(jìn)而提出限制錨固樁側(cè)向變形的工程措施。
基于山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估,研究規(guī)避或降低支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策和工程措施。針對(duì)具體的支擋結(jié)構(gòu)或具體的某一風(fēng)險(xiǎn)事件,研究制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策。山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策如表3所示。
表3 山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策表
系統(tǒng)開展支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究[9-11],提出山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)及基于參數(shù)“自洽”匹配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),提出基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。
根據(jù)GB 50153-2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)需考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)等可分為明挖基礎(chǔ)、錨固樁、錨桿(索)三類支擋結(jié)構(gòu)。其極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容如表4所示。
表4 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容表
合理設(shè)置各類作用、效應(yīng)的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)十分重要,可使支擋結(jié)構(gòu)在各類作用、效應(yīng)的共同作用下處于同一可靠程度,避免出現(xiàn)系統(tǒng)短板。
依據(jù)支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別結(jié)果,支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)可從提高、增加主控風(fēng)險(xiǎn)因素的可靠性出發(fā),調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)。如傾覆風(fēng)險(xiǎn)是樁板式擋土墻的主要風(fēng)險(xiǎn)之一,其排序位列前兩位的風(fēng)險(xiǎn)因素是地質(zhì)環(huán)境及其特性和地基穩(wěn)定性,因此,樁板式擋土墻極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)適當(dāng)調(diào)低地基橫向抗力的設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù),以增加錨固樁的錨固深度,提高樁板式擋土墻抗傾覆的可靠性。
工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)涉及材料、作用、抗力等設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于鐵路支擋結(jié)構(gòu)而言,這些設(shè)計(jì)參數(shù)之間普遍存在著一定的相關(guān)性,其一方面可表現(xiàn)為物理層面的相關(guān),另一方面也可表現(xiàn)為數(shù)理層面的相關(guān)。物理層面的相關(guān)如重力式擋土墻的滑動(dòng)力和抗滑力,其來源分別與土壓力的水平分力和垂直分力,即作用和抗力本質(zhì)同源,相關(guān)性不言而喻;數(shù)理層面的相關(guān)主要是指物理層面上相關(guān)并不明確,但在統(tǒng)計(jì)意義上有數(shù)值關(guān)系的情況(在鐵路支擋結(jié)構(gòu)中較常見)。參數(shù)相關(guān)性從性質(zhì)上可分為正相關(guān)、不相關(guān)和負(fù)相關(guān),從程度上可分為強(qiáng)相關(guān)、弱相關(guān)和不相關(guān)。
相關(guān)性的存在使得某一參數(shù)調(diào)整時(shí),其他參數(shù)存在協(xié)調(diào)性和匹配性的問題;參數(shù)相關(guān)性性質(zhì)與程度的不同,又使得支擋結(jié)構(gòu)可靠度與各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的敏感性存在差異。因此,在進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),必須保證這些參數(shù)間的“自洽”,這也是確保設(shè)計(jì)結(jié)果可靠的重要前提。研究表明,采用相關(guān)性參數(shù)的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果誤差較小,校驗(yàn)結(jié)果符合性較好?;趨?shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的核心要義是:首先進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性分析,并由此確定“自洽”匹配的設(shè)計(jì)參數(shù),試設(shè)計(jì)結(jié)果校驗(yàn)良好的設(shè)計(jì)參數(shù)才可用于后續(xù)設(shè)計(jì)?;趨?shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)流程圖
基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究,提出了消除風(fēng)險(xiǎn)隱患、強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)、提升系統(tǒng)可靠性的山區(qū)道路支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)對(duì)策,創(chuàng)新了支擋結(jié)構(gòu)列車動(dòng)力效應(yīng)控制、支擋結(jié)構(gòu)變形控制、超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)、既有支擋補(bǔ)強(qiáng)加固等安全保障和性能提升技術(shù)。
支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)。由前述支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的分析可知,防控風(fēng)險(xiǎn)需從風(fēng)險(xiǎn)的三大來源,即環(huán)境、技術(shù)、材料入手,從消除風(fēng)險(xiǎn)、減低風(fēng)險(xiǎn)、控制風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)維度防控風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合具體的支擋結(jié)構(gòu),采取對(duì)應(yīng)的防控對(duì)策,以系統(tǒng)提升支擋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控思路如圖5所示,安全風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策如表5所示。
表5 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策表
圖5 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)防控思路圖
高速鐵路列車高速度運(yùn)行對(duì)線下基礎(chǔ)提出了高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性的要求。列車動(dòng)荷載對(duì)路基支擋結(jié)構(gòu)的影響受到工程界的廣泛關(guān)注。中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開展了列車動(dòng)荷載對(duì)支擋結(jié)構(gòu)影響的研究,通過理論計(jì)算與分析、實(shí)尺動(dòng)態(tài)大模型試驗(yàn)等手段,對(duì)列車動(dòng)荷載作用及其對(duì)重力式擋土墻和衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并取得了以下認(rèn)識(shí):
(1)數(shù)值分析、彈性理論和模型試驗(yàn)的墻背荷載土壓力分布圖形較為接近,均呈中上部偏大、底部較小的曲線分布形式。
(2)隨著荷載作用距離的變化,動(dòng)荷載和靜荷載對(duì)擋土墻的影響程度不同。當(dāng)荷載距離較近時(shí),動(dòng)荷載土壓力大于同等幅值靜荷載所產(chǎn)生的土壓力;當(dāng)荷載距離較遠(yuǎn)時(shí),靜荷載土壓力大于同等幅值動(dòng)荷載所產(chǎn)生的土壓力。
(3)動(dòng)荷載土壓力與荷載作用距離之間基本符合線性關(guān)系。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明,在目前高速鐵路路基面標(biāo)準(zhǔn)寬度條件下,列車動(dòng)荷載對(duì)擋墻的影響不大。
(4)動(dòng)荷載土壓力實(shí)測(cè)結(jié)果沿深度的衰減速率明顯高于計(jì)算結(jié)果。在2.0 m深度以下,動(dòng)荷載土壓力實(shí)測(cè)值很小,甚至可忽略。因此,可認(rèn)為列車動(dòng)荷載土壓力的影響范圍為路肩式擋土墻墻頂以下2.5 m。
基于上述研究,為避免列車動(dòng)荷載循環(huán)作用對(duì)路基支擋結(jié)構(gòu)造成損傷,設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)化支擋結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置,將支擋結(jié)構(gòu)布設(shè)在列車動(dòng)荷載影響范圍之外。如圖6所示。
圖6 考慮列車動(dòng)荷載循環(huán)作用的支擋結(jié)構(gòu)布設(shè)優(yōu)化圖
過大變形會(huì)影響支擋結(jié)構(gòu)的正常使用。高速鐵路對(duì)線下基礎(chǔ)沉降變形有嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn),如路基工后沉降不大于15 mm,路基與橋梁、隧道等構(gòu)筑物之間的過渡段差異沉降不大于5 mm。路基支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形會(huì)引起路基面沉降變形,因此,對(duì)于高速鐵路路基支擋結(jié)構(gòu),應(yīng)研究路基面豎向沉降變形與支擋結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的映射關(guān)系,計(jì)算基于路基面沉降控制的支擋結(jié)構(gòu)側(cè)向變形限值。路基面豎向沉降變形與樁板式擋土墻側(cè)向變形的映射關(guān)系如圖7所示。
圖7 路基面豎向沉降變形與樁板式擋土墻側(cè)向變形映射關(guān)系圖
為有效控制支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,對(duì)于高大支擋結(jié)構(gòu),可采取限制支擋結(jié)構(gòu)后背填土側(cè)向變形的構(gòu)造措施,如后背填土采用加筋土(豎向間隔一定高度水平鋪設(shè)土工格柵)或改良土(摻入3%水泥改良)等,如圖8所示。
圖8 高大支擋結(jié)構(gòu)后填土側(cè)向變形措施圖
超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)包括承受大推力的框架式抗滑樁、椅式樁板墻、樁基礎(chǔ)懸臂擋土墻等,主要滿足高大邊坡處治、巨型滑坡治理的需要,如圖9所示。
圖9 超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)巨型滑坡多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)大邊坡多級(jí)支擋和高烈度地震區(qū)支擋結(jié)構(gòu)減震,應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。
(1)巨型滑坡治理常采用多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)應(yīng)注重多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)協(xié)同分擔(dān)滑坡下滑力,合理確定多排抗滑錨固結(jié)構(gòu)的下滑力分擔(dān)比例。
(2)長(zhǎng)大邊坡常采用多級(jí)支擋。應(yīng)采用“分級(jí)支擋、協(xié)同支擋”的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
(3)從汶川“5.12”地震震害調(diào)查看,強(qiáng)震區(qū)邊坡錨索加固的效果總體是好的,但也有錨索錨頭脫落、損傷的情況出現(xiàn)。高烈度地震區(qū)支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)采取減輕強(qiáng)震作用的措施,如錨索減震錨具,遭遇強(qiáng)震時(shí)可吸收地震作用,起到保護(hù)錨索、避免錨索損壞的作用[12]。
上個(gè)世紀(jì)90年代以前修建的鐵路,限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,加之環(huán)境的自然營(yíng)力作用,部分路基支擋結(jié)構(gòu)存在不同程度的劣化現(xiàn)象,提升其可靠性需采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施。
既有支擋結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固措施應(yīng)以其安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察、測(cè)試及理論計(jì)算分析,可將既有支擋安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為“穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定”四級(jí),對(duì)應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù)如表6所示。
表6 既有支擋安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表
針對(duì)具體的既有路基支擋結(jié)構(gòu)類型,其補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)有重力式擋土墻錨桿注漿加固、幫寬加固、抗滑樁加固技術(shù),樁板式擋土強(qiáng)錨桿注漿加固、增設(shè)錨索加固技術(shù),加筋土擋土墻錨桿注漿加固技術(shù)等。歸納而言,可分為注漿改良支擋結(jié)構(gòu)后背巖土體加固技術(shù)、幫寬補(bǔ)強(qiáng)支擋結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和增設(shè)抗滑樁或錨索加固技術(shù)三類,如圖10所示。
圖10 既有支擋結(jié)構(gòu)三類補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)措施圖
支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控成套技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)包括:
(1)建立山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)庫(kù),提出支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)“量化識(shí)別+綜合評(píng)估”方法,提出山區(qū)道路常用支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策表,建立支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控技術(shù)體系。
(2)基于支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,提出考慮風(fēng)險(xiǎn)的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)及基于參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)程式,構(gòu)建基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、參數(shù)“自洽”的支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法體系。
(3)基于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究,創(chuàng)新支擋結(jié)構(gòu)列車動(dòng)力效應(yīng)控制、支擋結(jié)構(gòu)變形控制、超常荷載特殊支擋結(jié)構(gòu)、既有支擋結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固等復(fù)雜環(huán)境、特殊條件的路基支擋安全保障和性能提升技術(shù)。