铁路废旧轨枕护坡骨架力学特性及稳定性分析

申文军

中国铁路北京局集团有限公司，北京100860

据统计，全路废旧轨枕存量有300万根以上，而且以每年120万根的速度增长。废旧轨枕在沿线较大站场集中存放或线路两侧零散堆放，对铁路沿线周边环境造成较大影响。近年来，随着国家对固体废料立法进程的加快，如何及时对废旧轨枕进行妥善销纳，是当前亟待解决的重要问题。

骨架护坡是一种常见的轻型边坡防护，主要有方格形、菱形、人字形等结构形式，用于防止边坡发生浅层破坏［1］。骨架护坡通常会结合植物防护来减少雨水对坡面的冲蚀，亦可结合锚杆或锚索构成格构护坡［2-3］。由于结构形式美观、施工便捷、防护效果良好，骨架护坡在路堤边坡防护工程中得以广泛应用［4-5］。骨架护坡适合以预制块构件现场拼接修筑，可大大缩短工期，降低现场浇筑对环境的影响。将废旧轨枕作为预制构件应用于骨架护坡，既可妥善处置轨枕废料，又减少了对石料的开采。

骨架防护虽应用已久，但至今仍以基于经验的构造设计为主，而其防护效果大多通过现场观测进行定性评价。骨架防护的适用性、防护效果、施工工艺等也因此成为工程研究的焦点［6-10］。鉴于现场观测受外界干扰大，测试条件不易把控等因素，文献［11-12］采用模型试验探究了骨架防护结构的变形与护坡稳定性，指出距坡顶不同距离处的边坡位移随加载过程的增长方式并不相同；文献［13-14］采用数值模拟对格构骨架进行了计算分析，提出了优化设计方法。目前对于采用废旧轨枕浆砌骨架护坡这种新的防护形式尚未见相关研究报道，其受力变形、防护效果、轨枕间黏结特性仍不明确。

本文依托京通铁路路堤边坡防护工程，讨论不同骨架形式的废旧轨枕骨架护坡的受力变形特性和防护效果，关注轨枕构件间的黏结特性，为废旧轨枕骨架护坡的推广应用提供初步理论参考。

1 废旧轨枕骨架护坡三维有限元模型

结合京通铁路废旧轨枕骨架护坡工程，考虑矩形、菱形、人字形三种骨架形式（图1），采用ABAQUS软件建立三维有限元模型，分析三种骨架护坡结构的护坡性能。选取典型工点边坡断面（图2）为研究对象。该边坡坡比1∶1.5，坡高5.5 m。护坡骨架埋入坡面20 cm，坡脚处埋设C25混凝土连梁与护坡骨架连接。三种护坡骨架中，矩形骨架和菱形骨架节点处设有ϕ25锚杆，锚杆长4 m。边坡土体考虑为碎石土，内摩擦角为40°，黏聚力为10 kPa［15］。

图1 废旧轨枕骨架护坡

图2 路基边坡剖面示意（单位：m）

三种护坡骨架正视图及有限元模型如图3所示。考虑模型边界效应，沿边坡断面方向从坡脚处向既有地面延伸8 m，坡顶处向后延伸8 m；沿边坡深度方向，模型深度取地面以下5 m；沿边坡纵向方向，由于三种骨架骨架间距不同，因此模型计算宽度取2倍骨架间距。土体、护坡骨架和连梁上表面为自由面，不施加任何约束。土体模型的底面按足够深的情况考虑，约束底面三个方向的位移；土体侧面约束相应侧面法线方向的位移。考虑模型的对称性，对于护坡骨架和连梁的侧面，约束其侧面法线方向的位移。护坡骨架、锚杆和坡脚连梁几何参数均按实际工程布局选取。护坡骨架、连梁、土体主要采用三维八结点六面体单元（C3D8）进行网格划分，为保证网格的规整性和连续性，在部分尖角区域采用三维六结点的楔形体单元（C3D6）进行网格划分；锚杆采用梁单元（B31）模拟。考虑到模型的复杂性和应力集中问题，对护坡骨架和连梁附近区域土体进行网格加密处理。为简化建模，不考虑边坡地下水和植被护坡，仅考虑废旧轨枕骨架护坡体系的防护作用，忽略护坡结构中锚杆的垫板，模型中锚杆与护坡骨架采用结点耦合（Coupling）的方式进行连接；锚杆与土体直接采用嵌入（Embedded Region）约束。

图3 三种护坡骨架正视图及有限元模型（单位：m）

考虑到护坡骨架混凝土工作状态基本为线弹性，采用线弹性本构模型。护坡骨架和连梁混凝土材料强度参数参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》选取。土体采用Mohr-Coulomb模型，模型材料参数见表1。黏结面砂浆损伤模型采用线性损伤模型（图4），其中砂浆极限抗拉强度τmax参考建筑行业标准JGJT 220—2010《抹灰砂浆技术规程》取τmax=0.2 MPa；损伤失效位移df按小于轨枕宽度的1%考虑，取df=2 mm；损伤起始位移di=df∕50=0.04 mm。

表1 模型材料参数

图4 黏结面损伤模型

2 废旧轨枕骨架护坡力学分析

对于菱形骨架、矩形骨架和人字形骨架三种结构形式，分别选取相应的关键点位和关键坡线（参见图3）进行力学响应分析。

2.1 关键坡线等效应力

三种骨架护坡结构的关键坡线等效应力见图5。可知：在相同条件下关键坡线的应力水平为矩形骨架＞菱形骨架＞人字形骨架，就结构受力而言，矩形骨架最为不利，而人字形骨架相对最安全。矩形骨架和人字形骨架上的等效应力分布趋势相近，由坡顶向坡脚方向等效应力逐渐变大，在各段骨架中部等效应力大于结点处等效应力；二者应力最不利位置均位于坡脚处，但矩形骨架的最大应力约为人字形骨架的7倍。菱形骨架沿关键坡线的分布相对均匀，应力在结点处和各段骨架中部较大。

图5 关键坡线等效应力

2.2 关键点竖向位移

三种骨架护坡结构的关键点竖向位移见图6。可知：在相同荷载条件下，菱形骨架和矩形骨架各关键点连线位移变化基本相同，在坡顶荷载和锚杆约束下骨架结构产生竖向位移，坡顶处位移最大，坡脚处位移较小。人字形骨架结构在临近坡脚处（P4人字顶结点）产生隆起，表明在坡顶荷载作用下，骨架结构顶部沉降下移，由于坡脚处连梁的支撑，结点处没有锚杆约束，因此在临近坡脚位置产生隆起变形，这也与边坡整体下滑趋势相吻合。三种骨架结构在坡顶和坡脚处的竖向位移基本一致。由于人字形骨架结点没有锚杆约束，因此其竖向位移趋势与菱形骨架、矩形骨架有所不同。

图6 关键点竖向位移

2.3 关键点水平位移

三种骨架护坡结构的关键点水平位移见图7。可知：三种骨架结构关键点的水平位移与竖向位移变化趋势基本一致，在坡顶处骨架结构水平位移方向指向坡内，而坡脚处的水平位移则沿坡脚方向指向坡外，这也与边坡的变形趋势一致。与骨架结构竖向位移结果类似，菱形骨架与矩形骨架关键点的水平位移基本相同。水平位移的正值，即骨架结构向坡脚外的滑移量比人字形骨架滑移量小，表明施加锚杆有利于约束边坡和骨架结构的变形。

图7 关键点水平位移

3 废旧轨枕骨架护坡稳定性分析

安全系数是评价边坡稳定性和防护效果的直观有效的参考依据。采用强度折减法［16］对三种骨架结构形式进行稳定性分析，选取坡顶处关键点的水平位移变化作为对比参数。以边坡位移发生突变时对应的折减系数作为边坡的安全系数［17-18］。边坡特征点水平位移变化曲线见图8。可知，三种骨架结构的防护效果：菱形骨架（Fsl）≈矩形骨架（Fsj）＞人字形骨架（Fsr），菱形骨架与矩形骨架防护下边坡安全系数比人字形骨架高约3.2%。除结构形式差异外，锚杆约束的差异是导致防护稳定性差异的主要原因。

图8 边坡特征点水平位移变化曲线

边坡破坏时骨架结构黏结损伤混合断裂模式分布见图9。其中数值为1（蓝色区域）表示未发生破坏；数值为0～0.5（绿色区域），表示以拉伸破坏为主；数值为0.5～1.0（红色区域），表示以剪切破坏为主。由图9可知：三种骨架结构黏结面的破坏区域主要分布在结点处，以剪切破坏为主。矩形骨架结点破坏主要发生在纵向骨架的连接处；菱形骨架由于受力较均匀，各结点连接面损伤分布较相近，此外在坡脚连接面上也发生以剪切破坏为主的损伤；人字形骨架黏结面破坏区域主要集中在人字脚结点处，人字顶结点处基本没有发生损伤。由此可见，废旧轨枕骨架护坡结构黏结最不利位置主要在各结点处，应对此位置采取结点加固措施保证废旧轨枕骨架的有效连接。结合骨架结构应力分布，坡脚处也须采取相应强化措施。

图9 边坡破坏时骨架黏结面损伤分布

4 结论

1）矩形骨架和人字形骨架应力分布趋势基本一致，应力最不利位置在坡脚位置，矩形骨架最大应力约为人字形骨架的7倍；菱形骨架应力分布较均匀，应力最不利位置在各段骨架中部和各结点位置。

2）三种骨架结构随着边坡的变形均有向坡脚滑移趋势，由于人字形骨架结构没有锚杆约束，滑移量相对更大，且防护效应稍弱于菱形和矩形骨架结构。

3）三种骨架结构黏结面的最不利位置基本分布在结点处，结合骨架结构受力分布特点，在骨架结点位置及坡脚位置均应采取强化措施。